自动温奶器电路设计.docx
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自动温奶器电路设计
电气工程学院
课程设计说明书
设计题目：
自动温奶电路设计
系别：
电气工程系
年级专业：
检测一班
学号：
131203021001
学生姓名：
顾春阳
指导教师：
崔建新
教师职称：
讲师
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称：
测控仪器电路设计
基层教学单位：
仪器科学与工程系指导教师：
崔建新
学号
131203021001
学生姓名
顾春阳
（专业）班级
检测一班
设计题目
自动温奶器电路设计
设
计
技
术
参
数
保持恒温40度
设
计
要
求
1传感器的选择
2测量电路
3放大电路
4电源电路设计
参
考
资
料
1、传感器原理
2、测控电路
3、新编传感器设计手册，赵宝贵主编。
中国计量出版社2002年
周次
第前半周
第后半周
应
完
成
内
容
周一～周二收集资料及方案论证
周三参数、仪器选择
周四系统布局设计
周五绘图撰写设计说明书
指导教
师签字
崔建新
基层教学单位主任签字
说明：
1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份
摘要
随着科学技术的发展，人们的生活节奏加快，人们对婴幼儿的养育时间减短，同时对婴糼儿养育的要求不断变高，需求变得越来越多种多样。
研究一种婴儿全自动热奶器，只要将奶瓶放入热奶器内，热奶器就会自动加热，并且使奶瓶保持在恒温状态，从而省去了要热奶的麻烦，给父母亲提供了很大的便利。
该简易自动温奶器还能同时用于对饮料、饭菜等的保温，对日常生活也有很大的帮助。
通过利用NE555振荡器对电路进行延时，控制使之保持温度；热敏电阻器对温度进行监测，保证装置维持恒温；电源电路对电源稳定有作用。
关键词：
NE555振荡器加热温控
目录
摘要………………………………………………………………………1
第一章绪论……………………………………………………3
1.1设计背景………………………………………………3
第二章设计方案………………………………………………4
2.1自动温奶器功能………………………………………4
2.2产品装置的意义………………………………………4
2.3自动温奶器工作原理…………………………………4
2.4元器件选择和制作……………………………………6
2.5温奶器装置框图………………………………………7
2.6单元电路图……………………………………………7
2.7整体电路图……………………………………………12
第三章结论……………………………………………………13
第四章参考文献………………………………………………14
第五章心得体会………………………………………………15
第一章引言
随着时代的进步，生活节奏的加快与对待婴幼儿的养育问题同时更加重视的问题之间的矛盾，促使我来研究婴幼儿牛奶加热问题。
由于婴儿的消化系统的脆弱，使得婴儿有了少吃多餐的特性和对待食物的温度有着严格的要求，婴儿奶粉冲泡要求是30℃-40℃,而婴儿对食物最易接受的温度是28℃，这就给很多上班族家庭带来了很多的麻烦。
为了给人民生活带来最大的便利，而研制了一种给婴儿奶瓶自动加热的婴儿奶瓶自动加热器，来迎合各种家庭和需要。
1.1设计背景
现今在国内市场上的婴儿奶瓶自动加热器多为纯连续加热或者是只是一次性加热报警的加热器，根据现在人们的需求，决定研制一种即可一次性加热，又可连续加热的加热器。
也就是在原有的连续加热器上加上温控报警系统，又不改变可连续加热的功能。
婴儿奶瓶自动加热器具有以下特性：
1、科学性：
该项目使用了组合式发明法，它把生活中的温控电路与普通加热器有效地组合起来，它的设计合理，构思新颖，科学性强。
2、创新性：
婴儿奶瓶自动加热器是加热器和温控电路相结合改制成的，它集于普通加热器和温控电路于一体，使普通加热器的原有功能扩大，实用性增强，能够长时间的保持一定的温度。
3、实用性：
婴儿奶瓶自动加热器具有双重功能，即可当普通加热器使用，又可以长时间保温，它比普通加热器使用更方便、更实用、更科学，它价格低廉，使用方便适用于各种类型的家庭。
第二章设计方案
2.1自动温奶器功能
自动温奶器可以对奶瓶进行加热，保温通过设定温度，温奶器自动加热奶瓶使奶瓶达到设定的温度，保持奶瓶的恒温。
