空气加湿器

空气加湿器 空气加湿器设计方案 1. 引言: 空气加湿器的作用就是给室内空气增加湿度，无论是室内还是室外,干燥的空气使得皮肤缺水紧绷、嘴唇开裂、眼睛干涩,而空气中的浮尘增多,更是加大了人们吸入病毒颗粒物的机会,甚至导致流感等疾病的传播。因此,关注室内空气湿度、注意保湿就显得非常重要。 本文结合高频知识，利用陶瓷超声波发生器与功率晶体管组成皮尔斯振荡电路，设计晶体管直流偏置电路，继而实现空气加湿的功能。 2.概述: 2.1 加湿器的类型 家用型加湿器常见的几种类型，分别是超声波加湿器、纯净加湿器、电加热加湿器和冷雾加湿器。所谓家用加湿器，通常是以超声波雾化加湿的方式为主，采用超声波高频振荡的原理，将水雾化为1-5微米的超微粒子，再通过其他的风动装置，将水雾扩散到空气当中，从而达到加湿空气的目的。其特点是，加湿强度大，加湿均匀，加湿效率高;节能、省电;超长使用寿命;湿度自动平衡，兼具医疗雾化、冷敷浴面、清洁首饰等功能;缺点是对水质有一定的要求。 2.2 空气加湿器的工作原理 空气加湿器是把交流电经过变压器降压整流变成直流电，再经过震荡电路把直流电变成高频交流电加到超声波雾化头上(即陶瓷振荡器)，陶瓷振荡器有个特点，给它施加外力使其变形就会输出相应的电压和电流，反之给它施加交变电压就会产生相应的变形，即震动。这样陶瓷振荡器在高频电压的带动下产生超声震荡，使水雾化，再通过风扇把水雾送出，达到加湿空气的效果。 2.3 陶瓷超声波发生器 超声波发生器，通常称为超声波发生源，超声波电源。它的作用是把我们的市电(220V或380V，50或60Hz)转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。 超声换能器要把电能转变为超声波能量, 必须对其提供超声频交流信号, 产生这种信号的电路叫超声波振荡器, 或超声信号发生器, 又称为超声驱动电路。 超声信号发生器电路形式很多, 从有自激式振荡器、他激式振荡器、自跟踪、锁相环式振荡电路等, 从使用元件来分有双极晶体管振荡电路,VMOS 振电路和集成模块式振荡电路等, 下图是一个采用双极性三极功率管组成的自激式超声振荡电路。 超声信号发生器 2.4 晶体振荡器 2.4.1 晶体振荡器的概述 ,6石英晶体谐振器的固有频率十分稳定，它的温度系数在10以下。另外，石英晶振的振动具有多谐性，即除了基频振动外，还有奇次谐波泛音振动，对于石英晶振，既可以利用其基频振动，也可以利用其泛音振动。,,1 2.4.2晶体振荡器的分类 串联型晶体振荡器:将石英晶体作为一个短路元件串接在正反馈支路上，工 作在它的串联谐振频率上。 并联型晶体振荡器:将石英晶体作为等效电感元件用在三点式电路中，工作在感应区。 2.4.3电压负反馈式晶体振荡电路 石英晶体的串联谐振频率主要取决于晶片的尺寸，石英晶体的物理性能和化学性能都十分稳定，它的尺寸受外界条件如温度、湿度等影响很小，因而其等效电路的值很稳定，使得 很稳定。 2.4.4皮尔斯晶体振荡器电路 (,)实际电路 (,)高频交流通路 皮尔斯晶振(ce型) (晶体接在晶体管ce之间) 3. 硬件设计: 3.1.1陶瓷湿敏传感器概述 陶瓷湿敏传感器是正在大力发展的一种新型传感器，这种传感器的优点是:湿度滞后小，响应速度不超过10-15s，便于批量生产。但其长期可靠性较差，易受环境温度影响等问题仍待克服。 陶瓷湿敏传感器可以用于空气增湿器和除湿器的相对湿度监控。用于这方面 的目的时，传感器要么安装在风扇产生的空气流中，要么安装在控制单元上。在第一种安置方式时，为了延长传感器的工作寿命，应该在空气进入传感器的前方增设一个空气过滤器。 3.1.2陶瓷湿敏传感器的选择 对大多数陶瓷湿敏传感器来说，它们的阻抗与相对湿度的关系是指数关系，需要采用无源或有源的方法使其线性化。 无源法修正是以串联和并联构成的定值电阻器为基础的，电阻器的阻抗应不随环境温度和湿度变化而改变。这种使关系曲线线性化的方法只在一定相对湿度区间内适用，而且传感器阻抗的动态范围也将受到限制。 湿度-频率转换电路(a)以双极和场效应管为主器件;(b)以MOS晶体管为主器件 湿度-频率转换电路 (a)以CMOS单稳态多谐振荡器4047为主;(b)以CMOS计时器7555为主 可以用计时器来实现湿度-频率的转换。