电气电子毕业设计374暖气集中供热系统的监测与控制的设计.docx
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电气电子毕业设计374暖气集中供热系统的监测与控制的设计
目录1
摘要3
Abstract4
前言4
第一章设计任务与要求3
1.1问题的提出3
1.2设计任务及具体要求3
第二章单元电路设计5
2.1直流稳压电源的设计5
2.1.1工作原理5
2.1.2元器件的选择6
2.1.3参数计算7
2.2稳压电源的调试8
2.2.1调试顺序8
2.2.2指标测试8
2.3温控电路8
2.3.1工作原理8
2.3.2元器件的选择10
2.4声控电路11
2.4.1工作原理11
2.4.2元器件的选择12
2.4.3元器件的参数12
2.5热控电路12
2.5.1工作原理12
2.5.2元器件的选择12
2.6关气报警电路14
2.6.1工作原理14
2.6.2元器件的选择14
2.7延时电路与控制电路15
2.7.1工作原理15
2.7.2元器件的选择16
第三章暖气集中供热系统的整体设计18
3.1工作原理18
3.2元器件的选择18
3.3参数的计算19
3.3.1稳压电源电路19
3.3.2关气报警电路19
3.3.3延时电路19
第四章温控电路与控制器印制线路板的设计20
4.1Protel99简介20
4.2印制线路板的设计20
4.2.1设计印制线路板的条件20
4.2.2设计印制板的步骤21
4.2.3元件布局21
4.2.4布线21
结论22
参考文献22
附录22
后记22
摘要
能源是人类赖以生存的五大要素之一,是国民经济和社会发展的重要战略物资。
我国人口众多,能源资源相对匮乏,人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半。
“开发与节约并重,近期把节约放在优先地位”是能源发展方针,节能已成为国家发展经济的一项长远战略方针。
近年来,集中供热作为城市基础设施,在节约能源,减少环境污染,改善人民生活质量等方面的优点早已经成为社会的共识。
本论文介绍了暖气集中供热系统的监测与控制的设计过程,主要介绍了当前暖气集中供热的现状及其将来的发展趋势,与目前的进行的暖气集中供热的改革紧密相连。
该系统具有节约能源、减少环境污染、改善人民生活质量、便于用户调节控制热能等方面的优点。
论文详细介绍了系统各组成部分(控制器、温控电路、声控电路、热控电路、关气报警电路等组成)的工作原理及电路的设计情况;为了使系统设计的更加科学合理,并在选择了电路之后对主要参数进行了详细的计算;论文还介绍了使用电子线路CAD软件(Protel99)对印制线路板进行设计。
另外本论文还附有多种电路图及各种元器件的参数表格,在论文最后还附有参考文献。
关键词:
暖气集中供热;节能控制;温控电路;热控电路
Abstract
Theenergyisfiveoneoftheoutlinevegetablesethatthemankindrelyforexistence,istheimportantandstrategicsuppliesofnationalandsocialdevelopment.Ourcountrydenselypopulatedresourcesisoppositeandshortof,personalltheenergyresourcesoccupyquantitynotarriveworldaveragelevelofhalf.“Developmentandeconomylayequalstresson,putaneconomyinthenearfutureBehavingtheinitiativeaposition”isanenergytodeveloppolicy,theeconomyenergyhasbecomeanationdevelopmentafarsighredandstrategicpolicyoftheeconomy.Inrecentyears,theconcentrationprovideshotisacityinfrastructureateconomizingenergy,reducepollutionoftheenvironment,theadvantagewhichimprovespeoplelivingqualityetc.alreadythroughbecomeasocialconsensus.
