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1、 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
2、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 Cont
3、rol 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
4、 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 cu
5、t 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 prac
6、tical, 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
7、.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 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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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.
17、 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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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