室内空气净化系统

2023年4月30日发(作者：九牧王卫浴这个牌子怎么样)

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编 号：____________

审定成绩：____________

毕业设计〔论文〕

设计〔论文〕题目: 室内空气净化系统设计

单 位〔系别〕： 自动化系

学生某某： 陈鑫

专业： 电气工程与其自动化

班级： 05111202

学号： 2012212368

指导教师： X姣

辩论组负责人： 潘显兵

填表时间： 2016 年 5 月

某某邮电大学移通学院教务处制

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某某邮电大学移通学院毕业设计(论文)任务书

设计(论文)题目 室内空气净化系统设计

学生某某 陈鑫 系别 自动化 专业电气工程与其自动化 班级05111202

指导教师 X姣 职称讲师 联系

教师单位某某邮电大学移通学院 下任务日期_2015_年_12_月_29日

主

要

研

究

内

容

、

方

法

和

要

求

进

度

计

划

主

要

参

考

文

献

1. 选用单片机作为主控制器；

2. 完成局部模块的设计如温度检测模块、湿度检测模块、温湿度显示模块、电源

模块、驱动电路模块、键盘输入模块和报警模块、控制模块；

3. 实现系统的软件设计；

4. 用PROTEL软件完成系统的原理图设计；

5. 应用仿真软件Protus实现模拟。

第1周～第3周：查阅资料，完成英文翻译与整体方案设计；

第4周～第6周：完成系统硬件的设计；

第7周～第9周：完成系统软件的设计；

第10周～第12周：撰写论文、修改论文，完成辩论

[1] 邓永光.基于单片机的室内智能通风控制系统研究[D].某某：某某大学，2008.

[2] 孙勇.生物安全实验室空调净化控制系统的研究和应用[D].某某：某某电子科

技大学，2009.

[3] 冯磊.医院多功能情报监控系统的研究[D].某某：某某交通大学，2008.

[4] 肖德玲.基于Internet的远程室内空气品质检测与评价[D].某某：某某工程科

技学院，2004.

指导教师签字：年 月 日

教研室主任签字： 年 月 日

备注：此任务书由指导教师填写，并于毕业设计(论文)开始前下达给学生。

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摘 要

在我们生活的大多数场所，为了节省能源，其建筑都是密封的。即使在安装空调系统

的前提下，通常的新风量约占空调总风量的15％左右，其余的85％都是室内的回风，因此

室内的大局部空气都在往返循环使用，所以室内常积有许多诸如病毒、霉毒、细菌、真菌、

烟尘、异味、化学物以与转换后的甲醛、笨、氨等污染，使室内空气质量更加恶化，污染

更加严重。在卫生部组织开展的全国公共场所中央空调通风系统卫生状况监视检查结果也

明确，合格率仅为6.2％。人们在这样的环境下生活工作，严重危害健康和生命。

本文主要对家用空气净化器进展分析设计，根据空气净化器的内部结构和各部件的工

作原理，以与消费者需求进展设计。设计了一种基于C8051F020 单片机的智能室内空气净

化系统，该系统主要包括气体传感器阵列数据采集模块、电机和紫外灯驱动控制模块、紫

外灯灯管信号反响模块、TFT 液晶触摸显示模块、红外遥控和蜂鸣器发声装置等，实现了

空气净化过程的智能控制，提供了TFT 液晶触摸显示的友好操作界面。

【关键词】单片机 数据采集 空气净化系统

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ABSTRACT

In most places of our life，in order to save energy，the building was sealed. Even under the

premise of installing air conditioning system，usually Xinfengliang accounted for about 15 per

cent of the total air volume of air conditioning, the remaining 85% are of indoor air，so most of

the indoor air are in cyclic use，so the indoor constant product there are many， such as virus，

mildew， bacteria，fungi、 smoke、smell，chemicals and turn after the decoration of

formaldehyde，benzene，ammonia and other pollution， indoor air quality worse， the pollution

is more serious。 The results also showed that the qualified rate was only 6.2%， the health status

of the central air conditioning and ventilation system in the national public places organized by

the Ministry of health. People living and working in this environment，seriously endanger the

health and life。 Dual wavelength hydrogen plasma purification technology，can in does not

change the existing ventilation and personnel work as usual dynamic condition，rapid

sterilization，disinfection，and at the same time， improve the ambient air of oxygen。

This article mainly carries on the analysis design to the household air purifier，according to

the air purifier's internal structure and the work principle of each ponent，as well as the consumer

demand to carry on the design。Design a based on C8051F020 MCU intelligent indoor air

purification system。The system mainly includes gas sensor array data acquisition module，

motor and UV lamp drive control module，UV lamp lamp signal feedback module，TFT LCD

touch display module，infrared remote control and a buzzer sound device，realize the air

purification process of intelligent control，provide the TFT LCD touch display friendly operation

