车载式电解水器控制系统的设计

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

2、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 solution

3、s 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 c

4、ircuit 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,

5、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 devic

6、e 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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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（<0.4a） （3）.在片调试 片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试（不需仿真器！） 支持断点、单步、观察/修改存储器和寄存器 比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更优越的性能 廉价而完整的开发套件 （4）.供电电压2.7v - 3.6v 典型工作电流：6.4ma 25mhz 9a 32khz 典型停机电流：0.1a （5）.温度范围：-40°c - +85°c （6）.高速8051微控制器内核 流水线指令结构；70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期 速度可达25mi

20、ps（时钟频率为25mhz时） 扩展的中断系统 （7）.存储器 768字节内部数据ram（256+512） 8kb flash；可在系统编程，扇区大小为512字节 （8）.数字外设 17个端口i/o；均耐5v电压，大灌电流 硬件增强型uart、smbus和增强型spi串口 4个通用16位计数器/定时器 16位可编程计数器/定时器阵列（pca），有3个捕捉/比较模块 使用pca或定时器和外部时钟源的实时时钟方式 （9）.时钟源 两个内部振荡器： 24.5mhz，±2%的精度，可支持无晶体uart操作 80/40/20/10 khz低频率、低功耗振荡器 外部振荡器：晶体、rc、c、或外部

21、时钟 可在运行中切换时钟源，适用于节电方式 具有片内上电复位、vdd监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c8051f330/1是真正能独立工作的片上系统。flash存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。 片内silicon labs二线（c2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品mcu进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用c2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个c2接口引

22、脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。 每种器件都可在工业温度范围（-45到+85）内用2.7v-3.6v的电压工作。端口i/o和/rst引脚都容许5v的输入信号电压。c8051f330/1采用20脚mlp封装下面将详细介绍本系统用到c8051f330的特殊功能一10位adc（adc0，只限于c8051f330）c8051f330的adc0子系统集成了两个16通道模拟多路选择器（合称amux0）和一个200ksps的10位逐次逼近寄存器型adc，adc中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。amux0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功能寄存器来配置（见框图5.1）。

23、adc0可以工作在单端方式或差分方式，可以被配置为用于测量p0p1、温度传感器输出或vdd（相对于p0p1或gnd）。只有当adc控制寄存器（adc0cn）中的ad0en位被置1时adc0子系统才被使能。当ad0en位为0时，adc0子系统处于低功耗关断方式。1）.模拟多路选择器模拟多路选择器（amux0）选择去adc的正输入和负输入，p0p1、片内温度传感器输出和正电源（vdd）中的任何一个都可以被选择为正输入；p0p1、vref和gnd中的任何一个都可以被选择为负输入。当gnd被选择为负输入时，adc0工作在单端方式；在所有其它时间，adc0工作在差分方式。adc0的输入通道由寄存器amx

24、0p和amx0n选择。转换码的格式在单端方式和差分方式下是不同的。每次转换结束后，寄存器adc0h和adc0l中保存adc转换结果的高字节和低字节。转换数据在寄存器对adc0h:adc0l中的存储方式可以是左对齐或右对齐，由ad0ljst位的设置决定。当工作在单端方式时，转化码为10位无符号整数，所测量的输入范围为0 vref*1023/1024。下面是单端方式下数据左对齐和右对齐的例子。adc0h和adc0l寄存器中未使用的位被设置为0。当工作在差分方式时，转化码为10位有符号整数（2的补码），所测量的输入范围为-vref vref*511/512。下面是差分方式下数据左对齐和右对齐的例子。

