车载式电解水器控制系统的设计

毕业设计（论文）车载式水电解器控制系统的设计学 院： 信息科学技术学院专 业： 姓 名： 指导老师： 自动化黄 宏学 号： 职 称： 0601431028盛珣华杨 建教授副教授中国珠海二一 年 五 月北京理工大学珠海学院毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：我所呈交的毕业设计车载式水电解器控制系统的设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日北京理工大学珠海学院2010届本科毕业设计 车载式水电解器控制系统的设计 摘 要本文主要是针对车载式水电解器控制系统而展开的一系列设计研究。该设计以单片机C8051F330为控制核心，主要包括恒定电流控制电路，水温控制电路，氢气泄漏报警电路和低水位报警电路。系统能设定提供给电解水装置的电流大小，并使其无论在温度或水量变化的情况下，始终能恒定提供所设定的电流。水温控制电路，能在水温低的情况下，能切断驱动电源保护装置，在水温高的情况下，开启散热风扇散热。系统的氢气传感器，能在氢气泄漏时候发出警报。低水位警报电路，则会在水位低时，会发出警报。本系统对于电解水装置实用，可靠，安全，适用车载式水电解器的应用。 关键词：水电解器 C8051F330 单片机 恒流源 温度控制 Vehicle-mounted Water Solutions Control System ABSTRACT This 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 level 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 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, vehicle-mounted water electrolysis device for the application.Keywords: water electrolysis device C8051f330 temperature control constant current source目录摘要.ABSTRACT.1绪论.11.1课题设计背景及意义.11.2行业技术发展趋势.11.3课题设计的主要内容.22系统的总体设计.32.1系统设计总体方案.32.2系统设计硬件总体架构.32.3系统软件设计总体方案.43系统的主要硬件介绍.53.1单片机介绍.53.2氢气传感器介绍.113.3场效应管介绍.133.4运算放大器介绍.153.5水位传感器介绍.153.6热敏电阻的介绍.164系统电路设计.184.1电源电路.184.2单片机电路设计.184.3恒流电路计.194.4其它电路计.194.5总电路原理图设计.204.6 PCB板设计图.205软件设计.215.1 程序流程图.215.2 C语言设计.226调试与仿真.266.1软件调试.266.2 proteus仿真恒流电路.296.3仿真结果分析.307测试.31参考文献.33附录.34谢辞.37 1 绪论1.1课题设计背景及意义 目前所有使用的机动车，船有少部分使用石油液化气或氢气作燃料，大部分都采用汽油.柴油作燃料。随着车辆发展使用的普及和地球石油资源的减少，依靠石油化工产品汽油.柴油。大规模使用化石燃料出现了资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争；以及人们对环境保护意识的强化认识。因此，必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。 石油液化气作能源的内燃机将急需寻找替代产品。而且以氢气作能源的内燃机目前是依靠工厂集中制取氢气，经150350个大气压压缩温度为-253冷冻成液态装罐使用，且冷藏罐的保温非常复杂，象加油站一样普及建设加氢站成本过于高昂，极大的遏制了氢气发动机的普及。现有的氢气发动机的氢气来源是采用的是以市电供电以电解水产生氢气和桶状结构电解池，无法满足内燃机移动的需要。另外一点是，汽车尾气排放是城市中的主要大气污染源之一，尾气中大量的碳氢化合物及一氧化碳污染物对人们的身体健康危害极大，有效地减少汽车尾气排放带来的污染一直是各级政府及科研人员关注的热点。为此我们提出了用汽车上的直流电源电瓶电解水制得氢气和氧气，通过汽车的进气管进入发动机内部，提高其燃烧效率，以起到节油和尾气净化的功效。根据有关学者的研究报道，对汽油内燃机加入5%的氢气，能有效地降低一氧化碳，碳氢化合物等，而经清华大学研究院实际汽车测试结果中，也得到了证明。