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1、西安邮电学院测控仪器课程设计报告书题目：电热水器的设计系 部 名 称 ： 信息与控制系学 生 姓 名 ： 刘志伟（ 01 ）王宇（ 07 ）付国伟（ 13 ）李航（ 35 ）专 业 名 称 ： 测控技术与仪器班 级 ：测控 0504 班2007 年12 月10日至12 月 21 日电热水器的设计一、设计目的：用热电式传感器（热敏电阻）设计一个电热水器。当热水器内的水温低 于 950 C 时，控制电路给出信号使电热水器电源接通，给水加热，加热时红 色指示灯亮；当热水器内的水温达到950 C 使，控制电路自动切断热水器电 源，停止给水加热，使其处于保温状态，停止加热时，黄色指示灯亮。二、设计要求
2、：（1） 可控制电热水器电源接通或断开。（2） 可显示相应的控制状态。三、设计器材 ：器件名称件数NTC151型热敏电阻（负温度系数）1LM324型运放（含IC座）1DC5V直流继电器19013行三极管1红色发光二极管1黄色发光一极管110K电阻2200Q电阻2500Q电阻20.5W功率电阻11W功率电阻120K电位器1四、设计方案及分析（包含设计电路图）1、LM324 的功能及引脚：LM324 是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，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，四组运放相互独立。 如图 1 所示：IIvccF管脚连接图划出1 F输瞬巨（俯视阁） 图1
3、其内部的四个运算放大器, A, B, C, D 以及引脚功能如下管脚接法管脚接法1outA8outC2inA-9inC-3inA+10inC+4电源正11电源地或负电源5inB+12inD+6inB-13inD-7ou tB14ou tD图2LM324 中的每一组运算放大器可用图 2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+”、“- ”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 信号与该输入端的相位相反；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。2、继电器的
4、继电特性：电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值XX,继电器的 输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入 量X继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量X从某一大于XX值下降 到 Xf, 继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特 性，也叫继电器的输入-输出特性（参考图 3）。释放值 Xf 与动作值 XX 的比值叫做反馈系数，即 Kf= Xf /XX触点上输出的控制功率Pc与线圈吸收的最小功率P0之比叫做继电器的控制系 数，即 Kc=PC/P03、负温度系数热敏电阻（NTC）极其特性：NTC具有很高的负温度系数，特别实用于-
5、1003000 C之间测温。其电 阻一温度特性曲线是一条指数曲线，可表示为RT=AeB/T , Rt是温度为T时 的电阻值。热敏电阻的温度系数为：a=-B/T2 B和a是表征热敏电阻材料性 能的两个重要参数。其特性曲线如图4和图5：NTC负温度系数热敏电阻R-T特性B 值相同， 阻值不同的 R-T 特性曲线示意图 （ 图 4）相同阻值，不同B值的NTC热敏电阻R-T特性曲线示意图（图5）4、设计方案和思路：（1）主要设计思路：本实验主要是通过热敏电阻的温度变化而阻值改变来影响电压，设计一个电桥，让热敏电阻的电压与预先设定好的电压进行比较，从而控制三 极管的导通与截止，将三极管与继电器相连，以此
6、来达到控制继电器的开 关 K 的自动段开和闭合，达到给水加热与保温的目的。具体方案如下：（参考图 6）先确定热敏电阻 VR1 为 950C 时，其相应的电阻值，设计一个电桥电 路使其达到平衡状态（即运算放大器LM324的U2=U3）,可用电位器来实 现，此时为临界状态（继电器RL1处于临界工作状态，）。当热敏电阻VR1 的温度T 95C时，LM324的U2U3,晶体管Q1加反偏电压UBE截止， 让继电器控制电路处于加热状态；同理，当热敏电阻VR1的温度T95oC时， LM324的U2 U3,晶体管Q1加正偏电压UBE导通，让继电器控制电 路处于关闭状态；这样，根据热敏电阻温度的高低，反复通断加
7、热装置， 使现场温度保持恒定。（2）具体设计电路图如下（图 6）：图6五、问题分析与解决方法在实际的设计过程中我们遇到了很多大大小小的问题，但是经过大家的认真 思考和努力实践之后都得到了一一解决。这里将我们刚开始设计的电路图（图 7 附上，以说明我们在实验中遇到的几个主要问题：1、热敏电阻本身的发热问题：实验过程中，我们虽然在模拟电路的时候很正确，但是真正在面包板上连接 好电路之后，发现热敏电阻较热，不对其加热就已经有了较高的温度，这说明热 敏电阻上面的电流过大，经过实测后发现，电流基本上在 25mA 左右，这样严重 影响了电路测量的精度，经过大家的讨论好研究，决定在干路上加了一个 10K 的
8、分压电阻（见图 6），以此来减小热敏电阻上的电流，提高测量精度，再次测 量后发现，这时热敏电阻上的电流基本保持在 1mA 左右，用手感觉一下，热敏电 阻基本上也没发热，良好的解决了热敏电阻由于本身发热带来的问题。2、用三极管的开关控制继电器的工作问题：我们组的设计思路是当热敏电阻VR1的温度T 95oC时，LM324的U2U3,晶体管Q1加反偏电压UBE截止，让继电器控制电路处于加热状态；当热敏 电阻VR1的温度T95oC时，LM324的U2 U3，晶体管Q1加正偏电压UBE 导通，让继电器控制电路处于关闭状态；但是由于上学期模拟电路的许多知识都 忘记了，对三极管的接法生疏了，刚开始将继电器线
