简易浴室水温控制电路设计

简易浴室水温控制电路设计

一.设计内容和要求.

设计一个简易浴室水温控制电路。该电力能够将水温控制在一个合适的范围内，同时可以通过手动实现对水温范围的改变。 （1）设计要求：

1.要求电路能够通过两根电阻丝实现对水温的控制。假定水温范围为

1212()t t t t ~<，t 为实际温度。当t<1t 时，两根电阻丝都通电加热；当12

t t t <<时，仅一根电阻丝通电加热；当2t t >时，两根电阻丝都不通电。 2.要求电路在1t 、2t 温度点不能出现跳闸现象，即电阻丝不能进行短时间内反复在通电和不通电之间转换。

3.要求电路能够显示出电阻丝的通电与否。

4.要求电路能够手动调节水温控制的范围。

5.根据上述要求选定设计方案，画出系统框图，写出详细的设计过程。

6.利用Proteus 的设计电路图,画出一套完整的设计电路图，并列出所有的元件 .

二.选题背景和目的意义： 电路课程设计是电子技术基础课程的实践性教学环节，通过课程设计，要求达到以下目的。

（1）巩固和加深学生对模拟电子电路基本知识的理解，提高他们综合运用本课程所学知识的能力。

（2）培养学生根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。 （3）通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

（4）了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。

（5）培养严肃、认真的工作作风和科学态度。通过课程设计实践，帮助学生逐步建立正确的生产观点、经济观点和全局观点。

三．设计的具体实现

1. 系统组成框图

简易浴室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 简易浴室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

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

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。

图2 水温监测电路和水温范围测量电路

2. 主要单元监测电路设计

2.1电路中仪器设备的选择及水温范围测量电路

如上图所示，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9R 的作用是通过调节可变电阻的阻值，就可以调节可变电阻的阻值，就可以调节Vs 的范围，也就可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1R 、

2R 和稳压管1D 、2D 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。

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2t 和下限值1t .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REF1V =+8V ，REF2V =+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REF1V 和REF2V 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s p2V V 时，1V 和2V 输出都为低电平（p V 表示运算放大器的同相输入端）。由于Vs 、REF1V 和REF2V 分别代表t 、2t 、1t ，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1U 的特性表达式为

1151353135/()/()(7.3 1.1)8.4T P REF V V R V R R R V R R V V +==⋅++⋅+=+=

（1.1） 115135/()07.3T P REF V V R V R R V -==⋅++= （1.2）

由式（1.1）和式（1.2）可以得到回差范围

11(8.47.3) 1.1T T T V V V V V +-∆=-=- = ，即1V 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2U 的特性表达式为

2282787278/()/()(3.6 1.1) 4.7T P REF V V R V R R R V R R V V +==⋅++⋅+=+ =

（1.3）

228278/()0 3.6T P REF V V R V R R V +==⋅++= （1.4）

由式（1.3）和式（1.4）可求得迟滞比较器2U 的22T T V V +--之差(4.7V-3.6 V) 同样具有1.1V 的回差范围。

稳压管：

D1，D2选择参数为31mA,1W,8.2V 的稳压管 电源：

直流稳压电源9V 电阻：

R1>=(9-8.2)/31=0.026千欧 分别取R1，R2为10千欧

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 3 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2P t t <时，1V 和2V 都输出高电平；当12t t t <<时，1V 输出为高电平，2V 输出为低电平；当2t t >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1R 和2R 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β倍；当输入电压为低电平时，三极管截止，无电流通过。继