interface。

【Key words】Singlechip Data acquisition Air purification system

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目录

前 言1

第一章 系统概述2

第一节空气净化器的研究意义2

一、空气质量隐患2

二、空气净化器的作用2

第二节空气净化开展史3

第三节空气净化器的研究现况4

一、亚都空气净化器调研4

二、美的空气净化器调研5

三、远大空气净化器调研5

第四节章节安排6

第二章 系统总体方案设计6

第一节系统设计目标6

第二节现代空气净化器弊端7

第三节本系统功能定位7

第四节系统总体框图8

第三章 硬件设计9

第一节单片机的选择9

第二节单片机的引脚介绍10

第三节气体质量检测11

一、检测气体的选择11

二、气体传感器的选择12

三、粉尘传感器的选择12

四、传感器硬件电路设计12

第四节继电器控制电路13

第五节电机和紫外灯控制电路14

第六节TFT液晶触摸显示15

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第七节电源转换电路16

第四章 软件设计17

第一节总体结构设计17

第二节主程序流程图18

第三节各子程序20

一、红外遥控设计20

二、液晶屏显示设计20

第五章 系统仿真20

第一节软件概述20

PROTEUS

第二节实验结果显示21

结 论24

致 谢24

参考文献24

附 录25

一、英文原文26

二、英文翻译31

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前 言

空气净化器的含义是指能够将大气中的各种杂质和污染物吸附、分解和消除的一种空

气洁净机。其中可分解和消除的空气包括PM2.5、毛发、异味、粉尘、花粉、甲醛之类的

装修污染在内的过敏原和粉尘等都是空气中必须需要去除的污染物。而空气净化器正好可

以有效地消除了这样的污染，改善空气质量的产品之一，它主要使用的地方有室内，家庭，

商业，工业和车辆内部等。

根据国家相关标准规定，广义上对于空气净化器定义是“从空气中别离并且消除一种

或多种污染空气的设备。对空气中的污染物有一定消除能力的装置。〞

由于经济的快速开展的同时，不可防止的也带来的环境的污染，随着人民生活水平的

提高，人们也对环境和生活环境质量逐渐开始关注，近几年来，在空气中已经出现的一些

问题，比如雾霾、酸雨等问题的出现，空气净化器这一新型产品也由此开始流行起来，并

且这已成为一种流行的环保方式。但是现有空气净化器的市场比拟单一，目前太机械化的

缺点，虚有其表的功能是市场普遍存在的现象。因此，通过对现有现象的根底上进展分析，

我们必须在现有空气净化器系统的根底上对其再进展设计和创新将空气更好的滤清，其目

的就是设计出相对容易使用的产品。

本文主要对室内空气净化器进展分析设计，根据人民的需求针对内部的结构和各部件

的工作原理，以与消费者对产品的需求进展设计和改造。其中包括对其的系统总体结构与

工作原理、系统硬件设计、软件设计等诸多问题的研究。

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第一章 系统概述

第一节 空气净化器的研究意义

一、空气质量隐患

在我国，近年来我国室内空气污染状况惊人，室内空气污染对人体健康造成的威

胁触目惊心，污染净化与健康的“隐形杀手〞,也成为全世界各国共同关注的问题。

美国专家检测发现，在室内空气中存在500多种挥发性有机物，其中致癌物质就有20

多种，致病病毒200多种。危害较大的主要有：氡、甲醛、苯、氨以与酯、三氯乙烯

等。中国消费者协会公布过一项调查结果：抽样检测的新装修的住房中有七成含有有

毒气体。在这样的新居中，人们往往出现头痛、头晕、过敏性疲劳和眼、鼻、喉刺痛

等不适感，世界卫生组织(WHO)将此现象称为“病态建筑物综合征〞。

2002年8月初，中国消费者协会公布了一项调查结果：对30户装修后的室内环

境污染物进展检测，发现甲醛浓度超标达73%，某某对53户装修后的室内环境污染

物进展检测，发现甲醛浓度超标达79%，最高的超标达30倍以上。

近几年来，随着我国城镇居民的生活水平的提高，人们对自身的居住环境要求越

来越高，不断改善着住房条件，从单一的增加居住面积到对住房的豪华装修。目前，

我国城镇居民每年有1500亿元花费在居室装修上，据不完全统计，某某市，仅仅家

庭装修市场每年产值可达200-250亿元，而且以每年10-15%的速度递增。据报道，找

个室内装饰工程的市场需求量到2005年以超过6000亿元，它所带动的装饰材料和家

电等超过4000亿元。由室内装饰装修材料引起的室内环境污染也日益严重。另据统

计，我国由于室内空气污染造成的损失，如果按支付意愿价值估计，约为106亿美元。

在工业，经济，开发高度开展的同时，我们的室内环境也日益的被严重污染。

二、空气净化器的作用

空气净化器主要是用来净化室内空气的小型家电产品。使用空气净化器净化室内空气

是国际公认的改善室内空气质量的方法。性能优良的空气净化器可有效地去除空气中的有

害气体，吸附空气中的悬浮颗粒，特别是各种细菌和病毒，一般是以悬浮颗粒作为生存载

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体，所以也同时被去除，空气净化器对于改善室内空气质量，维护人们身体健康大为有益。

空气净化器可以给人们带来纯净的空气，为人们的健康保驾护航，很多特殊人群尤为

适合。例如孕妇、儿童、老人、呼吸道疾病患者，办公室一族，以与长期开车、处于人多

且室内污染较大的人群。纯净的空气有助于人体的生长发育，愉悦心情，提高工作效率。

例如孕妇在空气污染严重的室内会感到身体不适，出现头晕，出汗，口干舌燥，胸闷欲吐

等症状，对胎儿的发育产生不良的影响。患上心脏疾病的可能性是呼吸清新空气的孕妇所

生孩子的3倍。而办公室一族由于工作状态大都在办公室里，每天对着电脑，少有机会运

动并到室外呼吸新鲜的空气，在恒温密闭空气质量不好的环境中，容易导致头晕，胸闷，

乏力，情绪起伏大等不适症状，影响工作效率，引发各种疾病，严重者还可致癌。因此选

择一款适宜的空气净化器，对人们的生活品质是事半功倍。

根据美国环保署的研究，人们在室内空间接触到空气污染物的平均程度是室外空间的

倍，严重时甚至可高达100倍；而国内调查明确，城市居民每天在室内的时间长达小时，

占全天时间的90%。因此，人体健康与室内空气净化程度关系密切，“健康呼吸〞已成为迫

切的需要，设计出一台能够高效便捷净化室内空气质量的净化器显得尤其重要。

第二节 空气净化开展史

空气净化器起源于消防用途，1823年，约翰和查尔斯·迪恩发明了一种新型烟雾防护

装置，可使消防队员在灭火时防止烟雾侵袭。

1854年，一个名叫约翰斯·滕豪斯的人在前辈发明的根底上又取得新进展：通过数次

尝试，他了解到向空气过滤器中参加木炭可从空气中过滤出有害和有毒气体。

二战期间，美国政府开始进展放射性物质研究，他们需要研制出一种方式过滤出所有

有害颗粒，以保持空气清洁，使科学家可以呼吸，于是HEPA过滤器应运而生。在20世纪

50、60年代，HEPA过滤器一度非常流行，很受防空洞设计和建设人员欢迎。

进入20世纪80年代，空气净化的重点已经转向空气净化方式，如家庭空气净化器。

过去的过滤器在去除空气中的恶臭、有毒化学品和有毒气体方面非常好，但不能去除霉菌

孢子、病毒或细菌，而新的家庭和写字间用空气净化器，不仅能清洁空气中的有毒气体，

还能净化空气，去除空气中的细菌、病毒、灰尘、花粉、霉菌孢子等。

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现在，空气净化器已经有了多种不同的设计制作方式，并且每一次技术的变革都为人

们室内空气品质的改善带来显著效果。而这一切目的只有一个：希望能净化室内空气来提

高人们的生活质量。

目前市场上空气净化器大都主要构成有：机箱外壳、过滤段、风道设计、电机、电源、

液晶显示屏等。决定寿命的是电机，决定净化效能的是过滤段，决定是否安静的是风道设

计、机箱外壳、过滤段、电机。

第三节 空气净化器的研究现况

一、亚都空气净化器调研

亚都空气净化器是以活性炭过滤网、HEPA过滤网为技术特点的空气净化器。其风格各

异，整体来看，今年的产品趋于简约风格，并添加了一些人机互动的形式功能。

其高端产品特点：材料趋势以实木和金属为主；造型采用有机形态；操作以界面显示

操作为主；给人的感受是造型独特；整体特点：独特的材质和高性能。

图亚都装修卫士净化器

其中端产品的特点：材料趋势以ABS和哑光喷漆为主；造型趋于简约；操作以实体按

键加小显示为主；给人的感受常规合理；整体特点：可以人机互动。

其低端产品特点：材料趋势以ABS加图案为主；造型采用硬朗的线条；操作以实体按键、

无界面为主；给人的感受是常规合理；整体特点：有一定的针对性主题和性价比。

适用场所:

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①新装修的房子。相信很多刚装修的房子的朋友都知道，房间装修好以后，不能立即

住进去，因为里面甲醛污染非常严重。大多情况下都是放置一个月才住进去。其实这个时

候可以用亚都空气净化器〔见图〕，非常有用。

②办公室或公共场所。这些地方因为人流大，抽烟等空气污染非常严重，也比拟适合

安装空气净化器。

二、美的空气净化器调研

美的空气净化器的整体造型简约，体量轻薄，性价比拟高，以中低端产品为主，高端

产品重视操作的便捷性，滤网的更换别致。

其高端产品特点：材料趋势以钢化玻璃加图案为主〔见图1.2〕；造型简约有层次感；

操作以界面显示操作为主；给人的感受专业感强；整体特点：独特的材质和高性能。

其中端产品的特点：材料趋势以ABS加金属漆为主；造型简约有层次感；主要采用实

体按钮或无显示操作；给人的感受是超薄；整体特点：超薄。

图美的空气净化器

其低端产品特点：材料趋势以ABS加高亮喷漆为主；造型简约加密集通风隔栅；操作

以界面显示操作为主；给人的感受是使用；整体特点：材质和高性能。

三、远大空气净化器调研

远大空气净化器〔见图〕全线产品风格统一均为金属包裹密集网孔，外表光亮，汽车

涂料。

高中低端产品主要以性能和产品比例作为差异化，高端瘦高，中低端矮胖，均为小界

面显示。

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外表材料趋势:金属外壳加汽车漆；造型：简洁几何加密集网孔；操作：实体按键加小

显示；感受：专业感设备感强；特点：专业加色彩DIY。

图 远大空气进化器

第四节 章节安排

本文一共分为五章，分别介绍了空气净化器的系统概述、系统总体方案设计、系统的

硬件设计和软件设计、系统仿真五个章节对空气净化器做了全面的介绍分析。详细的介绍

了空气净化系统的组成与设计和系统的内部硬件构造和软件程序，最后的系统仿真让我们

深刻理解空气净化系统的理论，理论联系实际、强化动手能力、训练创新思维。

第二章 系统总体方案设计

第一节 系统设计目标

通过对现代人生活环境与方式的研究，从而发现一些问题，由于现代人在工作和生活

方式的改变，越来越注重环境质量，而随着这种观念的深入，空气净化器的开发、设计、

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研究、使用必将成为现代人所关注的问题之一。而现今国内市场上的产品造型过于单一，