目前世界有类似的装置和混合动力汽车，但由于其储存的是液化氢气，缺点是结构复杂，价格高，关键不安全，所以得不到很好的推广使用。因此我们改变方式，利用电解水的方式来得到氢气。电解水产生的是氢气和氧气，而装置的供电只需由汽车的蓄电瓶供电，此装置体积小，一产生出的氢气就立即消耗，无积存，所以安全，此方案原理结构简单，因此成本低。由于有以上特点，此装置还可以应用到其它内燃机，焊接和烹饪器具等多方面，增加其幅价值。这种车载式电解水装置能很好地起到降低汽车尾气污染物的排放，减少油耗，而且经济实用，如果一经推广使用在汽车上，相信能为我们的环境气候做出很大的贡献。1.2 行业技术发展情况 据资料了解目前台湾，泰国，马来西亚等东南亚地区，甚至美国已经有人在设计生产电解水装置提供给汽车使用，以达到节油的效果，由于有巨大市场潜力，以及人们越来越注重节能环保的意识，形成很大需求，因此此项技术受到人们的关注，研究和推广。以目前的同类车载式的电解水置的使用情况来看，也证实了它的确有一定的节能效果，但同时，由于这是一种新兴的产品，技术仍不完善，出现了不耐用，不稳定，安全低，低效的缺点。因此也带来车载式电解水装置的很大的改进空间，使得这种装置更安全，更稳定，更人性化，从而得到更大推广使用。1.3 课题设计的主要内容设计一套针对车载式水电解器控制系统。该设计以单片机为控制核心，主要包括恒定电流控制电路，水温控制电路，氢气泄漏报警电路和低水位报警电路。1.该系统具有大电流恒流的功能，并能设定提供给电极片的电流大小，使其无论在温度或水量变化的情况下，始终能恒定提供所设定的电流。2. 具有水温控制电路,能在水温低的情况下，能切断驱动电源保护装置;在水温高的情况下，开启散热风扇散热。当水温异常过高，即风扇故障停转，也能切断驱动电源，并警报。3. 具有氢气氢气检测功能，能在氢气泄漏时候发出警报，并切断驱动电源。4. 具有水位低提示功能。在水位低的时候，会发出提示警报，禁止启动。本次设计的主要技术指标如下：1、 可调恒流在15A-25A，精度1%；2、 启动缓慢提升电流。3、 温度检测范围：-3摄氏度至100摄氏度；4、检测氢气有无泄漏；5、蜂鸣器和LED灯闪烁报警；6、继电器输出节点容量：1A/24V DC； 2.系统总体设计2.1系统总体设计总体方案 根据系统控制设计要求，本系统控制硬件架构是以C8051F330单片机为控制核心，外围主要包括：恒流电路，温度检测电路，氢气检测电路，水位检测电路，声光警报电路，气流轻触动开关，按键和继电器所组成。2.2系统总体设计硬件架构控制核心采用的是C8051F330单片机，20只脚封装，15个I/0口，其内部还具有时钟振荡器，内部时钟1个AD转换和1个DA转换口，完全能满足控制功能要求外，还大大缩小体积。恒流部分采用由LM324构成的采样比较电路，振荡器电路来，控制大功率场效应管IRF3205调节电流大小。首先采集采样电阻的电压，再与单片机DA输出的调节电压进行比较，输出反馈电压回运算放大器,再，混合反馈电压，输出PWM驱动大功率场效应管，比较电路，从而实现闭环调节，达到恒流作用。按键则是设定恒流电流的大小，一开机默认是恒流在20A，当按下这个按键，则恒流在25A，以增加产生氢气量。温度检测采用廉价的热敏电阻，用单片机内部的AD，将电压值转换成数字，获得温度数据后再进行控制。当检测到在水温在3度以下时，禁止装置启动；当在常温下，风扇和水泵都会正常工作；当水温异常高，在90度以上，此时认为风扇故障，无法散热，则切断装置电源，保护装置。氢气检测采用氢气传感器，因为是判断有无泄漏氢气，所以单片机只需检测高低电平，高电平为有，低电平为无。水位检测是通过红外光电传感器来实现，将此传感器贴在透明的水箱壁上，利用水有折射光线的原理，水位在传感器以上时，将不会接收到反射的光线，输出低电平。当水位在传感器以下时，将会接收到反射的光线，输出高电平。声光警报采用的是LED灯和蜂鸣器，通过LED的亮灭显示装置状态，蜂鸣器有长音，短音，两短音，来区别出异常的警报。控制的执行器是由1A/24V DC的继电器来执行风扇，水泵和氢气传感器的启动和停止整个车载式电解水器安装在车上后，控制系统都在待机，在车上的进气管有一个气流轻触动开关，当发动机启动时，进气管会吸气，在气流的推动下，气流轻触动开关就会闭合上，触发整个控制系统工作，这样做可以实现自动启动，不必人手开启和停止，并且能避免发动机在熄火的情况下，仍有氢气产生。2.3系统软件设计总体方案首先确定控制对象是电解器，由于外围是传感器，蜂鸣器，led灯和继电器，因此还需要对它们进行判断和开关控制，再根据系统运作控制的要求，程序会按照过程控制方式编写。