毕业设计正文-实用空气清新器电路的设计.doc

实用空气清新器电路的设计

摘 要
　　现代室内空气污染的危害引起人们的广泛关注，也推动了室内空气净化技术的进程。空气净化清新器是一种新型家电产品，能清除尘埃，净化烟雾和花粉，强力吸附室内臭气，其净化空气的效果十分显著。带负离子发生功能的清新器还可补充空气中的负离子，有益人体健康的负离子被誉为“空气维生素”，能给用户创造惬意的空气环境，解除一些慢性病患者的痛苦。 本设计是负离子定时产生电路它由电子钟组件、单稳态定时电路、振荡器、升压驱动级及高压放电产生器等组成。利用电子钟的整点报时功能，NE555起到触摸定时开关的作用在正点时刻自动接通负离子发生器，及时发放出大量负离子、臭氧，净化空气，对人体具有健脑提神、解除疲劳的良好作用。

关键词：空气清新器，空气维生素，负离子

1 绪论
　　课题背景：目前采用的室内空气污染净化方法有换气时、过滤式、吸附式等。然而在可处理污染物颗粒大小、处理效率、处理有毒有害气体及杀灭细菌等方面，传统方法已经无法满足室内空气污染治理的需求。静电收集臭氧氧化和气相滤等新方法应运而生。长年工作在写字楼或办公室的工作人员，由于楼房或办公室密闭，空气不流通，常感到身心疲乏、头脑昏胀。负离子发生器能及时发放出大量负离子，净化空气解除疲劳的良好作用。因为负离子可以对人体的神经系统起镇静作用，促进消除疲劳，并有抑制哮喘、降低血压的作用。空气负离子发生器是利用高压电晕增加空气中负离子成份，从而改善空气质量，可以促进身体健康，被誉为“空气维生素”。负离子、臭氧空气清新器是一种被较多采用的治理技术是利用臭氧强氧化性，净化空气，杀除空气中的有害成分。这是目前国际公认的室内空气治理的一种常用、安全的物理方法，适用于中度、轻度污染。
　　空气清新器具有广泛的应用前景：常放在茶几、写字台等地方。办公室、卧室、书房也是其应用的场所。对于冬天生活的家庭，晚上将其放在床头部位，使睡眠时的空气清新有益于身体健康。同时可除去卫生间里的臭气如：氨、硫化氢、甲硫醇等。具有效果明显、结构简单、体积小、成本低等优点是家庭、宾馆卫生间理想的空气清新器。市场上销售的空气清新剂一般由甲醇、香精、去离子水、丙烷、丁烷、二甲醚等组成。但他们只通过散发香味来除臭而不能与异味气体发生反应，就不能分解或清除异味气体。空气清新器产生大量的负离子和臭氧能与空气中的异味气体反应达到彻底净化空气的。
　　2 方案论证
　　本论文要完成的目的是以NE555为设计的基本元件，完成具有定时功能强度可调的空气清新器电路的设计。本电路的主要组成部分是：以LCD数字钟芯片KS5195为核心组成的时钟控制电路，由NE555组成的单稳态触发器和振荡器，升压驱动级及高压放电产生器等。电子钟每到整点时报时一次，而本电路便会自动接通负离子发生器一次，每次接通时间取决于单稳触发器设计的暂稳时间。
　　3 整体电路设计及单元电路分析
　　3.1 整体电路设计及原理
　　负离子定时产生电路由电子钟组件、单稳态定时电路、振荡器、升压驱动级及高压放电产生器等组成，如图所示。

