毕业设计（论文）-暖气集中供热系统的监测与控制的设计.doc

供热系统的监测与控制设计 1 目 录 目 录.1 摘 要.3 abstract4 前 言.4 第一章 设计任务与要求.3 1.1 问题的提出3 1.2 设计任务及具体要求3 第二章 单元电路设计.5 2.1 直流稳压电源的设计5 2.1.1 工作原理.5 2.1.2 元器件的选择.6 2.1.3 参数计算.7 2.2 稳压电源的调试8 2.2.1 调试顺序.8 2.2.2 指标测试.8 2.3 温控电路8 2.3.1 工作原理.8 2.3.2 元器件的选择.10 2.4 声控电路11 2.4.1 工作原理.11 2.4.2 元器件的选择.12 2.4.3 元器件的参数.12 2.5 热控电路12 2.5.1 工作原理.12 2.5.2 元器件的选择.12 2.6 关气报警电路14 2.6.1 工作原理.14 2.6.2 元器件的选择.14 2.7 延时电路与控制电路15 2.7.1 工作原理.15 2.7.2 元器件的选择.16 第三章 暖气集中供热系统的整体设计.18 3.1 工作原理18 3.2 元器件的选择18 3.3 参数的计算19 3.3.1 稳压电源电路.19 3.3.2 关气报警电路.19 3.3.3 延时电路.19 供热系统的监测与控制设计 2 第四章 温控电路与控制器印制线路板的设计.20 4.1 protel 99 简介.20 4.2 印制线路板的设计20 4.2.1 设计印制线路板的条件.20 4.2.2 设计印制板的步骤.21 4.2.3 元件布局.21 4.2.4 布线.21 结 论.22 参考文献.22 附 录.22 后 记.22 供热系统的监测与控制设计 3 摘 要 能源是人类赖以生存的五大要素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物资。我国 人口众多，能源资源相对匮乏，人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半。 “开发与节 约并重，近期把节约放在优先地位”是能源发展方针，节能已成为国家发展经济的一项长 远战略方针。近年来，集中供热作为城市基础设施，在节约能源，减少环境污染，改善 人民生活质量等方面的优点早已经成为社会的共识。 本论文介绍了暖气集中供热系统的监测与控制的设计过程，主要介绍了当前暖气集 中供热的现状及其将来的发展趋势，与目前的进行的暖气集中供热的改革紧密相连。该 系统具有节约能源、减少环境污染、改善人民生活质量、便于用户调节控制热能等方面 的优点。论文详细介绍了系统各组成部分（控制器、温控电路、声控电路、热控电路、 关气报警电路等组成）的工作原理及电路的设计情况；为了使系统设计的更加科学合理， 并在选择了电路之后对主要参数进行了详细的计算；论文还介绍了使用电子线路 cad 软 件（protel99）对印制线路板进行设计。另外本论文还附有多种电路图及各种元器件的参 数表格，在论文最后还附有参考文献。 关键词：暖气集中供热；节能控制；温控电路；热控电路 供热系统的监测与控制设计 4 abstract the energy is five one of the outline vegetablese that the mankind rely for existence,is the important and strategic supplies of national and social development.our country densely populated resources is opposite and short of,person all the energy resources occupy quantity not arrive world average level of half.“development and economy lay equal stress on,put an economy in the near future be having the initiative a position”is an energy to develop policy,the economy energy has become a nation development a farsighred and strategic policy of the economy.in recent years,the concentration provides hot is a city infrastructure at economizing energy,reduce pollution of the environment,the advantage which improves people living quality etc.already through become a social consensus. the monitor in series with pilot design process,mostly incorporation actuality