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1、江西中医学院毕业设计（论文）专业 名称：生物医学工程论文 题目：婴儿奶瓶自动加热器制作 学生：郭俊秋指导 老师：饶志明江西中医学院婴儿奶瓶自动加热器设计与研究摘要：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。本人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，从而省去了大人需要热奶的麻烦，是有婴儿家庭的好帮手。该热奶器还能用于对饮料、饭菜等的保温，对正常的家庭生活也有很大的帮助。通过利用NE555振荡器和一些其它的集成电路对婴儿加热器进行改进，对加热电路进行添加温控报
2、警功能。对加热系统进行进一步完善。关键词 ：NE555振荡器 加热 报警 温控Abstract：Along with science and technology development, peoples rhythm of life speeds up, the people raise the time to the babies and infants to lessen, simultaneously the request which raises to the babies and infants changes unceasingly high, the demand becom
3、es more and more many and varied.Myself study one kind of baby completely automatic hot milk, so long as puts in the milk bottle in the hot milk, the hot milk can the self-heating, and makes the milk bottle to maintain at the constant temperature condition, thus omitted adult to need the hot milk th
4、e trouble, had the baby family good helper. This hot milk also can use in to the drink, the meal and so on the heat preservation, also has the very big help to the normal family life. Through makes the improvement using the NE555 oscillator and some other integrated circuit to the baby heater, carri
5、es on to the heater circuit adds the warming to control reports to the police the function.Carries on to the heating system further consummates. Key word ：Heating Reporting to the police Warm controls the NE555 oscillator 目 录摘要.2Abrstract.3第1章 绪论.51.1设计背景.51.2 课题期望目标.6第2章 设计方案.72.1 系统结构.72.2 仪器结构原理.
6、8第3章 温控报警部份与加热部份设计与工作原理.9 3.1 自动温控部份电路图及工作过程.9 3.2 温控报警部份电路图及工作过程.10第4章 芯片NE555的功能及应用.114.1 NE555振荡器IC说明及运用.114.2 NE555的功能及作用.14结论.18参考资料.19谢辞.20第1章绪论1.1课题设计背景及国内外现状 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30oC-40oC,而婴儿对食物最易接受的温度是28
7、oC，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。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，它把生活中的温控报警器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报警器相结合改制成的，它集于普
8、通加热器和温控报警器于一体，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。1.2课题制作意见与期望目标当今社会，科学技术和各方面领域发展迅速，综合素质人才更能适应社会已是不辩的事实，社会各界也是为能培养更多优秀人才而努力着。我们都知道课本理论知识固然重要，可实践动手能力也是体现一个人能力的重要组成。而毕业创作设计以及论文的完成将是一次很好的实践能力锻炼的机会。这次我们将要完成的婴儿奶瓶加热器创作对我来说也
