家用电热水器控制器实验报告.doc

电子电路实验 实验总结报告 题目名称： 家用电热水器控制器 学生姓名： 学 号： 学生电话： 指导教师： 验收日期： 2015 年 5 月 电工电子实验教学中心制 0 摘 要 电热水器是当前社会家居生活必要的生活用品，区别燃气热水器和太阳能热水器， 电热水器是以电作为能源进行加热的热水器。目前，电热水器按加热功率大小可分为 储水式，即热式和速热式三种形式。根据中国家用热水器产业技术路线图(2012 版)显 示，未来中国电热水器的研发需求包括安全可靠、节能、低碳环保、舒适健康、产品 结构升级、建筑一体化以及智能化七个方面。 如今，传统电热水器挂墙安装受空心墙等原因影响，易掉落，不安全！“大水桶” 裸露不美观，占空间。部分厂家开始考虑建筑一体化或者家居一体化产品，市面上一 种集成式热水器便是此类。集成式热水器，是将热水器和浴室柜集成设计，设计理念 上与传统热水器有很大不同，是一种全新的尝试。 本文主要对家用电热水器的进水控制部分和温度控制部分两个部分进行分别设计。 采用自上而下的方法完成设计，本文比较详细的介绍了家用电热水器各部分的工作原 理，并采用 Multisim12 软件进行电路各部分的仿真。 仿真结果表明，进水控制部分，进水监测，水位预置，进水控制各电路功能达到 标准，即通过【预置/进水】按键，完成预置和进水的切换，通过【脉冲】按键，预置 水位，通过开关来模拟水位情况，通过对预置水位和模拟的水位的比较，来监测水位 控制进水阀的工作，当水位达到一处水位时，报警；温度控制部分，温度检测，温度 预置，和加热器控制各电路功能达到标准，即通过【预置/加热】按键完成预置和加热 器控制功能的切换，通过电桥来完成温度和电压的转换，在通过 A/D 转化器来把模拟 量变成数字量，通过数码管显示，再与预置的温度进行比较，来控制加热器的工作， 并当出现水位过低时，强制停止加热器工作，以防止发生危险。 从功能及技术性能测试结果来看，设计满足要求从功能及技术性能测试结果来看， 本文介绍的家用电热水器控制器已经达到设计要求。 1 目 录 第 1 章 总体方案设计 1 1.1 题目简介 1 1.2 性能及技术性能指标 1 1.3 进水控制器电路结构及工作原理 2 1.4 温度控制器电路结构及工作原理 4 第 2 章 水控制器设计与仿真 5 2.1 水位预置电路设计与仿真 5 2.1.1 手动脉冲信号产生电路设计 6 2.1.2 置编码电路设计 8 2.1.3 译码驱动显示电路设计 9 2.1.4 仿真结果 10 2.2 进水状况检测电路设计与仿真 10 2.2.1 电路设计 11 2.2.2 仿真结果 12 2.3 电磁阀控制电路设计与仿真 12 2.3.1 优先编码电路设计 13 2.3.2 状态比较电路设计 13 2.3.3 继电器开关电路设计 14 2.3.4 仿真结果 15 2.4 进水控制器仿真结果 15 第 3 章 温度控制器设计与仿真 16 3.1 温度传感器电路设计与仿真 16 3.1.1 温度/电压变换电路设计 17 3.1.2 测量放大器电路设计 18 3.1.3 仿真结果 19 3.2 A/D 转换电路设计与仿真 19 3.2.1 电路设计 20 3.2.2 仿真结果 20 2 3.3 温度预置电路设计与仿真 20 3.3.1 手动脉冲产生电路设计 21 3.3.2 计数器电路设计 22 3.3.3 仿真结果 23 3.4 加热器控制电路设计与仿真 23 3.5 时钟电路设计与仿真 25 3.5.1 电路设计 25 3.5.2 仿真结果 25 3.6 数码管显示电路设计 26 3.7 温度控制器仿真结果 27 第 4 章 家用电热水器控制器测试 29 4.1 水位预置情况 29 4.2 进水状况检测情况 29 4.3 电磁阀控制情况 30 4.4 温度传感器情况 31 4.5 A/D 转换电路情况 31 4.6 温度预置情况 32 4.6 加热器控制情况 32 实验总结 34 参考文献 35 附 录 36 附录一 家用电热水器控制器（进水控制器）元器件明细表 36 附录二 家用电热水器控制器（进水控制器）实物照片 37 附录三 实验日志 37 0 第 1 章 总体方案设计 1.1 题目简介 电热水器是当前社会家居生活必要的生活用品，区别燃气热水器和太阳能 热水器，电热水器是以电作为能源进行加热的热水器。