硬水软化器电路设计.doc

1、毕 业 设 计题目： 硬水软化器电路设计 日期： 2010年5月6日 系别： * 专业： * 学号： * 姓名： * 目 录1. 前言 42. 设计方案5 2.1硬水软化的几种常用方法 5 2.2方案的确定 72.3 设计原理 83. 电路的组成及工作原理8 31 硬水软化器的组成8 3.2 总电路原理图 9 3.3 工作原理 94硬水软化器各组成电路原理分析 10 4.1 电源电路 10 4.2 555集成电路 11421 555集成电路的应用 12422 555的内部结构与工作原理 1243 555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

2、. 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 206. 5 电路调试 207. 收获与体会 218致谢词 22 9参考文献及资料23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

3、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

4、，对皮肤容易造成伤害（尤其是婴幼儿）。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

5、、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，以钠离子将水中的钙镁离子置换出来，由于钠盐的溶解度很高，所以

6、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，

7、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

8、限。多用于商业(如中央空调等)循环冷却水的处理，不能应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)。22 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

9、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Autorn2004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

10、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31 硬水软化器的组成3.2 硬水软化器的总电路图 3.3 工

11、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。 中学生科技网 4硬水软化器各组成电路原理分析41 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

12、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： 研究结果表明，硬水在电磁

13、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。 学生科普网 42 555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。421 555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

14、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

15、器三种典型应用电路。422 555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

16、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决定触发器的输出端状态。R非是专门设置的可从外部进行置0的复位端，当时，将RS触发器预置为Q=0，=1状态；当时，RS触发器维持原状态不变。4晶体管开关：由V管构成。当基极为低电平时，V管截止；当基极为高电平时，V管饱和导通，起到开关的作用。5输出缓冲器：由非门组成，用于增大对负载的驱动能力和隔离负载对555集成电路的影响。43 555集成电路构成振荡器如上图所示，电阻R1、R2及电容C构成了一个充放电电路

17、。在接通电源后，电源Vcc通过R1和R2对电容C充电，充电时间常数A1=（R1+R2）C。 接通电源前电容C上无电荷，所以接通电源瞬间，C来不及充电，这时Uc=0，比较器C1的输出为1，比较器C2的输出为0，基本RS触发器为1状态(Q=1，=0),经非门使振荡器输出Uo=Uoh(UoVcc)。此时，由于与非门输出为0，开关放电管V的基极为0，V管截止。随着充电的进行，Uc逐渐增加，当Uc上升到（23）Vcc时，比较器C1的输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到0状态(Q=0，=1)，Uo=UoL,V管饱和导通。此时电容C开始放电，放电回路是CR2TD地，放电时间常数A2=R2C。当电容C放电，

18、Uc下降到（1/3）Vcc时，比较器C2的输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到1状态(Q=1，=0)，振荡器输出Uo=Uoh,V管截止。这样，电容C不断地充电、放电，使Uc在（1/3）Vcc和（23）Vcc之间不断变化，电路处于振荡状态，从而在输出端得到连续变化的振荡脉冲波形。脉冲宽度TL由电容C的放电时间决定，TL0.7R2C。TH由电容C充电时间来决定，TH0.7(R1+R2)C。脉冲周期T=TH+TL。5硬水软化器电路板的设计制作5.1 设计绘制印制电路图 绘制印制电路图我用autorn2004软件。 绘制印制电路图的方法： 首先，打开autorn2004新建一个设计，在这个设计文件夹

19、中创建应水软化器原理图文件命名为硬水软化器原理图。按照总原理图绘制原理图到这个原理图文件中，并按照选用的元件选择封装，并将封装给定到每个元件。封装就是元件的实际安装大小。画好原理图、给定封装后通过菜单栏的设计创建网络表，创建一个网络表文件，网络表文件是连接原理图和PCB板图的桥梁。没有网络表就不能将原理图转换成印制电路图。然后，在这个设计中创建一个PCB设计文件命名为“应水软化器PCB图”，通过菜单设计网络表，调入建立的原理图网络表。调入网络表实际上就是将原理图中元件的封装调入。调入的元件是杂乱无章的，需要进行重新排列布局。我们要对印制电路板的大小进行设置：切换到禁止布线层，用线画出要布局布线

