車載式電解水器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）車載式水電解器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué) 院： 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院專 業(yè)： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 自動(dòng)化黃 宏學(xué) 號： 職 稱： 0601431028盛珣華楊 建教授副教授中國珠海二一 年 五 月北京理工大學(xué)珠海學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)誠信承諾書本人鄭重承諾：我所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)車載式水電解器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立開展研究取得的成果，文中引用他人的觀點(diǎn)和材料，均在文后按順序列出其參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)使用的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。本人簽名： 日期： 年 月 日 車載式水電解器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要本文主要是針對車載式水電解器控制系統(tǒng)而展開的一系列設(shè)計(jì)研究。該設(shè)計(jì)以單片機(jī)c8051f330為控制核心，主

2、要包括恒定電流控制電路，水溫控制電路，氫氣泄漏報(bào)警電路和低水位報(bào)警電路。系統(tǒng)能設(shè)定提供給電解水裝置的電流大小，并使其無論在溫度或水量變化的情況下，始終能恒定提供所設(shè)定的電流。水溫控制電路，能在水溫低的情況下，能切斷驅(qū)動(dòng)電源保護(hù)裝置，在水溫高的情況下，開啟散熱風(fēng)扇散熱。系統(tǒng)的氫氣傳感器，能在氫氣泄漏時(shí)候發(fā)出警報(bào)。低水位警報(bào)電路，則會(huì)在水位低時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)。本系統(tǒng)對于電解水裝置實(shí)用，可靠，安全，適用車載式水電解器的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：水電解器 c8051f330 單片機(jī) 恒流源 溫度控制 vehicle-mounted water solutions control system abstract t

3、his article is for the vehicle-mounted water solutions control system has launched a series of design studies. the c8051f330 microcontroller to control the design to the core, including constant current control circuit,temperature control circuit, hydrogen gas leak alarm circuit and the low water le

4、vel alarm circuit. system can set the device to provide water to the electrolysis current size, and make both changes in temperature or under water, and always able to provide the constant current setting. temperature control circuit, in the case of low water temperature, can cut off the drive power

5、 protection device, in the case of high water temperature, open the cooling fan cooling. system, hydrogen sensors,hydrogen leak in the alarm time. low water level alarm circuit will be in the water level is low, will issue a warning. the system for water electrolysis device practical, reliable, safe

6、, vehicle-mounted water electrolysis device for the application.keywords: water electrolysis device c8051f330 temperature control constant current source目錄摘要.abstract.1緒論.11.1課題設(shè)計(jì)背景及意義.11.2行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢.11.3課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容.22系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì).32.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案.32.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件總體架構(gòu).32.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體方案.43系統(tǒng)的主要硬件介紹.53.1單片機(jī)介紹.53.2氫氣傳感器介紹.1

7、13.3場效應(yīng)管介紹.133.4運(yùn)算放大器介紹.153.5水位傳感器介紹.153.6熱敏電阻的介紹.164系統(tǒng)電路設(shè)計(jì).184.1電源電路.184.2單片機(jī)電路設(shè)計(jì).184.3恒流電路計(jì).194.4其它電路計(jì).194.5總電路原理圖設(shè)計(jì).204.6 pcb板設(shè)計(jì)圖.205軟件設(shè)計(jì).215.1 程序流程圖.215.2 c語言設(shè)計(jì).226調(diào)試與仿真.266.1軟件調(diào)試.266.2 proteus仿真恒流電路.296.3仿真結(jié)果分析.307測試.31參考文獻(xiàn).33附錄.34謝辭.37 1 緒論1.1課題設(shè)計(jì)背景及意義 目前所有使用的機(jī)動(dòng)車，船有少部分使用石油液化氣或氫氣作燃料，大部分都采用汽油.柴油