这类集成电路设计用于生成方波脉冲，按时间周期分割，输出的参数(频率和时间脉宽)有很高的稳定性。计时器的结构可以用非稳态多谐振荡器，或单稳态多谐振荡器来实施。 CMOS计时器具有许多基本优点，能耗低，电源电压范围很宽(2,,,V)，在所有输入端，其输入阻抗都很高等。图 (b)中示出了一个由CMOS计时器7555构成的、陶瓷湿敏传感器的转换电路。传感器的电阻变化可以从1kΩ,100MΩ。 当电源电压从5V改变到15V的过程中，转换器的频率变化不超过1%。所产生的脉冲频率非常稳定。 3.2 确定电路参数: 3.2.1 电容三端式振荡器 共基电容三端式振荡器的基本电路如下图所示。图中C3 为耦合电容。由图可见:与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1 和C2;与基极连接的为两个异性质的电抗元件C2 和L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。若要它产生正弦波，还须满足振幅，起振条件，即: AO?F,1 电容三端式振荡器 式中AO 为电路刚起振时，振荡管工作状态为小信号时的电压增益;F 是反 馈系数，只要求出AO 和F 值，便可知道电路有关参数与它的关系。 为此，我们画出设计电路图的简化，y 参数等效电路下图所示: 简化Y 参数等效电路 图中GO 为振荡回路的损耗电导，GL 为负载电导。 其中设yrb?0 yob?0 可求出小信号电压增益AO 和反馈系数F 分别为 当忽略yfb 的相移时，根据自激条件应有 当晶体管参数的影响可以忽略时，可得到振荡频率近似为 则反馈系数可近似示为: 由式可得到满足起振振幅条件的电路参数为: 此式给出了满足起振条件所需要的晶体管最小正向传输导纳值。上式也可 以改写为 不等式左端的是共基电压增益，显然F 增大时，固然可以使TO 增加，但F 过大时，由于gib 的影响将使增益降低，反而使TO 减小，导致振荡器不易起振，若F 取得较小，要保证TO,1，则要求Yfb 很大，可见，反馈系数的取值有一合适的范围，一般取F=1/8—1/2。 ,,2 3.2.2 振荡管工作状态对振荡器性能的影响 对于一个振荡器，当其负载阻抗及反馈系数F 已经确定的情况，静态工作点的位置对振荡器的起振以及稳定平衡状态(振幅大小，波形好坏)有着直接的影响，如图中(a)(b)所示。 振荡管工作态对性能的影响 (a)工作点偏高，振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将会使振荡波形严重失真，严重时，甚至使振荡器停振。 (b)中工作点偏低，避免了晶体管工作范围进入饱和区，对于小功率振荡器，一般都取在靠近截止区，但是不能取得太低，否则不易起振。 一个实际的振荡电路，在F 确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。在实际中，我们将会看到输出幅度随着静态电流值的增加而增大。 但是如静态电流取得太大，不仅会出现图(a)所示的现象，而且由于晶体管的输入电阻变小同样会使振荡幅度变小。所以在实用中，静态电流值一般取ICQ =0.5mA-5mA。 ,,3 4. 软件设计 软件程序除主程序外，还包含有中断服务程序、测量、键盘、显示、控制算法等功能模块。由于系统控制过程是由中断服务程序实现的，本文给出了中断服务程序流程图，从而可以看出整个程序设计的思路和概貌。 中断服务程序框图 5. 性能分析: 5.1 湿度计 湿度计是测量各种介质中含湿量的仪器。基于陶瓷湿敏传感器，已制成一系列不同的湿度计。数字温湿度计物理性能: (1)范围:温度:-22-185 ?(-30-85?)，较于湿度:0-100% (2)精确度:?1? (?0.5 ?)， RH:?2% (3)分辨率:温度:0.1? RH: 0.1% (4)传感器温度极限:-22-176?(-30-8?) 5.2 时间(PWM)输出转换电路 时间输出转换电路将湿度转换成时间脉冲，这类电路的原则结构示意图示于下图。