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1、简易纯净水加热控制电路11.概述1.1 背景介绍电子线路课程设计是电子类专业学生的重要基础实践课，也是工科类专业的必修课。理论联系实际，提高和培养学生的创新能力，是本课程度目的。这些课程设计课从巩固和加强模拟电子技术.数字电子技术和高频电子线路课程的理论知识出发，要求学生掌握电子线路的一般设计方法了解电子产品研制开发的过程，学会了撰写课程设计总结报告，通过查阅手册和文献，我学会了独立分析问题和解决问题都能力，加强了我们的创新能力和创新思维训练。数字电子技术我们大多数人都用过饮水机，有些人可能对饮水机好很好奇，为什么饮水机会自动加热？为什么饮水机能指示它所处的加热状态？.今天这个课题将来探索这些
2、问题。现今越来越先进的饮水机已经进入我们的生活，无论多么先进，但其原理是相通的。在众多品牌、型号饮水机产品中，归纳起来不外乎是温热、冰热、冰温热三种类型，冰热机又分半导体制冷饮水机和压缩机式制冷饮水机两种。决定买什么类型的饮水机，主要从饮水人数和制冷速度来考虑。就制冷速度而言，在制冷时间相同情况下，压缩机式制冷饮水同要比半导体制冷饮水机快得多，冰水供应量也比后者多。因此，压缩机式制冷饮水机适合饮水人数较多的场合，例如集团公司、事业单位、会议室、写字楼、办公室、酒吧、卡拉 OK 厅等。而人数不多的单位、宾馆客房和一般家庭等，选购半导体制冷饮水机就足够了。1.2 原理综述电源电路直接从电网供电，通
3、过变压器、整流电路、滤波电路稳压电路将电网中的 220V 交流电转换成+12V 的直流电压。电路中变压器采用常规的铁心变压器，电源变压器将交流电网电压 220V 变简易纯净水加热控制电路2为合适的交流电压 13V。整流电路采用二极管桥式整流电路，整流电流变为脉动的直流电压 13V。C1、C2、C3 和 C4 完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。稳压电路清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压 12V 的稳定。控制电路由温度传感器 AD590 测得的水温并将温度转化为电压信号，传输给电压比较器进行比较，比较器一端提供一个参考电压，与转化来的电压比较，然后将比较结果给控制系统，也就
4、是继电器，通过继电器的闭合来控制电热丝的加热，有二极管来显示加热状态图 2-1 简易纯净水加热控制系统框图温度检测 电压比较控制显示加热电源供电简易纯净水加热控制电路32. 系统总体方案设计2.1 方案的选取该方案电源电路将电网中的 220V 交流电转换成直流 12V 电压。稳压电路由三端稳压器实现，它只需很少的外围元件，电路简单且安全可靠。水温测量和水温监测电路主要由电阻型温度传感器和迟滞比较器组成。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。迟滞比较器不仅可以测量水温的范围，还可以防止跳闸现象的出现。电阻丝开关电路和显示电路主要由电流放大电路和继电器组成。继电器可以提供电阻丝所需要
5、的交流电，而电流放大电路是由三极管组成，是一种比较典型的和简单的电路。用发光二极管构成显示电路更容易观察。综上所述，此方案电路图构成简单易懂，元器件的价格便宜，还能在一定程度上降低成本。2.2 简易纯净水电路的基本组成及原理2.2.1 系统的组成框图简易纯净水加热控制电路的总体框图如图 2-2 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 部分组成的。简易纯净水加热控制电路4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电源电路图 2-2 简易纯净水加热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
6、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、弱点转换。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电路提供直流电源。2.2 .2 各单元电路的工作原理该电路能够检测出纯净水的温度 T，并且能够在不同的温度下通过两根电阻丝实现对加热的控制。当 T50时，两根电阻丝都加热，电路处在加热状态， 50T100时，只有一根电阻丝工作，电路处在保温状态， T100时，两根电阻丝都不工作，电路完成加热，按下S 键后，当 50T100时，两根电阻丝也都工作，该电路还
7、能通过发光二极管显示加热的各种状态。2.2.3 电源电路电源电路的原理图如图 2-2 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 交流电转换成+12V 的简易纯净水加热控制电路5直流电压。电路中变压器采用常规的铁心变压器，电源变压器将交流电网电压 220V 变为合适的交流电压 13V。整流电路采用二极管桥式整流电路，整流电路将交流电压 13V 变为脉动的直流电压 13V。C1、C2、C3和 C4 完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。稳压电路清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压 12V 的稳定。1212VV0BridgeTTrans
8、 VinVoutGNDLM7812CV10uFC2470uFC1 47uFC3 104C4D7220V图 2-2 电源电路图桥式整流电路： 桥式整流电路由四个二极管组成。如图 2-3 示+41231u 2u220V+-RL LuD 21DD 3D 4简易纯净水加热控制电路6图 2-3 桥式整流电路工作原理：u2 正半周时: D1 、 D3 导通 ， D2、 D4 截止u2 负半周时： D2、 D4 导通 ， D1 、 D3 截止主要参数：输出电压平均值： UL=0.9u2输出电流平均值:I L= UL/RL =0.9 u2 / RL 流过二极管的平均电流： ID=IL/2二极管承受的最大反向电
