电子线路课程设计简易纯净水加热控制电路.docx
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电子线路课程设计简易纯净水加热控制电路
1设计背景
电子线路课程设计是电气信息工程类专业学生的重要基础实践课，也是工科类专业的必修课。
理论联系实际，提高和培养学生的创新能力，是本课程度目的。
这些课程设计课从巩固和加强模拟电子技术.数字电子技术和高频电子线路课程的理论知识出发，要求学生掌握电子线路的一般设计方法了解电子产品研制开发的过程，学会了撰写课程设计总结报告，通过查阅手册和文献，我学会了独立分析问题和解决问题都能力，加强了我们的创新能力和创新思维训练。
＆字电子技术
我们大多数人都用过饮水机，有些人可能对饮水机好很好奇，为什么饮水机会自动加热？
为什么饮水机能指示它所处的加热状态？
......今天这个课题将来探索这些问题。
现今越来越先进的饮水机已经进入我们的生活，无论多么先进，但其原理是相通的。
在众多品牌、型号饮水机产品中，归纳起来不外乎是温热、冰热、冰温热三种类型，冰热机又分半导体制冷饮水机和压缩机式制冷饮水机两种。
决定买什么类型的饮水机，主要从饮水人数和制冷速度来考虑。
就制冷速度而言，在制冷时间相同情况下，压缩机式制冷饮水同要比半导体制冷饮水机快得多，冰水供应量也比后者多。
因此，压缩机式制冷饮水机适合饮水人数较多的场合，例如集团公司、事业单位、会议室、写字楼、办公室、酒吧、卡拉OK厅等。
而人数不多的单位、宾馆客房和一般家庭等，选购半导体制冷饮水机就足够了。
2电路组成及工作原理
2.1简易纯净水加热控制系统框图
控制电路由温度传感器将温度转化为电信号，传输给比较器进行比较，然后将比较结果给控制系统进行温度调控
图2.1简易纯净水加热控制系统框图
2.2电路主要组成部件
一、温度传感器AD590
AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。
其主要特性如下：
（1）流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数：
Ir/T=1
（1）
式中，Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；
（2）AD590的测温范围为-55℃~+150℃；
（3）AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；
（4）输出电阻为710mΩ；
（5）精度高，AD590在-55℃~+150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。
图2.2.1AD590原理图
二、MK3P继电器
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流.较低的电压去控制较大电流.较高的电压的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
Mk3p继电器参数：
尺寸Size（mm）34.7*34.7*502.触点分布形式Terminallayout3Z/3C3.触点容量ContactcapacityAC10A220VDC10A28V4.接触电阻Contactresistance（mΩ）小于等于50mΩ5.绝缘电阻Insulationresistance（mΩ）大于等于500MΩ6.抗电强度DielectricstrengthBOC1000VACBCC1500VAC7.线圈额定电压CoilnominalvoltageAC6to220VDC6to110V8.线圈额定功率CoilnominalpowerAC小于等于3.5VADC小于等于2W9.电气寿命（次）Electricallife（OPS）100,00010.机械寿命（次）Mechanicallife（OPS）10,000,00011.使用环境温度Operatingtemperature（℃）－40～+5512.重量Weight（g）小于等于6913.安置方式Mountingmethods插入式Outlet
图2.2.2继电器原理图
2.3工作原理
由AD590温度传感器将水温信号转化为电信号，计算得由温度传感器转化的电压，50度时对应的电压为3.23V，100度对应的电压为2.73V。
电阻R1、R2、R3、R4组成的电路由+12V电压源提供电压，R3、R4是分压电阻，使通过比较器“+”的比较电压分别为2.23V和2.73V。
当温度小于50度时，比较器C1、C2导通，继电器J1、J2闭合，电热丝L1、L2同时加热。
同时C1、C2输入高电平，发光二极管D1发光，显示加热状态。
当温度大于50度小于100度时，比较器C1截止，C2导通，继电器J1开启，J2闭合，电热丝L2加热。
同时C1输入低电平，C2输入高电平，发光二极管D2发光，显示保温状态。
当温度大于100度时，比较器C1、C2截止，继电器J1、J2开启，，电热丝都不加热。
