智能饮水机控制系统毕业设计教学参考.docx

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智能饮水机控制系统毕业设计教学参考

智能饮水机控制系统

学生：

XXX指导教师：

XXX

内容摘要：

该系统设计综合电子技术理论，从生活实际出发，完善了饮水机的功能。

设计方案中，主要采用AD590和光敏三极管作为检测单元，并运用了MC14433、74LS160等集成器件。

整个设计系统实现两个功能，即测温数显和加热次数自动控制，包括检测、A/D转换（计数）、译码选通、继电器控制等电路模块单元。

与传统的饮水机相比，由于采用了自动检测和控制的电子设计技术，可较好地实现对水温和水质的测量和控制，具有较广泛的应用前景。

关键词：

检测单元温度传感器AD590自动控制继电器

Intelligentwatermachinecontrolsystem

Abstract:

Thesystemofdesignintegratedelectronictechnologytheory,fromtheactualconditionsoflife,improvingthefunctionofthedrinkingfountains.TheDesignprojectwiththemainuseofAD590andphototransistorasatestunithasstillusedtheMC14433,74LS160,suchasintegrateddevice.Thewholedesignsystemtriestoachievetwofunctions,namely,digitaltemperaturemeasurementandautomaticcontrolofthenumberofheating,includingdetection,A/Dconverter（Count）,decodingstrobe,relaycontrolsuchcircuitmodules.Comparedwiththetraditionaldrinkingfountains,theuseofautomaticdetectionandcontrolofelectronicdesigntechnology,canbetterachievetherighttemperatureandwaterqualitymeasurementandcontrol,withawiderrangeofapplications.

Keywords:

DetectionUnitTemperatureSensorAD590AutomaticControlRela

智能饮水机控制系统

前言

饮水机存在于现代每个家庭生活中，但是目前大部分的饮水机功能仅限于烧水功能，对现代人来说，功能还是不完善或者说存在一定的缺陷，比如对水温没有显示装置，对加热次数没有合理控制等，这些都与对健康水质的追求相矛盾。

为了解决以上问题，我结合所学电子设计理论知识，设计了本套智能饮水机控制系统。

该系统结合了电子线路设计、数字电子技术、Protel仿真设计软件等相关知识，考虑现实需要来完成的。

主要实现的功能为对饮水机加热后的水温测量及其3位半的数字显示和对饮用水加热次数进行自动控制的功能。

功能一可以通过热敏电阻，经过一些电路变换（电桥电路），感应出特定电压信号，经过A/D转换电路变成相应的温度，直接3位半显示器来实现显示；也可以通过集成温度传感器比如AD590，将感应电流接入特定的A/D转换电路，最后译码实现温度数显功能。

功能二的实现为利用饮水机加热信号灯会的亮灭状态，我们想利用这个特点和一个光敏器件结合，这样就可以产生脉冲信号，输入到计数器，根据设定的数值，让相应的计数器管脚作为输出，再利用输出的这个脉冲切断主电路（用到特定的继电器）；也可以利用饮水机内部加热电路的断开状态来通过脉冲感应出加热次数，再利用脉冲实现控制。

方案二的设计模块中检测电路、AD转换电路、控制显示电路，主要是检测电路对整个功能实现影响较大，且A/D转换电路需要放大电路的作用，导致整体误差的扩大，而控制显示电路采用了单片机设计，不容易实现微型化。

最后对两种方案进行protel99se软件的仿真测试。

通过验证比较，方案一电路稳定，显示准确，决定选取方案一作为最终的设计方案。

1总体设计方案

1.1设计方案一

1.1.1方案一方框图

图1.1.1-1方案一方框图

1.1.2方案论证

该方案的设计流程方框图如上所示，分两块功能电路。

功能一电路采用AD590作为温度检测电路来检测温度，将传感器的电流信号（需转换成电压信号）输入到AD转换器中，经译码电路和选通电路最终实现3位半LED的数显；功能二电路采用光感应器件（光敏三极管），将感应脉冲送至74LS160计数器，计数器设定了一定的计数次数，当达到此次数时，发出一脉冲送至相应控制电路中，进而控制继电器工作，实现切断加热电路。

本方案运用温度传感器AD590和光感应器光敏三极管件作为检测感应器件，其中AD590的输出是电流，在输入到A\D转换器中需要先转换成电压信号。

该方案整体上易于实现，采用了很多集成器件，使得整体电路结构完整、清晰，各功能结构简单。

1.2设计方案二

1.2.1方案二方框图

图1.2.1-1方案二方框图

1.2.2方案论证

该方案的设计电路流程图如上面所示，对比方案一，该方案设计检测电路由光敏电阻组成的电桥电路和感应脉冲电路组成，实现原理也较为简单，结构简洁，但功能一电路误差较大，增加整形放大电路的情况下，扩大了误差范围，同时也不适用饮水机环境；功能二区别一方案一在于检测电路采用了饮水机内部加热电路的开关状态原理，感应出电路脉冲，从而实现对加热次数的显示与控制。