8、作燃料。隨著車輛發(fā)展使用的普及和地球石油資源的減少，依靠石油化工產(chǎn)品汽油.柴油。大規(guī)模使用化石燃料出現(xiàn)了資源日益枯竭，環(huán)境不斷惡化，還誘發(fā)了不少國與國之間、地區(qū)之間的政治經(jīng)濟(jì)糾紛，甚至沖突和戰(zhàn)爭；以及人們對環(huán)境保護(hù)意識(shí)的強(qiáng)化認(rèn)識(shí)。因此，必須尋求一種新的、清潔、安全、可靠的可持續(xù)能源系統(tǒng)。 石油液化氣作能源的內(nèi)燃機(jī)將急需尋找替代產(chǎn)品。而且以氫氣作能源的內(nèi)燃機(jī)目前是依靠工廠集中制取氫氣，經(jīng)150350個(gè)大氣壓壓縮溫度為-253冷凍成液態(tài)裝罐使用，且冷藏罐的保溫非常復(fù)雜，象加油站一樣普及建設(shè)加氫站成本過于高昂，極大的遏制了氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的普及?，F(xiàn)有的氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的氫氣來源是采用的是以市電供電以電解水產(chǎn)生氫

9、氣和桶狀結(jié)構(gòu)電解池，無法滿足內(nèi)燃機(jī)移動(dòng)的需要。另外一點(diǎn)是，汽車尾氣排放是城市中的主要大氣污染源之一，尾氣中大量的碳?xì)浠衔锛耙谎趸嘉廴疚飳θ藗兊纳眢w健康危害極大，有效地減少汽車尾氣排放帶來的污染一直是各級政府及科研人員關(guān)注的熱點(diǎn)。為此我們提出了用汽車上的直流電源電瓶電解水制得氫氣和氧氣，通過汽車的進(jìn)氣管進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，提高其燃燒效率，以起到節(jié)油和尾氣凈化的功效。根據(jù)有關(guān)學(xué)者的研究報(bào)道，對汽油內(nèi)燃機(jī)加入5%的氫氣，能有效地降低一氧化碳，碳?xì)浠衔锏?，而?jīng)清華大學(xué)研究院實(shí)際汽車測試結(jié)果中，也得到了證明。目前世界有類似的裝置和混合動(dòng)力汽車，但由于其儲(chǔ)存的是液化氫氣，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，關(guān)鍵不安

10、全，所以得不到很好的推廣使用。因此我們改變方式，利用電解水的方式來得到氫氣。電解水產(chǎn)生的是氫氣和氧氣，而裝置的供電只需由汽車的蓄電瓶供電，此裝置體積小，一產(chǎn)生出的氫氣就立即消耗，無積存，所以安全，此方案原理結(jié)構(gòu)簡單，因此成本低。由于有以上特點(diǎn)，此裝置還可以應(yīng)用到其它內(nèi)燃機(jī)，焊接和烹飪器具等多方面，增加其幅價(jià)值。這種車載式電解水裝置能很好地起到降低汽車尾氣污染物的排放，減少油耗，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，如果一經(jīng)推廣使用在汽車上，相信能為我們的環(huán)境氣候做出很大的貢獻(xiàn)。1.2 行業(yè)技術(shù)發(fā)展情況 據(jù)資料了解目前臺(tái)灣，泰國，馬來西亞等東南亞地區(qū)，甚至美國已經(jīng)有人在設(shè)計(jì)生產(chǎn)電解水裝置提供給汽車使用，以達(dá)到節(jié)油的效果

11、，由于有巨大市場潛力，以及人們越來越注重節(jié)能環(huán)保的意識(shí)，形成很大需求，因此此項(xiàng)技術(shù)受到人們的關(guān)注，研究和推廣。以目前的同類車載式的電解水置的使用情況來看，也證實(shí)了它的確有一定的節(jié)能效果，但同時(shí)，由于這是一種新興的產(chǎn)品，技術(shù)仍不完善，出現(xiàn)了不耐用，不穩(wěn)定，安全低，低效的缺點(diǎn)。因此也帶來車載式電解水裝置的很大的改進(jìn)空間，使得這種裝置更安全，更穩(wěn)定，更人性化，從而得到更大推廣使用。1.3 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容設(shè)計(jì)一套針對車載式水電解器控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，主要包括恒定電流控制電路，水溫控制電路，氫氣泄漏報(bào)警電路和低水位報(bào)警電路。1.該系統(tǒng)具有大電流恒流的功能，并能設(shè)定提供給電極片的電流大

