音乐喷泉毕设论文.doc

摘要 摘 要 随着社会生活的发展 人们日常生活的水平逐渐提高 人们的审美需求也 渐渐高涨起来 城市生活中的音乐喷泉已经渐渐趋于平常化 大众化以满足人们 日益增长的审美需求 这就要求我们应该对音乐喷泉这一艺术形式进行较为深入 的分析和研究 本文针对音乐喷泉这一系统 首先 介绍了音乐喷泉的发展现况 工作原 理和形成过程 紧接着介绍了我所设计的音乐喷泉在 proteus 仿真开发环境下的 电路图 其次 为使读者能理解其在本设计中的工作原理 介绍单片机的各项知 识 包括单片机的内部结构和引脚等 接着 介绍了设计中使用的继电器和电磁 阀的各方面知识 包括各自的分类 工作原理和参数以及各自的选用时的注意事 项和故障排除等 最后 还介绍了在 keil 开发环境下单片机的 C 语言原程序 关键词 音乐喷泉 proteus 单片机 继电器 电磁阀 keil ABSTRACT ABSTRACT Along with the development of social activities daily life of the peo ple level gradually improve people s aesthetic demand also gradually rise city life in the music fountain has gradually become popular popularin order to meet the growing needs of people s aesthetic needs this re quires that we should to the music fountain this art form to carry on amore thorough analysis and research The music fountain this system firstly introduces the current situation of the development of music fountain working rinciple and process of forming followed by introduction of I design the music fountain simulation development environment in the circuit diagram secondly to enable readers to understand the design principle of work the introduction of SCM knowledge including the internal structure of single and pin then the design introduced the use of the relay and the electromagneticvalve in all aspects of knowledge including their classification workingprinciple and parameters as well as their choice of cautions and troubleshooting Finally it also introduced the development environment in keilsinglechip C language program Keyawords music fountain Proteus single chip micro computerrelay electromagnetic valve Keil 目录 i 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 1 音乐喷泉概述 1 第二章第二章 总体设计总体设计 3 3 2 1 产生音乐 3 2 2 产生水柱 3 2 3 驱动环节 3 2 4 电路图及其分析说明 4 第三章第三章 单片机部分结构功能简介单片机部分结构功能简介 7 7 3 1 单片机的概念 7 3 2 单片机芯片内部结构 8 3 3 主要常用引脚 11 3 4 STC89C52 单片机简介 13 第四章第四章 继电器介绍继电器介绍 1515 4 1 继电器概述 15 4 2 继电器工作原理 15 4 3 继电器元件符号 15 4 4 器件作用 15 4 5 继电器的分类 16 4 6 继电器的选用条件 16 4 7 继电器的选用注意事项 17 4 8 继电器的动作时间问题 18 4 9 继电器与接触器的区别 20 第五章第五章 电磁阀简介电磁阀简介 2323 5 1 电磁阀概述 23 5 2 电磁阀工作原理 23 5 3 电磁阀的分类 24 5 4 电磁阀选用时的注意事项 25 5 5 故障与排除 27 目录 ii 5 6 进口电磁阀的用途 28 5 7 电磁阀与电动阀的区别 29 第六章第六章 本设计的本设计的 C C 语言程序语言程序 3333 第七章第七章 总结总结 3939 致谢致谢 4141 参考文献参考文献 4343 第一章 绪论1 第一章 绪论 1 1 音乐喷泉概述 音乐喷泉是通过喷泉造型 结合五颜六色的彩光照明 来反映音乐的内涵及 音乐的主题 一座好的音乐喷泉 水形的变化应该能够充分地表现乐曲 