Themonitorinserieswithpilotdesignprocess,mostlyincorporationactualityintroduceknowclearlycurrentlycentralheatingcentralheating’develop,verycomingadvanceinstance,andforthemonentongoingcentralheatingcentralheating’reformtightnessofthethesethesesintroduceknowclearlycentralheatingcentralheating.Themerit,facilitateuserproceedenergyconservationdam,enablesystemicdesignallthemorescience,inreason,moreconvenientuser’sdemandtobackofthesaidsystempossessenergyconservation,decreaseenvironmentalpollution,amelioratepeoplequalityoflifegradeaspect.Thesesdetailintroduceknowclearlysystemeachconstituent(dam,warmupcontrolcircuit,acousticcontrolcircuit,hotcontrolcircuit,shutgassespredictioncircuitgradecompose)double-shiftworktheoryand/ordesignofcircuitsinstance,andinthechoiceofknowclearlycircuitafterversusmajorparameterproceedknowclearlynecessaryfigure;ipbackthesereturnintroduceknowclearlyuseelectroncircuitCADsoftware(protel99)sealsystembreadboardproceeddesign.Inadditionthesethesesreturncummanifoldcircuitdiagramand/ordifferentkindsofoperatingrangeparameterlistcascade,atthesesbethelastreturncumlitersturecited.
Keywords:
centralheatingcentralheating;energyconservationdam;warmupcontrolcircuitback;hotcontrolcircuit
前言
随着社会经济的发展,人们生活水平的提高,人们对热能的需求量也越来越大,集中供热也随之蓬勃发展,在城市环境可持续发展的战略中,集中供热的优越性越发地突现出来。
随之而来的一个问题是,由于传统的福利型集中供热管理存在的某些弊端而造成的能源浪费也在逐渐增加,因而导致供暖系统热效率低,其主要原因是缺少有效的调节设备,导致热能浪费;热网不平衡使网内近端用户室内温度过高,而远端用户室内温度达不到标准。
同时给用户的生活带来极度不便。
如何更方便用户要求,设计得更加科学、合理,在全国仍在探讨之中。
鉴于此种情况,我们本次所做的毕业设计就是针对暖气集中供热系统的监测和控制问题,力图解决调温、用量调解、定时延时自动关闭、选时段供热、声光报警等问题,使用户在节能方面使用一些关于暖气集中供热系统监测与控制的调节设备,以便于用户进行有效的节能。
我国集中供热现状城市供热是城市基础设施之一,是保证城市经济发展,居民正常过冬的必要条件,城市供热是与人民的生产、生活息息相关的一件大事。
我国的城市集中供热开始于20世纪80年代初,由于城市集中供热不仅节约了能源,同时又减少了城市环境污染,因而提高了人民的生活质量。
城市供热设施的主要特征是热源集中,并以不同规模的热网向用户输送热能。
据1992年统计,我国有517个城市,其中158个城市有集中供热设施,集中供热面积为3亿平方米。
据1998年统计,全国设市668个城市,已有286个城市建立了集中供热设施。
全年集中供热中,蒸汽生产1.7亿吨,热水6.5亿百万千焦。
供热蒸汽管道长度为6933千米,热水管道2.7万千米。