12、小，使其無論在溫度或水量變化的情況下，始終能恒定提供所設(shè)定的電流。2. 具有水溫控制電路,能在水溫低的情況下，能切斷驅(qū)動(dòng)電源保護(hù)裝置;在水溫高的情況下，開啟散熱風(fēng)扇散熱。當(dāng)水溫異常過高，即風(fēng)扇故障停轉(zhuǎn)，也能切斷驅(qū)動(dòng)電源，并警報(bào)。3. 具有氫氣氫氣檢測功能，能在氫氣泄漏時(shí)候發(fā)出警報(bào)，并切斷驅(qū)動(dòng)電源。4. 具有水位低提示功能。在水位低的時(shí)候，會(huì)發(fā)出提示警報(bào)，禁止啟動(dòng)。本次設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：1、 可調(diào)恒流在15a-25a，精度1%；2、 啟動(dòng)緩慢提升電流。3、 溫度檢測范圍：-3攝氏度至100攝氏度；4、檢測氫氣有無泄漏；5、蜂鳴器和led燈閃爍報(bào)警；6、繼電器輸出節(jié)點(diǎn)容量：1a/24v dc

13、； 2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)總體方案 根據(jù)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)控制硬件架構(gòu)是以c8051f330單片機(jī)為控制核心，外圍主要包括：恒流電路，溫度檢測電路，氫氣檢測電路，水位檢測電路，聲光警報(bào)電路，氣流輕觸動(dòng)開關(guān)，按鍵和繼電器所組成。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)硬件架構(gòu)控制核心采用的是c8051f330單片機(jī)，20只腳封裝，15個(gè)i/0口，其內(nèi)部還具有時(shí)鐘振蕩器，內(nèi)部時(shí)鐘1個(gè)ad轉(zhuǎn)換和1個(gè)da轉(zhuǎn)換口，完全能滿足控制功能要求外，還大大縮小體積。恒流部分采用由lm324構(gòu)成的采樣比較電路，振蕩器電路來，控制大功率場效應(yīng)管irf3205調(diào)節(jié)電流大小。首先采集采樣電阻的電壓，再與單片機(jī)da輸出的調(diào)節(jié)電

14、壓進(jìn)行比較，輸出反饋電壓回運(yùn)算放大器,再，混合反饋電壓，輸出pwm驅(qū)動(dòng)大功率場效應(yīng)管，比較電路，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，達(dá)到恒流作用。按鍵則是設(shè)定恒流電流的大小，一開機(jī)默認(rèn)是恒流在20a，當(dāng)按下這個(gè)按鍵，則恒流在25a，以增加產(chǎn)生氫氣量。溫度檢測采用廉價(jià)的熱敏電阻，用單片機(jī)內(nèi)部的ad，將電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字，獲得溫度數(shù)據(jù)后再進(jìn)行控制。當(dāng)檢測到在水溫在3度以下時(shí)，禁止裝置啟動(dòng)；當(dāng)在常溫下，風(fēng)扇和水泵都會(huì)正常工作；當(dāng)水溫異常高，在90度以上，此時(shí)認(rèn)為風(fēng)扇故障，無法散熱，則切斷裝置電源，保護(hù)裝置。氫氣檢測采用氫氣傳感器，因?yàn)槭桥袛嘤袩o泄漏氫氣，所以單片機(jī)只需檢測高低電平，高電平為有，低電平為無。水位檢測是通過

15、紅外光電傳感器來實(shí)現(xiàn)，將此傳感器貼在透明的水箱壁上，利用水有折射光線的原理，水位在傳感器以上時(shí)，將不會(huì)接收到反射的光線，輸出低電平。當(dāng)水位在傳感器以下時(shí)，將會(huì)接收到反射的光線，輸出高電平。聲光警報(bào)采用的是led燈和蜂鳴器，通過led的亮滅顯示裝置狀態(tài)，蜂鳴器有長音，短音，兩短音，來區(qū)別出異常的警報(bào)?？刂频膱?zhí)行器是由1a/24v dc的繼電器來執(zhí)行風(fēng)扇，水泵和氫氣傳感器的啟動(dòng)和停止整個(gè)車載式電解水器安裝在車上后，控制系統(tǒng)都在待機(jī)，在車上的進(jìn)氣管有一個(gè)氣流輕觸動(dòng)開關(guān)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣管會(huì)吸氣，在氣流的推動(dòng)下，氣流輕觸動(dòng)開關(guān)就會(huì)閉合上，觸發(fā)整個(gè)控制系統(tǒng)工作，這樣做可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)，不必人手開啟和

