卫生间自动换气冲刷电路设计

1、前言随着国民经济的日益发展，人民生活水平、生活质量的不断提高，公寓式客房、高级住宅小区越来越多，人们对卫生间环境要求也越来越高。卫生间自动换气系统能够检测室内异味浓度及湿度，当异味气体浓度及湿度让人感觉不愉快时能自动地进行换气直至使人感觉舒服时才停止换气，这样人不论何时进入卫生间都感觉很干净、干爽。此次设计的题目是卫生间自动换气系统，主要应用于宾馆、家庭中的卫生间。本设计应用的主要器件是气敏、湿敏半导体传感器，该传感器的灵敏度高，因此可以检测异味浓度及湿度。该系统是由电源电路、传感器电路、控制电路、换气电路等组成。关 键 词：异味 湿度 传感器 换气电路报告类型：设计报告随着社会科学技术的发展

2、，现代化的科技产品已迅速而普遍的进入人们的日常生活。而卫生间的空间很狭小、人们入厕后会在这狭小的环境里留下难闻的异味，同时人们也常在这狭小的环境里洗澡、洗衣服，使环境中的湿度很大若换气条件不好，常常使人一进入卫生间就会感觉很不舒服。卫生间自动换气电路正是在这样的背景下应运而生的一种新型产品，它能及时的检测异味、湿气迅速地换气直到使人们感觉舒服为止，是一个具有实际应用价值的产品。1.1设计方案 图1-1卫生间自动换气电路设计方案框图1.2论文主要设计内容1.气体检测、载波发射电路以QMN10型气敏元件为核心与TWH8778集成开关，NE555构成气体检测载波发射电路，向外发射载波信号。2.载波接

3、收控制电路译码部分电路由3.换气电路设计卫生间里的地漏及坐便器散发出的气体，主要成分是硫化氢、氨气等，气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气一电转换的传感器种类很多。气敏传感器按其构成材料不同，可分为半导体和非半导体两大类。目前，实际使用最多的是半导体气敏传感器。2.1半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部，可分为表面电阻控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型和非电阻型两种。半导体气敏元器件的详细分类可参见表。电阻型半导体气敏元器件是利用半导体材料

4、接触气体时，其阻值发生改变来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元器件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化而对气体进行直接或间接检测。 Sn02(氧化锡)敏感材料是目前应用最多的一种气敏材料，它已被广泛地应用于工矿企业、民用住宅和宾馆饭店等对可燃和有害气体的检测。因此，本节将以较多的篇幅介绍Sn02气敏材料的气敏传感器。1电阻型半导体气敏传感器的结构： 气敏传感器通常由气敏元器件、加热器和封装体等三部分组成。(1)气敏元器件按照制造工艺分类：可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类，典型结构如图2-1所示。 1)烧结型气敏器件。如图2-1a所示，这类器件以Sn02半导体材料为基体，将铂电

5、极和加热丝埋人Sn02材料中，用加热、加压和温度为700900的制陶工艺烧结成形，因此被称为半导体导瓷，简称半导瓷。半导瓷内的晶粒直径约为lm，晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气体检测灵敏度则无很大的影响。烧结型器件制作方法简单、器件寿命长，但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性也较差，应用受到一定的限制。2)薄膜型气敏元器件。如图2-1b所示，这类器件采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜(其厚度小于10-7m)，制作方法简单。实验证明，Sn02半导体薄膜的气敏特性最好，但这种半导体薄膜为物理性附着，器件间性能差异较大。 2-1加热器的作用是将附着在敏

6、感元件表面上的尘埃和油雾等烧掉，加速气体的吸附，提高敏感元件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200400。(2)气敏器件按照加热方式分类：加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元器件。 1)直热式是将加热丝直接埋入Sn02和ZnO粉末中烧结而成，因此，直热式常用于烧结型气敏结构。直热式结构如图523a、b所示。直热式结构的气敏传感器的优点是制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路中使用；它的缺点是热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相K影响，国产QN型和日本费加罗TGSl09型气敏传感器均属此类结构。2)旁热式是将加热丝和敏感元件