introduce know clearly currently central heating central heatingdevelop,very coming advance instance,and for the monent ongoing central heating central heatingreform tightness of the these theses introduce know clearly central heating central heating .the merit,facilitate user proceed energy conservation dam,enable systemic design all the more science,in reason,more convenient users demand to back of the said system possess energy conservation,decrease environmental pollution,ameliorate people quality of life grade aspect.theses detail introduce know clearly system each constituent(dam,warm up control circuit,acoustic control circuit,hot control circuit,shut gasses prediction circuit grade compose) double-shift work theory and/or design of circuits instance,and in the choice of know clearly circuit after versus major parameter proceed know clearly necessary figure;ip back these return introduce know clearly use electron circuit cad software(protel 99) seal system breadboard proceed design.in addition these theses return cum manifold circuit diagram and/or different kinds of operating range parameter list cascade,at theses be the last return cum litersture cited. key words:central heating central heating; energy conservation dam;warm up control circuit back;hot control circuit 供热系统的监测与控制设计 5 前 言 随着社会经济的发展，人们生活水平的提高，人们对热能的需求量也越来越大，集 中供热也随之蓬勃发展，在城市环境可持续发展的战略中，集中供热的优越性越发地突 现出来。随之而来的一个问题是，由于传统的福利型集中供热管理存在的某些弊端而造 成的能源浪费也在逐渐增加，因而导致供暖系统热效率低，其主要原因是缺少有效的调 节设备，导致热能浪费；热网不平衡使网内近端用户室内温度过高，而远端用户室内温 度达不到标准。同时给用户的生活带来极度不便。如何更方便用户要求，设计得更加科 学、合理，在全国仍在探讨之中。鉴于此种情况，我们本次所做的毕业设计就是针对暖 气集中供热系统的监测和控制问题，力图解决调温、用量调解、定时延时自动关闭、选 时段供热、声光报警等问题，使用户在节能方面使用一些关于暖气集中供热系统监测与 控制的调节设备，以便于用户进行有效的节能。 我国集中供热现状城市供热是城市基础设施之一，是保证城市经济发展，居民正常 过冬的必要条件，城市供热是与人民的生产、生活息息相关的一件大事。我国的城市集 中供热开始于 20 世纪 80 年代初，由于城市集中供热不仅节约了能源，同时又减少了城 市环境污染，因而提高了人民的生活质量。城市供热设施的主要特征是热源集中，并以 不同规模的热网向用户输送热能。 据 1992 年统计，我国有 517 个城市，其中 158 个城市有集中供热设施，集中供热面 积为 3 亿平方米。据 1998 年统计，全国设市 668 个城市，已有 286 个城市建立了集中供 热设施。全年集中供热中，蒸汽生产 1.7 亿吨，热水 6.5 亿百万千焦。供热蒸汽管道长度 为 6933 千米，热水管道 2.7 万千米。供热面积以达 8.7 亿平方米（其中住宅供热面积达 到 5.5 亿平方米） 。1999 年全年供热蒸汽 2.2 亿吨，热水 6.98 亿百万千焦，集中供热面积 9.68 亿平方米。目前，我国供暖用能源占到能源总消耗的 9.6%，严寒地区甚至达到 30%40%。与相近气候条件的发达国家相比，我国平均住宅供暖能耗是人家的 3 倍。