简易纯净水控制电路-采用光耦

1、简易纯净水加热控制电路郑州轻工业学院电子技术课程设计 题 目 简易纯净水加热控制电路 学生姓名 专业班级 电子信息工程10-01班 学 号 院 （系） 电气信息工程学院 指导教师 完成时间 2012年06月22日 1课程设计（论文）任务书题目 简易纯净水加热控制电路 专业 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容1阅读相关科技文献。2学习protel软件的使用。3学会整理和总结设计文档报告。4学习如何查找器件手册及相关参数。技术要求1. 要求电路能够检测纯净水的温度T。2. 要求电路能够通过两根电阻丝实现对加热的控制，具体情况如下： T50 两根电阻丝都工作，电路处在加热状态；

2、 50T100 只有一根电阻丝工作，电路处在保温状态； T100 两根电阻丝都不工作，电路完成加热。3. 要求电路设置一个按键，此按键能够起到快速加热的作用。即此按键按下后，当50T100时，两根电阻丝都工作。4. 要求电路能够显示加热的各种状态。主要参考资料1何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月2姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月3王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月4李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5康华光，电子技术基础，高教出版社，2003完 成 期 限： 2012年06月22日 指

3、导教师签章： 专业负责人签章： 2012 年 06月 11日目 录摘 要III1 概述12. 系统方案设计22.1 纯净水加热控制电路的结构框图22.2 各个单元电路的工作原理22.2.1 电源电路22.2.2 水温监测和水温范围测量电路3 2.2.3 电阻丝开关及显示电路53 元器件选型73.1 变压器的选型73.2 二极管桥式整流电路73.3 三端稳压器73.4 电阻型温度传感器83.4.1 传感器的原理和特性83.4.2 电阻型温度传感器的参数特性83.5 迟滞比较器93.6 光电耦合器93.6.1 光电耦合器的原理93.6.2 TLP521-193.7 发光二级管103.7.1 发光二

4、级管的发光原理103.7.2 发光二级管的参数104 简易纯净水加热控制电路总电路图115 总结126 元件清单附录及参考文献14简易纯净水加热控制电路摘 要本次设计主要是要设计一个简易纯净水加热控制电路。所采用的方案由三部分组成。电源电路，水温监测和水温范围测量电路，电阻丝开关及显示电路。电源电路通过变压器电路，整流电路，滤波电路，稳压电路将220V交流电压转换成12V直流电压。水温监控和水温范围测量电路主要由温度传感器和迟滞电压比较器组成，迟滞电压比较器不仅可以测量水温还可以防止跳闸现象发生。电阻丝开关及显示电路是由光电耦合器和发光二级管组成。此设计方案不仅实现了电路设计要求，而且电路图构

5、成简单易懂，在一定程度上减少了元件的浪费，易于实现。关键词 电源电路 水温监测 水温范围测量 光电耦合器III1 概述 此次课程设计要设计一个简易纯净水加热控制电路，该电路的关键有电源，温度测量，温度范围控制。电源不能直接用220V的交流加热，交流不稳定，而且幅值较大，故需要将220V交流电转变成适合此电路的12V的直流电源。这就需要一个电源电路。温度测量主要是通过电阻型温度传感器来实现的，根据温度传感器的阻值随着温度的改变而改变的性质，从而得到我们理想的温度范围。温度调好以后就是加热系统的监测和显示了，这部分主要用到的是电阻丝，光电耦合器和发光二极管。电阻丝主要是加热作用，而光电耦合器则主要

6、负责实现将电信号转化成光信号再将光信号转化成电信号。完成电-光-电的转化过程。发光二极管主要是起到显示作用。这又形成了设计的第二大部分，即水温测量和电阻丝开关及显示电路。整个电路结构比较简单，原理也不是很复杂，所使用的元器件都是我们所熟悉的。2. 系统方案设计2.1 纯净水加热控制电路的结构框图简易纯净水加热控制电路的总体结构框图如图1-1所示，它是由电源电路、水温监测电路、水温范围测量电路、 电阻丝开关电路、 显示电路五部分组成的。水温监测电路水温范围测量电路电阻丝开关电路显示电路电源电路 图 1-1 简易纯净水加热控制电路的总体框图该电路能够检测出纯净水的温度T，并且能够在不同的温度下通过