音乐喷泉一般是程序控制喷泉的基础上的音乐表演喷泉加入音乐控制系统 计算机通过鉴定的音频和 MIDI 信号 经过解码和编码 得出最后的信号输出到 控制系统 使喷泉的造型 照明的变化随音乐保持同步 从而达到水型喷泉 光 色的变化与音乐情绪的完美结合 通过喷泉进行表演 表现出生动 丰富的内容 用户可以编辑界面编写自己喜爱的音乐节目 播放系统可以达成音乐 水 灯光 气氛统一 播放同步 由于音乐喷泉的发展起源得比较早 这方面的技术已经发展得相当成熟 现在 在许多城市中都可以看到音乐喷泉 其灯光和音乐以及喷泉之间的相互配合也十 分巧妙而具有美感 甚至还已经做出有音乐喷泉的小游戏 将音乐喷泉的实体变 成了虚拟的电脑程序 音乐喷泉设计 2 第二章 总体设计3 第二章 总体设计 2 1 产生音乐 音乐是由各种音调和其对应的不同节拍的发声而产生的 而音调则是一系列 的特定频率的振动 所以可以通过用扬声器发出特定频率的振动 即通以特定频 率的脉冲方波来使之发声 从而发出不同的音调 而音调对应的节拍 则可以用 这些脉冲的长短来控制 而这些特定方波 可以用单片机来实现 在前期的软件 仿真时 我用的一直是 5V 的蜂鸣器 电脑上的仿真效果不错 但真正硬件制作 的过程中我发现用蜂鸣器的声音来播放音乐杂音比较多 音质不如扬声器 故我 在硬件制作时用的是一个 5V 的扬声器 而不是蜂鸣器 2 2 产生水柱 音乐喷泉的水柱的高低必须能由音乐的某种信号来控制 在此我选择的是音 符音调的高低和音符发声的长短 两者的加权平均 所以可以用一个开关来控 制水柱的高低 开关开的时间长则水柱高 否则反之 要达到这样的效果 电磁 阀 在下一章中有详细介绍 无疑是一个很好的选择 2 3 驱动环节 在此次毕业设计中 执行单元无疑应该是能够充当喷水阀门的电磁阀 但由 于电磁阀的驱动电压比较大 较低的电压都为 24V 而这不可能由一个单片机 5V 的输出信号来直接带动 所以我需要达到一个由弱电来控制强电的效果 而 这 能够与单片机的 5V 电压相匹配的继电器无疑是一个绝佳的选择 总的说来 我的思路是 通过单片机的内部程序产生出一系列特定频率的脉 冲方波 从而驱动扬声器产生音乐 单片机的内部信号同时带动继电器开关动作 继电器再控制电磁阀的开关来调节水柱的高低 音乐喷泉设计 4 2 4 电路图及其分析说明 下面是我设计的电路图 图 2 1 硬件电路图 由于电磁阀在 proteus 仿真软件内我没有找到 故我在右下角用了一个圆 形灯泡来代表 电路图分析说明 上图的连接包含着单片机的一个产用系统 最小系统 12MHz 的晶振与两个接地电容产生工作周期的脉冲 分别接在对应的 XTAL1 和 XTAL2 管脚上 管脚部分的内容在下一章将详细说明 同时 9 号复位管脚通过一 个电阻接地亦保持低电平 31 号管脚接 5VVCC 以保持高电平 5VVCC 电源通过两 个电容接地以滤掉电源中的高频分量 从而保证了电源电压的稳定电压输出 第二章 总体设计5 因为仿真软件的单片机管脚没给出 VCC 和 GND 管脚 所以没这两个管脚的连 接没有画出 实际连接时需要注意连接上 音乐喷泉设计 6 第三章 单片机部分结构功能简介7 第三章 单片机部分结构功能简介 3 1 单片机的概念 单片机的全称是单片微型计算机 Single Chip Microcomputer 它是微型计 算机层次内与通用型微机不同 单片机的生存之道在于面向过程控制 由于它集 成度高 体积小 因此称被称为微控制器 Microcontroller 单片机在结构上的最大特点是将中央处理单元 CPU 程序存储器 ROM EPROM EEPROM 及 Flash ROM 数据存储器 RAM 输入输出接口 可 编程定时计数器等功能单元集成在一块芯片上 有的甚至包含 A D 转换器和 LCD 显示接口等 因而可以构成一个相对完备的计算机系统 设计者可以根据自己的 实际需要进行设计和开发 所以其应用十分方便灵活 成本也低 由于过去常用的一种单片机型号为 AT89C51 单片机 其资料易于查找 故以 下用其为例子来介绍单片机的各个方面 AT89C51 外形如下图 图 3 1 AT89C51 的外形及其引脚 音乐喷泉设计 8 3 2 单片机芯片内部结构 单片机是一个种类繁多的大家族 在技术上也存在着一定的差异 因此在介 绍是很难全面涉及 这里以最具代表性的 51 系列单片机为主体来展开相关知识 的介绍 因为许多厂商生产的单片机在技术上 甚至是在芯片的引脚上都与它是 兼容的 通过对 51 系列单片机的学习 可以达到举一反三 触类旁通的作用 1 中央处理器 中央处理器又称 CPU 它由运算器 控制器等组成 程序中所执行的算术运 算 逻辑运算 位运算及移位运算都在运算器内实现 它是一个负责运算处理的 器件 控制器则是单片机的调度指挥核心 控制着程序的有效运行 运算器中有算术逻辑单元 ALU 状态寄存器 PSW 等 在控制器中则有程序计 数器 PC 指令寄存器等 2 通用寄存器 通用寄存器共有 32 个 被分为 4 组 每组有 8 个被命名为 R0 R7 在一个 具体的时刻 CPU 只能使用其中的一组 具体的选择方法是使用程序状态寄存器 的 PS0 和 RS1 通过寄存器的地址映射关系见下表 表 3 1 通用寄存器地址映射关系表 RS1RS0 组别R0 R7 所占单元地址 00 0 组 00H 07H 01 1 组 08H 0FH 10 2 组 10H 17H 11 3 组 18H 1FH 3 特殊功能寄存器 