尤 其是近几年来随着城市建筑急剧增加，供热面积得到迅猛的发展，这更使能源大量地被 浪费，而造成这种巨大浪费的根本原因在于集中供暖按面积收费的体制，用户既没有节 能手段，也没有节能动力；管理上更缺乏节能机制。因此，暖气集中供热系统的改革刻 不容缓。按照论文设计的要求，我们仅将研究的重点放在节能的控制上。 集中供热的未来发展就是在现有的集中供热系统的基础上实行分户热计量收费，也 就是使热量也成为商品，在市场上进行流通。分户热计量首要目的，是为了使供暖运行 节能，是要为热用户提供调节控制手段，使他们可以根据热舒适度的需要，调节控制采 暖量，提高供热系统的能效。就目前现状而言，我国供热系统的能效只有 30%左右。能 量的损失，主要是三部分：锅炉热损失、管网热损失和热用户散热损失。其中热用户散 热损失，主要哦是由于冷热不均造成的，这部分热损失约为 30%40%，是相当大的。供 热系统搞分户计量收费，从节能的角度考虑，主要是挖掘着部分的节能潜力。根据建设 供热系统的监测与控制设计 6 部颁布的民用建筑节能设计标准和建设节能“九五”计划和 2010 年规划以及俞正声部 长签发的关于民用建筑节能管理规定76 号令，其中明确规定：新建设的居住建筑的 集中采暖系统应当使用双管系统、推行温度调度和户用热计量装置，实行供热计量收费。 我国现在的供热发展目标是到 2010 年城市集中供热基本实现分户按热量计量收费。为此， 城市供热的热源和热力网要采用以动态调节代替静态调节的技术，逐步实现按需供热的 运行。并且在 2015 年，发展到城市供热普及率在 2000 年的 25%的基础上再提高 15%20%，使供热普及率达到 40%以上（至于分户热计量收费的问题不是我们讨论的范 围） 。 在西方国家，热量是以商品进入市场的。特别是 20 世纪 70 年代末出现的能源危机及 能源消耗，加大了环境污染，使得节约能源和保护环境成了举世瞩目的大事，并促进了 发达国家供热计量技术的长足发展。欧洲的热计量法规虽各有差异，但基本上每个拥护 都安装热计量仪表，并按用热多少收费。集中供热系统按面积收费改为按热表计量收费 可节约能耗 20%30%，甚至更多一些。 我本次所做的毕业设计就是针对暖气集中供热系统的监测与控制问题，力图使电路简 单且易于调试，尽量大可能地方便拥护的使用。在本次设计中，我要掌握电路设计的基 本方法和步骤，学会用计算机专用的软件（protel 99）绘制电路原理图和设计制作印制线 路版图，掌握标准化设计制图的基本规则，将理论与实践相结合，提高独立分析能力和 解决问题的能力，为我将来毕业后走上工作岗位打下一个良好的基础。 供热系统的监测与控制设计 7 第一章 设计任务与要求 1.1 问题的提出 本设计针对集中供热缺乏计量、监测、用户失控，导致能源严重浪费，给用户增加 经济负担的情况，力图解决调温、用量调节、定时延时自动关闭、选时段供热、声光报 警等问题。 1.2 设计任务及具体要求 （1）设计温度控制电路、用量调节控制及参数计算； （2）无人自动延时关闭控制，有人自动打开； （3）选择分时段供应控制电路设计与参数计算； （4）声光报警电路的设计； （5）电源电路的设计与参数计算； （6）绘制电路原理图与参数计算。 暖气集中供热系统的监测与控制设计是根据目前集中供热存在的多方面的问题而提 出来的，它将更好地满足用户的需求，使集中供热的设计更加科学、合理，使用有效的 集中供热的调节设备，并能在节约和充分利用能源，保护环境方面起到良好的作用。其 电路设计的方框图如图 1-1 所示。 图 1-1 暖气集中供热系统的监测与控制方框图 2 4 1 t1 开 01 翻 转 6v12v 电源热控电路 温控电路 声控电路 关气报 警装置 cd4060twh8751 电磁阀门 供热系统的监测与控制设计 8 第二章 单元电路设计 暖气集中供热系统的监测与控制是由控制器、关气预报电路、电磁阀门、温控电路、 声控电路、热控电路、延时电路和电源电路等组成。 2.1 直流稳压电源的设计 直流稳压电源由变压器、单相桥式整流电路、三端集成稳压器、滤波电路等组成1。 2.1.1 工作原理 市电 u1（u1=220v）经过变压器降压后得到直流电压 u2（u2= u1 n2/n1） ，交流电压 u2经过单相桥式整流电路后获得支流电压 u（u 1.2 u2） ，为了不使电路中产生电压突 变的情况，还要经过滤波电力路，把电容和负载电路并联以便吸收脉动电流，并使输出 电压保持平稳，经过整流滤波电路之后的输出电压和我们所求的直流电源还有相当的距 离，为了能够更加稳定直流电源，我们在整流滤波电路后还要经稳压电路稳压，这样就 得到了我们所求得的支流电压。 可调电阻 r1和电阻 r2组成可调输出电压的电阻网络，从而实现输出电压连续可调； 为了使电路中偏置电流和调整管的漏电流被吸收，设 r1为 120240，通过 r1泄放电 流为 510ma；输入电容 c1用于抑制纹波电压，输出电容 c3用于消振，缓冲冲击性负 载，保证电路工作稳定。同时由于输出电容 c3的存在，容易发生电容放电而损坏稳压器， 所以还要外接 d2（保护二极管） 。当电容 c3放电时，d2导通，箝拉使稳压器得到保护。 