暖氣片定時(shí)開關(guān)的設(shè)計(jì)

1、暖氣片定時(shí)開關(guān)設(shè)計(jì)說明書摘要：應(yīng)用 555 觸發(fā)器集成電路與電磁繼電器相連得到一定時(shí)電路，再將該定時(shí)電路與暖氣 片開關(guān)相連，從而實(shí)現(xiàn)暖氣片的定時(shí)開關(guān)。本方案通過對(duì)電路元件參數(shù)的選取實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間 的定時(shí)，起到了節(jié)約能源的作用，提高了資源的利用率。關(guān)鍵詞： 555觸發(fā)器 電磁繼電器 滑動(dòng)變阻器 定時(shí) 開關(guān) 節(jié)能減排作品內(nèi)容簡介我們節(jié)能減排小組擬制作一個(gè)暖氣片定時(shí)開關(guān)器， 此開關(guān)由集成電路板與電磁繼電器控 制實(shí)現(xiàn)，集成電路板實(shí)現(xiàn)定時(shí)作用 , 電磁繼電器則控制暖氣片上的開關(guān)的動(dòng)作 。控制電路部分 電容和繼電器不消耗電能，因此只需要電池即可滿足電路的正常工作，作用電路部分為了防 止電路短路，故加入一指示

2、燈，接在 220V 家用電路上。人們?cè)陔x開房間時(shí)關(guān)閉暖氣并設(shè)定好 暖氣開關(guān)時(shí)間 , 暖氣片上的開關(guān)就按照這個(gè)時(shí)間自動(dòng)開啟。 在不影響人們正常生活的前提下避 免了無人時(shí)候的暖氣資源浪費(fèi)， 因而可以節(jié)約大量能源，起到節(jié)能減排的目的。1 研制背景及意義2 設(shè)計(jì)方案經(jīng)過我們節(jié)能減排小組的討論，我們?cè)O(shè)想了 3 種方案來實(shí)現(xiàn)暖氣片的定時(shí)開關(guān)。 第一種方案是利用紅外線感應(yīng)器控制暖氣片開關(guān)，當(dāng)有人進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，紅外線感應(yīng)器就 可以感應(yīng)到并產(chǎn)生動(dòng)作，控制暖氣片使其打開，當(dāng)人離開時(shí)，同理紅外線感應(yīng)器可控制暖氣 片開關(guān)使其關(guān)閉，但是此方案存在一定弊端無法克服 （如暖氣無法在人回到房間之前提前打 開，無法識(shí)別人魚動(dòng)物的

3、紅外線） 。第二種方案是利用溫度感應(yīng)器控制暖氣片開關(guān)，室內(nèi)有 人時(shí)，溫度感應(yīng)器能感應(yīng)到而后控制暖氣片打開，室內(nèi)無人時(shí)，同理溫度感應(yīng)器控制暖氣片 關(guān)閉，但是本方案需要相當(dāng)靈敏的溫度感應(yīng)器，而且水溫和體溫會(huì)對(duì)溫度感應(yīng)器產(chǎn)生誤差影 響，故存在弊端。第三種方案是利用觸發(fā)器集成電路以及電磁繼電器控制暖氣片的開關(guān)，此 方案誤差較小， 并且可以按照使用者的意愿自行設(shè)置開關(guān)開啟的時(shí)間，效果良好，造價(jià)低廉。 綜上所訴，我們小組一致同意采用第三種方案。本方案可分為 2個(gè)部分，一部分是控制電路，其由 555 觸發(fā)器集成電路與電磁繼電器連 接組成，其作用是控制繼電器的動(dòng)作，進(jìn)而控制暖氣管道的啟閉。另一部分是作用電路，