供热面积以达8.7亿平方米(其中住宅供热面积达到5.5亿平方米)。
1999年全年供热蒸汽2.2亿吨,热水6.98亿百万千焦,集中供热面积9.68亿平方米。
目前,我国供暖用能源占到能源总消耗的9.6%,严寒地区甚至达到30%~40%。
与相近气候条件的发达国家相比,我国平均住宅供暖能耗是人家的3倍。
尤其是近几年来随着城市建筑急剧增加,供热面积得到迅猛的发展,这更使能源大量地被浪费,而造成这种巨大浪费的根本原因在于集中供暖按面积收费的体制,用户既没有节能手段,也没有节能动力;管理上更缺乏节能机制。
因此,暖气集中供热系统的改革刻不容缓。
按照论文设计的要求,我们仅将研究的重点放在节能的控制上。
集中供热的未来发展就是在现有的集中供热系统的基础上实行分户热计量收费,也就是使热量也成为商品,在市场上进行流通。
分户热计量首要目的,是为了使供暖运行节能,是要为热用户提供调节控制手段,使他们可以根据热舒适度的需要,调节控制采暖量,提高供热系统的能效。
就目前现状而言,我国供热系统的能效只有30%左右。
能量的损失,主要是三部分:
锅炉热损失、管网热损失和热用户散热损失。
其中热用户散热损失,主要哦是由于冷热不均造成的,这部分热损失约为30%~40%,是相当大的。
供热系统搞分户计量收费,从节能的角度考虑,主要是挖掘着部分的节能潜力。
根据建设部颁布的《民用建筑节能设计标准》和建设节能“九五”计划和2010年规划以及俞正声部长签发的《关于民用建筑节能管理规定》76号令,其中明确规定:
新建设的居住建筑的集中采暖系统应当使用双管系统、推行温度调度和户用热计量装置,实行供热计量收费。
我国现在的供热发展目标是到2010年城市集中供热基本实现分户按热量计量收费。
为此,城市供热的热源和热力网要采用以动态调节代替静态调节的技术,逐步实现按需供热的运行。
并且在2015年,发展到城市供热普及率在2000年的25%的基础上再提高15%~20%,使供热普及率达到40%以上(至于分户热计量收费的问题不是我们讨论的范围)。
在西方国家,热量是以商品进入市场的。
特别是20世纪70年代末出现的能源危机及能源消耗,加大了环境污染,使得节约能源和保护环境成了举世瞩目的大事,并促进了发达国家供热计量技术的长足发展。
欧洲的热计量法规虽各有差异,但基本上每个拥护都安装热计量仪表,并按用热多少收费。
集中供热系统按面积收费改为按热表计量收费可节约能耗20%~30%,甚至更多一些。
我本次所做的毕业设计就是针对暖气集中供热系统的监测与控制问题,力图使电路简单且易于调试,尽量大可能地方便拥护的使用。
在本次设计中,我要掌握电路设计的基本方法和步骤,学会用计算机专用的软件(Protel99)绘制电路原理图和设计制作印制线路版图,掌握标准化设计制图的基本规则,将理论与实践相结合,提高独立分析能力和解决问题的能力,为我将来毕业后走上工作岗位打下一个良好的基础。
第一章设计任务与要求
1.1问题的提出
本设计针对集中供热缺乏计量、监测、用户失控,导致能源严重浪费,给用户增加经济负担的情况,力图解决调温、用量调节、定时延时自动关闭、选时段供热、声光报警等问题。
1.2设计任务及具体要求
(1)设计温度控制电路、用量调节控制及参数计算;
(2)无人自动延时关闭控制,有人自动打开;
(3)选择分时段供应控制电路设计与参数计算;
(4)声光报警电路的设计;
(5)电源电路的设计与参数计算;
(6)绘制电路原理图与参数计算。
暖气集中供热系统的监测与控制设计是根据目前集中供热存在的多方面的问题而提出来的,它将更好地满足用户的需求,使集中供热的设计更加科学、合理,使用有效的集中供热的调节设备,并能在节约和充分利用能源,保护环境方面起到良好的作用。
其电路设计的方框图如图1-1所示。
图1-1暖气集中供热系统的监测与控制方框图
第二章单元电路设计
暖气集中供热系统的监测与控制是由控制器、关气预报电路、电磁阀门、温控电路、声控电路、热控电路、延时电路和电源电路等组成。
2.1直流稳压电源的设计
直流稳压电源由变压器、单相桥式整流电路、三端集成稳压器、滤波电路等组成[1]。
2.1.1工作原理
市电U1(U1=220V)经过变压器降压后得到直流电压U2(U2=U1N2/N1),交流电压U2经过单相桥式整流电路后获得支流电压U(U