9、压：VRM=2(1/2)U22.2.4 水温监测和水温范围测量电路由 AD590 温度传感器将水温信号转化为电信号，计算得由温度传感器转化的电压，50 度时对应的电压为 3.23V，100 度对应的电压为2.73V。电阻 R1、R2、R3、R4 组成的电路由+12V 电压源提供电压，R3、R4是分压电阻，使通过比较器“+”的比较电压分别为 2.23V 和 2.73V。当温度小于 50 度时，比较器 AR1、AR2 导通，继电器 J1、J2 闭合，电热丝 L1、L2 同时加热。同时 AR1、AR2 输入高电平，发光二极管D5,D6 发光，显示加热状态。当温度大于 50 度小于 100 度时，比较
10、器 AR1 截止，AR2 导通，继电器 J1 开启，J2 闭合，电热丝 L2 加热。同时 AR1 输入低电平，AR2 输入高电平，发光二极管 D6 发光，显示保温状态。当温度大于 100 度时，比较器 AR1 、AR2 截止，继电器 J1 、J2 开启， ，电热丝都不加热。同时 AR1、AR2 输入低电平，发光二极管都不发光，既不保温又不加热。开关 S 是快捷加热健，无论电路处于何种状态，按下开关，则电热丝 L1、L2 同时加热。简易纯净水加热控制电路7R12.28KR410KR310KR22.94KAR1LM339AR2LM339AD590 1AR1VCCVCC12VR102KR112K图
11、2-4 水温监测和水温范围测量电路 2.2.5 电阻丝开关及显示电路电阻丝开关电路时由三极管电路和继电器电路构成的。如图 2-9 所示。6TNPJSW-BG图 2-9 电阻丝开关和显示电路简易纯净水加热控制电路8由于电阻丝的功能是加热，即电阻丝中通过的都是大电流，产生大功率，致使直流电源无法提供大电流和大功率，因此电阻丝需要交流供电，这样一来，电路中的开关必须采用继电器电路。而一般运算放大器的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。由三极管电路构成的电流放大电路是一种比较典型的和简单的电路。其中 R1 和 R2为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。三极管接为共射极电路，当输入电压为
12、高电平时，三极管导通饱和，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；当无电流启动时，开关断开，对应的电阻丝不通电，同时在继电器两端并联入二极管进行保护。 显示电路由发光二极管构成。通过发光二极管亮灭来表示电阻丝是否通电，当两个灯同时亮的时候则为两个电热丝都在加热，而当一个灯亮的时候表示正处于一个加热状态，当按下开关时则一个灯亮一个灯灭，表示快速加热。由于继电器的驱动电流过大，需要加入限流电阻。 简易纯净水加热控制电路93.元器件选型及清单3.1 电源电路主要器件：三端稳压器：该稳压器内部设有电流过
13、流 过热和调整管安全区保护电路，以防止过载而损坏，用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路简单，且安全可靠。变压器：变压器是电子电路，以及电力系统中非常常见的器件，小到收音机，大到我们日常生活中大型电网，用来升压降压的电力变压器，变压器的原理是电磁感应技术,变压器有两个分别独立的共用一个铁芯的线圈。分别叫作变压器的次级线圈和初级线圈。电流的方向和大小随时间变化的,变压器初级通上交流电时,变压器的铁芯中产生了交变的磁场,（其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。 ）在次级就感应出频率相同的交流电压.变压器的初次级线圈的匝数比等于电压比。变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压,因为直
14、流电流是不会变化的,电流通过变压器不会产生交变的磁场，所以次级线圈只能在直接接通的一瞬间产生一个瞬间电流和电压。变压器的主要参数：电压比 n=U1/U2=N1/N2;效 率 =P2/P1*100%； 额定功率 P；简易纯净水加热控制电路103.2 水温监测和水温范围测量电路主要器件温度传感器 AD590：AD590 是美国 ANALO G DEV ICES 公司的单片集成两端感温电流源。 其主要特性如下： (1) 流过器件的电流(A) 等于器件所处环境的热力学温度(开尔文) 度数： Ir/T=1 (1) 式中，Ir流过器件(AD590) 的电流，单位为 A；T热力学温度，单位为 K； (2)
15、AD590 的测温范围为- 55+150； (3) AD590 的电源电压范围为 430 V，可以承受 44 V 正向电压和20 V 反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏； (4) 输出电阻为 710 m； (5) 精度高，AD590 在- 55+150范围内，非线性误差仅为0.3。图 2-5 AD590 原理图简易纯净水加热控制电路11R1RES23+1-2AR图 2-5 AD590 原理图图 2-6 AD590 的封装及应用电路图集成运算放大器：集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输入电阻的多级直接耦合放大电路，它的种类很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，如下图 2-6
16、 表示集成运放的内部电路组成的原理框图。简易纯净水加热控制电路12图 2-6 集成运放的内部电路组成的原理框图如图 2-6 集成运放的输入级一般是由 BIT、JFET 或 MOSFET 组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能。它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为个级提供合适的工作电流。其代表符号如图 2-7 所示。输入输出传输特性如图 2-8 所示。-图 2-7 工作电流图 图 2-8 输入输出特性图继电器：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
