家用换气扇自动控制设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

第0页摘要随着社会的发展，保持室内空气清新,从而保证人们的身体健康已受到越来越高的重视，然而由于种种原因，人们不可能始终关注室内空气的清新度，因此有必要研究一种自动换气扇，当室内的烟气达到一定浓度时，自动启动换气扇向外抽烟，提供了一种自动换气扇控制电路，具有自动向外抽烟，并向室内送入新鲜空气等功能。能够较好地保持室内空气的清新，从而保证人们的身体健康，在家庭、办公室都有较高的实用价值。该电路由NE555集成块、气敏传感器、温度传感器、电源电路、双稳态控制电路等组成。由NE555组成施密特电路作为控制电路，用来控制双向晶闸管的打开与关闭，接通和断开换气扇的工作电源，使换气扇开始或停止工作。本控制电路可根据室内有害气体浓度的变化或气温的变化来实现换气扇的自动通、断，从而改善室内气体及气温环境。不仅实用于办公室、接待室，也同样实用于卧室、客厅、茶房、厨房、浴室等。关键词换气扇；NE555集成块；温度传感器；气敏传感器目录摘要.1第1章绪论.2第2章设计框图及电路系统概述.32.1目的.32.2基本部分.32.3发挥部分.32.4设计框图.32.5各个单元框图原理分析.4第3章电源电路.63.1电路原理图.63.2工作原理分析.6第4章温度传感器和烟雾传感器的工作原理.74.1温度传感器.74.1.1半导体热敏电阻.74.1.2热敏电阻的特性.74.2气敏传感器.8第5章控制电路原理及其中关键元器件的介绍.105.1控制电路的原理图.105.2工作原理分析.10第6章555芯片的介绍.116.1电路组成.116.2工作原理.15第7章家用换气扇自动控制电路原理.177.1家用换气扇的整机图.177.2家用换气扇的原理分析.17I第8章电路的仿真.188.1气敏传感器工作的仿真.188.1.1仿真电路现象.188.1.2仿真现象的分析.188.2温度传感器工作的仿真.198.2.1仿真电路现象.198.2.2仿真现象的分析.198.3不工作电路.208.3.1仿真电路现象.208.3.2仿真现象的分析.20总结.21参考文献.22附件1家用换气扇整机电路.23附录2元器件清单.24第2页第1章绪论随着电子技术的发展，尤其是数字技术的发展，用数字电路技术实现家用换气扇的自动控制越来越重要，而且贴近我们的实际生活。家用换气扇已成为人们日常生活中必不可少的必需品，它不需要开关，当温度升高或有害气体浓度高时会自动控制；广泛应用于办公室、卧室、客厅、厨房、浴室等，给人们的身体健康带来很大的益处。因此，得到了广泛的应用。家用换气扇是利用温度高低或有害气体的浓度来控制电路工作的。由于换气扇广泛应用于人们的日常生活中，所以，有很大的重用作用。该电路在设计时应用了仿真软件，来进行仿真然后才确定下来的，虽然用的仅仅是EWB软件，但是在论文中也是比较有特色。能够使人们在不知不觉中感受方便。由于近年来我国的家用电器行业的迅速崛起，中国现在的电器已经发展的很好了，能自主的生产很多家用电器。家用换气扇现在也是很多地方常用的，因为他能避免有害气体带来的危害，在现在来看已经很多地方使用，是我国轻工业对外开放较早的行业之一。换气扇还具有自动、节能、环保等完善的实用功能，国际上一些知名品牌大企业相继进入国内产销领域，使得国内竞争国际化。加快绿色、节能产品的开发推广和应用是我国目前家用电器材行业结构调整的重点。我国家用电器行业将面临着前所未有的机遇和挑战，而由此带来的巨大商业利益也成为一些企业瞩目的焦点。第3页第2章设计框图及电路系统概述2.1目的1掌握单稳态触发器的工作原理和各元器件的功能。2进一步了解家用换气扇组成框图和各个单元工作原理及相互联系。3掌握自己实际操作动手能力的形成和进一步提高。4锻炼自己对所学理论知识和技能的综合运用能力。5提高自己对文献资料的搜索和信息处理能力。6培养自己对社会普通科学知识的了解。7增强自身的知识见解和设计论文的方法。2.2基本部分1电源电路，用的是交流电。2电转换及放大部分，包括它的组成工作原理。3自动控制部分，包括它的电路及工作原理。4开关部分，包括它的组成工作原理。2.3发挥部分1可以采用不同的原理来完成。2可以采用不同的元件来实现个部分的工作。2.4设计框图为了在公共场所，如茶房等，提供一种方便节能的换气扇，设计了一种自动控制的开关。通过有害气体的进入而自动运行，能消除有害气体对人们的伤害。根据设计电路得到所要完成的功能和达到的效果。第4页2.5各个单元框图原理分析1电源电路电源电路为整个电路提供需要的电压。图中C5、R5、VD4、DW及C4组成电源电路，220V交流电压经VD4整流，C4滤波电容，即利用电容通交阻直作用为下一电路提供直流电压，使整个电路开始工作。2气敏传感器气敏传感器QM组成烟雾传感器，当室内烟雾浓度超过一定标准时，它的A、B极间阻值降低，流过的电流增大，通过VD2使VT1导通。3温度传感器热敏电阻RT组成温度传感器，当室内温度升高超过一定温度后，RT阻值变小，流过RT的电流增大，通过VD1使VT1导通。