简易纯净水控制电路-采用光耦

郑州轻工业学院电子技术课程设计题目简易纯净水加热控制电路学生姓名专业班级电子信息工程10-01班学号院（系）电气信息工程学院指导教师完成时间2012年06月22日简易纯净水加热控制电路课程设计（论文）任务书题目简易纯净水加热控制电路专业学号姓名主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容1．阅读相关科技文献。2．学习protel软件的使用。3．学会整理和总结设计文档报告。4．学习如何查找器件手册及相关参数。技术要求1.要求电路能够检测纯净水的温度T。2.要求电路能够通过两根电阻丝实现对加热的控制，具体情况如下：●T＜50℃两根电阻丝都工作，电路处在加热状态；●50℃＜T＜100℃只有一根电阻丝工作，电路处在保温状态；●T＞100℃两根电阻丝都不工作，电路完成加热。3.要求电路设置一个按键，此按键能够起到快速加热的作用。即此按键按下后，当50℃＜T＜100℃时，两根电阻丝都工作。4.要求电路能够显示加热的各种状态。主要参考资料1．何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月2．姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月3．王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月4．李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003完成期限：2012年06月22日指导教师签章：专业负责人签章：2012年06月11日简易纯净水加热控制电路I目录摘要.........................................III1概述...........................................12.系统方案设计..................................22.1纯净水加热控制电路的结构框图.....................22.2各个单元电路的工作原理...........................22.2.1电源电路....................................22.2.2水温监测和水温范围测量电路.................32.2.3电阻丝开关及显示电路........................53元器件选型....................................73.1变压器的选型.....................................73.2二极管桥式整流电路...............................73.3三端稳压器.......................................73.4电阻型温度传感器.................................83.4.1传感器的原理和特性..........................83.4.2电阻型温度传感器的参数特性..................83.5迟滞比较器.......................................93.6光电耦合器.......................................93.6.1光电耦合器的原理............................93.6.2TLP521-1....................................9简易纯净水加热控制电路II3.7发光二级管......................................103.7.1发光二级管的发光原理.......................103.7.2发光二级管的参数...........................104简易纯净水加热控制电路总电路图...............115总结..........................................126元件清单附录及参考文献........................14简易纯净水加热控制电路III简易纯净水加热控制电路摘要本次设计主要是要设计一个简易纯净水加热控制电路。所采用的方案由三部分组成。电源电路，水温监测和水温范围测量电路，电阻丝开关及显示电路。电源电路通过变压器电路，整流电路，滤波电路，稳压电路将220V交流电压转换成12V直流电压。水温监控和水温范围测量电路主要由温度传感器和迟滞电压比较器组成，迟滞电压比较器不仅可以测量水温还可以防止跳闸现象发生。电阻丝开关及显示电路是由光电耦合器和发光二级管组成。此设计方案不仅实现了电路设计要求，而且电路图构成简单易懂，在一定程度上减少了元件的浪费，易于实现。关键词电源电路水温监测水温范围测量光电耦合器简易纯净水加热控制电路11概述此次课程设计要设计一个简易纯净水加热控制电路，该电路的关键有电源，温度测量，温度范围控制。电源不能直接用220V的交流加热，交流不稳定，而且幅值较大，故需要将220V交流电转变成适合此电路的12V的直流电源。这就需要一个电源电路。温度测量主要是通过电阻型温度传感器来实现的，根据温度传感器的阻值随着温度的改变而改变的性质，从而得到我们理想的温度范围。温度调好以后就是加热系统的监测和显示了，这部分主要用到的是电阻丝，光电耦合器和发光二极管。电阻丝主要是加热作用，而光电耦合器则主要负责实现将电信号转化成光信号再将光信号转化成电信号。完成电-光-电的转化过程。发光二极管主要是起到显示作用。这又形成了设计的第二大部分，即水温测量和电阻丝开关及显示电路。整个电路结构比较简单，原理也不是很复杂，所使用的元器件都是我们所熟悉的。简易纯净水加热控制电路22.