課程設(shè)計任務(wù)書--簡易純凈水加熱控制電路.docx

課程設(shè)計任務(wù)書 題目 簡易純凈水加熱控制電路 專業(yè) ：電子信息工程 09-2 學(xué)號： 姓名 ： 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：主要內(nèi)容1. 閱讀相關(guān)科技文獻(xiàn)。2. 學(xué)習(xí)protel軟件應(yīng)用。3. 學(xué)會整理和總結(jié)設(shè)計文檔報告。4. 學(xué)習(xí)如何查找相關(guān)手冊及相關(guān)參數(shù)。技術(shù)要求1 要求電路能夠檢測純凈水的溫度T。2 要求電路能夠通過兩根電阻絲實現(xiàn)對加熱的控制，具體情況如下：1. T50 兩根電阻絲都工作，電路處于加熱狀態(tài)；2. 50T100 只有一根電阻絲工作，電路處在保溫狀態(tài)；3. T100 兩根電阻絲都不工作，電路完成加熱。3 要求電路設(shè)置一個按鍵，此按鍵能夠起到快速加熱的作用。即此按鍵按下后，當(dāng)50T100，兩根電阻絲都工作。1. 要求電路能夠顯示加熱的各種狀態(tài)。主要參考資料1. 何小艇，電子系統(tǒng)設(shè)計，浙江大學(xué)出版社，2006年6月2. 姚福安，電子電路設(shè)計與實踐，山東科學(xué)技術(shù)出版社，2001年10月3. 王澄飛，電路與數(shù)字邏輯設(shè)計實踐，東南大學(xué)出版社，1999年10月4. 李銀華，電子線路設(shè)計指導(dǎo)，北京航空航天大學(xué)出版社，2005年6月5. 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)，高教出版社，2003完 成 期 限：2011年7月1日指導(dǎo)教師簽章： 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽章： 2011年6月27日 目 錄摘 要 2 1. 設(shè)計目的.42. 方案的選取 43. 簡易純凈水加熱控制電路的基本組成及原理 43.1純凈水加熱電路的組成框圖 43.2 各單元電路的工作原理 5 3.2.1 電源電路63.2.2 水溫監(jiān)測和水溫范圍測量電路 7 3.2.3 電阻絲開關(guān)及顯示電路 94 主要元器件的工作原理及參數(shù) 104. 元器件清單及參考文獻(xiàn) 156 設(shè)計體會 16附 錄 簡易純凈水加熱控制電路總電路圖 17 課程設(shè)計 簡易純凈水加熱控制電路摘 要本方案的主要目的是制作一個簡易的純凈水加熱控制器。該電路主要由電源電路、水溫監(jiān)測和水溫范圍測量電路以及電阻絲開關(guān)和顯示電路三部分構(gòu)成。水溫監(jiān)測電路的功能是利用溫度傳感器的特性監(jiān)測水溫的變化，同時將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號。水溫范圍測量電路的功能是利用比較器的原理實現(xiàn)水溫范圍的確定，同時利用遲滯比較器的遲滯特性避免跳閘現(xiàn)象。電阻絲開關(guān)電路的功能是完成控制電路和加熱電路的強、弱點轉(zhuǎn)換。顯示電路的功能是利用發(fā)光二極管將電阻絲通電與否顯示出來。電源電路的功能是為上述電路提供直流電源。電源電路由電網(wǎng)供電，通過變壓器電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路來實現(xiàn)；電阻型溫度傳感器監(jiān)測水溫；用遲滯比較器測量水溫范圍；顯示電路用繼電器和發(fā)光二極管來實現(xiàn)。方案中各單元電路的原理及示意圖都會有所說明。關(guān)鍵詞電源電路 水溫監(jiān)測 水溫范圍測量電路 電阻絲開關(guān) 顯示電路1. 設(shè)計目的 熟悉工程實踐中電子電路的設(shè)計方法和規(guī)范，達(dá)到綜合應(yīng)用電子技術(shù)的目的 學(xué)習(xí)文件檢索和查找數(shù)據(jù)手冊的能力 學(xué)習(xí)Protel軟件的使用 學(xué)會整理和總結(jié)設(shè)計文檔報告2. 