4控制电路NE555组成的施密特电路作为控制电路，用来控制双向晶闸管的开通与关闭，接通和断开换气扇的工作电源，是换气扇开始或停止工作。5双向晶闸管开关控制当VT1导通后，它的集电极电压降低，这一低电压通过NE555的脚使其输出高电平。这一高电平通过R4及VD3加至VS的控制极，使VS导通。换气扇的工作电源被接通，换气扇工作。当室内温度降低、空气清新后，VT1截止，集电极变为高电平。这一高电平通气敏传感气敏传感器器控制电路控制电路电源电源双向晶闸双向晶闸管开关控管开关控制制温度传感温度传感器器图2-1设计框图第5页过NE555的脚使其输出端为低电平。于是VS关断，切断换气扇电源，换气扇停转。RP1用来调整QM元件加热电极的工作电压，通常5V左右。RP2用来调节温度起控点，可根据实际需要调整，使其在某一温度下气控。第6页第3章电源电路3.1电路原理图图3-1电源电路原理图3.2工作原理分析简单介绍一下电源电路中各元器件的功能和作用：VD4是一个整流二极管，对220V交流电压进行整流。C4是一个滤波电容，其大小0.1u/100V对整流220V交流市电压，进行通交阻直作用，滤除交流成分，使直流成分为下几个电路部分提供工作电压。R5是一个限流电阻，其阻值R5=270K,相当的大，可以看出是一个限流电阻，使其降压，防止大电流通过损坏元器件，使电路不能正常工作。C5是一个保护电容，其大小0.47u/400V，它的作用是保护前面的二极管VD4。同时与电阻R5并联组成RC谐振电路。C5220VR5VD4C4DW第7页第4章温度传感器和烟雾传感器的工作原理4.1温度传感器温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。温度传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。4.1.1半导体热敏电阻半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件热敏电阻式利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。热敏电阻可分为3种类型，即正温度系数(PTC)热敏电阻和负温度系数（NTC）热敏电阻，以及在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR），热敏电阻在电路中的符号如下：4.1.2热敏电阻的特性如图4-1列出了不同种类热敏电阻的（Rtt）特性曲线。曲线1和曲线2为负温度系数（NTC型）曲线，曲线3和4为正温度系数（PTC型）曲线。由图中可以看出1、3特性曲线的热敏电阻，更适用于温度的测量，而符合2、4特性曲线的热敏电阻因特性曲线变化陡峭则更适用于组成控制开关电路。与金属热电阻相比热敏电阻的特点是：1电阻温度系数大，灵敏度高，约为金属电阻的10倍。2结构简单，体积小，可测点温。Rt图4-1热敏电阻的符号第8页3电阻率高，热惯性小，适用于动态测量。4易于维护和进行远距离控制。5制造简单，适用寿命长。6互换性差，非线性严重。4.2气敏传感器人类的日常生活和生产活动与周围的环境气氛紧密相关，气氛的变化对人类有极大的影响，因而我们需要使用大量的气敏传感器来检测气体的成分。检测环境是否有烟雾和烟雾的浓度，例如检测起火时的浓烟。烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体，烟雾探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。气敏传感器就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种器件，它将气体的种类及其与浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待侧气体在环境中讯在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。气敏传感器是一种基于声表面波器件波速和频率随外界环境的变化而发生漂移的原理制作而成的一种新型的传感器。气敏传感器在电路中的符号如下：1负指数型NTC2突变性NTC3线性型PTC4突变型PTC图4-2各种热敏电阻的特性曲线2001007102431ABCD图4-3气敏传感器的符号第9页4.2.1电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器是利用气体在金属氧化物半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元器件阻值变化的原理来制作的。当氧化型气体吸附到N型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升；当氧化气体吸附到P型半导体，半导体的载流子增多，电阻率下降。