暖气片定时开关设计

暖气片定时开关设计说明书 摘要：应用 555 触发器集成电路与电磁继电器相连得到一定时电路，再将该定时电路与暖气 片开关相连，从而实现暖气片的定时开关。本方案通过对电路元件参数的选取实现不同时间 的定时，起到了节约能源的作用，提高了资源的利用率。 关键词：555 触发器 电磁继电器 滑动变阻器 定时 开关 节能减排 作品内容简介 我们节能减排小组拟制作一个暖气片定时开关器，此开关由集成电路板与电磁继电器控 制实现，集成电路板实现定时作用,电磁继电器则控制暖气片上的开关的动作。控制电路部 分电容和继电器不消耗电能，因此只需要电池即可满足电路的正常工作，作用电路部分为了 防止电路短路，故加入一指示灯，接在 220V 家用电路上。人们在离开房间时关闭暖气并设 定好暖气开关时间,暖气片上的开关就按照这个时间自动开启。在不影响人们正常生活的前 提下避免了无人时候的暖气资源浪费，因而可以节约大量能源，起到节能减排的目的。 1 研制背景及意义 2 设计方案 经过我们节能减排小组的讨论，我们设想了 3 种方案来实现暖气片的定时开关。 第一种方案是利用红外线感应器控制暖气片开关，当有人进入室内时，红外线感应器就 可以感应到并产生动作，控制暖气片使其打开，当人离开时，同理红外线感应器可控制暖气 片开关使其关闭，但是此方案存在一定弊端无法克服（如暖气无法在人回到房间之前提前打 开，无法识别人鱼动物的红外线）。第二种方案是利用温度感应器控制暖气片开关，室内有 人时，温度感应器能感应到而后控制暖气片打开，室内无人时，同理温度感应器控制暖气片 关闭，但是本方案需要相当灵敏的温度感应器，而且水温和体温会对温度感应器产生误差影 响，故存在弊端。第三种方案是利用触发器集成电路以及电磁继电器控制暖气片的开关，此 方案误差较小，并且可以按照使用者的意愿自行设置开关开启的时间，效果良好，造价低廉。 综上所诉，我们小组一致同意采用第三种方案。 本方案可分为 2 个部分，一部分是控制电路，其由 555 触发器集成电路与电磁继电器连 接组成，其作用是控制继电器的动作，进而控制暖气管道的启闭。另一部分是作用电路，它 由开关及指示灯与管道相连接，通过开关的开闭来控制管道的启闭，以此实现暖气的定时供 应，从而提高能源利用率。 2.1 电气控制 （1）简单介绍一下 555 触发器的功能。 555 触发器的电路引脚图如下： 图 1 555 触发器引脚图 555 触发器各功能端的真值表： 表 1 555 触发器真值表 由表可看出，S、R、MR 的输入不一定是逻辑电平，也可以是模拟电平。 （2）介绍下具体实现电路，本小组设计电路图如下： 3 图 2 工作电路图 其原理是可归纳如下： （1）集成电路加 9V 电压，可通过电池实现，作用电路加 220V 交流电压，可直接连接 在家用电路上。 （2）集成电路是一片 555 触发器定时电路，在这里接成单稳态电路。平时由于触摸片 P 端无感应电压，电容 C1 通过 555 第 7 脚放电完毕，第 3 脚输出为低电平，继电器 KS 吸合， 电灯亮，暖气管道开通。 （3）当需要关闭暖气管道时，用手触碰一下金属片 P，人体感应的杂波信号电压由 C2 加至 555 的触发端，使 555 的输出由低变成高电平，继电器 KS 释放，电灯熄灭。同时，555 第 7 脚内部截止，电源便通过 R1 给 C1 充电，这就是定时的开始。此外，与滑动变阻器 R1 相连一计时器，通过对滑动变阻器 R1 的调节，使电容充电的时间不同，从而实现不同时间 的定时。 （4）当电容 C1 上电压上升至电源电压的 2/3 时，555 第七脚导通使 C1 放电，使第 3 脚输出由高电平变回到低电平，继电器吸合，电灯亮，暖气管道导通，定时结束。 2.2 机械部分 图 3 管道模型斜视图 图 4 管道模型正视图 如上 2 图所示，暖气片侧面装有定时开关，当人离开时，将管道关闭并设定时间让其自动开 启。（如平时家里白天有 8 小时无人在时，可设定暖气片 7 小时之后自动开启，以便能提前 加热） 定时开关局部放大图如下所示： 图 5 定时开关局部放大图 其样式为表盘式，上面刻有相应的时间，使用者可以根据自身需要旋转表盘指针来设定时间。 操作简单方便，同时可以节省大量能源。 3 理论设计计算 (1)经济效应分析： 5 （1）本定时开关由一触发器集成电路、滑动变阻器以及电磁继电器组成，估算其成本 每一个约为 30 元。 （2）暖气主要利用的是热能，就如同用水，用电那样。热能是一种能量，根据传热理 论公式： Q=C*M*(T2-T1) 其中，Q 为热能量，C 为传热媒质的比热容，M 为传热媒质的质量， T2、 T1 为传热媒质 的终止温度与初始温度，其与温度差，传热媒质的比热容、质量成正比。而一般来讲，使用 水为传热媒质。其质量可以用流量和时间的积来表示。假设传热介质的温度差设为一定值， 比热容亦为一定值，因此热能消耗量仅与传热媒质的质量成正比，即与其流量和时间的乘积 成正比，再假设媒质的流量为一定值，则热能消耗量与时间成正比。 在未安装暖气片定时开关时，假设平均每天每户暖气开 24 小时，而在安装暖气片定时 开关后平均每天每户暖气开 16 小时。按此假设，则可以节省约三分之一的热能。