25、对于右对齐数据，adc0h寄存器中未用的高位填充数据字的符号扩展位。对于左对齐数据，adc0l寄存器中未用的低位被清0。需要特别注意的是，被选择为adc0输入的引脚应被配置为模拟输入，并且应被数字交叉开关跳过。要将一个端口引脚配置为模拟输入，应将pnmdin（n=0,1）寄存器中的对应位置0。为了使交叉开关跳过一个端口引脚，应将pnskip（n=0,1）寄存器中的对应位置1。有关端口i/o配置的详细信息见“14. 端口输入/输出”。2）.工作方式adc0的最高转换速度为200ksps。adc0的转换时钟由系统时钟分频得到，分频数由adc0cf寄存器的ad0sc位决定（转换时钟为系统时钟/（ad

26、0sc+1），0 ad0sc 31）。3）. 转换启动方式有6种a/d转换启动方式，由adc0cn中的adc0转换启动方式位（ad0cm2-0）的状态决定采用哪一种方式。转换触发源有：1 写1到adc0cn的ad0busy位；2定时器0溢出（即定时的连续转换）；3定时器2溢出；4定时器1溢出；5cnvstr输入信号（p0.6）的上升沿；6定时器3溢出。向ad0busy写1方式提供了用软件控制adc0转换的能力。ad0busy位在转换期间被置1，转换结束后复0。ad0busy位的下降沿触发中断（当被允许时）并置位adc0cn中的中断标志（ad0int）。注意：当工作在查询方式时，应使用adc0中

27、断标志（ad0int）来查询adc转换是否完成。当ad0int位为逻辑1时，adc0数据寄存器（adc0h:adc0l）中的转换结果有效。注意：当转换源是定时器2溢出或定时器3溢出时，如果定时器2或定时器3工作在8位方式，使用定时器2/3的低字节溢出；如果定时器2/3工作在16位方式，则使用定时器2/3的高字节溢出。有关定时器配置方面的信息见“17. 定时器”。需要注意的是，cnvstr输入引脚还是端口引脚p0.6。当使用cnvstr输入作为转换启动源时，p0.6应被数字交叉开关跳过。为使交叉开关跳过p0.6，应将寄存器p0skip中的位6置1。有关端口i/o配置的详细信息，见“14. 端口输

28、入/输出”。 二.10位电流模式dac（ida0，只限于c8051f330）c8051f330内部有一个电流模式数/模转换器（idac）。idac的最大输出电流可以有三种不同的设置：0.5ma、1ma和2ma。用ida0控制寄存器中的ida0en位来使能或禁止idac（见图6.3）。当ida0en被设置为0时，idac引脚（p0.1）作为gpio引脚使用；当ida0en被置1时，idac引脚的数字输出驱动器和弱上拉被自动禁止，该引脚被连到idac的输出。当idac被使能时，内部的带隙偏置发生器为其提供基准电流。当使用idac时，p0skip寄存器中的位1应被置1，以使交叉开关跳过idac引脚。

29、1）. ida0输出更新ida0具有灵活的输出更新机制，允许无缝满度变化，支持无抖动波形更新。ida0有三种更新模式：写ida0h、定时器溢出或外部引脚边沿。2）. on-demand输出更新ida0的缺省更新模式（idac0.6:4 = 111）为“on-demand”模式，更新发生在写ida0数据寄存器高字节（ida0h）时。在该模式下，写ida0l时数据被保持，在写ida0h之前ida0的输出不会发生变化。如果要向idac的数据寄存器写10位的数据字，则10位数据字要写入低字节（ida0l）和高字节（ida0h）数据寄存器。在执行完对ida0h的写操作后，数据被锁存到ida0，因此，在需

30、要10位分辨率的情况下，应先写ida0l，再写ida0h。idac可以用于8位方式，此时要将ida0l初始化为一个所希望的数值（通常为0x00），只对ida0h写入。图3）. 基于定时器溢出的输出更新模式在用定时器溢出启动adc转换时，转换发生时间与处理器无关。与此类似，idac的输出也可以用定时器溢出事件触发更新。这一特性在以给定采样频率产生输出波形的系统中非常有用，可以避免中断延迟时间和指令执行时间变化对idac输出时序的影响。当ida0cm位（ida0cn.6:4）被设置为000、001、010或011时，写入到两个idac数据寄存器（ida0l和ida0h）的数据被保持，直到相应的定时