目前，电热水器按加热 功率大小可分为储水式，即热式和速热式三种形式。 近年来，随着电热水器在安全、节能、加热速度、出水量等方面不断改进， 越来越受到人们的青睐，市场销售历年持续增长，市场占有率已经达到 60%以 上。电热水器经过十余年的发展，热水器的技术不断进步，行业先后有防电墙、 防电闸、3D 速热、变频增容等革新性产品出现，电热水器在安全、节能、加热 速度、出水量等方面不断改进，市场销售历年持续增长。随着近几年生活水平 的提高，人们对用水量的需求越来越大，所以电热水器的畅销容积已经从 2000 年左右的 40 升提升到如今的 60 升左右，湖北、湖南、贵州等长江两岸，一直 是 80 升大容积热水器畅销的省份。 根据中国家用热水器产业技术路线图(2012 版)显示，未来中国电热水 器的研发需求包括安全可靠、节能、低碳环保、舒适健康、产品结构升级、建 筑一体化以及智能化七个方面。 如今，传统电热水器挂墙安装受空心墙等原因影响，易掉落，不安全！ “大水桶”裸露不美观，占空间。部分厂家开始考虑建筑一体化或者家居一体 化产品，市面上一种集成式热水器便是此类。集成式热水器，是将热水器和浴 室柜集成设计，设计理念上与传统热水器有很大不同，是一种全新的尝试。 本题目结合学生已经掌握的模拟电子技术、数字电子技术理论知识和实验 技能，以模拟集成电路和数字集成电路为核心器件，由学生自主完成一种全自 动的储水式电热水器控制器的研制。该控制器可实现对热水器的进水阀门和加 热器的自动控制，并提供必要的安全、报警等功能。 1.2 功能及技术性能指标要求 家用电热水器控制器包括进水控制和温度控制两部分，它们之间的电路结 构相对比较独立。其功能及技术性能指标要求如下： 进水控制： （1）水位预置：从低到高，共 5 级； 1 （2）水位预置指示：红色发光二极管，5 个，最上面指示最高水位，最下 面指示最低水位； （3）进水状况检测：从低到高，共 6 级，其中包括 1 个水位溢出检测； （4）进水状况指示：绿色发光二极管，5 个，最上面指示最高水位，最下 面指示最低水位； （5）控制进水电磁阀输出端口：1 个，开关量，高电平有效； （6）电磁阀吸合及水位溢出指示：双基色发光二极管，红色亮表示水位已 达到溢出位置，绿色亮表示电磁阀吸合。 （7）状态指示一：双基色发光二极管，红色亮表示控制器工作在水位预置 状态，绿色亮表示控制器工作在进水状态； 温度控制： （8）温度预置及检测范围：0 50 ； （9）温度测量误差： 1 ； （10）温度显示方式：LED 数码管，两位； （11）控制加热器输出端口：1 个，高电平有效； （12）状态指示二：双基色发光二极管，红色亮表示控制器工作在温度预 置状态，绿色亮表示控制器工作在加热状态。 1.3 进水控制器电路结构及工作原理 进水控制器电路由水位预置电路、进水状况检测电路、电磁阀控制电路及 电磁阀组成，其电路结构如图 1.1 所示。 通过【预置/进水】键我们可以选择进水控制器电路的两种不同工作状态， 分别是水位预置状态和进水检测状态。 在【预置/进水】键调制水位预置状态时，通过按动【脉冲】按键，可以驱 动 LED 灯依次点亮，用以显示由低到高的预置水位。 水位预置状态部分原理：通过不断按动【脉冲】键，在脉冲电路中产生单 个脉冲，预置编码电路开始对电路状态进行编码。同时，译码驱动电路将预置 编码电路输出的编码再进行译码，译码驱动电路将编码的预设编码电路的代码 然后译码，并驱动预置水位指示灯从低到高，表明当前预置水位。 