我国北方 几乎所有城市都安装有暖气，没有安装定时开关前，按照每年每户暖气消耗折合成价格约为 2000 元，安装定时开关后，则可节省约 700 元。全国范围来看，每年节省可达数亿！因此， 此定时开关不仅能起到节省能源的目的，还能带来巨大的社会效益和经济效益，暖气片定时 开关适应了中国节约能源的发展趋势。 4 工作原理及性能分析 电磁继电器最好选取线圈工作电压为 24V 或 48V 的，这样相应的线圈电流要小些，以 降低对 C1 容量的要求，触点电流要根据负载大小适当选取。二极管 D1 要根据继电器工作 电压选取，一般选取稳压值稍高于继电器线圈工作电压的稳压二极管，C1 的耐压不低于 400V。 C2 的耐压也要根据 D1 的稳压值适当选取。 555 触发器内部结构： （1）由三个阻值为 5k 的电阻组成的分压器； （2）两个电压比较器 C1 和 C2： v+v-， vo=1 v+v-， vo=0 （3）基本 RS 触发器； （4）放电三极管 T 及缓冲器 G。 555 触发器工作原理 它含有两个电压比较器，一个基本 RS 触发器，一个放电开关 T 比较器的参考电压由三 只 5K 的电阻器构成分压，她们分别使高电平比较器 C1 同相比较端和低电平比较器 C2 的 反相输入的参考电平为 2/3Vcc 和 1/3Vcc.C1 和 C2 的输出端控制 RS 触发器状态和放电管开 关状态。当输入信号输入并超过 2/3Vcc 时，触发器复位， 555 的输出端 3 脚输出低电平，同 时放电，开关导通；当输入信号自 2 脚输入并低于 1/3Vcc 时，触发器置位，555 的 3 脚输出 高电平，同时放电，开关闭合。RD 是复位端，当其为 0 时，555 输出低电平。平时该端开路 或接 Vcc。 Vco 是控制电压端（5 脚）平时输出 2/3Vcc 作为比较器 A1 的参考电平，当 5 脚外接一个输 入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外接电压时， 通常接一个 0.01uF 的电容到地，起到滤波作用，一消除外界的干扰，一确保参考电平的稳 定。 T 为放电管，当 T 导通时，将给接于 7 脚的电容器低阻放电电路。 通过对滑动变阻器不同阻值的选取实现不同时间的定时。分析电路可知，输出端由低电 位转向高电位需要经过对 C1 充电的过程，根据所学知识，充电时间约为 T=1.1R1C1 C1 取 1000uf,R1 的最大值设定为 50M，对应的时间最大值约为 15 小时，每隔半小时刻一刻 度，以满足不同用户的需要。 (2)使用寿命计算： 触发器集成电路部分主要使用电池作为电源，因此一定时间后必须更换电池，作用电路 部分使用家庭电路，消耗的电能有限。此外，电容、二极管、指示灯时间长后较易损坏，必 须定期检查更换。总体来说，该产品使用性能稳定，初步估计至少可使用 1 年。 5 创新点及应用 创新点 1、 将 555 触发器和继电器连接后应用于暖气片供暖开关，使暖气在特定的时间段自动开启 或关闭，以达到节能减排、便利生活的目的。实现了电子产品在生活中应用的创新。 2、 在控制电路中介入滑动变阻器，实现了无级调节，可以根据用户的需要实现供暖系统在 任意时间段内的定时开关。 3、 所设计产品只需在原有的暖气设备基础上进行小许的改进，不会给原有的供暖系统带来 大规模的整改，并且我们的设计结构简单，价格便宜，易于实现，方便推广。 应用 1、 可用于大学寝室楼的暖气开关控制上。在大学一般是以一个班级的同学同住一个寝室， 从周一到周五，由于一个寝室的舍友往往同时也是同班同学，往往都一起去上课或是自 习，寝室内经常半天或者一整天都处于无人状态，但此时，寝室内的暖气却依然在供应 着，这样便造成了不必要的资源浪费。再加上大学里对于不同的班级上课时间一般也不 一样，因此，若考虑让楼管人员对于暖气总开关进行管理也是无法实现的。另外，若是 大家在离开寝室时候把寝室暖气片的开关关闭了，那么在回到寝室的时候有必然要面临 一个问题，那就是寝室里面由于一上午或是一整天没有供暖而导致刚回到寝室的前半个 小时都很冷。在这种情况下，采用我们小组设计的这种自动定时开关便可以自行设置暖 气开和关的时间，让暖气在人们回寝室的前半个小时便自动打开，对寝室预先进行供暖， 待到人们回到寝室时，寝室的温度已经处于很温暖的状态了。这样便可在不浪费资源的 前提下，既实现节能减排，又不会给人们的生活带来不便。 2、 用于家庭供暖开关。现在的城市里，大多数人都过着朝九晚五的生活，白天的差不多十 个小时里，家里都是没有人在的，在这样的家庭中，若安装经过我们改进的这种暖气控 制开关，便可以实现既节能又舒适的生活。 3、 可用于办公室内的供暖总开关设定，在办公楼的暖气管道总开关处设置一个定时器,实 现开关每天自动开闭,避免在无人处在办公室的时候暖气依然在供应,造成资源的浪 费再有就是像商场，银行机构等大型公共场所，都可以利用这种设计来实现对暖气的 定时自动开关。 7 4、 定时开关实现温度控制功能，避免由于暖气供应过大时候造成室内温度过高，以达到节 能减排、方便生活的目的。尤其是在人口十分密集的公共场合，比如大学的教室，大商 场等，往往都会出现室内温度过高甚至很出汗的情况，这种情况下只要在我们的设计电 路中，再加入一个热敏电阻，结合自动控制原理就可以实现暖气的间歇性