当还原型气体吸附到N型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；当还原型气体吸附到P型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升。气敏电阻的材料是金属氧化物，合成时加敏感材料和催化剂烧结。金属氧化物有N型半导体和P型半导体。通常器件工作在空气中，由于氧化作用，空气中的氧被半导体材料的电子吸附负电荷，结果半导体材料的传导电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态。当气敏元件与被测气体接触时，会与吸附的氧发生反应，将束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加使元件电阻减小。第10页第5章控制电路原理及其中关键元器件的介绍5.1控制电路的原理图图5-1控制电路的原理图5.2工作原理分析控制电路由VT1和R3、NE555、R4、VD3、C3、VS组成，当VT1导通后，它的集电极电压降低，这一低电压通过NE555的脚使其输出高电平。这一高电平通过R4及VD3加至VS的控制极，使VS导通。换气扇的工作电源被接通，换气扇工作。当室内温度降低、空气清新后，VT1截止，集电极变为高电平。这一高电平通过NE555的脚使其输出端为低电平。于是VS关断，切断换气扇电源，换气扇停转。所以可以明显看出此电路实现的是一个控制功能，只有IC芯片脚为高电平时电路才工作。ICNE555VT19041R33KR4470VD32CP18C30.1u2684315VS第11页第6章555芯片的介绍555时基电路诞生于20世纪70年代初，随着科学技术的发展与实践，而跟着更加广泛的使用。555电路可以组成R-S触发器，用作控作控制电路的开关；还可以组成单稳态触发器，用来作定时、延时或脉冲整形；也可以组成施密特触发器，在多种控制电路中得到应用。NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。NE555时基电路有两种封装形式有，一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。其他HA17555、LM555、CA555分属不同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。NE555的内部结构可等效成23个晶体三极管，17个电阻，两个二极管，组成了比较器，RS触发器等多组单元电路。特别是由三只精度较高的5K电阻构成了一个电阻分压器，为上、下比较器提供基准电压。所以称之为555，NE555属于cmos工艺制造。6.1电路组成NE555集成电路的引脚分布第12页图6-2外引线排列图NE555为8脚时基集成电路，各脚主要功能（集成块图在上面）如下：脚：地GND脚：触发脚：输出脚：复位脚：控制电压脚：门限(阈值）脚：电源电压Vcc1电阻分压器图6-1NE555的电路结构NE555第13页由三个3个5千欧的电阻R组成，为变压比较器C1和C2提供基准电压。2电压比较器由C1和C2组成，当控制电压输入端CO悬空时，C1和C2基准电压分别为和。V3C1的反向输入端TH称为555定时器的高触发端，C2的同向输入端称为555定TR时器的低触发端。3基本RS触发器基本RS触发器由两个与非门G1和G2构成。比较器C1的输出作为置0输入端，若C1输出为0，则Q=0；比较器C2的输出作为置1输入端，若C2输出为0，则Q=1。是定时器的复位输入端，只要=0，定时器的输出端OUT则为0。正常工作RR时，必须使处于高电平。4放电管VTVT是集电极开路的三极管，VT的集电极作为定时器的引出端D。5缓冲期缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的负载能力。555集成电路应用十分广泛，可装如下几种电路：1单稳类电路作用：定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。2双稳类电路作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。3无稳类电路作用：方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时等。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、共第14页18个单元电路。每个电路除画出它的标准图型，指出他们的结构特点或识别方法外，还给出了计算公式和他们的用途。方便大家识别、分析555电路。在换气扇中我们用到的是555电路的两个触发端TH和连接在一起作为信号TR输入端，就组成了一个新的电路，这个电路称之为施密特触发器。施密特触发器也是双稳态触发器的一种，它也有两个稳定状态。不过这种双稳态触发器有些特殊，这就是当电路被触发信号触发翻转后，这个触发信号是不能撤除的。