d1是为了防止调节组旁电容 c1放电时而损坏稳压器的保护二极管，旁路电容 c2也是为 了抑制纹波电压而设置的（电路图和波形图分别如图 2-1 和图 2-2 所示） 。 1 1 2 2 3 3 4 4 dd cc bb aa in 3 out 2 adj lm317 r2 r3 r1 c3 c1c2 d s 1 2 p1 t1 d1 d2 +u0 图 2-1 直流稳压电源电路 供热系统的监测与控制设计 9 2.1.2 元器件的选择 lm317 是三端正稳压器，它的输出电压可调、稳压精度高、输出纹波小，一般输出 电压为 1.25v35v,最大负载电流为 1.5a，它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置 输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。内置有过流保 护、芯片过热及调整管安全工作区保护等多种保护电路，它的工作温度为 0150。 主要参数如表 2-1 所示。 图 2-2 电压 u2，u，uc，u0的波形图 输出短路保护、过流、过热保护、调整管安全工作区保护使其安全性能非常高，而 且其具有标准三端晶体管封装。 表 2-1 lm317 的主要参数表 电压调 整率 电流调 整率 基准 电压 调整端 电流 纹波抑制 比 输出电压 温度变化 率 调整端电 流变化 最大输入 电压 最小输入 电压 0.01%1%1.25v50a80bd0.7mv/0.2a40v3v d1及 d2都选择了 2cp 晶体二极管，2cp 晶体二极管的主要参数如下表 2-2 所示。 表 2-2 2cp 晶体二极管的主要参数表 正向直流电压 i f /ma检波效率 总电容 c/pf最高结温 t jw/ 10050%3.5175 c1，c2为极性电容，c3为普通电容。 供热系统的监测与控制设计 10 2.1.3 参数计算 变压器次级功率 p2为 p2=i2u2 (2-1) 式中，i2和 u2分别为变压器次级电流和电压有效值，其中 u2=u/1.2 (2-2) u 是稳压电源的输入端支流电压。 i2=（1.52）ii=（1.52）i1 (2-3) ii是稳压电源的输入电流，即整流滤波后的电流。 变压器的初级功率 p1为 p1=p2/ (2-4) 其中 为变压器效率，表示变压器损耗的大小， 通常取 0.60.9。 变压器初级电流有效值为 i1=p1/220 (2-5) 稳压电源输出电压为 u01.25（1+r2/r1） (2-6) 整流二极管 d1，d2和滤波电容 c1的选择： 选择整流二极管主要考虑两个参数，第一是耐压（二极管可承受的反向电压最大值） ，对桥式整流电路来说，二极管的耐压值应为 udu2 (2-7)2 式中，u2为电源变压器次级电压（有效值）。考虑到交流电网电压的波动，耐压值可适 当取大一点。第二个参数是二极管最大工作电流 id，对桥式整流滤波电路应满足如下关系； idi0/2 (2-8) i0是稳压电源的输出电流值。 滤波电容 c1的选择也要考虑两个因素。一个是容量的选择，通常是根据负载电流 i0 的大小来确定，一般来说，负载电流大，电容量也要选大些，反之亦然。下表 2-3 可作为 选择电容量的参数。 表 2-3 滤波电容容量与负载电流的关系 i02a 左右1a 左右0.51a0.10.5a50100ma50ma 电容容量4000f2000f1000f500f200500f200f 其次要确定电容的耐压值，耐压值选小了，会因过压而击穿，选大了会增加体积和 成本，可按下式确定电容 c1的耐压值 uc： ucu2 (2-9)2 供热系统的监测与控制设计 11 2.2 稳压电源的调试 2.2.1 调试顺序 （1）按图连接测试设备 （2）检查线路、元件接插无误，方可调整。 （3）检查整流部分，将下图 2-3 的 a 点断开，合上电源调压器，使输入电压逐渐上 升，检查整流输出电压与设计要求是否符合。 d t1 c1 cap s 待测的稳压电源 u1u2 rl 图 2-3 稳压电源调试电路图 （4）调节调压器使电压回到零输出，连接 a 点，稳压源暂时不接负载，将调压器由 低往高处调节，观察待测稳压电源直流输入电压、调整管管压降和直流输出电压。 （5）若发现有输入电压无输出电压，且电流很小，应检查调整管是否处于截止。 （6）若发现电流过大，而输出电压很小，输出电压几乎全部降在调整管上，可使负 载短路，应立即断开电源，待排除故障后方可继续调整。 2.2.2 指标测试 当输入电压为 220v 时，调整输出电压，使其达到 12v，若调整结果使直流输出电压 值与设计要求基本相符，可进行测试。 1.电压调整率 按上图 2-3 接上负载。输入 220v 的交流电压，输出 12v 的直流电压，接上负载 rl（60） ，然后调节输入电压为 220v10%（即 198v 和 242）,测得输出电压 u0分别在 242v 和 198v 时的数值。 电压调整率分别为： (2-10) %100 220 198220 0 00 198 ）（ ）（）（ u uu su (2-11) %100 220 242220 0 00 242 ）（ ）（）（ u uu su vv 供热系统的监测与控制设计 12 2.