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利用晶体的压电效应设计高压锅的电控式安全阀.rar

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    利用 晶体 压电效应 设计 高压锅 电控式 安全阀
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    1科技学院 2011 届本科毕业论文利用晶体的压电效应设计高压锅的电控式安全阀学科专业: 电子信息工程 指导教师: 郭 军 学生姓名: 秦 统 雨 学生学号: 072004110492 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月科技学院毕业论文(设计) 第 I 页目录 目录 ......................................................................I摘要 ....................................................................III关键词:高压锅,压电传感器,主动式电控安全阀 ............................IIIABSTRACT .................................................................VIKEYWORDS: PRESSURE COOKER, SENSORS, PIEZOELECTRIC SENSORS, PIEZOELECTRIC EFFECT, MICROCONTROLLER, SIMULATION ......................................VI绪论 ......................................................................11.1 课题背景 ...........................................................11.2 研究的意义 .........................................................1第一章 传统的高压锅的安全阀 ...............................................22.1 高压锅的原理 .......................................................22.2 高压锅的安全阀的工作原理 ...........................................3第三章 压电式传感器 .......................................................73.1 传感器的定义 .......................................................73.2 传感器的原理 .......................................................73.3 压电传感器的定义 ...................................................83.4 压电效应分类 .......................................................83.4.1 正压电效应 ...................................................83.4.2 逆压电效应 ...................................................93.5 无机压电材料 ......................................................103.6 有机压电材料 ......................................................113.7 压电传感器的应用 ..................................................113.8 影响压电传感器工作性能的主要原因 ..................................123.8.1 横向灵敏度 ..................................................12科技学院毕业论文(设计) 第 II 页3.8.2 环境温度和湿度 ..............................................133.8.3 安装差异及基座应变 ..........................................133.8.4 噪声 ........................................................13第四章整体方案设计 .......................................................144.1 硬件介绍 ..........................................................144.1.1 压电传感器 ..................................................144.1.2 前置放大器 ..................................................154.1.3 单片机 ......................................................174.1.4 电磁阀 ......................................................194.1.5 蜂鸣器 ......................................................204.2 电路的总体设计 ....................................................204.2.1 电路的精度调制 ..............................................214.2.2 