特殊功能寄存器用于作为与片内外围器件的接口 如并行接口 串行接口 定时 计数器及中断系统等 通过特殊功能寄存器可以向片内的外围器件写入数 据进行控制 也可以从片内的外围器件读取相应的处理结果 4 内部存储器 第三章 单片机部分结构功能简介9 在单片机的内部 程序存储空间和数据存储空间是独立设置的 而这些存 储空间又被映射到四个区域 即片内程序存储器 片外程序存储器 片内数据存 储器及片外数据存储器 1 程序存储空间 程序存储空间可以映射为内程序存储器和片外程序存储器 具体被映射到 哪一存储器 由单片机的 EA 引脚决定 当 EA 引脚为低电平时 被映射到外程序存 储器 具体的内部程序存储空间大小受单片机型号的影响 如 AT89C51 的内部 5 并行输入输出 口 并行 I O 口是单片机的一个重要部分 它承担着与外部交换信息的作用 该 I O 口集输入缓冲 输出所存及驱动于一体 对于 51 系列的单片机共有 4 个 8 位 的并行 I O 口 分别是 P0 P1 P2 P3 口 这些 I O 口不但有输入输出的作用 有些还具有第二功能 以便于系统的扩展 P0 口的输入输出为漏极开路式驱动 需要外接上拉电阻 阻值在 5 10K 之间 而 P1 P3 口则有内部的上拉电阻 无需再外接 当用 P0 口做地址或数据线时 由于 其可以直接驱动起 CMOS 输入 故也无需再外加提升电阻 P1 口被称为准双向接口 它在执行输入操作时 若锁存器的数据为 0 则引脚 电位始终被钳制为低电平 不能被输入高电平 为此必须在输入之前 使输入指令 将其置一 所以在 P1 口进行输入前 必须使用指令对端口的电位进行上拉 P2 口和 P0 口可以联合进行存储器的扩展 此时 P0 口复用地址的低 8 为和数 据线 地址信号利用 ALE 引脚信号加以锁存 P2 口则作为地址的高 8 位 P3 口除了用作准双向 I O 口之外 其还具有第二功能 6 定时 计数器 在单片机内部集成有两个 16 为的定时 计数器 T0 和 T1 可以对外部事件进 行计数或计时处理 对于高档的单片机 则有 3 个定时 计数器 定时计数器通常由 4 种工作方式 方式 0 定时计数器 TO 和 T1 均可工作于方式 0 此时的定时计数器只有 13 位 其中 TH 为高 8 为 TL 则只使用低 5 位 当 C T 为 1 时 输入的脉冲信号用于技术 而 C T 为 0 时 输入的脉冲信号 用于计时 TR 为控制信号 控制技术揩干的通与断 TR 1 时 允许进行计数 音乐喷泉设计 10 而在 GATE 1 时 技术开关的动作还要受 INT1 的控制 若要免除该控制 可以再 初始化时 把 GATE 置 0 方式 1 定时计数器 T0 和 T1 皆可以工作于方式 1 此时其与方式 0 的区别 在于两者的计数器位数不同 方式 1 的计数器是 16 位的 方式 2 定时计数器 T0 和 T1 也皆可以工作于方式 2 此时的计数器只有 8 位 此时 TH 用于作为时间常数的后备寄存器 在方式 0 和方式 1 中 计数器计 数溢出时 TH 和 TL 江北全部复位清零 若继续使用 则需要有程序重新装入时间 常数 对于方式 2 则无需重新装入时间常数 一旦发生溢出 会由后备寄存器 自动装入时间常数 从而免去了指令的干预 方式 3 只有 T0 才能选择方式 3 此时 TH0 和 TL0 被分开使用 形成 2 个独 立的 8 为计数器 TR1 用作脉冲信号的通断控制 TF1 作为溢出标志 此时的 TH0 只能用作定时处理 对于 TL0 由于受 C T 的控制 既可以作为定时器也可以作 为计数器 同样 TR0 用作脉冲信号的通断控制 TF0 作为溢出标志 当 T0 工作在方式 3 时 T1 可以工作在方式 0 方式 1 或者 2 下 但此时的 TR1 和 TF1 已经被占用 所以不再有控制脉冲通断和溢出中断的功能 7 中断系统 中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理 AT89S51 共有 5 个中断源 其中有 2 个外部中断源和 3 个内部中断源 每个 51 单片机处理周期包括 12 个时钟周期 每 12 个时钟周期用来完成一 个操作 如取指令等 指令执行时间为时钟频率除以 12 后取倒数 如果时钟频 率是 11 059MHZ 则除以 12 后得到了每秒执行的指令为 921583 条 再取倒数将 得到每条指令所需的时间为 1 085us 第三章 单片机部分结构功能简介11 图 3 2 51 单片机的基本结构 3 3 主要常用引脚 VCC 40 脚 接 5V 电源正极 VSS 20 脚 接地端 电源电压范围是 4 5 5V 最高电源电压为 6 6V 任何引脚对地的电压范围是 1 7V 外接晶体引脚 XTAL1 19 脚 接外部石英晶体的一端 在单片机内部 它是相反放大的输入 端 这个放大器构成了片内振荡器 当采用外部的时钟时 该引脚作为外部振荡 信号的输入端 XTAL2 18 引脚 接外部石英晶体的另一端 在单片机内部 它是反向放大器 的输出端 输入 输出引脚 1 P0 口 P0 0 P0 7 引脚 39 32 P0 口具有漏极开路结构 还具有双重功能 作为输出使用时 需要外接上拉电阻 在作为 口使用时 T1 管夹断 若作为输入端使用 需要先将 1 写入端口 使 T2 管夹断 P0 口可作为地址总线 AB0 AB7 也可作为数据总线 DB0 DB7 音乐喷泉设计 12 P0 口可驱动 8 