1.2U2),为了不使电路中产生电压突变的情况,还要经过滤波电力路,把电容和负载电路并联以便吸收脉动电流,并使输出电压保持平稳,经过整流滤波电路之后的输出电压和我们所求的直流电源还有相当的距离,为了能够更加稳定直流电源,我们在整流滤波电路后还要经稳压电路稳压,这样就得到了我们所求得的支流电压。
可调电阻R1和电阻R2组成可调输出电压的电阻网络,从而实现输出电压连续可调;为了使电路中偏置电流和调整管的漏电流被吸收,设R1为120~240
,通过R1泄放电流为5~10mA;输入电容C1用于抑制纹波电压,输出电容C3用于消振,缓冲冲击性负载,保证电路工作稳定。
同时由于输出电容C3的存在,容易发生电容放电而损坏稳压器,所以还要外接D2(保护二极管)。
当电容C3放电时,D2导通,箝拉使稳压器得到保护。
D1是为了防止调节组旁电容C1放电时而损坏稳压器的保护二极管,旁路电容C2也是为了抑制纹波电压而设置的(电路图和波形图分别如图2-1和图2-2所示)。
图2-1直流稳压电源电路
2.1.2元器件的选择
LM317是三端正稳压器,它的输出电压可调、稳压精度高、输出纹波小,一般输出电压为1.25V~35V,最大负载电流为1.5A,它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
内置有过流保护、芯片过热及调整管安全工作区保护等多种保护电路,它的工作温度为0℃~150℃。
主要参数如表2-1所示。
图2-2电压U2,U,UC,U0的波形图
输出短路保护、过流、过热保护、调整管安全工作区保护使其安全性能非常高,而且其具有标准三端晶体管封装。
表2-1LM317的主要参数表
电压调整率
电流调整率
基准电压
调整端电流
纹波抑制比
输出电压温度变化率
调整端电流变化
最大输入电压
最小输入电压
0.01%
1%
1.25V
50μA
80BD
0.7mV/℃
0.2μA
40V
3V
D1及D2都选择了2CP晶体二极管,2CP晶体二极管的主要参数如下表2-2所示。
表2-22CP晶体二极管的主要参数表
正向直流电压If/mA
检波效率η
总电容C/pF
最高结温TjW/℃
100
50%
3.5
175
C1,C2为极性电容,C3为普通电容。
2.1.3参数计算
变压器次级功率P2为
P2=I2×U2(2-1)
式中,I2和U2分别为变压器次级电流和电压有效值,其中
U2=U/1.2(2-2)
U是稳压电源的输入端支流电压。
I2=(1.5~2)×II=(1.5~2)×I1(2-3)
II是稳压电源的输入电流,即整流滤波后的电流。
变压器的初级功率P1为
P1=P2/
η(2-4)
其中η为变压器效率,表示变压器损耗的大小,η通常取0.6~0.9。
变压器初级电流有效值为
I1=P1/220(2-5)
稳压电源输出电压为
U0
1.25×(1+R2/R1)(2-6)
整流二极管D1,D2和滤波电容C1的选择:
选择整流二极管主要考虑两个参数,第一是耐压(二极管可承受的反向电压最大值),对桥式整流电路来说,二极管的耐压值应为
Ud>
U2(2-7)
式中,U2为电源变压器次级电压(有效值)。
考虑到交流电网电压的波动,耐压值可适当取大一点。
第二个参数是二极管最大工作电流Id,对桥式整流滤波电路应满足如下关系;
Id>I0/2(2-8)
I0是稳压电源的输出电流值。
滤波电容C1的选择也要考虑两个因素。
一个是容量的选择,通常是根据负载电流I0的大小来确定,一般来说,负载电流大,电容量也要选大些,反之亦然。
下表2-3可作为选择电容量的参数。
表2-3滤波电容容量与负载电流的关系
I0
2A左右
1A左右
0.5~1A
0.1~0.5A
50~100mA
<50mA
电容容量
4000μF
2000μF
1000μF
500μF
200~500μF
200μF
其次要确定电容的耐压值,耐压值选小了,会因过压而击穿,选大了会增加体积和成本,可按下式确定电容C1的耐压值UC:
UC>
U2(2-9)
2.2稳压电源的调试
2.2.1调试顺序
(1)按图连接测试设备
(2)检查线路、元件接插无误,方可调整。
(3)检查整流部分,将下图2-3的A点断开,合上电源调压器,使输入电压逐渐上升,检查整流输出电压与设计要求是否符合。
图2-3稳压电源调试电路图
(4)调节调压器使电压回到零输出,连接A点,稳压源暂时不接负载,将调压器由低往高处调节,观察待测稳压电源直流输入电压、调整管管压降和直流输出电压。
(5)若发现有输入电压无输出电压,且电流很小,应检查调整管是否处于截止。
