【正文】 離和傳輸，以 “ 電 光 電 ” 的形式工作。具有耐用，可靠性高，響應(yīng)時間短的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于信號傳輸電路中。 4N26 光電耦合器內(nèi)部是由發(fā)光二極管和一個光敏三極管構(gòu)成的，當(dāng)發(fā) 光二極管有電流時，二極管發(fā)光照射到光敏三極管的基極，使光敏三極管導(dǎo)通，從而接通電路。 4N26 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示： 圖 光電耦合器 4N26 太陽能熱水器上水控制系統(tǒng) 上水電磁閥 的選用 電磁閥按原理可以簡單的分為 3 類： 1）分步直動式電磁閥：這是一種直動和先導(dǎo)式相結(jié)合的原理，當(dāng)出口與入口沒有壓力差時，線圈得電之后產(chǎn)生磁力，將先導(dǎo)小閥和主閥關(guān)閉件依次向上提起，閥門第 13 頁 共 32 頁 打開。分步直動式電磁閥可以在零壓差或真空、高壓時動作，但是功率較大，必須要水平安裝。直動式電磁閥可以在真空、負(fù)壓、零壓的時候正常工作，但是通徑一般不超過 25mm。其特點是流體壓力范圍上限較高，可以任意安裝但是必須滿足流體壓力差條件。我們所用的電磁閥是安裝在太陽能熱水器 進(jìn) /出 水管，由于太陽能熱水器的進(jìn)出水管是一根管子，所以我們需要考 慮電磁閥在水管中的水溫達(dá)到 90 度時，能否正常工作，其次考慮價格問題。 報警電路設(shè)計 給系統(tǒng)添加一個報警電路是為了在水上滿之后提示用戶水已經(jīng)上滿。 我們可以利用 單片機(jī)的 一個 輸出端口，根據(jù)所選蜂鳴器的頻率 ，通過軟件定義端口輸出方波 的 占空比和周期來滿足蜂鳴器的驅(qū)動。蜂鳴器使用 5V 無源蜂鳴器。因此變換器的設(shè)計需要考慮傳感器的類型，根據(jù)傳感器的類型確定最有效的測量電路。 電容式水位傳感器 我們使用的電容式水位傳感器是依 據(jù)電容原理自行 制作 的 ，采用兩塊耐腐蝕金屬電極 固定 于太陽能熱水器溢出管的 外側(cè) 作為 電容的兩個極板，在兩塊極板上分別焊上導(dǎo)線，便于接入電路，這樣就可以做成一個簡易的電容式傳感器。 控制系統(tǒng)通過檢測電容量的大小變化來判斷溢水管是否有水流出， 具有結(jié)構(gòu)合理、動態(tài)范圍大、分辨率高，無密封防水要求、不受水質(zhì)水垢影響、無使用壽命周期等優(yōu)點。由于振蕩器的頻率受電容傳感器第 15 頁 共 32 頁 的電容調(diào)制，故稱調(diào)頻電路。但調(diào)頻電路的頻率受溫度和電纜電容影響較大，需采取穩(wěn)頻措施，電路較為復(fù)雜，頻率穩(wěn)定度也不可能很高，因此實現(xiàn)比較困難。當(dāng)傳感器的電容 Cx 發(fā)生變化時， 振蕩器的頻 率 f 也相應(yīng)地發(fā)生變化，即我們所說的頻率調(diào)制，由此實現(xiàn)了 Cx → f 的轉(zhuǎn)換，但該頻率信號是比較小的信號需要進(jìn)行放大，放大后的頻率信號進(jìn)一步通過鑒頻器轉(zhuǎn)化為電壓信號。 交流電橋電路 將電容式傳感器接入交流電橋的一個臂 (另一個臂為固定電容 )或兩個相鄰臂，另兩個臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個二次線圈。而變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。 交流電橋電路的 特點： 1）高頻交流正弦波供電； 2）電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻 等措施； 3）通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場合應(yīng)采用自動平衡電橋； 4）輸出阻抗很高 （ 幾 MΩ 至幾十 MΩ） ，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。供電電壓是幅值為 177。若將二極管理想化，則當(dāng)電源為正半周時，電路等效成典型的一階電路，如圖 (b)。 第 17 頁 共 32 頁 圖 雙 T 充放電網(wǎng)絡(luò)電路原理圖 （ a） 圖 雙 T 充放電網(wǎng)絡(luò)電路等效電路圖 (b) 根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容 C2 的電流 iC2 如下 ： 22e xpLEELCL LL LRUURR tiRR RRR RCRR RR?????? ?? ??? ????????? ?? 