浴室温湿度电子控制说明书

1、学校代码： 10128学 号： 201110204006课程设计说明书题 目：浴室温湿度电子控制器设计学生姓名： 学 院： 班 级：指导教师： 二一三年九月一日内蒙古工业大学课程设计任务书（9）课程名称： 电子技术课程设计 学院：信息工程学院 班 级： 学生姓名： 学号： _ 指导教师： 一、设计题目 浴室温湿度电子控制器设计与实验二、设计目的 掌握基本模拟电子电路和数字逻辑电路的分析及设计方法，培养学习专业知识能力。 掌握基本电子电路故障的基本识别方法与基本诊断方法，培养分析问题、解决问题能力。 掌握学习总结报告和设计说明书的基本书写方法，培养技术交流能力。三、设计内容和要求 1设计内容设计

2、并制作一个浴室温湿度电子检测控制器。温湿度均为毫伏级信号，传感器为电压型，可将测量值转换为对应电信号3-12mV。要求能够对室内温度，湿度进行检测；能够对固定点的热水的开、停进行检测； 热水开启的时候，根据室温的高低和湿度大小控制排气扇运转强弱；热水停的时候，排气扇能够在15s后自动停止。要求控制器有延迟时间的计数显示功能、计数到时可自动发出声音和LED闪烁信号（VCC=5V，POM=2W）。拓展功能为浴室用电安全保护功能、电机延迟可设定、可提供控制器5V/1A直流电源电路设计等。2设计要求（1）查找资料，主要从器件选型角度分析比较2种以上设计方案，理解工作原理，比较各自优缺点，完成系统框架设

3、计，明确设计思路。从设计方案选择、选取器件材料、设计制作、测试分析等方面归纳阐述并总结成文，列出选用器件清单；列出参考文献目录清单。（2）对照系统框架，确定电路设计方案，绘制原理图或设计流程图，简述所选电路的工作原理；根据设计要求，进行电路分析及比较，根据计算的参数特征，选择电路元器件，写出必要的输入-输出函数表达式。（3）选择相关集成电路器件，绘制完整实验电路原理图或接线图，说明主要元件在电路中的作用，说明整体电路工作原理或工作流程。（4）搭建Multisim或MAX PlusII仿真电路，完成所设计电路的仿真测试。（5）安装、调试实测电路，完成电路性能指标测试，记录并分析实验测试结果。（6

4、）得出结论（是否针对设计任务完成电路设计，通过什么方式验证设计的正确性，设计电路的性能如何，还可以在哪些方面做进一步改进等）。（7）写出设计说明和实验报告，分析说明实验过程中出现故障的原因及排除方法。（8）创意设计或自主扩展设计。想一想自己的设计作品具有哪些方面的市场竞争力，是否可以通过进一步拓展和深化，开展项目开发，参加创新性设计，怎样才能销售出去等。四、工作内容、进度安排 第1天第2天：查阅文献资料，分析电路组成方框图，确定并提交总体设计方案。第3天：分析模拟信号单元电路的工作原理和特性，并有必要的计算，利用软件工具对其进行仿真。第4天第5天：用计算机绘制电气原理图/接线管脚图，安装调试电

5、路，通过阶段验收。第6天第7天：分析数字信号单元电路的工作原理和特性，并有必要的分析、计算、描述。第8天第9天：完成逻辑电路性能指标测试；完成系统统调测试；*提出扩展设计模块及方案。第10天：完成设计说明书的总体编写工作，针对设计通过答辩。五、主要参考资料1 阎石，数字电子技术基础（第5版） 高等教育出版社 20062 华成英，模拟电子技术基础（第4版） 高等教育出版社 20063 电子技术课程组，电子技术 内蒙古工业大学 2013.34 课程设计专栏，内蒙古工业大学精品课程公共网站。学生根据实际题目检索相关文献（不少于三篇）审核意见系（教研室）主任（签字） 指导教师下达时间 年 月 日 指导

