哈工大自动控制元件课程设计报告.docx

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哈工大自动控制元件课程设计报告

自动控制元件课程设计报告

——工厂空气调节及净化装置

班级：

组员：

一、项目背景

在现代印刷厂在生产过程中，湿度、粉尘以及一些有害或易燃气体都对印刷厂的生产及员工的身体健康有着很大影响。

其中，湿度不当可能造成的结果有：

1：

产生静电。

纸张易产生静电。

工作人员常有电击感，并伴有静电打手现象，尤其在秋冬干燥季节经常出现。

静电的强度与环境湿度有着密不可分的关系，湿度越低静电越活跃。

随着湿度增加而逐渐减弱。

2：

纸张伸缩变形。

由于纸张的品种不同，其膨胀收缩率不同。

如果纸张与环境不能达到湿度平衡就会造成以下情况：

纸张吸收水分而膨胀、失去水分而收缩。

印完的纸张伸缩不一，给下道加工工序带来很多麻烦。

3：

纸张起皱。

纸张起皱的原因是由于其出现“荷叶边”或“紧边”等现象，使纸张不能平坦舒展，印刷时出现褶皱。

此现象会使印刷器出现大量废品。

由于印刷厂大量纸张中含有纸粉并且空气中含有灰尘，在干燥的室内到处飞扬，对印刷品的质量有着严重的影响。

印刷厂的原料及在纸张的印刷过程中会产生一些有害易燃气体，如甲苯等，会对员工的身体健康造成危害。

因此，需要将湿度控制在一定范围内，并将粉尘及有害易燃气体浓度保持在一定标准以下。

二、设计目标

1、湿度控制：

将厂房湿度控制在50%~65%的范围内，当湿度超过规定值时，通过风机与除湿装置配合，将湿度降低；当湿度低于规定值时，用离心式加湿装置与风机配合组成加湿设备，将湿度升高。

将湿度信号通过传感器进行信号的采集并转换成电信号，再通过单片机进行数据的分析，并驱动执行元件（风机和离心机等）进行湿度调节。

2、粉尘及有害气体控制：

通过粉尘及甲苯气体传感器，测量室内空气中粉尘和甲苯的含量，反馈给单片机，与设置的标准值进行比较，再由单片机输出控制信号，驱动风机运行，将含有粉尘及有害气体的空气过滤后排到室外。

三、总体方案设计

1、系统的性能指标和技术要求

1、湿度检测精度：

3%RH；湿度保持范围：

50%RH-65%RH

2、粉尘浓度允许上限：

8

3、甲苯气体浓度允许上限：

0.2

4、风机的风量：

>5000

5、尽量满足节能和经济性要求

2、系统的总体结构

本系统主要由以下部分组成：

测量元件，执行元件，功率放大元件，主控电路，调节装置，信号转换装置。

系统湿度调节部分的流程图：

系统粉尘及甲苯浓度调节流程图：

四、主要元器件的选择及设计

1、测量元件的选择

●湿度传感器的选择

湿度传感器产品的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。

空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。

由湿度引起湿度传感器物理或化学变化的种类，可将湿度传感器分为电容式、电阻式和湿涨式。

电容式是其高分子材料吸湿后引起介电常数发生变化；电阻式是其高分子材料吸湿后引起电阻率发生变化；湿涨式是其高分子材料吸湿后引起体积发生变化。

湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，在高分子膜上各蒸镀一电极膜片，上方的电极为多孔性以吸收水份，高分子膜吸收水份之后，其介电系数将改变，致使感湿组件之电容量改变来达到测量湿度的目的。

常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。

当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。

但电阻对温度比较敏感，因而限制了器件在较大温度范围内的应用。

国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。

目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。

这些产品可分成以下三种类型：

（1）线性电压输出式集成湿度传感器；典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。

其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

（2）线性频率输出集成湿度传感器；典型产品为HF3223型。

它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。

这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

（3）频率/温度输出式集成湿度传感器；典型产品为HTF3223型。

它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。

当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。

综合考虑系统的精度、线性度及测量元件工作范围的要求，初步确定了以下几种方案：

方案1：

采用HOS-201湿敏传感器。

HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。

这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。

然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性度，难以有效地利用其线性特性。

方案2：

采用CHR-01湿敏电阻。

CHR-01湿敏电阻适用于阻抗型高分子湿度传感器，它的工作电压为交流1V，频率为50Hz~2kHz，测量湿度范围为20%~90%RH，测量精度±5%，工作温度范围为0~+85℃，最高使用温度120℃，阻抗在60%RH（25℃）时为30（21~40.5）KΩ。

采用555时基或RC振荡电路，将湿度传感器等效为阻抗值，测量振荡频率输出，振荡频率在1kHz左右。

方案3：

采用HM1500湿度传感器。

线性电压输出式集成湿度传感器HM1500采用湿敏电容HS1101设计制造，其湿度测量范围为5％～99％（相对湿度）；相对湿度精度为3％；工作温度为-30～+60℃；工作湿度范围为0～100％（相对湿度）；供电电压为5V（最大电压DC16V）；可输出DC电压为1～4V；响应时间为5s。

