模拟电路-水温控制电路

南华大学电气工程学院
《电子技术课程设计》
设计题目：水温控制电路设计
专业：电气工程及其自动化
学生姓名: 张宏毅＿＿＿＿＿
学号: ***********
起迄日期:2012年1月3日2012年1月13日****:**
教研室主任：管金云
《电子技术课程设计》任务书
2．对课程设计成果的要求〔包括图表（或实物）等硬件要求〕：设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。

要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。

3．主要参考文献：
[1] 彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社，1997
[2] 毕满清.电子技术实验与课程设计[M].北京：机械工业出版社，1995
[3] 陈明义.电工电子技术课程设计指导[M].长沙：中南大学出版社，2002
[4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计[M].北京：电子工业出版社，2002
4．课程设计工作进度计划：
序号起迄日期工作内容
调研、资料查询
1月3日~1月4日
总体方案设计
1月5日~1月6日
单元电路设计（绘原理图、参数计算、印制电路板）1月7日~1月11日
撰写设计说明书(含答辩)
1月12日~1月13日
主指导教师日期：年月日
水温控制电路
摘要：
本文主要采用电压比较器对继电器的控制实行对水温的控制。

主要运用了模拟电子技术基础中的通向比例放大器，电压比较器，继电器，三极管开关电路的相关知识。

本设计实现了温度的测量和对水温的控制，具有较好的可行性和实用性。

信号通过电阻型温度传感器（RMF51-583）输入转化为电信号，在经放大器放大后与设定的电压值比较，输出正电压或负电压来实现电路的通断，间接控制继电器的工作，实现温度控制。

关键词：RMF51-583温度传感器，比较器，继电器。

Abstract：
This paper adopts voltage comparator to relay control of temperature control of practice. Mainly used simulating electronics proportion of amplifiers, voltage comparator, related knowledge of relays. the design and implementation of a temperature measurement and control of temperature , good feasibility and practicality. By RMF51-583temperatue senor signal input into electrical signals in the amplifier amplification, and set the voltage, negative or positive to realize the circuit, indirect control relay, realize temperature control.
Keywords: RMF51-583 temperature sensor, the comparator, relays.
目录
1.课程设计方案选择及说明 (6)
2.电路的工作原理 (7)
2.1水温监测电路和水温范围测量电路 (7)
2.2电阻丝开关电路和显示电路 (9)
2.3 电源电路 (13)
2.4 电路原理图分析 (15)
3.设计总结 (19)
参考文献 (19)
附录 (20)
附录一 (20)
附录二 (21)
附录三 (22)
1.课程设计方案选择及说明
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。

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。

2.单元电路的工作原理
2.1 水温监测电路和水温范围测量电路
水温监测电路和水温范围测量电路如图2.1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R
1、R
2
和稳压管D
1
、D
2
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2.1 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T 1 和下限值T 2 .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V REF1=+8V ，V REF2=+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V REF1和V REF2分别接入两个运算放大器的同相输入端，而Vs 则同时输入到这两个运算放大器的反相输入端。

这样当V S <V P2时，V 1和V 2输出都为高电平；当V P2<Vs <V P1时，V 1输出为高电平，V 2输出为低电平；当V S > V P1时，V 1和V 2输出都为低电平（ 表示运算放大器的同相输入端）。

由于Vs 、V REF1和V REF2分别代表t 、t 2、t 1，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u 1的特性表达式为
V 1T+=V P1=R 5·V REF1/(R 3+R 5)+R 3·V 1/(R 3+R 5)=(7.3+1.1)V=8.4V (2.1) V 1T-=V P1=R 5·V REF1/(R 3+R 5)+0=7.3V (2.2) 由式（1.1）和式（1.2）可以得到回差范围为1.1V, 即V 1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
V 2T+=V P2=R 8·V REF2/(R 7+R 8)+R 7·V 2/(R 7+R 8)=(3.6+1.1)V=4.7V (2.3) V 2T-=V P2=R 8·V REF2/(R 7+R 8)+0=3.6V (2.4) 由式（2.3）和式（2.4）可求得迟滞比较器U 2的V 2T+-V 2T-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。

2.2 电阻丝开关电路和显示电路
如图2.2 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<t
p2时，v
1
和v
2
都输出高电平；当t
1
<t<t
2
时，v
1输出为高电平，v
2
输出为低电平；当t>t
2
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R
1和R
2
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”。

图2.2 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。

④释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。

当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。

这时的电流远远小于吸合电流。

⑤触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。

它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。

继电器的选用
先了解必要的条件
①控制电路的电源电压，能提供的最大电流；
②被控制电路中的电压和电流；
③被控电路需要几组、什么形式的触点。

选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。

控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。

查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。

若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。

最后考虑尺寸是否合适。

注意器具的容积。

若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。

对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品。

同时我还选用正向压降为1.66V的光电二极管，这里顺便介绍一下光电二极管的原理、制作以及应用。

发光二极管简称为LED。

由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。

当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

发光二极管的反向击穿电压约5伏。

它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。

限流电阻R可用下式计算：R＝（E－UF）／IF
式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。

发光
二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。

有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。

2.3 电源电路
电源电路的设计可以采用两种方式来实现：第一种是采用电池供电，需要注意的是选择适合的电池指标参数和电路相匹配。

第二种方法采用如图 2.3 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交流电转换为+12V直流电压。