4、它 由開關(guān)及指示燈與管道相連接，通過開關(guān)的開閉來控制管道的啟閉，以此實(shí)現(xiàn)暖氣的定時(shí)供 應(yīng)，從而提高能源利用率。2.1 電氣控制（1）簡單介紹一下 555 觸發(fā)器的功能。555 觸發(fā)器的電路引腳圖如下：圖 1 555 觸發(fā)器引腳圖555 觸發(fā)器各功能端的真值表：表 1 555 觸發(fā)器真值表由表可看出， S、 R、 MR的輸入不一定是邏輯電平，也可以是模擬電平（2）介紹下具體實(shí)現(xiàn)電路，本小組設(shè)計(jì)電路圖如下：圖2 工作電路圖其原理是可歸納如下：（ 1）集成電路加 9V 電壓，可通過電池實(shí)現(xiàn)，作用電路加 220V 交流電壓，可直接連接 在家用電路上。（2）集成電路是一片 555 觸發(fā)器定時(shí)電路，在這里

5、接成單穩(wěn)態(tài)電路。平時(shí)由于觸摸片P端無感應(yīng)電壓，電容 C1通過 555第 7腳放電完畢，第 3腳輸出為低電平，繼電器 KS吸合， 電燈亮，暖氣管道開通。（ 3）當(dāng)需要關(guān)閉暖氣管道時(shí)，用手觸碰一下金屬片 P，人體感應(yīng)的雜波信號(hào)電壓由 C2 加至 555的觸發(fā)端，使 555 的輸出由低變成高電平，繼電器 KS釋放，電燈熄滅。同時(shí)， 555 第 7 腳內(nèi)部截止，電源便通過 R1 給 C1 充電，這就是定時(shí)的開始。此外，與滑動(dòng)變阻器 R1 相連一計(jì)時(shí)器， 通過對(duì)滑動(dòng)變阻器 R1 的調(diào)節(jié)，使電容充電的時(shí)間不同， 從而實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間的 定時(shí)。（4）當(dāng)電容 C1 上電壓上升至電源電壓的 2/3 時(shí)，555第七腳

6、導(dǎo)通使 C1放電，使第 3腳 輸出由高電平變回到低電平，繼電器吸合，電燈亮，暖氣管道導(dǎo)通，定時(shí)結(jié)束。2.2 機(jī)械部分圖3 管道模型斜視圖圖4 管道模型正視圖如上 2 圖所示，暖氣片側(cè)面裝有定時(shí)開關(guān)，當(dāng)人離開時(shí)，將管道關(guān)閉并設(shè)定時(shí)間讓其自動(dòng)開 啟。(如平時(shí)家里白天有 8 小時(shí)無人在時(shí)，可設(shè)定暖氣片 7 小時(shí)之后自動(dòng)開啟，以便能提前 加熱)定時(shí)開關(guān)局部放大圖如下所示：圖 5 定時(shí)開關(guān)局部放大圖其樣式為表盤式， 上面刻有相應(yīng)的時(shí)間， 使用者可以根據(jù)自身需要旋轉(zhuǎn)表盤指針來設(shè)定時(shí)間 操作簡單方便，同時(shí)可以節(jié)省大量能源。3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算(1) 經(jīng)濟(jì)效應(yīng)分析：（1）本定時(shí)開關(guān)由一觸發(fā)器集成電路、滑動(dòng)變阻器以

7、及電磁繼電器組成，估算其成本每 一個(gè)約為 30 元。（2）暖氣主要利用的是熱能，就如同用水，用電那樣。熱能是一種能量，根據(jù)傳熱理論 公式：Q=C*M*（T 2-T1）其中， Q為熱能量， C為傳熱媒質(zhì)的比熱容， M為傳熱媒質(zhì)的質(zhì)量， T2、T1為傳熱媒質(zhì) 的終止溫度與初始溫度，其與溫度差，傳熱媒質(zhì)的比熱容、質(zhì)量成正比。而一般來講，使用 水為傳熱媒質(zhì)。其質(zhì)量可以用流量和時(shí)間的積來表示。假設(shè)傳熱介質(zhì)的溫度差設(shè)為一定值， 比熱容亦為一定值，因此熱能消耗量僅與傳熱媒質(zhì)的質(zhì)量成正比，即與其流量和時(shí)間的乘積 成正比，再假設(shè)媒質(zhì)的流量為一定值，則熱能消耗量與時(shí)間成正比。在未安裝暖氣片定時(shí)開關(guān)時(shí)， 假設(shè)平均每