复位电路设计 ................................................22第五章软件设计 ...........................................................245.1 Proteus 软件简介 ..................................................245.2 Proteus 软件作用 ..................................................245.3 主程序结构 ........................................................25第六章系统设计总结 .......................................................27参考文献 .................................................................28附录一 ...................................................................29附录二 ...................................................................31致谢 .....................................................................32贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) .....................................33诚信承诺书 ...............................................................33封底 .....................................................................34科技学院毕业论文(设计) 第 III 页摘要家庭用的高压锅普遍采用机械式安全阀,从设计上讲这种安全阀的安全系数还是很高的。但偶尔也有媒体介绍高压锅在使用中爆炸伤人的事故,究其原因显然是消费者在使用时未按说明书的规定认真核查安全阀的通气状况,一时疏忽大意后造成的。调查发现引起此类事故的消费者大多是老年人或者是低安全意识人群,为了有效避免这种由人为因素引发的安全事故,本课题拟考虑在原有机械式安全阀的“被动式安全控制”基础上,利用晶体的压电效应设计一套“主动式”的电控安全阀。以提高高压锅的安全系数。关键词:高压锅,压电传感器,主动式电控安全阀科技学院毕业论文(设计) 第 IV 页Using Crystal Piezoelectric Effects Of Electric Safety Valve Design Pressure CookerAbstractWidely used home with mechanical safety valve, pressure cooker from design sense the safety factor of the relief was very high. But occasionally a media pressure cooker in use explosion introduced often accident, investigate its reason is obviously consumers when use according to the provisions of the specification without verification of the relief valve earnestly, temporary carelessness ventilatory status after creates. The survey found most caused such accident is the elderly or the consumer is low safety consciousness crowd, in order to effectively avoid this caused by man-made factors, this topic safe accident to consider in the original mechanical valve using crystal, on the basis of the piezoelectric effect design a set of “active“ electric control valve.Keywords: pressure cooker, sensors, piezoelectric sensors, piezoelectric effect, microcontroller, simulation科技学院毕业论文(设计) 第 1 页绪论1.1 课题背景 高压锅亦称“压力锅”,是一种新型炊具,它具有省燃料、省时间之特点.用高压锅蒸出来的米饭松软爽口,做出的鱼、肉菜肴肉烂骨酥。但也存在致命的缺陷——长期使用有爆炸的危险性,特别是那些还在“超龄服役”的老高压锅。偶尔也有媒体介绍高压锅在使用中爆炸伤人的事故,究其原因显然是消费者在使用时未按说明书的规定认真核查安全阀的通气状况,一时疏忽大意后造成的。调查发现引起此类事故的消费者大多是老年人或者是低安全意识人群。有数据统计,压力锅的爆炸几率在万分之四点二,这在很大程度上影响了消费者购买和使用的信心。基于安全方面的考虑,人们迫切的需要更高效安全的产品。所以,高效安全的高压锅的研发已迫在眉睫。1.2 研究的意义本课题拟在原有高压锅机械式安全阀的基础上,另外设计一套“主动式”的电控安全阀,以提高家庭用高压锅的安全系数。减少高压锅爆炸事故的发生,改变人们对高压锅安全观念。开拓高压锅的商机。传统高压锅物美价廉,经济实用,再加一个一个安全装置,就更加的如虎添翅,一定能在市场上占有应有的份额。本课题的主要意义就在于随我们所学的知识进行很好的应用,并且使我们加深对压电效应的理解和学会利用高级语言在 Keil 下对单片机进行编程、使用 Protues 对原理图的设计及仿真应用等知识良好应用到毕业设计中,提高我们的的实际工作技能科技学院毕业论文(设计) 第 2 页第 1 章 传统的高压锅的安全阀高压锅的简介世界上第一只高压锅是在 1681 年发明的,发明人是法国的医生兼物理学家和机械师丹尼斯·帕平。