家用热水器控制器设计综合电子实验报告.docx

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家用热水器控制器设计综合电子实验报告

电子电路实验

实验总结报告

题目名称：

家用电热水器控制器

学生：

学号：

学生：

指导教师：

验收日期：

电工电子实验教学中心制

摘要

用清洁能源电能进行加热的热水器被称作电热水器。

电热水器与燃气热水器、太阳能热水器是目前市场上畅销的三大热水器种类。

近年来，由于电热水器使用安全、用电方便快捷、加热迅速、价格便宜等方面的优势，人们对电热水器喜爱甚佳，市场销售历年居首，目前电热水器几乎成为家用电器必备之一。

本文介绍一种储水式电热水器的控制器，其主要功能有进水设置与显示、进水控制、温度设置与显示、温度控制及自动报警等功能。

本文先介绍了家用电热水器控制器总体方案设计，按照功能及技术性能指标要求，采用自上而下的设计方法对进水控制器和温度控制器的电路结构进行分析和设计，详细的介绍了两种控制器的工作原理；接着介绍了进水控制器的设计与仿真，进水控制器由水位预置电路、进水状况检测电路及电磁阀控制电路等电路组成，用Multisim软件完成了对各部分电路的仿真检验，检验了进水控制器设计的正确性；接着对温度控制器设计进行介绍，温度控制器由温度传感器电路、A/D转换电路、温度预置电路、加热器控制电路、时钟电路及数码管显示电路等电路组成，用软件Multisim完成了对各部分电路仿真检验，检验了温度控制器的设计的正确性；再对进水控制器硬件电路进行安装和调试，完成了进水控制器所要求的功能和技术指标。

因次，从控制器的电路设计和仿真的结果和电路的安装和调试的情况来看，本文所介绍的家用热水器控制器的设计是成功的，完全实现了所要求的指标，验证了电路的可行性。

第1章热水器控制器整体设计

1.1题目简介

以清洁能源电能进行加热的热水器称为电热水器。

由于对环境无污染，能源充足，响应快，用热水方便，安装简单，因此颇受青睐。

当前，市场上销售的电热水器主要有三种：

容积式。

按照安装方式可分为壁挂（横式）式电热水器和落地式（竖式）热水器，壁挂式电热水器容积通常为40L-100L，落地式热水器容积通常为100L以上。

家用储水式电热水器具有安装方便，出水量大，水温稳定等特点，但传统的储水式电热水器加热速度慢，等待时间较长。

即热式。

即热式电热水器一般需20—30A的电流，即开即热，水温恒定，制热效率高，安装空间小。

具有能够即开即热，省时省电，节能环保、体积小巧、水温恒定等诸多优点。

速热式。

一般容量在6L—30L，加热功率较大，约为3.5KW及以上。

加热时间较短，1次预热，即可连续供应热水，无使用人数限制。

具有机械衡温、全自动智能恒温两种保温模式，保护措施较好，使用安全可靠。

近年来，随着电热水器在安全、节能、加热、出水量等方面不断改进，越来越受到人们的青睐，市场销售历年持续增长。

另外，中国未来的电热水器的研发需求还包括安全可靠、节能、低碳环保、舒适健康、产品结构升级、建筑一体化以及智能化七个方面。

因此，家用电热水器将是家庭的家用电器中必备电器产品之一。

本题目结合学生已经掌握的模拟电子技术、数字电子技术理论知识和实验技能，以模拟集成电路和数字集成电路为核心器件，由学生自主完成一种全自动的储水式电热水器控制器的研制。

