硬水软化器电路的设计

1毕业设计题目：硬水软化器电路设计系别：******专业：*****姓名：****学号：****日期：2010年5月6日2目录1.前言…………………………………………………………………42.设计方案…………………………………………………52.1硬水软化的几种常用方法……………………………………52.2方案的确定…………………………………………………72.3设计原理……………………………………………………83.电路的组成及工作原理…………………………………83．1硬水软化器的组成……………………………………………83.2总电路原理图…………………………………………………93.3工作原理……………………………………………………94．硬水软化器各组成电路原理分析……………………………104.1电源电路……………………………………………………104.2555集成电路………………………………………………114．2．1555集成电路的应用…………………………………124．2．2555的内部结构与工作原理…………………………124．3555集成电路构成振荡器…………………………………135．硬水软化器电路板的设计制作……………………………………145.1设计绘制印制电路图…………………………………………146.制作印制电路板……………………………………………………176.1敷铜板的选用…………………………………………………176.2印制电路板的制作方法…………………………………………176.3元件清单………………………………………………………196.4电路的装配…………………………………………………2036.5电路调试……………………………………………………207.收获与体会………………………………………………218．致谢词……………………………………………………………229．参考文献及资料……………………………………………234硬水软化器电路设计摘要：本文设计了硬水软化器的电路。全文对各部分单元电路的原理作了详细说明，对整体电路的实现和功能作了分析和说明，并做了出电路实物图，证明了该电路具有将硬水软化的功能。关键词：硬水软化设计1.前言中国家庭饮用水现状诸多因素令人堪忧，随着人民生活水平的提高，饮用健康水的意识逐渐加强，对饮用水的标准也在不断提高。但是尽管消费者的要求在不断的提高，各种因素导致饮用水的水质不合标准。目前，2010年我国发布的自来水标准由以前的35项发展到106项，等同于美国、欧洲、日本等国，已经达到国际先进的标准。当今中国的饮用水质量并不乐观，大量的引用水中含有碳酸钙和含有其它一些矿物质，众所周知它是对人体有害的，这就是我们通常所称的硬水；长期100mg/L以上的硬水可使心血管病.肾结石.胃炎.关节炎等疾病的发病率明显升高，硬水中含有大量的钙、镁离子，这些像“沙子”一样的的杂质会将皮肤表面上的毛孔堵塞，使美容护肤品无法与肌肤“亲密接触”;“洗涤用水如果硬度过高，不仅浪费肥皂，而且衣物也不易洗净。用硬水洗涤衣物，不仅不易洗净，而且洗后衣物纤维还会变硬发脆，并残留有洗涤剂的味道，对皮肤容易造成伤害（尤5其是婴幼儿）。因此设计硬水软化器来进行硬水的处理，以方便解决人们在生活方面、健康方面、生产方面的问题。例如：软水不仅可以有效减轻心肾负担，且饮用时口感极好，是您沏茶，煮咖啡，冲饮料的最佳选择。软水煮饭，烧菜，米粒更加蓬松，菜肴更加鲜美，使您的生活变得更加有滋味。用软水清洁皮肤,可彻底清除毛孔中的污物及残留化妆品。洗浴后皮肤不紧绷、透气性好，不易起粉刺、保湿性好，不仅感觉舒适，而且使各种美容护肤品更易吸收。使用软水清洁家居，可比平时节省1/3的家务劳动时间；用软水洗衣一般可节省2/3的洗涤剂和3/5的漂洗用水，同时还可以延长衣物使用寿命。软水可有效的保障您的电器如：热水器、加湿器、蒸气熨斗等不在受水垢的困扰，在节约能源同时延长了电器的使用寿命，能给您带来安全与舒适。