6、教师签字：_ _摘 要随着人类生产技术的进步和发展，温湿度电子控制器在人们生产与生活中的变得愈发重要，为了能够为人们提供更好的生活平台，浴室温湿度电子控制器的设计必定“首当其冲”。本系统就是关于浴室电子控制器的设计，它通过温度传感器、湿度传感器和热传感器对浴室温度、湿度和热水的相关参数进行精确检测，并将测量值转换为对应3-12mV的弱电信号进行传输。当检测到热水开启的时候，根据浴室温度的高低和湿度的大小来控制排气扇的运转强弱，其电机转速分为停、弱和强三档。当热水停止的时候，排气扇在运转15s以后自动停止，并且延时时间可调且显示时间，当计数到时还可自动发出声音和LED闪烁信号，并且当浴室出现漏电

7、时控制器可进行自动断电，保障了浴室的用电安全。并在Multisim仿真软件和电子实验室环境中皆运行成功，符合设计要求。浴室温湿度电子控制器还无害于环境，且有利于人的身心健康，其性能同时也迎合市场需求。关键字：传感器；排气扇；延时；报警；AbstractAs human advancement and development of production technology, electronic control of temperature and humidity in people's manufacturing and life becoming more important,

8、in order to provide people with a better life platform, bathroom electron temperature and humidity controller design must "bear the brunt . " The system is about designing the electronic control of the bath, that can detect accurately of the bath temperature, humidity and water relevant pa

9、rameters by the temperature sensor, humidity sensor and thermal sensor, and the measured value is converted to the corresponding 3 - 12mV a weak signal for transmission. When detected hot water Is opened, according to the high and low temperature and humidity to control the operation of fan strength

10、 in bath, which divided the motor speed into stop, weak and strong three gear. When the hot water stopped, the exhaust fan in operation automatically stops after 15s, and the delay time is adjustable and the display time when counting is also automatically sound and LED flashing signals, and when le

11、akage occurs when the controller bathroom automatic power-off to protect the bathroom electrical safety. And Multisim simulation software and electronics lab environment run successfully meet the design requirements.Bath temperature and humidity electronic controller also environmentally sound, and

12、there is conducive to people's physical and mental health, but also its performance to meet the market demand.Keywords: sensor; exhaust fan; delay; alarm; 目 录一、设计任务概述1 一）、设计任务1 二）、设计电路的特点2 三）、设计电路的意义22、 设计方案方案方框图及论证2 一）、电路设计总框图2 二）、各单元框图简介与分析33、 电路设计及工作原理8 一）、总控制电路8 二）、工作原理分析94、 电路元器件的选择与计算95、 安

13、装与调试 10 1、安装 10 2、测试方案11 3、调试过程11 4、调试中发现的问题及解决措施146、 结论 161） 、课程设计完成的工作 162） 、课程设计没有完成的工作 173） 、拓展功能 177、 参考文献以及网站 181、 设计任务概述 一）、设计任务1、设计题目： 浴室温湿度电子控制器的设计与实验。2、设计目的： 掌握基本模拟电子电路和数字逻辑电路的分析及设计方法，培养学习专业知识能力。 掌握基本电子电路故障的基本识别方法与基本诊断方法，培养分析问题、解决问题能力。 掌握学习总结报告和设计说明书的基本书写方法，培养技术交流能力。3、设计内容：设计并制作一个浴室温湿度电子检测

14、控制器。温湿度均为毫伏级信号，传感器为电压型，可将测量值转换为对应电信号3-12mV。要求能够对室内温度，湿度进行检测；能够对固定点的热水的开、停进行检测； 热水开启的时候，根据室温的高低和湿度大小控制排气扇运转强弱；热水停的时候，排气扇能够在15s后自动停止。要求控制器有延迟时间的计数显示功能、计数到时可自动发出声音和LED闪烁信号（VCC=5V，POM=2W）。拓展功能为浴室用电安全保护功能、电机延迟可设定、可提供控制器5V/1A直流电源电路设计等。4、设计要求： （1）查找资料，主要从器件选型角度分析比较2种以上设计方案，理解工作原理，比较各自优缺点，完成系统框架设计，明确设计思路。从设