9、圈的两端分别与三极管的集 电极、地线相接，这样也就等于说是将继电器直接接到了电源之上，线圈两端的 电压直接就是12V，继电器一直都处于工作状态，同三极管的导通与否根本没有 关系，这样就根本没有实现我们想用三极管的导通与截止来控制继电器的工作状 态，刚接好电路是一直不明白为什么一个灯一直亮着，改变热敏电阻的温度根本 就不会对继电器的工作状态产生影响，后来经过大家对电路的认真检查终于发现 问题出在继电器与三极管没有正确的连接，于是我们又将原来与三极管集电极相 连的线圈那端改接到了三极管的发射极上，这样再改变热敏电阻的温度到达一定 程度时，两个灯的发光状态就发生相应改变，与我们设计预想的结果一样。可
10、见， 在实验过程中一定要认真细心，否则很容易出错的。3、继电器的工作电压问题：继电器的额定工作电压是5V，所以在设计电路的时候要尽量将继电器两端的 电压控制在5V左右，不能过大，以免器件被烧坏。在我们刚开始设计的电路之 中（见图 7），没有给三极管加上拉电阻，所以可以在模拟的电路图中可以看出 继电器两端的电压已经达到了 10.3V，是正常工作电压的两倍左右，虽然这样在 电路模拟过程中，并没有什么要紧的，但是在实际的电路当中会严重影响继电器 的寿命，甚至烧坏，所以我们通过讨论在三极管的集电极上加了一个 200欧的上 拉电阻R4,这样再测量继电器两端的工作电压会看到电压表示数基本保持在5V, 这样
11、就不会因为电压过大而损害继电器，也不会因为电压过小而无法令继电器正 常工作。4、元器件损坏检查问题：在这次课程设计当中,有一次我们遇到了一个很迷惑的问题,电路图在模拟 的时候很成功,没什么问题,真正连接电路的时候也完全按照电路图来连接的, 但是在加上电压之后,改变热敏电阻的温度以后,发光二极管就是不产生相应的 变化,让人很是郁闷,刚开始我们以为是电路连接错了,于是就又仔细地将电路 检查了一遍,但是仍然没有发现错误,电路完全正确。我们又猜想也许是面包板 的问题,于是就又换了一块,将电路重新连接了一遍,加上电压以后,仍然没有 得到我们希望的结果。这下我们真的糊涂了,于是用万用表开是测量各个支路的
12、电压，与模拟的结果想比较，最终发现了 LM324处的电压与模拟的不一样，甚至 正负输入都是导通的，于是我们判断三极管可能坏掉了，通过更换LM324，再在 电路上加上电源之后，终于出现了我们希望的结果，原来是LM324坏了。最后分 析原因可能是刚开始的设计电路不太理想的问题，可能在具体操作中导致电压过 大，将LM324击穿了，不过还好最终将其检查了出来，感觉还是比较欣慰的。最初设计的电路图如下（图 7）：图7六、设计结果：最终的设计完成以后，将热敏电阻放入到低于95C的温水中，红色指示灯亮, 控制电路处于加热状态；将热敏电阻放入到高于95 C的热水中，黄色指示灯亮, 控制电路处于保温状态。七、设
13、计心得：刘志伟（1 号）：本次课程设计是对我们的传感器知识的综合应用能力的测验， 这次实验跟以前有很大的不同，它要求我们有团队合作精神，从分 组到最后的实验完成我们都做的很认真。总体来说实验过程还是比 较顺利的，当然也遇到了一些困难。本次课程设计我们的设计题目是电热水器，主要是应用 NTC 型 热敏电阻的特性，并加上一些其他的电子器件来设计一个电路，使 水温保持在95C，并用发光二极管来显示电热水器的工作状态。经过两个星期的课程设计，从开始时满富盛激情到最后汗水背 后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。同时我认为我们的工 作是一个团队的工作，某个人的离群都可能导致导致整项工作的失 败。仅仅靠
14、一个人埋头苦干或者大家都太依赖别人，都会严重影响 本次课程设计的进度。课程设计中只有一个人知道原理是远远不够 的，只有大家都要了解了实验的原理，才能积极地发挥自己的特长， 提出自己独特的观点和看法，只有大家团结一致，积极地发挥团队 合作精神，才能尽快地将理想的电路设计出来，倘若大家都依赖别 人，自己不去思考，不去努力，很容易造成虽然电路设计出来了， 但真正了解电路的只有一个人，而且很可能由于这一个人的错误而 导致整个课程设计的失败。所以在我看来，团结协作是我们这次课 程设计成功的一项非常重要的保证。通过电热水器的课程设计，我 不仅加深了对传感器理论的理解，还将理论很好地应用到实际当中 去，将枯
15、燥的理论知识和生动的实际电路联系了起来，不仅如此， 我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，不 断地完善自己。王宇（7 号）：本次实验我们做的是电热水器的设计，通过热敏电阻的变化来 控制电路的加热与保温，并且用红黄发光二极管的发光情况来显示 热水器的工作状态，当水加热到预设水温时，令电源自动断开，使 电路处于保温状态，当水温低于该水温时自动上电，使电路处于加 热状态加热。我认为本次课程设计的难点之一就是电路图的设计，这不仅要 求我们要对所学的知识相当熟悉，而且要能够灵活应用，并且在大脑 中要有一个整体的思路，能够统筹掌握全局。我们通过网络、图书馆 等途径来收集资料,加上学过的知识花了两天时间将电路的设计思路 确定了下来。然后通过仿真软件画出了电路图，并且进行电路图的调 试工作。具体调试时可以适当地在电路中增加电流表、电压表，以此 来观察电路是否达到了我们设计的要求。这次实验的一个主要问题就 是热敏电阻上的电流不能太大，因为热敏电阻对温度是很敏感的，倘 若温度过高的话会严重影响电路的精度,刚开始的时候我们没太注意 这个问题，结果在面包板上连接好电路，加上电源以后热敏电阻的发 热情况很严重，然后我们通过仿真在电路中