方案的選取該方案電源電路采用電網(wǎng)供電，通過變壓器電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路將電網(wǎng)中的220V交流電轉(zhuǎn)換成直流12V電壓。穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓器實現(xiàn)，用它來組成穩(wěn)壓電源只需很少的外圍元件，電路非常簡單，且安全可靠。水溫測量和水溫監(jiān)測電路主要由電阻型溫度傳感器和遲滯比較器組成。電阻型溫度傳感器是最典型也是最簡單的一種溫度傳感器。遲滯比較器不僅可以測量水溫的范圍，還可以防止跳閘現(xiàn)象的出現(xiàn)。電阻絲開關(guān)電路和顯示電路主要由電流放大電路和繼電器組成。繼電器可以提供電阻絲所需要的交流電，而電流放大電路是由三極管組成，是一種比較典型的和簡單的電路。用發(fā)光二極管構(gòu)成顯示電路更容易觀察。綜上所述，此方案電路圖構(gòu)成簡單易懂，元器件的價格便宜，還能在一定程度上降低成本。3. 簡易純凈水電路的基本組成及原理3.1系統(tǒng)的組成框圖簡易純凈水加熱控制電路的總體框圖如圖1所示。它是由水溫監(jiān)測電路、水溫范圍測量電路、 電阻絲開關(guān)電路、 顯示電路和電源電路5部分組成的。圖1 簡易純凈水加熱控制電路的總體框圖水溫監(jiān)測電路水溫范圍測量電路電阻絲開關(guān)電路顯示電路電源電路 水溫監(jiān)測電路的功能是利用溫度傳感器的特性監(jiān)測水溫的變化，同時將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號。水溫范圍測量電路的功能是利用比較器的原理實現(xiàn)水溫范圍的確定，同時利用遲滯比較器的遲滯特性避免跳閘現(xiàn)象。電阻絲開關(guān)電路的功能是完成控制電路和加熱電路的強、弱點轉(zhuǎn)換。顯示電路的功能是利用發(fā)光二極管將電阻絲通電與否顯示出來。電源電路的功能是為上述電路提供直流電源。3.2 各單元電路的工作原理該電路能夠檢測出純凈水的溫度T，并且能夠在不同的溫度下通過兩根電阻絲實現(xiàn)對加熱的控制。當(dāng)T50時，兩根電阻絲都加熱，電路處在加熱狀態(tài)， 50T100時，只有一根電阻絲工作，電路處在保溫狀態(tài)， T100時，兩根電阻絲都不工作，電路完成加熱，按下S鍵后，當(dāng)50T100時，兩根電阻絲也都工作，該電路還能通過發(fā)光二極管顯示加熱的各種狀態(tài)。3.2.1 電源電路電源電路的原理圖如圖2所示。電路直接從電網(wǎng)供電，通過變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路將電網(wǎng)中的220V交流電轉(zhuǎn)換成+12V的直流電壓。電路中變壓器采用常規(guī)的鐵心變壓器，電源變壓器將交流電網(wǎng)電壓220V變?yōu)楹线m的交流電壓13V。整流電路采用二極管橋式整流電路，整流電路將交流電壓13V變?yōu)槊}動的直流電壓13V。C1、C2、C3和C4完成濾波功能，穩(wěn)壓電路采用三端穩(wěn)壓集成電路來實現(xiàn)。穩(wěn)壓電路清除電網(wǎng)波動及負(fù)載變化的影響,保持輸出電壓12V的穩(wěn)定。 圖2.電源電路3.2.2 水溫監(jiān)測和水溫范圍測量電路水溫監(jiān)測電路由可變電阻R9和電阻型溫度傳感器構(gòu)成。電阻型溫度傳感器是最簡單也最典型的一種溫度傳感器，它的工作原理是通過阻抗的變化來表示溫度的變化，同時將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號Vs，即Vs代表了實際水溫t。本電路采用的電阻型溫度傳感器，是一種正溫度系數(shù)的電阻型溫度傳感器，即傳感器的阻抗隨溫度的增加而增加。可變電阻R9的作用是通過調(diào)節(jié)可變電阻的阻值，就可以調(diào)節(jié)Vs的范圍，也就可以調(diào)節(jié)水溫控制范圍。 水溫范圍測量電路由兩部分構(gòu)成：第一部分是由電阻R1、 R2和穩(wěn)壓管D1、 D2構(gòu)成的參考電壓產(chǎn)生電路；第二部分是由遲滯比較器構(gòu)成的水溫范圍測量電路。