进水状态时，如果水箱中的水位低于设定水位，状态比较电路输出高电平， 高电平作用到继电器上，电路连通，进水电磁阀的工作。接触到水，使得水箱 中的水位上升，先后接触放在微型开关的不同高度位置的水箱，水的状态指示 灯由低到高依次点亮，指示当前水位状态，同时优先编码器对微动开关电路输 出状态（低电平有效）进行编码。当水箱中的水位达到设定水位的状态，电路 输出低电平，控制继电器断开，电磁阀停止工作。如果水位达到预定水位时， 2 电磁阀并没有停止工作，当水接触到溢出微动开关，强行控制继电器断开电磁 阀，停止工作，避免水溢出的发生。 图 1.1 进水控制器电路结构框图 1.4 温度控制器电路结构及工作原理 温度控制器电路由温度传感器电路、A/D 转换电路、温度预置电路、加热 器控制电路、数码管显示电路、时钟电路及加热器组成，其电路结构如图 1.2 所示。 温度控制器也有两种工作模式，可通过【预置/加热】按键进行选择。 在【预置/加热】键调制温度控制状态时，通过按动【脉冲】按键，使得计 数器对该脉冲进行计数，同时产生两组 8421BCD 码，生成的 BCD 码通过 LED 数码管显示出来，以表示当前的预置温度。 在【预置/加热】键调制加热状态时加热状态时，整个电路完成的是温度信 号电信号要求信号小信号放大的过程。 对于热水器，可控的是 0 50的温度，而通过能够控制电路的是电信号。 3 温度传感器电路将 0 50水温转换成 0 V 5 V 电压信号。产生的电压信号 同样不能直接作用到电路中，需要经过 A/D 转换电路将模拟电压转换成 8 位二 进制代码存放在寄存器中。接着，通过代码转换电路将寄存器中的代码转换成 8421BCD 码，以表示实际的水的温度，再通过 LED 数码管显示出来。 如果水箱中的水温度低于设定温度时，状态比较电路输出高电平，控制继 电器，使得继电器闭合，电路连通，加热器开始工作。由于水箱水温的增加， LED 数码管显示的数字随之增大。而在本次实验中，我利用对划变电阻的控制 模拟外界温度变化。当水箱的温度达到设定温度时，状态比较电路输出低电平， 控制继电器断开，电路断开，使得加热器停止工作。如果热水器工作时，且水 箱中的水位低于水位下限，发出报警信号，继电器强制控制继电器，避免烧干 发生火灾。 图 1.2 温度控制器电路结构框图 4 第 2 章 进水控制器设计与仿真 2.1 水位预置电路设计与仿真 2.1.1 手动脉冲信号产生电路设计 电路组成电路组成： 电阻 R1和 R2 脉冲按键 K1 与非门 U1B和 U1C 如图 2.1 所示。 工作原理工作原理： 其中 U1B和 U1C组成基本 SR 触发器，按动一次 K1，A 点就可以输出单个脉冲 信号。 图 2.1 手动脉冲信号产生电路图 注：RS 触发器原理： 基本 RS 触发器的逻辑方程为： 约束方程：SR=0 根据上述两个式子得到它的四种输入与输出的关系: 1.当 R 端有效(0)，S 端无效时(1)，则 Q=0,Q 非=1，触发器置 0； 2.当 R 端无效(1)、S 端有效时(0)，则 Q=1,Q 非=0，触发器置 1。 5 如上所述，当触发器的两个输入端加入不同逻辑电平时，它的两个输出端 Q 和 Q 非有两种互补的稳定状态。一般规定触发器 Q 端的状态作为触发器的状 态。通常称触发器处于某种状态，实际是指它的 Q 端的状态。Q=1、Q 非=0 时， 称触发器处于 1 态，反之触发器处于 0 态。S=0,R=1 使触发器置 1，或称置位。 因置位的决定条件是 S=0,故称 S 端为置 1 端。R=0,S=1 时，使触发器置 0，或 称复位。 同理，称 R 端为置 0 端或复位端。若触发器原来为 1 态，欲使之变为 0 态， 必须令 R 端的电平由 1 变 0，S 端的电平由 0 变 1。这里所加的输入信号（低电 平）称为触发信号，由它们导致的转换过程称为翻转。由于这里的触发信号是 电平,因此这种触发器称为电平控制触发器。