在［ R＋（ RRL） /（ R＋ RL）］ C2T/2 時 , 電流 iC2 的平均值 IC2 可以寫成下式： 22 2 2 200 21 1 1T LC c c ELRRI i d t i d t U CT T T R R? ?? ? ? ??? 同理， 負(fù)半周時電容 C1 的平均電流 : 1121 LCELRRI U CT R R?? ? 故在負(fù)載 RL上產(chǎn)生的電壓為： ? ? ? ? ? ?0 1 2 1 222()LLLECCLL R R R RR R UU I I C CR R R R T?? ? ? ??? 電路特點： C2 UE C1 C1 C2 UE RL RL R R R + + + + iC1 iC2 i’C1 i’C2 R U0 R R RL C2 C1 VD1 VD2 iC1 iC2 + + － ＋ 177。 運(yùn)算放大器電路 將電容式傳感器接入運(yùn)算放大器電路中，作為電路反 饋元件而構(gòu)成的測量電路，其最大特點是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。 圖 運(yùn)算放大器電路原理圖 圖中 U 是交流電源電壓， C 是固定電容， Cx 是傳感器電容， U0 是輸出信號電壓。顯然，輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。 差動脈沖調(diào)寬電路 差動脈沖調(diào)寬電路也稱為脈沖調(diào)制電路，它是利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨電容式傳感器的電容量變化而變化，然后通過低通濾波器就能得到A ～ uo C Cx u ∑ 第 19 頁 共 32 頁 對應(yīng)被測量變化的直流信號。當(dāng)接通電源時，雙穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)器的 Q 端 即 A 點為高電平， B 端為低電位。此時 F 點電位 Ur經(jīng)二極管 VD1迅速放 電至 0，同時 B 點高電位經(jīng) R2向 C2充電，當(dāng) G 點電位充至 Ur時，比較器 A2輸出脈沖，是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器再一次翻轉(zhuǎn)， Q 端又變?yōu)楦唠娢?。?dāng) C1=C2的時候， 各點的電壓波 形如圖 （ a） 所示 ，輸出電壓UAB的平均值為零。 UAB經(jīng)低通濾波后，就可以得到一直流電壓 U0為 ： 1 2 1 20 1 1 11 2 1 2 1 2AB T T T TU U U U U UT T T T T T?? ? ? ? ?? ? ? 式中： UA， UB—— A點和 B點矩形脈沖的直流分量； T1 ， T2—— C1和 C2的充放電時間； R2 雙穩(wěn) 態(tài)觸 發(fā)器 VD1 VD2 A1 A2 A B R1 C1 C2 uAB F Q Q Ur G 比較 器 U0 第 20 頁 共 32 頁 U1—— 觸發(fā)器輸出的高電位。 圖 差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形 差動脈沖調(diào)寬電路與電橋電路相比，只采用直流電源，無需振蕩器，也就不存在對載波波形純度等的要求。雖然對直流電源的電壓穩(wěn)定度要求比較高，但對高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻穩(wěn)幅交流電源易于做到。在太陽能熱水器的溢出管外安裝兩個耐腐蝕的金屬極片，使其形成極板 式電容器，然后在溢出管旁邊另設(shè)置一個參考電容與其相對應(yīng)。 將兩個電容置于脈沖調(diào)制電路中，設(shè)參考電容為固定值 C1，溢出管上的電容為可變電容 C2，當(dāng)水沒有滿時，即溢出管電容和 C1 的電容值相等，根據(jù)計算公式可以知道電路輸出電壓為 0；當(dāng)水滿，有水從溢出管流出時，溢出管上的電容值就會改變，根據(jù)計算公式可以得出輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比，因此，根據(jù)電壓的改變可以 判斷出是否有水溢出，進(jìn)而得到太陽能熱水器上水已滿的結(jié)論。 