由于c语言有很高的简化，易操作，易读性，所以会用c语言进行编写。程序有一个总的控制循环，程序进入后，将会循环判断各个继电器，和控制执行其，达到实时检测，实时控制的效果。具体如下：1. 程序开始进行初始化，主要是对单片机的寄存器进行赋值和配置。2. 设定好参数值3. 判断轻触发开关是否触发，以此作为进入控制循环的入口判断。4. 控制循环一个判断的是水位，水位低则进入水位警报并继续不断检测水位，等待用户加水，水位高了后，就重新判断触发。5. 其次判断水温，水温正常则进入下一步，水温3摄氏度，则禁止启动，等待温度回升到3度以上。当水温90摄氏度时，则认为为风扇故障，发出风扇故障警报。6. 启动氢气传感器，给它预加热。7. 缓慢上升电流。8. 判断氢气是否有泄露，如果有泄露，则发出氢气泄露警报。9. 判断是否有按键按下，如果有，则提升电流。返回3，继续循环，如果触发断开，则返回2，进入待机状态。 3.系统的主要硬件介绍3.1 单片机介绍 C8051F330系列器件使用Silicon Labs的专利CIP-51 微控制器内核。CIP-51 与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准 803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51 内核具有标准 8052 的所有外设部件，包括 4 个 16 位计数器/定时器、一个具有增强波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、768 字节内部RAM、128 字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间 模拟外设 （1）.10位 ADC（只限于F330） 转换速率可达200ksps 可多达16个外部单端或差分输入 VREF可在内部VREF、外部引脚或VDD中选择 内部或外部转换启动源 内置温度传感器 （2）.10位电流输出DAC（只限于F330） 比较器 可编程回差电压和响应时间 可配置为中断或复位源 小电流（vt并取不同数值时，反型层的导电能力将改变，在的vds下也将产生不同的ids, 实现栅源电压vgs对源漏电流ids的控制。场效应管（fet）是电场效应控制电流大小的单极型半导体器件。在其输入端基本不取电流或电流极小，具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、制造工艺简单等特点，在大规模和超大规模集成电路中被应用。 fet和双极型三极管相类似，由fet组成的放大电路也和三极管放大电路相类似，三极管放大电路基极回路一个偏置电流(偏流)，而fet放大电路的场效应管栅极没有电流，fet放大电路的栅极回路一个合适的偏置电压(偏压)。 fet组成的放大电路和三极管放大电路的主要区别：场效应管是电压控制型器件，靠栅源的电压变化来控制漏极电流的变化，放大作用以跨导来；三极管是电流控制型器件，靠基极电流的变化来控制集电极电流的变化，放大作用由电流放大倍数来。 场效应管放大电路分为共源、共漏、共栅极三种组态。在分析三种组态时，可与双极型三极管的共射、共集、共基对照，体会二者间的相似与区别之处。本设计采用的是国际整流器公司(International Rectifier，简称IR)生产的IRF3205大功率场效应管。漏源电压VDSS达到55V，内电阻只有8毫欧，最大漏极电流ID为110安。经过了解这种大功率场效应管最适合本系统控制电流，而且价格便宜。3.4 运算放大器介绍 本设计采用的运算放大器是LM324，LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2。LM324的特点：1.短跑保护输出2.真差动输入级3.可单电源工作：3V-32V4.低偏置电流：最大100nA5.每封装含四个运算放大器6.具有内部补偿的功能。7.共模范围扩展到负电源8.行业标准的引脚排列9.输入端具有静电保护功能3.5水位传感器介绍 传统的水位用的是电极片，利用水的导电原理，来检测水位。可在本控制对象电解水箱中带有电，所以这种方法不适合。因此水位传感器采用的是红外反射传感器来代替，将此传感器贴在透明的水箱壁上，利用水有折射光线的原理，水位在传感器以上时，将不会接收到反射的光线，输出低电平。当水位在传感器以下时，将会接收到反射的光线，输出高电平。这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。