模擬電子技術(shù)課程設(shè)計-簡易浴室水溫控制電路設(shè)計.doc

模擬電子技術(shù)課程設(shè)計姓 名吳曉亮學(xué) 號 2010118010128專 業(yè)電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師劉金華 皮大能機(jī)電與控制工程學(xué)院 年 月 日簡易浴室水溫控制電路設(shè)計目錄一. 設(shè)計任務(wù)和要求.1二. 設(shè)計的目的與意義.1三. 設(shè)計的具體實現(xiàn).21.系統(tǒng)組成框圖. .22. 主要單元監(jiān)測電路設(shè)計2.1 水溫監(jiān)測電路和水溫范圍測量電路.32.2 電阻絲開關(guān)電路和顯示電路.42.3 電源電路.72.4 電路原理圖.8 3.元件清單.11四. 心得體會12六.參考文獻(xiàn).13一、設(shè)計任務(wù)和要求設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個簡易浴室水溫控制電路。該電力能夠?qū)⑺疁乜刂圃谝粋€合適的范圍內(nèi)，同時可以通過手動實現(xiàn)對水溫范圍的改變。設(shè)計要求： 要求電路能夠通過兩根電阻絲實現(xiàn)對水溫的控制。假定水溫范圍是1 2 1 2 t t (t t )，t為實際溫度。當(dāng)t 1 t 時，兩根電阻絲都通電加熱；當(dāng)1 2 t t t 時，兩根電阻絲都不通電。 要求電路在1 t 、2 t 溫度點不能出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，即電阻絲不能進(jìn)行短時間內(nèi)反復(fù)在通電和不通電之間轉(zhuǎn)換。 要求電路能夠顯示出電阻絲的通電與否。 要求電路能夠手動調(diào)節(jié)水溫控制的范圍。 根據(jù)上述要求選定設(shè)計方案，畫出系統(tǒng)框圖，寫出詳細(xì)的設(shè)計過程。 利用Multisim 軟件畫出一套完整的設(shè)計電路圖，并列出所有的元件清單。二. 設(shè)計的作用、目的模擬電路課程設(shè)計是電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計，要求達(dá)到以下目的。（1）鞏固和加深對模擬電子電路基本知識的理解，提高綜合運用本課程所學(xué)知識的能力。（2）培養(yǎng)根據(jù)課題需要選學(xué)參考書籍,查閱手冊、圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力。通過獨立思考，深入鉆研有關(guān)問題，學(xué)會自己分析并解決問題的方法。（3）通過電路方案的分析、論證和比較，設(shè)計計算和選取元器件初步掌握簡單實用電路的分析方法和工程設(shè)計方法。（4）了解與課題有關(guān)的電子電路以及元器件的工程技術(shù)規(guī)范，能按設(shè)計任務(wù)書的要求，完成設(shè)計任務(wù)，編寫設(shè)計說明書，正確地反映設(shè)計與實驗的成果，模擬電子技術(shù)課程設(shè)計正確地繪制電路圖等。三設(shè)計的具體實現(xiàn)1. 系統(tǒng)組成框圖簡易浴室水溫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 部分構(gòu)成的。圖1 簡易浴室水溫控制電路的總體框圖水溫監(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來避免跳閘現(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(qiáng)、弱電轉(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所有電路提供直流電源。圖2 水溫監(jiān)測電路和水溫范圍測量電路2. 主要單元監(jiān)測電路設(shè)計2.1 水溫監(jiān)測電路和水溫范圍測量電路如圖2 所示， 水溫監(jiān)測電路由可變電阻R9 和電阻型溫度傳感器（RMF51-583）構(gòu)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，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 代表了實際的水溫t。本電路采用電阻型溫度傳感器型號為RMF51-583,是一種正系數(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?？