9、是很感兴趣的一个课题，各种电路的理论基础和电路的手工搭建能力，是完成这一课题所应必须具备的。这项课题新颖而贴近生活，市场上也很难找到这一成品，灵感和创作性也就更能在这一工作中得到体现。加热部分相对比较容易实现，而为能很好的实现保温功能是我们将要解决的重要问题。本系统所要实现目标: 1.大范围 应用应该具有一般的加热器的功能，也要具备保持恒定温度的能力以备主人可以随时的使用。2.加热部分电路的搭建并调试成功 可随温度变化而改变阻值的发热元件和用代替发热件的电烙铁相互靠近的电路与7812稳压器相结合组成加热电路，实现加热功能。3.温控报警部分电路的搭建并调试成功由振荡器、NE555比较器、CD40
10、17十进制计数/译码器、温控电路、CD4511锁存/译码/驱动电路、调节电位器组成温控报警电路，实现温控报警功能。第2章 方案设计2.1.系统结构设计一个集中了加热、报警、温控等功能的奶瓶自动加热系统，当主人在家时，可根据需求报警，通知主人奶已热好，已可饮用。或是在繁忙时，让奶时刻保操持可饮用的状态，以供使用，不会耽误事情。其系统工作的原理如图（图2-1）系统模块结构图如下： 图21 系统模块结构图2.2 仪器结构原理 仪器由加热体、加热温控装置以及过热报警装置三个主要部分组成。温控以及报警装置是此恒热加热器的关键部件，温控装置上的热敏元件在加热体加热的过程中感应加热体的温度，进行温度控制。它
11、其实是一个控制电路，其原理框图如图2-1所示。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。（这里我们用电烙铁模拟加热体）温度传感器感应并且反馈加热体加热温度信息。稳压电路将交流低压整流、滤波、稳压到稳定的直流电压，反馈给温控电低压交流电路。温控电路根据温度传感器传来的信息控制报警装置。温度调节电路可以在温度达到某一上限时切断电源并且启动报警装置，以确保输液瓶内药物的温度不会过高。超温报警保护电路，在温控装置检测到加热体温度过高，使得药物温度超过额定值时工作，超温报警电路工作时，数码管
12、顺序显示停止，报警电路同时报警。将烙铁离开热敏元件，使热敏元件所感受的温度在上限温度以下，温度电路恢复常态，报警停止，数码客恢复循环显示数字，从而起到保护作用。第3章 温控报警部份与自动温控电路设计与工作原理3.1自动温控电路图及工作过程 本自动温控电路采用LM324四运放集成电路作比较器设计而成。该电路可通过对电位器R4的调节设定动作温度。电路图如图3-1-1图3-1-1自动温控电路图电路如上图所示。220V交流电经变压器T0降压，变为12V交流电，再由VD2VD5桥式整流，C1滤波，U1 7812稳压，得到6V直流电压供给控制电路工作。U2A为比较器LM324，其、脚外接电阻、电容决定内部
13、压控振荡器的中心频率。可外接电热盘RL，设定可变电阻R6，使温控电路的继电器开关改变是在物体加热到60oC ,热敏电阻WMZ75S R6与加热的奶瓶相接触。当RL加热，温度上升到60时，K1与K11断开，与K12相联，切断RL电源，RL停止加热，因而将奶瓶温度控制在60，起到恒温作用。由上述可知，只要将奶瓶放入热奶器内，热奶器就会自动工作，将奶瓶温度控制在60左右，以达到保温目的。32温控报警电路图及工作过程加热电路与温控电路共用同一个震荡器，用于分别用于温控部份，彼此相连接。当温度超出某一规定的上限值时，需要立即切断电源并报警。待恢复正常后设备继续运行。本模拟电路基于上述原理，采用常用的LM
14、324作比较器，NE555作振荡器，十进制计数/译码器CD4017以及锁存/译码/驱动电路CD4511作译码显示达到上述要求。调节电位R4设定动作温度，模拟设备正常运行时的状态，使数码管顺序循环显示0-1-2-4-8-0-8-4-2-1，调节电位器R9，可改变数码管循环显示速度(如图3-2-1)。用电烙铁代替发热件，靠近发热元件。发热元件随温度变化改变阻值。当热敏元件感受的温度超过设定的上限温度时，数码管顺序显示停止，报警电路同时报警。将烙铁离开热敏元件，使热敏元件所感受的温度在上限温度以下，温度电路恢复常态，报警停止，数码客恢复循环显示数字。如图3-2-1 温控报警电路第4章 芯片NE555
15、的功能及应用41 NE555振荡器IC说明及运用NE555(Timer IC)(如图4-1-1)大约在1971年由Signetics Corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的 Timer IC，在往后的30 年来非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，尽管近年来COMS 技术版本的Timer IC如 MOTOROLA 的MC1455 已被大量的使用，但原规格的NE555 依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。图4-1-1 NE555引脚图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