负载调整率 按图 2-3 输入 220v 的交流电压，按额定负载（60）调节输出 12v 的直流电压，然 后断开负载，测得空载时输出电压值。 负载调节率分别为： (2-12) %100 0 00 （满） （满）（开） 负载调整率 u uu (2-13) 0 00 0 i uu r （满）（开） 输出电阻 式中，u0（开）为断开负载时的输出电压，u0（满）为接上负载时的输出电压。 2.3 温控电路 2.3.1 工作原理 温控电路由 ic1等构成，热敏电阻 r11随室内气温而变化。在温度较低时，ic1输出高 电平，使图的 twh8751 的 4 脚（见图 3-1，下同）输出低电平，当选通 1 脚为低电平时， 有电流流过电磁阀，将阀门打开，暖气进入室内时温度升高。着时，r11的阻值会随之下 降，当下降到某值时，电路翻转，ic1输出低电平，twh8751 的 4 脚输出高电平，阀门 因无电流通过，故在弹簧的作用下关闭。当室温下降时，阀门又会打开，这样周而复始， 使室内保持恒温。r13用来调节翻转时的温度。r13阻值大，室温下降；反之，室温升高。 室温的调节范围 520之间。 d11，d12起稳定电压作用，使输入的电压保持一定的大小，d11对电压进行过滤。温 控电路如图 2-4 所示。 2 3 1 411 1 ic1a r15 r12 r14 r17 r16 d11 d12 r13 vcc c11 +6v r11 图 2-4 温控电路图 供热系统的监测与控制设计 13 2.3.2 元器件的选择 ic1选择的 lm324 是单片增益四运算放大器，可在具有较宽电压的单电源下工作， 具有低功率、高增益、频率内补偿等特点2。其电源电流很小且与电源电压大小无关（本 次设计所以选用器件 ic1ic4都是集成运放 lm324） 。lm324 的参数表与引脚图分别如 表 2-4 和图 2-5 所示。 表 2-4 lm325 的参数表 主要参数(ta=25 vcc=5vdc) 参数名称符号单位测试条件最小值典型值最大值 输入失调电压viomv37 输入失调电流iioa550 输入偏置电流iiba45250 输入共模电压vicmvvcc=30v0 输出电压范围voutv0 大信号电压增益vvdv/mvr12k vcc=15v 100 共模抑制比kcmrdb6580 功耗电流icemavcc=5v vcc=30v 0.6 1.5 2 3 输出电流ioh,iolma 20 10 图 2-5 lm324 引脚图 供热系统的监测与控制设计 14 r11选用负温度系数的热敏电阻（后面介绍热控电路中的 r32也选用负温度系数热敏 电阻） ，其电阻的温度特性符合负指数规律，关系为： (2-14) rt：热敏电阻在绝对温度 t 时的阻值； r0：热敏电阻在绝对温度 t0时的阻值； t，t0：介质的起始温度和变化温度（k） ； t,t0：介质的起始和变化温度（） ； b：热敏电阻的材料小系数。 热敏电阻的电阻率与温度的特性曲线如图 2-6 所示。 图 2-6 热敏电阻的电阻率与温度的特性曲线 d11,d12选择 3v 的稳压二极管，它是利用二极管反向击穿特性。反向击穿特性是当反 向电压 ur增加到一定数值 uz后，反向电流突然上升（反向） ，此后二极管的电流在很大 范围内变化，而二极管两端电压变化身小。主要参数有： 1.稳压电压 稳压电压（通常用 uz表示）指击穿电压，是稳压管正常工作时两端呈现的电压，测 量 uz时应使稳压管的电流为规定值。uz是挑选稳压管的主要依据之一。 2.稳压电流 iz 稳压电流是指稳压管正常稳压时的电流，用 iz表示，低于着个值不是不能稳压，而 是效果差一些，高于着个值只要不超过额定功率，稳压效果要更好一些，但要多消耗电 能。 稳压电流受控于功耗的限制：izmax=pz/u2 3.电压温度系数 指稳压管温度变化 1所引起的稳压电压变化的百分比。一般情况下，稳压电压大 0273 1 273 1 0 0 11 0 tt b tt b t ererr 0 r t 负温度系数 供热系统的监测与控制设计 15 于 7v 的稳压管， 为正值。当温度增加时，稳压电压增大。 4.动态电阻 rz rz是稳压管工作在稳压区时两端电压变化量与电流变化量的比：rz=uz/iz。当 rz 减小时，稳定性能好。如果稳压管工作电流增大，则 rz减小。 5.额定功效 pz 由于稳定管两端的电压值为 uz，而管子中又流过一定的电流，因而要消耗一定的功 率，这部分功耗转化为热能会使管子发热。pz取决于稳压管的温升。元器件的参数给出 如下： ud11=ud12=3v，c11=100f r11=10k，r12=12 k，r13=3.6 k r14=100 k，r15=100 k，r16=1 k，r17=10 k 2.4 声控电路 2.4.1 工作原理 声控电路由 ic2等构成。通常，声控电路经 d21整流和 c21，c22滤波后输出高电压。 当有声音时，微音器 mk1 接收，ic2放大，d21整流，c22滤波后输出高电压至 ic5的 12 脚，产生清零作用。冬天，为防止热量散失，室内门窗都是关闭的，有的还挂上门帘， 故室外的声音对室内影响很小，一般不会使声控电路误动作。声控电路如图 2-7 所示。 