水温控制报警系统

水温控制报警系统

摘要：

本系统采用温度传感器ＲMF51-583、LM324放大器和报警系统为核心进行设计，实现浴室水温控制，并当水温达到预警温度进行报警。本系统由温度传感器RMF51-583进行水温监测，通过调节电阻可以调节水温控制范围。并且能进行水温范围测量，显示其大致温度。当水温不超出预警温度时加热，超出预警温度时报警，从而达到浴室水温控制要求。

具体方案设计：

1 、设计任务和要求：

设计任务：设计一个浴室水温控制报警系统。该系统能够将水温控制在一个合适的范围内，可以通过手动实现对水温范围的改变，并且超出某一温度值时自动报警。

设计要求：

1）要求系统能够通过对两根电阻丝实现对水温的控制。假设水温范围是T1~T2(T!T2时,两根电阻丝都不通电,并且报警。

2）要求系统能大致显示水温温度。

3）要求电路在T1、T2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的状态之间转换。

4）要求电路能够显示出电阻丝的通电与否。

5）要求能够手动调节水温控制的范围。

6）要求画出系统框图与设计电路图，并写出详细的设计过程。

2 、系统组成框图

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、工作指示电路、水温显示电路、报警电路和电源电路七部分构成的。

较器特性避免跳闸现象。电阻丝开关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。水温显示电路是利用电流表改装的表头显示水温监测到的温度。报警电路是当水温达到一定程度时报警。电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。

3、主要单元电路设计

（1）水温监测、显示及范围测量电路

如图2.1中左边虚线的左端电路电路所示，水温监测电路由可变电阻R9和电阻型温度传感器（RNF51-583）构成。电阻型温度传感器是最典型也是最简单的一种传感器，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代表了实际水温T。本电路采用的电阻型温度传感器型号为RMF51-583，是一种正温度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R9的作用是通过调节可变电阻的阻值，就可以调节Vs的范围，亦是可以调节水温控制的范围。

水温显示电路如图2.1两虚线之间的电路所示，它是由一个废弃的电流表改装而成，它通过所串联的可变电阻R9和温度传感器RMF51-583的阻值发生变化而改变对应的温度。

水温范围测量电路即图中右端虚线的右边电路所示，它由两部分组成：第一部分是由R1、R2和稳压管D1、D2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。

参考电源产生电路的功能是产生两个稳定的电压，这两个稳定的电压代表水温范围的上限值T2和下限值T1。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，而输出Vref1=+8V，Vref2=+4V。

水温范围测量电路的功能有两个：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，Vref1和Vref2分别输入运算放大器的同向输入端，而Vs则同时输入到这两个

运算放大器的反向输入端。这样，当Vs〈Vp2时，V1和V2输出都为高电平；当Vp2〈Vs 〈Vp1时，V1输出为高电平，V2输出低电平；当Vs〉Vp1时，V1和V2输出都为低电平（Vp表示运算放大器的同相输入端）。由于Vs 、Vref1和Vref2分别代表T、T2和T1，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U1的特性表达式为

V1t+=Vp1=R5*Vref1/（R3+R5）+R3*V1/（R3+R5）=（7.3+1.1）V=8.4V （1.1）V1t-=Vp2=R5*Vref1/（R3+R5）+0=7.3V （1.2）由式（1.1）和式（1.2）可得到回差范围△Vt=V1t+—V1t-=8.4V-7.3V=1.1V，即V1从高电平转换为低电平和从低电平转换为高电平的分界点电压值有了1.1V的差别，从而就可以防止跳闸现象的出现。同理，迟滞比较器U2的特性表达式为

V2t+=Vp2=R5*Vref2/（R7+R8）+R7*V2/（R7+R8）=（3.6+1.1）V=4.7V （1.3）V2t-=Vp2=R8*Vref2/（R7+R8）+0=3.6V （1.4）由式（1.3）和式（1.4）可求得迟滞比较器U2的U2t+—U2t-之差（4.7V-3.6V）同样具有1.1V的回差范围。

（2）电阻丝开关电路和工作指示电路

如图2.2中虚线左侧电路所示，电阻丝开关电路是由三极管和继电器电路构成的。电路的输入即图2.1电路的输出，即当T〈Tp2时，U1和U2输出都为高电平；当T1〈T〈T2时，V1输出为高电平，V2输出为低电平；当T〉T2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，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放大电路无法驱动继电器，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简单电路。其中R1和R2为限流电阻，

防止输入电流过大烧毁三极管，但经调试此时接通时发光二极管一直会亮，因此R12、R13阻值不能过大。本试验可以选择47欧的阻值，又由于此时R10、R11的限流降压不够大，发光二极管还是会亮，因此再分别接入一个二极管把压降减小0.7V时发光二极管不在工作范围内可以不亮，达到设计要求。三极管接为共集电极电路，当输入电压为高电平时，三极管导通饱和，可以将接入电压放大ß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发射极，当有电流驱动时，开关吸合，对应的电阻丝通电，当无电流驱动时开关断开，对应的电阻丝不通电，同时在继电器两端并联一个二极管进行保护。

工作指示电路如图2.2中虚线右方电路所示，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。

（3）报警电路

报警电路如图2.3所示电路，主要由LM324比较器、555定时器和扬声器组成。当V2输出低电平时报警，预示水温达到控制要求了。

（4）电源电路

电源电路的设计可以采用两种方法来实现：第一种方法是采用电池供电，需要注意的是选择合适的指标参数与电路相匹配，但由于电池可能不耐用，对所供电源不能满足12V 要求，所以一般采用第二种方法。第二种方法采用如图2.4所示电路，直接从电网供电，通过变压器电路、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直流电压。电路中变压器采用常规的铁心变压器，整流电路采用二极管桥式整流电路，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。

4、系统原理图

水温控制报警系统的总电路图如图2.5所式。它是由水温监测电路、水温范围测量电路、