从功能方面看，它只能在 S 和 R 的 作用下置 0 和置 1，所以又称为置 0 置 1 触发器，或称为置位复位触发器。其 逻辑符号如图 7.2.1(b)所示。由于置 0 或置 1 都是触发信号低电平有效，因此， S 端和 R 端都画有小圆圈。 3.当 RS 端均无效时，触发器状态保持不变。 触发器保持状态时，输入端都加非有效电平（高电平），需要触发翻转时， 要求在某一输入端加一负脉冲，例如在 S 端加负脉冲使触发器置 1，该脉冲信 号回到高电平后，触发器仍维持 1 状态不变，相当于把 S 端某一时刻的电平信 号存储起来，这体现了触发器具有记忆功能。 4.当 RS 端均有效时，触发器状态不确定。 在此条件下，两个与非门的输出端 Q 和 Q 非全为 1，在两个输入信号都同 时撤去（回到 1）后，由于两个与非门的延迟时间无法确定，触发器的状态不 能确定是 1 还是 0,因此称这种情况为不定状态，这种情况应当避免。从另外一 个角度来说，正因为 R 端和 S 端完成置 0、置 1 都是低电平有效，所以二者不 能同时为 0。 此外,还可以用或非门的输入、输出端交叉连接构成置 0、置 1 触发器,其逻辑图 和逻辑符号分别如图 7.2.2（a）和 7.2.2（b）所示。这种触发器的触发信号是高 电平有效，因此在逻辑符号的 S 端和 R 端没有小圆圈。 2.1.2 预置编码电路设计 电路组成电路组成： 加法计数器 U2（74HC160） 与非门 U1A 电阻 R3 6 如图 2.2 所示。 图 2.2 预置编码电路图 图中，电阻 R4和【预置/进水】按键 K21属于控制电路中的一部分。按 K21，使得 U2的 ENT 端为高电平时，U2工作在计数状态；否则，U2处于保持 状态。 工作原理：工作原理： 74HC160 是低电平有效，ENP 和 ENT 相与，低电平时，电路则处于保持 状态。而我【预置/进水】按键的连接，使其处于高电平，即工作状态，再通过 在输入端接成五进制计数器，在 CLK 端输入的脉冲信号作用下，QC、QB和 QA端将依次输出 5 个代码，分别是 001，010，011，100，101。完成从 15 的 计数，并循环往复。 2.1.3 译码驱动显示电路设计 其中 LED1 LED5采用共阳接法按照从低到高的位置安放，用于指示水箱 的预置水位。 7 图 2.3 译码与驱动电路 图中，电阻 R5和【预置/进水】按键 K21属于控制电路中的一部分。按 K21，使得 U3的 D 端为低电平时，相应在 74HC160 输出端 QC、QB 和 QA 端 将依次输出 5 个代码，分别是 001 101 在 U3的输入端 C、B、A 依次输入 000 100，对应相应的五个水位的 LED 灯，低电平有效，如当输入 001 时，则输 出 1，对一个输入 U4A 低电平，使 LED1 亮，表示水位 1，响应的水位 2345 具 有相似的原理，而利用 U4 的主要原因是为了让当 LED2 需要亮时能够使 LED1 同时亮。而 U3的 D 端为高电平时，驱动电路输出则全部为高电平，LED1 LED5全灭。此时表示水位溢出。 2.1.4 仿真结果 水位预置电路如图 2.4 所示。 图 2.4 水位预置电路图 水位预置电路仿真操作、分析过程如下： 8 （1）按下 K21按键，其输出低电平，此时进行水位预置； （2）连续按动 K1按键，脉冲信号使得 74HC160 计数,预置编码电路开始 对电路状态进行编码。同时，译码驱动显示电路中的 LED1 LED5表示一级到 五级，在 K1 的按动下依次点亮，五个脉冲之后重新回到 LED1,亮，并循环往复； （3）K21按键抬起，其输出高电平，预置编码电路则处于进水状态，电磁 阀不工作,同时 LED1 LED5熄灭。 上述情况表明，水位预置电路仿真结果正确。 2.2 进水状况检测电路设计与仿真 2.2.1 电路设计 进水状况检测电路由微动开关电路和进水状况指示电路两部分组成，如图 2.5 所示。