家用电热水器控制器实验报告.docx

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家用电热水器控制器实验报告

家用电热水器控制器实验报告

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

学生姓名：

学号：

学生电话：

指导教师：

验收日期：

2015年5月

电工电子实验教学中心制

摘要

电热水器是当前社会家居生活必要的生活用品，区别燃气热水器和太阳能热水器，电热水器是以电作为能源进行加热的热水器。

目前，电热水器按加热功率大小可分为储水式，即热式和速热式三种形式。

根据《中国家用热水器产业技术路线图》（2012版）显示，未来中国电热水器的研发需求包括安全可靠、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。

如今，传统电热水器挂墙安装受空心墙等原因影响，易掉落，不安全！

“大水桶”裸露不美观，占空间。

部分厂家开始考虑建筑一体化或者家居一体化产品，市面上一种集成式热水器便是此类。

集成式热水器，是将热水器和浴室柜集成设计，设计理念上与传统热水器有很大不同，是一种全新的尝试。

本文主要对家用电热水器的进水控制部分和温度控制部分两个部分进行分别设计。

采用自上而下的方法完成设计，本文比较详细的介绍了家用电热水器各部分的工作原理，并采用Multisim12软件进行电路各部分的仿真。

仿真结果表明，进水控制部分，进水监测，水位预置，进水控制各电路功能达到标准，即通过【预置/进水】按键，完成预置和进水的切换，通过【脉冲】按键，预置水位，通过开关来模拟水位情况，通过对预置水位和模拟的水位的比较，来监测水位控制进水阀的工作，当水位达到一处水位时，报警；温度控制部分，温度检测，温度预置，和加热器控制各电路功能达到标准，即通过【预置/加热】按键完成预置和加热器控制功能的切换，通过电桥来完成温度和电压的转换，在通过A/D转化器来把模拟量变成数字量，通过数码管显示，再与预置的温度进行比较，来控制加热器的工作，并当出现水位过低时，强制停止加热器工作，以防止发生危险。

从功能及技术性能测试结果来看，设计满足要求从功能及技术性能测试结果来看，本文介绍的家用电热水器控制器已经达到设计要求。

第1章总体方案设计

1.1题目简介

电热水器是当前社会家居生活必要的生活用品，区别燃气热水器和太阳能热水器，电热水器是以电作为能源进行加热的热水器。

目前，电热水器按加热功率大小可分为储水式，即热式和速热式三种形式。

近年来，随着电热水器在安全、节能、加热速度、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，市场占有率已经达到60%以上。

电热水器经过十余年的发展，热水器的技术不断进步，行业先后有防电墙、防电闸、3D速热、变频增容等革新性产品出现，电热水器在安全、节能、加热速度、出水量等方面不断改进，市场销售历年持续增长。

随着近几年生活水平的提高，人们对用水量的需求越来越大，所以电热水器的畅销容积已经从2000年左右的40升提升到如今的60升左右，湖北、湖南、贵州等长江两岸，一直是80升大容积热水器畅销的省份。

根据《中国家用热水器产业技术路线图》（2012版）显示，未来中国电热水器的研发需求包括安全可靠、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。