系统方案设计2.1纯净水加热控制电路的结构框图简易纯净水加热控制电路的总体结构框图如图1-1所示，它是由电源电路、水温监测电路、水温范围测量电路、电阻丝开关电路、显示电路五部分组成的。图1-1简易纯净水加热控制电路的总体框图该电路能够检测出纯净水的温度T，并且能够在不同的温度下通过两根电阻丝实现对加热的控制。当T50℃时，两根电阻丝都加热，电路处在加热状态，50℃T100℃时，只有一根电阻丝工作，电路处在保温状态，T〉100℃时，两根电阻丝都不工作，电路完成加热，按下S键后，当50℃T100℃时，两根电阻丝也都工作，该电路还能通过发光二极管显示加热的各种状态。电源电路的功能是将220V的交流电压变成12V直流电压为上述电路提供直流电源。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、弱点转换。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。2.2各个单元电路的工作原理2.2.1电源电路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简易纯净水加热控制电路3电源电路的原理图如图2.2.1所示TD1D2D3D4470UFC147UFC3O.1UFC20.1UFC4VinVoutGNDVRVoltReg12VVDD220V12V图2.2.1电源电路的只要目的是为开关电路和显示电路提供一个稳定的+12V的直流电压，这就要求此电源电路能够将家用220V交流电转变为+12V直流电压，所以主要的过程是降压、交流变直流、滤波、稳压，四个过程依次由变压器、二极管整流桥、电容、稳压管实现，所以该电源电路主要是由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成，输入为家用220V交流电，输出为+12V直流电流。具体过程如下：变压器采用常规的铁心变压器，电源变压器将交流电网电压220V变为合适的交流电压12V。其中有二级管整流电桥组成的整流电路能够将12V交流电压转变为+12V直流电压。稳压电路采用三段集成稳压电路实现，并且能够排除干扰保证输出电压的稳定。C1、C2、C3、C4具有滤波功能。电源变压器：将电网220V交流电压转变成符合需要的12V交流电压。整流电路：利用二极管的的单向导电性，通过二极管桥式整流电路把交流变成直流。滤波电路：利用电容器的两端电压不能突变的性质，可以将整流电路中的大部分交流成分滤除，从而得到较平滑的直流电。稳压电路：使整流滤波后的直流电压基本上不随电网电压和负载的变化而变化，采用三端稳压集成电路来实现。2.2.2水温监测和水温范围测量电路简易纯净水加热控制电路4图2.2.2水温监测和水温测量电路水温监测电路主要是由温度传感器构成的。它的工作原理是通过电阻的变化来表示温度的变化，同时将温度信号转变成电信号。本电路采用的电阻型温度传感器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。可变电阻的作用是通过调节可变电阻的阻值，就可以调节电压Vs的变化范围，从而达到调节水温控制范围的目的。水温测量电路主要是由电压迟滞比较器组成的。由电阻R9和R10，稳压管D1和D2组成的电源产生电路分别产生了两个稳定电压，这两个电压分别代表水温范围的上下限。由于参考电源产生电路输出端介入比较器的输入，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VR1=+8V，VR2=+4V。产生的稳定电压经过电压迟滞比较器测量出水温范围。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；第二十防止跳闸现象的产生。首先，VREF1和VREF2分别输入到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VsVp2时，V1和V2输出都是高电平；当Vp2VsVp1时，V1输出为高电平，V2输出为低电平；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、VR1和VR2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实现跳闸现象的出现。R1210KR910KR1010KR11D1D210KR11KR210KR31KR4_+_+12V12VGNDGND10KR512VGND10KR6V1V2简易纯净水加热控制电路5迟滞比较器U1的特性表达式为V1T+=Vp1=R5*VR（R5+R2）+R2*V1（R5+R2）=（7.3+1.1）V=8.4V（1）V1T-=Vp1=R5*VR1/（R5+R2）+0=7.3V（2）由式（1）和式（1）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像。同理，迟滞比较器U2的特性表达式V2T+=Vp2=R6*VR2/（R4+R6）+R4*V2（R4+R6）=（3.6+1.1）V=4.7V（3）V2T-=Vp2=R6*VR2/（R4+R6）+0=3.6V（4）由式（3）和（4）可求得迟滞比较器U2的V2T+-V2T-之差（4.7V-3.6V）同样具有1.1V的回差范围。2.2.3电阻丝开关及显示电路图2.2.3电阻丝开关及显示电路电阻丝开关及显示电路主要由光电耦合器和发光二级管组成。如上图为光耦开关控制电路原理图，主要由两块光电耦合器TLP521-4构成，它的工作原理为：当被测的水温低于50度时，即0℃t50℃时，则和均为高电平，两光耦均导通，加热电阻丝R13和R14同时工作，并且此时发光二级管D3、D4同时点亮，表示电路处于加热状态。当被测的水温大于50度小于100度时，即50℃t100℃,10KR710KR8U1Optoisolator1U2Optoisolator1D3D4650R13650R14GNDGND220V220VGNDGND220VS1D5简易纯净水加热控制电路6则V1输出为高电平，V2输出为低电平