微动开关电路包括电阻 R6 R11和开关 K3（6 位），其中 K31为水位 下限开关，K35为水位上限开关，K36为溢出开关。进水状况指示电路包括 74HC42D 译码器及 LED6 LED10,其中 LED6 LED10采用共阳极连接方法，从 低到高放置，指示水箱中当前的水位状况。 9 图 2.5 进水状况检测电路 开关电路输出端与 LED6 LED10的阴极连接在一起，其输出低电平有效。 当水箱中的水位到达下限位置时，K31 接通，LED6亮；到达上限位置时， K31 K32 全接通，LED6 LED10都亮；到达溢出位置时，K36 接通，产生溢出 信号，并传送到控制电路，此时 LED12亮（红色）。 图中，电阻 R14和【预置/进水】按键 K22属于控制电路中的一部分。按 K22，使其接地，电路则处于工作状态；否则，处于电路非工作状态。 2.2.2 仿真结果 按 K22，使其接地，分别接通相应水位开关，则对应 LED 灯依次点亮； K36接通时，则产生溢出信号，低电平有效，此时 LED12亮（红色），表明仿真 结果正确。 2.3 电磁阀控制电路设计与仿真 2.3.1 优先编码电路设计 电路组成：电路组成： 74LS148 编码器 10 74HC04D 反相器 工作原理：工作原理： 优先编码器是当多个输入端同时有信号时,电路只对其中优先级别最高的输 入信号进行编码。常用的集成优先编码器 IC 有 10 线-4 线、8 线-3 线两种。10 线-4 线优先编码器常见的型号为 54/74147、54/74LS147，8 线-3 线优先编码器 常见的型号为 54/74148、54/74LS148。 在本次实验中，我选择了 8 线-3 线的 74LS148 编码器。74ls148 优先编码器 为 16 脚的集成芯片，电源是 VCC(16) GND(8),I0I7 为输入信号，A2,A1,A0 为三位二进制编码输出信号，IE 是使能输入端，OE 是使能输出端，GS 为片优 先编码输出端。 使能端 OE(芯片是否启用)的逻辑方程： OE =I0I1I2I3I4I5I6I7IE 当 OE 输入 IE=1 时，禁止编码、输出(反码)： A2,A1,A0 为全 1。 当 OE 输入 IE=0 时，允许编码，在 I0I7 输入中，输入 I7 优先级最高，其余 依次为：I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0 等级排列。 当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端没有低电平输入 时，输出端才输出相应该输入端的代码。例如：I5=0 且 I6=I7=1(I6、I7 优先级 别高于 I5) 则此时输出代码 010 (为(5)10=(101)2 的反码) 而后我又用了 U6A，U6B，U6C 三个反相器，使得反码转换成原码。 图 2.6 优先编码电路 2.3.2 状态比较电路设计 电路组成：电路组成： 4585 比较器 实验原理：实验原理： 11 其中 A3、A2、A1、A0 为从高位到低位的一组数据输入；而 B3、B2、B1、B0 为从高位到底位的另外一组数据输入。通过 4585 数值比较器 的比较，若 ab 时输出 OAGTB 为高电平，其余为低电平；若 a=b 时输出 OAEQB 为高电平，其余为低电平。若 ab 时输出 OALTB 为高电平，其余为低 电平。 值得引起注意的是：4585 数值比较器正常工作的条件为: 输入端 AGTB、 ALTB 接逻辑低电平、AEQB 接逻辑高电平。 图 2.7 状态比较器 2.3.3 继电器开关电路设计 电路组成电路组成 继电器 EDR201A5 二极管 1N4148 三极管 2N222A 工作原理工作原理 2N222A 是 NPN 三极管，放大倍数 ，同时在线圈两端接二极管 D1，当控制 电压为正时，三极管导通，继电器吸合，表示工作在进水状态。