个 LSTTL 低功耗肖特基 TTL 其他端口可以驱动 个 LSTTL 1 个 LSTTL 负载为 0 4mA 2 P1 口 P1 0 P1 7 引脚 1 8 P1 口内部具有上拉电阻 因此可以作为准双向 使用 作为输入端使用时 需要先将 1 写入端口 使 T2 管夹断 3 P2 口 P2 0 P2 7 引脚 21 28 P2 口内部具有上拉电阻 因此可以作为准双向 口使用 作为输入端使用时 需要先将 1 写入端口 使 T2 管夹断 在将有片外存储器时 P2 口作为 8 位地址总线 AB8 AB15 4 P3 口 P3 0 P3 7 引脚 10 17 P3 口具有上拉电阻 可作为准双向 口使用 作为输入端使用时 需要先将 1 写入端口 使 T2 管夹断 P3 口的每个引脚还有第 2 个功能 P3 0 为串行输入端口 RXD P3 1 为串行口输出端口 TXD P3 2 为外部中断 0 INT0 P3 3 为外部中断 1 INT1 P3 4 为定时 计数器 0 的外部输入口 T0 P3 5 为定时 计数器 1 的外部输入口 T1 P3 6 为外部数据存储器写选通 WR P3 7 为外部数据存储器写选通 RD RST 引脚 9 该引脚为单片机的上电复位引脚 高电平有效 当单片机电源电压达到单片机工 作电压 同时单片机振荡器正常工作后 该引脚上必须持续两个机器的周期的高 电平 才能实现复位操作 使单片机恢复到初始状态 复位引脚具有双向功能 当上电时 外加电容与单片机内部下拉电阻形成复位电 路使单片机复位 当单片机内部的看门狗 WDT 溢出时 该引脚输出高电平 不仅复位单片机 也复位单片机外部需要复位的芯片 以保持各芯片之间复位动 第三章 单片机部分结构功能简介13 作的一致性 若需要 RST 引脚输出复位信号 则需要 1 10K 的外部复位电阻 1 在只需要上电复位的系统中 由于单片机内部具有下拉复位电阻 阻值为 50 300K 所以可以不要外部下拉电阻 电容值可以减小到 1uF 一般来说电 源达到工作电压值的时间一般在 10ms 以内 时钟为 12MHZ 时 起振时间小于 1ms 上面我介绍完了 AT89C51 的各项参数及常用引脚分布 但由于 ATMEL 公司生 产的 AT89C51 单片机在下载 HEX 文件时需要用到专用下载器 而 STC89C52RC 单 片机则十分通用 并且其管脚与 AT89C51 一致 故毕设中我采用的单片机型号为 STC89C51RC 在下面对它做一些比较和介绍 3 4 STC89C52 单片机简介 STC89C521 低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器具有 8K 在系统可编程 Flash 存 储器 8 个 CPU 在一个芯片上 智能和在系统可编程 Flash 使得许多嵌入式控 制应用的 STC89C52 提供了一个灵活 超有效的解决方案 具有以下标准功能 8K 字节 Flash 512 字节 RAM 32 位 I O 线 看门狗定时器 内置 4KB 的 EEPROM MAX810 复位电路 三个 16 位定时器 计数器 一个 6 向量两个中断结构 一个全双工的串行端口 STC89X52 除了可以被减少到 0Hz 的静态逻辑操作 还 支持两种软件可选的节电模式 在空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时 计数器 串口和中断系统继续工作 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定 时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器 被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 最高运作频率 35Mhz 6T 12T 可选 表 3 2 STC89C52RC 和 atmel 的对比 STC89C52RC 单片机AT89S52 单片机 8K 字节程序存储空间8K 字节程序存储空间 512 字节数据存储空间256 字节数据存储空间 音乐喷泉设计 14 内带 4K 字节 EEPROM 存储空间没有内带 EEPROM 存储空间 可直接使用串口下载不能直接使用串口下载 第四章 继电器介绍15 第四章 继电器介绍 音乐喷泉设计 16 4 1 继电器概述 继电器是一种电控制器件 又被成为电磁继电器 是构成继电器顺序控制 电路的主要电器 继电器通过用电磁感应的原理 通过弱电流吸合线圈的开关 从而控制强电流或强电压的开关 达到弱电控制强电的效果 并且很好地保护了 弱电电路 是电气控制电路中的常用器件 4 2 继电器工作原理 枢轴式继电器的工作原理 枢轴式继电器在贴心上饶有线圈 当 线圈中流有电流时 贴心就变成电磁 铁吸引铁片 在此铁片上装有电气触电 从而能够起到电路开关作用 这就是 继电器 继电器通常由线圈部分 触电部分以及机械可动部分构成 一旦有电流通 过 铁心中就产生磁力 励磁 吸引可动部分的铁片 触电动作 如果没有 电流通过 则铁心的磁力就会消失 弹簧力起作用 使可动部分复位 触电复 原 这就是继电器的工作原理 4 3 继电器元件符号 因为继电器是由线圈和触点组两部分组成的 所以继电器在电路图中的图 形符号也包括两部分 一个长方框表示线圈 一组触点符号表示触点组合 当 触点不多电路比较简单时 往往把触点组直接画在线圈框的一侧 