电热水器课程设计报告

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

时间：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：

（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：

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：

图1

其内部的四个运算放大器, A, B, C, D 以及引脚功能如下：

LM324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+”、“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。

图2

2、继电器的继电特性：

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/P0

图3

3、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-100——3000 C之间测温。其电阻—温度特性曲线是一条指数曲线，可表示为R T=Ae B/T，R T是温度为T时的电阻值。热敏电阻的温度系数为：a=-B/T2B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950 C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〈 950C时，LM324的U2 〉U3，晶体管Q1加反偏电压U BE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T>950C时，LM324的U2 〈U3，晶体管Q1加正偏电压U BE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〈 950C时，LM324的U2 〉U3，晶体管Q1加反偏电压U BE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T>950C时，LM324的U2 〈U3，晶体管Q1加正偏电压U BE 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