大多缺乏新意，产品之间相似度高，无法将形式与功能统一并且相融合，而且材料浪费，

二度污染的现象普遍存在。所以一款高效、节能、智能的空气净化器才是消费者最终需求。

因此，针对市场上这一普遍现象，本课题希望通过研讨国内外优秀的设计并通过调研分析，

在现有空气净化器系统的根底上再设计与创新，设计出便于使用的，功能相对完善一款产

品。为丰富国内市场，为赶上外国先进水平尽一份力。

第二节 现代空气净化器弊端

面对当下雾霾重污染与装修污染物肆虐的环境，为了呼吸健康，越来越多的人选择通

过购置空气净化器来“搞好自己家的空气环境〞。但空气净化器市场品类繁多的，存在很

大的弊端。

通过调查发现，目前空气净化器技术主要分为两种，一种是我们比拟熟悉的传统过滤

网型产品，需要定期更换滤网。另外一种是最新的逐渐受热捧的无耗材产品。传统滤网型

空气净化器技术应用的比拟广泛，研发本钱低，占据大局部的市场份额。但传统空气净化

器在净化时，会把不能分解污染物吸附在过滤网上，长时间堆积饱和会再次释放回到空气

中，造成二次污染危害健康。还有，传统过滤网型产品存在后续维护本钱高、不能分解甲

醛、不能净化超细微颗粒物等弊端，而且产品滤网寿命完毕后，无法回收，只能作为垃圾

处理，滤网普遍由PP熔喷纤维或者玻璃纤维构成，掩埋后很难降解，容易对环境形成了二

次污染。所以一款绿色、节能、智能、清新持久的净化器才是消费者的最终需求。

综合上述因素空气清新器的设计对于现代人生活方式和工作环境尤为重要。因

此，在本次设计中将使用环境问题作为设计的重要因素，将环境与形态设计更好的融

合。

第三节 本系统功能定位

①空气净化器采用负离子过滤技术〔负离子空气净化器：是一种利用自身产生的负

离子对空气进展净化、除尘、除味、灭菌的环境优化电器，其与传统的空气净化机的不同

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之处是以负离子作为作用因子，主动出击捕捉空气中的有害物质，而传统的空气净化机是

风机抽风，利用滤网过滤粉尘来净化空气，称为被动吸附过滤式的净化原理，需要定期更

换滤网，而负离子空气净化器如此无需耗材〕。

②自动识别空气质量并启动净化，让您的环境不知不觉中得到净化。

③触控指示灯可控制其启动与关闭节能环保。

④人机界面简单易懂，把操作做到最简化，防止误操作。

第四节 系统总体框图

设计的智能空气净化系统可对室内空气中的粉尘、甲醛、CO2等有毒有害气体信息实

时采集，利用过滤膜过滤室内空气中的颗粒状污染物，利用紫外线的照射破坏致病体的

DNA 结构达到消毒灭菌的作用。系统启动分为自动模式和手动模式两种，自动模式中对有

害气体浓度净化标准有一般、良好、优质3种标准，手动模式中的3个电机分别运行在低

速、中速、高速3种状态。一般标准对应启动的是低速运行的电机，依此类推。自动模式

下用户选择净化标准后即可实现净化过程的自动控制，手动模式下用户选择启动某种转速

的电机，但当净化完成后还需其他手动操作。在自动模式净化过程中，空气中有毒有害气

体浓度低于或等于标准值时，停止电机，高于标准值时，自动启动电机，实现了标准值下

室内空气净化过程的智能控制。在手动模式净化过程中，用户可根据液晶屏显示的空气质

量数据选择启动某种转速的电机，但当净化完成时电机仍会运转，需手动关闭或切换其他

转速或模式。室内空气中粉尘或甲醛浓度持续6h超过某一设定值，液晶屏会显示“清洗

膜〞，提示用户清洗或更换过滤膜。CO2含量超过设定值时，液晶屏会显示“打开窗户〞，

提示用户开窗。同时主控芯片通过紫外灯灯管信号反响电路传输的信号判别紫外灯是否正

常工作。为了实现对空气净化过程中的智能化控制，应该提高系统的性能与可靠性，采用

C8051F020 做为控制核心芯片，系统主要包括气体的传感器阵列数据采集模块、电机与紫

外灯驱动控制模块、紫外灯灯管信号反响模块、TFT液晶触摸显示模块、红外遥控和蜂鸣

器发声装置等。气体的传感器阵列有DHT11温湿度传感器、 DSM501 粉尘传感器、 MG811

型CO2传感器、 MQ138甲醛气体传感器。系统结构框图，如下列图。

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蜂鸣器

红外遥

控模块

气

体

传

感

器

阵

列

3.2寸TFT液

晶触摸显示

模块

C8051F020单片机

灯管信号

反馈模块

电机和紫外

灯驱动控制

模块

电源模块

图 系统结构框图

第三章 硬件设计

第一节 单片机的选择

本文设计了一种基于C8051F020单片机的智能室内空气净化系统。C8051F020 是基于

高速8051微控制器内核、流水线指令的结构，速度可到达25Mindication /s，4352字节的

数据RAM，64k字节可以在线编辑的flash 存储器，外部64字节的数据存储器接口。内部

含有真正12bit100 ksample /s的八通道ADC，真正8字节500 ksample /s 的8 通道ADC，均

可以带PGA 和模拟的多路开关，和2个12 bit DAC。具有8byte 宽的端口I /O口，可以

同时操作的硬件SMBus(I2CTM 的兼容) ，SPITM 以与两个UART 串口。可有5 个通用

的16 bit 定时器，可编程的16 bit 定时器阵列，有5 个可捕捉模块。与旧版的51 系列单

片机相比，在一样本钱的情况下，可靠性和速度得到了很大提高。C8051F020单片机的引

脚配置如下列图：

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图C8051F020单片机引脚配置图

第二节 单片机的引脚介绍

C8051F020单片机内核具有丰富的指令集和32个通用工作存放器。所有的存放器都直

接与运算逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立

的存放器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍

的数据吞吐率。其引脚图的功能概述如表所示：

表C8051F020单片机引脚功能概述

引脚 说明

VCC 数字电路的电源

GND 地

端口 端口A为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具

A(PA7..PA0) 有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流

端口 端口B为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具

B(PB7..PB0) 有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流

端口 端口C为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具

C(PC7..PC0) 有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流

端口 端口D为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具

D(PD7..PD0) 有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流

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端口 端口E为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具