7、两根电阻丝实现对加热的控制。当T50时，两根电阻丝都加热，电路处在加热状态， 50T100时，只有一根电阻丝工作，电路处在保温状态， T100时，两根电阻丝都不工作，电路完成加热，按下S键后，当50T100时，两根电阻丝也都工作，该电路还能通过发光二极管显示加热的各种状态。 电源电路的功能是将220V的交流电压变成12V直流电压为上述电路提供直流电源。水温监测电路的功能是利用温度传感器的特性监测水温的变化，同时将温度信号转化为电信号。水温范围测量电路的功能是利用比较器的原理实现水温范围的确定，同时利用迟滞比较器的迟滞特性避免跳闸现象。电阻丝开关电路的功能是完成控制电路和加热电路的强、弱点转换。

8、显示电路的功能是利用发光二极管将电阻丝通电与否显示出来。2.2 各个单元电路的工作原理2.2.1 电源电路电源电路的原理图如图2.2.1所示 图2.2.1电源电路的只要目的是为开关电路和显示电路提供一个稳定的+12V的直流电压，这就要求此电源电路能够将家用220V交流电转变为+12V直流电压，所以主要的过程是降压、交流变直流、滤波、稳压，四个过程依次由变压器、二极管整流桥、电容、稳压管实现，所以该电源电路主要是由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成，输入为家用220V交流电，输出为+12V直流电流。具体过程如下：变压器采用常规的铁心变压器，电源变压器将交流电网电压220V变为合适的交流电压

9、12V。其中有二级管整流电桥组成的整流电路能够将12V交流电压转变为+12V直流电压。稳压电路采用三段集成稳压电路实现，并且能够排除干扰保证输出电压的稳定。C1、C2、C3、C4具有滤波功能。电源变压器：将电网220V交流电压转变成符合需要的12V交流电压。整流电路：利用二极管的的单向导电性，通过二极管桥式整流电路把交流变成直流。滤波电路：利用电容器的两端电压不能突变的性质，可以将整流电路中的大部分交流成分滤除，从而得到较平滑的直流电。稳压电路：使整流滤波后的直流电压基本上不随电网电压和负载的变化而变化，采用三端稳压集成电路来实现。2.2.2 水温监测和水温范围测量电路图2.2.2 水温监测和

10、水温测量电路水温监测电路主要是由温度传感器构成的。它的工作原理是通过电阻的变化来表示温度的变化，同时将温度信号转变成电信号。本电路采用的电阻型温度传感器是一种正温度系数的电阻型温度传感器，即传感器的阻抗随温度的增加而增加。可变电阻的作用是通过调节可变电阻的阻值，就可以调节电压Vs的变化范围，从而达到调节水温控制范围的目的。水温测量电路主要是由电压迟滞比较器组成的。由电阻R9和R10，稳压管D1和D2组成的电源产生电路分别产生了两个稳定电压，这两个电压分别代表水温范围的上下限。由于参考电源产生电路输出端介入比较器的输入，为了防止出现输出电流导致参考电源不稳定的情况，电路采用电阻和稳压管相结合的方

11、式构成。其中稳压管的稳定电压均为+8v，而输出VR1=+8V，VR2=+4V。产生的稳定电压经过电压迟滞比较器测量出水温范围。水温范围测量电路的功能有两个：第一是确定实际水温和水温控制范围的大小关系；第二十防止跳闸现象的产生。首先，VREF1和VREF2分别输入到两个运算放大器的同相输入端，而Vs则同时输入到这两个运算放大器的反相输入端。这样，当VsVp2时，V1和V2输出都是高电平；当Vp2 VsVp1时，V1输出为高电平，V2输出为低电平；当VsVp1时，V1和V2输出都为低电平（Vp表示运算放大器的同相输入端）。由于Vs 、VR1和VR2分别代表t、t2和t1，实际水温和水温控制范围的大

12、小关系就确定了。其次，本电路通过迟滞比较器代替单门限比较器来实现跳闸现象的出现。迟滞比较器U1的特性表达式为V1T+=Vp1=R5*VR（R5+R2）+R2*V1（R5+R2）=（7.3+1.1）V=8.4V （1） V1T- = Vp1=R5* VR1/（R5+R2）+0=7.3V （2） 由式（1）和式（1）可得到回差范围VT = V1T+ - V1T- =8.4V-7.3V=1.1V，即V1从高电平转换为低电平和从低电平转换为高电平的分界点电压值有了1.1V的差别，从而就可以防止跳闸现象的出像。同理，迟滞比较器U2的特性表达式V2T+=Vp2=R6* VR2/（R4+R6）+R4*V2（