使用方便简洁。
使用普通电热杯和本文介绍的自动温奶控制器，可对婴儿奶瓶进行自动加热，他是年轻父母亲的得力助手。
2.2产品装置的意义
自动温奶器是电子科学发展的产物，是对电路设计，系统组合和优化的理解所设计出的电子电路，具有广泛的意义。
我们在理解温奶器工作原理的同时，根据设计要求和设计参数，分析各部分电路的作用，整合电路就得到了整个系统。
自动温奶器极大的方便了人们的日常生活，也应为人们生活的需求，促进了电子科学的发展，从而有更多的满足方便的电子产品问世。
2.3自动温奶器工作原理
自动温奶控制器的线路如图所示，它由温度传感器，单稳态触发器和电源电路等几大部分组成。
温度控制装置由以下几部分组成，变压器将220V交流电变成低压交流电，同时也起到绝缘隔离作用温度传感器固定在温度控制装置中，给加热丝通上交流电，给加热体加热。
自动温奶器电路示意图
单稳态触发器由NE555时基集成电路构成，热敏电阻RT用作温度传感器。
当电热杯内的水温较低时，热敏电阻器RT表现阻值较大，调节电位器RP可是时基集成块触发端第2脚的的电平低于1/3电源电压（指集成块A的供电电压VDD），单稳电路出发翻转进入暂态，电路置位，输出端第3脚输出高电平，继电器K通电吸合，其常开接点K-1闭合，插在X里的电热杯通电加热。
同时发光二极管LED点亮发光，指示温奶器处于加热工作状态。
这时集成块内部放电管截止，第7脚被悬空，电源通过R2向电容C1充电，使阈值端第6脚电平不断升高，约经t=1.1R2C1≈30s时，6脚电平可上升到2/3电源电压，如这时水温仍然较低即第2脚电平仍低于1/3电源电压，电路则保持位置状态不变，电热杯继续加热；如此时水温已达到预定温度（如28℃），因RT水温度升高而下降，这时2脚电平已高于1/3电源电压，时基电路即复位亦即单稳态触发器翻转进入稳定态，第3脚输出低电平，继电器K失电释放，接点K-1跳开，插座X停止对外送电，电热杯就停止加热，同时加热器指示灯熄灭。
此时，集成块内放电管导通，第7脚对地短接，所以C1储存的电荷就通过第7脚泄放可为下次加热做延迟准备。
此时如果长时间不取用奶瓶，杯内温度就会逐渐下降，当温度降至40℃以下时，由于RT阻值变大，集成块的第2脚电平又降至1/3电源电压以下，时基电路再次置位，电热瓶又通电加热……如此反复循环，放在电热杯内加温的奶瓶就能保持恒温。
调节电位器RP的阻值，可以改变奶瓶恒温温度的高低。
整机电源由变压器T降压，二极管VD2—VD5桥式整流和电容C2滤波供给，由于奶瓶恒温不要求很高的精度，所以不必对电源进行稳压。
2.4元器件选择与制作
A可选用NE555时基集成电路。
VD1用1N4148型硅开关二极管，VD2—VD5可用1N4001型硅整流二极管。
LED用普通圆形红色发光二极管。
RP最好采用WSW有机实芯微调可变电阻器，Rt为负温度系数热敏电阻器。
R1R2伟碳膜电阻器，K为微小型中功率继电器。
C1C2为电解电容器。
T为小型电源变压器。
温度传感器探头需做适当的加工，如图示
用塑料软解衔接好热敏电阻Rt，连接点处要套上绝缘线管，然后再用环氧树脂将整个热敏电阻器与焊接点统统密封起来，经过这样的的处理后，热敏电阻器就不怕水的侵蚀了。
全部元件安装好后就需要对控制温度进行调整，调整时现将微调继电器RP至于阻值最小的位置，接好热敏电阻器连接导线，将热敏电阻器至于杯中，在杯内放置一支温度计，向杯内加入热水，眼睛注视温度计的温度变化，当温度达到40℃时即停止加热。
然后用小起子逐渐调大RP，当调至某一位置时，可听到继电器“哒”一声吸和响声，同时发光二极管LED点亮发光，将Rp至于此位置不变。
在向杯内加冷水，使温度低于40摄氏度，约过30s后，又能听到继电器“哒”一声的释放声，同时LED熄灭。
如延时时间太长，远大于30s，可以适当减小R2或C1的数值，反之则加大。
再向杯内加热水，使水温升高到40摄氏度，如能又听到继电器响声，同时LED发光，表示RP的阻值已经调好，否则需要重调RP，务必使之达到上述的要求。
调好后可以用火漆封固RP，防止其阻值变化。
2.5温奶器装置框图
装置框图
2.6单元电路图
A热敏电阻温度传感器
原理如下：
通过测温部分对水温进行测量的测量值与给定值在比较部分进行比较，利用比较过后的输出值对加热部分进行控制，从而实现对水温的控制。
测温电路：
一个1KΩ的热敏电阻及控压电阻组成。
水温改变热敏电阻的电阻值，从而改变R12电阻下端点电压.实现模拟信号向数字信号的转变.
