简易纯净水加热控制电路

郑州轻工业学院课程设计任务书题目简易纯净水加热控制电路专业电信11-2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AltiumDesigner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：●T＜50℃两根电阻丝都工作，电路处在加热状态；●50℃＜T＜100℃只有一根电阻丝工作，电路处在保温状态；●T＞100℃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50℃＜T＜100℃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：2013年7月1日指导教师签章：专业负责人签章：2013年月日目录1．概述………………………………………………………………12．系统总体方案设计第一章设计目的………………………………………………2第二章简易纯净水加热控制电路的功能设计要求……2第三章方案的选取……………………………………………3第四章简易纯净水加热控制电路的基本组成及原理…3第一节纯净水加热电路的组成框图………………………4第二节各单元电路的工作原理………………………………5一电源电路…………………………………………………5二水温监测和水温范围测量电路…………………………6三电阻丝开关及显示电路…………………………………第五章主要元器件的工作原理及参数……………………11第六章元器件清单及参考文献………………………………17设计体会…………………………………………………………………18附录简易纯净水加热控制电路总电路图…………………18１课程设计简易纯净水加热控制电路概述本方案的主要目的是制作一个简易的纯净水加热控制器。该电路主要由电源电路、水温监测和水温范围测量电路以及电阻丝开关和显示电路三部分构成。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。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。电源电路的功能是为上述电路提供直流电源。电源电路由电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路来实现；电阻型温度传感器监测水温；用迟滞比较器测量水温范围；显示电路用继电器和发光二极管来实现。方案中各单元电路的原理及示意图都会有所说明。２第一章设计目的⒈熟悉工程实践中电子电路的设计方法和规范，达到综合应用电子技术的目的⒉学习文件检索和查找数据手册的能力⒊进一步熟悉AltiumDesigner软件的使用⒋学会整理和总结设计文档报告,并规范报告格式第二章纯净水加热电路的功能设计要求⒈要求电路能够检测纯净水的温度T⒉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：⑴T50℃时，两根电阻丝都加热，电路处在加热状态⑵50℃T100℃时，只有一根电阻丝工作，电路处在保温状态⑶T100℃时，两根电阻丝都工作，电路完成加热⒊要求电路设置一个按键，此按键能够起到快速加热的作用，即按键按下后，当50℃T100℃时，两根电阻丝都工作⒋要求电路能够显示加热的各种状态⒌根据上述要求选定设计方案，画出系统框图，写出详细的设计原理及过程⒍用AltiumDesigner软件画出电路图，并列出所有的元件清单３第三章方案的选取该方案电源电路采用电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成直流12V电压。稳压电路由三端稳压器实现，用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路非常简单，且安全可靠，并且附加电源通断开关。水温测量和水温监测电路主要由电阻型温度传感器和迟滞比较器组成。电阻型温度传感器是最典型也是最简单的一种温度传感器。迟滞比较器不仅可以测量水温的范围，还可以防止跳闸现象的出现。电热丝开关电路和显示电路主要由电流放大电路和继电器及一个独立开关组成。继电器可以提供电热丝所需要的交流电，而电流放大电路是由三极管组成，是一种比较典型的和简单的电路。用发光二极管构成显示电路更容易观察，而且简单便宜。综上所述，此方案电路图构成简单易懂，元器件的价格便宜，还能在一定程度上降低成本。第四章简易纯净水电路的基本组成及原理第一节系统的组成框图简易纯净水加热控制电路的总体框图如图1所示。它是由水温监测电路、水温范围测量电路、电热丝电路、电热丝开关电路、状态显示电路和电源电路6部分组成的。４图1简易纯净水加热控制电路的总体框图水温监测电路的功能是利用温度传感器电阻随温度变化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。电热丝电路的功能是利用电热丝的电阻特性，将220V交流电源的电能转化为热能。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。状态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。电源电路的功能是为上述电路提供直流电源。第二节各单元电路的工作原理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，50℃T100℃时，只有一根电阻水温监测电路水温范围测量电路电热丝电路电热丝开关电源电路状态显示电路５丝工作，电路处在保温状态，T〉100℃时，两根电阻丝都工作，电路完成加热，按下S键后，当50℃T100℃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。一电源电路电源电路的原理图如图2所示。电路直接从电网供电，通过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成+12V的直流电压。