E(PE7..PE0) 有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流

端口 端口F为ADC的模拟输入引脚。如果不作为ADC的模拟输入，端口F可以

F(PF7..PF0) 作为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对

称的驱动特性，可以输出和吸收大电流

端口 端口G为5位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具

G(PG4..PG0) 有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流

RESET 复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。低于此时间的

脉冲不能保证可靠复位

XTAL1 反向振荡器放大器与片内时钟操作电路的输入

XTAL2 反向振荡器放大器的输出

AVCC AVCC为端口F以与ADC转换器的电源，需要与VCC相连接，即使没有使

用ADC也应该如此。使用ADC时应该通过一个低通滤波器与VCC连接

AREF为ADC的模拟基准输入引脚 AREF

PEN是SPI串行下载的使能引脚。在上电复位时保持PEN为低电平将使器件PEN

进入SPI串行下载模式。在正常工作过程中PEN引脚没有其他功能

第三节 气体质量检测

一、检测气体的选择

在干洁的大气中，衡量气体的组成是微不足道的。但是在一定X围的大气中，出现了

原来没有的微量物质，其数量和持续时间，都有可能对人、动物、植物与物品、材料产生

不利影响和危害。当大气中污染物质的浓度达到有害程度，以至破坏生态系统和人类正常

生存和开展的条件，对人或物造成危害的现象叫做大气污染。

室外大气污染物主要包括：粉尘/可吸入颗粒物、二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳等；

室内空气污染物主要包括：甲醛、氟利昂，厨房油烟[一氧化碳、二氧化硫、丙烯醛、等]、

烟草燃烧的烟雾[一氧化碳、尼古丁、醛类等]以与放射性物质等。

本文设计的空气净化器主要对大气污染物中的粉尘、甲醛、二氧化碳等主要大气污染

物进展净化和排除。

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二、气体传感器的选择

市面上所流通的空气净化器都是能够识别多种气体并且能够监测室内温湿度，所以在

设计的系统中我们应要设计出能够识别不同气体、气体的温度和湿度的监控系统传感器。

环境中的温度和湿度也是影响传感器测量准确性的重要环境因素，所以设计的空气净

化系统应采用DHT11数字温湿度传感器，DHT11数字温湿度传感器具有单线制串行接口与

微处理器通讯和数据传输等特点。

MG811型CO2气体传感器对CO2气体具有较好的灵敏度和选择性，受温度和湿度的突

变影响小，具有良好的稳定性、重现性。所使用的传感器电极设置在固体电解质平衡的原

理，与大气中的二氧化碳发生化学反响，使传感器的电极与参考电极间的电势差( EMF) 正

好符合能特斯方程。由于传感器的输出电压信号的放大器是微弱的，所以必须经运行放大

电路放大3倍。

MQ138甲醛传感器适合醛类、芳族、醇类和酮类等有机溶剂的测定，具有稳定性好、

寿命长和较高灵敏度等特点。常应用于家庭和环境的有害气体的探测装置。在检测过程中，

检测到的空气中的甲醛浓度越高，传感器电导率越高。使用这样的简单电路就可以将这种

电导率的变化转换成与甲醛浓度相对应的电压输出信号。

三、粉尘传感器的选择

韩国SYHITECH专利研发的产品DSM501粉尘传感器，其内置的加热器可以自动吸入空

气，采取粒子计数的原理，PWM脉宽调制输出，可以灵敏检测直径为1μm以上的粉尘粒子，

并且小巧、质量轻，便于安装和使用。常常应用于空气调节器、空气清洗机、通风设备以

与空气质量检测仪上。DSM501粉尘传感器的电压是5V的供电，在控制脚和地面之间需要

加一个100K的电位器，以调整输出脚的敏感度

四、传感器硬件电路设计

系统中气体传感器阵列的数据采集主要有数字信号和模拟信号两种。DSM501粉尘传

感器和DHT11数字温湿度传感器输出的数字信号可以直接与C8051F020的数字I /O 口连

接，MG811型CO2气体传感器和MQ138甲醛传感器的输出信号都是模拟量，需经过AD 转

换才能应用于显示和控制。如何在这个系统中的C8051F020单片机的片内是一个12 位逐

次逼近型ADC，该ADC 能够可编程转换速率，最大转换速率可达100 ksample /s，误差低

至±1LSB。系统中8通道的外部输入可编程可设置为8个单端输入或者4对差分输入，可

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以通过设置可编程增益放大器实现倍～16倍的放大增益选择，具有数据相关窗口中断发生

器，且内置温度传感器。在AD初始化中可以通过输写存放器将AD设置成单端输入，增

益为1，采样率为100 ksample /s，由定时器3 溢出启动转换，可使能内置温度传感器、片

内的参考电压以与ADC中断。气体传感器阵列与C8051F020单片机的连接如下列图。

图气体传感器阵列与C8051F020连接图

第四节 继电器控制电路

继电器用于控制电路的连接与断开，常用的型号有线圈电压为6V、12V、24V，综合

考虑继电器功率和所选电源等因素，选用线圈电压为12V的继电器。本文需要完成三路信

号的控制，就需要设计三个继电器。继电器1控制电磁离合器l的启闭，继电器2控制电

磁离合器2的启闭，继电器3控制等离子发生电路的启闭。C850F020单片机IOA6口的控

制上下电平信号先经光电耦合器PS2501放大，将放大的信号再经过三极管3904进一步放

大来驱动继电器工作，其电路原理如下列图。

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VCC

+12V

R14

D1K1

VCC

+12V

OA6

R14

U1

R15

OPTOISO1

Q1

GND

GND

图 继电器控制原理图

第五节 电机和紫外灯控制电路

系统的发动机和紫外线的控制，是整个系统的重要组成局部。电机的风扇转动是在单

片机的控制下进展的。使室内空气的空气净化系统形成循环，工作条件相适应的达到杀菌

效果。该系统可分为控制端和控制终端，控制端的操作都是可通过红外控制终端来实现的。

根据系统的要求，设计提供了一个用来照射杀菌的紫外灯和3 个交流的单相异步电机。且

三个电机分别对应着低速、中速、高速三种运行状态。在控制端手动模式下用户能够根据

在空气净化系统显示下的空气质量数据触摸屏幕进展选择启动不同种运行状态的电机。可

用24V的继电器与三极管构成的驱动控制电路分别能与主控芯片的端口相连接，分别对低

速、中速和高速3 种转速的电机与紫外灯实现控制。该系统还可用于气体传感器阵列和空

气质量数据采集模块的数据处理过程的自动调节和控制，例如在自动模式的一般标准下，

系统净化开始时主控芯片的和端口将输出高电平驱动低速的电机与紫外灯，处理过程中有

毒有害气体在大气中的浓度值是小于或等于的一般标准时，端口将输出低电平，会断开低

速电机回路，低速电机将停止运行，危险和有害气体的浓度高于平均值将自动重新启动电

机，一般，良好、优质的净化标准分别对应的启动电机的低速、中速和高速。在这样的自

动模式下就很好的实现了室内空气净化过程的智能控制。系统的紫外灯和电机都是采用

220V供电的标准，其标准性能稳定、控制便捷，控制电路如图3.4所示。

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图3.4 电机和紫外灯控制电路

第六节TFT液晶触摸显示

大局部的室内空气净化器采用LCD12864作为输出显示器，其关键是采用传统的控制方

式。本文设计的空气净化系统是采用集成ILI9320驱动的3.2inch TFT的液晶触摸屏。TFT液

晶屏有262144种颜色，分辨率达到240像素×320像素，并且带有触摸功能，为系统方便的提

供了友好的人机交互的界面。ILI9320的接口为37 引脚的FPC软排线，可以支持i80 /8-bit、

i80 /16-bit、VSYNC 以与SPI 等多种通讯模式。系统是采用了i80 /16-bit模式，其与液晶屏

直接连接，ADS7846是某某仪器生产的一款四线电阻触摸屏驱动专用驱动芯片，可以自动

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采样电压的X轴，Y轴的电压值，然后可以通过标准SPI协议发给MCU，操作便捷，准确度