这种画法叫 集中表示法 4 4 器件作用 继电器是具有隔离功能的自动开关元件 广泛应用于遥控 遥测 通讯 自动控制 机电一体化及电力电子设备中 是最重要的控制元件之一 继电器一般都有能反映一定输入变量 如电流 电压 功率 阻抗 频率 第四章 继电器介绍17 温度 压力 速度 光等 的感应机构 输入部分 有能对被控电路实现 通 断 控制的执行机构 输出部分 在继电器的输入部分和输出部分 之间 还有对输入量进行耦合隔离 功能处理和对输出部分进行驱动的中间机 构 驱动部分 作为控制元件 概括起来 继电器有如下几种作用 1 扩大控制范围 例如 多触点继电器控制信号达到某一定值时 可以 按触点组的不同形式 同时换接 开断 接通多路电路 2 放大 例如 灵敏型继电器 中间继电器等 用一个很微小的控制量 可以控制很大功率的电路 3 综合信号 例如 当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时 经过比较综合 达到预定的控制效果 4 自动 遥控 监测 例如 自动装置上的继电器与其他电器一起 可 以组成程序控制线路 从而实现自动化运行 4 5 继电器的分类 表 4 1 继电器的分类 外形尺寸负载防护特征动作原理 微型继电器微功率型密封式电磁型 超小型微型弱功率型封闭式感应型 小型微型中功率型敞开式整流型 大功率型电子型 4 6 继电器的选用条件 1 先了解必要的条件 控制电路的电源电压 能提供的最大电流 被控制电路中的电压和电流 被控电路需要几组 什么形式的触点 选用继电器时 一般控制电路的 音乐喷泉设计 18 电源电压可作为选用的依据 控制电路应能给继电器提供足够的工作电流 否 则继电器吸合是不稳定的 2 查阅有关资料确定使用条件后 可查找相关资料 找出需要的继电器的 型号和规格号 若手头已有继电器 可依据资料核对是否可以利用 最后考虑 尺寸是否合适 3 注意器具的容积 若是用于一般用电器 除考虑机箱容积外 小型继电器 主要考虑电路板安装布局 对于小型电器 如玩具 遥控装置则应选用超小型继 电器产品 4 7 继电器的选用注意事项 1 继电器的选择 继电器额定工作电压的选择 继电器额定工作电压是继电器最主要的一项技术参数 在使用继电器时 应该首先考虑所在电路 即继电器线圈所在的电路 的工作电压 继电器的额 定工作电压应等于所在电路的工作电压 一般所在电路的工作电压是继电器额 定工作电压的 0 86 注意所在电路的工件电压千万不能超过继电器额定工作电 压 否则继电器线圈烧毁 另外 有些集成电路 例如NE555 电路是可以直 接驱动继电器工作的 而有些集成电路 例如 COMS 电路输出电流小 需要加 一级晶体管放大电路方可驱动继电器 这就应考虑晶体管输出电流应大于继电 器的额定工作电流 2 继电器的选择 触点负载的选择 触点负载是指触点的承受能力 继电器的触点在转换时可承受一定的电压 和电流 所以在使用继电器时 应考虑加在触点上的电压和通过触点的电流不 能超过该继电器的触点负载能力 例如 有一继电器的触点负载为 28V DC 10A 表明该继电器触点只能工作在直流电压为 28V 的电路上 触点电流为 10A 超过 28V 或 10A 会影响继电器正常使用 甚至烧毁触点 3 继电器的选择 继电器线圈电源的选择 这是指一是选择继电器线圈使用的 电压 是直流电 DC 还是交流电 第四章 继电器介绍19 AC 二是选择继电器接触端所能通过的电流 通常 初学者在进行电子制作 活动中 都是采用电子线路 而电子线路往往采用直流电源供电 所以必须是 采用线圈是直流电压的继电器 4 8 继电器的动作时间问题 1 低压电器关于继电器 断路器 接触器的动作响应时间 先进水平 20ms 或过慢 在多个继电器顺序切换中就会出现 逻辑顺序紊乱的情况 3 特别是公用同一个动触点的常闭 常开分别断开一个电路 接通另一个 电路的时候 常常出现一个电路还没来得及完全断开另一个电路已经闭合 4 如果上述两个电路同时闭合时 电路会出现严重短路事故 那就会惹下 大麻烦 5 碰到这种情况时 一定要注意各继电器 接触器 断路器间的顺序连锁 6 各继电器 接触器 断路器间的顺序连锁 可用有效的排出由于继电器 时间响应慢而造成地事故 按使用环境选型 使用环境条件主要指温度 最大与最小 湿度 一般指 40 下的最大相 对湿度 低气压 使用高度 1000 米以下可不考虑 振动和冲击 此外 尚 有封装方式 安装方法 外形尺寸及绝缘性等要求 由于材料和结构不同 继 电器承受的环境力学条件各异 超过产品标准规定的环境力学条件下使用 有 可能损坏继电器 可按整机的环境力学条件或高一级的条件选用 对电磁干扰或射频干扰比较敏感的装置周围 最好不要选用交流电激励的 继电器 选用直流继电器要选用带线圈瞬态抑制电路的产品 那些用固态器件 或电路提供激励及对尖峰信号比较敏感地地方 也要选择有瞬态抑制电路的产 品 按输入信号不同确定继电器种类 音乐喷泉设计 20 按输入信号是电 温度 时间 光信号确定选用电磁 温度 时间 光电 继电器 这是没有问题的 这里特别说明电压 电流继电器的选用 若整机供 给继电器线圈是恒定的电流应选用电流继电器 是恒定电压值则选用电压继电 器 输入参量的选定 与用户密切相关的输入量是线圈工作电压 或电流 而吸合电压 或电 流 则是继电器制造厂控制继电器灵敏度并对其进行判断 考核的参数 对用 户来讲 它只是一个工作下极限参数值 控制安全系数是工作电压 电流 吸合电压 电流 