臭氧发生器电路设计

第0页共21页摘要近年来，臭氧技术已在污水处理、医学、食品、化工生产、空气净化、饮用水杀菌消毒等领域得到广泛应用，并显示出很好的发展前景。然而我国目前工业型臭氧发生器绝大多数为工频高压型，效率低、能耗高、浓度低，使得臭氧技术应用的推广受到阻碍。与工频臭氧发生器相比，中、高频臭氧发生器具有结构紧凑、臭氧浓度高和低电耗等优点，是臭氧发生器向大型发展的基本条件。高频臭氧发生器控制系统要求具有节能、高效、性能稳定、便于控制的特点，这些都是今后臭氧发生器发展的方向。本文设计了一个臭氧发生器电路，当室内有人时能进行空气消毒，其每隔30分钟工作5分钟；室内无人时进行空气清新，连续工作1小时。本文设计主要包括三个部分：控制电路设计、遥控电路设计、电源电路设计。设计中对各个部分的设计思想和参数进行了分析和计算，证明了该方法的可行性。关键词臭氧；清新；消毒目录摘要.1第1章绪论.21.1臭氧的介绍.21.2臭氧发生器简介.31.3臭氧技术产业发展前景.31.4课题研究的主要内容及意义.4第2章设计简述.52.1臭氧发生器电路设计方案论证.52.2设计思路.5第3章单元电路设计.73.1555定时器简介.73.2单元电路设计、元器件选择和参数计算.83.2.1主电路的设计.83.2.2消毒控制电路的设计.93.2.3清新控制电路的设计.103.2.4遥控电路的设计.113.2.5电源电路的设计.12第4章电路性能指标验算及总体工作原理.144.1电路性能指标验算.144.1.1消毒电路性能指标验算.144.1.2清新电路性能指标验算.144.2总体电路工作原理.14总结.16致谢.17参考文献.18附录.19I附录1总体电路图.19附录2元器件明细表.20第2页共21页第1章绪论1.1臭氧的介绍臭氧（又名三子氧）是一种有草腥味的淡蓝色气体，分子式，分子量48.00，3O由三个氧原子构成，是氧气的同素异形体。臭氧是一种强氧化剂，易分解，活泼性强。在酸性介质中，其还原电位仅次于氟，是氯的600倍；易溶于水；在常温、常压下分子结构易变；比空气重，是空气密度的1.6倍，在空气中易于沉降扩散。臭氧广泛存在于自然界中，雷雨过后的空气有一种“清新”的感觉便是因为雷雨作用于空气产生了臭氧。臭氧主要功能：1食物净化由表及里的降解果蔬、粮食中残留的化肥、农药等有毒物质，清除肉、蛋中的抗生素、化学添加剂、激素等有害物质，杀灭海鲜中容易引起中毒的嗜盐性菌，把住病从口入关。2饮用水净化自来水经臭氧处理后是一种优质的生饮水。每升水只需通入2分钟即可去除3O水中的余氯，杀菌、消毒、去味、去除重金属，防止致癌物质三氯甲烷的生成，增加水中含氧量，自制理想纯净的饮用水。3消毒灭菌将清洗后的餐饮用具放入水中通入20分钟，可去除洗涤剂残留物，杀灭细3O菌、病毒，替代电子消毒柜，避免餐饮用具传染疾病。还可对衣物、毛巾、抹布、袜子等进行水介质消毒、除味。4空气净化将臭氧排气管挂在1.7米以上高度，排放20-30分钟，即可有效去除室内烟尘3O或装饰材料的异味，降尘灭菌，增加空气含氧量，清新空气，让您在家中享受到雨后森林般清新的空气。第3页共21页1.2臭氧发生器简介按臭氧产生的方式划分，目前的臭氧发生器主要有三种：一是高压放电式，二是紫外线照射式，三是电解式。1高压放电式臭氧发生器是使用一定频率的高压电流制造高压电场，使电场内或电场周围的氧分子发生电化学反应，从而制造臭氧。这种臭氧发生器具有技术成熟、工作稳定、使用寿命长、臭氧产量大等优点，所以是国内外相关行业使用最广泛的臭氧发生器。2紫外线照射式臭氧发生器是使用特定波长的紫外线照射氧分子，使氧分子分解而产生臭氧。由于紫外线灯管体积大、臭氧产量低、使用寿命短，所以这种发生器使用范围较窄，常见于消毒碗柜上使用。3电解式臭氧发生器通常是通过电解纯净水而产生臭氧。这种发生器能制取高浓度的臭氧水，制造成本低，使用和维修简单。但由于电极使用寿命短、臭氧不容易收集等方面的缺点，其用途范围受到限制。目前这种发生器只是在一些特定的小型设备上或某些特定场所内使用，不具备取代高压放电式臭氧发生器的条件。1.3臭氧技术产业发展前景臭氧技术产业属新兴朝阳产业，应用范围极广，产品开发潜力大。国际上臭氧技术生产企业仍处于百家争鸣阶段，没有名牌，没有大企业垄断，因此极易涉足。从技术上看，一些基本的关键技术已解决，只要开拓思路很容易开发一系列适合销路的产品。国内臭氧技术与国外存在差距，但赶超国际水平的技术难度并不高。而且国外产品侧重于水处理设备和空气净化产品，在水处理方面，国外一些面向家庭的臭氧技术产品主要侧重于对水质的改善，而对臭氧化水的各种用途没有作为产品的重点，并且尚未涉足国内市场，正是国内臭氧技术产业发展的大好时机。