图2.3 电源电路
（1）．直流稳压电源设计思路
直流稳压电源由四部分组成：电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。

组成框图如图所示。

直流稳压电源框图
各组成部分的功能如下：
1.电源变压器：将电网220V的交流电压变换成符合需要的交流电压。

2.整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50Hz 的交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电，整流电路采用二极管桥式整
流电路，C
1、C
2
、C
3
、完成滤波功能。

3.滤波电路：利用储能元件电容器C两端的电压不能突变的性质，把电容与整流负载并联，可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电。

4.稳压电路：使整流滤波后的直流电压基本上不随电网电压或负载的变化而变化，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。

220V交流电经过变压器和整流桥之后的波形如下图所示；
全波整流
直流稳压电源的工作状态
由上图可以知道电路的电源设计是完全符合设计要求的，从数据和波形上可以看出该电源能够为其他电路提供一个精确的直流稳压电源，是整个电路成功实现的重要保证。

2.4 电路原理图分析
简易浴室水温控制电路的总电路图如附录一所示，它由水温监测电路、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。

总电路图中需要注意的是各个单元之间的连接一定要准确，同时各部分布局要合理。

电路分析：
Ⅰ.当s REF1V <V 时，1V 和2V 输出都为高电平；从而三极管T1,T2饱和导通，继电器K1和K2都有电流通过，继电器被驱动，开关吸合，对应的电阻丝通电加热，导致发光二极管工作发光。

通过电路仿真，可以看到当1REF V ，s V ，2REF V 的电位分别下图所示。

输出均为高电平
此时温度小于下限温度，两根电阻丝同时加热；对应地，显示电路的仿真结果下图所示。

输出均为高电平的显示
Ⅱ.当REF2s REF1V <V <V 时，1V 输出为高电平，2V 输出为低电平；三极管T1饱和导通，T2截止，继电器K1有电流通过，而K2则没有，当继电器被驱动，开关吸合，对应的电阻丝通电加热，导致发光二极管T1工作发光，T2则不工作。

通过电路仿真，可以看到当1REF V ，s V ，2REF V 的电位分别如下图所示。

输出为一高电平和一低电平
此时温度在上限和下限温度之间，只有一根电阻丝加热；对应地，显示电路的仿真结果如下图所示。

输出为一高电平和一低电平的显示
Ⅲ.当s REF1V >V 时，1V 和2V 输出都为低电平；三极管T1，T2都截止，继电器K1，
K2都没有电流通过，继电器不被驱动，电阻丝均不通电加热。

通过电路仿真，可以看到当1REF V ，s V ，2REF V 的电位分别如下图所示。

输出均为低电平
此时温度达到或超过上限温度，电阻丝都不通电加热；对应地，显示电路的仿真结果如下图所示。

输出均为低电平的显示
从电路的原理图以及仿真过程中可以看出，能够确定出实际的水温和水温控制范围，能够达到一定的下限水温，在没有达到这个下限水温之前，两根电阻丝同时加热，使水温快速上升。

当达到这个温度以后，只有一根电阻丝加热，节约能源。

知道水温上升到一个上限水温之后，为防止人烫到，电阻丝停止加热。

知道水温下降之后，电阻丝才再重新开始加热，如此循环加热，实现了设计的要求。

3.设计总结
这次电子技术课程设计使我学到了很多关于理论方电子技术面和实践方面的知识，受益匪浅。

不仅锻炼了自己的动手能力，也从一定程度上巩固加深了对模拟电路方面知识的理解。

我最先要做的是绘制一份合理的水温控制电路设计的电路原理图，在这过程中我们根据各种元件的用途、型号及实际应用效果，查找了许多有关方面的资料，也观察分析了许多温度控制的电路图，学会了如何绘制一张实际的温度控制电路原理图。

期间我发现了很多问题，经过反复思考与分析，发现原来许多理论知识都与实践有较大的区别，我耐心的一一进行分析，最后我们确定了合理的原理图，进行了分析和元件参数的一定程度的修改。

在我学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我的细心和耐心。

提到细心和耐心，我深有体会。

在画完电路图后，出了很在我们学习的过程中不仅考验了我对知识的吸收和掌握，而且也考验了我的细心和耐心。

特别是在仿真过程中对参数的改进和电路图的查找过程中，我深有体会。

我认为这次实习不仅仅学习了软件知识，还提高了我专业素质。

参考文献
[1] 彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社，1997
[2] 毕满清.电子技术实验与课程设计[M].北京：机械工业出版社，1995
[3] 陈明义.电工电子技术课程设计指导[M].长沙：中南大学出版社，2002
[4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计[M].北京：电子工业出版社，2002
附录一：
水温控制电路总电路图（SCH）
附录二：
水温控制电路印制电路板图（PCB）
附录三：。