简易水温控制电路

《简易水温控制电路》课程设计报告

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精彩文档 20 10 年 12 月20~24 日

目 录

1.课程设计目的 ............................................................................. 2

2.课程设计任务和要求 ................................................................... 2

3. 课程设计报告内容 ..................................................................... 3

4.元器件清单 ............................................................................... 13

5. 设计总结 ................................................................................. 14

6. 参考书目 ................................................................................. 15

附录 ............................................................................................. 16

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1.课程设计目的

1）结合所学的电子电路的理论知识完成简易水温控制电路课程设计；

2）通过该设计学会并掌握常用电子元器件的选择和使用方法；

3）提高自己综合分析问题和解决问题的能力。

2.课程设计任务和要求

2.1课程设计任务

我设计一个简易水温控制电路。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。

2.2课程设计要求

（1）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t1t2，t为实际温度。当t< t1时，两根电阻丝都通电加热；当t1t2时，仅一根电阻丝通电加热；当 t>t2时，两根电阻丝都不通电。

（2）要求电路在t1、t2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。

（3）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。

（4）要求有课题综述，电路设计框； 实用标准文案

精彩文档 3. 课程设计报告内容

3.1课程设计方案选择及说明

（1）系统组成框图

简易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。

如图1 简易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。

3.2各单元电路的工作原理

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，即传感器实用标准文案

精彩文档 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，就可以调节可变电阻的阻值，就可以调节Vs的范围，也就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R1 、R2

和稳压管D1 、D2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。

图2 水温监测电路和水温范围测量电路

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T1 和下限值T2 .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VREF1=+8V，VREF2=+4V。

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VREF1和VREF2分别接入两个运算放大器的同相输入端，而Vs则同时输实用标准文案

精彩文档 入到这两个运算放大器的反相输入端。这样当VS VP1时，V1和V2输出都为低电平（ 表示运算放大器的同相输入端）。由于Vs、VREF1和VREF2分别代表t、t2、t1，实际水温和水温控制范围的大小关系就确定了。

其次，本电路通过迟滞比较器代替单门限比较器来防止跳闸现象的出现。迟滞比较器u1的特性表达式为

V1T+=VP1=R5·VREF1/(R3+R5)+R3·V1/(R3+R5)=(7.3+1.1)V=8.4V

(1.1)

V1T-=VP1=R5·VREF1/(R3+R5)+0=7.3V (1.2)

由式（1.1）和式（1.2）可以得到回差范围为1.1V, 即V1从高电平转化为低电平和从低电平转化为高电平的分界点电压值有了1.1V的差别，从而可以防止跳闸现象的出现。同理，迟滞比较器 的特性表达式为

V2T+=VP2=R8·VREF2/(R7+R8)+R7·V2/(R7+R8)=(3.6+1.1)V=4.7V

(1.3)

V2T-=VP2=R8·VREF2/(R7+R8)+0=3.6V

(1.4)

由式（1.3）和式（1.4）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。

在水温监测电路和水温范围测量电路中，使用了一个四运放集成电路LM324，将它作为一个电压比较器，输出高电平和低电平的电信号。

LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外,四组运放相互独实用标准文案

精彩文档 立。每一组运算放大器可用图（A）所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的 引脚排列如图（B）所示。

图（A） 如图（B）

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。

LM324应用作比较器：当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。

2. 电阻丝开关电路和显示电路

如图3 所示，电阻丝开关电路是由三极管电路和继电器电路构成的。电路的输入即为图2 电路中的输出，即当 t

精彩文档 时，v1输出为高电平，v2输出为低电平；当t>t2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R1和R2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12V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“常实用标准文案

精彩文档 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”。

如图3电阻丝开关电路和显示电路

继电器主要产品技术参数 ：

① 额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。

② 直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。

③ 吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。