高。对于当释放和触摸在按下过程中存在的抖动问题，可以通过软件进展键消抖，触摸屏

驱动电路如下列图。

图 触摸屏驱动电路

第七节 电源转换电路

本文设计系统中需要多路电源分别给各气体传感器、单片机与驱动继电器供电。其中

5V电源用于给C02传感器MG811、单片机C8051F020和继电器供电，6V电源给有害气体

传感器MQ138供电。本文首先采用9V充电器将220V交流电源转化为9V直流电源。再

经正输出稳压器LM7805,LM7806分别获得5V和6V供电电源。具体电路设计如下列图。

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U2U4

Port

C2

78057805

V1V0V1V0

+5V

D1

C3

1u

C4

1nF1nF

+6V

GG

NN

DD

外接电源

CAP

Port

D2

C5

图 电源电路图

第四章 软件设计

第一节 总体结构设计

根据功能需求分析和系统设计的硬件，室内的空气过滤系统的要求，程序可分为以下

几个局部：初始化程序、显示器控制子程序、传感器信号采集处理子程序、定时子程序、

中断处理子程序、触摸控制子程序、电机驱动控制子程序、紫外灯灯管检测子程序、红外

信号处理子程序、蜂鸣器控制子程序，其总体结构的设计如下列图：

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初始化程序

显示器控制子红外信号处理

程序子程序

传感器信号数据

采集处理子程序

蜂鸣器控制子

程序

紫外灯灯管检

测子程序

电机驱动控制

子程序

触摸控制子程中断处理子程

序序

图 控制系统软件总体设计方框图

主

程

序

定时子程序

第二节 主程序流程图

根据总体设计，各模块处理子程序依赖于主程序的调度，共同完成控制系统功能。主

程序流程图如图4.2所示，系统上电后屏幕显示各种参数，模式选择后启动运行，模式间可

互相切换。

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开

始

初始化

显示各

种参数

允许中

断

模式判断

手动模式

自动模式

电机转速选净化标准选

择择

传感器阵列

数据采集

传感器阵列

数据采集

启动电机启动电机

启动紫外线启动紫外线

LAMP_IN=1LAMP_IN=1

NN

紫外灯故障紫外灯故障

Y

速度切换

空气质量是否

达标

Y

自动切换模

式

Y

停止电机

结束

空气质量是否

达标

N

Y

手动模式切

换

结束

图控制系统主程序流程图

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第三节 各子程序

一、红外遥控设计

在本次的设计当中，当系统启动时，在一定X围内可以通过红外遥控器对该设备进展控

制。并且遥控器也可以设定系统的预警值和开启或关闭风扇以与负离子空气净化装置。

二、液晶屏显示设计

设计采用的是LCD1602液晶显示屏，单片机将检测并处理完成的传感器数据实时发送

到液晶屏，然后显示屏通过一个直观的数据显示出来，使操作人员可以更直观的观测到所

想检测的空气质量数据。

开始

定义管脚

设置显示模式

设置输入模式

传送显示地址

传送显示数据

返回

图 液晶屏显示流程图

第五章 系统仿真

第一节 proteus软件概述

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Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA 工具软件，可完成从原理图布

图、PCB 设计、代码调试到单片机与外围电路的协同仿真，真正实现了从概念到产品的完

整设计，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的

设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010

年又增加了Cortex和DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。Proteus软件主

要具有以下特点：

① 具有强大的原理图绘制功能。

② 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、

单片机与其外围电路的系统仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD

系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

③ 支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、

AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以与各种外围芯

片。

④ 提供软件调试功能。具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各变量

以与存放器等的当前状态，并支持第三方编译和调试环境，如wave6000、Keil等软件。

第二节 实验结果显示

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传感器阵列与控制驱动模块连接实物图如下列图。为了测试该系统，选定在一个体积

为20m³的办公室内进展测试。选择室内空气净化系统在自动模式优质标准下，传感器阵列

采集当前室内空气温湿度以与甲醛甲苯浓度、空气灰尘浓度、二氧化碳浓度数据，经单片

机转换后显示出净化之前空气质量数据如下列图。此时空气质量低于设定的优质标准，系

统自动启动紫外灯和高速电机，对空气进展净化，并在屏幕上显示当前室内空气质量实时

数据，一段时间后，空气质量达到设定的优质标准，高速电机停止工作，显示当前室内空

气质量优质，传感器阵列采集当前室内空气质量数据显示如图 所示。净化后，室内空气温

湿度根本不变，甲醛甲苯浓度、空气灰尘浓度、二氧化碳浓度明显减少，室内空气质量得

到显著改善。

图5.1 控制驱动主板连接实物图

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图 净化前

图 净化后

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结 论

文章设计的是一种基于C8051F020单片机控制原理的室内空气智能净化系统。在传统

的化学，物理和紫外线杀菌灯的原如此上。很好的结合了传感器技术以与传感器数据的采

集原理，并利用C8051F020单片机控制原理，采用高效的交流单相异步电机，集显示、触

摸、遥控于一体，高效的完成了室内空气系统的智能净化的设计，其设计很好的证明了该

系统性能的稳定性、功能性强、操作简单、净化效率高并且节能环保，可以广泛的用于医

院、宾馆、学校等人员密集场所或对空气质量有特别要求地方。

致 谢

四年的学习生活在即将划上一个句号，而于我的人生来说却仅仅只是一个逗号，我将

面对新的征程的开始。本研究与论文是在我的导师X姣的亲切关怀和耐心的指导下完成的。

伟人、名人固然为我所崇拜，可是我更迫切地想要把我的敬意献给给一位平凡的人，我的

导师X姣教师。也许我不是您最出色的学生，但您却是我所最尊敬的教师。您是如此的治

学严谨，学识渊博，视野广阔，思想深刻，您用心为我营造一种良好的学术气氛，让我的

论文更加的严谨。

同时，我还要感谢一下一起完成毕业论文小组的同学们，如果没有你们的支持和倾心

的协助，我是无法解决这些困难和疑惑，最终能够让本文顺利完成。 至此论文付梓之际，

我的心情无法保持平静，从开始选择课题到论文的顺利辩论，有无数可敬的师长、朋友给

了我很多的帮助，在这里请您承受我诚挚的谢意!

最后，再次对那些在论文完成过程中，关心、帮助我的同学和朋友们表示衷心地感谢！

参考文献

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2009.

附 录

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一、英文原文

DC Switching Power Supply Protection Technology

Abstract: The DC switching power supply protection system, protection system design

principles and machine protection measures, an analysis of switching power supply in the range

of protected characteristics and its design methodology, introduced a number of practical

protection circuit.

Keywords: switching power supply protection circuit system design

A、Introduction

DC switching regulator used in the price of more expensive high-power switching devices,

the control circuit is also more plex, In addition, the load switching regulators are generally used

a large number of highly integrated electronic systems installed devices. Transistors and

integrated device tolerance electricity, less heat shocks. Switching Regulators therefore should

take into account the protection of voltage regulators and load their own safety. Many different

types of circuit protection, polarity protection, introduced here, the program protection,

over-current protection, over-voltage protection, under-voltage protection and over-temperature

protection circuit. Usually chosen to be some bination of protection, constitutes a plete protection

system.

B、Polarity protection

DC switching regulator input is generally not regulated DC power supply. Operating errors

or accidents as a result of the situation will take its wrong polarity; switching power supply will

be damaged. Polarity protection purposes, is to make the switching regulator only when the

correct polarity is not connected to DC power supply regulator to work at. Connecting a single

device can achieve power polarity protection. Since the diode D to flow through switching

regulator input total current, this circuit applied in a low-power switching regulator more suitable.

Power in the larger occasion, while the polarity protection circuit as a procedure to protect a link,

save the power required for polarity protection diodes, power consumption will be reduced. In

order to easy to operate, make it easier to identify the correct polarity or not, collect the next

light.

C、Procedures to protect

Switching power supply circuit is rather plicated, basically can be divided into low-power

and high-power part of the control part of the switch. Switch is a high-power transistors, for the

protection of the transistor switch is turned on or off power safety, we must first modulator,

amplifier and other low-power control circuit. To this end, the boot to ensure the correct

procedures. Switching Regulators generally take the input of a small inductor, the input filter

capacitor. Moment in the boot, filter capacitor will flow a lot of surge current, the surge current

can be several times more than the normal input current. Such a large surge current may contact

the general power switch or relay contact melting, and the input fuse. In addition, the capacitor

surge current will damage to shorten the life span of premature damage. To this end, the boot

should be access to a current limiting resistor, through the current limiting resistor to capacitor

charging. In order not to make the current limiting resistor excessive power consumption, thus

affecting the normal switching regulator, and the transient process in the boot after a short period

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then automatically relays it to DC power supply directly to the switching regulator power supply.

This circuit switching regulator called a "soft start" circuit.

Switching regulator control circuit of the logic ponents required or op-amp auxiliary power

supply. To this end, the auxiliary power supply must be in the switch circuit. This control circuit

can be used to ensure the boot. Normal boot process is: to identify the polarity of input power,

voltage protection procedures → boot → auxiliary power supply circuit and through current

limiting resistor R of the switching regulator input capacitor C → charge modulation switching

regulator circuit, → short-circuit current limiting resistor stability switching regulator.

In the switching regulator, the machines just because the output capacitance, and charge to

the rated output voltage value of the need for a certain period of time. During this time, sampling

the output amplifier with low input voltage sampling, closed-loop regulation characteristics of the

system will force the switching of the transistor conduction time lengthened, so that switching

transistor during this period will tend to continuous conduction, and easily damaged. To this end,

the requirements of this paragraph in the boot time, the switch to switch the output modulation

circuit transistor base drive signal of the pulse width modulation, can guarantee the switching

transistor by the cut-off switches are being more and more normal state, therefore the protection

of the setting up of a boot to tie in with the soft start.