16、停止，并且能避免發(fā)動(dòng)機(jī)在熄火的情況下，仍有氫氣產(chǎn)生。2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體方案首先確定控制對象是電解器，由于外圍是傳感器，蜂鳴器，led燈和繼電器，因此還需要對它們進(jìn)行判斷和開關(guān)控制，再根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)作控制的要求，程序會(huì)按照過程控制方式編寫。由于c語言有很高的簡化，易操作，易讀性，所以會(huì)用c語言進(jìn)行編寫。程序有一個(gè)總的控制循環(huán)，程序進(jìn)入后，將會(huì)循環(huán)判斷各個(gè)繼電器，和控制執(zhí)行其，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測，實(shí)時(shí)控制的效果。具體如下：1. 程序開始進(jìn)行初始化，主要是對單片機(jī)的寄存器進(jìn)行賦值和配置。2. 設(shè)定好參數(shù)值3. 判斷輕觸發(fā)開關(guān)是否觸發(fā)，以此作為進(jìn)入控制循環(huán)的入口判斷。4. 控制循環(huán)一個(gè)判斷的是水位，水位低則

17、進(jìn)入水位警報(bào)并繼續(xù)不斷檢測水位，等待用戶加水，水位高了后，就重新判斷觸發(fā)。5. 其次判斷水溫，水溫正常則進(jìn)入下一步，水溫3攝氏度，則禁止啟動(dòng)，等待溫度回升到3度以上。當(dāng)水溫90攝氏度時(shí)，則認(rèn)為為風(fēng)扇故障，發(fā)出風(fēng)扇故障警報(bào)。6. 啟動(dòng)氫氣傳感器，給它預(yù)加熱。7. 緩慢上升電流。8. 判斷氫氣是否有泄露，如果有泄露，則發(fā)出氫氣泄露警報(bào)。9. 判斷是否有按鍵按下，如果有，則提升電流。返回3，繼續(xù)循環(huán)，如果觸發(fā)斷開，則返回2，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。 3.系統(tǒng)的主要硬件介紹3.1 單片機(jī)介紹 c8051f330系列器件使用silicon labs的專利cip-51 微控制器內(nèi)核。cip-51 與mcs-51tm

18、指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn) 803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。cip-51 內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn) 8052 的所有外設(shè)部件，包括 4 個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、一個(gè)具有增強(qiáng)波特率配置的全雙工uart、一個(gè)增強(qiáng)型spi端口、768 字節(jié)內(nèi)部ram、128 字節(jié)特殊功能寄存器（sfr）地址空間 模擬外設(shè) （1）.10位 adc（只限于f330） 轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200ksps 可多達(dá)16個(gè)外部單端或差分輸入 vref可在內(nèi)部vref、外部引腳或vdd中選擇 內(nèi)部或外部轉(zhuǎn)換啟動(dòng)源 內(nèi)置溫度傳感器 （2）.10位電流輸出dac（只限于f330） 比較器 可編程回差電壓和響應(yīng)時(shí)間 可配置為中斷或復(fù)

19、位源 小電流（vt并取不同數(shù)值時(shí)，反型層的導(dǎo)電能力將改變，在的vds下也將產(chǎn)生不同的ids, 實(shí)現(xiàn)柵源電壓vgs對源漏電流ids的控制。場效應(yīng)管（fet）是電場效應(yīng)控制電流大小的單極型半導(dǎo)體器件。在其輸入端基本不取電流或電流極小，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡單等特點(diǎn)，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中被應(yīng)用。 fet和雙極型三極管相類似，由fet組成的放大電路也和三極管放大電路相類似，三極管放大電路基極回路一個(gè)偏置電流(偏流)，而fet放大電路的場效應(yīng)管柵極沒有電流，fet放大電路的柵極回路一個(gè)合適的偏置電壓(偏壓)。 fet組成的放大電路和三極管放大電路的主要區(qū)別：場效應(yīng)管是電壓