7、同置于一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，住金电极外再涂上Sn02等材料，其结构如图2-2 c所示。旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响；器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响，所以这类结构器件的稳定性和可靠性比直热式的好。国产QMN5型和日本费加罗TGS812和TGS813等型气敏传感器都采用这种结构。2气敏元器件的分类与应用 2.2湿敏传感器2-3 2-45-362-5-42.3传感器通常由三部分组成1.敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。 2.转换元件：敏感元件的输出

8、就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量 。 3.转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。其组成如图27所示：敏感元件转换元件转换电路被测量电量图传感器的组成（组成实例）气体传感器是一种把气体(多数为空气)中的特定成分检测出来，并将它转换为电信号的器件，以便提供有关待测气体的存在及浓度大小的信息。2.4气体传感器的发展方向目前，国内外对新的气敏材料和气体传感器的研究非常活跃，其主要研究和发展方向主要集中在以下几点：首先，开发新的气敏材料。主要措施是在传统的半导体气敏材料SnO,SnO2,Fe2O3中掺杂一些元素，目前有很多这方面的研究报道；其次

9、是研制和开发复合型和混合型半导体气敏材料和高分子气敏材料，使这些材料对不同气体具有高灵敏度、高选择性、高稳定性。另外，开发新的气体传感器，应用新材料、新工艺和新技术，对气体传感器的机理做进一步研究，使传感器更加微型化和多功能化，并具有性能稳定、使用方便、价格低廉等特点。同时，进一步采用计算机技术实现气体传感器的智能化。气体传感器和计算机技术相结合，出现了智能气体传感器-电子鼻。国内外已成功开发了鉴别和检测食品、香料等的电子鼻。研制开发新型仿生气体传感器-仿生电子鼻是未来气体传感器发展的主要方向。卫生间自动换气电路电路主要包括七部分：异味气体检测、湿度检测、控制电路、载波发生器、接收电路、换气电

10、路、电源电路等组成。本机发射器与接收器采用同一个电源供电。220V交流电经变压器B01变成15V左右的交流电，再经D04D07C07，等组的整流滤波电路进行整流、滤波和IC03稳压后输出稳定的12 V电压，向整个电路供电。3.1异味气体检测电路如图3-1，当RQ01接触到异味时，其A、B两端电阻下降，a点电位升高；异味浓度越大，A、B两点电阻越小，a点电位越高。a点电压经R02、D02向电容C01充电，使C01两端电位差随a点电位升高而上升。当异味浓度超过一定限度时，a点电位将高于1.8V，电容C01两端电位差将超过1.6V，将会将检测出的信号发送给下级电路。图3-1气体检测电路1、特性l）、

11、对空气中硫化氢气体有很高的灵敏度。2）、量程从0到100PPM3）、精度可以到达1PPM2、特性参数l）、回路电压：(Vc) 5-24V2）、取样电阻：(RL) 0.5-20K3）、加热电压：(VH)50.1V4）、加热功率：(P)约750mW5）、灵敏度：R0(air)/RS (1000ppmC4H10)56）、响应时间：Tres10秒7）、恢复时间：Trec30秒3、结构1）、外形尺寸（mm） 2）、接线图A-a内部短路为第一测量极 B-b内部短路为第二测量极 H-h加热极4、基本测试电路和测试条件l）、测试电路2）、测试条件回路电压:VC=10V 加热电压:VH=5V负载电阻:RL=2K

