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1、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： 电工电子实验教学中心制摘 要用清洁能源电能进行加热的热水器被称作电热水器。电热水器与燃气热水器、太阳能热水器是目前市场上畅销的三大热水器种类。近年来，由于电热水器使用安全、用电方便快捷、加热迅速、价格便宜等方面的优势，人们对电热水器喜爱甚佳，市场销售历年居首，目前电热水器几乎成为家用电器必备之一。本文介绍一种储水式电热水器的控制器，其主要功能有进水设置与显示、进水控制、温度设置与显示、温度控制及自动报警等功能。本文先介绍了家用电热水器控制器总体方案设计，按照功能及技术性能指标要求
2、，采用自上而下的设计方法对进水控制器和温度控制器的电路结构进行分析和设计，详细的介绍了两种控制器的工作原理；接着介绍了进水控制器的设计与仿真，进水控制器由水位预置电路、进水状况检测电路及电磁阀控制电路等电路组成，用Multisim软件完成了对各部分电路的仿真检验，检验了进水控制器设计的正确性；接着对温度控制器设计进行介绍，温度控制器由温度传感器电路、A/D转换电路、温度预置电路、加热器控制电路、时钟电路及数码管显示电路等电路组成，用软件Multisim完成了对各部分电路仿真检验，检验了温度控制器的设计的正确性；再对进水控制器硬件电路进行安装和调试，完成了进水控制器所要求的功能和技术指标。 因次
3、，从控制器的电路设计和仿真的结果和电路的安装和调试的情况来看，本文所介绍的家用热水器控制器的设计是成功的，完全实现了所要求的指标，验证了电路的可行性。目 录第1章 热水器控制器整体设计 11.1 题目简介 11.2 功能及技术性能指标要求 11.3 进水控制器电路结构及工作原理 21.4 温度控制器电路结构及工作原理 3第2章 进水控制器电路设计与仿真 52.1 水位预置电路 5 2.1.1 手动脉冲信号产生电路 5 2.1.2 预置编码电路 5 2.1.3 译码驱动显示电路 6 2.1.4 仿真结果 72.2 进水状况检测电路 8 2.2.1 电路设计 8 2.2.2 仿真结果 92.3 电
4、磁阀控制电路 9 2.3.1 优先编码电路设计 9 2.3.2 状态比较电路设计 9 2.3.3 继电器开关电路设计 10 2.3.4 仿真结果 112.4 进水控制器仿真结果 11第3章 温度控制器电路设计与仿真 143.1 温度传感器电路 14 3.1.1 温度/电压变换电路 14 3.1.2 测量放大器电路 15 3.1.3 仿真结果 153.2 A/D转换电路 16 3.2.1 电路设计 16 3.2.2 仿真结果 173.3 温度预置电路 17 3.3.1 手动脉冲产生电路设计 17 3.3.2 计数器电路设计 18 3.3.3 仿真结果 193.4 加热器控制电路 193.5 时钟
5、电路 21 3.5.1 电路设计 21 3.5.2 仿真结果 223.6 数码管显示电路 233.7 温度控制器仿真结果 23第4章 家用电热水器控制器测试 254.1 水位预置情况 254.2 进水状况检测情况 254.3 电磁阀控制情况264.4 温度传感器情况 274.5 A/D转换电路情况 274.6 温度预置情况 284.6 加热器控制情况 28实验总结 29参考文献 30附 录 31附录一 家用电热水器控制器（进水控制器）元器件明细表 31附录二 家用电热水器控制器（进水控制器）实物照片 32附录三 实验日志 33第1章 热水器控制器整体设计1.1 题目简介 以清洁能源电能进行加热
6、的热水器称为电热水器。由于对环境无污染，能源充足，响应快，用热水方便，安装简单，因此颇受青睐。当前，市场上销售的电热水器主要有三种： 容积式。按照安装方式可分为壁挂（横式）式电热水器和落地式（竖式）热水器，壁挂式电热水器容积通常为40L-100L，落地式热水器容积通常为100L以上。家用储水式电热水器具有安装方便，出水量大，水温稳定等特点，但传统的储水式电热水器加热速度慢，等待时间较长。即热式。即热式电热水器一般需2030A的电流，即开即热，水温恒定，制热效率高，安装空间小。具有能够即开即热，省时省电，节能环保、体积小巧、水温恒定等诸多优点。速热式。一般容量在6L30L，加热功率较大，约为3.