8、天每戶暖氣開 24 小時(shí)，而在安裝暖氣片定時(shí)開 關(guān)后平均每天每戶暖氣開 16 小時(shí)。按此假設(shè)，則可以節(jié)省約三分之一的熱能。我國北方幾乎 所有城市都安裝有暖氣，沒有安裝定時(shí)開關(guān)前，按照每年每戶暖氣消耗折合成價(jià)格約為 2000 元，安裝定時(shí)開關(guān)后，則可節(jié)省約 700 元。全國范圍來看，每年節(jié)省可達(dá)數(shù)億！因此，此定 時(shí)開關(guān)不僅能起到節(jié)省能源的目的，還能帶來巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，暖氣片定時(shí)開關(guān) 適應(yīng)了中國節(jié)約能源的發(fā)展趨勢。4 工作原理及性能分析電磁繼電器最好選取線圈工作電壓為 24V或 48V的，這樣相應(yīng)的線圈電流要小些，以降 低對(duì) C1容量的要求，觸點(diǎn)電流要根據(jù)負(fù)載大小適當(dāng)選取。二極管 D1

9、要根據(jù)繼電器工作電壓 選取，一般選取穩(wěn)壓值稍高于繼電器線圈工作電壓的穩(wěn)壓 二極管 ，C1 的耐壓不低于 400V。C2 的耐壓也要根據(jù) D1 的穩(wěn)壓值適當(dāng)選取。555 觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)：（1）由三個(gè)阻值為 5k 的電阻組成的分壓器； （2）兩個(gè)電壓比較器 C1 和 C2：v+<v- ， vo=0（3）基本 RS觸發(fā)器；（4）放電三極管 T 及緩沖器 G。555 觸發(fā)器工作原理它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本 RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān) T 比較器的參考電壓由三 只 5K 的電阻器構(gòu)成分壓， 她們分別使高電平比較器 C1 同相比較端和低電平比較器 C2 的反 相輸入的參考電平為 2/3Vcc和1

10、/3Vcc.C1和C2的輸出端控制 RS 觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀 態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過 2/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位， 555 的輸出端 3 腳輸出低電平，同時(shí)放 電，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自 2腳輸入并低于 1/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器置位， 555的 3腳輸出高電 平，同時(shí)放電，開關(guān)閉合。 RD是復(fù)位端，當(dāng)其為 0 時(shí)， 555輸出低電平。平時(shí)該端開路或接 Vcc。Vco是控制電壓端（ 5腳）平時(shí)輸出 2/3Vcc作為比較器 A1的參考電平，當(dāng) 5腳外接一個(gè)輸入 電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制，在不接外接電壓時(shí)，通 常接一個(gè) 0.01uF 的電容到地，起到濾波作用，

11、一消除外界的干擾，一確保參考電平的穩(wěn)定。T 為放電管，當(dāng) T 導(dǎo)通時(shí)，將給接于 7 腳的電容器低阻放電電路。 通過對(duì)滑動(dòng)變阻器不同阻值的選取實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間的定時(shí)。分析電路可知，輸出端由低電 位轉(zhuǎn)向高電位需要經(jīng)過對(duì) C1 充電的過程，根據(jù)所學(xué)知識(shí)，充電時(shí)間約為T=1.1R1C1C1取 1000uf, R1的最大值設(shè)定為 50M ，對(duì)應(yīng)的時(shí)間最大值約為 15 小時(shí)，每隔半小時(shí)刻一刻 度，以滿足不同用戶的需要。(2) 使用壽命計(jì)算： 觸發(fā)器集成電路部分主要使用電池作為電源，因此一定時(shí)間后必須更換電池，作用電路 部分使用家庭電路，消耗的電能有限。此外，電容、二極管、指示燈時(shí)間長后較易損壞，必 須定期檢查