12、注:供货器件中所给VRL值是指此测试下干净空气中的值。电阻气体浓度图3-2气敏电阻与有害气体的特性曲线3.2控制、载波发生电路本电路主要由TWH8778集成开关当有气体检测电路有信号输送过来时开关集成电路IC01(TWH 8778)将导通，IC01的、脚将输出供电电压到载波发生器，载波发生器进入工作状态，向外发送100 kHz的载波信号。C02为开关集成电路IC01的滤波电容，可以减少开关集成电路输出电阻对载波振荡器的影响。本电路通过选择元件W02、C03的参数，使其工作频率为100 kHz左右，调节W02可调整其发送载波的频率，由于NE 555的输出电流足够大，因而不必再加放大电路，载波信号

13、从IC02脚输出后通过C05向载波传输线发送。一般检测区离部分距离较远，中间的截波传输线容易出故障，本电路还设有一个监视电路，可监视整个系统包括传输线是否工作正常。这部分电路由R03、L01等组成，当检测电路正常工作时，通过R03、L01向载波传输线输出一直流控制电压。在接收部分用一电路检测这一直流电压的有无，即可知整个系统包括传输线是否工作正常，R03、L01的另一个作用是防止载波信号回送到TWH 8778的输入端对整个电路造成影响。图3-4控制载波发射电路1、简介TWH8778是一种大电流驱动开关集成电路。它内部结构复杂但使用起来却十分方便。只需在 控制端上加一个数字信号，就能高速控制外接

14、负载的通断。TWH8778采用双极晶体管和场效应管混合工艺制造。因此其有静态功耗低，输出电流大的优点。图3-5TWH8778的外观图2、TWH8778的特点：1）.输出电流大，24V时为1.0A；2）.电源输入级设有完善的自动过电压保护电路；3）.具有输出限流电路；4）.开关压降小，约0.5V/1A；5）.电路控制端可直接与TTL、CMOS电路连接；6）.具有热保护功能；7）.静态功耗小，当负载断开时仅5OA;仅有效工作频率达15kHZ。图3-6 TWH8778的电路符号图3-7 TWH8778的控制电路3、TWH8778的工作原理：当EN脚(控制端)为数字高电平时，输入端 IN至输出端OUT

15、即接通，反之即断开。当TWH8778集成开关当有气体检测电路有信号输送过来时开关集成电路IC01(TWH 8778)将导通，IC01的、脚将输出供电电压到载波发生器，C02为开关集成电路IC01的滤波电容，可以减少开关集成电路输出电阻对载波振荡器的影响。本部分安装在需要检测异味的地方，主要完成异味浓度监测和载波信号的发送，图3-11为该部分原理图，这部分电路由检测、控制、载波发生器等单元电路组成。图3-11气体、检测载波发射电路工作原理：当RQ01接触到异味时，其A、B两端电阻下降，a点电位升高；异味浓度越大，A、B两点电阻越小，a点电位越高。a点电压经R02、D02向电容C01充电，使C01

16、两端电位差随a点电位升高而上升。当异味浓度超过一定限度时，a点电位将高于18V，电容C01两端电位差将超过1.6V，此时开关集成电路IC01(TWH 8778)将导通，IC01的、脚将输出供电电压到载波发生器，载波发生器进入工作状态，向外发送100 kHz的载波信号。C02为开关集成电路IC01的滤波电容，可以减少开关集成电路输出电阻对载波振荡器的影响。 3.3载波接收,换气电路1、简介集成锁相环路解码器LM567是美国国家半导体公司生产的56系列集成锁相环路中的一种，其同类产品还有美国Signetics公司的SE567/INE567等。LM567是一个高稳定性的低频集成锁相环路解码器，由于其

17、良好的噪声抑制能力和中心频率稳定性而被广泛应用于各种通讯设备中的解码以及AM、FM信号的解调电路中。并且它内含锁相环，可以广泛用于BB机、频率信号源函数发生器监视器等各种电路中。此音调解码块包含一个稳定的锁相环路和一个晶体管开关，当在此集成块的输入端加上所先定的音频时，即可产生一个接地方波。此音调解码器可以解码各种频率信号源函数发生器的音调。例如检测电话的按键音等。此音调解码器还可以用在BB机、频率信号源函数发生器监视器和控制器、精密振荡器和遥测解码器中。主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。2、内部结构及工作原理图3-12 LM567内部结