16、路。它设计新颖，构思奇巧，用途广泛，备受电子专业设计人员和电子爱好者的青睐，人们将其戏称为伟大的小IC。1972年，美国西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出Tmer NE555双极型时基电路，设计原意是用来取代体积大,定时精度差的热延迟继电器等机械式延迟器。但该器件投放市场后，人们发现这种电路的应用远远超出原设计的使用范围，用途之广几乎遍及电子应用的各个领域，需求量极大。美国各大公司相继仿制这种电路 1974年西格尼蒂克斯公司又在同一基片上将两个双极型555单元集成在一起，取名为NF556。1978年美国英特锡尔公司(Intelsil)研制成功CMOS型时基电路ICM555 1CM55
17、6,后来又推出将四个时基电路集成在一个芯片上的四时基电路558 由于采用CMOS型工艺和高度集成，使时基电路的应用从民用扩展到火箭、导弹,卫星,航天等高科技领域。在这期间，日本、西欧等各大公司和厂家也竞相仿制、生产。尽管世界各大半导体或器件公司、厂家都在生产各自型号的555556时基电路，但其内部电路大同小异，且都具有相同的引出功能端。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5k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/
18、3VDD。在电路设计时，要求组成分压器的三个5k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4.7k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
19、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47k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4.7k电阻维持VTl3截止，使VTl7饱和稳态不变，故输出端3脚仍
20、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4.7k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，
21、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VDD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
22、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5k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
23、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，RS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，RS触发器才翻转1。NE555的内部电路图：图4-1-2NE555的引脚图：42 NE555的功能及作用 功能特性：l 供应电压 4.5-18Vl 供应电流 3-6 Mal 输出电流 225Ma(max)l 上升/下降时间 100 n
24、s动作:图4-2-1 外部电容脉冲周期 图4-2-2 充电电压与时间的关系l 外部电容决定On-Off输出脉冲周期的长短.(图4-2-1)l 充电时间是常电容充电到供应电压的63.7%时=时间常数, =RC.(图4-2-2)模式:l 单触发(单稳)l 震荡器(非稳)单触发(单稳 图4-2-3): 图4-2-3单稳电路l 当输入端接收触发脉冲后产生一个固定长度的脉冲输出.l 可外加特定的选择电路改变脉冲输出的长度.l 也可用在延迟器设计.l 输出脉冲长度节决于RC.震荡器(非稳，图4-2-4): 图4-2-4 非稳电路 l 产生一连续方波.l 频率及周期取决于RC的值. 频率的计算规则: f=1
25、/(.693*c*(R1=2*R2)l 脉冲的ON周期为t1秒OFF周期为t2秒以t1+t2为全周期.l t1周期约55 to 95%. D=t1/t=(R1+2R2) t1=.693(R1+R2)C t2=.693*R2*C脚位功能:1:接地,通常为电源的负电.2:触发最少要有1u Second约1/3Vcc 正电压脉冲足以触发,触发脉冲是一个短暂的高至低的脉冲,输出为一负脉冲.触发的时间须小于RC常数,如果这个脚位持续保持在低电位,其输出会一直到高电位,直到触发输入回到高电位.触发脉冲不可在大于其RC常数的期间内小于1/3Vcc,否则在前一个脉冲终止时会再自我触发.单稳轮子,脉冲宽度最小不