同时C1、C2输入低电平，发光二极管D3发光，既不保温又不加热。
开关S是快捷加热健，无论电路处于何种状态，按下开关，则电热丝L1、L2同时加热。
图2.2.3简易纯净水加热控制电路原理图
3元器件选择与元器件清单
3.1元器件选择
3.1.1电阻
电阻的种类很多，通常分为碳膜电阻，金属电阻，线绕电阻等：
它又包含固定电阻与可变电阻，光敏电阻，压敏电阻，热敏电阻等。
常见的碳膜电阻或金属膜电阻器在温度恒定，且电压和电流值限制在额定条件之内时，可用线性电阻器来模拟。
如果电压或电流值超过规定值，电阻器将因过热而不遵从欧姆定律，甚至还会被烧毁。
此电路中应选用R1、R2均选用1/4W碳膜电阻器；R3选用1/2W金属膜电阻器。
RP1、RP2均选用小型膜式线性电位器。
电阻符号
3.1.2电容
在电子线路中，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。
小容量的电容，通常在高频电路中使用，如收音机、发射机和振荡器中。
大容量的电容往往是作滤波和存储电荷用。
而且还有一个特点，一般1μF以上的电容均为电解电容，而1μF以下的电容多为瓷片电容，当然也有其他的，比如独石电容、涤纶电容、小容量的云母电容等。
电解电容有个铝壳，里面充满了电解质，并引出两个电极，作为正（+）、负（-）极，与其它电容器不同，它们在电路中的极性不能接错，而其他电容则没有极性。
在这个电路中二极管作为相当重要的部件出现，它的用处当然不容忽视，下面对它进行一个详细的介绍，它的作用如下：
a、滤波作用，在电源电路中，整流电路将交流变成脉动的直流，而在整流电路之后接入一个较大容量的电解电容，利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。
在实际中，为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化，所以在电源的输出端及负载的电源输入端一般接有数十至数百微法的电解电容．由于大容量的电解电容一般具有一定的电感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，故在其两端并联了一只容量为0.001--0.lpF的电容，以滤除高频及脉冲干扰。
b、耦合作用：
在低频信号的传递与放大过程中，为防止前后两级电路的静态工作点相互影响，常采用电容藕合．为了防止信号中韵低频分量损失过大，一般总采用容量较大的电解电容。
电容的重要性汹涌的河水流入到湖泊中,再让它流出来,那就显得平静而柔和了.电容就应该是充当了湖泊的作用吧.让电流更纯净没有杂波.所谓电容，就是容纳和释放电荷的电子元器件。
电容的基本工作原理就是充电放电，
c、当然还有整流、振荡以及其它的作用。
另外电容的结构非常简单，主要由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成，所以电容类型主要是由电极和绝缘介质决定的。
在计算机系统的主板、插卡、电源的电路中，应用了电解电容、纸介电容和瓷介电容等几类电容，并以电解电容为主。
纸介电容是由两层正负锡箔电极和一层夹在锡箔中间的绝缘蜡纸组成，并拆叠成扁体长方形。
额定电压一般在63V～250V之间，容量较小，基本上是pF（皮法）数量级。
现代纸介电容由于采用了硬塑外壳和树脂密封包装，不易老化，又因为它们基本工作在低压区,且耐压值相对较高，所以损坏的可能性较小。
万一遭到电损坏，一般症状为电容外表发热。
瓷介电容是在一块瓷片的两边涂上金属电极而成，普遍为扁圆形。
其电容量较小，都在pμF（皮微法）数量级。
又因为绝缘介质是较厚瓷片，所以额定电压一般在1～3kV左右，很难会被电损坏，一般只会出现机械破损。
在计算机系统中应用极少，每个电路板中分别只有2～4枚左右。
电解电容的结构与纸介电容相似，不同的是作为电极的两种金属箔不同（所以在电解电容上有正负极之分，且一般只标明负极），两电极金属箔与纸介质卷成圆柱形后，装在盛有电解液的圆形铝桶中封闭起来。
因此，如若电容器漏电，就容易引起电解液发热，从而出现外壳鼓起或爆裂现象。
电解电容都是圆柱形（图1），体积大而容量大，在电容器上所标明的参数一般有电容量（单位:
微法）、额定电压（单位:
伏特），以及最高工作温度（单位:
℃）。
其中，耐压值一般在几伏特～几百伏特之间，容量一般在几微法～几千微法之间，最高工作温度一般为85℃～105℃。
指明电解电容的最高工作温度，就是针对其电解液受热后易膨胀这一特点的。
所以，电解电容出现外壳鼓起或爆裂，并非只有漏电才出现，工作环境温度过高同样也会出现。
总结以上，可以得出它的以下作用：
1.电容器主要用于交流电路及脉冲电路中，在直流电路中电容器一般起隔断直流的作用。
2.电容既不产生也不消耗能量，是储能元件。
3.电容器在电力系统中是提高功率因数的重要器件；在电子电路中是获得振荡、滤波、相移、旁路、耦合等作用的主要元件。
4.因为在工业上使用的负载主要是电动机感性负载,所以要并电容这容性负载才能使电网平衡.