所以，硬水软化器在生活、生产中应用非常广泛，可以说硬水软化器是“小知识大应用”的一个典范。因此我的毕业设计就选择了做硬水软化器。2．设计方案2.1硬水软化的几种常用方法硬水是指水中所溶的矿物质成分多，尤其是钙和镁。硬水并不对健康造成直接危害，但是会给生活带来很多麻烦，比如用水器具上结水垢、肥皂和清洁剂的洗涤效率减低等。所以需要将硬水软化。将硬水软化，避免水垢的沉积有很多种方法，经常使用的方法有：1)离子交换法：采用特定的阳离子交换树脂，以钠离子将水中的6钙镁离子置换出来，由于钠盐的溶解度很高，所以就避免了随温度的升高而造成水垢生成的情况。这种方法是目前最常用的标准方式。主要优点是：效果稳定准确，工艺成熟。可以将硬度降至0。采用这种方式的软化水设备一般也叫做“离子交换器”(由于采用的多为钠离子交换树脂，所以也多称为“钠离子交换器”)。2)膜分离法：纳滤膜(NF)及反渗透膜(RO)均可以拦截水中的钙镁离子，从而从根本上降低水的硬度。这种方法的特点是，效果明显而稳定，处理后的水适用范围广；但是对进水压力有较高要求，设备投资、运行成本都较高。一般较少用于专门的软化处理。3)石灰法：向水中加入石灰，主要是用于处理大流量的高硬水，只能将硬度降到一定的范围。4)加药法：向水中加入专用的阻垢剂，可以改变钙镁离子与碳酸根离子结合的特性，从而使水垢不能析出、沉积。目前工业上可以使用的的阻垢剂很多。这种方法的特点是：一次性投入较少，适应性广；但水量大时运行成本偏高，由于加入了化学物质，所以水的应用受到很大限制，一般情况下不能应用于饮用、食品加工、工业生产等方面。在民用领域中也很少应用。5)电磁法：采用在水中加上一定的电场或磁场来改变离子的特性，从而改变碳酸钙(碳酸镁)沉积的速度及沉积时的物理特性来阻止硬水垢的形成。其特点是：设备投资小，安装方便，运行费用低；但是效果不够稳定性，没有统一的衡量标准，而且由于主要功能仅是影响一定范围内的水垢的物理性能，所以处理后的水的使用时间、距离都有一定局限。多用于商业(如中央空调等)循环冷却水的处理，不能应7用于工业生产及锅炉补给水的处理(同时由于该种设备的机理并未得到真正的理论证实)。2．2方案的确定我要设计的是家庭用硬水软化器，从一上五种方法可看出：离子交换法：虽然效果稳定准确，工艺成熟。可以将硬度降至0，但采用这种方式的软化水设备“离子交换器”对于家庭显得成本太高，不可取。膜分离法：虽然效果明显而稳定，处理后的水适用范围广；但是对进水压力有较高要求，设备投资、运行成本都较高，不可取。石灰法：主要是用于处理大流量的高硬水，而只能将硬度降到一定的范围，且对于饮用不太合适，也不可取。加药法：这种方法软化水的应用受到很大限制，一般情况下不能应用于饮用、食品加工、工业生产等方面。在民用领域中也很少应用，所以也不可取。电磁法软化水则是较经济实惠又方便的方法，虽然它的效果不是最好，但在一定程度能起到软化作用、对于家庭饮用也算是可以的。由以上比较分析，我选择了用电磁法软化水的原理设计硬水软化器电路。硬水软化器虽然看似简单，但里面包含的知识却相当丰富，其中包含了模拟电路的知识，比如共发射极放大器、RC振荡电路；数字电子技术中的555集成电路的应用；电路分析；以及电子线路的装配调试；EDA技术中用quartus6.0模拟仿真应水软化器电路，用8Autorn2004画原理图、制作PBC板图。这个毕业设计涵盖了模拟电子，数字电子技术，维修电工和计算机四方面的知识，能很好地锻炼和提升自我的能力。因此，我选择了这个电路来证明自己的学习成果。2.3设计原理用555振荡器产生扫频方波电压信号，利用方波扫频信号通过线圈，迅速产生变化的磁场（注：线圈的绕法和接法不一样，它所产生的磁场也不一样）。而硬水在电磁场的作用下，其所含的碳酸钙与其它矿物质会结合较大的晶粒被流水冲走，只要在自来水系统或热水器具的入口处给硬水施加适当的电磁场即可。在电路中再加入状态知识灯，只要指示灯是亮的，说明方波振荡器工作正常、有电磁场作用与硬水。