勺冸娮? R 的作用是通過調(diào)節(jié)可變電阻的阻值，就可以調(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)水溫控制的范圍。水溫范圍測量電路即如圖2 所示，它由兩部分構(gòu)成：第一部分是由電阻1 R 、2 R 和穩(wěn)壓管1 D 、2 D 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2 t 和下限值1 t .由于參考電源產(chǎn)生電路輸出端接入比較器的輸入，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 ， 因此得到輸出REF1 V =+8 V ，REF2 V =+4 V。水溫測量范圍電路的功能有兩個：第一是確定實際水溫和水溫控制范圍的大小關(guān)系；第二是防止出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。首先REF1 V 和REF2 V 分別接入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)s p2 V V 時， 1 V 和2 V 輸出都為高電平；當(dāng)p2 s p1 V V V 時， 1 V 和2 V 輸出都為低電平（ p V 表示運算放大器的同相輸入端）。由于Vs、REF1 V 和REF2 V分別代表t、2 t 、1 t ，實際水溫和水溫控制范圍的大小關(guān)系就確定了。由于電阻絲的功能是加熱，即電阻絲中通過的是大電流和大功率，因此電阻絲需要交流供電，這樣一來，電路中的開關(guān)必須使用繼電器電路。而一般運算放大電路的輸出電流無法驅(qū)動繼電器，因此需要加入電流放大電路。由于三極管電路構(gòu)成的電流放大電路是一種比較典型和簡單的電路。其中1R 和2 R 為限流電阻，防止輸入電流過大燒毀三極管。三極管為共射極電路，三極管飽和導(dǎo)通，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集電極，當(dāng)有電流驅(qū)動時，開關(guān)吸合，對應(yīng)的電阻絲通電加熱；當(dāng)無電流驅(qū)動時，開關(guān)斷開，對應(yīng)的電阻絲不通電，同時繼電器兩端并聯(lián)入二極管進(jìn)行保護(hù)。顯示電路如圖3 所示，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。設(shè)計中，我使用了工作電壓為的繼電器EDR2H1A12，這里介紹一下繼電器的工作原理和特性。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(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。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”。圖3 電阻絲開關(guān)電路和顯示電路2.3 電源電路電源電路的設(shè)計可以采用兩種方式來實現(xiàn)：第一種是采用電池供電，需要注意的是選擇適合的電池指標(biāo)參數(shù)和電路相匹配。第二種方法采用如圖4 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)換為+12V 直流電壓。1直流穩(wěn)壓電源設(shè)計思路直流穩(wěn)壓電源由四部分組成：電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路。組成框圖如圖所示。直流穩(wěn)壓電源框圖各組成部分的功能如下：電源變壓器：將電網(wǎng)220V 的交流電壓變換成符合需要的交流電壓。整流電路：利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，把方向和大小都變化?0Hz交流電變換為方向不變但大小仍有脈動的直流電，整流電路采用二極管橋式整流電路， 1 C 、2 C 、3 C 、4 C 完成濾波功能。濾波電路：利用儲能元件電容器C 兩端的電壓不能突變的性質(zhì)，把電容與整流負(fù)載并聯(lián)，可以將整流電路輸出中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電。穩(wěn)壓電路：使整流濾波后的直流電壓基本上不隨電網(wǎng)電壓或負(fù)載的變化而變化，穩(wěn)壓電路采用三端穩(wěn)壓集成電路來實現(xiàn).圖4 電源電路220V 交流電經(jīng)過變壓器和整流橋之后的波形如圖5 所示；圖5 全波整流圖6 直流穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)由圖6 可以知道電路的電源設(shè)計是完全符合設(shè)計要求的，從數(shù)據(jù)和波形上可以看出該電源能夠為其他電路提供一個精確的直流穩(wěn)壓電源，是整個電路成功實現(xiàn)的重要保證。