当调节电位器使输入电压为0V时，555电路的输出端输出高电平，这一结果是符合当TR端电压低于时，555电路的输出端输出高电平这一特性的。当调节13DV电位器使输入电压逐渐上升到直到超过时，电路的输出状态并没有发生13DV变化。这是因为在此时，虽然TR端输入电压大于，但对于TH端，它的输入电压时小于夫人，因此电路的输出状态时不会改变的。23DVVDDNE555THVoViCTR6243518图6-1555电路组成的施密特触发器Vi图6-2施密特电路的输入输出特性（a）Vo(c)“1”ViVoViVo0013DV2“0”13DV13DV2Vo(b）第15页当调节电位器使输入电压上升到时，电路发生翻转，输出端输出电压由高23DV电平突然变为低电平。这一变化符合当输入电压高于时，555电路的输出状态23DV会发生改变这一特性。这一实验的输入输出特性如图6-1（a）所示。朝着相反的方向继续调节电位器使输入电压逐渐下降，当输入电压降低到一直到低于时，我们看到电路的输出状态并未发生改变。这是由于在这23DV23DV个时候，虽然对于TH端已低于，但对于TR端是高于的，而对电路起作23D13DV用的正是TR端，因此电路仍然保持原状而不会翻转。当调节电位器使输入电压降低到时，电路发生翻转，输出端输出电压由低1DV电平变为高电平。这一现象是符合当TR端输入电压低于是输出端输出高电平13DV这一特性的。它的输入输出特性曲线如图6-1（b）所示。将图6-1(a)和6-1（b）两组曲线结合起来，组成了如图6-1（c）所示的特性曲线。这一曲线称为施密特电路的传输特性曲线，它很明确地表示了施密特电路的输出电压与输入电压的关系。6.2工作原理555定时器的工作原理比较简单。为置0输入端，当=0时，定时器的输出OUT为0；当=1时，555定时RRR器具有以下功能；1当高触发端TH，且低触发端时，比较器C1输出为低电平；CV32TRCV31C1输出的低电平将RS触发器置于0状态，即Q=0，使得定时器的输出OUT为0，同时放电管VT导通。2当低触发端时，定时器的输出OUT和放电管VT的状态保持CV2TRC31不变。根据以上分析，可以得出555定时器的功能表，见表51表5-1555定时器的功能表输入输出THTRROUTVT00导通CV32CV3110导通1不变不变C32C311不变截止第17页第7章家用换气扇自动控制电路原理7.1家用换气扇的整机图7.2家用换气扇的原理分析当室内烟雾浓度超过一定标准时，它的A、B极间阻值降低，流过的电流增大，通过VD2使VT1导通。当VT1导通后，它的集电极电压降低，这一低电压通过NE555的脚使其输出高电平。这一高电平通过R4及VD3加至VS的控制极，使VS导通。换气扇的工作电源被接通，换气扇工作。当室内温度升高超过一定温度后，RT阻值变小，流过RT的电流增大，通过VD1使VT1导通。当VT1导通后，它的集电极电压降低，这一低电压通过NE555的脚使其输出高电平。这一高电平通过R4及VD3加至VS的控制极，使VS导通。换气扇的工作电源被接通，换气扇工作。当室内温度降低、空气清新后，VT1截止，集电极变为高电平。这一高电平通过NE555的脚使其输出端为低电平。于是VS关断，切断换气扇电源，换气扇停转。图7-1整机原理图第18页第8章电路的仿真此次电路仿真运用的EWB仿真软件，在仿真过程中也遇到少许问题，例如EWB元器件库中没有晶闸管之类的元器件而只能用开关代替。而且在仿真电路时不能改变元器件库里面设置好的元件参数。但是，通过努力，最终仿真还是比较成功。8.1气敏传感器工作的仿真8.1.1仿真电路现象换气扇工作8.1.2仿真现象的分析当室内有害气体的浓度超过允许值时，QM-N5的阻值迅速减小，B点电位升高，使D2、Q1通，555则因脚和脚为低电平而置位，由脚输出的高电平通过D4图8-1气敏传感器工作的仿真图B第19页使继电器导通，换气扇工作。8.2温度传感器工作的仿真8.2.1仿真电路现象换气扇工作8.2.2仿真现象的分析当室内温度升高时，Rt的阻值减小，A点电位升高，使D1、Q1通，555则因脚和脚为低电平而置位，由脚输出的高电平通过D4使继电器导通，换气扇工作。图8-2温度传感器工作的仿真A第20页8.3不工作电路8.3.1仿真电路现象换气扇不工作8.3.2仿真现象的分析当温度降低、空气清新时，阻值较大，流过的电流变小，使D1、D2、Q1停止，555则因脚和脚为高电平而复位，由脚输出的低电平通过D4使继电器截止，换气扇不工作。换气扇如图，正常情况下，室内无有害气体或其浓度在允许范围内时，QM两端A、B间运转。图8-3换气扇不工作的仿真图第21页总结通过这次毕业设计，使我受到了一次应用所学的专业知识、专业技能分析和解决问题的全面系统的锻炼。使我在综合知识的选用方面，在产品开发的基本思想、方法方面，以及在常用电路分析思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步。为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。这次在指导老师的帮助下，在同学的帮助下