模拟电子技术课程设计-简易浴室水温控制电路设计.doc

模拟电子技术课程设计姓 名吴晓亮学 号 2010118010128专 业电气工程及其自动化指导教师刘金华 皮大能机电与控制工程学院 年 月 日简易浴室水温控制电路设计目录一. 设计任务和要求.1二. 设计的目的与意义.1三. 设计的具体实现.21.系统组成框图. .22. 主要单元监测电路设计2.1 水温监测电路和水温范围测量电路.32.2 电阻丝开关电路和显示电路.42.3 电源电路.72.4 电路原理图.8 3.元件清单.11四. 心得体会12六.参考文献.13一、设计任务和要求设计任务：设计一个简易浴室水温控制电路。该电力能够将水温控制在一个合适的范围内，同时可以通过手动实现对水温范围的改变。设计要求： 要求电路能够通过两根电阻丝实现对水温的控制。假定水温范围是1 2 1 2 t t (t t )，t为实际温度。当t 1 t 时，两根电阻丝都通电加热；当1 2 t t t 时，两根电阻丝都不通电。 要求电路在1 t 、2 t 温度点不能出现跳闸现象，即电阻丝不能进行短时间内反复在通电和不通电之间转换。 要求电路能够显示出电阻丝的通电与否。 要求电路能够手动调节水温控制的范围。 根据上述要求选定设计方案，画出系统框图，写出详细的设计过程。 利用Multisim 软件画出一套完整的设计电路图，并列出所有的元件清单。二. 设计的作用、目的模拟电路课程设计是电子技术基础课程的实践性教学环节，通过课程设计，要求达到以下目的。（1）巩固和加深对模拟电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。（2）培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。（3）通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。（4）了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，模拟电子技术课程设计正确地绘制电路图等。三设计的具体实现1. 系统组成框图简易浴室水温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、电阻丝开关电路、显示电路和电源电路5 部分构成的。图1 简易浴室水温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来避免跳闸现象。电阻丝开关电路的功能是完成控制电路和加热电路的强、弱电转换。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所有电路提供直流电源。图2 水温监测电路和水温范围测量电路2. 主要单元监测电路设计2.1 水温监测电路和水温范围测量电路如图2 所示， 水温监测电路由可变电阻R9 和电阻型温度传感器（RMF51-583）构成。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，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Vs，即Vs 代表了实际的水温t。本电路采用电阻型温度传感器型号为RMF51-583,是一种正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9 R 的作用是通过调节可变电阻的阻值，就可以调节可变电阻的阻值，就可以调节Vs 的范围，也就可以调节水温控制的范围。水温范围测量电路即如图2 所示，它由两部分构成：第一部分是由电阻1 R 、2 R 和稳压管1 D 、2 D 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2 t 和下限值1 t .由于参考电源产生电路输出端接入比较器的输入，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均为+8V ， 因此得到输出REF1 V =+8 V ，REF2 V =+4 V。水温测量范围电路的功能有两个：第一是确定实际水温和水温控制范围的大小关系；第二是防止出现跳闸现象。首先REF1 V 和REF2 V 分别接入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s p2 V V 时， 1 V 和2 V 输出都为高电平；当p2 s p1 V V V 时， 1 V 和2 V 输出都为低电平（ p V 表示运算放大器的同相输入端）。由于Vs、REF1 V 和REF2 V分别代表t、2 t 、1 t ，实际水温和水温控制范围的大小关系就确定了。由于电阻丝的功能是加热，即电阻丝中通过的是大电流和大功率，因此电阻丝需要交流供电，这样一来，电路中的开关必须使用继电器电路。而一般运算放大电路的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。由于三极管电路构成的电流放大电路是一种比较典型和简单的电路。其中1R 和2 R 为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。三极管为共射极电路，三极管饱和导通，可以将输入电流放大 倍；当输入电压为低电平时，三极管截止，无电流通过。继电器连接三极管的集电极，当有电流驱动时，开关吸合，对应的电阻丝通电加热；当无电流驱动时，开关断开，对应的电阻丝不通电，同时继电器两端并联入二极管进行保护。显示电路如图3 所示，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。