c22 d21 mk1 r21 r22 r23 c21 r24 vcc 411 5 6 7 2 ic2b r25 图 2-7 声控电路图 2.4.2 元器件的选择 c21选择极性电容，c22选择普通电容，d21，d22选择 2ap 晶体二极管。下表 2-5 给 出了 2ap 晶体二极管的主要参数。 供热系统的监测与控制设计 16 表 2-5 2ap 晶体二极管的参数表 击穿电压 /v（br） 正向直流电流 ir/ma 检波效率 （%） 结电容 ctpt/pf 截止频率 fc（mhz） 最高结温 tjw/ 30450115070 2.4.3 元器件的参数 r21=1m，r22=10k，r23=2.2m，r24=220k； c21=4.7f，c22=10f 2.5 热控电路 2.5.1 工作原理 热控电路由 ic3及外围元件构成。热敏电阻 r32应放置在暖气包进气管上（阀门之前） 。常温时，ic3输出低电平，当来气时，r32阻值下降而使 ic3翻转输出高电平（可调整 r31值，使电路在 7080时翻转）并通过微分电路 c31，r37，输出一个正向脉冲。该 脉冲经由 r53输至 cd4060 的 12 脚（见图 3-1） ，产生清零作用，使计数器开始计数。热 控电路图如图 2-8 所示。 图 2-8 热控电路图 2.5.2 元器件的选择 电阻 r32选用负温度系数热敏电阻（其参数及计算公式参考热控电路中的电阻 r11） 。 元器件的参数： c31=0.1f 11 8 10 9 3 ic3c r33 r34 r31 r36 r35 r37 c31 vcc r32 供热系统的监测与控制设计 17 r31=6.8 k，r32=10 k，r33=24 k，r34=24 k r35=10 k，r36=10 k，r37=10 供热系统的监测与控制设计 18 2.6 关气报警电路 2.6.1 工作原理 关气报警电路由 ic4等电路构成。多谐振荡器由 ic4，r41，c41等组成。三输入端与 门电路由 d41，d42，d43构成。通常，cd4060 的 1、2 脚均为低电位，d41，d42导通， ic4负输入端被箝位于电源负端，故不产生振荡，且 ic4输出端呈高电位，led 不亮。只 有经过了 t/2213s+t/2213s，1、2 脚方能同时为正，d41，d42截止，ic4才有可能产生振 荡，并受控于 cd4060 的 7 脚（见图 3-1） 。7 脚低电位时，不振荡（d43 导通） ，高电位 时振荡（d43截止） ，其间歇周期为：t24 s。这时，led 发出周期性闪烁信号，压点陶瓷 片 h 发出间歇的音频报警声以提醒人们的注意。关气报警电路如图 2-9 所示。 1 1 2 2 3 3 4 4 dd cc bb aa 11 8 10 9 3 ic4c c41 12 h d47 led d41 d42 r44 r43 r42 r41 图 2-9 关气报警电路图 2.6.2 元器件的选择 led 选择 5mm 发光二极管，型号为 bt205，主要参数如下表 2-6 所示。 表 2-6 发光二极管的参数表 颜色波长/nm基本材料正向电压 （10ma 时）/v 光强 （10ma 时，张 角45）/mcd 发光率 /w 红色655gaasp1.61.80.4112 d41，d42，d43选择 2cp 晶体管。元器件的参数： r42=10 k，r43=10 k，r44=1 k； r41，c41根据各自的设计要求选取。 供热系统的监测与控制设计 19 2.7 延时电路与控制电路 2.7.1 工作原理 延时电路由 cd4060 等构成，cd4060 是带振荡器的 14 级二进制串行计数器，它的 9、10、11 脚及 r51，c51一起构成振荡器，其重复周期 t 为： t=2.2r51c51 (2-15) 输出端 3 脚在开机时为低电平，经过 t/2214s 后跳变为高电平，产生控制作用。d51 是起锁定作用，当 3 脚输出高电平时导通，振荡器停振，保持 3 脚高电平不变。12 脚起 清零作用，每当该脚正跳变一次，就解除锁定，电路重新开始计数。控制器由集成块 twh8751 等构成，它控制电磁阀门的开与关。其控制端、选通端与输出端的逻辑关系见 表 2-7。选通具有优先处理的功能，当选通脚 2 为高电平时，无论控制为何种状态，输出 都是关；只有当选通脚 2 为低电平时，控制方能起作用。cd4060 的 3 脚与集成块 twh8751 的 2 脚相连，当 cd4060 的 3 脚为高电平时集成块 twh8751 的 2 脚也为高电 平，无论控制器是什么状态，输出都为关闭；反之，当 cd4060 的 3 脚为低电平时，也就 是集成块 twh8751 的 2 脚为低电平，控制器才能起作用。 延时电路中的电阻 r51用于改善振荡频率的稳定性，减少电源电压变化和参数的影响， r51的值应满足 r5110 k。定时电阻应大于 1 k。定时电容 c51应大于 100pf，否则， 不易起振荡。延时电路与控制电路如图 2-10 所示。 