20、控制型器件，靠柵源的電壓變化來控制漏極電流的變化，放大作用以跨導(dǎo)來；三極管是電流控制型器件，靠基極電流的變化來控制集電極電流的變化，放大作用由電流放大倍數(shù)來。 場效應(yīng)管放大電路分為共源、共漏、共柵極三種組態(tài)。在分析三種組態(tài)時(shí)，可與雙極型三極管的共射、共集、共基對照，體會(huì)二者間的相似與區(qū)別之處。本設(shè)計(jì)采用的是國際整流器公司(international rectifier，簡稱ir)生產(chǎn)的irf3205大功率場效應(yīng)管。漏源電壓vdss達(dá)到55v，內(nèi)電阻只有8毫歐，最大漏極電流id為110安。經(jīng)過了解這種大功率場效應(yīng)管最適合本系統(tǒng)控制電流，而且價(jià)格便宜。3.4 運(yùn)算放大器介紹 本設(shè)計(jì)采用的運(yùn)算放大器

21、是lm324，lm324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為mc1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號輸入端，“v+”、“v-”為正、負(fù)電源端，“vo”為輸出端。兩個(gè)信號輸入端中，vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo的信號與該輸入端的位相反；vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo的信號與該輸入

22、端的相位相同。lm324的引腳排列見圖2。lm324的特點(diǎn)：1.短跑保護(hù)輸出2.真差動(dòng)輸入級3.可單電源工作：3v-32v4.低偏置電流：最大100na5.每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器6.具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?.共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源8.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列9.輸入端具有靜電保護(hù)功能3.5水位傳感器介紹 傳統(tǒng)的水位用的是電極片，利用水的導(dǎo)電原理，來檢測水位?？稍诒究刂茖ο箅娊馑渲袔в须?，所以這種方法不適合。因此水位傳感器采用的是紅外反射傳感器來代替，將此傳感器貼在透明的水箱壁上，利用水有折射光線的原理，水位在傳感器以上時(shí)，將不會(huì)接收到反射的光線，輸出低電平。當(dāng)水位在傳感器以下時(shí)，將會(huì)接收到反射的光線，

23、輸出高電平。這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。檢測距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場合。3.5 熱敏電阻的介紹熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電阻變化若電子和空穴的濃度分別為n、p，遷移率分別為n、p，則半導(dǎo)體的電導(dǎo)為：=q（nn+pp）因?yàn)閚、p、n、p都是依賴溫度t的函數(shù)，所以電導(dǎo)是溫度的函數(shù)，因此可由測量電導(dǎo)而推算出溫度的高低，并能做出電阻-溫度特性曲線這就是半導(dǎo)體熱敏電阻的工作原理熱敏電阻包括正溫度系數(shù)（

24、ptc）和負(fù)溫度系數(shù)（ntc）熱敏電阻，以及臨界溫度熱敏電阻（ctr）。熱敏電阻的主要特點(diǎn)是：靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測出10-6的溫度變化；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55315，高溫器件適用溫度高于315（目前最高可達(dá)到2000），低溫器件適用于-27355；體積小，能夠測量其他溫度計(jì)無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1100k間任意選擇；易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)。由于半導(dǎo)體熱敏電阻有獨(dú)特的性能，所以在應(yīng)用方面，它不僅可以作為測量元件（如測量溫度、流量、液位等），還可以作為控制元件（如熱敏開

25、關(guān)、限流器）和電路補(bǔ)償元件熱敏電阻廣泛用于家用電器、電力工業(yè)、通訊、軍事科學(xué)、宇航等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展前景極其廣闊。ntc熱敏電阻ntc（negative temperature coeff1cient）是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料該材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進(jìn)行充分混合、成型、燒結(jié)等工藝而成的半導(dǎo)體陶瓷，可制成具有負(fù)溫度系數(shù)（ntc）的熱敏電阻其電阻率和材料常數(shù)隨材料成分比例、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同而變化現(xiàn)在還出現(xiàn)了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系ntc熱敏電阻材料ntc熱敏半導(dǎo)瓷大多是尖晶石結(jié)構(gòu)