參考電源產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生兩個穩(wěn)定的電壓，這兩個電壓代表水溫范圍的上限值t2和下限值t1.由于參考電源產(chǎn)生電路輸出端介入比較器的輸入，為了防止出現(xiàn)輸出電流導(dǎo)致參考電源不穩(wěn)定的情況，電路采用電阻和穩(wěn)壓管相結(jié)合的方式構(gòu)成。其中穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓均為+8v，而輸出VR1=+8V，VR2=+4V。水溫范圍測量電路的功能有兩個：第一是確定實際水溫和水溫控制范圍的大小關(guān)系；第二十防止跳閘現(xiàn)象的產(chǎn)生。首先，VREF1和VREF2分別輸入到兩個運算放大器的同相輸入端，而Vs則同時輸入到這兩個運算放大器的反相輸入端。這樣，當(dāng)VsVp2時，V1和V2輸出都是高電平；當(dāng)Vp2 VsVp1時，V1輸出為高電平，V2輸出為低電平；當(dāng)VsVp1時，V1和V2輸出都為低電平（Vp表示運算放大器的同相輸入端）。由于Vs 、VR1和VR2分別代表t、t2和t1，實際水溫和水溫控制范圍的大小關(guān)系就確定了。其次，本電路通過遲滯比較器代替單門限比較器來實現(xiàn)跳閘現(xiàn)象的出現(xiàn)。遲滯比較器U1的特性表達(dá)式為V1T+ = Vp1=R4* VR1/（R3+R4）+R3*V1（R3+R4） =（7.3+1.1）V=8.4V （1.28） V1T- = Vp1=R4* VR1/（R3+R4）+0=7.3V （1.29） 由式（1.28）和式（1.29）可得到回差范圍VT = V1T+ - V1T- =8.4V-7.3V=1.1V，即V1從高電平轉(zhuǎn)換為低電平和從低電平轉(zhuǎn)換為高電平的分界點電壓值有了1.1V的差別，從而就可以防止跳閘現(xiàn)象的出像。同理，遲滯比較器U2的特性表達(dá)式為V2T+ = Vp2=R6* VR2/（R7+R6）+R7*V2（R7+R6） =（3.6+1.1）V=4.7V （1.30） V2T- = Vp2=R6* VR2/（R7+R6）+0=3.6V （1.31） 由式（1.30）和（1.31）可求得遲滯比較器U2的V2T+ -V2T-之差（4.7V-3.6V）同樣具有1.1V的回差范圍。 圖3 水溫監(jiān)測和水溫范圍測量電路3.23 電阻絲開關(guān)及顯示電路電阻絲開關(guān)電路時由三極管電路和繼電器電路構(gòu)成的。電路的輸入即為圖4電路中的輸出，即當(dāng)ttp2時，V1和V2輸出都為高電平；當(dāng)t1tt2，V1輸出為高電平，V2輸出為低電平；當(dāng)tt2時，輸出都為低電平。 由于電阻絲的功能是加熱，即電阻絲中通過的都是大電流，產(chǎn)生大功率，致使直流電源無法提供大電流和大功率，因此電阻絲需要交流供電，這樣一來，電路中的開關(guān)必須采用繼電器電路。而一般運算放大器的輸出電流無法驅(qū)動繼電器，因此需要加入電流放大電路。由三極管電路構(gòu)成的電流放大電路是一種比較典型的和簡單的電路。其中R1和R2為限流電阻，防止輸入電流過大燒毀三極管。三極管接為共射極電路，當(dāng)輸入電壓為高電平時，三機管導(dǎo)通飽和，可以將輸入電流放大倍；當(dāng)輸入電壓為低電平時，三極管截止，無電流通過。繼電器連接三極管的共基極，當(dāng)有電流驅(qū)動時，開關(guān)吸合，對應(yīng)的電阻絲通電；當(dāng)無電流啟動時，開關(guān)斷開，對應(yīng)的電阻絲不通電，同時在繼電器兩端并聯(lián)入二極管進行保護。顯示電路由發(fā)光二極管構(gòu)成。通過發(fā)光二極管亮滅來表示電阻絲是否通電，同時由于繼電器的驅(qū)動電流過大，需要加入限流電阻。圖4 電阻絲開關(guān)及顯示電路4. 主要元器件的工作原理4.1 變壓器 變壓器的原理是電磁感應(yīng)技術(shù),變壓器有兩個分別獨立的共用一個鐵芯的線圈。分別叫作變壓器的次級線圈和初級線圈。電流的方向和大小隨時間變化的,變壓器初級通上交流電時,變壓器的鐵芯中產(chǎn)生了交變的磁場,（其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。）在次級就感應(yīng)出頻率相同的交流電壓.