如今，传统电热水器挂墙安装受空心墙等原因影响，易掉落，不安全！

“大水桶”裸露不美观，占空间。

部分厂家开始考虑建筑一体化或者家居一体化产品，市面上一种集成式热水器便是此类。

集成式热水器，是将热水器和浴室柜集成设计，设计理念上与传统热水器有很大不同，是一种全新的尝试。

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）温度预置及检测范围：

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。

通过【预置/进水】键我们可以选择进水控制器电路的两种不同工作状态，分别是水位预置状态和进水检测状态。

在【预置/进水】键调制水位预置状态时，通过按动【脉冲】按键，可以驱动LED灯依次点亮，用以显示由低到高的预置水位。

水位预置状态部分原理：

通过不断按动【脉冲】键，在脉冲电路中产生单个脉冲，预置编码电路开始对电路状态进行编码。

同时，译码驱动电路将预置编码电路输出的编码再进行译码，译码驱动电路将编码的预设编码电路的代码然后译码，并驱动预置水位指示灯从低到高，表明当前预置水位。

进水状态时，如果水箱中的水位低于设定水位，状态比较电路输出高电平，高电平作用到继电器上，电路连通，进水电磁阀的工作。

接触到水，使得水箱中的水位上升，先后接触放在微型开关的不同高度位置的水箱，水的状态指示灯由低到高依次点亮，指示当前水位状态，同时优先编码器对微动开关电路输出状态（低电平有效）进行编码。

当水箱中的水位达到设定水位的状态，电路输出低电平，控制继电器断开，电磁阀停止工作。

如果水位达到预定水位时，电磁阀并没有停止工作，当水接触到溢出微动开关，强行控制继电器断开电磁阀，停止工作，避免水溢出的发生。

图1.1进水控制器电路结构框图

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、时钟电路及加热器组成，其电路结构如图1.2所示。

温度控制器也有两种工作模式，可通过【预置/加热】按键进行选择。

在【预置/加热】键调制温度控制状态时，通过按动【脉冲】按键，使得计数器对该脉冲进行计数，同时产生两组8421BCD码，生成的BCD码通过LED数码管显示出来，以表示当前的预置温度。

在【预置/加热】键调制加热状态时加热状态时，整个电路完成的是温度信号——电信号——要求信号——小信号放大的过程。

对于热水器，可控的是0℃~50℃的温度，而通过能够控制电路的是电信号。

温度传感器电路将0℃~50℃水温转换成0V~5V电压信号。

产生的电压信号同样不能直接作用到电路中，需要经过A/D转换电路将模拟电压转换成8位二进制代码存放在寄存器中。

接着，通过代码转换电路将寄存器中的代码转换成8421BCD码，以表示实际的水的温度，再通过LED数码管显示出来。

如果水箱中的水温度低于设定温度时，状态比较电路输出高电平，控制继电器，使得继电器闭合，电路连通，加热器开始工作。

由于水箱水温的增加，LED数码管显示的数字随之增大。

而在本次实验中，我利用对划变电阻的控制模拟外界温度变化。

当水箱的温度达到设定温度时，状态比较电路输出低电平，控制继电器断开，电路断开，使得加热器停止工作。

如果热水器工作时，且水箱中的水位低于水位下限，发出报警信号，继电器强制控制继电器，避免烧干发生火灾。

图1.2温度控制器电路结构框图

第2章进水控制器设计与仿真

2.1水位预置电路设计与仿真

2.1.1手动脉冲信号产生电路设计

电路组成：

电阻R1和R2

脉冲按键K1

与非门U1B和U1C

如图2.1所示。

工作原理：

其中U1B和U1C组成基本SR触发器，按动一次K1，A点就可以输出单个脉冲信号。

图2.1手动脉冲信号产生电路图

注：

RS触发器原理：

基本RS触发器的逻辑方程为：

约束方程：

SR=0

根据上述两个式子得到它的四种输入与输出的关系:

1.当R端有效（0），S端无效时

（1），则Q=0,Q非=1，触发器置0；

2.当R端无效

（1）、S端有效时（0），则Q=1,Q非=0，触发器置1。

如上所述，当触发器的两个输入端加入不同逻辑电平时，它的两个输出端Q和Q非有两种互补的稳定状态。

一般规定触发器Q端的状态作为触发器的状态。

通常称触发器处于某种状态，实际是指它的Q端的状态。

Q=1、Q非=0时，称触发器处于1态，反之触发器处于0态。

S=0,R=1使触发器置1，或称置位。

因置位的决定条件是S=0,故称S端为置1端。

R=0,S=1时，使触发器置0，或称复位。

同理，称R端为置0端或复位端。

若触发器原来为1态，欲使之变为0态，必须令R端的电平由1变0，S端的电平由0变1。

这里所加的输入信号（低电平）称为触发信号，由它们导致的转换过程称为翻转。

由于这里的触发信号是电平,因此这种触发器称为电平控制触发器。

从功能方面看，它只能在S和R的作用下置0和置1，所以又称为置0置1触发器，或称为置位复位触发器。

其逻辑符号如图7.2.1（b）所示。

由于置0或置1都是触发信号低电平有效，因此，S端和R端都画有小圆圈。

3.当RS端均无效时，触发器状态保持不变。

触发器保持状态时，输入端都加非有效电平（高电平），需要触发翻转时，要求在某一输入端加一负脉冲，例如在S端加负脉冲使触发器置1，该脉冲信号回到高电平后，触发器仍维持1状态不变，相当于把S端某一时刻的电平信号存储起来，这体现了触发器具有记忆功能。

4.当RS端均有效时，触发器状态不确定。

在此条件下，两个与非门的输出端Q和Q非全为1，在两个输入信号都同时撤去（回到1）后，由于两个与非门的延迟时间无法确定，触发器的状态不能确定是1还是0,因此称这种情况为不定状态，这种情况应当避免。

从另外一个角度来说，正因为R端和S端完成置0、置1都是低电平有效，所以二者不能同时为0。

此外,还可以用或非门的输入、输出端交叉连接构成置0、置1触发器,其逻辑图和逻辑符号分别如图7.2.2（a）和7.2.2（b）所示。

这种触发器的触发信号是高电平有效，因此在逻辑符号的S端和R端没有小圆圈。

2.1.2预置编码电路设计

电路组成：

加法计数器U2（74HC160）

与非门U1A

电阻R3

如图2.2所示。

图2.2预置编码电路图

图中，电阻R4和【预置/进水】按键K21属于控制电路中的一部分。

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

工作原理：

74HC160是低电平有效，ENP和ENT相与，低电平时，电路则处于保持状态。

而我【预置/进水】按键的连接，使其处于高电平，即工作状态，再通过在输入端接成五进制计数器，在CLK端输入的脉冲信号作用下，QC、QB和QA端将依次输出5个代码，分别是001，010，011，100，101。

完成从1~5的计数，并循环往复。

2.1.3译码驱动显示电路设计

其中LED1~LED5采用共阳接法按照从低到高的位置安放，用于指示水箱的预置水位。

图2.3译码与驱动电路

图中，电阻R5和【预置/进水】按键K21属于控制电路中的一部分。

按K21，使得U3的D端为低电平时，相应在74HC160输出端QC、QB和QA端将依次输出5个代码，分别是001~101在U3的输入端C、B、A依次输入000~100，对应相应的五个水位的LED灯，低电平有效，如当输入001时，则输出1，对一个输入U4A低电平，使LED1亮，表示水位1，响应的水位2345具有相似的原理，而利用U4的主要原因是为了让当LED2需要亮时能够使LED1同时亮。

而U3的D端为高电平时，驱动电路输出则全部为高电平，LED1~LED5全灭。

此时表示水位溢出。

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K21按键，其输出低电平，此时进行水位预置；

（2）连续按动K1按键，脉冲信号使得74HC160计数,预置编码电路开始对电路状态进行编码。

同时，译码驱动显示电路中的LED1~LED5表示一级到五级，在K1的按动下依次点亮，五个脉冲之后重新回到LED1,亮，并循环往复；

（3）K21按键抬起，其输出高电平，预置编码电路则处于进水状态，电磁阀不工作,同时LED1~LED5熄灭。

上述情况表明，水位预置电路仿真结果正确。

2.2进水状况检测电路设计与仿真

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74HC42D译码器及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，K31接通，LED6亮；到达上限位置时，K31~K32全接通，LED6~LED10都亮；到达溢出位置时，K36接通，产生溢出信号，并传送到控制电路，此时LED12亮（红色）。