如果在吸合值下使用继电器 是不可靠的 不安全的 环 境温度升高或处于振动 冲击条件下 将使继电器工作不可靠 整机设计时 不能以空载电压作为继电器工作电压依据 而应将线圈接入作为负载来计算实 际电压 特别是电源内阻大时更是如此 当用三极管作为开关元件控制线圈通 断时 三极管必须处于开关状态 对 6VDC 以下工作电压的继电器来讲 还应 扣除三极管饱和压降 当然 并非工作值加得愈高愈好 超过额定工作值太高 会增加衔铁的冲击磨损 增加触点回跳次数 缩短电气寿命 一般 工作值为 吸合值的 1 5 倍 工作值的误差一般为 10 根据负载情况选择继电器触点的种类和容量 国内外长期实践证明 约 70 的故障发生在触点上 这足见正确选择和使 用继电器触点非常重要 触点组合形式和触点组数应根据被控回路实际情况确定 动合触点组和转 换触点组中的动合触点对 由于接通时触点回跳次数少和触点烧蚀后补偿量大 其负载能力和接触可靠性较动断触点组和转换触点组中的动断触点对要高 整 机线路可通过对触点位置适当调整 尽量多用动合触点 根据负载容量大小和负载性质 阻性 感性 容性 灯载及马达负载 确 定参数十分重要 认为触点切换负荷小一定比切换负荷大可靠是不正确的 一 般说 继电器切换负荷在额定电压下 电流大于100mA 小于额定电流的 75 最好 电流小于 100mA 会使触点积碳增加 可靠性下降 故 100mA 称作试验 电流 是国内外专业标准对继电器生产厂工艺条件和水平的考核内容 由于一 般继电器不具备低电平切换能力 用于切换 50mV 50 A 以下负荷的继电器 第四章 继电器介绍21 订货 用户需注明 必要时应请继电器生产厂协助选型 继电器的触点额定负载与寿命是指在额定电压 电流下 负载为阻性的动作 次数 当超出额定电压时 可参照触点负载曲线选用 当负载性质改变时 其触 点负载能力将发生变用 用户可参照表 8 变换触点负载电流 4 9 继电器与接触器的区别 继电器和接触器的工作原理一样 主要区别在于接触器的主触头可通过大 电流 而继电器的触头只能通过小电流 所以 继电器一般不用来直接控制主 电路 而是通过控制接触器和其他开关设备对主电路进行间接控制 本设计是用单片机控制继电器达到以弱控强的电路 我综合了各项因素之后选择 的是单片机和强电之间的桥梁 电磁继电器 电磁继电器是有触点电继电器是有触点电继电器的一种 它是利用电磁效应实现 电路开 关控制作用的原件 广泛应用在电子设备 仪器仪表及自动化设备中 在各种自动设备中 都要求用一个低电压电路提控制一个高电压的电器电路 这 样不仅可以为电子线路和电器电路提供良好的电隔离 还可以保护电子电路和人 员安全 首先看看单片机带继电器的驱动 音乐喷泉设计 22 图 4 1 单片机连接继电器驱动图 这是典型的继电器驱动电路图 这样的电路图在网络上随处可以搜到 并且标准 教科书上一般也是这样的电路图 单片机是一个弱电器件 一般情况下他们大都工作在 5V 甚至更低 驱动电流在 A 级以下 而要把它用于一些大功率场合 比如控制电动机 显然是不行的 所以 就要有一个环节来衔接 这个环节就是所谓的 功率驱动 继电器驱动 就是一个典型的功率驱动环节 在这里 继电器驱动含有两个意思 一是对继电 器进行驱动 因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件 还有就是继电 器去驱动其他负载 比如继电器可以驱动中间继电器 可以直接驱动电磁阀 所 以 继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口 这个很重要 因为 一直让 我们的电气工程师 我指的是那些没有学习过相应的电子技术的 感到迷惑不解 的是 一个小小的芯片 怎么会有如此强大的威力来控制像电动机这样强大的东 西 怎么样理解这个电路图 要理解这个电路图 其实也比较容易 那么请您按照我的我的思路来 应该没 有问题 第四章 继电器介绍23 首先的 里面的三极管很重要 三极管是电子电路里很重要的一个元件 怎么 样理解三极管呢 简单的来说三极管有两个作用一个是放大的作用 一个是开关作用 严格来讲 开关作用是是放大作用的极限情况 不过没关系 把两者分开 更便于理解它的 工作原理 在这里 我们只了解它跟本电路有关的开关作用 首先把三极管想成一个水龙头 上面的 VCC 就是水池 继电器是一个水轮机 下面的 GND 是比水池低的任何一 点 刚才说过 三极管就是水龙头 他的把手就是那个带有电阻的引脚 现在 单片机的某一个需要控制这个继电器电路的输出引脚就是一只 手 当单片机的这个引脚输出低电平的时候 就像 手 在打开三极管 水龙头 水就从上往下流 继电器 水轮机 就开始转起来了 反之 如果是输出高电平 手 就开始关 水龙头 继电器 水轮机 因为没有水流下来 就会停止 这就是三极管的开关作用简单的理解记忆就是 三极管是一个开关器件 其 实你真的可以将它看成是一个开关 只不过它不是用手来控制 而是用电压 电 流 来控制的 因此 三极管有些时候也被称做电子开关 与机械开关相区别 由于在继电器内部有线圈 在开关继电器的瞬间 继电器内部会产生一个较大的 感应电动势 容易对三极管造成损害 所以我们在图上继电器两端加了一个保护 二极管 起到保护外电路的作用 说完了继电器接着当然是看一下电磁阀了 下面让我来简单介绍一下电磁阀 吧 音乐喷泉设计 24 第五章 电磁阀简介25 第五章 电磁阀简介 5 1 电磁阀概述 电磁阀是用电磁控制的工业设备 