13、R4+R6）=（3.6+1.1）V=4.7V （3） V2T-=Vp2=R6*VR2/（R4+R6）+0=3.6V （4） 由式（3）和（4）可求得迟滞比较器U2的V2T+ -V2T-之差（4.7V-3.6V）同样具有1.1V的回差范围。2.2.3 电阻丝开关及显示电路 图2.2.3 电阻丝开关及显示电路电阻丝开关及显示电路主要由光电耦合器和发光二级管组成。如上图为光耦开关控制电路原理图，主要由两块光电耦合器TLP521-4构成，它的工作原理为：当被测的水温低于50度时，即0t50时，则和均为高电平，两光耦均导通，加热电阻丝R13和R14同时工作，并且此时发光二级管D3、D4同时点亮，表示电路

14、处于加热状态。当被测的水温大于50度小于100度时，即50t100时，输出和均为低电平，同以上分析可知：两块光耦都不工作，D3、D4不亮。考虑到在实际应用中我们经常需要对纯净水进行快速加热，故本电路在设计时增加了一个快速加热开关S，并用发光二级管D5的亮灭来显示其工作状态。按照设计要求，当被测纯净水温度50t100时，按下按键时必须让两根电阻丝均处于加热状态。由上面的分析已经知道，在被测纯净水的温度在50t100的情况下，电阻丝R13已处于加热状态，再结合电路图可知，此时当按下开关S时R14也立即接通，进入加热状态，进而达到了快速加热的目的。 3 元器件选型3.1 变压器的选型变压器的原理是电

15、磁感应技术,变压器有两个分别独立的共用一个铁芯的线圈。分别叫作变压器的次级线圈和初级线圈。电流的方向和大小随时间变化的,变压器初级通上交流电时,变压器的铁芯中产生了交变的磁场,（其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈）。在次级就感应出频率相同的交流电压.变压器的初次级线圈的匝数比等于电压比。变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压,因为直流电流是不会变化的,电流通过变压器不会产生交变的磁场，所以次级线圈只能在直接接通的一瞬间产生一个瞬间电流和电压。3.2 二极管桥式整流电路桥式整流电路由四个二极管组成。工作原理：u2正半周时：D1 、D3导通， D2、D4截止 u2负半周时：D2、

16、D4导通， D1、D3截止主要参数：输出电压平均值：UL=0.9U2输出电流平均值:IL= UL/RL =0.9 U2 / RL 流过二极管的平均电流：ID=IL/2二极管承受的最大反向电压：V=V2 图3.2 桥式整流电路3.3 三端稳压器稳压器：它是一种能自动调整输出电压的供电电路或供电设备，其作用是将波动较大和达不到电器设备要求的电源电压稳定在它的设定值范围内，使各种电路或电器设备能在额定工作电压下正常工作。由于部分电器中含有线圈组件，在通电初期会产生阻碍电流的涡流，涡流的产生既会削弱到电器启动时的瞬时电压，导致启动缓慢，又会加强断路后产生的瞬时电压，可能产生火花损坏电路。此时便需要一个

17、稳压器来保护电路的正常运行。 稳压器由调压电路、控制电路、及伺服电机等组成，当输入电压或负载变化时，控制电路进行取样、比较、放大，然后驱动伺服电机转动，使调压器碳刷的位置改变，通过自动调整线圈匝数比，从而保持输出电压的稳定。容量较大的稳压器，还采用电压补偿的原理工作。本电路采用LM7812 12V 1A的稳压管，该稳压器内部设有电流过流和调整管安全区保护电路，以防止过载而损坏，用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路简单，且安全可靠。3.4 电阻型温度传感器3.4.1 传感器的原理和特性电阻型温度传感器：导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器

18、就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200500温度范围内的温度测量。电阻型温度传感器具有以下特性：电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。电阻率高，热容量小，反应速度快。材料的复现性和工艺性好，价格低。热敏电阻温度特性。在测温范围内化学物理特性稳定。 3.4.2 电阻型温度传感器的参数特性热敏电阻器的主要特性参数有电阻温度特性、电压-电流特性和热时间常数。电阻-温度特性：特性曲线如图所示。金属热敏电阻器的电阻-温度关系可表示为 RtR0(1t) (1)式中Rt为温度t摄氏度时的电阻值,R0为温度0摄氏度时的电阻值， 为工作温度区间的平均温度系数。普通负温度系数热敏

19、电阻器的电阻温度关系可表示为RTAeB/T (2)式中 RT为温度T(K)时的电阻值，A为与热敏电阻器材 料和结构有关的系数,B为材料的特性常数。3.5 迟滞比较器比较器的功能是比较两个电压的大小。它的基本特点是：工作在正反馈状态；开关特性，因为开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态；非线性，因为大幅度工作，输入和输出不成线性关系。 迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。（单限比较器，如果输入信号Uin在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点）。在反相输入单门限电压比较器的基础