15、计方案选择、选取器件材料、设计制作、测试分析等方面归纳阐述并总结成文，列出选用器件清单；列出参考文献目录清单。 （2）对照系统框架，确定电路设计方案，绘制原理图或设计流程图，简述所选电路的工作原理；根据设计要求，进行电路分析及比较，根据计算的参数特征，选择电路元器件，写出必要的输入-输出函数表达式。 （3）选择相关集成电路器件，绘制完整实验电路原理图或接线图，说明主要元件在电路中的作用，说明整体电路工作原理或工作流程。 （4）搭建Multisim或MAX PlusII仿真电路，完成所设计电路的仿真测试。 （5）安装、调试实测电路，完成电路性能指标测试，记录并分析实验测试结果。 （6）得出结论（

16、是否针对设计任务完成电路设计，通过什么方式验证设计的正确性，设计电路的性能如何，还可以在哪些方面做进一步改进等）。 （7）写出设计说明和实验报告，分析说明实验过程中出现故障的原因及排除方法。 （8）创意设计或自主扩展设计。想一想自己的设计作品具有哪些方面的市场竞争力，是否可以通过进一步拓展和深化，开展项目开发，参加创新性设计，怎样才能销售出去等。 二）、设计电路的特点： 1、电压型传感器对温、湿度的测量值用3-12mV直流电源代替。2、将温、湿对应的电信号进行低通滤波和电压放大。 3、热水开、停的检测用开关或高低电平进行替换。 4、只有热水开时温、湿度所对应的放大电压才能对排气扇的运转强弱进行

17、控制。 5、热水停时延时15s后排气扇自动停止，并自动发出声音和LED闪烁信号。 6、延时时间可调并显示数字。 7、具有漏电安全保护功能。 三）、设计电路的意义对温湿度控制器主要功能的工作原理进行充分的了解，并结合所学的知识以及查阅相关资料进行简单的设计，理论联系实际。在设计的整个过程中提升我们发现问题、分析问题和解决问题的能力。并同时对于相关的一些知识进行大量的涉猎，扩充了我们的识海，且培养了我们思考的能力和动手的能力。 二、设计方案方案方框图及论证 一）、电路设计总框图根据设计要求及性能指标，并综合温湿度电子控制器的优缺点，兼顾可行性、可靠性和经济性等各种因素，设计电路框图如下所示： 二）

18、、各单元框图简介与分析 1、传感器单元 首先传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，如此次设计中的温度传感器、湿度传感器和热传感器，分别对温度、湿度和热进行检测。并能将检测感受到的信息，按一定的规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。这里所说的“可用输出信号”是指便于加工处理、便于传输利用的信号。此次设计是以电信

19、号为输出信号，现在最易于处理和便于传输的信号就是电信号。其中通过查询资料显示当温度每变化0.1的时，湿度相应的变化0.5%RH，而且适合人们的温度一般在23-27，湿度一般在40%-65%RH之间。在本实验中由于实验条件的限制，传感器检测值用3-12mV的电压进行替换。其中以8mV为界，当温湿度的电压信号小于8mV时在经过放大比较以后的输出控制电压为0V，否则为5V。 2、信号放大单元信号放大主要是将传感器所测信息，3-12mV的电压进行放大，以此来达到排气扇电机的驱动电压。由于仿真中电机用指示灯代替，所以此处的放大倍数是以8mV放大到5V左右，以实现电机的控制功能。如下是信号放大的单元设计图

20、： 3、低通滤波单元由于在实际生活中人温、湿度被传感器所检测的属于低频信号，但是传感器所检测传输的信号所受干扰很大，使控制器的执行控制能力减弱，为了避免其他信号的干扰，提高控制的精确度，此处专门设置了低通滤波的环节。由于仿真环节用直流电压代替传感器，所以没有其他信号的干扰。设计电路图如下所示（二阶滤波电路）：当两个电容C11=C12=80uF,R=R=40时，根据截至频率的计算公式：fo=1/2RC=50HZ；由于在滤波环节没有放大，故输出电压不变。或经过调整输入信号源的频率可以找到该滤波单元的通带范围，以为该滤波器为低通滤波器所以只会有下线截止频率，当输入频率为下限截止频率的时候放大倍数A=