D、Over-current protection

When the load short-circuit, overload control circuit failure or unforeseen circumstances,

such as would cause the flow of switching voltage regulator transistor current is too large, so that

increased power tubes, fever, if there is no over-current protection device, high power switching

transistor may be damaged. Therefore, the switching regulator in the over-current protection is

monly used. The most economical way is to use simple fuse. As a result of the heat capacity of

small transistors, general fuse protection in general can not play a role in the rapid fuse mon fuse.

This method has the advantage of the protection of vulnerable, but it needs to switch transistor in

accordance with specific security requirements of the work area to select the fuse specifications.

This disadvantage is over-current protection measures brought about by the inconvenience of

frequent replacement of fuses.

Linear voltage regulator monly used in the protection and current limiting to protect the

cut-off in the switching regulator can be applied. However, according to the characteristics of

switching regulators, the protection circuit can not directly control the output transistor switches,

and over current protection must be converted to pulse output mands to control the modulator to

protect the transistor switch. In order to achieve over-current protection are generally required

sampling resistor in series in the circuit, this will affect the efficiency of power supply, so more

for low-power switching regulator of occasions. In the high-power switching power supply, by

taking into account the power consumption should be avoided as far as possible access to the

sampling resistor. Therefore, there will usually be converted to over-current protection, and

under-voltage protection.

E、Over-voltage protection

Switching regulator's input over-voltage protection, including over-voltage protection and

output over-voltage protection. Switching regulator is not used in DC power supply voltage

regulator and rectifier, such as battery voltage, if too high, so switching regulator is not working

properly, or even damage to internal devices, therefore, it is necessary to use the input

over-voltage protection circuit. Using transistors and relays protection circuit.

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In the circuit, when the input DC power supply voltage higher than the voltage regulator

diode breakdown voltage value, the breakdown voltage regulator tube, a current flowing through

resistor R, so that V turn-on transistor, relay, normally closed contact off open, cut off the input.

Voltage regulator voltage regulator which controls the value of Vs. = Earwax-UBE. The polarity

of input power with the input protection circuit can be bined with over-voltage protection,

polarity protection constitute a differential circuit and over voltage protection.

Output over-voltage protection switching power supply is essential. In particular, for the 5V

output of the switching regulator, it is a lot of load on a high level of integration of the logic

device. If at work, switching regulator sudden damage to the switch transistor, the output

potential may be increased immediately to the importation of non-regulated DC power supply

voltage value, causing great loss instantaneous. monly used method is short-circuit protection

thirsted. The simplest over-voltage protection circuit. When the output voltage is too high, the

regulator tube breakdown triggered thirstier turn-on, the output short-circuit, resulting in

over-current through the fuse or circuit protective device to cut off the input to protect the load.

This circuit is equivalent to the response time of the opening time of thirstier is about 5 ~ 10μs.

The disadvantage is that its action is fixed voltage, temperature coefficient, and action points of

instability. In addition, there is a voltage regulator control parameters of the discrete, model

over-voltage start-up the same but has different values, difficult to debug. Esc a sudden increase

in output voltage, transistors V1, V2 conduction, the thruster conduction. Reference voltage Vs.

by type.

F、Under-voltage protection

Output voltage below the value to reflect the input DC power supply, switching regulator

output load internal or unusual occurrence. Input DC power supply voltage drops below the

specified value would result in switching regulator output voltage drops, the input current

increases, not only endanger the switching transistor, but also endanger the input power.

Therefore, in order to set up due to voltage protection. Due to simple voltage protection.

When no voltage regulator input normal, ZD breakdown voltage regulator tube, transistors V

conduction, the relay action, contact pull-in, power-switching regulator. When the input below

the minimum allowable voltage value, the regulator tube ZD barrier, V cut-off, contact Kai-hop,

switching regulator can not work. Internal switching regulator, as the control switch transistor

circuit disorders or failure will decrease the output voltage; load short-circuit output voltage will

also decline.

Especially in the reversed-phase step-up or step-up switching regulator DC voltage of the

protection due to over-current protection with closely related and therefore more important.

Implementation of Switching Regulators in the termination of the output voltage parators.

Normally, there is no parator output, once the voltage drops below the allowable value in the

parator on the flip, drive alarm circuit; also fed back to the switching regulator control circuit, so

that switching transistor cut-off or cut off the input power.

G、Over-temperature protection

Switching regulator and the high level of integration of light-weight small volume, with its

unit volume greatly increased the power density, power supply ponents to its work within the

requirements of the ambient temperature is also a corresponding increase. Otherwise, the circuit

performance will deteriorate premature ponent failure. Therefore, in high-power switching

regulator should be set up over-temperature protection.

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Relays used to detect the temperature inside the power supply temperature, when the

internally generated power supply overheating, the temperature of the relay on the action, so that

whole circuit in a warning alarm, and the realization of the power supply over-temperature

protection. Temperature relay can be placed in the vicinity of the switching transistor, the general

high-power tube shell to allow the maximum temperature is 75 ℃, adjust the temperature setting

to 60 ℃. When the shell after the temperature exceeds the allowable value to cut off electrical

relay on the switch protection. Semiconductor switching device thermal "hot thirstier," in the

over-temperature protection, played an important role. It can be used as directed circuit

temperature. Under the control of p-hot-gate thirstier (TT102) characteristics, by RT value to

determine the temperature of the device turn-on, RT greater the temperature the lower the turn-on.

When placed near the power switching transistor or power device, it will be able to play the role

of temperature instructions. When the power control the temperature of the shell or the internal

device temperature exceeds the allowed value, the heat conduction thirstier on, so that LED

warning light. If the opt coupler with, would enable the whole circuit alarm action to protect the

switching regulator. It can also be used as a power transistor as the over-temperature protection,

crystal switch the base current by n-type gate control thirstier TT201 thermal bypass, cut-off

switch to cut off the collector current to prevent overheating.

H、The future development of relay protection

Protection technology to future trends is puterized, network, intelligent, protection and

control, measurement and data munications integration development.

1) puterized

Along with the rapid development of puter hardware, microputer protection and

development in hardware. Former north electricity institute of puter line protection hardware has

experienced three development stages: from eight single CPU structure of the microputer relay

protection, less than 5 years time to develop more CPU structure, and to develop the large don't

bus module, performance greatly improve module structure, widely used. Huazhong university of

science and technology development of microputer protection from 8 bits CPU, is the core part in

polymerizing-kettle development based on 32-bit microputer protection.

Nanjing institute of electrical automation began a 16-bit CPU is developed on the basis of

puter line protection, has been widespread in the study, also protect the hardware system 32 bits.

The development of southeast university puter hardware and equipment to protect and improve

through a lot. Tianjin university is a start with more than 16 bits CPU developed on the basis of

puter line protection, which began in 1988 study 32-bit digital signal processor (DSP) for the

protection and control, measuring devices, microputer integrated with Zhuhai jin electrical

automation equipment pany developed into a fully functional 32-bit big modules, a module is a

small puter. Using 32-bit microputer chip is not only because the accuracy and precision of the

A/D converter by the resolution limit, more than 16 when converting speed and cost is

unacceptable, More important is the 32-bit microputer chip with high integrity, high frequency

and puting speed and large space, rich addressing the mand system and more input output. The

CPU registers, data bus, the address bus are 32-bit memory management function, and memory

protection function and tasks, and the conversion function will Cache (Cache) and floating-point

ponents are integrated in the CPU.

2〕Network

Power system of microputer protection requirement, besides improving the basic function of

protection, also should have the capacity of the fault information and data storage space,

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word

long-term fast data processing function, strong munication ability, and other protection and

control devices and the whole system by sharing network dispatching data, information and

network resources, the ability to program in a high-level language, etc. This requires microputer

protection device is equivalent to a PC. In the early development of puter to protect, once thought

to use a small puter finish relay protection device. Due to the large size, then miniputers high cost

and reliability of this idea is not reality. Now, with microprocessor-based protection function of

similar size, speed, work-managing machine greatly exceed the storage capacity of miniputer,

therefore, make use of the relay protection sets polymerizing-kettle time is ripe, this is the

development direction of the microputer relay protection.