18、构图管脚号作用1输出滤波2回路滤波3输入4V15定时电阻6定时电容7地8输出表3-4 管脚介绍LM567为8脚直插式封装，其内部结构、引脚定义如上图所示。图3-13 LM567译码电路LM567内部包含了两个鉴相器PD1及PD2、放大器AMP、电压控制振荡器VCO等单元电路。鉴相器PD1、PD2均采用双平衡模拟乘法器电路，在输入小信号情况下(约几十mV)，其输出为正弦鉴相特性，而在输入大信号情况下(几百mV以上)，其输出转变为线性(三角)鉴相特性。锁相环路输出信号由电压控制振荡器VCO产生，电压控制振荡器的自由振荡频率(即无外加控制电压时的振荡频率)与外接定时元件RTCT的关系式为：f01/1

19、.1RTCT选用适当的定时元件，可使LM567的振荡频率在0.01Hz500kHz范围内连续变化。电路工作时，输入信号在鉴相器PD1中与VCO的输出信号鉴相，相差信号经滤波回路滤波后，成为与相差成一定比例的电压信号，用于控制VOC输出频率f0跟踪输入信号的相位变化。若输入信号频率落在锁相环路的捕获带内，则环路锁定，在振荡器输出频率与输入频率相同时，二者之间只有一定相位差而无频率差。环路用于FM信号解调时，脚2输出的经过滤波后的相差信号可作为FM解调信号的输出，而当环路用于单音解调时，电路则利用PD2输出的相差信号。PD2的工作方式与PD1略有不同，它是利用压控振荡器输出的信号f0经90移相后再

20、与输入信号进行鉴相，是一正交鉴相器。在环路锁定情况下，PD2的两个输入信号在相位上相差约为90，因而PD2的输出电压达到其输出范围内的最大值，再经运算放大器AMP反相，在其输出端输出一个低电平。AMP的输出端为OC输出方式，低电平输出时可吸收最大100mA的输出电流。该端口的低电平输出信号除可由上拉电阻转换为电压信号以与TTL或CMOS接口电路相匹配外，还可直接驱动LED及小型继电器等较大负载。值得一提的是，接在2脚的环路滤波电容C2与内部电阻一道构成锁相环路的RC积分滤波器，该滤波器时间常数的大小在很大程度上决定了锁相环路的环路带宽BW的大小。当BW较大时，捕获范围大而稳定性差。减小BW则正

21、好相反，其稳定性较好而捕获范围变小。LM567的环路带宽BW可由下式计算：BW=1070(Vif0C2)1/2式中，Vi为输入信号的幅值(rms)C2为滤波电容的容量(单位为F)实际上，由上式计算得出的并不是环路带宽BW的实际值，而是环路带宽BW与环路中心频率f0的百分比，其值再乘上100才是锁相环路的实际捕获带宽。实际应用中调整C2的大小可使BW在04范围内变化。BW宽度与f0C2乘积之间的关系如图2。LM567在正常工作时的最小输入信号为20mV。当用于单音解码时，其工作特性为：当LM567信号输入端加入幅度为20mV以上的交流信号且频率落入f0BW范围内时，输出端输出一个低电平的检测信号

22、，这就是所谓的“频率继电器”特性。利用这一特性，LM567可广泛应用于各种低频单一频率信号的解码。3、使用要领1）LM567输出部分与普通数字IC等有所不同，其内部是一个集电极开路的NPN型三极管，使用时，脚与正电源间必须接一电阻或者其它负载，才能保证IC译码后输出低电平。2）实验表明：LM567接通电源瞬间，脚会输出一低电平脉冲。因此，用于作遥控器译码控制时，应在输出端后加装RC积分延时电路，以免每次断电后，重新复电时产生误动作。3）LM567第、脚为译码中心频率设定端，一般通过调整其外接可变电阻W改变频率，实验发现，当W阻值变为0或无限大时，脚电平状态即使无信号输入时也会变为低电平，因此，