5.在直流电路中是抗干扰，把干扰脉冲通过电容接地（在这次要作用是隔直—电路中的电位关系）；交流电路中也有这样通过电容接地的，一般容量较小，也是抗干扰和电位隔离作用
此电路中应选用C1、C4和C5均选用耐压值为25V的铝电解电容器；C2、C3选用涤纶电容器或独石电容器。
电容符号
3.1.3三极管
它是三极管的特种，在这个电路中光敏三极管是最重要的部件之一，下面对它进行一个详细的介绍
三极管外型
（一）三极管的结构和分类
其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。
通俗来讲，三极管内部为由P型半导体和N型半导体组成的三层结构，根据分层次序分为NPN型和PNP型两大类。
上述三层结构即为三极管的三个区,中间比较薄的一层为基区，另外两层同为N型或P型，其中尺寸相对较小、多数载流子浓度相对较高的一层为发射区，另一层则为集电区。
三极管的这种内部结构特点，是三极管能够起放大作用的内部条件。
三个区各自引出三个电极，分别为基极（b）、发射极（e）和集电极（c）。
，三层结构可以形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。
三极管符号中的箭头方向就是表示发射结的方向。
三极管内部结构中有两个具有单向导电性的PN结，因此当然可以用作开关元件，但同时三极管还是一个放大元件，正是它的出现促使了电子技术的飞跃发展。
（二）三极管的电流放大作用
直流电压源Vcc应大于Vbb，从而使电路满足放大的外部条件：
发射结正向偏置，集电极反向偏置。
改变可调电阻Rb，基极电流Ib，集电极电流Ic和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可以得出以下结论：
（1）Ie＝Ib＋Ic（符合克希荷夫电流定理）
（2）Ic≈Ib×ß（ß称为电流放大系数，可表征三极管的电流放大能力）
（3）△Ic≈△Ib×ß
由上可见，三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。
（三）三极管的放大原理
以下用NPN三极管为例说明其内部载流子运动规律和电流放大原理，
a、发射区向基区扩散电子：
由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子（自由电子）不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。
b、电子在基区扩散和复合：
由于基区很薄，其多数载流子（空穴）浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少部分可以和基区空穴复合，形成比较小的基极电流Ib，而剩下的绝大部分电子都能扩散到集电结边缘。
c、集电区收集从发射区扩散过来的电子：
由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流Ic。
（四）三极管的输入输出特性
三极管的输入特性是指当集-射极电压Uce为常数时，基极电流Ib与基-射极电压Ube之间的关系曲线。
对硅管而言，当Uce超过1V时，集电结已经达到足够反偏，可以把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。
如果此时再增大Uce，只要Ube保持不变（从发射区发射到基区的电子数就一定），Ib也就基本不变。
当和二极管的伏安特性一样，三极管的输入特性也有一段死区，只有当Ube大于死区电压时，三极管才会出现基极电流Ib。
通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。
在正常工作情况下，NPN型硅管的发射结电压UBE为0.6～0.7V，PNP型锗管的发射结电压UBE为-0.2～-0.3V。
三极管的输出特性是指当基极电流Ib一定时，集电极电流Ic与集-射极电压Uce之间的关系曲线。
在不同的Ib下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性是一组曲线。
通常把输出特性曲线分为三个工作区：
1、放大区：
输出特性曲线的近于水平部分是放大区。
在放大区,Ic＝Ib×ß,由于在不同Ib下电流放大系数近似相等，所以放大区也称为线性区。
三级管要工作在放大区，发射结必须处于正向偏置，集电结则应处于反向偏置，对硅管而言应使Ube>0，Ubc<0。
2、截止区：
Ib＝0的曲线以下的区域称为截止区。
实际上，对NPN硅管而言，当Ube＜0.5V时即已开始截止，但是为了使三极管可靠截止，常使Ube≤0V，此时发射结和集电结均处于反向偏置。