该控制器可实现对热水器的进水阀门和加热器的自动控制，并提供必要的安全、报警等功能。

1.2功能及技术性能指标要求

家用电热水器控制器包括进水控制和温度控制两部分，它们之间的电路结构相对比较独立。

其功能及技术性能指标要求如下：

进水控制：

（1）水位预置：

从低到高，共5级；

（2）水位预置指示：

红色发光二极管，5个，最上面指示最高水位，最下面指示最低水位；

（3）进水状况检测：

从低到高，共6级，其中包括1个水位溢出检测；

（4）进水状况指示：

绿色发光二极管，5个，最上面指示最高水位，最下面指示最低水位；

（5）控制进水电磁阀输出端口：

1个，开关量，高电平有效；

（6）电磁阀吸合及水位溢出指示：

双基色发光二极管，红色亮表示水位已达到溢出位置，绿色亮表示电磁阀吸合。

（7）状态指示一：

双基色发光二极管，红色亮表示控制器工作在水位预置状态，绿色亮表示控制器工作在进水状态；

温度控制：

（8）温度预置及检测围：

0℃~50℃；

（9）温度测量误差：

≤1℃；

（10）温度显示方式：

LED数码管，两位；

（11）控制加热器输出端口：

1个，高电平有效；

（12）状态指示二：

双基色发光二极管，红色亮表示控制器工作在温度预置状态，绿色亮表示控制器工作在加热状态。

1.3进水控制器电路结构及工作原理

进水控制器电路由水位预置电路、进水状况检测电路、电磁阀控制电路及电磁阀组成，其电路结构如图1.1所示。

图1.1进水控制器电路结构框图

进水控制器由三部分电路共同协调完成功能，该控制器具有两种工作模式，即预置水位模式和进水模式，可通过预置/进水按键开关进行模式的选择。

当开关处于水位预置状态时，预置状态指示灯亮，按动手动脉冲电路中的脉冲按键，将会产生单个脉冲，由于按动开关会有抖动，因此手动脉冲电路已经利用SR触发器进行消抖，脉冲电路产生的脉冲送至预置编码电路，预置编码电路则开始对电路状态进行编码。

由于水位总共五个水位档，因此，预置编码电路产生的四位二进制码为0001~0101，预置编码电路把输出的二进制码送至译码驱动电路，译码驱动电路对代码进行译码，使之对应的端口以低电平输出，再通过与门的逻辑控制，驱动预置水位指示灯从低水位档向高水位档依次点亮，指示当前所预置的水位高度。

当水位到达第五档之后，再次按动脉冲按键，由于预置编码电路的循环编码，因此水位预置又降为一档，则一档对应指示灯亮。

当开关处于进水状态时，进水状态指示灯亮，如果水箱中的当前水位低于所预置的水位时，状态比较电路输出高电平，通过导通三极管，使继电器线圈电流足够大，使继电器吸合，进水电磁阀被接通并开始工作。

随着水箱中的水位不断升高，放入水箱中的不同高度的微动开关被触发，进水状况指示灯也从开始从低水位档到高水位档依次被点亮，指示当前水箱中的水位高度，同时，优先编码器对微动开关电路的输出状态进行编码。

由于使用的74148优先编码器，因此是低电平有效进行编码。

当水箱中的水位高度和预置水位高度相等时，状态比较电路则输出低电平，三极管截至，继电器断开，电磁阀电路被断开而停止工作。

如果当前水位已经达到预置水位时，且电磁阀还没有停止工作，即电路出现故障，则当水位到达溢出水位高度时，触动到溢出微动开关，强行使继电器电路断开，停止了电磁阀工作，因此可以避免发生水位过高而溢出现象，对热水器具有保护功能。

1.4温度控制器电路结构及工作原理

温度控制器电路由温度传感器电路、A/D转换电路、温度预置电路、加热器控制电路、数码管显示电路、时钟电路及加热器等组成，其电路结构如图1.2所示。

温度控制器由以上七部分组成，完成温度预置和加热的控制。

该控制器有两种工作模式，即温度预置模式和加热模式，可以通过预置/加热开关按键进行模式的选择。

当开关处于温度预置状态时，按动脉冲按键，手动脉冲产生电路产生单个脉冲，由于按键按动时有抖动，因此，手动脉冲产生电路用SR触发器进行消抖。

产生的脉冲送至计数器，计数器对脉冲进行计数，计数器由两片74160组成100进制计数器，由于温度传感器检测温度为0~50℃，因此，在这里，计数器的计数为0~50，计数器产生两组8421BCD码，送至LED数码管进行显示，以表示所预置的温度。