三极管基极电 流进入 mA 级时，即视为饱和，饱和电压 0V，相当于接地同时发光二极管被点 亮，表示水位溢出状态，此时继电器停止工作。 12 图 2.8 继电器开关电路 2.3.4 仿真结果 电磁阀控制电路如图 2.9 所示。 图 2.9 电磁阀控制电路图 电磁阀控制电路仿真操作、分析过程如下： （1）水位预置状态时，电磁阀断开，电路不工作【进水/溢出】灯无色。 （2）水位检测状态时，【进水/溢出】灯无显示，电磁阀工作。当水位达 到预设水位时，电磁阀停止工作，【进水/溢出】灯呈绿色。 （3）水位溢出时，【进水/溢出】灯呈红色，电磁阀不工作。 上述情况表明，电磁阀控制电路仿真结果正确。 2.4 进水控制器仿真结果 进水控制器电路如图 2.10 所示。 13 图 2.10 进水控制器电路图 14 进水控制器电路仿真操作、分析过程如下： （1）按下 K2按键，LED111亮（红色），表示进水控制器工作在水位预置 状态； （2）按动 K1按键，LED6 亮，表示水箱中的水预置到了水位 1； （3）将 K2抬起，LED112亮（绿色），表示进水控制器工作在进水状态。 此时，若水箱中的储水低于水位，则 LED12不亮，表示继电器工作，给水箱加 水； （4）当水位达到预设水位时，电磁阀停止工作，【进水/溢出】灯呈绿色。 （5）在 LED12亮（绿色）时，即电磁阀工作，将 K36合上，则 LED12亮 （红色），表示水箱中的储水已经到达溢出位置，说明状态比较电路出现故障。 此时，继电器会自动断开，强行停止电磁阀工作。 上述情况表明，进水控制器电路仿真结果正确。 15 第 3 章 温度控制器设计与仿真 3.1 温度传感器电路设计与仿真 3.1.1 温度/电压变换电路 温度变化用铂热电阻（Pt100）检测，铂热电阻对应温度变化见表 3.1。 表 3.1 铂热电阻（Pt100）分度简表 温度03550 电阻值 100113.61119.40 由表 3.1 可知，温度在 0 50范围内变化时，铂热电阻为 100 119.40，铂热电阻阻值变化与温度关系为 0.388。 温度/电压变换电路采用电桥结构，由精密电阻 R1R5 组成，如图 3-1 所 示。其中，R4+ R5等效为铂热电阻，0时它的阻值应为 100，所以 R3也应取 100。R4选用 20 精密电位器。 因为桥臂工作电流限制在 0.1mA 以内，电压源 VDD1选+12V。 则由， ，可得 R1 = R2 =120k。 图 3.1 温度/电压变换电路图 mA1 . 0 2 1DD 32 1DD R V RR V 16 图中，电桥输出电压 I1为 10 mV，I2为 10 mV12mV。 3.1.2 测量放大器电路 电路前级放大采用差分式输入的方式，采用双端输出，能有效地提高抑制 共模抑制比，并且由于电路的零漂的影响主要来自第一级放大，因而第一级采 用了差分式输入的方式，就能有效地提高整个电路的共模抑制能力。 介绍电路组成。分别推导两级放大电路的电压放大倍数及总的电压放大倍 数。 第一级差模放大的电压放大倍数的计算: 由于运放 U1A ,U1B 均满足虚断和虚短,流入两运放的电流均可认为是零,故 有 V1A =Vi1 V1B=Vi2 VR5= Vi1-Vi2 VR5 /R5 =VO1-V02/(R4+R5+R6) 得到： VO1-VO2=(R4+R5+R6)VR5/R5=(R4+R5+R6)( Vi1- Vi2)/ R5 满足: V2A=-R7(VO1-VO2)/R8 运放 U2A: VO=-R12VO3/R11=R15R7(R4+R5+R6)( Vi1-Vi2)/R11R8R5 该电路最后的运算放大倍数: AV= R12R7(R4+R5+R6) /R11R8R5 前级放大倍数 AV1=-(R4+R5+R6) / R5=-60 最后一级放大倍数 AV2=-R12/R11 而 R12是一个 240k 的电位器，R11为 10k,故总的增益最高可达 1000 多倍， 使得 UO的变化范围 0V 5V。 