　　图中虚线框内为电子钟903B的组件，其核心是报时集成电路IC1（KS5194或KS5195）。S和D分别是功能转换端和调准端，外接两个控制开关，XT是主振电路的晶振，HTD是报时用的压电陶瓷片。903B使用一节1.5V电池。每走至整点时刻，IC1的Ao端便会送出峰峰值为1.3V的宽度为0.5us的高电平脉冲。将此脉冲引出加到倒相放大器VT1，VT1饱和导通，使555的2脚成低电平，555触发置位。IC2（555）和R3、C3组成一个单稳态触发器。在非整点时刻，由于VT1无信号输入而呈截止状态，IC2的2脚呈高电位（>1/3Vdd），555处于复位状态。每当整点时刻，Ao端输出的正脉冲，使555的2脚转呈低电位而翻转置位，3脚的高电平为IC3解除了强制复位状态。IC3也采用时基电路555，它与R4、R5、C5等组成一个可控多谐振荡器。平时，由于IC2处于复位状态，IC3的4脚为低电位（<0.4V），使555处于强制复位状态。整点时，IC2被触发呈高电位，即IC3的4脚为高电位，强制复位状态解除并起振。它的振荡频率为Fc=1.44/（R4+2R5）C5，本振荡器设计为20kHz。? IC3输出的20kHz振荡脉冲，使表明处于工作状态的指示灯LED1发光，同时经VT2进行功率放大，驱动其负载升压变压器T。T采用电视机用的行输出变压器，其次级L2的两端可升压至10kV，经高压二极管D整流出约-6000V的高压，作为放电器的高压源。放电器有两个带数十个针状物的放电金属板，在高电压作用下，电极板间便会发生电晕放电，使两板间及周围的空气发生电离，产生出大量负离子和臭氧分子，净化空气。电子钟每到整点时报时一次，而本电路便会自动接通负离子发生器一次，每次接通时间取决于单稳触发器设计的暂稳时间，即Td=1.1R3C3.
　　? 图示参数对应的暂稳时间约为9分钟（计算值为545秒）。实际制作时，可根据房间大小或楼房情况，通过改变充电时间常数（R3C3）来调节负离子产生的时间长短。在制作及元件选用上，一般元件都可在电讯器材商店买到，903B组件市售很便宜，也可通过邮购在生产电子钟的厂家购到；功率驱动管VT2可选用DD系列器件，如3DD100D、DD01E、2SC1447等，要求耐压Vceo大于150V；升压变压器T可直接买小尺寸电视机（14寸）行输出变压器，也可自行绕制，初级L1采用0.35mm高强度漆包线绕25匝，次级L2用0.13的高强度漆包线绕1800匝，采用高频铁氧体磁芯E6型33mmX25mm；整流二极管应选用反向击穿电压不低于15kV的硅高压整流二极管；C8选耐压不低于12kV的优质电容器，防止漏电击。
　　3.2 单元电路分析及芯片介绍
3.2．1 时钟电路
时钟采用KS5195专门为钟控收音机而生产的一种型号为903B电子钟控器。其核心是报时集成电路KS5194。S和D分别是功能转换端和调准端，外接两个控制开关，XT是主振电路的晶振，HTD是报时用的压电陶瓷片。903B使用一节1.5V电池。每走至整点时刻，IC1的Ao端便会送出峰峰值为1.3V的宽度为0.5us的高电平脉冲。?

3.2.2 NE555芯片引脚及功能

　　Pin 1 (接地) 地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。
　　Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。
　　Pin 3 (输出) 当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。
　　Pin 4 (重置) 一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。
　　Pin 5 (控制) 这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
　　Pin 6 (重置锁定) Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。
　　Pin 7 (放电) 这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
　　Pin 8 (V +) 这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。
555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
NE555定时器产品有TTL型和CMOS型两类。NE555定时器的电路如下图所示。它由三个阻值为5k?的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。

　　4脚为复位端当4脚等0时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。u11和u12分别为6端和2端的输入电压。
　　当u11>2/3Ucc，u12>1/3Ucc 时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。
当u11<2/3Ucc，u12< 1/3Ucc时，C1输出为高电平，C2输出为低电平，基本RS触发器被置1，晶体管T截止，输出端u0为高电平。
当u11<2/3Ucc，u12>1/3Ucc 时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。
综上所述，可得NE555定时器功能如下表所示。

　　3.3.3 由555组成的单稳态触发电路
　　由555组成的单稳态触发电路的特点：在无外加触发信号作用时，电路处于一种稳定工作状态，称为稳态；当输入端有外加触发脉冲信号的上升沿或下降沿(由电路而定)作用时，输出状态立即发生跳变。电路进入暂时稳态状态，称为暂稳态。电路自动恢复原先的稳态，其暂稳态时间与电路阈值电压及外接R、C参数有关。按电路结构，单稳态触发器可分为微分型和积分型两种。前者适用于窄脉冲触发，后者适用于宽脉冲触发。无论哪种电路结构，其单稳态的产生都源于电容的充放电原理。下图为用555定时器组成的单稳态触发电路。