變壓器的初次級線圈的匝數(shù)比等于電壓比。變壓器只能改變交流電壓,不能改變直流電壓,因為直流電流是不會變化的,電流通過變壓器不會產(chǎn)生交變的磁場，所以次級線圈只能在直接接通的一瞬間產(chǎn)生一個瞬間電流和電壓。變壓器的主要參數(shù)： 電壓比 n=U1/U2=N1/N2; 效 率 =P2/P1*100%；額定功率 P；4.2 橋式整流電路 橋式整流電路由四個二極管組成。如圖5 +41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4工作原理： u2正半周時: D1 、D3導(dǎo)通， D2、D4截止 u2負(fù)半周時：D2、D4 導(dǎo)通， D1 、D3截止主要參數(shù)：輸出電壓平均值：UL=0.9u2輸出電流平均值:IL= UL/RL =0.9 u2 / RL 流過二極管的平均電流：ID=IL/2二極管承受的最大反向電壓：V=2V24.3 三端穩(wěn)壓器該穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)有電流過流 過熱和調(diào)整管安全區(qū)保護電路，以防止過載而損壞，用它來組成穩(wěn)壓電源只需很少的外圍元件，電路簡單，且安全可靠。4.4 繼電器繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。電磁繼電器的工作原理和特性 電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。繼電器主要參數(shù)：觸點負(fù)荷吸合時間線圈直流電阻吸合電壓、吸合電流釋放電壓、釋放電流額定工作電壓、額定工作電流4.5 光二極管發(fā)光二極管原理：發(fā)光二極管是由-族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂?、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)m以內(nèi)產(chǎn)生。發(fā)光二極管的主要參數(shù)： 反向飽和電流IS 額定整流電壓IF 最大反向工作電壓URM 最高工作頻率fM 反向恢復(fù)時間t4.6 集成運算放大器集成電路運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸入電阻的多級直接耦合放大電路，它的種類很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處。集成運放的輸入級一般是由BIT、JFET或MOSFET組成的差分式放大電路，利用它的對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和其他方面的性能。它的兩個輸入端構(gòu)成整個電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它可由一級或多級放大電路組成。輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路是為個級提供合適的工作電流。其代表符號如6所示。輸入輸出傳輸特性如圖7所示。 VT-VT+圖6圖71. 元器件清單及參考文獻(xiàn)Creation Date:2011/6/3013:02:09Print Date:4072440724.57702FootprintCommentLibRefDesignatorQuantitySIP2VoCON212v1Component_1Component_1220v1C1206Cap SemiCap SemiC1, C2, C3, C44SMBD SchottkyD SchottkyD11SMBD2D SchottkyD21SMCDiodeDiodeD3, D5, D63整流二極管1N4007Diode 1N4007D41DO-35Diode 1N914Diode 1N914D71D-38Bridge1Bridge1D121MODULE4Relay-SPSTRelay-SPSTJ1, J22D2PAKVolt RegVolt RegMC78L12CP1AXIAL-0.4Res2Res2R1, R2, R3, R4, R5, R8, R10, R11, R12, R1310R.Res2Res2