26、或其他結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷，具有負(fù)的溫度系數(shù)，電阻值可近似表示為：式中rt、rt0分別為溫度t、t0時(shí)的電阻值，bn為材料常數(shù)陶瓷晶粒本身由于溫度變化而使電阻率發(fā)生變化，這是由半導(dǎo)體特性決定的ntc熱敏電阻器的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的階段1834年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了硫化銀有負(fù)溫度系數(shù)的特性1930年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氧化亞銅-氧化銅也具有負(fù)溫度系數(shù)的性能，并將之成功地運(yùn)用在航空儀器的溫度補(bǔ)償電路中隨后，由于晶體管技術(shù)的不斷發(fā)展，熱敏電阻器的研究取得重大進(jìn)展1960年研制出了n1c熱敏電阻器ntc熱敏電阻器廣泛用于測溫、控溫、溫度補(bǔ)償?shù)确矫嫦旅娼榻B一個(gè)溫度測量的應(yīng)用實(shí)例，ntc熱敏電阻測溫用原理如圖4所示它的測量

27、范圍一般為-10+300，也可做到-200+10，甚至可用于+300+1200環(huán)境中作測溫用rt為ntc熱敏電阻器；r2和r3是電橋平衡電阻；r1為起始電阻；r4為滿刻度電阻，校驗(yàn)表頭，也稱校驗(yàn)電阻；r7、r8和w為分壓電阻，為電橋提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電源r6與表頭（微安表）串聯(lián)，起修正表頭刻度和限制流經(jīng)表頭的電流的作用r5與表頭并聯(lián)，起保護(hù)作用在不平衡電橋臂（即r1、rt）接入一只熱敏元件rt作溫度傳感探頭由于熱敏電阻器的阻值隨溫度的變化而變化，因而使接在電橋?qū)蔷€間的表頭指示也相應(yīng)變化這就是熱敏電阻器溫度計(jì)的工作原理熱敏電阻器溫度計(jì)的精度可以達(dá)到0.1，感溫時(shí)間可少至10s以下它不僅適用于糧

28、倉測溫儀，同時(shí)也可應(yīng)用于食品儲(chǔ)存、醫(yī)藥衛(wèi)生、科學(xué)種田、海洋、深井、高空、冰川等方面的溫度測量。4.系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 4.1電源電路由于lm324需要8v供電，傳感器需要5v供電，單片機(jī)需要3.3v供電，因此就需要7808，7805和ams1117-3.3穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓供電。在總的輸入端口，接了一個(gè)in4007二極管，起到當(dāng)反接電源時(shí)，保護(hù)電路的作用。為了減小電壓的穩(wěn)波，會(huì)在穩(wěn)壓芯片的輸出和輸入端與地接上一個(gè)100uf的電解電容，進(jìn)行濾波。有一個(gè)特別設(shè)計(jì)是7808的輸入電源是通過一個(gè)繼電器來控制的，當(dāng)待機(jī)的時(shí)候，繼電器斷開，7808未接上電源。當(dāng)開始啟動(dòng)時(shí)，單片機(jī)控制繼電器合上，將7808連接電源

29、，這樣做的目的是為了在待機(jī)的情況下，減少耗能。4.2 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)單片機(jī)電路如下圖所示，c8051f330是20腳封裝的單片機(jī)，由于內(nèi)部已經(jīng)具有24m的振蕩器，所以無需再接外部晶振。內(nèi)部集成的的da轉(zhuǎn)換器是電流輸出型，所以首先要接22歐的電阻到地，形成電壓。由因?yàn)椴蓸与娮柚挥?.001歐，流經(jīng)電流為20安，因此采樣的電壓只有0.02v，也就是比較電壓也是0.02v，電壓是非常的低。輸出得到準(zhǔn)確的0.02v。蜂鳴器由pnp型的三極管8550來驅(qū)動(dòng)發(fā)聲。其它傳感器則在單片機(jī)上留有接口，方便傳感器模塊接入。 4.3 恒流電路設(shè)計(jì) 恒流電路主要由一支4運(yùn)算放大器lm324和兩支irf3205大功率場