(6)若发现电流过大,而输出电压很小,输出电压几乎全部降在调整管上,可使负载短路,应立即断开电源,待排除故障后方可继续调整。
2.2.2指标测试
当输入电压为220V时,调整输出电压,使其达到12V,若调整结果使直流输出电压值与设计要求基本相符,可进行测试。
1.电压调整率
按上图2-3接上负载。
输入220V的交流电压,输出12V的直流电压,接上负载RL(60
),然后调节输入电压为220V±10%(即198V和242),测得输出电压U0分别在242V和198V时的数值。
电压调整率分别为:
(2-10)
(2-11)
2.负载调整率
按图2-3输入220V的交流电压,按额定负载(60
)调节输出12V的直流电压,然后断开负载,测得空载时输出电压值。
负载调节率分别为:
(2-12)
(2-13)
式中,U0(开)为断开负载时的输出电压,U0(满)为接上负载时的输出电压。
2.3温控电路
2.3.1工作原理
温控电路由IC1等构成,热敏电阻R11随室内气温而变化。
在温度较低时,IC1输出高电平,使图的TWH8751的4脚(见图3-1,下同)输出低电平,当选通1脚为低电平时,有电流流过电磁阀,将阀门打开,暖气进入室内时温度升高。
着时,R11的阻值会随之下降,当下降到某值时,电路翻转,IC1输出低电平,TWH8751的4脚输出高电平,阀门因无电流通过,故在弹簧的作用下关闭。
当室温下降时,阀门又会打开,这样周而复始,使室内保持恒温。
R13用来调节翻转时的温度。
R13阻值大,室温下降;反之,室温升高。
室温的调节范围5℃~20℃之间。
D11,D12起稳定电压作用,使输入的电压保持一定的大小,D11对电压进行过滤。
温控电路如图2-4所示。
图2-4温控电路图
2.3.2元器件的选择
IC1选择的LM324是单片增益四运算放大器,可在具有较宽电压的单电源下工作,具有低功率、高增益、频率内补偿等特点[2]。
其电源电流很小且与电源电压大小无关(本次设计所以选用器件IC1~IC4都是集成运放LM324)。
LM324的参数表与引脚图分别如表2-4和图2-5所示。
表2-4LM325的参数表
主要参数(Ta=25℃VCC=±5VDC)
参数名称
符号
单位
测试条件
最小值
典型值
最大值
输入失调电压
VIO
mV
-
-
±3
±7
输入失调电流
IIO
μA
-
-
±5
±50
输入偏置电流
IIB
μA
-
-
45
250
输入共模电压
VICM
V
VCC=30V
0
-
-
输出电压范围
VOUT
V
-
0
-
-
大信号电压增益
VVD
V/mV
R1≥2k
VCC=15V
-
100
-
共模抑制比
KCMR
dB
-
65
80
-
功耗电流
ICE
mA
VCC=5V
VCC=30V
-
-
0.6
1.5
2
3
输出电流
IOH,IOL
mA
-
-
-
-
20
10
-
-
图2-5LM324引脚图
R11选用负温度系数的热敏电阻(后面介绍热控电路中的R32也选用负温度系数热敏电阻),其电阻的温度特性符合负指数规律,关系为:
(2-14)
RT:
热敏电阻在绝对温度T时的阻值;
R0:
热敏电阻在绝对温度T0时的阻值;
T,T0:
介质的起始温度和变化温度(k);
t,t0:
介质的起始和变化温度(℃);
B:
热敏电阻的材料小系数。
热敏电阻的电阻率与温度的特性曲线如图2-6所示。
图2-6热敏电阻的电阻率与温度的特性曲线
D11,D12选择3V的稳压二极管,它是利用二极管反向击穿特性。
反向击穿特性是当反向电压UR增加到一定数值UZ后,反向电流突然上升(反向),此后二极管的电流在很大范围内变化,而二极管两端电压变化身小。
主要参数有:
1.稳压电压
稳压电压(通常用UZ表示)指击穿电压,是稳压管正常工作时两端呈现的电压,测量UZ
时应使稳压管的电流为规定值。
UZ是挑选稳压管的主要依据之一。
2.稳压电流IZ
稳压电流是指稳压管正常稳压时的电流,用IZ表示,低于着个值不是不能稳压,而是效果差一些,高于着个值只要不超过额定功率,稳压效果要更好一些,但要多消耗电能。
稳压电流受控于功耗的限制:
Izmax=PZ/U2
3.电压温度系数α
α指稳压管温度变化1℃所引起的稳压电压变化的百分比。
一般情况下,稳压电压大于7V的稳压管,α为正值。
当温度增加时,稳压电压增大。
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