Tianjin University has developed with microprocessor-based protection device with an

identical structure reform polymerizing-kettle of relay protection device. This device has several

advantages: (1) 486PC machine can meet all the functions of the current and future demands of

microputer protection function. (2) dimension and structure and the current protection device,

exquisite workmanship, shockproof, prevent overheating, preventing electromagnetic interference

ability is strong, can run in very bad working environment, cost can be accepted. (3) using STD

bus or PC bus, hardware modular, for different protection can be arbitrarily choose different

modules, flexible configuration, easy extension.

The microputer relay protection device, puterized is irreversible trend. But how to better

satisfy power system, how to further improve the reliability of the relay protection, and how to

obtain more economic benefit and social benefit, still must specifically in-depth research.

820 networks

The puter network information and data munication tool has bee the mainstay of the

information age, make human production technology and social life of the fundamental changes

have taken place. It is deeply affect all industries, as well as various industry provides powerful

means of munication. So far, in addition to the differential protection disoperation and protection

of the relay protection device, all can only protect the electricity installation reaction. Protection

function is limited, reduce accidents resection fault ponents. This is mainly due to the lack of data

munications. Strong Foreign had put forward the concept of protection system, which was mainly

refers to the safety automatic device. Because of the relay protection function not only fault

ponents and limit resection impact accident (this is to ensure priority), the safe and stable

operation of the whole system. This requires each protection unit can be altogether

I、Conclusion

Discussed above in the switching regulator of a variety of conservation, and introduces a

number of specific ways to achieve. Of a given switching power supply is concerned, but also

protection from the whole to consider the following points:

1) The switching regulator used in the switching transistor in the DC security restrictions on

the work of regional work. The transistor switches selected by the manual available transistors

get DC safe working area. According to the maximum collector current to determine the input

value of over-current protection. However, the instantaneous maximum value should be

converted to the average current. At rated output current and output voltage conditions, the switch

of the dynamic load line does not exceed a safe working area DC maximum input voltage, input

over-voltage protection is the voltage value.

2) The switching regulator output limit given by the technical indicators within. Work within

the required temperature range, the switching regulator's output voltage, the lower limit of the

output is off, due to the voltage value of voltage protection. Over-current protection can be based

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word

on the maximum output current to determine. False alarm in order not to protect the value of a

certain margin to remain appropriate.

3) From the above two methods to determine the protection after the power supply device in

accordance with the needs of measures to determine the alarm. Measures the general alarm sound

and light alarm two police. Voice of the police applied to more plex machines, power supply parts

and do not stand out in a place, it can give staff an effective warning of failure; optical Police

instructions can be eye-catching and fault alarm and pointed out that the fault location and type.

Protection measures should be protected as to determine the location. In the high-power,

multi-channel power supply, always paying, DC circuit breakers, relays, etc. high-sensitivity

auto-protection measures, to cut off the input power supply to stop working the system from

damage. Through the logic control circuit to make the appropriate program cut-off switch

transistor is sensitive it is convenient and economic. This eliminated large, long response time,

the price of your high-power relay or circuit breaker.

4) The power of putting in the protection circuit will be affected after the reliability of the

system, for which want to protect the reliability of the circuit itself is higher in order to improve

the reliability of the entire power system, thereby increasing its own power supply MTBF. This

requires the protection of strict logic, the circuit is simple, at least ponents, In addition to the

protection circuit should also be considered a failure of maintenance of their difficulty and their

power to protect the damage.

Therefore, we must be prehensive and systematic consideration of a variety of switching

power supply protection measures to ensure the normal operation of switching power supplies

and high-efficiency and high reliability.

二、英文翻译

直流开关稳压电源的保护技术

摘要：讨论了直流开关稳压电源的保护系统，提出保护系统设计的原如此和整机保护

的措施，分析了开关稳压电源中的各种保护的特点与其设计方法，介绍了几种实用保护电

路。

关键字：开关电源；保护电路；系统设计

一、引言

直流开关稳压器中所使用的大功率开关器件价格较贵，其控制电路亦比拟复杂，另外，

开关稳压器的负载一般都是用大量的集成化程度很高的器件安装的电子系统。晶体管和集

成器件耐受电、热冲击的能力较差。因而开关稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的

安全。保护电路的种类很多，这里介绍极性保护、程序保护、过电流保护、过电压保护、

欠电压保护以与过热保护等电路。通常选用几种保护方式加以组合,构成完善的保护系统。

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二、极性保护

直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其

极性接错，将损坏开关稳压电源。极性保护的目的，就是使开关稳压器仅当以正确的极性

接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。最简单

的极性保护电路如图1所示。由于二极管D要流过开关稳压器的输入总电流,因此这种电路

应用在小功率的开关稳压器上比拟适宜。在较大功率的场合,如此把极性保护电路作为程序

保护中的一个环节，可以省去极性保护所需的大功率二极管，功耗也将减小。为了操作方

便，便于识别极性正确与否，在二极管之后接指示灯。

三、程序保护

开关稳压电源的电路比拟复杂,根本上可以分为小功率的控制局部和大功率的开关局

部。开关晶体管如此属大功率，为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全,必须先让调

制器、放大器等小功率的控制电路工作。为此,要保证正确的开机程序。开关稳压器的输入

端一般接有小电感、大电容的输入滤波器。在开机瞬间，滤波电容器会流过很大的浪涌电

流，这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触

点或继电器的触点熔化，并使输入保险丝熔断。另外，浪涌电流也会损害电容器，使之寿

命缩短，过早损坏。为此，开机时应该接入一个限流电阻，通过这个限流电阻来对电容器

充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率，以致影响开关稳压器的正常工作，而在开机

暂态过程完毕后，用一个继电器自动短接它，使直流电源直接对开关稳压器供电。这种电

路称之谓开关稳压器的“软启动〞电路。

开关稳压器的控制电路中的逻辑组件或者运算放大器需用辅助电源供电。为此,辅助

电源必须先于开关电路工作。这可用开机程序控制电路来保证。一般的开机程序是:输入电

源的极性鉴别,电压保护→开机程 序电路工作→辅助电源工作并通过限流电阻R对开关稳

压器的输入电容器C充电→ 开关稳压器的调制电路工作，短路限流电阻→开关稳压器 稳

定工作。

在开关稳压器中,刚开机时,因为其输出电容容量大，充到额定输出电压值需要一定时

间。在这段时间内,取样放大器输入低的输出电压采样,根据系统闭环调节特性将迫使开关

三极管的导通时间加长,这样一来,开关三极管就会在这段期间内趋于连续导通,而容易损

坏。为此,要求在开机这一段时间内,开关调制电路输出给开关三极管基极的脉宽调制驱动

信号，能保证开关三极管由截止逐渐趋于正常的开关状态，故而要加设开机保护以配合软

启动。

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四、过电流保护

当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时,会引起流过稳压器中开关三极

管的电流过大，使管子功耗增大,发热,假如没有过流保护装置，大功率开关三极管就有可

能损坏。故而在开关稳压器中过电流保护是常用的。最经济简便的方法是用保险丝。由于

晶体管的热容量小,普通保险丝一般不能起到保护作用,常用的是快速熔断保险丝。这种方

法具有保护容易的优点，但是,需要根据具体开关三极管的安全工作区要求来选择保险丝的

规格。这种过流保护措施的缺点是带来经常更换保险丝的不便。

在线性稳压器中常用的限流保护和电流截止保护在开关稳压器中均能应用。但是，根

据开关稳压器的特点，这种保护电路的输出不能直接控制开关三极管，而必须使过电流保

护的输出转换为脉冲指令，去控制调制器以保护开关三极管。为了实现过电流保护一般均

需要用取样电阻串联在电路中，这会影响电源的效率，因此多用于小功率开关稳压器的场

合。而在大功率的开关稳压电源中，考虑到功耗，应尽量防止取样电阻的接入。因此，通

常将过电流保护转换为过、欠电压保护。

五、过电压保护

开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。开关稳压器所使用

的未稳压直流电源诸如蓄电池和整流器的电压如果过高,使开关稳压器不能正常工作,甚至

损坏内部器件,因此,有必要使用输入过电压保护电路。

在该电路中，当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时，稳压管击穿，

有电流流过电阻R，使晶体管V导通，继电器动作，常闭接点断开，切断输入。其中稳压

管的稳压值Vz=ESrmax－UBE。输入电源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起,

构成极性保护鉴别与过电压保护电路。

输出过电压保护在开关稳压电源中是至关重要的。特别对输出为5V的开关稳压器来说,

它的负载是大量的高集成度的逻辑器件。如果在工作时,开关稳压器的开关三极管突然损坏,

输出电位就可能立即升高到输入未稳压直流电源的电压值,瞬时造成很大的损失。常用的方

法是晶闸管短路保护。当输出电压过高时,稳压管被击穿,触发晶闸管导通,把输出端短路,

造成过电流,通过保险丝或电路保护器将输入切断,保护了负载。这种电路的响应时间相当

于晶闸管的开通时间，约为5～10μs。它的缺点是动作电压是固定的，温度系数大，动作

点不稳定。另外，稳压管存在着参数的离散性，型号一样但过电压起动值却各不一样，给

调试带来了困难。

六、欠电压保护

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输出电压低于规定值时，反映了输入直流电源、开关稳压器内部或者输出负载发生了