方案4：

采用HS1100/HS1101湿度传感器。

HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。

具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速，专门设计的固态聚合物结构，有顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路。

测量范围是（1%~99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。

相对湿度在1%-100%RH范围内，电容量的变化范围是163pF~202pF。

温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，误差不大于±2%RH，响应时间小于5S。

可见其精度和灵敏度是较高的。

综合比较几种方案，方案1虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，其工作电压为交流1V以下，实现较困难，而且工作的温度范围较窄，方案2、3测量精度不符合设计系统要求，且价格较高，也不符合经济性要求。

因此，我们选择方案4作为本设计的湿度传感器。

HS1101湿度传感器是法国Humirel公司推出的电容式相对湿度传感器，它的测量范围是0%～100%RH，电容量由162PF变到200PF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；湿度系数为0.34PF/℃；年漂移量0.5%RH/年，长期稳定。

该传感器广泛应用于办公室、家庭、汽车驾驶室和工业控制系统等，对空气湿度进行监测。

与其它湿度传感器相比，它还有以下显著的优点：

①无须校验的完全互换性

②长期饱和状态，瞬间脱湿

③适应自动装配过程，包括波峰、焊接、回流焊等

④具有高可靠性和长期稳定性

⑤特有的固态聚合物结构

⑥响应时间快

⑦适用于现行电压输出和线形频率输出两种电路

HS1101湿度传感器在电路构成上等效于一个电容器件，采用侧面开放式封装，只有两个引脚，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大，但不允许直流方式供电。

下图为HS1101湿敏电容的湿度电容响应曲线，可见使用该传感器可以保证系统的线性度。

湿敏元件的抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

所以需要定期校准和更换。

●粉尘传感器的选择：

该系统选择GCG500型粉尘浓度传感器。

GCG500粉尘浓度传感器采用光散射原理直接测量总粉尘浓度,测定数据就地显示,同时输出与安全监测监控系统相适应的频率、电流信号（二种信号任选一种）,供监测系统处理。

适用于煤矿及其它有爆炸危险性的作业环境中现场连续监测其大气中的总粉尘浓度。

既可与安全监测系统联网，也可单独接电源使用。

测量原理：

当光照射在空气中悬浮的粒子上时，产生光散射。

在光学系统和粉尘性质一定的条件下，散射光强度与粉尘浓度成比例。

光散射法测定空气中的粉尘浓度是通过测量散射光强度，经过转换求得粉尘质量浓度的方法。

它的主要特点有：

Ø额定工作电流小，整机额定工作电流≤120mA，最大工作电流≤180mA，距分站最远距离可达1500m；

Ø输入电压范围宽：

可适用于煤矿井下各种分站，仪器在输入电压12Ｖ～24ＶＤＣ（本安电源）的范围内均能正常工作；

Ø测量精度高：

采用分段式控制算法，根据不同的浓度大小自动采用不同的比例系数计算，同时增加了温度补偿功能，提高了测量的精度；

Ø具有自动校准零点功能：

仪器自动校准零点漂移，并可在1～100天的范围内任意设置校准的时刻；

Ø具有软启动模式的功能：

仪器采用了电机软启动技术，大大减小了仪器抽气泵启动时对供电电源的冲击，最大启动电流≤130mA；

Ø可用CCGZ-1000型直读式测尘仪在工作现场直接标定，方便、快捷；

Ø量程可调：

测量量程可根据需要设定为0mg/m3～500mg/m3或0mg/m3～1000mg/m3；

Ø测量周期可选择：

可测量瞬时粉尘浓度或平均粉尘浓度，平均粉尘浓度的测量时间可在1s～3600s范围内任意选择。

它的主要参数有：

Ø总粉尘浓度测量范围：

0mg/m3～500mg/m3或0mg/m3～1000mg/m3；

Ø测量误差：

≤15%；

Ø输出信号：

200Hz～1000Hz；1mA～5mA；

Ø工作电压：

12Ｖ～24ＶＤＣ（本安电源）；

Ø最大传输距离：

1500m；

Ø防爆型式：

ExibI矿用本安型；

●甲苯气体传感器的选择：

甲苯的物理及化学性质主要有：

极微溶于水，对皮肤、粘膜有刺激性，对中枢神经系统有麻醉作用。

爆炸极限1.2%~7.0%，人吸入71.4g/m，短时致死；人吸入3g/m×1～8小时，急性中毒；人吸入0.2～0.3g/m×8小时，中毒症状出现。

半导体气体传感器是利用半导体气敏元件作为敏感元件的气体传感器，是最常见的气体传感器，广泛应用于家庭和工厂的可燃气体泄露检测装置。

对于半导体气体传感器，按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两种；按照半导体变化的物理性质，又可分为-电压特性的变化以及MOS场效应的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。

由于这类传感器的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定价格便宜。

利用特定材料还可以使