3.5 热敏电阻的介绍热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为n、p，则半导体的电导为：=q（nn+pp）因为n、p、n、p都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线这就是半导体热敏电阻的工作原理热敏电阻包括正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）热敏电阻，以及临界温度热敏电阻（CTR）。热敏电阻的主要特点是：灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。由于半导体热敏电阻有独特的性能，所以在应用方面，它不仅可以作为测量元件（如测量温度、流量、液位等），还可以作为控制元件（如热敏开关、限流器）和电路补偿元件热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等各个领域，发展前景极其广阔。NTC热敏电阻NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数，电阻值可近似表示为：式中RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值，Bn为材料常数陶瓷晶粒本身由于温度变化而使电阻率发生变化，这是由半导体特性决定的NTC热敏电阻器的发展经历了漫长的阶段1834年，科学家首次发现了硫化银有负温度系数的特性1930年，科学家发现氧化亚铜-氧化铜也具有负温度系数的性能，并将之成功地运用在航空仪器的温度补偿电路中随后，由于晶体管技术的不断发展，热敏电阻器的研究取得重大进展1960年研制出了N1C热敏电阻器NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面下面介绍一个温度测量的应用实例，NTC热敏电阻测温用原理如图4所示它的测量范围一般为-10+300，也可做到-200+10，甚至可用于+300+1200环境中作测温用RT为NTC热敏电阻器；R2和R3是电桥平衡电阻；R1为起始电阻；R4为满刻度电阻，校验表头，也称校验电阻；R7、R8和W为分压电阻，为电桥提供一个稳定的直流电源R6与表头（微安表）串联，起修正表头刻度和限制流经表头的电流的作用R5与表头并联，起保护作用在不平衡电桥臂（即R1、RT）接入一只热敏元件RT作温度传感探头由于热敏电阻器的阻值随温度的变化而变化，因而使接在电桥对角线间的表头指示也相应变化这就是热敏电阻器温度计的工作原理热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1，感温时间可少至10s以下它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。4.系统电路设计 4.1电源电路由于LM324需要8V供电，传感器需要5V供电，单片机需要3.3V供电，因此就需要7808，7805和ams1117-3.3稳压芯片进行稳压供电。在总的输入端口，接了一个in4007二极管，起到当反接电源时，保护电路的作用。为了减小电压的稳波，会在稳压芯片的输出和输入端与地接上一个100uf的电解电容，进行滤波。有一个特别设计是7808的输入电源是通过一个继电器来控制的，当待机的时候，继电器断开，7808未接上电源。当开始启动时，单片机控制继电器合上，将7808连接电源，这样做的目的是为了在待机的情况下，减少耗能。4.2 单片机电路设计单片机电路如下图所示，C8051F330是20脚封装的单片机，由于内部已经具有24M的振荡器，所以无需再接外部晶振。内部集成的的DA转换器是电流输出型，所以首先要接22欧的电阻到地，形成电压。由因为采样电阻只有0.001欧，流经电流为20安，因此采样的电压只有0.02V，也就是比较电压也是0.02V，电压是非常的低。输出得到准确的0.02V。蜂鸣器由PNP型的三极管8550来驱动发声。其它传感器则在单片机上留有接口，方便传感器模块接入。 4.3 恒流电路设计 恒流电路主要由一支4运算放大器LM324和两支IRF3205大功率场效应管组成。由于IRF3205大功率场效应是N沟道型，所以首先电源正极接负载电解槽，再接mosfet，这里如果只用一支mosfet承受20A的电流，将会发出很大的热量，所以并联多一支mosfet来分担电流。采样电阻采用的是0.001欧，5W的电阻，采样电阻越小，额定功率越大越好，这样可以降低消耗在电阻的电，但同时又带来一个弊端，就是采样出的电阻就会越小，因此就需要求单片机的DA转换位数更高，这里采用的C8051F330有10位DA，就可以达到要求。