20、的区域。布局可以通过菜单烂的工具自动布局和手工布局两种方式调整布局。布局时要尽量使布局中交叉的飞线少，这样有利于后面布线的工作简化。布局好以后就是布线，布线也分自动布线和手工布线。在布线以前要对布线的规则进行设置，点击菜单栏设计规则进行设置，设置线宽、线距、布线层、电器规则等。自动布线方法：点击菜单自动布线，里面有全局自动布线和局部自动布线。可以根据需要选择。注意：印制电路图中同一层不能有印制导线交叉（有节点的线路除外），有交叉的可以删除交叉点的一条线并用过孔和短接线连接。画好印制电路图，并检查无误后方可使用。在电脑上通过以上操作，设计出了“应水软化器PCB板图”，印制电路图如下：印制电路板加

21、工图： 电路装配图： 6. 制作印制电路板6.1 敷铜板的选用敷铜箔层压板的标准厚度有1.0mm、1.5mm、2.0mm三种，一般常优先选用1.5mm和2.0mm厚的层压板。在实际应用中不同的用途和不同的工作频率选用不同的基质材料板。根据电路设计的需要选用单层、双层或多层敷铜板。因为电路不是很复杂我选择单层板制作。6.2印制电路板的制作方法 制作单面印制电路板，根据电路的需要选用合适的敷铜板材料，我们这里选用1.0mm的酚醛纸基敷铜板制作。对于印制电路图形比较简单的单层印制电路板，一般采用热转印法印制反相图形，然后蚀刻出印制电路板。另一常用方法是用丝网印制正相图形（称之为丝网漏印法），然后蚀刻

22、出印制电路板。也可采用光化学图像转移的方法制作印制电路板。对于一般要求不高或制作少量电路板，可以采用丝网漏印法制作印制电路板。业余条件下，也常用丝网漏印的方法制作印制电路板。对于要求较高的电路板，一般都采用光化学转移法制作印制电路板。我们这里选用热转印法。用热转印法制作电路板优点是方法简单、速度快、质量比较好。 绘制印制电路图 用Autorn2004作主要制图软件, 以及windows的“画图”和word作辅助软件制作好印制电路板图形（如图6），为保证质量，线条用1mm的线宽，且有些地方可以适当的加宽，这样可以保护电路的抗干扰能力以及防止线路的断路，还要对焊盘进行加粗以方便制作印制板。 用打印

23、机将电路图打印在相片纸上。利用计算机制作好电路板图形，先用普通纸打印出来，比较、检查无误后，再用打印机将图形打印在相片纸的光滑面上，然后是将相片纸有图的那面紧贴在清洁干净的敷铜板铜面上，将电路转印到敷铜板上，所以在打印时要注意电路的正反面。另外转印纸刚打印出来时，碳粉尚未冷却固定，从打印机上取出相片纸时不要让图形面碰擦打印机的任何部位，也不要立即用手触摸图形的任何部位的碳粉，以免电路图受到损伤。切勿折叠相片纸，以免引起转印失败或断线路。 转印制板将打印在相片纸上的电路图转印到敷铜板上的步骤： 将敷铜板表面清洁干净，去掉油渍、污渍和毛边。注意:这是保证制版质量的重要一环。在敷铜板上固定好相片纸。

24、一般将相片纸与敷铜板的其中一边紧贴并对齐，固定好。如果是做双面板，要一面一面的转印，在电路图上要制作对位孔，在固定转印纸时要进行严格的对位，同时还要注意不要弄脏另一面电路板或损伤另一面电路。 对转印机进行设置。转印机我们用蒸汽电熨斗代替，温度调节到140摄氏度左右。 转印印制板图。将已贴好相片纸的敷铜板固定好，保证在用熨斗加热时相纸相对覆铜板固定。放上蒸汽电熨斗对相纸背面加热，并不停地运动以达到均匀加热。加热片刻（相纸呈深黄色即可，过热会使敷铜层脱落），停止加热。待其温度下降后，将相纸轻轻揭起一角，对电路板认真检查，如果有较大缺陷，应将相片纸按原来位置贴好，从新熨烫一次。如有较小缺陷，可用油性