31、器溢出事件（分别为定时器0、定时器1、定时器2或定时器3）发生时，ida0h:ida0l的内容才被复制到idac输入锁存器，允许idac输出变为新值。4）. 基于cnvstr边沿的输出更新模式idac还可以被配置为在外部cnvstr信号的上升沿、下降沿或两个边沿进行输出更新。当ida0cm位（ida0cn.6:4）被设置为100、101或110时，写入到两个idac数据寄存器（ida0l和ida0h）的数据被保持，直到cnvstr输入引脚的边沿发生。ida0cm位的具体设置决定idac输出更新发生在cnvstr的上升沿、下降沿或在两个边沿都发生更新。当相应的边沿发生时，ida0h:ida0l的

32、内容被复制到idac输入锁存器，允许idac输出变为所希望的新值。5）.输出字格式idac数据寄存器（ida0h和ida0l）中的数据是左对齐的，这意味着idac输出数据字的高8位被映射到ida0h的位7-0，而idac输出数据字的低2位被映射到ida0l的位7和位6。图6.2示出了idac数据字的格式。3.2氢气传感器介绍 气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分 “气体传感器”包括：半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器等。

33、 本系统使用的氢气传感器是mq-8，这种传感器是一种加热式电化学气体传感器，工作时，首先加热器进行加热，由气体的含量，影响化学气体敏感层的导电率，从而影响输出电压的德变化。其特点有:1.对氢气高灵敏度2.可抗乙醇蒸汽、lpg、烹饪油烟的干扰3.具有长期的使用寿命和可靠的稳定性应用适用于家庭或工业上对氢气泄漏的监测装置，可不受乙醇蒸汽、lpg、油烟、一氧化碳等气体的干扰。规格a. 标准工作条件b. 环境条件c. 灵敏度特性d. 结构外形测试电路mq-8 气敏元件的结构和外形如图1 所示(结构a or b), 由微型al2o3陶瓷管、sno2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈

34、钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。测量电路如图所示e. 灵敏度特性曲线图 mq-8型气敏元件的灵敏度特性3.3 场效应管介绍场效应晶体管（field effect transistor缩写(fet)）简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.电力电子技术 m,机械工业出版社特点:具有输入电阻高（100m1 000m）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者.作用:场效应

35、管可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器.场效应管可以用作电子开关.场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换.常用于多级放大器的输入级作阻抗变换.场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源.编辑本段2.场效应管的分类:场效应管分结型、绝缘栅型(mos)两大类按沟道材料:结型和绝缘栅型各分n沟道和p沟道两种.按导电方式:耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型的。场效应晶体管可分为结场效应晶体管和mos场效应晶体管,而mos场效应晶体管又分为n沟耗尽型和增强型;p沟耗尽型和增强型四大类.n沟

36、道（耗尽型）绝缘栅场效应管结构在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的n区接通，形成了导电沟道，即使在vgs=0时也有较大的漏极电流id。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流id随着栅极电压的变化而变化。场效应管的式作方式有两种：当栅压为零时有较大漏极电流的称为耗散型，当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流的称为增强型。金属氧化物半导体场效应三极管的基本工作原理是靠半导体表面的电场效应，在半导体中感生出导电沟道来进行工作的。当栅 g 电压vg 增大时，

37、p 型半导体表面的多数载流子空穴减少、耗尽，而电子积累到反型。当表面达到反型时，电子积累层将在 n+ 源区 s 和 n+ 漏区 d 形成导电沟道。当 vds 0 时，源漏电极有较大的电流ids流过。使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压称为阈值电压vt。当 vgs>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

38、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(internat

39、ional 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

40、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

41、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

42、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

43、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

44、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，

45、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

46、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

47、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，

48、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

49、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