12、更換?？傮w來說，該產(chǎn)品使用性能穩(wěn)定，初步估計(jì)至少可使用1 年。5 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)1、將 555 觸發(fā)器和繼電器連接后應(yīng)用于暖氣片供暖開關(guān)，使暖氣在特定的時(shí)間段自動(dòng)開啟 或關(guān)閉，以達(dá)到節(jié)能減排、便利生活的目的。實(shí)現(xiàn)了電子產(chǎn)品在生活中應(yīng)用的創(chuàng)新。2、在控制電路中介入滑動(dòng)變阻器，實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)節(jié)，可以根據(jù)用戶的需要實(shí)現(xiàn)供暖系統(tǒng)在 任意時(shí)間段內(nèi)的定時(shí)開關(guān)。3、所設(shè)計(jì)產(chǎn)品只需在原有的暖氣設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行小許的改進(jìn)，不會(huì)給原有的供暖系統(tǒng)帶來 大規(guī)模的整改，并且我們的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，易于實(shí)現(xiàn)，方便推廣。應(yīng)用1、可用于大學(xué)寢室樓的暖氣開關(guān)控制上。在大學(xué)一般是以一個(gè)班級(jí)的同學(xué)同住一個(gè)寢室， 從周一到周五

13、，由于一個(gè)寢室的舍友往往同時(shí)也是同班同學(xué)， 往往都一起去上課或是自習(xí)， 寢室內(nèi)經(jīng)常半天或者一整天都處于無人狀態(tài)，但此時(shí)，寢室內(nèi)的暖氣卻依然在供應(yīng)著，這 樣便造成了不必要的資源浪費(fèi)。 再加上大學(xué)里對(duì)于不同的班級(jí)上課時(shí)間一般也不一樣， 因 此，若考慮讓樓管人員對(duì)于暖氣總開關(guān)進(jìn)行管理也是無法實(shí)現(xiàn)的。另外，若是大家在離開 寢室時(shí)候把寢室暖氣片的開關(guān)關(guān)閉了， 那么在回到寢室的時(shí)候有必然要面臨一個(gè)問題， 那 就是寢室里面由于一上午或是一整天沒有供暖而導(dǎo)致剛回到寢室的前半個(gè)小時(shí)都很冷。 在 這種情況下，采用我們小組設(shè)計(jì)的這種自動(dòng)定時(shí)開關(guān)便可以自行設(shè)置暖氣開和關(guān)的時(shí)間， 讓暖氣在人們回寢室的前半個(gè)小時(shí)便自動(dòng)打

14、開， 對(duì)寢室預(yù)先進(jìn)行供暖， 待到人們回到寢室 時(shí)，寢室的溫度已經(jīng)處于很溫暖的狀態(tài)了。這樣便可在不浪費(fèi)資源的前提下，既實(shí)現(xiàn)節(jié)能 減排，又不會(huì)給人們的生活帶來不便。2、用于家庭供暖開關(guān)?，F(xiàn)在的城市里，大多數(shù)人都過著朝九晚五的生活，白天的差不多十 個(gè)小時(shí)里，家里都是沒有人在的，在這樣的家庭中，若安裝經(jīng)過我們改進(jìn)的這種暖氣控制 開關(guān)，便可以實(shí)現(xiàn)既節(jié)能又舒適的生活。3、可用于辦公室內(nèi)的供暖總開關(guān)設(shè)定，在辦公樓的暖氣管道總開關(guān)處設(shè)置一個(gè)定時(shí)器, 實(shí)現(xiàn)開關(guān)每天自動(dòng)開閉 , 避免在無人處在辦公室的時(shí)候暖氣依然在供應(yīng) ,造成資源的浪費(fèi)再有 就是像商場， 銀行機(jī)構(gòu)等大型公共場所， 都可以利用這種設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)暖氣的定時(shí)自動(dòng)開 關(guān)。4、定時(shí)開關(guān)實(shí)現(xiàn)溫度控制功能，避免由于暖氣供應(yīng)過大時(shí)候造成室內(nèi)溫度過高，以達(dá)到節(jié) 能減排、方便生活的目的。尤其是在人口十分密集的公共場合，比如大學(xué)的教室，大商場 等，往往都會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)溫度過高甚至很出汗的情況， 這種情況下只要在我們的設(shè)計(jì)電路中， 再加入一個(gè)熱敏電阻， 結(jié)合自動(dòng)控制原理就可以實(shí)現(xiàn)暖氣的間歇性供應(yīng)， 讓暖氣片的