2.4 電路原理圖簡易浴室水溫控制電路的總電路圖如圖7 所示，它由水溫監(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 部分構(gòu)成的?？傠娐穲D中需要注意的是各個單元之間的連接一定要準(zhǔn)確，同時各部分布局要合理。圖7 簡易浴室水溫控制電路的總電路圖電路分析：（1）當(dāng)s REF1 V V 時， 1 V 和2 V 輸出都為高電平；從而三極管T1,T2 飽和導(dǎo)通，繼電器K1 和K2 都有電流通過，繼電器被驅(qū)動，開關(guān)吸合，對應(yīng)的電阻絲通電加熱，導(dǎo)致發(fā)光二極管工作發(fā)光。通過電路仿真，可以看到當(dāng)REF1 V ， s V ， REF 2 V 的電位分別圖8 所示，圖8 輸出均為高電平此時溫度小于下限溫度，兩根電阻絲同時加熱；對應(yīng)地，顯示電路的仿真結(jié)果如圖9 所示，圖9 輸出均為高電平的顯示當(dāng)REF2 s REF1 V V V 時， 1 V 和2 V 輸出都為低電平；三極管T1，T2 都截止，繼電器K1，K2 都沒有電流通過，繼電器不被驅(qū)動，電阻絲均不通電加熱。通過電路仿真，可以看到當(dāng)REF1 V ， s V ， REF 2 V 的電位分別如圖12 所示， 圖12 輸出均為低電平此時溫度達(dá)到或超過上限溫度，電阻絲都不通電加熱；對應(yīng)地，顯示電路的仿真結(jié)果如圖13 所示，圖13 輸出均為低電平的顯示從電路的原理圖以及仿真過程中可以看出，能夠確定出實際的水溫和水溫控制范圍，能夠達(dá)到一定的下限水溫，在沒有達(dá)到這個下限水溫之前，兩根電阻絲同時加熱，使水溫快速上升。當(dāng)達(dá)到這個溫度以后，只有一根電阻絲加熱，節(jié)約能源。知道水溫上升到一個上限水溫之后，為防止人燙到，電阻絲停止加熱。知道水溫下降之后，電阻絲才再重新開始加熱，如此循環(huán)加熱，實現(xiàn)了設(shè)計的要求。四心得體會經(jīng)過一個多星期的奮斗，我們?nèi)私M模電課程設(shè)計終于付梓?；厥滓粋€星期的日日夜夜，收獲良多，感慨頗深。僅鍛煉了自己的動手能力，也從一定程度上鞏固了Multism 仿真軟件的應(yīng)用。我們選取課程設(shè)計題目為“浴室水溫控制器”，剛拿到設(shè)計題目時，覺得無從下手。通過搜集相關(guān)資料，對水溫控制有了一個相對清晰的認(rèn)知。經(jīng)過反復(fù)思考與分析，發(fā)現(xiàn)原來許多理論知識與實踐有較大區(qū)別，我耐心的進(jìn)行分析，并不斷請教老師，最后我們確定了合理的原理圖，進(jìn)行了元件參數(shù)一定程度的修改。在仿真軟件Multism 中，首先，我們第一步是繪制原理圖，接著設(shè)置元件的各種參數(shù)，最后就要應(yīng)用Multism 的仿真功能觀察實驗現(xiàn)象。在此期間，我又根據(jù)仿真結(jié)果與實際結(jié)果的對比，對電路元件參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的修改，最后得到了比較理想、比較接近實際的仿真結(jié)果。仿真軟件Multism 的確是非常實用的軟件。元件的連接使用自動化的畫線工具，對所繪制的原理圖進(jìn)行快速檢查。所有這一切將使設(shè)計工作變得方便、簡捷。在焊接電路板中，我們也遇到了不少問題。實驗電路板上，四個相鄰孔是相連的，我們注意到了這一點。但是在實際焊接過程中往往忽略了。造成許多原件短路了，造成不必要的麻煩。此外，團(tuán)結(jié)協(xié)作在我們?nèi)私M課程設(shè)計中也尤為重要，正所謂“三人行，必有我?guī)煛?。五附錄簡易浴室水溫控制電路元器件清單符號類別數(shù)目備注R9 可變電阻1可變范圍為010kR1，R4，R5，R6，R8,R10，R11 10 k 7R3，R7，R12,R13 1 k 4D1，D2 穩(wěn)壓管2D3, D4 二極管IN4148 2D5,D6 LED 2T1,T2 三極管9013 2J1,J2 繼電器EDR2H1A12 2RMF51-583 熱敏電阻1 用可調(diào)范圍為0-10k 電位器替代仿真T NLT_PQ_4_12 1C1 470F 1C2,C4 0.1F 2C3 47F 1D 3N254 1U1,U2 LM324 2U3 MC78L12KC 1六參考文獻(xiàn)：1. 清華大學(xué)電子學(xué)教研組編，童詩白、華成英主編：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第三版，北京，高等教育出版社，20012. 騰國仁主編、笠