LM324构成的采样比较电路和振荡器电路，控制大功率场效应管IRF3205调节电流大小。首先由振荡电路经过一个运算放大器，混合反馈电压，输出PWM驱动大功率场效应管。接着采样电阻的那点电压经过一个一阶RC滤波后，进入比较电路采集采样电阻的电压，与单片机DA输出的调节电压进行比较，输出电压再进行另一个一阶RC滤波后，反馈电压回运算放大器，恒流原理如下图，从而实现闭环调节，达到恒流作用。按键则是设定恒流电流的大小，一开机默认是恒流在20A，每按下增加的按键时，单片机DA输出的比较电压增加0.002V，恒流电路自动将电流提高2安，以增加产生氢气量；每按下减少的按键时，单片机DA输出的比较电压减少0.002V，恒流电路自动将电流减少2安，以减少产生氢气量。4.4 其它电路设计 热敏电阻一端接电阻，一端接单片机的AD口，无需其它电路。 红外反射传感器已是一个模块，即插即用，无需其它电路。 氢气传感只需要一个下拉电阻即可，电路简单。 Led灯需接一个1k电阻，再接入单片机，起到保护LED不被烧毁。 由于单片机的io口，输出电流有限，所以继电器和蜂鸣器需由8550三极管做驱动。4.5 总电路原理图设计 PCB板原理图是由protel dxp2004软件绘制。原理图的每个元器件均按照器件符号，人手绘制。 4.6 PCB板设计图PCB板图是由protel dxp2004软件绘制的原理图后生成，PCB中的每个元器件封装均按照器件实际大小来绘制，并手动排版布线。板上留有螺丝安装孔，按照最小的面积来排版各个元器件，还电源线进行加粗，敷铜部分以地覆盖，得到很好的抗干扰作用，贴近边沿有插针引脚，方便各个传感器和电源，接插，整个板布线合理，整洁。 5.软件设计 5.1 程序流程图 程序流程图，根据系统运作控制的要求，程序会按照过程控制方式编写。由于c语言有很高的简化，易操作，易读性，所以用c语言进行编写。程序有一个总的控制循环，程序进入后，将会循环判断和控制执行器，达到实时检测，实时控制的效果。5.2 C语言程序 /*头文件*/#include C8051f330.hunsigned char xdata Result;sbit beep=P03;/蜂鸣器定义脚sbit key1=P17;/增加按键定义脚sbit key2=P16;/减少按键定义脚sbit water=P11;/水位传感器信号定义脚sbit h_sen=P12;/氢气传感器信号定义脚sbit fen_c=P13;/风扇控制定义脚sbit h_c=P14;/氢气传感器启动定义脚sbit led=P15;/led指示灯定义脚sbit lt=P20;/轻触动开关定义脚int b,a,c,start;char vol8=0x0d,0x1d,0x2d,0x3d,0x4d,0x5d,0x6d,0x7d,;/*宏定义函数*/#define ADC_Start( ) ADC0CN |= ( 14 ) /*开始AD转换*/#define ADC_Result( ) ADC0H /*AD高8位*/void DAC_Init(void) REF0CN =0x03;/*内部偏压发生器和电压基准缓冲器工作，基准从VREF引脚输出*/IDA0CN =0xf2;/*DAC0允许，DAC输出更新发生在写DAC0H时2.0mA满度输出电流*/*时钟配置*/static void ClockInit( void )OSCICL += 45; OSCICN |= ( 17 ); /*Enable internal H-F使能内部的晶振*/ while( !( OSCICN & ( 16 ) ) );/*Wait for stable 等待稳定 */ OSCICN |= ( 30 ); /*0 prescaler 预定标器 0 */ CLKSEL = 0; /*system clocm : internal H-F*/*io口配置*/static void GPIOInit( void ) XBR1 = 0x41; /*端口I/O交叉开关寄存器1配置*/*AD初始化配置*/void ADC_Init() AMX0P = 0x02; AMX0N = 0x11; ADC0CF |= 0x54; ADC0CN |= 0x80; REF0CN |= 0x03;/*电压基准控制寄存器配置*/ ADC0CN |= ( 17 );/*AD转换*/void ADC() ADC0CN &= ( 15 ); ADC_Start( ); while( !( ADC0CN & ( 15 ) ) ); Result = ADC_Result( );/*短延时*