比较电路：
主要由4个比较运算放大器、1KΩ的可控电阻及控压电阻组成。
通过运放对测温部分的输出电压和设置电压的比较所输出的电平来控制报警电路和控制电路。
VCC与地间串联的电阻为温度设置电阻。
通过从中取得电压获得温度比较点。
报警电路：
由一个与门、红绿LED和限流电阻组成。
由比较部分输出的电平在与门进行逻辑运算，从而实现报警灯的设计。
U1为40℃温度比较，当水温低于40℃，热敏电阻上端电压高于设置电压则输出低电平，通过与门输出低电平后红灯发光。
U3为70℃温度比较，当水温高于70℃，热敏电阻上端电压低于设置电压则输出低电平，通过与门输出低电平后红灯发光。
当水温高于40℃，低于70℃则U1和U3都输出高电平，通过与门输出高电平后绿灯发光。
由此实现电路报警。
控制电路：
由晶闸管、加热器和限流电阻组成。
由比较部分输出的电平控制晶闸管的开断，从而实现对加热器工作状态的控制。
同上，对U2而言，当水温高于50℃，热敏电阻上端电压低于设置电压，则输出低电平，三极管D1断开，H2停止工作；当水温低于50℃，热敏电阻上端电压高于设置电压，则输出高电平，三极管D1导通，H2开始工作。
同理，U4亦是如此。
B单稳触发器
NE555引脚图
单稳电路
555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路从NE555时基电路的内部结构电路图（图4-1-2）中可看到，VTl-VT4、VT5、VT7组成上比较器Al，VT7的基极电位接在由三个5kΩ电阻组成的分压器的上端，电压为1/3VDD；VT9-VT13组成下比较器A2，VTl3的基极接分压器的下端，参考电位为1/3VDD。
在电路设计时，要求组成分压器的三个5kΩ电阻的阻值严格相等，以便给出比较精确的两个参考电位1/3VDD和1/3VDD。
VTl4-VTl7与一个4.7kΩ的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。
VTl8-VT21组成一个推挽式功率输出级，能输出约200mA的电流。
VT8为复位放大级，VT6是一个能承受50mA以上电流的放电晶体三极管。
双稳态触发电路的工作状态由比较器A1、A2的输出决定。
NE555电路的工作过程如下：
当2脚，即比较器A2的反相输入端加进电位低于1/3VDD的触发信号时，则VT9、VTll导通，给双稳态触发器中的VTl4提供一偏流，使VTl4饱和导通，它的饱和压降Vces箝制VTl5的基极处于低电平，使VTl5截止，VTl7饱和，从而使VTl8截止，VTl9导通，VT20完全饱和导通，VT21截止。
因此，输出端3脚输出高电平。
此时，不管6端（阈值电压）为何种电平，由于双稳态触发器（VTl4-VTl7）中的4．7kΩ电阻的正反馈作用（VTl5的基极电流是通过该电阻提供的），3脚输出高电平状态一直保持到6脚出现高于1/3VDD的电平为止。
当触发信号消失后，即比较器A2反相输入端2脚的电位高于1/3VDD，则VT9、VTll截止，VTl4因无偏流而截止，此时若6脚无触发输入，则VTl7的Vces饱和压降通过4.7kΩ电阻维持VTl3截止，使VTl7饱和稳态不变，故输出端3脚仍维持高电平。
同时，VTl8的截止使VT6也截止。
当触发信号加到6脚时，且电位高于1/3VDD时，则VTl、VT2、VT3皆导通。
此时，若2脚无外加触发信号使VT9、VTl4截止，则VT3的集电极电流供给VTl5偏流，使该级饱和导通，导致VTl7截止，进而VTl8导通，VTl9、VT2。
都截止，VT21饱和导通，故3脚输出低电平。
当6脚的触发信号消失后，即该脚电位降至低于1/3VDD时，则VTl、VT2、VT3皆截止，使VTl5得不到偏流。
此时，若2脚仍无触发信号，则VTl5通过4.7kΩ电阻得到偏流，使VTl5维持饱和导通，VTl7截止的稳态，使3脚输出端维持在低电平状态。
同时，VTl8的导通，使放电级VT6饱和导通。
通过上面两种状态的分析，可以发现：
只要2脚的电位低于1/3VDD，即有触发信号加入时，必使输出端3脚为高电平；而当6脚的电位高于⅔VDD时，即有触发信号加进时，且同时2脚的电位高于2/3VDD时，才能使输出端3脚有低电平输出。
4脚为复位端。
当在该脚加有触发信号，即其电位低于导通的饱和压降0.3V时，VT8导通，其发射极电位低于lV，因有D3接入，VTl7为截止状态，VTl8、VT21饱和导通，输出端3脚为低电平。