那时高压锅做得十分坚固,锅盖是铁制的,份量很重,紧紧地盖在锅上。锅的外围罩了一层金属网,以防意外爆炸。锅本身有两层,中央摆有内锅,要煮的食物就放在内锅里。加热以后,蒸汽跑不出来,锅内气压升高,水的沸点也升高了,食物就熟得快了。帕平在访问英国的时候,曾用他的高压锅作了一次表演。据在场的人记载,在帕平的高压锅里,就是坚硬的骨头,也变得象乳酪一样柔软。 现今,在我国的许多家庭都用上了“高压锅” ,用这种锅做饭熟得快,很省时间。特别是在海拔高度很高的地区生活,煮饭必须用“高压锅” 。因为高度越高,气压越低,水的沸点也降低。据测定在海拔 6000 米的地方,水的沸点只有 80℃左右。在这里用普通锅是很难把饭煮熟的,所以,必须用高压锅来提高水的沸点。2.1 高压锅的原理高压锅的原理很简单,因为水的沸点受气压影响,气压越高,沸点越高。在高山、高原上,气压不到 1 个大气压,不到 100℃水就能沸腾,鸡蛋是用普通锅具是煮不熟的。在气压大于 1 个大气压时,水就要在高于 100℃时才会沸腾。人们现在常用的高压锅就是利用这个原理设计的。高压锅把水相当紧密地封闭起来,水受热蒸发产生的水蒸气不能扩散到空气中,只能保留在高压锅内,就使高压锅内部的气压高于 1 个大气压,也使水要在高于 100℃时才沸腾,这样高压锅内部就形成高温高压的环境,饭就容易很快做熟了。当然高压锅内的压力不会没有限制,不然就会爆炸。图 2.1 压强与温度的关系图科技学院毕业论文(设计) 第 3 页2.2 高压锅的安全阀的工作原理大家对压力是很熟悉的,我们每天都处在大气的重压之下。只是由于我们体内空气的平衡作用,所以我们对此没有什么感觉。在我们的日常生活和工业生产中,压力给我们带来了很大的方便。例如大家熟悉的高压锅,它可以在很短的时间内,把我们喜欢吃的排骨炖烂;工业上常用的锅炉,利用锅炉中的压力可以使蒸汽输送到很远的地方。但是压力的大小对安全至关重要。如果没有合理的安全保护,压力过大就会发生类似爆炸、毒气泄露等的事故。压力就会从一个天使变成了魔鬼。为了防范压力的危害,人们在需要高压的设备上设计了很多自动安全装置。安全阀用在受压设备、容器或管路上,作为超压保护装置。当设备、容器或管路内的压力升高超过允许值时,阀门自动开启,继而全量排放,以防止设备、容器或管路内的压力继续升高;当压力降低到规定值时,阀门应自动及时关闭,从而保护设备、容器或管路的安全运行。安全阀可以由阀门进口的系统压力直接驱动,在这种情况下是由弹簧或重锤提供的机械载荷来克服作用在阀瓣下方的介质压力。它们还可以由一个机构来先导驱动, 该机构通过释放或施加一个关闭力来使安全阀开启或关闭。因此,按照上述驱动模式将安全阀分为直接作用式和先导式。 安全阀可以在整个开启高度范围或在相当大的开启高度范围内比例开启,也可能仅在一个微小的开启高度范围内比例开启,然后突然开启到全开位置。因此,可以将安全阀分为比例式和全启式。 安全阀的结构、应用和公称通经的确定应受到规范的约束,或者应得到法定机关的同意。在不同的规范之间,其约束条款以及有关定义可能不同。在应用安全阀时,必须遵循其适用规范的要求。科技学院毕业论文(设计) 第 4 页由于安全阀是一种自动阀门,在结构和性能参数方面与通用阀门有许多不同之处。有些专用的名词术语易于混淆,为了使广大用户更清楚地了解安全阀,并能正确选用,以下将一些主要名词术语予以说明。 安全阀名词术语:(1)安全阀。一种自动阀门。它不借助任何外力,而是利用介质本身地力来排出一额定数量的流体以防止系统内压力超过预定的安全值;当压力恢复正常后,阀门再行关闭并阻止介质继续流出。 (2)直接载荷式安全阀。一种由直接作用的机械载荷,如重锤、杠杆加重锤或弹簧来克服阀瓣下介质压力所产生作用力的安全阀。 (3)带动力辅助装置的安全阀。该安全阀借助一个动力辅助装置,可以在低于正常开启压力下开启。即使该辅助装置失灵,此类安全阀仍能满足标准要求。 (4)带补充载荷的安全阀。这种安全阀在其进口处压力达到开启压力前始终保持有一增强密封的压力。该附加力(补充载荷)可由外来能源提供,而在安全阀达到 开启压力时应可靠地释放。其大小应这样设定,即假定该附加力未释放时,安全阀仍能在进口压力不超过国家法规规定开启压力百分数地前提下达到额定排量。 (5)先导式安全阀。一种依靠从导阀排出介质来驱动或控制的安全阀。该导阀本身应是符合标准要求的直接载荷安全阀。 (6)比例式安全阀。一种在整个开启高度范围或在相当大的开启高度范围内比例开启或关闭的安全阀。 (7)全启式安全阀。一种仅在微小开启高度范围内比例开启,随后就突然开启到全开位置的安全阀。开启高度不小于 1/4 流道直径。 (8)微启式安全阀。是一种仅用于液体介质的直接作用式安全阀。开启高度在1/40~1/20 流道直径范围内。 (9)开启压力(额定压力) 。安全阀阀瓣在运行条件下开始升起时的进口压力,在该压力下,开始有可测量的开启高度,介质呈可由视觉或听觉干支的连续排放状态。 (10)排放压力。阀瓣达到规定开启高度时的进口压力。排放压力的上限需服从国家有关标准或规范的要求。 (11)超过压力。排放压力与开启压力之差,通常用开启压力的百分数来表示。 (12)回座压力。排放后阀瓣重新与阀座接触,即开启高度变为零时的进口压力。 (13)启闭压差。开启压力与回座压力之差,通常用回座压力与开启压力的百分比表科技学院毕业论文(设计) 第 5 页示,只有当开启压力很低时采用二者压力差来表示。 (14)背压力。安全阀出口处的压力。 (15)额定排放压力。标准规定排放压力的上限值。 (16)密封试验压力。进行密封试验大家一定在厨房里见到过这样的场景吧,从高压锅的一个小孔处,蒸汽不停地在向外冒。并且伴随着哨声。这个小孔就是排气孔。排气孔与一个阀门配合使用。这个阀门就是为了控制压力而设计的,它的名字就叫重锤式安全阀。安全阀上有一个重锤,它平时压在高压锅的排气孔上,当高压锅内的压力达到一定的压力值,由于压力的作用,重锤被抬起。蒸汽从排气孔中排除,以使高压锅内的压力下降到安全值范围内。工业锅炉对压力的控制更加重要,在每个锅炉上也都安装有安全阀,它们的工作原理与高压锅上的安全阀是一样的。 图2.2 重锤式安全阀图2.3 高压锅的安全阀限压阀(限压装置)的作用:在烹调过程中,锅内压力达到工作压力时,限压阀通过排气孔排气工作,使锅内压力保持在一定的范围内,达到烹调的目的。安全阀的作用:
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