20、上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。 3.6 光电耦合器3.6.1 光电耦合器的原理光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。低电源电压型光电耦合器（一般515V），光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是不小于500%。因为当CTR5.0mA

21、),才能保证信号在长线传输中不发生错误，这会增大光耦的功耗。具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强无触点且输入与输出在电气上完全隔离等优点。 3.6.2 TLP521-1三极管光电耦合器当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光。光敏元件受到光照后而产生电流，34端导通。当没有输入信号时，发光二极管不亮，光敏三极管截止，34不通。当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”。当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。3.7 发光二级管3.7.1 发光二级管的发光原理发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可

22、以直接把电转化为光。发光二级管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。3.7.2 发光二级管的参数普通发光二级管的正向饱和压降为1.62.1V。正向工作电流为520mA。正向工作电流IF:它是指发光二级光正常发光时的正向电流，在使用时，要选择IF在0.6IF以下。正向工作电压VF:给定的正向电流下得

23、到的工作电压，一般是在正向电流为20mA时测得的。发光二级管正向工作电压在1.43V。外界温度升高时，VF将下降。在正向电压小于某一值时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。4 简易纯净水加热控制电路总电路图图 4.1 电源电路图 4.2 水温监测和水温测量电路5 总结这是大学的第一次课程设计，而现在已经要结束了。通过这次课程设计，我觉得我学会了好多东西，也发现了自身在学习过程中的许多不足之处。首先，要做的就是弄明白整个课程设计的目的和基本要求。这就需要我们查阅资料，在查阅资料的过程中，就是对以往学过知识的回顾。使我们对所学的知识有更深入的了理解和巩固。在这个过

24、程中，要联合设计所需要的器件原理特性，弄懂它们的工作特点，将理论与实际过程相结合。也是在这个过程中，我们都发现了自己在学习理论知识过程中的不足。有好多的元器件我们都只知其一，对它们的工作环境，工作特点，结构原理，参数等都不是很熟悉。以至于我们在设计刚开始的时候花费大量时间在查阅资料和各个元器件的功能参数上了。接着就是小组讨论了，我们组就在一起讨论了一下整个课程设计的原理，需要用到哪些电路等等，主要还是自己动手去做自己的。不过在自己做的过程中，我发现了很多自己不懂的地方，就去问同学，同学有不清楚的地方，我们也在一起商量探讨。在设计的过程中我们遇到了很多问题，例如，电阻的阻值，电容的大小等等。我们

25、不知道阻值到底取多大才好，原因是什么，这些都需要我们一步一步的弄懂。在很大程度上，这考验了我们的耐心，还有谨慎认真的程度。通过这些考验，我认识到自己存在的各种不足之处，首先就是基础理论知识没有学好，所以知识一定要温故而知新。第二就是理论与实际不能很好地相结合，所学的不能运用到实际应用中去。最后就是自己的耐心还不够，也不够谨慎和认真，在电路设计过程中最需要恒心和认真了，我却频频出错，做个电路图就做了好几天。这些以后都要引以重视，做电路设计这种东西，一点点的不细心，可能整个电路就都出问题了。这次课程设计就要接近尾声了，回想起这几天的日夜奋战，还是挺值得的。通过这次课程设计，不仅让我们知道理论联系实

26、际的重要性。更重要的是，要把理论基础打牢，这样才能为更好的实践提供保障。另外，再设计过程中，一定不要忘了独立思考，查资料很重要，但如果自己什么也不懂，就从资料上照搬照抄，到最后会发现自己其实什么都不会，误解了这次课程设计的目的，也纯粹是在耽误自己的时间。做好课程设计，不仅是对我们学习理论知识的一次测试，也是对我们掌握情况的测试，对我们的思维来说是一次开拓创新的机会。此时不锻炼，更待何时。我们总是要走出学校的，所以，趁着当下这个大好机会我们每个人都要好好珍惜这次锻炼机会，认真完成这次课程设计。总之，这次此课程设计给了我们一个相互学习相互探讨的机会，也考验了我们大家对知识的掌握能力。都各自了解了自己的欠缺之处，不管是在学习上，还是在处理在实践过程中遇到的各种问题上，我们发现了自己的不足之处，就要好好改正错误，争取下次不再犯。我觉得对我们来说是一次不可多得的经验。感谢老师能给我们提供这样的机会，希望以后能够多些这样的机会，锻炼自己。 6 元件清单附录及参考文献CommentDescriptionDesignatorFootprintLibRefQuantityComponent_1Component_12Cap Pol1Polariz