臭氧技术产品功能强，产品新颖，属高科技产品。而且国内市场几乎尚未开发，潜力极大，通过适当的宣传手段让人们认识臭氧产品，可以迅速占领国内市场。同时还可以利用家用小型产品打入国际市场。因此，抓住时机发展臭氧技术产业必然可以获得极大的投资收益。目前已实际应用的臭氧产品有自来水处理系统、可移动饮用水处理系统、各种臭氧机、矿泉水处理系统、臭氧洗衣机、温泉处理系统、臭氧型冰箱、游泳池水净化系统、医用臭氧机及附属产品、臭氧废旧轮胎处理系统、臭氧水机空气净化除臭第4页共21页装置等，应用领域遍及水处理、空气净化、各种场合消毒、家庭生活、食品、仓储运输、医疗、饮料加工等。1.4课题研究的主要内容及意义本课题研究的主要内容是设计一个小型的室内臭氧发生器电路，它要求室内有人时能进行空气的消毒；室内无人时进行空气的清新。它包括由振荡电路、功率放大电路、升压变压器组成的主电路；由555定时器构成的空气“清新”、“消毒”时控电路；由555定时器和双D触发器构成的遥控发送、接收电路；由集成块W7812和桥式整流二级管、变压器构成的电源电路。通过此次的设计不光可以深入的了解臭氧发生器的工作原理，而且更能够培养自身综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题的能力。第5页共21页第2章设计简述2.1臭氧发生器电路设计方案论证方案一：本次设计可以利用单片机HT46R232作为控制器设计臭氧发生器电路。臭氧发生器中产生臭氧的电源可采用全桥逆变电路，单片机输出信号对电源电压的幅值进行控制。充分利用单片机上的资源实现臭氧发生器的无线射频遥控、键盘控制、LED显示等功能，使臭氧发生器产生臭氧，但涉及编程实现起来非常复杂。方案二：进而考虑到用模拟电路以及数字电路的知识设计臭氧发生器电路，根据设计要求很容易想到整个电路包括控制电路设计、遥控电路设计、电源电路设计，而这些电路设计实践起来非常简单，并且容易满足设计要求。从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，成本较低，更容易实施，故采用了方案二。2.2设计思路1根据设计的需要，选择555定时器作为该电路的核心器件；2主电路由振荡频率f=20kHz30kHz的振荡电路，功率放大电路和电压比为10/3000的升压变压器组成；3用555定时器构成空气“消毒”、“清新”时控电路；4用555定时器和双D触发器构成遥控发送、接收电路；5用集成块W7812和桥式整流二级管、变压器构成电源电路，提供220V的交流电压；6本设计电路的总原理框图如图2-1所示。第6页共21页图2-1设计总原理框图本设计主要由振荡电路、功率放大电路来控制放电器件的工作；由“消毒”控制电路来实现室内有人时每隔30分钟工作5分钟的功能；由“清新”控制电路来实现室内无人时连续工作1小时的清新处理功能；由遥控发射和接收电路来实现遥控功能。第7页共21页第3章单元电路设计3.1555定时器简介这次的整个设计中，单元电路均以555定时器为中心来完成各自的功能。对于555定时器，我们并不陌生，它由三个阻值为5的电阻组成的电阻分压器、两个电压比较器和、基本RS触发器、集电极开路的放电三极管VT以及缓冲器等1C2组成。555定时器的组成框图和电路的引脚排列如图3-1a)、b)所示。a）电路组成框图GNDCVDTROUTTHCODb）电路引脚排列图3-1电路组成框图和引脚排列其555定时器的工作原理为：当5脚悬空时，比较器和的比较电压分别为1V22/3和1/3。CVC1当6脚的电压大于2/3，2脚的电压大于1/3时，比较器输出低电CVC118275553645第8页共21页平，输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端OUT为低2V电平；2当6脚的电压小于2/3，2脚的电压小于1/3时，比较器输出高电CVCV1V平，输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管T截至，输出端OUT为高电平；3当6脚的电压小于2/3，2脚的电压大于1/3时，比较器输出高电CC1平，也输出高电平，即基本触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原2V状态不变。由于阀值输入端（TH）为高电平（2/3）时，定时器输出低电平，因此也CV将该端称为高触发端；由于阀值输入端（）为低电平（1/3）时，定时器输出高电平，因此也TRC将该端称为低触发端。