设计中，我使用了工作电压为的继电器EDR2H1A12，这里介绍一下继电器的工作原理和特性。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。图3 电阻丝开关电路和显示电路2.3 电源电路电源电路的设计可以采用两种方式来实现：第一种是采用电池供电，需要注意的是选择适合的电池指标参数和电路相匹配。第二种方法采用如图4 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 交流电转换为+12V 直流电压。1直流稳压电源设计思路直流稳压电源由四部分组成：电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。组成框图如图所示。直流稳压电源框图各组成部分的功能如下：电源变压器：将电网220V 的交流电压变换成符合需要的交流电压。整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50Hz交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电，整流电路采用二极管桥式整流电路， 1 C 、2 C 、3 C 、4 C 完成滤波功能。滤波电路：利用储能元件电容器C 两端的电压不能突变的性质，把电容与整流负载并联，可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电。稳压电路：使整流滤波后的直流电压基本上不随电网电压或负载的变化而变化，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现.图4 电源电路220V 交流电经过变压器和整流桥之后的波形如图5 所示；图5 全波整流图6 直流稳压电源的工作状态由图6 可以知道电路的电源设计是完全符合设计要求的，从数据和波形上可以看出该电源能够为其他电路提供一个精确的直流稳压电源，是整个电路成功实现的重要保证。2.4 电路原理图简易浴室水温控制电路的总电路图如图7 所示，它由水温监测电路、水温范围测量电路、电阻丝开关电路、显示电路和电源电路5 部分构成的。总电路图中需要注意的是各个单元之间的连接一定要准确，同时各部分布局要合理。图7 简易浴室水温控制电路的总电路图电路分析：（1）当s REF1 V V 时， 1 V 和2 V 输出都为高电平；从而三极管T1,T2 饱和导通，继电器K1 和K2 都有电流通过，继电器被驱动，开关吸合，对应的电阻丝通电加热，导致发光二极管工作发光。通过电路仿真，可以看到当REF1 V ， s V ， REF 2 V 的电位分别图8 所示，图8 输出均为高电平此时温度小于下限温度，两根电阻丝同时加热；对应地，显示电路的仿真结果如图9 所示，图9 输出均为高电平的显示当REF2 s REF1 V V V 时， 1 V 和2 V 输出都为低电平；三极管T1，T2 都截止，继电器K1，K2 都没有电流通过，继电器不被驱动，电阻丝均不通电加热。通过电路仿真，可以看到当REF1 V ， s V ， REF 2 V 的电位分别如图12 所示， 图12 输出均为低电平此时温度达到或超过上限温度，电阻丝都不通电加热；对应地，显示电路的仿真结果如图13 所示，图13 输出均为低电平的显示从电路的原理图以及仿真过程中可以看出，能够确定出实际的水温和水温控制范围，能够达到一定的下限水温，在没有达到这个下限水温之前，两根电阻丝同时加热，使水温快速上升。当达到这个温度以后，只有一根电阻丝加热，节约能源。知道水温上升到一个上限水温之后，为防止人烫到，电阻丝停止加热。知道水温下降之后，电阻丝才再重新开始加热，如此循环加热，实现了设计的要求。四心得体会经过一个多星期的奋斗，我们三人组模电课程设计终于付梓。回首一个星期的日日夜夜，收获良多，感慨颇深。仅锻炼了自己的动手能力，也从一定程度上巩固了Multism 仿真软件的应用。我们选取课程设计题目为“浴室水温控制器”，刚拿到设计题目时，觉得无从下手。通过搜集相关资料，对水温控制有了一个相对清晰的认知。经过反复思考与分析，发现原来许多理论知识与实践有较大区别，我耐心的进行分析，并不断请教老师，最后我们确定了合理的原理图，进行了元件参数一定程度的修改。在仿真软件Multism 中，首先，我们第一步是绘制原理图，接着设置元件的各种参数，最后就要应用Multism 的仿真功能观察实验现象。在此期间，我又根据仿真结果与实际结果的对比，对电路元件参数进行了相应的修改，最后得到了比较理想、比较接近实际的仿真结果。仿真软件Multism 的确是非常实用的软件。元件的连接使用自动化的画线工具，对所绘制的原理图进行快速检查。所有这一切将使设计工作变得方便、简捷。在焊接电路板中，我们也遇到了不少问题。实验电路板上，四个相邻孔是相连的，我们注意到了这一点。但是在实际焊接过程中往往忽略了。造成许多原件短路了，造成不必要的麻烦。此外，团结协作在我们三人组课程设计中也尤为重要，正所谓“三人行，必有我师”。五附录简易浴室水温控制电路元器件清单符号类别数目备注R9 可变电阻1可变范围为010kR1，R4，R5，R6，R8,R10，R11 10 k 7R3，R7，R12,R13 1 k 4D1，D2 稳压管2D3, D4 二极管IN4148 2D5,D6 LED 2T1,T2 三极管9013 2J1,J2 继电器EDR2H1A12 2RMF51-583 热敏电阻1 用可调范围为0-10k 电位器替代仿真T NLT_PQ_4_12 1C1 470F 1C2,C4 0.1F 2C3 47F 1D 3N254 1U1,U2 LM324 2U3 MC78L12KC 1六参考文献：1. 清华大学电子学教研组编，童诗白、华成英主编：模拟电子技术基础第三版，北京，高等教育出版社，20012. 腾国仁主编、笠