电路由二只多谐振荡器组成，其中第二只是单稳态多谐振荡器，和第一只是同步工作的。当ΔR=0(即RH=0%)时，二只振荡器的脉冲宽度是相同的(t=t)，S12因而在输出端τ=0。当湿敏传感器的阻值发生了变化(ΔR?0)时，那么τ=t-t即τS21的变化是与传感器电阻的改变值ΔR成正比的。如果产生的脉冲周期为T=2t，S1并且脉冲幅度等于V。 CC 湿度-时间脉冲转换电路(a)非稳态和单稳态多谐振荡器构成的电路图(b)线路的时序图 要保证二只多谐振荡器的参数是匹配的，将它们制造在一个芯片上，同时基准电阻R的温度系数也应与被测传感器的相同，那么比值τ/T才可能不随温度REF 变化而改变，供电电压必须是经稳压的。 第一计时器的输出信号经转换后，然后与另一信号一起进入OR执行电路，在其输出端得到宽度为τ的脉冲信号，τ=t-t 32 如果在相对湿度RH=0%时，t=t，那么τ=0，R是RH=0%时的传感器阻32SO 值，而R、C和C是可以选择的。如果湿度发生了变化，那么传感器的电阻相212 应改变了一个ΔR值，因而它的阻值R=R+ΔR，这样，合并诸项，可得到 SSSOS τ=t-t=1.1(+Δ)C-0.7RC=1.1ΔR RR32221Cscss2 6.产品参数规范 6.1陶瓷超声波发生器: 生产厂商:深圳市好时代超声波科技有限公司 价 格:900元 参 数:(1)工作电源:AC220V 50HZ (单相) (2)工作电流:每6个振头为1安培, 每个电箱最大工作电流为12安培 (3)驱动负载:单组功率板可驱动36个振头(60W振头); 共驱动72 个振头, 最大功率为3600W; 6.2石英晶体振荡器 生产商:深圳市惠氏微电子有限公司 价 格:12元 6.3湿敏传感器 生产商:宁波江北君荣电子科技有限公司 价 格:2.5/件 参 数:( 1 )定额电压 1.5V AC ( MAX ，正弦波) ( 2 )定额功率 0.2mW ( MAX ，正弦波) ( 3 )工作频率 500Hz~2kHz ( 4 )使用温度 0~60 ? ( 5 )使用湿度 95%RH 以下 6.4湿度计 生产商:广州慧鼎电子科技有限公司 价 格:1750元 参 数:电阻:0-80Ω、0-400Ω等。电压:0-20mV 电流:4-20mA、0-20mA 6.5空气加湿器成本:3000元左右 7.参考文献 王卫东，晶体振荡器，《高频电子电路》，2010，7，120-121.,,1 张义芳，冯建华.高频电子线路.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1998.,,2 谢嘉奎.电子线路(非线性部分)，第四版.北京:高等教育出版社，2001.,,3 8. 结论: 8.1 这次的课程设计已经进行了将近一周的时间，在这几天的时间里，我的学习能力得到了很大的提高，创新设计思维也得到了相应的锻炼。首先，在理论方面，为了完成对各种资料的搜集，整理，我在各大网站上搜集了大量关于空气加湿器电路的资料，同时也向老师进行了咨询，并跟同学一起探讨相关知识点，结合自己这半学期学习的高频电子线路课程的知识储备，我对于振荡电路产生振荡的条 件及三点式振荡电路的组成法则等有关本次设计的有了深入的理解。 其次，设计电路，我使用PROTEL等画图工具绘制出调制电路等，并调用了MATLAB软件进行结果调试，PROTEL、MATLAB都是当前界应用非常广泛的工具，对它的深入学习，对我以后的工作也会有很大的帮助。 但是，由于时间紧张，知识和能力有限，因此，本次设计在功能方面会有一定的不足，在此感谢老师的指导评阅，同时希望老师多多包涵。 8.2 工作展望 通过这次课程设计我学到了很多东西，首先对高频中的振荡电路有了更加深入的理解。可以把理论和时间相互结合起来，高频电子线路的课程学习让我懂得了理论知识，课程设计使我在感性上认识了这些知识。这次的高频课程设计，让我意识到我对这门课知识的掌握还有一定的不足，而且还有许多的知识我不了解;所以在今后的学习中，我会更加努力，不仅要学好课本上的理论知识，还要把它联系到实践中去，使两者很好的结合起来，互补互助。争取对知识能很好的吸收和应用，始终为自己成为合格的通信人才。