异常。输入直流电源电压下降到规定值之下时，会导致开关稳压器的输出电压跌落，输入

电流增大，既危与开关三极管，也危与输入电源。因此，要设欠电压保护。简单的欠电压

保护如图6所示。

当未稳压输入的电压值正常时，稳压管ZD击穿，晶体管V导通，继电器动作，触点吸

合，开关稳压器加电。当输入低于所允许的最低电压值时，稳压管ZD不通，V截止，触点

跳开，开关稳压器不能工作。开关稳压器内部，由于控制电路失常或者开关三极管失效会

使输出电压下降；负载发生短路也会使输出电压下降。特别在升压型或反相升压型的直流

开关稳压器中欠电压的保护是跟过电流保护严密相关的，因而更加重要。实现方法是在开

关稳压器的输出端接电压比拟器。

正常时，比拟器没有输出，一旦电压跌落在允许值之下比拟器就翻转，驱动告警电路;

同时反响到开关稳压器的控制电路，使开关三极管截止或切断输入电源。

七、过热保护

开关稳压器的高集成化和轻量小体积，使其单位体积内的功率密度大大提高，电源装

置内部的元器件对其工作环境温度的要求也相应提高。否如此，会使电路性能变坏，元器

件过早失效。因此在大功率开关稳压器中应该设过热保护。

采用温度继电器来检测电源装置内部的温度，当电源装置内部产生过热时，温度继电

器就动作，使整机告警电路处于告警状态，实现对电源的过热保护。亦可将温度继电器置

于开关三极管的附近，一般大功率管允许的最高管壳温度是75℃，调节温度整定值为60℃。

当管壳温度超过允许值后继电器就切断电器，对开关管进展保护。半导体热敏开关器件“热

晶闸管〞在超温保护方面有重要作用。它可以用作温度指示电路。根据p型控制栅热晶闸

管(TT102)的特性，由RT值确定该器件的导通温度，RT越大，导通温度越低。

当将其放置功率开关三极管附近，或在电源装置内时，它就能起到温度指示作用。当

功率管的管壳温度或者装置内部的温度超过允许值时，热晶闸管就导通，使发光二极管发

亮告警。倘假如配合光电耦合器，就可使整机告警电路动作，保护开关稳压器。它亦可以

用作功率晶体管的过热保护，晶体开关管的基极电流被n控制栅型热晶闸管TT201旁路，

开关管截止，切断集电极电流,防止过热。

八、继电保护的未来开展

继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通

信一体化开展。

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1〕计算机化

随着计算机硬件的迅猛开展，微机保护硬件也在不断开展。原华北电力学院研制的微

机线路保护硬件已经历了3个开展阶段：从8位单CPU结构的微机保护问世，不到5年时

间就开展到多CPU结构，后又开展到总线不出模块的大模块结构，性能大大提高，得到了

广泛应用。华中理工大学研制的微机保护也是从8位CPU，开展到以工控机核心局部为根

底的32位微机保护。

某某电力自动化研究院一开始就研制了16位CPU为根底的微机线路保护，已得到大面

积推广，目前也在研究32位保护硬件系统。东南大学研制的微机主设备保护的硬件也经过

了屡次改良和提高。某某大学一开始即研制以16位多CPU为根底的微机线路保护，1988

年即开始研究以32位数字信号处理器(DSP)为根底的保护、控制、测量一体化微机装置，

目前已与某某晋电自动化设备公司合作研制成一种功能齐全的32位大模块，一个模块就是

一个小型计算机。采用32位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度受A/D转换器分辨率的

限制，超过16位时在转换速度和本钱方面都是难以承受的；更重要的是32位微机芯片具

有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度，很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多

的输入输出口。CPU的存放器、数据总线、地址总线都是32位的，具有存储器管理功能、

存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存(Cache)和浮点数部件都集成在CPU内。

电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的根本功能外，还应具有大容量故障

信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、控制

装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程等。这就要求

微机保护装置具有相当于一台PC机的功能。在计算机保护开展初期，曾设想过用一台小型

计算机作成继电保护装置。由于当时小型机体积大、本钱高、可靠性差，这个设想是不现

实的。现在，同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年

的小型机，因此，用成套工控机作成继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的开展方

向之一。某某大学已研制成用同微机保护装置结构完全一样的一种工控机加以改造作成的

继电保护装置。这种装置的优点有：(1)具有486PC机的全部功能，能满足对当前和未来微

机保护的各种功能要求。(2)尺寸和结构与目前的微机保护装置相似，工艺精良、防震、防

过热、防电磁干扰能力强，可运行于非常恶劣的工作环境，本钱可承受。(3)采用STD总线

或PC总线，硬件模块化，对于不同的保护可任意选用不同模块，配置灵活、容易扩展。

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继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的开展趋势。但对如何更好地满足电力

系统要求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经济效益和社会效益，尚

须进展具体深入的研究。

2〕网络化

计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生产和社会

生活的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有

力的通信手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只能反响

保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响X围。这主

要是由于缺乏强有力的数据通信手段。国外早已提出过系统保护的概念，这在当时主要指

安全自动装置。因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响X围(这是首要任

务)，还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共

九、结语

以上分别讨论了在开关稳压器中的各种保护方式,并介绍了一些具体实现的方法。对一

个给定的开关稳压电源来说，还应从整机保护方面考虑以下几点：

〔1〕把开关稳压器中所应用的开关三极管限制在直流安全工作区域之内工作。对于选

定的开关三极管,由晶体管手册可查得其直流安全工作区。根据集电极电流的最大值来确定

输入过电流的保护值。但是,这个瞬时最大值应转换为电流的平均值。在额定输出电流与输

出电压的条件下,开关管的动态负载线不超过直流安全工作区的最大输入电压,就是输入过

电压保护的电压值。

〔2〕把开关稳压器的输出限制在所给定的技术指标之内。在所要求的工作温度X围内,

开关稳压器的输出电压的上、下限就是输出过、欠电压保护的电压值。过电流保护如此可

根据最大输出电流来确定。为了不误告警,保护值应适当留一定的余量。

〔3〕由以上两点确定保护方式之后,再根据电源装置的需要来确定告警措施。一般告

警措施有声警和光警两种。声警适用于整机比拟复杂、电源局部又装在不显眼的地方,它可

以给工作人员以有效的故障告警；光警可以醒目地指示故障告警并指出故障发生的部位和

类型。保护措施要视所保护的部位来确定。在大功率,多路电源的场合,总是用交、直流断

路器,高灵敏继电器等构成自动保护措施,切断电源的输入使系统停止工作,免受损害。通过

逻辑控制

电路使相应的开关三极管截止的方案显得既灵敏方便又经济。这样可以省去体积大,

响应时间长,价格贵的大功率继电器或断路器。

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〔4〕电源中加设了保护电路之后会影响系统的可靠性，为此要求保护电路本身的可靠

性要高，以提高整个电源系统的可靠性，进而提高电源本身的MTBF。这就要求保护的逻辑

严密,电路简单、元器件最少，除此而外还要考虑到保护电路本身出故障时维修难度和其所

保护的电源损坏程度。

所以必须全面系统地考虑开关电源各种保护措施，确保开关电源的正常工作和高效率

与高可靠性。

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