如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0之间），比较器CV的参考电压将发生变化，电路相应的阀值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。另外，为复位输入端，当为低电平时，不管其它输入端的状DRDR态如何，输出OUT为低电平，即的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接D高电平。综上所述，列出555定时器的功能表为：表3-1555定时器的功能输入输出THTRDROUTVT00导通2/3CV1/3CV10导通2/31/31不变不变2/3C1/3C11截止第9页共21页3.2单元电路设计、元器件选择和参数计算3.2.1主电路的设计本设计振荡、功放部分的方案如图3-2所示：选用555组成多谐振荡器，振荡频率为：(3-1)121)(4.CRf首先肯定=2000pF，取振荡频率=25kHz，若取3，则可计算出1Cf1R的阻值应为12.9，选取标称值为13的电阻。三极管选用9013，二极管2RT选用1N4007。其余元件参数为：的容量为0.01F，的阻值为300，1D23的阻值为10K，为10匝，为3000匝。41L图3-2振荡、功放电路3.2.2消毒控制电路的设计“消毒”控制电路根据要求采用占空比1：7的多谐振荡器，即5min输出高电平，30min输出低电平，交错循环。这里采用555定时器和电阻、以及二极管8R9、组成振荡电路，如图3-3所示。刚通电时，由于上的电压不能跃变，即3D45C2脚起始为低电平，3脚呈高电平。晶体管饱和导通，继电器KA线圈通电，其3T动合触点闭合，可以接通振荡、功放、升压电路工作，生成臭氧。以后通过、8R对充电，充电时间为：35C(3-2)sCRt306570.8充第10页共21页若先确定为1000，则5CpF(3-3)KR6.428107.0368取标称值为430的电阻。当上的电压充到阙值电平2/3时，3脚转呈低电平，三极管截止，KA5CCV3T线圈失电，动合触点复位断开，停止发出臭氧。在3脚为低电平后，通过、5C4D及555定时器内部的放电管放电，放电时间为：9R(3-4)sRt180670.59放前面已确定为1000，则5CpF(3-5)K4.27107.0869取标称值为2.7的电阻。另外，为基极限流电阻，并联在KA线圈两MR5D端，可以在三极管关断时，形成续流通路，避免晶体管上出现高电压造成击穿，3T起到保护作用。图3-3“消毒”控制电路3.2.3清新控制电路的设计“清新”控制电路为单稳延时电路，采用555定时器组成单稳态电路是比较方便的，如图3-4所示。单稳态电路的暂态过程为1h，555定时器的2脚要求低电平触发，因此加一级晶体管反相器。基极通过微分电路加入高电平时555定时器触5T第11页共21页发，3脚输出高电平（暂态）1h后翻转为低电平（稳态）。在这一过程中通过3C进行充电、放电，因此，单稳态的暂态时间为：6R(3-6)sCRt3601.由于延时时间比较长，取值比较大，取=2000，则3pF(3-7)M.1021.66选用标称值为1.6的电阻。M图3-4“清新”控制电路3.2.4遥控电路的设计遥控电路对设计要求不高，即可用现有的电路和环节稍加改造即可。遥控发送电路如图3-5所示：以555定时器为核心，组成施密特触发器，按下按钮，从555的3脚输出的脉冲电平驱动红外发光二极管LED发出红外脉冲信号。1S第12页共21页图3-5遥控发送电路对于接收电路，这里如图3-6所示：当VTL接收到红外线时，555的3脚输出高电平，其脉冲与照射时间相等，发光管LED闪亮一下，表示开关已接收到遥控指令，此正脉冲直接加到A1的计数端CP端，它对脉冲上升沿有效，所以A1输出端Q状态翻转一次，设初值时Q端即第1脚原先为低电平，现突变为高电平，导通，4T继电器KA吸合，被控电器通电工作。需要关机时，只要再照射一下VTL，IC的3脚又输出一个脉冲，A1又翻转一次，Q端输出低电平，截止，KA释放，被控电4T器断电停止工作。、组成上电自清零电路，电路初次通电时，因两端电压13RC1C不能突变，A1的R端为高电平，故电路自复位，Q端输出低电平，从而保证被控电器不会因为电网停电后突然又来电而自动重开机。元件的选择：A1选用CD4013型双D触发器CMOS数字集成电路。选用9013型硅NPN小功率晶体管，要求300。4TVTL选用3DU5型光敏晶体管。选用1N4007型硅开关二极管。6DLED选用普通红色发光二极管。