17 图 3.2 测量放大器电路图 3.1.3 仿真结果 温度传感器电路的仿真电路如图 3.3 所示。为了模拟温度在 0 50范 围变化我调节调节电位器 R5（按 W 键），使 R4+ R5 = 100 119.40，则 电桥输出电压 uI1的变化范围为 10mV 12mV，而这时 uI2恒为 10mV。同时 uO 的变化范围 0V 5V。表明仿真结果正确。 18 图 3.3 温度传感器仿真电路图 3.2 A/D 转换电路设计与仿真 3.2.1 电路设计 电路组成：电路组成： A/D 转换器 ADC0804 寄存器 74HC273 如图 3.4 所示 图 3.4 A/D 转换电路图（此图要自己重新画） 工作原理：工作原理： 在时钟信号作用下，该电路可将测量放大电路输出的 0V 5V 模拟电压转 换数字信号 00000000 11111111，并存放在 U3中。如，当测量放大电路输出 0V 时，模拟电压便转换成数字信号 00000000，对应无灯亮。当测量放大电路输 出 2.5V 时，模拟电压便转换成数字信号 01111111，对应 19 P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7 灯亮。发光二级管 P0 P1主要用于显示 A/D 转换的结 果,并没有实际加入设计电路中，也可以用模拟分析仪来显示生成的高电平。 3.2.2 仿真结果 A/D 转换电路的仿真电路如图 3.5 所示。 为了给 U3的输入端 VIN 输入 0V 5V 电压，我调节电位器 RW（按 R 键）， 观察 P0 P1变化情况。输入 0V 时，P0 P1全灭，说明 U3输出状态为 00000000；输入 2.5V 时，P0 灭 P1P7 灭，说明 U3输出状态为 011111111；输 入 5V 时，P0 P1全亮，说明 U3输出状态为 11111111，仿真结果正确。也可以 使用逻辑分析仪观察 A/D 转换电路的输出状况。 图 3.5 A/D 转换仿真电路图 3.3 温度预置电路设计与仿真 3.3.1 手动脉冲信号产生电路设计 电路组成：电路组成： 电阻 R1和 R2 脉冲按键 K1 与非门 U1B和 U1C 如图 2.1 所示。 按动一次 KEY2，就产生单个脉冲信号，送入计数器。 20 图 3.6 手动脉冲产生电路图 工作原理：工作原理： 其中 U1B和 U1C组成基本 SR 触发器，按动一次 K1，A 点就可以输出单个 脉冲信号。 RS 触发器原理：同进水控制器部分。 3.3.2 计数器电路设计 电路组成：电路组成： 两个加法计数器（74HC160）U7和 U8 与非门 U6D 电阻 R19 如图 3.7 所示。其中，U7、U8接成了五十进制计数器。 工作原理：工作原理： 反相器 U15C和 U16D、电阻 R20和 R22、预置/加热按键 KEY11及双基色发光 二极管 LED1则为控制电路中的一部分。 当 KEY1-1接到地一侧时，计数器则处于保持状态。 21 当 KEY11接到 VDD2一侧时，在单个脉冲信号作用下，计数器则会产生两组 8421BCD 码，其变化顺序应是 00000000 - 01010000，表示预置的温度值为 0 50。 图 3.7 计数器电路图 3.3.3 仿真结果 温度预置电路的仿真电路如图 3.8 所示。 22 图 3.8 温度预置电路的仿真电路图 KEY11接到 VDD2一侧，LED1显示红色，表示预置状态。连续按动 KEY2， 计数器输出两组 8421BCD 码，其变化顺序是 0000 0000 - 0101 0000，仿真结果 正确。 3.4 加热器控制电路 电路组成：电路组成： 加热器控制电路由代码转换电路、状态比较电路、选择电路、继电器开关 电路、预置/加热按键 KEY11和 KEY12及报警电路等组成，如图 3.9 所示。