3、饱和区：
输出特性曲线的陡直部分是饱和区，此时Ib的变化对IC的影响较小，放大区的特性不再适用于饱和区。
在饱和区,Uce＜Ube，发射结和集电结均处于正向偏置
所以此电路中应选用VTL选用3DU系列的光敏晶体管；VT选用S9014、S8050等型号的硅NPN型晶体管。
3.1.4门电路
与门
又称“与电路”。
执行“与”运算的基本门电路。
有几个输入端，只有一个输出端。
当所有的输入同时为“1”电平时，输出才为“1”电高，否则输出为“0”电平。
与的含义是∶只有当决定一件事的所有条件都具备时，这个事件才会发生。
逻辑与也称逻辑乘。
与门表达式∶F=A·B
与门逻辑功能表
非门
非门又称反相器，是逻辑电路的重要基本单元，非门有输入和输出两个端，电路符号见附图，其输出端的圆圈代表反相的意思，当其输入端为高电平时输出端为低电平，当其输入端为低电平时输出端为高电平。
也就是说，输入端和输出端的电平状态总是反相的。
非门逻辑功能表
3.2元器件清单
元件序号
元件名称
元件规格
元件数量
1
电阻
10KΩ
2
2
2.28KΩ
1
3
2.94KΩ
1
4
电阻丝
500W
1
5
1000W
1
6
单刀双掷开关
86型
1
7
比较器
LM339
2
8
温度传感器
AD590
1
9
继电器
MK3P
2
10
发光二极管
M800
3
11
门电路
非门
1
12
与门
2
13
与非门
1
总结
本周我们进行了为期一周的课程设计，时间虽短，但其中需要学的东西可真不少。
首先，想要做出一个实用的工程产品真的不是很容易，扎实的基本功是必需的，不然给你一个设计要求，你即使知道要设计什么，却也不知道往哪方面去考虑，这个是做设计最头疼的事。
其次，要知道怎么查资料，这次课程设计虽然简单，但是却让我为查资料花去了好大一部分时间。
我们这次的课题是设计简易纯净水加热控制电路，网上以及图书馆的许多资料书上都有，我也下了有一些，但我却没有照他们的思路去做。
因为我觉得这是我第一次做这样的任务，一定要拿出自己的特色来，不然这次照人家的去做，下次就还会这样做，有了依赖心理，对自己以后的发展没有太大的好处，并且这样的机会难得，一定要好好把握。
再次，应该学会团队协作。
我们是六个人一组，共同设计一个课题，如果大家分工明确的话，将会起到事半功倍的效果。
去年暑假，大三的学生参加全国大学生电子设计竞赛，我们几个有幸跟着他们学习，当时没觉得有什么。
他们是三个人一组，一人负责软件的设计，一人负责硬件设计，还有一人负责最后的整理工作，三人只有按自己最擅长的方面分工，才能设计出最好的作品。
现在想想确实是，一个人的能力再强，如果不能与别人团结协作，也不一定能设计出好的作品。
最后，作为一个电专业的学生，我想说的是，照我们国家目前的情况来看在大学里这样的机会不是很多，所以认真把握每一次这样的机会很有必要，时间久了，就会发现从这之中学到的东西要比从课本中学到的印象深刻得多，因为这是自己去学的，而课本知识却是被灌输进去的，并且要比课本上的东西要实用。
感谢学校和老师给我这样的机会，如果能多一些这样的机会，我想我会一次比一次更严格要求自己，努力让自己成为合格的工程技术人员，为国家的电力事业贡献自己微薄的力量。
致谢
在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。
首先我要感谢黄春老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。
在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。
其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。
同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。
最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学
参考文献
主要参考资料
1、郑州轻工业学院图书馆
2、福安主编，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月
3、何小艇主编，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
4、康华光主编，电子技术基础，高教出版社，2003
5、李银华主编，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月
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