当开关处于加热状态时，为了保证安全，水箱中的水位一定要高于下限水位。

否则无论电路什么状况，加热器也不会工作。

首先，温度传感器电路将0~50℃水温信号转换成0~5V电压信号，温度传感器电路以电桥的形式连接，经过电桥转换为差模信号，并经过测量放大器进行放大，这样有利于抑制共模，放大差模，减少外界共模的干扰，放大温度的差模信号。

温度传感器电路输出给A/D转换电路将模拟电压转换成8位二进制代码放于寄存器中。

然后，代码转换电路将寄存器中的代码转换成两组8421BCD码，送至LED数码管进行显示，以表示当前水箱中的水的温度。

若水箱中水的温度低于所预置的温度，状态比较电路则输出高电平，三极管导通，继电器线圈的电流足够大，继电器开关吸合，加热器电路接通且开始工作。

随着水箱中的水的温度逐渐升高，LED数码管显示的当前温度也在逐渐增加。

当水箱中的水的温度和所预置的温度相等时，状态比较电路输出低电平，三极管截至，继电器开关断开，加热器电路断开而停止工作。

若是加热器处于工作状态时，水箱中的水位低于下限水位，电路将发出报警信号，报警指示灯闪烁，并通过逻辑控制使三极管截至，继电器开关断开，以避免水箱烧干而出现事故的现象发生，因此对加热器具有保护作用，使之安全，可靠的工作。

图1.2温度控制器电路结构框图

第2章进水控制器电路设计与仿真

2.1水位预置电路

2.1.1手动脉冲信号产生电路

手动脉冲信号产生电路由脉冲按键K1、电阻R1（100KΩ）和R2（100KΩ）、两输入与非门U1B和U1C及5V电源VDD组成，如图2.1所示。

其中U1B和U1C组成SR触发器，以消除按键的抖动，每按动一次K1，手动脉冲产生电路就输出一个脉冲信号。

图2.1手动脉冲信号产生电路图

2.1.2预置编码电路

预置编码电路由电阻R3（100KΩ）、十进制加法计数器U2（74HC160）、两输入与非门U1A和5V电源VDD组成，电路如图2.2所示。

74HC160用置数法接成五进制计数器，在CLK端有输入脉冲信号情况下，输出端QCQBQA将依次循环输出5个二进制代码，分别是001~101。

图2.2预置编码电路图

图中，电阻R4（100KΩ）和预置/进水开关按键K21属于控制电路中的一部分。

按K21，使得U2（74HC160）的ENT端为高电平时，U2（74HC160）工作在计数状态；否则，U2处于保持状态。

2.1.3译码驱动显示电路

其中水位指示灯LED1~LED5按照从低到高的位置安放，用于指示水箱的预置水位。

其电路图如图2.3所示。

图2.3译码与驱动电路

译码驱动显示电路由电阻R10，两输入与门U4，四线—十线译码器U3和5V电源VDD组成。

图中，电阻R5（100KΩ）和预置/进水按键K21属于控制电路中的一部分。

当按开关K21时，使得U3的D端为低电平，在U3的输入端C、B、A依次输入001~101，U3的输出端将对应的端口置为低电平，通过与门的逻辑电路，将控制LED1~LED5的阴极电位，LED为共阳接线，当LED的阴极电位为低电平时，对应的LED灯被点亮。

由于有与门的逻辑电路，高一级的水位指示灯亮时，其低级的所有水位指示灯均亮，当水位设置最高档时，五个水位指示灯全亮。

而当U3的D端为高电平时，驱动电路输出则全部为高电平，通过与门逻辑链路后，LED灯的阴极电位均是高电平，因此LED1~LED5全灭。

2.1.4仿真结果

水位预置电路如图2.4所示。

图2.4水位预置电路图

水位预置电路仿真操作、分析过程如下：

（1）按下预置/进水选择开关K21按键，其输出低电平，则U3的D端输入为低电平，U2的ENT端为高电平。

U2的计数器开始工作，处于计数状态，U3也处于001~101的译码状态。

且预置指示灯的阴极电位为低电平，因此，预置指示灯亮。

（2）连续按动K1按键，则手动脉冲电路连续产生脉冲输出,预置编码电路在输入脉冲的作用下开始对电路状态进行编码。

同时，译码与驱动电路进行译码之后送至显示电路，显示电路中的LED1~LED5在与门的逻辑输出下,依次被点亮，五个脉冲之后,由于计数器接成五进制循环计数器，因此在下一个脉冲之后，电路状态又变为一，水位指示为最低水位，以此循环。