其中： 23 图 3.9 加热器控制电路 工作原理：工作原理： 代码转换电路用可擦/可写存储器 U4实现。实际的水的温度由该电路将寄 存器输出的 8 位二进制代码转换成两组 8421BCD 码来表示。 状态比较电路电路将计数器输出的两组 8421BCD 和代码转换电路输出的两 组 8421BCD 进行比较。当水箱中的水温低于预置温度时，状态比较电路输出高 电平；反之，输出低电平。而状态比较电路由两个数据比较器（74HC85） U9、U10构成。 选择电路包括三态缓冲器（74HC541）U11、U12，【预置/加热】按键 KEY11、KEY1-，反相器 U13C，双基色发光二极管 LED1（红色，用于指示预置 状态），电阻 R20、R21。 预置状态时，该电路可将计数器输出的两组 8421BCD 送到数码管显示电路。 加热状态时，该电路可将代码转换电路输出的两组 8421BCD 送到数码管显 示电路。 继电器开关电路包括继电器 J1，三极管 T1，二极管 D1，双基色发光二极管 LED1（绿色，用于指示加热状态），电阻 R21、R22。 报警电路包括按键 KEY3，反相器 U13B，与非门 U6D，发光二极管 LED2， 电阻 R23、R24。其中，KEY3是在水箱中安置的下限水位开关。当水箱中的水低 24 于下限水位时，KEY3输出低电平，LED2闪烁报警，同时强行控制继电器断开， 加热器停止工作，避免发生烧干锅情况发生。 加热控制电路仿真 KEY11 置于高电平时，为预置温度状态，通过预置脉冲键确定预置温度。 双基色发光二极管 LED1红色，指示预置状态。 KEY11 置于低电平时，为加热状态，此时若预置温度小于测量温度，则加 热器不工作：若预置温度高于测量温度，则加热器工作，继电器断开，绿灯亮。 随着温度升高，达到预置温度时，绿灯灭。此时表示温度已经达到预置温 度。 在工作状态下，按下 KEY3，LED2闪烁报警，仿真结果正确。 3.5 时钟电路 3.5.1 电路设计 时钟信号产生电路由 555 定时器 U5、电阻 R15和 R16、电容 C1和 C2，如图 3.10 所示。其输出频率为 1Hz 的时钟信号，分别送入 A/D 转换电路和报警电路 时钟信号的周期 T、频率 f 的计算： 图 3.10 时钟电路图 z T f CRT H1 1 2 . 2 115 25 3.5.2 仿真结果 为了便于仿真，C1选用 10nF。将时钟电路输出接入端示波器，示波器显示 波形如图 3.11 所示。从图中可知，时钟信号的幅度为 5V、频率为 1kHz，表明 仿真结果正确。 图 3.11 时钟电路输出波形图 3.6 数码管显示电路 电路组成：电路组成： 两片 74HC48 两个 LED 数码管（共阴极）。 电路图 26 3.7 温度控制器仿真结果 温度控制器电路如图 3.12 所示。温度控制器电路仿真操作、分析过程如下： （1）按下 KEY1按键，LED1亮（红色），表示温度控制器工作在.； （2）按动 KEY2按键，使数码管 U11、U12显示数字，表示预置温度； （3）将 KEY1抬起，按 W 键，使 R4为最小值（0），U11、U12显示数 字则小于预置温度，LED1亮（绿色），表示加热器工作。此时若 KEY1接 地，说明水箱中的储水量低于下限，则 LED1灭（绿色），表示加热器停止工 作。同时 LED2闪烁，表示报警； （4）按 W 键，增加 R4值。当 U11、U12显示数字大于或等于预置温度时， LED1灭（绿色），表示加热器停止工作。 上述情况表明，温度控制器电路仿真结果正确。 27 图 3.12 温度控制器电路图 28 第 4 章 家用电热水器控制器测试 4.1 水位预置情况 按【预置/进水】按键 K2，使其处于自锁状态，LED12亮（红色），电路工 作在水位预置状态。此时，按