30、效應(yīng)管組成。由于irf3205大功率場效應(yīng)是n溝道型，所以首先電源正極接負(fù)載電解槽，再接mosfet，這里如果只用一支mosfet承受20a的電流，將會(huì)發(fā)出很大的熱量，所以并聯(lián)多一支mosfet來分擔(dān)電流。采樣電阻采用的是0.001歐，5w的電阻，采樣電阻越小，額定功率越大越好，這樣可以降低消耗在電阻的電，但同時(shí)又帶來一個(gè)弊端，就是采樣出的電阻就會(huì)越小，因此就需要求單片機(jī)的da轉(zhuǎn)換位數(shù)更高，這里采用的c8051f330有10位da，就可以達(dá)到要求。lm324構(gòu)成的采樣比較電路和振蕩器電路，控制大功率場效應(yīng)管irf3205調(diào)節(jié)電流大小。首先由振蕩電路經(jīng)過一個(gè)運(yùn)算放大器，混合反饋電壓，輸出pwm驅(qū)

31、動(dòng)大功率場效應(yīng)管。接著采樣電阻的那點(diǎn)電壓經(jīng)過一個(gè)一階rc濾波后，進(jìn)入比較電路采集采樣電阻的電壓，與單片機(jī)da輸出的調(diào)節(jié)電壓進(jìn)行比較，輸出電壓再進(jìn)行另一個(gè)一階rc濾波后，反饋電壓回運(yùn)算放大器，恒流原理如下圖，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，達(dá)到恒流作用。按鍵則是設(shè)定恒流電流的大小，一開機(jī)默認(rèn)是恒流在20a，每按下增加的按鍵時(shí)，單片機(jī)da輸出的比較電壓增加0.002v，恒流電路自動(dòng)將電流提高2安，以增加產(chǎn)生氫氣量；每按下減少的按鍵時(shí)，單片機(jī)da輸出的比較電壓減少0.002v，恒流電路自動(dòng)將電流減少2安，以減少產(chǎn)生氫氣量。4.4 其它電路設(shè)計(jì) 熱敏電阻一端接電阻，一端接單片機(jī)的ad口，無需其它電路。 紅外反射傳感

32、器已是一個(gè)模塊，即插即用，無需其它電路。 氫氣傳感只需要一個(gè)下拉電阻即可，電路簡單。 led燈需接一個(gè)1k電阻，再接入單片機(jī)，起到保護(hù)led不被燒毀。 由于單片機(jī)的io口，輸出電流有限，所以繼電器和蜂鳴器需由8550三極管做驅(qū)動(dòng)。4.5 總電路原理圖設(shè)計(jì) pcb板原理圖是由protel dxp2004軟件繪制。原理圖的每個(gè)元器件均按照器件符號，人手繪制。 4.6 pcb板設(shè)計(jì)圖pcb板圖是由protel dxp2004軟件繪制的原理圖后生成，pcb中的每個(gè)元器件封裝均按照器件實(shí)際大小來繪制，并手動(dòng)排版布線。板上留有螺絲安裝孔，按照最小的面積來排版各個(gè)元器件，還電源線進(jìn)行加粗，敷銅部分以地覆蓋，得到很好的抗干擾作用，貼近邊沿有插針引腳，方便各個(gè)傳感器和電源，接插，整個(gè)板布線合理，整潔。 5.軟件設(shè)計(jì) 5.1 程序流程圖 程序流程圖，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)作控制的要求，程序會(huì)按照過程控制方式編寫。由于c語言有很高的簡化，易操作，易讀性，所以用c語言進(jìn)行編寫。程序有一個(gè)總的控制循環(huán)，程序進(jìn)入后，將會(huì)循環(huán)判斷和控制執(zhí)行器，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測，實(shí)時(shí)控制的效果。5.2 c語言程序 /*頭文件*/#include c8051f330.hunsigned