用在工业控制系统中调整介质的方向 流 量 速度和其他的参数 电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制 而控制 的精度和灵活性都能够保证 电磁阀有很多种 不同的电磁阀在控制系统的不同 位置发挥作用 最常用的是单向阀 安全阀 方向控制阀 速度调节阀等 5 2 电磁阀工作原理 电磁阀里有密闭的腔 在不同位置开有通孔 每个孔都通向不同 图 5 1 电磁阀样图 的油管 腔中间是阀 两面是两块电磁铁 哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引 到哪边 通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔 而进油孔是常开的 液压油就会进入不同的排油管 然后通过油的压力来推动油缸的活塞 活塞又带 动活塞杆 活塞杆带动机械装置动 这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机 械运动 音乐喷泉设计 26 5 3 电磁阀的分类 1 电磁阀从原理上分为三大类 图 5 2 电磁阀样图 1 直动式电磁阀 原理 通电时 电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起 阀门打开 断 电时 电磁力消失 弹簧把关闭件压在阀座上 阀门关闭 特点 在真空 负压 零压时能正常工作 但通径一般不超过 25mm 2 分步直动式电磁阀 原理 它是一种直动和先导式相结合的原理 当入口与出口没有压差时 通 电后 电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起 阀门打开 当入口与 出口达到启动压差时 通电后 电磁力先导小阀 主阀下腔压力上升 上腔压力 下降 从而利用压差把主阀向上推开 断电时 先导阀利用弹簧力或介质压力推 动关闭件 向下移动 使阀门关闭 特点 在零压差或真空 高压时亦能可 动作 但功率较大 要求必须水平 安装 3 先导式电磁阀 原理 通电时 电磁力把先导孔打开 上腔室压力迅速下降 在关 第五章 电磁阀简介27 图 5 3 电磁阀样图 闭件周围形成上低下高的压差 流体压力推动关闭件向上移动 阀门打开 断电 时 弹簧力把先导孔关闭 入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低 上高的压差 流体压力推动关闭件向下移动 关闭阀门 特点 流体压力范围上限较高 可任意安装 需定制 但必须满足流体压差 条件 2 电磁阀从阀结构和材料上的不同与原理上的区别 分为六个分支小类 直动膜片结构 分步直动膜片结构 先导膜片结构 直动活塞结构 分步直 动活塞结构 先导活塞结构 5 4 电磁阀选用时的注意事项 一 适用性 管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致 流体的温度必须小于选用电磁阀的标定温度 电磁阀允许液体粘度一般在 20CST 以下 大于 20CST 应注明 工作压差 管路最高压差在小于 0 04MPa 时应选用如 ZS 2W ZQDF ZCM 系列 等直动式和分步直动式 最低工作压差大于 0 04MPa 时可选用先导式 压差式 电磁阀 最高工作压差应小于电磁阀的最大标定压力 一般电磁阀都是单向工作 因此要注意是否有反压差 如有安装止回阀 流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤器 一般电磁阀对介质要求清洁度 要好 注意流量孔径和接管口径 电磁阀一般只有开关两位控制 条件允许请安装 旁路管 便于维修 有水锤现象时要定制电磁阀的开闭时间调节 音乐喷泉设计 28 注意环境温度对电磁阀的影响 电源电流和消耗功率应根据输出容量选取 电源电压一般允许 10 左右 必须注意交流起动时 VA 值较高 二 可靠性 图 5 4 电磁阀图例 电磁阀分为常闭和常开二种 一般选用常闭型 通电打开 断电关闭 但在开启 时间很长关闭时很短时要选用常开型了 寿命试验 工厂一般属于型式试验项目 确切地说中国还没有电磁阀的专业 标准 因此选用电磁阀厂家时慎重 动作时间很短频率较高时一般选取直动式 大口径选用快速系列 三 安全性 一般电磁阀不防水 在条件不允许时请选用防水型 工厂可以定做 电磁阀的最高标定公称压力一定要超过管路内的最高压力 否则使用寿命会 缩短或产生其它意外情况 有腐蚀性液体的应选用全不锈钢型 强腐蚀性流体宜选用塑料王 SLF 电 磁阀 爆炸性环境必须选用相应的防爆产品 第五章 电磁阀简介29 图 5 5 电磁阀图例 四 经济性 有很多电磁阀可以通用 但在能满足以上三点的基础上应选用最经济的产品 电磁阀安装注意事项如下 1 安装时应注意阀体上箭头应与介质流向一致 不可装在有直接滴水或 溅水的地方 电磁阀应垂直向上安装 2 电磁阀应保证在电源电压为额定电压的 15 10 波动范围内正常工作 3 电磁阀安装后 管道中不得有反向压差 并需通电数次 使之适温后方 可正式投入使用 4 电磁阀安装前应彻底清洗管道 通入的介质应无杂质 阀前装过滤器 5 当电磁阀发生故障或清洗时 为保证系统继续运行 应安装旁路装置 5 5 故障与排除 一 电磁阀通电后不工作 检查电源接线是否不良 重新接线和接插件的连接 检查电源电压是否在 工作范围 调致正常位置范围 线圈是否脱焊 重新焊接 线圈短路 