（3）当K21按键被抬起，其输出高电平，预置编码电路则处于保持状态,译码与驱动电路的输出不在001~101围，因此对应的输出端口为高电平，经过与门逻辑判断后，LED的阴极均为高电平，LED1~LED5全部熄灭。

经过上述分析之后，对电路进行仿真，发现仿真结果和上述情况符合，说明水位预置电路仿真结果正确。

2.2进水状况检测电路

2.2.1电路设计

进水状况检测电路由微动开关电路和进水状况指示电路两部分组成，如图2.5所示。

微动开关电路包括电阻R6~R11和开关K3（6位），其中K31为水位下限开关，K35为水位上限开关，K36为溢出开关。

进水状况指示电路包括进水状态指示灯，进水水位指示灯LED6~LED10,其中LED6~LED10采用共阳极连接方法，从低到高放置，指示水箱中当前的水位状况。

图2.5进水状况检测电路

开关电路输出端与LED6~LED10的阴极连接在一起，其输出低电平有效。

当水箱中的水位到达下限位置时，进水状态指示灯接通，阴极电位为低电平，进水指示灯亮；到达上限位置时，水位一至五水位指示灯全接通，LED6~LED10全部都亮；当到达溢出位置时，微动开关K36接通，产生溢出信号，并传送到控制电路，此时LED12亮（红色），预示水位溢出报警。

图中，电阻R14（100KΩ）和预置/进水开关按键K22属于控制电路中的一部分。

当按下K22，使其接地，电路则处于工作状态，进水指示灯亮，进水水位指示灯根据当前水位情况点亮；否则，处于电路非工作状态，进水状态指示灯灭，进水水位指示灯全部熄灭。

2.2.2仿真结果

当按下开关K22时，使其接地，分别接通进水水位指示灯，则LED6~LED10依次点亮；当K36接通时，则产生溢出信号，低电平有效，此时LED12亮（红色），发出报警信号，表明仿真结果正确。

2.3电磁阀控制电路

2.3.1优先编码电路设计

优先编码电路由R15（100KΩ）,8线—3线优先编码器U7（74HC148），非门U6，和5V电源组成。

图2.6优先编码电路

图中，当微动开关对应的开关闭合时，开关输出低电平，来自于微动开关电路的低电平信号送至编码电路，U7便进行编码，由于编码是输入和输出均是低电平有效，因此需要用非门U6将U7输出的编码反码变成原码，以便送至比较电路进行比较。

由于开关微动电路输出的最高为第五档为低电平，因此该编码电路的输出为001~101。

2.3.2状态比较电路设计

状态比较电路由比较器U5（4585）和电阻R13（100KΩ）、R14（100KΩ）及5V电源VDD组成。

图2.7状态比较电路

图中，预置/进水按键K22属于控制电路中的一部分。

来自预置编码电路的输入和优先编码电路的输入送至U5，当预置/进水按键处于进水状态且预置编码电路的输入大于优先编码电路的输入时，U5才输出高电平，即状态比较电路输出高电平，若是预置编码电路的输入小于优先编码电路的输入，即是说，预设置的水位低于当前水位或状态开关K22处于预置状态这两种情况时，状态比较电路均会输出低电平。

2.3.3继电器开关电路设计

继电器开关电路由继电器J1、二极管D1、三极管T1、非门U6、与非门U1D,及电阻R16（100KΩ）和5V电源VDD组成。

其组成如图2.8。

图2.8继电器开关电路

图中，继电器开关电路由状态比较电路和溢出开关的状态决定其输出，当水位为到达溢出水位时，即溢出水位开关未闭合时，该电路则由状态比较电路决定，当状态比较电路输出为高电平时，三极管导通，继电器的线圈有足够大的电流，继电器开关吸合，电磁阀电路接通，电磁阀开始工作。