電阻式水位傳感器 電阻式水位傳感器原理 目前很多太陽能熱水器中所采用的水位傳感器，一般都是如圖 所示的排阻式水位傳感器。 在反向器后面接入 4 個發(fā)光二極管顯示電路，當(dāng)有水沒過水位電阻的時候，經(jīng)CD4069 反向輸出高電平驅(qū)動發(fā)光二極管點亮，就可以顯示所到水位。 但是 這種水位檢測方案 測量精度 不夠高，所以 我們 要根據(jù)這種方法去積極 研究 和探索 ，進(jìn)而研究出新的水位檢 測方法和控制電路。用膠將其固定好，然后將管外銅絲用導(dǎo)線焊接，接到右邊的電路中。在 給傳感器接入 12V 電源， A、 B 在沒有水流過時， 電阻為無窮大， 其中 R1 取 R1=22MΩ ， 因此 RAB R1,所以 U1 和 UAB 比較輸出 高電平 ；當(dāng)有水流過管子， A、 B 被水淹沒，其電阻在幾百千歐，相當(dāng)于和 R1 串聯(lián)分壓，由于R1RAB，則 U1 UAB，輸出 低 電平。 測量電路 圖 水位傳感器測量電路 如圖 所示為自制式電阻式水位傳感器測量電路， R2 和 LED 構(gòu)成電源上水指示，在通電電磁閥打開上水的時候指示燈亮，表示電源接通，電磁閥打開正在上水；指示燈滅，表示水滿，電磁閥關(guān)閉，電路失電，上水結(jié)束。 R3 與 C1 構(gòu)成一個延遲 1ms， 電平從 0→ 1 變化 的信號輸入，與傳感器 電平 輸入構(gòu)成 RS 雙穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)器的兩個輸入 。由于電路所用電壓為 12V 左右，所以選擇了電壓范圍較寬的 CMOS 系列 CD4011，而不選用 74LS00。 方案比較 電容傳感器中調(diào)頻電路的頻 率受溫度和電纜電容影響較大，需采取穩(wěn)頻措施，電第 25 頁 共 32 頁 路較為復(fù)雜，頻率穩(wěn)定度也不可能很高，因此實現(xiàn)比較困難；雙 T 型充放電網(wǎng)絡(luò)中電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定，因此相對實際電路制作會比較麻煩；交流電橋電路比較復(fù)雜，能力有限；所以選擇了差動脈沖調(diào)寬電路，但是在電路調(diào)試的時候，電路不能起振，究其原因，所制作的電容傳感器電容值太小，加上LM324N 的最高比較頻率小于 1MHz，如果換用高速比較器，成本就比較大了，所以考慮使用電阻傳感器電路。最后 ，我和指導(dǎo) 老師研究決定使用自己制作電阻式傳感器做成上水控制電路 的方案 。 4 控制器電源設(shè)計 直流電源設(shè)計 本設(shè)計中所使用的電源是 12V 和 5V 直流電源，因此使用 220VAC 變 12VAC 的第 26 頁 共 32 頁 變壓器和 781 7805 穩(wěn)壓管設(shè)計供電電源電路，如圖 所示： 圖 12V 和 5V 直流輸出 轉(zhuǎn)換 電路 轉(zhuǎn)換電路中 變壓器經(jīng)過由 4 個 IN4007 組成的整流電橋輸出給 7812 進(jìn)行穩(wěn)壓，AB 兩端輸出 12V 直流電壓， C1 和 C2 是兩個 1000uF/25V 的電解電容， 不僅僅可以作為濾波使用，還可以在 電路斷電之后 給 電路持續(xù)一小段時間供電 。 我們 在 7812 后面接 上一個 7805 進(jìn)行 5V 直流電壓的穩(wěn)壓輸出 ， 為單片機(jī)AT89C5 數(shù)字時鐘 DS1302 和報警電路 進(jìn)行供電。 第 27 頁 共 32 頁 圖 變換器部分電路 變換器部分 整體電路的調(diào)試： 分別對電源電壓輸出電路，傳感器輸出電路，控制電路進(jìn)行調(diào)試 。 按圖 接好電路， 打開電源， 觀察電源指示燈是否點亮， 用示波器接至傳感器測量電路的輸出端，觀察有水和無水狀態(tài)下電平輸出是否正確。然后將傳感器測量電路輸出端接至單片機(jī)的 口，輸出 口接電磁閥驅(qū)動，通過單片機(jī)軟件控制系統(tǒng)的工作。這樣就能夠保證電磁閥的正常打開，系統(tǒng)穩(wěn)定正常的工作。設(shè)計中，變換器采用自制的電阻式傳感器，其制作簡單，安裝方便，利用率高。經(jīng)過調(diào)試，變換器部分的電路工作穩(wěn)定，達(dá)到了任務(wù)書規(guī)定的要求。完成一個設(shè)計并不僅僅是追求一個結(jié)果，更多的是在這樣的一個過程中去學(xué)習(xí)怎么設(shè)計，從選題到方案的研究，從方案的研究到?jīng)Q定，從決定方案到具 體電路制作，包含了太多的失敗與成