电路中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12V。整流电路采用二极管桥式整流电路，整流电路将交流电压12V变为脉动的直流电压14.4V。D1是为了防止反向电压的出现，保护三端稳压器，Cp1、Cp2是极性电容为了滤除电路中的低频分量，C1、C2滤除电路中的高频分量，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。稳压电路清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压12V的稳定，R16、Dled构成电源通断指示电路。VinVoutGNDU2LM7812T1220uFCp1220uFCp2104C2104C1GNDVCCV1V2132P1DdBridge1D61KR16DledLED0D11N4001图2电源电路６二水温监测和水温范围测量电路如图3是水温监测和水温范围测量电路图。VCCRminOUT11IN1-2IN1+3GND4IN2+5IN2-6OUT27VCC8U1LM393VCCGNDVCCVCC1KR21KR310KR510KR6100R8100R7GNDGNDGNDV50V100OUT1OUT24.7KR114.7KR101KR1D7DSchottkyD8DSchottky图3水温监测和水温范围测量电路水温监测电路由电阻R1和电阻型温度传感器Rmin（PT-1000）构成。电阻型温度传感器是最简单也最典型的一种温度传感器，它的工作原理是通过阻抗的变化来表示温度的变化，同时将温度信号转化为电信号，即代表了实际水温t。本电路采用的电阻型温度传感器型号为Pt1000，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。电阻R的作用是通过分压来实现对温度的控制。水温范围测量电路由两部分构成：第一部分是由电阻R4、R2和稳压管D7、D8构成的参考电压产生电路；第二部分是由迟滞比较器构成的水温范围测量电路。参考电源产生电路的功能是产生两个稳定的电压，这两个电压代表水温范围的上限值100°C和下限值50°C.由于参考电源７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式构成。其中稳压管的稳定电压D7为6.2V，D8为6.8V，而输出V50=6.2V，V100=6.8V。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，V50和V100分别输入到两个运算放大器的同相输入端，而VRmin则同时输入到这两个运算放大器的反相输入端。这样，当VRminV50时，OUT1和OUT2输出都是高电平；当V50VRminV100时，OUT1输出为高电平，OUT2输出为低电平；当VRmin〉V100时，OUT1和OUT2输出都为低电平（INX+表示运算放大器的同相输入端）。由于VRmin、V50和V100分别代表t、50°C和100°C，实际水温和水温控制范围的大小关系就确定了。R10、R11是上拉电阻为了调节比较器的输出电压。其次，本电路通过迟滞比较器代替单门限比较器来防止跳闸现象的出现。迟滞比较器1的特性表达式为V1T+=VIN1+=R5*V50/（R8+R5）+R8*OUT1（R8+R5）=（6.2+0.1）V=6.3V（1.21）V1T-=VIN1+=R5*V50/（R8+R5）+0=6.2V（1.22）由式（1.28）和式（1.29）可得到回差范围△VT=V1T+-V1T-=6.3V-6.2V=0.1V，即OUT1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0.1V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的特性表达式为V2T+=Vp2=R6*V100/（R7+R6）+R7*OUT2（R7+R6）=（6.8+0.1）V=6.9V（1.23）８V2T-=Vp2=R6*V100/（R7+R6）+0=6.8V（1.24）由式（1.30）和（1.31）可求得迟滞比较器U2的V2T+-V2T-之差同样具有0.1V的回差范围。三电阻丝开关及显示电路电阻丝开关及显示电路如图4所示。OUT1OUT2K1K2JQ4F12VV1V1R15电热丝R9电热丝D5D4V2VCCVCCV2S1SW-SPST10KR1210KR13Q1NPNQ2NPNGNDGNDD2D3图4电阻丝开关和显示电路电阻丝开关电路时由三极管电路和继电器电路构成的。电路的输入即为图3电路中的输出，即当t50°C时，OUT1和OUT2输出都为高电平；当50°C〈t100°C，OUT2输出为高电平，OUT1９输出为低电平；当t〉100°C时，输出都为低电平。由于电阻丝的功能是加热，即电阻丝中通过的都是大电流，产生大功率，致使直流电源无法提供大电流和大功率，因此电阻丝需要交流供电，这样一来，电路中的开关必须采用继电器电路。而一般运算放大器的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。由三极管电路构成的电流放大电路是一种比较典型的和简单的电路。其中R12和R13为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。三极管接为共射极电路，当输入电压为高电平时，三极管导通饱和，可以将输入电流放大β倍，开关闭合，对应的电阻丝通电；当输入电压为低电平时，三极管截止，无电流通过。电流过小，开关断开，对应的电阻丝通电；当无电流启动时，同时在继电器两端并联入二极管进行保护。当50°Ct100°C时，OUT1为低电平，电热丝断电，此时闭合开关S1则对应的电热丝正常工作，对纯净水进行加热。显示电路由发光二极管构成。通过发光二极管亮灭来表示电阻丝是否通电，同时由于继电器的驱动电流过大，需要加入限流电阻。第五章主要元器件