当状态输出电路输出为低电平时，三极管截至，继电器断开，电磁阀开关电路断开，电磁阀停止工作。

若是溢出开关闭合，输出为低电平送至继电器开关电路时，无论状态比较电路的输入状态如何，三极管均会截至，继电器开关断开，电磁阀停止工作。

2.3.4仿真结果

电磁阀控制电路如图2.9所示。

图2.9电磁阀控制电路图

电磁阀控制电路仿真操作、分析过程如下：

（1）水位预置状态时，比较器输出低电平，送至电磁阀控制电路，三极管截至，继电器断开，电磁阀不工作。

（2）水位检测状态时，如果预置编码电路输入比微动开关电路的输入大时，状态比较电路输出高电平，三极管导通，继电器吸合，电磁阀工作。

（3）水位溢出时，溢出水位开关闭合，输出低电平，三极管截至，继电器断开，电磁阀不工作。

上述情况表明，电磁阀控制电路仿真结果正确。

2.4进水控制器仿真结果

进水控制器电路如图2.10所示。

图2.10进水控制器电路图

进水控制器电路仿真操作、分析过程如下：

（1）将选择模式开关打到预置状态，即按下K2按键，预置水位指示灯LED111亮（红色），表示进水控制器工作在水位预置状态；

（2）按动脉冲按键K1按键，水位指示灯依次亮，表示水箱中的水位预置到了该水位位指示灯所表示的水位；

（3）将选择模式开关打到进水状态，即K2抬起，进水指示灯LED112亮（绿色），表示进水控制器工作在进水状态。

此时，若水箱中的当前水低于预置水位，则LED12亮（绿色），表示电磁阀工作，给水箱加水；

（4）随着电磁阀工作，水箱中的水位逐渐上升，当当前水位等于预置水位时，则LED12灭（绿色），表示电磁阀不工作，不给水箱加水；

（5）在LED12亮（绿色）时，即电磁阀工作，将K36合上，则LED12亮（红色），表示水箱中的储水已经到达溢出位置，说明状态比较电路出现故障。

此时，继电器会自动断开，强行停止电磁阀工作。

上述情况表明，进水控制器电路仿真结果正确。

第3章温度控制器电路设计与仿真

3.1温度传感器电路

3.1.1温度/电压变换电路

温度变化用铂热电阻（Pt100）检测，铂热电阻对应温度变化见表3.1。

表3.1铂热电阻（Pt100）分度简表

温度℃

0

35

50

电阻值Ω

100

113.61

119.40

由表3.1可知，温度在0℃~50℃围变化时，铂热电阻为100Ω~119.40Ω，铂热电阻阻值变化与温度关系为0.388Ω／℃。

温度/电压变换电路采用电桥结构，由精密电阻R1~R5组成，如图3-1所示。

其中，R4+R5等效为铂热电阻，0℃时它的阻值应为100Ω，所以R3也应取100Ω。

R4选用20Ω精密电位器。

因为桥臂工作电流限制在0.1mA以，电压源VDD1选+12V。

则由，，可得R1=R2=120KΩ。

图3.1温度/电压变换电路图

图中，电桥输出电压ui1约为10mV，ui2的围为10mV~12mV。

该电压差，即差模电压信号将送至下一级的测量放大器进行放大。

3.1.2测量放大器电路

测量放大电路由三个运算放大器U1A，U1B，U2A，电阻R6，R7，R8，R9，R10，R11，R12，和12V电源VDD组成，具有放大差模信号，抑制共模信号的作用。

根据测量放大器的工作原理进行计算有，第一级的放大倍数为：

Au1=（1+2R7/R6）=101

第二级放大倍数为：

Au2=R10/R9=24

总的放大倍数为：

图3.2测量放大器电路图

3.1.3仿真结果

温度传感器电路的仿真电路图如图3.3所示。

用电位器代替铂电阻做温度的检测模拟，当调节电位器R5的电阻值时，使R4+R5=100Ω~119.40Ω，则刚好对应铂电阻在模拟温度0~50℃的围变化时的电阻值，通过电桥输出电压ui1的变化围约为10~12mV，而而电桥的另一臂输出ui2恒为10mV。