25、记号笔进行修补。腐蚀电路板敷铜板冷却后揭去相片纸，检查无误后放入腐蚀液（三氯化铁溶液）中进行腐蚀。当没有线条的地方覆铜板腐蚀完全即可取出，然后将其冲净晾干。6.3 元件清单材料名称 规格型号 参数数量电阻1/4W金属膜10K4电阻1/4W金属膜39K1电阻1/4W金属膜1K1电阻1/4W金属膜220K1电阻1/4W金属膜22K1 电容无极性电容10u1 电容 无极性电容100u1 电容 电解电容1032 电容 电解电容1041稳压二极管1N4001硅整流型只1 发光二极管VD1(1N4148) 只 1晶体三极管VT1(DC547)个 1集成块555 个 26.4 电路的装配线圈的制作：单首先用

26、2、5mm单芯绝缘硬线在一段塑料或铜质水管上平绕制直径大约40cm的线圈14匝。该水管应加装在自来水系统或热水器具的进水管上，然后将线圈用导线延长接入电路板对应端。L1的不同接法对不同硬水的软化效果可能不同。 中学生科中学生科技网 www. 制作好印制板、线圈、配齐元件、准备好工具就可以进行装配了。需要的装配工具有电烙铁、焊锡丝、镊子、钳子等。然后按照硬水软化器原理电路图、印制电路图将元件焊接上即可。 焊接时严格按装配工艺要求进行，做到装配正确、焊点合格、板面美观。6.5 电路调试 电路调试是电子线路制作中有技术含量、相当重要的一个步骤。一个装配好的电路是否能工作，全部在调试中得到验证。而且，

27、会在调试中出现很多各种各样的问题。要解决这些问题，我们要将理论知识和实践能力很好的结合才能将电路调试到最好的状态。 在我这个硬水软化器中如果元件全部安装正确，只有调电位器R4可调。另外此电路的输出L1，它的线圈绕法不一样，则它所产生的磁场也不一样。所以调试内容主要是线圈调试和电位器R4的调试。检查电路的装配及线圈的连接无误后将电路板电源端连接到稳压电源（12V），调节电位器R4即可进行调试工作了。电子线路的一般调试方法与步骤：（1）对于较复杂的电路可分单元通电调试，各单元工作正常后再总体调试。（2）检测并调试各级关键点工作电压。（3）检测并调节各级关键点波形。（4）各级工作电压和波形正常后再进

28、行总体功能测试。硬水软化器电路调试方法： 接通电源，首先用示波器检测U2的脚有无800Hz的方波输出，同时观察指示灯D2是否闪烁，若无，则检查U1、U2的外围元件是否有错焊、漏焊或虚焊。若有方波输出，则用示波器再检测线圈L两端有无方波。同时可在L前段串入一交流电流表，掌握L是否产生了磁场。7 收获与体会 时间真的过的很快啊！一转眼两个多月已经过去了。回望以前，当我填写开题报告时，我真的很茫然，不知从何下手，感觉真的是“书到用时方恨少，事非经过不知难。”，但经过老师的指导和自己采集有关方面的资料，终于共同所付出的艰辛有所回报了，设计成果终于要出来了，我这才松了一口气。查找资料也是一件繁琐的事情，

29、虽说网上有资料但要找到一些真正有用的资料也不是一件容易的事，需要耐心查找。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。在学习中，我慢慢地在体会，研究和感悟，终于开始领会到将近成功的那一份喜悦，从撰写报告，查找资料，程序设计，我学会了细心和耐心，也品尝到了其中的酸、甜

30、、苦、辣。我想每一件事情只要是自己亲力亲为的，不管它有多大的难度，都会有一丝丝的喜悦。而在此时我也深深地体会到“努力不一定成功，但放弃安然失败。”当前的社会，科技迅速发展，知识更新速度大大加快，只有我们共同去探索，用自己的双手去征服每一片天空，用我们新的力量去打造一片创新的领域。8 致谢词 设计结束了，我要感谢带我毕业设计的陈昌涛、杨平老师，是他们不停地教诲我、提醒我，不仅教会了很多专业知识。还要感谢在三年里教会了我很多专业知识的老师们，你们辛苦了！感谢学校给了我一个很好的学习和实践平台。感谢同学和朋友对我的帮助。最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议设计的各位老师表示感谢。9参考文献及资料 模拟电子 江晓安 董秀峰 西安电子科技大学出版社 2008年3月第3版数字电子技术 刘守义 钟苏 西安电子科技大学出版社 2003年6月第2版电工考工实训教程 徐建俊 清华大学出版社 北京交通大学出版社 2005年3月第1版电力电子技术 扬威 张金栋 重庆大学出版社 2003年7月第2版电路分析基础 张永瑞 西安电子科技大学出版社 2006年6月第3版24