更换线圈 工作压差是否不合适 调整压差 或更换相称的电磁阀 音乐喷泉设计 30 流体温度过高 更换相称的电磁阀 有杂质使电磁阀的主阀芯和动铁芯卡死 进行清洗 如有密封损坏应更换密 封并安装过滤器 液体粘度太大 频率太高和寿命已到 更换产品 二 电磁阀不能关闭 主阀芯或铁动芯的密封件已损坏 更换密封件 流体温度 粘度是否过高 更换对口的电磁阀 有杂质进入电磁阀产阀芯或动铁芯 进行清洗 弹簧寿命已到或变形 更换 节流孔平衡孔堵塞 及时清洗 工作频率太高或寿命已到 改选产品或更新产品 三 其它情况 内泄漏 检查密封件是否损坏 弹簧是否装配不良 外泄漏 连接处松动或密封件已坏 紧螺丝或更换密封件 通电时有噪声 头子上坚固件松动 拧紧 电压波动不在允许范围内 调整 好电压 铁芯吸合面杂质或不平 及时清洗或更换 5 6 进口电磁阀的用途 电磁阀 用于液体和气体管路的开关控制 是两位 DO 控制 一般用于小型 管道的控制 电磁阀 只能用作开关量 是 DO 控制 只能用于小管道控制 常见于 DN50 及以下管道 往上就很少了 1 开关形式 电磁阀通过线圈驱动 只能开或关 开关时动作时间短 2 工作性质 电磁阀一般流通系数很小 而且工作压力差很小 比如一般 25 口径的电 磁阀流通系数比 15 口径的电动球阀小很多 电磁阀的驱动是通过电磁线圈 比 较容易被电压冲击损坏 相当于开关的作用 就是开和关 2 个作用 第五章 电磁阀简介31 电磁阀一般断电可以复位 电动阀要这样的功能需要加复位装置 3 适用工艺 电磁阀适合一些特殊地工艺要求 比如泄漏 流体介质特殊等 价格较贵 5 7 电磁阀与电动阀的区别 1 开关形式 电磁阀通过线圈驱动 只能开或关 开关时动作时间短 电动阀的驱动一般是用电机 开或关动作完成需要一定的时间模拟量的 可 以做调节 2 工作性质 电磁阀一般流通系数很小 而且工作压力差很小 比如一般 25 口径的电磁 阀流通系数比 15 口径的电动球阀小很多 电磁阀的驱动是通过电磁线圈 比较 容易被电压冲击损坏 相当于开关的作用 就是开和关 2 个作用 电动阀的驱动一般是用电机 比较耐电压冲击 电磁阀是快开和快关的 一 般用在小流量和小压力 要求开关频率大的地方电动阀反之 电动阀阀的开度可 以控制 状态有开 关 半开半关 可以控制管道中介质的流量而电磁阀达不到 这个要求 电磁阀一般断电可以复位 电动阀要这样的功能需要加复位装置 3 适用工艺 电磁阀适合一些特殊地工艺要求 比如泄漏 流体介质特殊等 价格较贵 电动阀一般用于调节 也有开关量的 比如 风机盘管末端 电磁阀作为自动化仪表的一种执行器 近年来用量急剧上升 本文分析了电 磁阀的主要特点 并侧重应用的角度对国内成熟技术的发展动态作简要综述分别 在精简化 智能化 通用化 专用化方向作了考察并略对影响电磁阀技术发展的 社会因素作点探讨 电磁阀的主要特点 1 外漏堵绝 内漏易控 使用安全 内外泄漏是危及安全的要素 其它 自控阀通常将阀杆伸出 由电动 气动 液动执行机构控制阀芯的转动或移动 音乐喷泉设计 32 这都要解决长期动作阀杆动密封的外泄漏难题 唯有电磁阀是用电磁力作用于密 封在电动调节阀隔磁套管内的铁芯完成 不存在动密封 所以外漏易堵绝 电动 阀力矩控制不易 容易产生内漏 甚至拉断阀杆头部 电磁阀的结构型式容易控 制内泄漏 直至降为零 所以 电磁阀使用特别安全 尤其适用于腐蚀性 有毒 或高低温的介质 2 系统简单 便接电脑 价格低谦 电磁阀本身结构简单 价格也低 比起调节阀等其它种类执行器易于安装维护 更显著的是所组成的自控系统简单 得多 价格要低得多 由于电磁阀是开关信号控制 与工控计算机连接十分方便 在当今电脑普及 价格大幅下降的时代 电磁阀的优势就更加明显 3 动作快递 功率微小 外形轻巧 电磁阀响应时间可以短至几个毫秒 即使是先导式电磁阀也可以控制在几十毫秒内 由于自成回路 比之其它自控阀 反应更灵敏 设计得当的电磁阀线圈功率消耗很低 属节能产品 还可做到只需 触发动作 自动保持阀位 平时一点也不耗电 电磁阀外形尺寸小 既节省空间 又轻巧美观 4 调节精度受限 适用介质受限 电磁阀通常只有开关两种状态 阀芯 只能处于两个极限位置 不能连续调节 力图突破的新构思不少 但还都处于 试验试用阶段 所以调节精度还受到一定限制 电磁阀对介质洁净度有较高要求 含颗粒状的介质不能适用 如属杂质须先 滤去 另外 粘稠状介质不能适用 而且 特定的产品适用的介质粘度范围相对 较窄 5 型号多样 用途广泛 电磁阀虽有先天不足 优点仍十分突出 所以 就设计成多种多样的产品 满足各种不同的需求 用途极为广泛 电磁阀技术的 进步也都是围绕着如何克服先天不足 如何更好地发挥固有优势而展开 一一 产品选用要点 1 电磁阀选用主要控制参数为通径 设计公称压力 介质允许温度范围 接口尺寸等 2 电磁阀是用电磁铁推动阀门的开启与关闭 通常用于口径在 40mm 以下的 两位式控制中 尤其多用于接通 切断或转换气路 液路等 第五章 电磁阀简介33 3 阀门的密封性能是考核阀门质量优劣的主要指标之一 阀门的密封性能 主要包括两个方面 即内漏和外漏 内漏是指阀座与关闭件之间对介质达到的密 封程度 外漏是指阀杆填料部位的泄露 中口垫片部位的泄露以及阀体因铸造缺 陷造成的泄露 外漏是不允许发生的 4 电磁阀主要优点是体积小 动作可靠 维修方便 价格便宜 选择时需 要注意根据工艺要求选择常开或常闭型 二 安装要点 1 阀门的安装位置 高度必须符合符合口方向 设计要求 连