用来调节光控灵敏度，可用WS型有机实体微调电位器；、PR1R213、选用1/8W碳膜电阻器。146用CC1型高频瓷介电容器，、用普通CT1型瓷介电容器。7C8C1KA选用JZC-32F、DC12V小型中功率电磁继电器，其触点容量为3A、AC250V。第13页共21页图3-6遥控接收电路3.2.5电源电路的设计电路对电源的要求不高，采用20W25W变压器，将220V交流电变成15V，经桥式整流、电容滤波，在经过三端稳压器W7812稳压，输出12V直流电压供给各单元电路。如图3-7所示，W7812最大输出电流为2A，已经足够给电容供电了。其中选用1N4007型硅整流二极管。7D10图3-7电源电路第14页共20页第4章电路性能指标验算及总体工作原理4.1电路性能指标验算4.1.1消毒电路性能指标验算“消毒”电路中取1000的普通电容，取阻值为428.6的碳膜电阻，5CpF8R取阻值为2.7的碳膜电阻，由公式(3-2)计算出电容的充电时间为：9RM(4-1)sRt2.30106.4270.06358充由公式(3-3)计算出电容的放电时间为：(4-2)sCt891.6659放经验算电容取1000的普通电容，取阻值为428.6的碳膜电阻，5pF8R取阻值为2.7的碳膜电阻。9CM4.1.2清新电路性能指标验算“清新”电路中取2000的普通电容，取阻值为1.6的碳膜电阻，3CpF6RM由公式(3-4)计算出单稳态维持时间为：(4-3)sRt35201206.1.1636经验算电容取2000的普通电容，取阻值为1.6的碳膜电p阻。4.2总体电路工作原理本次设计的总体电路图见附录1，它将各单元电路按照设计要求连接起来，其整机工作原理如下：按下遥控发送电路的按钮，该电路由红外发光二极管LED发出红外脉冲信号1S给遥控接收电路。当遥控接收电路接收到红外信号时，555输出高电平，发光二极管闪亮一下并将正脉冲加至A1的CP端，A1输出端Q状态翻转一次，T4导通，继电器吸合，被控电路通电工作。当室内有人时，将开关打到B点，即消毒电路开始工作，2S由555定时器构成的多谐振荡器输出高电平，导通，继电器吸合，控制主电路生成3T第15页共20页臭氧，时间为5min，之后当上电压值达到2/3，555定时器输出底电平，截5CCV3T止，继电器断开，停止产生臭氧，时间为30min，此过程交错循环。当室内无人时，将开关打到A点，由555定时器构成的单稳态延时电路工作，即清新电路开始工作，2S基极通过微分电路加入高电平时555定时器触发进入暂态，1h后翻转，此过程主要5T用于对室内空气的稀释。第16页共20页总结此次毕业设计是我从大学毕业生走向未来重要的一步。从最初的选题、开题、计算、绘图到完成设计。其间，我不断的查找资料、请教导师、与同学交流、反复修改图纸，在每一个过程中对自己的能力进行充实和提高。通过这次实践，我了解了臭氧发生器的用途及工作原理，熟悉了电子产品的设计步骤，锻炼了电子设计实践能力，培养了自己独立设计能力。它是对我专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是工作前的一次热身。毕业设计让我收获很多，比如学会了查找相关资料、分析数据等，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的成果。同时，也暴露出自己专业基础的很多不足之处，比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。它使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人，为中国的电子事业添上自己的微薄之力。第17页共20页致谢经过两个多月的忙碌和工作，本次毕业设计已经完成，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及同学们的帮助，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师刘雪亭。她平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是刘雪亭老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩刘雪亭老师的专业水平外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。其次，我还要特别感谢同学们对我论文写作的指导，他们为我完成这篇论文提供了无私的帮助。然后，还要感谢大学里所有的