因此通过后面的测量放大器的放大，最终uO的输出变化围0~5V。

表明仿真结果正确。

图3.3温度传感器仿真电路图

3.2A/D转换电路

3.2.1电路设计

A/D转换电路由A/D转换器和寄存器组成，如图3.4所示。

图3.4A/D转换电路图

图3.4中，A/D转换器芯片U2选用ADC0804，寄存器U3选用74HC273。

由于ADC0804需在在脉冲的作用下，才能启动转换，该控制中，温度变化的时间不快，因此不要求AD转换的频率很高，给AD加1HZ左右的脉冲频率即可。

在时钟信号作用下，AD将来自放大电路的模拟电压1~5V进行转换，输出八位二进制代码00000000~11111111，并将转换结果存放在寄存器U3中再输出。

发光二级管P0~P7的作用是显示A/D转换的结果，以便更加直观的观察AD转换结果。

3.2.2仿真结果

A/D转换电路的仿真如图3.5所示。

调节电位器RW，给AD转换器件U2的输入端输入0V~5V直流电压，通过观察发光二极管P0~P7的亮灭变化情况来了解AD转换情况。

当U2输入为0V时，P0~P7全部熄灭，说明U3输出为00000000；当U2输入为5V时，P0~P7全亮，说明U3输出状态为11111111，通过仿真，发现结果正确。

除此之外，也可以通过逻辑分析仪的波形观察A/D转换电路的输出情况。

图3.5A/D转换仿真电路图

3.3温度预置电路

3.3.1手动脉冲信号产生电路设计

手动脉冲信号产生电路由电阻R17、R18，与非门U6A、U6B，脉冲按键KEY2和5V电源VDD组成。

图中，与非门U6A、U6B构成SR触发器，由于按键在按动时会有抖动，因此采用SR触发器可以消除抖动，当每按动一次脉冲开关K2时，SR触发器就会产生单个脉冲，将脉冲送至计数器。

图3.6手动脉冲产生电路图

3.3.2计数器电路设计

计数器电路如图3.7所示，该电路由两个十进制加法计数器U7和U8（74HC160）、与非门U6D、电阻R19和5V电源VDD组成。

其中，计数器U7、U8用置数法接成了五十进制计数器。

图3.7计数器电路图

图3.7中，电阻R20、预置/加热按键KEY11为控制电路中的一部分。

当预置/加热按键KEY11打到VDD时，即电路处于预置状态，在手动脉冲电路输出的脉冲信号作用下，计数器将产生两组8421BCD码，其变化顺序应是00000000-01010000，即代表十进制0—50，表示预置的温度值为0℃~50℃；KEY11接到地一侧时，即电路处于加热状态时，计数器处于保持状态，即使有脉冲输入也不再计数。

3.3.3仿真结果

温度预置电路的仿真电路如图3.8所示。

图3.8温度预置电路的仿真电路图

K11接到VDD时，LED1显示红色，表示预置状态。

连续按动K2，计数器输出两组8421BCD码，其变化顺序是00000000—01010000，仿真结果正确。

3.4加热器控制电路

加热器控制电路由代码转换电路、状态比较电路、选择电路、继电器开关电路、预置/加热按键K11和开关K12及报警电路等组成，控制器电路如图3.9所示。

代码转换电路由可擦写存储器U4（MC7C512）组成。

该电路的作用是将寄存器输出的8位二进制代码转换成两组8421BCD码，以便送至状态比较电路和预置温度（用8421BCD码表示）进行比较，并送至数码管显示电路进行显示以表示实际的水的温度。

状态比较电路由数据比较器U9、U10（74HC85）组成。

该电路的作用是将预置电路的计数器输出的两组8421BCD码和代码转换电路输出的两组8421BCD码进行比较。

若前者小于后者，则该电路输出高电平，否则，输出低电平。

即是说当水箱中的当前水温低于预设置的温度时，状态比较电路输出高电平；否则，输出低电平。

选择电路由三态缓冲器U11、U12（74HC541），预置/加热按键K11、K2，反相器U13C，双基色发光二极管LED1（红色指示预置状态），电阻R20、R21和5V电源VDD组成。

当预置/加热按键K11打到预置状态时，该电路将预置电路的计数器输出的两组8421BCD码送至数码管显示电