7、5KW及以上。加热时间较短，1次预热，即可连续供应热水，无使用人数限制。具有机械衡温、全自动智能恒温两种保温模式，保护措施较好，使用安全可靠。近年来，随着电热水器在安全、节能、加热、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。另外，中国未来的电热水器的研发需求还包括安全可靠、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。因此，家用电热水器将是家庭的家用电器中必备电器产品之一。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
8、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；（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
9、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。图1.1 进水控制器电路结构框图进水控制器由三
10、部分电路共同协调完成功能，该控制器具有两种工作模式，即预置水位模式和进水模式，可通过预置/进水按键开关进行模式的选择。 当开关处于水位预置状态时，预置状态指示灯亮，按动手动脉冲电路中的脉冲按键，将会产生单个脉冲，由于按动开关会有抖动，因此手动脉冲电路已经利用SR触发器进行消抖，脉冲电路产生的脉冲送至预置编码电路，预置编码电路则开始对电路状态进行编码。由于水位总共五个水位档，因此，预置编码电路产生的四位二进制码为00010101，预置编码电路把输出的二进制码送至译码驱动电路，译码驱动电路对代码进行译码，使之对应的端口以低电平输出，再通过与门的逻辑控制，驱动预置水位指示灯从低水位档向高水位档依次点
11、亮，指示当前所预置的水位高度。当水位到达第五档之后，再次按动脉冲按键，由于预置编码电路的循环编码，因此水位预置又降为一档，则一档对应指示灯亮。当开关处于进水状态时，进水状态指示灯亮，如果水箱中的当前水位低于所预置的水位时，状态比较电路输出高电平，通过导通三极管，使继电器线圈电流足够大，使继电器吸合，进水电磁阀被接通并开始工作。随着水箱中的水位不断升高，放入水箱中的不同高度的微动开关被触发，进水状况指示灯也从开始从低水位档到高水位档依次被点亮，指示当前水箱中的水位高度，同时，优先编码器对微动开关电路的输出状态进行编码。由于使用的74148优先编码器，因此是低电平有效进行编码。当水箱中的水位高度和
12、预置水位高度相等时，状态比较电路则输出低电平，三极管截至，继电器断开，电磁阀电路被断开而停止工作。如果当前水位已经达到预置水位时，且电磁阀还没有停止工作，即电路出现故障，则当水位到达溢出水位高度时，触动到溢出微动开关，强行使继电器电路断开，停止了电磁阀工作，因此可以避免发生水位过高而溢出现象，对热水器具有保护功能。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、时钟电路及加热器等组成，其电路结构如图1.2所示。温度控制器由以上七部分组成，完成温度预置和加热的控制。该控制器有两种工作模式，即温度预置模式和加热模式，
13、可以通过预置/加热开关按键进行模式的选择。当开关处于温度预置状态时，按动脉冲按键，手动脉冲产生电路产生单个脉冲，由于按键按动时有抖动，因此，手动脉冲产生电路用SR触发器进行消抖。产生的脉冲送至计数器，计数器对脉冲进行计数，计数器由两片74160组成100进制计数器，由于温度传感器检测温度为050，因此，在这里，计数器的计数为050，计数器产生两组8421BCD码，送至LED数码管进行显示，以表示所预置的温度。当开关处于加热状态时，为了保证安全，水箱中的水位一定要高于下限水位。否则无论电路什么状况，加热器也不会工作。首先，温度传感器电路将0 50水温信号转换成0 5 V电压信号，温度传感器电路以
14、电桥的形式连接，经过电桥转换为差模信号，并经过测量放大器进行放大，这样有利于抑制共模，放大差模，减少外界共模的干扰，放大温度的差模信号。温度传感器电路输出给A/D转换电路将模拟电压转换成8位二进制代码放于寄存器中。然后，代码转换电路将寄存器中的代码转换成两组8421BCD码，送至LED数码管进行显示，以表示当前水箱中的水的温度。若水箱中水的温度低于所预置的温度，状态比较电路则输出高电平，三极管导通，继电器线圈的电流足够大，继电器开关吸合，加热器电路接通且开始工作。随着水箱中的水的温度逐渐升高，LED数码管显示的当前温度也在逐渐增加。当水箱中的水的温度和所预置的温度相等时，状态比较电路输出低电平，三极管截至，继电器开关断开，加热器电路断开而停止工作。若是加热器处于工作状态时，水箱中的水位低于下限水位，电路将发出报警信号，报警指示灯闪烁，并通过逻辑控制使三极管截至，继电器开关断开，以避免水箱烧干而出现事故的现象发生，因此对加热器具有保护作用，使之安全，可靠的工作。图1.2 温度控制器电路结构框图第2章 进水控制器电路设计与仿真2.1 水位预置电路2.1.1 手动脉冲信号产生电路手动脉冲信号产生电路由脉冲按键K1、电阻R1（100K）和R2（100K）