26、得低于10u Sec.以防止双重触发.通用典型的DC电流为500nA,其触发的电流必需流通在其他附加的电路,所以R不得大于3M欧3:输出Output: 提供一个低于供电电压V+约1.7V的高態输出. 上升/下降的时间快速,切换时间约100uSec. 输出位準与输入触发反向. 输出可经由REST触发,产生几乎为接地电压 的低態输出.4:输出重置Output Reset:l 跨越电压 为0.7V,表面电流0.1mA,0.5uS宽度.l Reset为一最高优先权功能.u 不管其输入状态,将强制输出成为低态u 可提前终止其输出脉冲.u 可终结震荡从”ON”到”OFF”.l Reset到输出的典型延迟时
27、间为0.5Us.l 当不使用Reset时,建议把它接地,以避免不预期的Reset动作.5:额外控制Reference:l 允许以2/3V+的电力直接驱动这一点.l 此项为一选项,适用于其它多项外部时基设备的驱动,可独立于R常数之外.于单稳状态时其控制电压 可为45至90%的Vcc电压 ,控制的输出宽度可独立于RC常数之外.于非稳模式时,其控制电压 可从1.7V至Vcc的电压 ,可输出调频式的输出(frequency modulated(FM)output). 不使用时经由一个0.01u的电容接地可排除不正常的触发.6:重置锁定Reset latchl 致使输出成为低态.l 为一DC电流,从外部
28、电路流向此点需要有0.1uA的跨越电流,R需16Mega-ohm.7:时期电容Timing capacitorl 当轮子,为”LOW”时,”ON”(对地低阻抗),当输出为”High”时,”Off”(对地高阻抗).8:电源供应+Vccl 供应电压voltage +4.5 volts (最小)to +16 volts(最大)l 可产生大的轮子,电流(约150mA).l 建议于靠近此接脚的地方安装一个较大容量去耦电容 .Tl 555有能力输出两倍的驱动电流.我们知道，555电路在应用和工作方式上一般可归纳为3类。每类工作方式又有很多个不同的电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同
29、电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。这样一来，电路变的更加复杂。为了便于我们分析和识别电路，更好的理解555电路，这里我们这里按555电路的结构特点进行分类和归纳，把555电路分为3大类、8种、共18个单元电路。我们这里使用NE555作振荡器。通过上面对等效功能电路和NE555时基电路的内部等效电路的分析，可得出555各功能端的真值表：表4-1-1 555功能端的真值表引脚2（/TR）6(TH)4(/CR)3(OUT)7(DIS)电平 VDD*1.4V高电平悬空状态电平 VDD VDD1.4V低电平低电平电平 VDD1.4V保持电平保持电平*0.3V低电平低电平由表可
30、看出，S、R、MR的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色。结论通过这次毕业课题设计的研究性学习，对一些基本电子电路有了更进一步认识，且在实践和动手能力上也得到很大的提高。而我所设计的婴儿奶瓶自动加热器是由振荡器、NE555比较器、CD4017十进制计数/译码器、温控电路、CD4511锁存/译码/驱动电路、调节电位器组成的温控报警电路与普通电路加热器适当结合。该温控报警电路也是一个最小的温控报警系统仅由一个共阴极显示器、一个喇叭、一个CD4511、一 个CD4017、一个NE555、少数电阻电容组成。温控报警系统是由一个温控系统加上一个报警系统，它与加热
31、器相结合，组成一个操作简单可行的自动加热器，结构简洁。整个自动加热器造价低廉，但却在传统加热器的基础上增加了实用的报警和保温功能。而由于时间仓促，成品不能做到完美。如果能再做点改进，我希望在以后的作品中能增加温度调节系统，以便可以有更多的用途，我想会更不错。参考文献1.伍爱莲、万家佑、朱光波、常仁松.电路与电子技术实验教程.M武汉：出版社：华中科技大学出版社.2006年2.杨帮文.新型集成器件实用电路（修订版）.M北京：出版社：电子工业出版社.20063.张胜福.华邦51单片机原理及应用.M北京：北京航空航天 大学出版社，19904.陈有卿.555时基集成电路原理与应用.M北京：出版社：机械工
32、业出版社.19945.谢自美.电子线路设计、实验、测试（第二版）.M武汉：华中理工大学出版社.20006.黄继昌等.数字集成电路应用300例.M北京：出版社：人民邮电出版社.2002.7. 甘学温.集成电路原理与设计.M北京：北京大学出版社.20068. 李桂宏，谢世健集成电路设计宝典.M电子工业出版社.2006谢辞 首先要感谢我的指导老师饶志明老师感谢您在论文上倾注的大量心血。同时，感谢授课老师吴书记、杜院长、何院长、张康老师、金石老师、潘泽强老师、徐绍忠老师、陈庆梅老师、余瑛老师、张国龙老师、汪灿华老师、艾国平老师、张鹤林老师及所有任课的老师们在课堂上对我们的教导,你们丰富的授课内容拓宽了我的视野,让我能更顺利的完成这篇文章。这些时光会慢慢的沉淀下来,但无论何时,我想到这段岁月,都如同是看到一枚珍藏已久的夹在书里发黄的书签,永远都是那么璀璨、那么绚烂。 郭俊秋 2008年4月21日