21、0.707Au(通带放大倍数)。 4、比较器单元因为实验要求通过温、湿度的大小和高低来控制排气扇的运转强弱，所以此处应用比较来实现对电机转速的控制。而后面对电机的转速控制我们分为停、弱和强三种，将比较器输出电压用两个等表示，当有一个亮时表示转速弱，两个亮时表示转速强，否则表示停止。（其中低电平时3-8mV，高电平是9-12mV）分析结果如下：比较器1比较器2电机转速00停01弱10弱11强 （1）、电平为00时的电路图如下所示： （2）、电平为01或10时的电路图如下所示：（3）、电平为11时的电路如下所示：比较器电路图如下所示：其中阈值电压为5V，其输入电压分别为6V和4V，经过电压比较器输

22、出电压分别为5VD的高电平和0V的低电平。比较器同时对排气扇器控制作用时的Multisim仿真电压测试结果如下：（1） 、当温湿度检测电压都小于8mV时，电机停。 （例如下图的输入电压为5mV和7mV） （2）、当温湿度检测电压其中之一大于8mV时，电机转速弱。 （例如下图的输入电压分别为5mV和12mV） （3）、当温湿度检测电压都大于8mV时，电机转速强。 （例如下图的输入电压都为12mV）其共同的输出电压即对电机的控制电压如下所示：A B电机电压000012.25V10114.5V5、延时单元和报警单元此处所用器件主要是十六进制计数器74LS161和数码显示管功能来实现15s的延时控制和

23、显示功能，报警功能主要通过LED闪烁灯和蜂鸣器来实现。仿真电路图如下所示：6、延时可调单元器件延时可调主要是通过改变计时器的进制数来达到延时可调效果的，器件主要由逻辑开关组成，在输出回路添加即可。但是由于器件所限只能够可调十六进制以内，在多了就得更换器件。三、电路设计及工作原理 一）、总控制电路 根据课程设计要求，设计电路图如下所示，其中高低电平代替热水的开停检测装置。当逻辑开关为“0”时表示热水开，此时通过温湿度的大小和高低来控制电机的运转强弱，其中当两个灯泡都亮时表示电机转速强，一个亮时表示电机转速弱，否则表示停。逻辑开关为“1”是表示热水停，此时启动延时控制功能，排气扇15s以后自动停止

24、，并伴随着蜂鸣器报警和LED灯闪烁。 二）、工作原理分析如上图所示，当逻辑开关处于逻辑“0”的时候，控制上面的三态门处于导通状态，从比较器输出的高低电平作用于排气扇，控制其转速。当逻辑开关处于逻辑“1”的时，使得下面的计数器开始工作。当计数到15即“F”的时候计数器会给出一个进位，通过与门与温湿度所对应的高低电平作用控制排气扇在15s以后自动停止，实现控制功能。其他各个单元的工作原理都在上面就已经给出。四、电路元器件的选择与计算 1、传感器单元器件用直流电源代替传感器检测所对应的的3-12mV的电压值。 2、放大单元器件以及计算器件主要是电阻和运算放大器，型号为OPAMP-3T-VIRTUAL

25、,根据所设计的电路图计算结果如下所示：Uo=（1+Rf/R）Ui，其中Rf=200k.R=360,Ui=8mV.所以，计算值Uo=4.444V，但是通过仿真结果为Uo=4.987V，约等于5V。 3、低通滤波单元器件与计算由于是以直流电源作为传感器的检测电压值，所以不存在滤波。但现实中必须存在滤波环节，一此次课程设计的二阶低通滤波电路为基准来计算其截至频率，计算公式如下所示：当两个电容C11=C12=80uF,R=R=40时，根据截至频率的计算公式：fo=1/2RC=50HZ；由于在滤波环节没有放大，故输出电压不变。或经过调整输入信号源的频率可以找到该滤波单元的通带范围，以为该滤波器为低通滤波