图 2-10 延时电路与控制电路图 q9 13 q5 5 q4 7 q6 4 q10 15 q12 1 q7 6 gnd 8 q13 2 q8 14 q14 3 clk0 10 clk0 9 rst 12 clk1 11 vdd 16 cd4060 r61 d61 in 1 out 2 en 5 gnd 4 out 3 twh8751 1 2 流流流流 r53 c51 d51 r51 r52 供热系统的监测与控制设计 20 2.7.2 元器件的选择 cd4060 是 cmos 振荡/分频器，芯片内部包括一个振荡器 14 级 2 分频电路，计数器 在输入时钟脉冲1 的下降沿计数，当复位端“r”施加“1”电平时输出全部为 0，输出 q4q10 及 q11q13 电路的时钟输出端还带有一个可供使用的几个串接反相器，通过 外接电阻、电容或晶体等部分可方便地构成 rc 振荡器、晶体振荡器和施密特整形电路3。 表 2-7 和图 2-11 分别表示出了 cd4060 的功能真值表和引脚土。 表 2-7 cd4060 功能真值表 1（1 脚)r（12 脚）功能 低点平变高电平0不变 高点平变低电平0计数 任意1清除（q4q13=0） 图 2-11 cd4060 的引脚图 控制器由集成块 twh8751 等构成，它控制电磁阀门的开关。twh8751 是高速功率 开关集成电路。其控制端、选通端与输出端的逻辑关系见表 2-8。选通具有优先处理功能， 当选通为高电平时，无论控制为何种状态，输出都是关；只有当选通为低电平时，控制 方能起作用。表 2-8 和图 2-12 分别表示出 twh8751 的功能表与引脚图。 8 r 12 1 11 0 10 0 9 vdd vss 14 q8 13 q9 15 q10 1 q11 2 q12 3 q13 6 q7 4 q6 5 q5 7 q4 16 供热系统的监测与控制设计 21 表 2-8 控制、选通与输出的逻辑关系 选 通 端控 制 端输 出 端 10 或 1关 00关 01开 图 2-12 twh8751 的引脚图 d61选用 1n4007 晶体二极管，它是硅整流二极管，除主要用于电源电流做整流元件 外，还有限幅、箝拉、保护、隔离等多种灵活应用4。表 2-9 表示了 1n4007 的主要参数 特性。 表 2-9 1n4007 的主要参数特性 反相峰值 电压 vr 反向电压 有效值 vr（rms ） 不重复浪 涌电流峰 值 ipsm 平均整流 电流 i0 工作和储 存结温范 围 tj，tstg 瞬时最大 正向压降 vf 最大反向电 流 tj=100ir 全周期最 大平均反 向电流 ir 1000v700v30.0a1.0a- 6517 5 1.1v1.0a30a d51为 2cp 晶体二极管。元器件参数： r51=2m，r53=51 k，r61=400； r52，c51根据设计要求选取。 1 输入 4 gnd 5 （控制） 2，3 输出 供热系统的监测与控制设计 22 第三章 暖气集中供热系统的整体设计 暖气集中控制系统由前面讲到的控制器、关气报警电路、电磁阀门、温控电路、声 控电路、热控电路、延时电路和电源电路等组成。它具有以下三种功能： （1）来暖气时，阀门自动打开，室内开始预热。 （2）无人或有人离开时，阀门延时半小时后关闭。 （3）有人时，室内自动恒温控制，且室温可调。此外，还有关气报警功能等。 暖气集中供热系统的监测与控制系统电路图如图 3-1 所示。 q9 13 q5 5 q4 7 q6 4 q10 15 q12 1 q7 6 gnd 8 q13 2 q8 14 q14 3 clk0 10 clk0 9 rst 12 clk1 11 vdd 16 cd4060 in 3 out 2 adj lm317 2 3 1 411 1 ic1a 11 8 10 9 3 ic3c 411 14 12 13 4 ic4d r2 r3 r62 r15 r12 r14 r61 r17 r16 c41 c22 c3 c51 d 12 h s 1 2 p1 t1 d11 d12 d52 d51 d1 d2 d21 d47 d61 led mk1 r13 in 1 out 2 en 5 gnd 4 out 3 twh8751 vcc d41 d42 r21 r22 r23 r33 r34 r44 r31 c21 r36 r35 r37 r24 vcc c31 d10 r43 r42 r41 r51 r52 r53 vcc 1 2 流流流流 411 5 6 7 2 ic2b c11 +u0 +6v r25 流流流流 +12v c1c2 r1 r11 r32 图 3-1 暖气集中供热系统的监测与控制电路图 3.1 工作原理 来暖气时，首先是热控电路翻转，延时电路被清零并开始计时，输出低电压。控制器 twh8751 的选通脚为低电位，故输出由脚控制。由于室内温度低，温控电路输出高电 位，并控制 twh8751，使阀门打开，室内升温；如果半小时内室内无人，则计数结束， cd4060 输出高电位（并自锁） ，选通端为高电位，自行关气。如果一定的时间内有人来， 则声控电路输出正电压，使 cd4060 清零，并输出低电位。由于室内有人，故经常发出声 音，如谈话声、咳嗽声、脚步声、板凳的声音等等，使 cd4060 经常被清零而保持低电位 供热系统的监测与控制设计 23 输出，这时，控制器受低电位控制，使室内恒温。