此时，不管2脚、6脚为何电位，均不能改变这种状态。
因VT8的发射极通过D3及VTl7的发射极到地，故VT8的发射极电位任何情况下不会比1.4V电压高。
因此，当复位端4脚电位高于1.4V时，VT8处于反偏状态而不起作用，也就是说，此时输出端3脚的电平只取决于2脚、6脚的电位。
根据上面的分析，NE555时基电路的内部等效电路可简化为如图所示的等效功能电路。
显然，555电路（或者专556电路）内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。
两个比较器分别被电阻R1、R2和R3构成的分压器设定的1/3VDD和2/3VDD。
参考电压所限定。
为进一步理解其电路功能，并灵活应用555集成块，下面简要说明其作用机理。
从图可见，三个5kΩ电阻组成的分压器，使内部的两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为1/3VDD，下触发电平为1/3VDD。
在5脚控制端外接一个参考电源Vc，可以改变上、下触发电平值。
比较器Al的输出同或非门l的输入端相接，比较器A2的输出端接到或非门2的输入端。
由于由两个或非门组成的RS触发器必须用负极极性信号触发，因此，加到比较器Al同相端6脚的触发信号，只有当电位高于反相端5脚的电位时，R—S触发器才翻转；而加到比较器A2反相端2脚的触发信号，只有当电位低于A2同相端的电位1/3VDD时，R—S触发器才翻转
C电源电路
电子电路中的电源一般是低压直流电，所以要想从220伏市电变换成直流电，应该先把220伏交流变成低压交流电，再用整流电路变成脉动的直流电，最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电。
有的电子设备对电源的质量要求很高，所以有时还需要再增加一个稳压电路。
因此整流电源的组成一般有四大部分，见图1。
其中变压电路其实就是一个铁芯变压器，需要介绍的只是后面三种单元电路。
2.7整体电路图
第三章结论
自动温奶器使用方法如图示，在电热杯底部放置一个用铁丝编制的架子，将热敏电阻器探头挂在下面，但不可与杯底相碰。
在杯内盛水，需要加温的奶瓶就搁在铁丝架上，电热杯的电源插头插到控制器的插座X里，接好热敏电阻器连线，然后接通控制器的电源，发光二极管LED就点亮表示加热开始，当杯内的温度达到40摄氏度时，控制器就会自动停止加热。
第四章参考文献
1强锡富.传感器.机械工业出版社，2001年
2李科杰.新编传感器技术手册.国防工业出版社，2002年
3贾伯年.传感器技术.东南大学出版社，1992年
4杨宝清.孙宝元.传感器及其应用手册.2004年
5单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.国防工业出版社.1999年
6赵宝贵.新编传感器设计手册.中国计量出版社.2002年
7陈有卿新编电子电路设计.1997年
第五章心得体会
测控电路课程设计为期一周，本次课程设计的题目为《自动温奶器电路设计》。
测控电路作为我们的主要专业课之一，在这次课程设计中我发现自己对电路设计的兴趣也在逐渐增加。
本次课程设计让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
我觉得做测控电路课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。
在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。
我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，我们的实践能力没有得到锻炼，把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去。
则类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。
通过一周的努力，在课程设计期间重新复习原来的专业知识，慢慢将知识融于生活，得到一定的应用。
更加系统地思考电路系统的组成，构造以及所需处理的一些细节地方。
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