26、器所以只会有下线截止频率，当输入频率为下限截止频率的时候放大倍数A=0.707Au(通带放大倍数)。 4、比较器单元的器件与计算在Multisim仿真中比较器器件主要是型号为COMPARATOR-VIRTUAL的电压比较器和阈值电压5V的直流电压源。当输入电压大于阈值电压时输出高电平，设置为5V，否则为低电平0V。 5、延迟、显示单元的器件主要器件主要是十六进制计数器74LS161和数码显示管、时钟脉冲源、四输入与非门、两输入与门。 6、报警与LED灯闪烁单元器件主要就是蜂鸣器和信号指示灯。 7、延时可调单元的器件主要是通过逻辑开关来实现延时可调功能的。五、安装与调试 1、安装 （1）、选择合

27、适的实验器件。实验室所选器件清单如下所示：器材名称器件型号十六进制计数器74LS161二输入与非门74LS00四输入与非门74LS20二输入与门74LS08运算放大器LM324比较器LM393蜂鸣器5VDC发光二极管数字电子技术实验箱/模拟电子技术实验双踪示波器/数字万用表实验室集成电路板、导线等 （2）、对照所设计的电路原理图在数字电子技术实验箱和模拟电子技术实验箱上连接电路或者根据电路在海绵板上连线。 （3）、认真检查所连电路。 2、测试方案 （1）、再度检查电路的连接是否正确。 （2）、先测试放大电路环节以及比较器的输出是否正常，然后连接电机即指示灯，观察其是否工作正常。 （3）、然后测

28、试延时单元和报警、指示灯单元是否按照设计正确的计数和发声、发亮。 （4）、如果都正常工作，然后正式展开实验，观测并调整实际与仿真的误差，使得结果符合设计要求。 3、调试过程 （1）、放大电路的测试所选器件是实验室集成电路板的运放电路，通过负反馈放大将输入电压放大，其中Rf=100K，R=1OK。根据放大倍数A=Uo/Ui=1+Rf/R=11。实验室所测数据以及实验图如下所示： UiUoA0.22.2211.10.55.8611.720.9910.7510.75由于实际测量受实验设备和器件电路的影响，结果会出啊想出现波动和偏差，但所测数据显示基本符合预想的电压的放大倍数11倍。 （2）、二阶滤波

29、电路的测试所用器件是实验室集成电路板二阶低通滤波电路，通过示波器观察，其中所测通带截止频率为406HZ，其中通带输入电压为5.04V,输出电压为10V，通带放大倍数为2倍。所测数据与过程连线图如下所示： 实测电路连接图通带输入电压5.04V通带输出电压10V通带截止频率406HZ（3）、比较电路的测试实验室测试所用器件主要是LM324的集成运放，所设阈值电压为3V，当输入电压大于3V是指示灯亮，输出为高电平，输出电压值为3.71V，小于阈值电压时指示灯灭，输出电压是低电平为0V。实验室测试电路图如下所示：（三个万用表所现实电压从左往右依次是阈值电压、输入电压和输出电压）Ui>3VUi&l

30、t;3V（4）、延时电路的测试所用器件有十六进制计数器74LS161、四输入端与非门74LS20、二输入端与门74HC08以及二输入端与非门74LS00，数码显示管。实测电路图通仿真图相同，实验室测试过程如下所示：（逻辑电平从左往右依次是D0、D1、D2和D3，以及热水开停检测装置）当热水开关为逻辑“1”的时候开始计时，电机指示灯亮，十五秒的时候停止，指示灯灭，当惹事逻辑开关为“0”时，计数器归零，不进行计数。 （5）、报警和LED灯闪烁装置当计时十五秒的时候进行自动报警和LED灯闪烁，实验中所用报警器件是蜂鸣器和LED灯。图如下所示： 4、调试中发现的问题及解决措施（1）、放大环节问题及解决方案一开始通过同向电压放大来实现电压的放大，但是误将负反馈