23、在调整W时，不能使其短路或开路。4）LM567的工作电压对译码器的中心频率有所影响，故最好采用稳压供电。5）LM567脚外接电容决定着锁相环捕捉带宽，容量越小，捕捉带宽越宽，但使用时，不可为增大捕捉带宽而一味减小电容容量，否则，不但会降低抗干扰能力，严重时还会出现误触发现象，降低整机的可靠性。电源电路主要由变压器、桥式整流、滤波电路、稳压电路等组成。如框图3-19所示：图3-19 电源电路1、直流稳压电源部分设计1）设计方案框图。图3-20 直流稳压电源内部电路框图2）电压波电流形图交流220V电源经变压器整流、滤波、稳压时各个部分的波形变化：图3-21 交流220V波形图图3-22 通过变压

24、器整流之后的形波图图3-23 稳压后的波形图图3-24 直流稳压后电源波形图2、直流稳压电源电路工作原理图3-25 直流稳压电源部分电路图220V交流电经变压器B01变成一个15V的交流电压，经D08D11整流，C15滤波、IC05稳压成12V直流电压给整个电路供电。1）各部分电路的作用。电源变压器的作用：是为用电设备提供所需的交流电压。桥式整流的作用：是把交流电压变换为单向脉动的直流电压。滤波电容的作用：是用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压。稳压电路的作用：是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。3、具体参数选择。1）电源变压器选择与参

25、数；LM7812的输入电压范围为14VUI35V，取UI=18V。本电路采用桥式整流电容滤波电路，电源变压器二次侧电压有效值为I2IOmax=0.8A,取I2=1 A变压器二次侧伏安容量P2U2I2=15VA小型变压器效率表见表3-5表3-5 小功率变压器效率二次伏安容量/VA101030308080200效率 /%0.60.70.80.85 考虑变压器效率，选容量为20VA、二次侧电压、电流有效值为18V/1A的变压器。2）整流二极管及滤波电容选择每个二极管流过的平均电流 ID=1/2 IOmax =1/20.8A=0.4A整流二极管承受的反向峰值电压 UD=U2=1.41418V=25.4

26、V查阅器件手册，考虑安全系数留有裕量，整流二极管VD1VD2，选2CZ55C，其极限值参数为：URM100V，IF=1A，能满足要求。根据 S定义Io=0T=0S =UO/UOUI/UI 把UO=12V，UI=18V，UOP-P=8mV，S=10-3代入上式可求出 V=4V滤波电容C3可代入下式求得F） () 式中，IC为电容放电电流，取IC=IOmax,本例中为0.8A；t为电容C放电时间， t=T/2=1/100 =0.01s；UIP-P为稳压器输入端等效的纹波电压峰峰值。将数据代入（）式可得 F=2000F电容 C3的耐压值为UCM=25.4V，查手册选CD11型电解电容，标称值为220

27、0F /50V。三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800系列（正电源）和CW7900系列（负电源）。输出电压由具体型号中的后两位数字代表，有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等档次。其额定输出电流以78或（79）后面所加字母来区分。L表示0.1A，M表示0.5A，无字母表示1.5A。图3-17为CW7800和CW7900系列塑料封装和金属封装三端集成稳压器的外形及管脚排列。 CW78009(5A) CW7900(5A) 图3-17三端集成稳压器 图3-18三端固定输出集成稳压外形及管脚排列本部分安装在需要检测异味气体的地方，主要完成异味气体浓度监测和载波信号的发送。图3-26为该部分原理图，这部分电路由检测、控制、载波发生器等单元电路组成。图3-26 载波