如果在半小时内一直未发出声音，则 在关气前某一时段发出关气预报（声、光报警信号） 。由于压电陶瓷片发出的声音极轻微， 故不会触发声控电路而导致失控。当室内的人（如果有人的话）看到或是听到声光信号 时，可咳嗽一声或发出其他声响，则计数电路得以清零而重新开始计时。如果人离开房 间，则半小时后阀门自动关闭。 系统电路中各部分实际所需的是 6v 的直流电压，而我设计的直流稳压电源输出直流 电压是 12v，因此，电阻 r62主要起限流和降压的作用。同时，温控电路中还使用了两个 3v 的稳压二极管进行稳压，以保证供电的稳定性；d51在延时电路中起锁定作用，当 cd4060d 的 3 脚输出高电平时导通，振荡器停振，保持 3 脚高电平不变；二极管 d52、d53用于防止声控电路与热控电路两电路的相互影响而设置的。 3.2 元器件的选择 d52选择的是 2cp 晶体二极管，d53选择的是 2ap 晶体二极管。 设计要求： 根据我们设计的要求，所需要的供给系统的供电电压是 12v 的直流电压，电流为 50ma；延时电路产生的延时时间约为 30 分钟，在这段时间内有人来时，则声控电路输 出正电压，使 cd4060 清零，重新计时。如果在 30 分钟内无人发出声响，如讲话声、咳 嗽声、脚步声、搬椅子的声音等，则在关气前 7 分钟发出关气预报（声、光报警信号） 。 3.3 参数的计算 3.3.1 稳压电源电路 根据设计要求已知 u0=12v，i0=50ma，u2=15v；滤波电容 c1根据表 2-3（滤波电容 容量与负载电流的关系）选取得到 c1=2000f；另外参考其它电路取 c2=10f，c3=22f，不但可以抑制高频干扰和防止可能产生自激，且有利于稳压器的安 全；由式（2-6）可得： r2/r1=u0/1.25-1=12/1.25-1=8.6 (3-1) 当取 r1=500时，则 r2应为其数值的 8.6 倍即 4300，在保留一定余量的情况下可 取其 r2=5k； r3为等效负载电阻： r3=u0/i0=24 (3-2) 因为 iii0=50ma i2=（1.52）ii=（1.52）i0=（75100）ma (3-3) 所以我们取其值为 i2=100ma 变压器次级功率 p2： p2=i2u2=0.115=1.5w (3-4) 供热系统的监测与控制设计 25 u=u21.2=18v (3-5) 供热系统的监测与控制设计 26 3.3.2 关气报警电路 r41=47 k，c41=0.01f，r42=10 k，r43=10 k，r44=1 k。 通常，cd4060 的 1、2 脚均为低电位，d41、d42导通，ic4负输入端被箝位于电源负 端。故不产生振荡，且 ic4输出端呈高电位，led 不亮。只有经过了： t/2213+t/221222.5min (3-6) 后，1、2 脚方能同时为正，d41、d42截止，ic4才有可能产生振荡，并受控于 cd4060 的 7 脚，7 脚低电位时，不振荡（d43导通） ，高电位时振荡（d43截止） ，间歇周期为：t24 3.5s，这样就会在系统关气前 7 分钟发出关气报警（声、光报警信号） 。 3.3.3 延时电路 r51=2m，r52=1m，c51=0.1f，r53=51k cd4060 的 9、10、11 脚及 r52，c51构成的振动器的周期为： t=2.2r51c510.22s （3-7） 输出端 3 脚在开机时为低电平，经过 t/221430min 后跳变为高电平，产生控制作用。 供热系统的监测与控制设计 27 第四章 温控电路与控制器印制线路板的设计 具有印制电路的绝缘板叫做印制线路板，简称印制板。印制线路板在电子产品中通 常有三种作用： （1）作为电路中元件和器件的支撑件； （2）提供电路元件与器件之间的电气连接； （3）通过标记符号把安装在印制板上面的元件与器件标注出来。这样有助于元件与 器件的插装和电气维修，同时大大减少接线数量的接线错误。 印制板有单面印制板（绝缘基板的一面有印制电路） 、双面印制板（绝缘基板的两面 有印制电路） 、多层印制板（在绝缘基板上制成三层以上印制电路）和软印制板（绝缘基 板是软的层状塑料或其他质软的绝缘材料） ，一般电子产品使用单面和双面印制板。在导 线的密度较大，单面板容纳不下所有的导线时使用双面板。双面板布线容易，但制作较 难、成本较高，所以从经济角度考虑尽可能采用单面印制板。 4.1 protel 99 简介 cad 是 computer aided design（即计算机辅助设计）的简称，早在 20 世纪 70 年代 军工部门就利用计算机来完成飞机、火箭等航空、航天器的设计工作。电子线路 cad 的 基本含义就是使用计算机来完成电子线路的设计过程，包含电原理图的编辑、电路功能 仿真、工作环境模拟、印制板设计（自动布局、自动布线）与检测等。电子线路 cad 软 件还能迅速形成各种各样的报表文件，如元件清单报表，为元器件的采购及工程预决算 等提供了方便5。 美国 accel technologies 公司于 1988 年推出了在当时非常受欢迎的电子线路 cad 软件包tango，它具有操作方便、易学、实用、高效的特点，但随着集成电路技术 的不断进步集成度越来越高，引脚数目越来越多，封装形式也趋于多样化 ，使电子