图中，电阻R14和【预置/进水】按键K22属于控制电路中的一部分。

按K22，使其接地，电路则处于工作状态；否则，处于电路非工作状态。

2.2.2仿真结果

按K22，使其接地，分别接通相应水位开关，则对应LED灯依次点亮；K36接通时，则产生溢出信号，低电平有效，此时LED12亮（红色），表明仿真结果正确。

2.3电磁阀控制电路设计与仿真

2.3.1优先编码电路设计

电路组成：

74LS148编码器

74HC04D反相器

工作原理：

优先编码器是当多个输入端同时有信号时,电路只对其中优先级别最高的输入信号进行编码。

常用的集成优先编码器IC有10线-4线、8线-3线两种。

10线-4线优先编码器常见的型号为54/74147、54/74LS147，8线-3线优先编码器常见的型号为54/74148、54/74LS148。

在本次实验中，我选择了8线-3线的74LS148编码器。

74ls148优先编码器为16脚的集成芯片，电源是VCC（16） GND（8）,I0—I7为输入信号，A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号，IE是使能输入端，OE是使能输出端，GS为片优先编码输出端。

使能端OE（芯片是否启用）的逻辑方程：

OE=I0·I1·I2·I3·I4·I5·I6·I7·IE

当OE输入IE=1时，禁止编码、输出（反码）：

A2,A1,A0为全1。

当OE输入IE=0时，允许编码，在I0～I7输入中，输入I7优先级最高，其余依次为：

I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0等级排列。

当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端没有低电平输入时，输出端才输出相应该输入端的代码。

例如：

I5=0且I6=I7=1（I6、I7优先级别高于I5）则此时输出代码010（为（5）10=（101）2的反码）

而后我又用了U6A，U6B，U6C三个反相器，使得反码转换成原码。

图2.6优先编码电路

2.3.2状态比较电路设计

电路组成：

4585比较器

实验原理：

其中A3、A2、A1、A0为从高位到低位的一组数据输入；而B3、B2、B1、B0为从高位到底位的另外一组数据输入。

通过4585数值比较器的比较，若a>b时输出OAGTB为高电平，其余为低电平；若a=b时输出OAEQB为高电平，其余为低电平。

若a

值得引起注意的是：

4585数值比较器正常工作的条件为:

 输入端AGTB、

ALTB接逻辑低电平、AEQB接逻辑高电平。

图2.7状态比较器

2.3.3继电器开关电路设计

电路组成

继电器EDR201A5

二极管1N4148

三极管2N222A

工作原理

2N222A是NPN三极管，放大倍数β，同时在线圈两端接二极管D1，当控制电压为正时，三极管导通，继电器吸合，表示工作在进水状态。

三极管基极电流进入mA级时，即视为饱和，饱和电压0V，相当于接地同时发光二极管被点亮，表示水位溢出状态，此时继电器停止工作。

图2.8继电器开关电路

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，电磁阀断开，电路不工作【进水/溢出】灯无色。

（2）水位检测状态时，【进水/溢出】灯无显示，电磁阀工作。

当水位达到预设水位时，电磁阀停止工作，【进水/溢出】灯呈绿色。

（3）水位溢出时，【进水/溢出】灯呈红色，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）按下K2按键，LED111亮（红色），表示进水控制器工作在水位预置状态；

（2）按动K1按键，LED6亮，表示水箱中的水预置到了水位1；

（3）将K2抬起，LED112亮（绿色），表示进水控制器工作在进水状态。

此时，若水箱中的储水低于水位，则LED12不亮，表示继电器工作，给水箱加水；

（4）当水位达到预设水位时，电磁阀停止工作，【进水/溢出】灯呈绿色。

（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章温度控制器设计与仿真

3.1温度传感器电路设计与仿真

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℃范围内变化时，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以内，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μI1为10mV，μI2为10mV~12mV。