　　　　 单稳态触发器电路的工作原理：用555定时器组成的单稳态触发器，下图为其波形图。图中，t0～t1为稳态，t1～t3为暂稳态，t3时刻恢复稳态。
　　(1) 稳态：接通电源后，经R给电容C充电，当uc上升到大于时，基本RS触发器复位，输出u0=0。同时，晶体管T导通，使电容C放电。此后uc<，若不加触发信号，即u1>，则u0保持0状态。电路将一直处于这一稳定状态。
　　(2) 暂稳态： 在t=t1瞬间，2端输入一个负脉冲，即u1<，基本RS触发器置1，输出为高电平，并使晶体管T截止，电路进入暂稳态。此后，电源又经R向C充电，充电时间常数=RC，电容的电压 按指数规律上升。 在t=t2时刻，触发负脉冲消失(u1>)，若uc<，则=1，=1，基本RS触发器保持原状态，u0仍为高电平。在t=t3时刻，当uc上升略高于时，=0，=1，基本RS触发器复位，输出u0=0，回到初始稳态。同时，晶体管T导通，电容C通过T迅速放电直至uc为0。这时=1，=1，电路为下次翻转做好了准备。

　　　　由上述可知，555定时器组成的单稳态电路由输入脉冲信号的下降沿触发，使其输出状态产生翻转，另外，在暂稳态过程结束前，u1必须恢复为1，否则电路内的RS触发器为不确定状态，输出不能维持0状态。因此这种单稳态电路只能用负窄脉冲触发。如果输入脉宽大于输出脉宽，则输入端可加RC微分电路，使输入脉宽变窄。
　　　　单稳态触发器电路输出脉冲宽度的计算：输出u0的脉冲宽度tW也就是暂稳态的持续时间，可根据uC的波形计算。根据RC电路瞬态过程的分析可得：
　　　　这种电路产生的脉冲宽度可以从几微秒到数分钟。可通过改变R、C元件参数调节脉冲宽度，精度可达0．1％。综上所述，用555定时器构成的单稳态触发器是负脉冲触发形式，且暂稳态维持时间为TW=lnRC≈1．1RC，仅与电路本身的参数R、C有关。
　　3.3.4 由555组成的多谐震荡电路
　　多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。
　　图9-30所示是由555定时器构成的多谐振荡器。R1、R2和C是外接元件。 刚接通电源时，uc=0，u0=1。当uc升至后，比较器C1输出低电平(=0)，基本RS触发器置0，定时器输出u0由1变为0。同时，三极管T导通，电容通过R2放电，uc下降。在 <uc<期间，u0保持低电平状态。在uc下降至以后，比较器C2输出低电平(=0 )，使触发器置1，输出u0由0变为1。同时三极管T截止，于是电容C再次被充电。如此不断重复上述过程，多谐振荡器的输出端就可得到一串矩形波。工作波形如图9-30(b)所示。振荡周期等于两个暂稳态的持续时间。第一个暂稳态时间tp1为电容C的电压uc从充电至所需时间。

总结
　　经过三个多月的方案论证、系统电路的设计、系统的调试。查阅了大量的关于负离子、臭氧发生电路、以及相关知识。是我了解到空气清新器的设计理念，并对电子时钟、555组成的单稳态触发器和多谐振荡器、升压驱动和高压放电电路有了深刻的认识。经过了一番特殊的体验后，经历了失败的痛苦，也尝到了成功的喜悦。第一次靠用所学的专业知识来解决问题。检查了自己的知识水平，使我对自己有一个全新的认识。通过这次毕业设计，不仅锻炼自己分析问题、处理问题的能力，还提高了自己的动手能力。这些培养和锻炼对于我们这些即将走向工作岗位的大学生来说，是很重要的。
　　这次毕业设计基本的完成了任务书的要求，实现了实用空气清洗器电路的设计。通过测试表明系统的设计是正确的，可行的。但是由于设计者的设计经验和知识水平有限，系统还存在许多不足和缺陷。

致谢

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