因此，该硬水软化器就是基于这一机理设计的。3.电路的组成及工作原理3．1硬水软化器的组成93.2硬水软化器的总电路图3.3工作原理555定时器U1、U2接成扫频方波振荡器。U2的控制输入端，使U2产生800Hz的方波扫频信号。该信号从U2第③脚分为两路输出：一路经C4、R6加到电感线圈L1去产生电磁场；另一路经C5、R7耦合和D1(1N4148)整流后，使T1(DC547)导通，发光二极管VD6燃亮，表示振荡器工作正常。电感线圈L1用单芯绝缘硬线在一段塑料或铜质水管上平绕14圈制成。该水管应加装在自来水系统或热水器具的进水管上。L1的不同接法对不同硬水的软化效果可能不同。104．硬水软化器各组成电路原理分析4．1电源电路220V的交流电压通过降压变压器变压成15V的交流电压，（变压器的原理是变化的电流通过线圈产生变化的磁场，将变化的磁场耦合到不同匝数的线圈上，变化的磁场又产生变化的电流，根据两个线圈砸钱数的不同，能产生不同的电流，即，线圈匝数越多，产生的电流越大，反之产生的电流越小）。再将变压后的15V交流电压送入桥式整流电路进行整流（该整流电路由4个二极管组成，利用用了二极管具有单向导电这一性质）。最后经三端稳压集成电路稳压和电容滤波后产生+12v的直流电压。桥式整流电路原理及原理图如下图所示。当u2为正半周时,VD1导通、VD2导通，VD3、VD4截止；当u2为负半周时，VD1、VD2截止，VD3、VD4导通。而流过负载的电流的方向是一致的。其波形如下图所示：11研究结果表明，硬水在电磁场的作用下，其所含的碳酸钙与其他矿物质会结合成较大的晶粒并被流水冲走。因而要使硬水软化，只要在自来水系统或热水器具的入口处给硬水施加适当的电磁场即可，该硬水软化器就是基于这一机理设计的。4．2555集成电路555集成在硬水软化的作用是：从原理图中可以得出555接成扫频方波振荡器，，从第一块555将产生800Hz-2.5Hz的方波扫频信12号，该信号是从第一块555的第3脚输出一路经过C4.,R6加到L1去产生电磁场，另一路经过C5，R7耦合和D1的整流后，使得T1导通，D6点亮，则表示振荡器工作正常。4．2．1555集成电路的应用555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于它具有应用灵活，性能优越且价格低廉等优点，在电子产品的制作中被人们广泛使用。在实际应用中只要适当改变其外接电路，增加少量的外接器件就能得到多种多样的应用电路。有关555集成电路的应用实例有上千种。555定时器的产品型号，有双极型产品型号最后3位数码都是555，所有CMOS型产品型号最后4位数码都是7555。而且，它们的功能和外部的引脚的排列完全相同。为了提高集成度，还制作出了双定时产品5556（双极型）和7556（CMOS）。只要改变555集成电路的外部附加电路，就可以构成各种各样的应用电路。这分别介绍施密特触发器、单稳态触发器和振荡器三种典型应用电路。4．2．2555的内部结构与工作原理由左图可知555集成定时器由五部分组成：分压器、比较器、基本RS触发器、晶体管开关和输出缓冲器。下面是对它们的简要13介绍。1．分压器：由三个阻值为5K的电阻串联起来构成分压器（555也因此得名），为比较器提供两个参考电压。比较器A1的同相输出端U+=(2/3)Vcc，比较器A2的反相输入端U-=(1/3)Vcc。CO端为外加电压控制端。通过该端的外加电压Uco可改变A1、A2的参考电压。工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01uF电容接地,以旁路高频干扰。2．比较器：555有两个完全相同的高精度电压比较器A1和A2。当U+U-时，比较器输出高电平；当U+U-时，比较器输出低电平。比较器的输入端基本上不向外电路索取电流，其输入电阻可视为无穷大。3．基本RS触发器：由两个与非门组成基本RS触发器。两个比较器的输出信号Uo1和Uo2决定触发器的