3.1.2测量放大器电路

电路前级放大采用差分式输入的方式，采用双端输出，能有效地提高抑制共模抑制比，并且由于电路的零漂的影响主要来自第一级放大，因而第一级采用了差分式输入的方式，就能有效地提高整个电路的共模抑制能力。

介绍电路组成。

分别推导两级放大电路的电压放大倍数及总的电压放大倍数。

第一级差模放大的电压放大倍数的计算:

由于运放U1A,U1B均满足虚断和虚短,流入两运放的电流均可认为是零,故有

V1A=Vi1V1B=Vi2

VR5=Vi1-Vi2VR5/R5=VO1-V02/（R4+R5+R6）

得到：

VO1-VO2=（R4+R5+R6）VR5/R5=（R4+R5+R6）（Vi1-Vi2）/R5

满足:

V2A=-R7（VO1-VO2）/R8

运放U2A:

VO=-R12VO3/R11=R15R7（R4+R5+R6）（Vi1-Vi2）/R11R8R5

该电路最后的运算放大倍数:

AV=R12R7（R4+R5+R6）/R11R8R5

前级放大倍数

AV1=-（R4+R5+R6）/R5=-60

最后一级放大倍数

AV2=-R12/R11

而R12是一个240k的电位器，R11为10k,故总的增益最高可达1000多倍，使得UO的变化范围0V~5V。

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如图3.3所示。

为了模拟温度在0℃~50℃范围变化我调节调节电位器R5（按W键），使R4+R5=100Ω~119.40Ω，，则电桥输出电压uI1的变化范围为10mV~12mV，而这时uI2恒为10mV。

同时uO的变化范围0V~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转换电路设计与仿真

3.2.1电路设计

电路组成：

A/D转换器ADC0804

寄存器74HC273

如图3.4所示

图3.4A/D转换电路图（此图要自己重新画）

工作原理：

在时钟信号作用下，该电路可将测量放大电路输出的0V~5V模拟电压转换数字信号00000000~11111111，并存放在U3中。

如，当测量放大电路输出0V时，模拟电压便转换成数字信号00000000，对应无灯亮。

当测量放大电路输出2.5V时，模拟电压便转换成数字信号01111111，对应P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7灯亮。

发光二级管P0~P1主要用于显示A/D转换的结果,并没有实际加入设计电路中，也可以用模拟分析仪来显示生成的高电平。

3.2.2仿真结果

A/D转换电路的仿真电路如图3.5所示。

为了给U3的输入端VIN输入0V~5V电压，我调节电位器RW（按R键），观察P0~P1变化情况。

输入0V时，P0~P1全灭，说明U3输出状态为00000000；输入2.5V时，P0灭P1~P7灭，说明U3输出状态为011111111；输入5V时，P0~P1全亮，说明U3输出状态为11111111，仿真结果正确。

也可以使用逻辑分析仪观察A/D转换电路的输出状况。

图3.5A/D转换仿真电路图

3.3温度预置电路设计与仿真

3.3.1手动脉冲信号产生电路设计

电路组成：

电阻R1和R2

脉冲按键K1

与非门U1B和U1C

如图2.1所示。

按动一次KEY2，就产生单个脉冲信号，送入计数器。

图3.6手动脉冲产生电路图

工作原理：

其中U1B和U1C组成基本SR触发器，按动一次K1，A点就可以输出单个脉冲信号。

RS触发器原理：

同进水控制器部分。

3.3.2计数器电路设计

电路组成：

两个加法计数器（74HC160）U7和U8

与非门U6D

电阻R19

如图3.7所示。

其中，U7、U8接成了五十进制计数器。

工作原理：

反相器U15C和U16D、电阻R20和R22、预置/加热按键KEY11及双基色发光二极管LED1则为控制电路中的一部分。

当KEY1-1