1.3方案比较与选择

两种方案比较，在功能一方面，方案一运用了AD590温度传感器作为检测电路器件，方案二运用热敏电阻构成的电桥电路作为检测电路，虽然两种方案均能实现温度的数显和控制，但方案二电路检测误差较大，且一定程度上不适用于饮水机系统中。

而方案一采用AD590的集成温度传感器作为热检测电路，这种检测方法灵敏度高，线性度好，适用测温范围较饮水机系统合适。

功能二方面，方案一采用光感应器件光敏三极管作为脉冲计数来源，且存在一定的误差，方案二采用内部加热电路的开关状态作为脉冲来源，稳定性较好，不易受外界影响，但是实现不方便。

方案二的设计模块中检测电路、AD转换电路、控制显示电路，主要是检测电路对整个功能实现影响较大，且A/D转换电路需要放大电路的作用，导致整体误差的扩大，而控制显示电路采用了单片机设计，不容易实现微型化。

最后对两种方案进行protel99se软件的仿真测试，通过验证比较，方案一电路稳定，显示准确，决定选取方案一作为最终的设计方案。

2单元模块设计

2.1直流稳压源电路

该直流稳压源电路实现是+5V的电压输出，原理图如下所示：

图2.1-1直流稳压源电路图

在连接电路中，需要在变压器的副边接入保险丝FU，以防电路短路损坏变压器或其它器件，其额定电流要略大于Iomax，选FU的熔断电流为1A。

整个电源电路结构形式为220V电压经过变压器输入桥式整流电路中，而后经几个极性电容滤波接入到可调式三端稳压器CW317输入端，稳压器内部含有过流、过热保护电路。

R1和RP1组成电压输出调节电路，输出电压

Vo≈1.25（1+RP1/R1）（2.1）

由于设计要求+5V，根据上面公式计算参数得到：

RP1/R1=3,取R1=240,RP1为4.7KΩ的滑动变阻器。

电容C2与RP1并联组成滤波电路，以减少输出的纹波电压，二极管VD的作用是防止输出端与地短路，损坏稳压器，起到保护稳压管的作用。

相关主要元器件选择及数量下表2.1-1。

表2.1-1主要元器件选择及数量表

编号

名称

规格

数量

CW317

可调式稳压器

1.2V~37V/1.5A

FU

保险丝

1A（Iomax）

1

C1、C2

极性电容

2200Uf/25V

2

D5

二极管

IN4148

1

2.2温度检测电路

在饮水机系统温度检测电路中，运用AD590温度传感器构成T~V变换电路，如下图

2.2-1所示：

图2.2-1温度检测电路图

如图所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。

调整方法如下：

在0℃时调整R2，使输出VO=0，然后在100℃时调整R4使VO=100mV。

如此反复调整多次，直至0℃时，VO=0mV，100℃时VO=100mV为止。

最后在饮水机水温下进行校验，例如，若水温为25℃，那么VO应为25mV。

冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。

要使电路中的输出为200mV/℃，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由R3与电位器R4串联而成）来实现。

MC1403是高精度集成稳压器，可以提供输出可调的基准电压。

本模块电路中用到的是电流型AD590，采用集成运算放大器LF355构成的电路实现电压的输出，同时增加了电路的精度和可靠性。

温度检测电路中用到的主要电子器件和数量如表2.2-1。

表2.2-1检测电路中的主要电子器件及数量表

编号

名称

规格

数量

AD590

温度传感器

-55℃～150℃

1

LF355

运算放大器

K（200V/Mv）

1

R2、R4

滑动变阻器

2K、100K

2

MC1403

基准电压源

-30.5~-17.5V

1

2.3A/D转换及显示电路

采用MC14433、CD4511、MC1413等集成器件，电路连接图如图2.3-1所示：

图2.3-1A/D转换及显示电路图

如图2.3-1所示的电路为3位半温度显示电路，其中，MC14433为集成电路驱动器，它含有7个反向驱动单元，各单元采用达林顿晶体管电路。

因为MC14433的DS1~DS4为高电平有效，经MC1413反相后，正好与4只共阴极LED的千位、百位、十位及个位的阴极有效相连。

当MC14433在每次A/D转换结束时，EOC端输出一个脉宽为Tcp/2的正脉冲，该正脉冲过后，就在DS1~DS4端依次输出脉宽为18Tcp的位选通正脉冲，其中，Tcp为时钟脉冲周期。

当DS1输出正脉冲时，Q3、Q2和Q0输出的最高位数据0或1用来表示超量程、欠量程和极性标志等等。

当Q3=1时，最高位显示0表示欠量程，Q3=0时最高位显示1表示超量程；Q2表示被测电压极性，即Q2=1极性为正，Q2=0极性为负，这时+5V电压通过电阻Rm使“-”号点亮；Q0表示量程，即Q0=说明输入电压在正常范围内，Q0=1表示在正常范围之外。

Rm和Rh分别是负极性和小数点显示的限流电阻。

在DS1输出位选通正脉冲后，DS2、DS3和DS4输出的正脉冲使Q3~Q0端输出相应的BCD码数据。

CD4511为7段译码驱动器，当输入电压过载时，OR=1，控制CC4511的灭灯端BI，使显示灯熄灭。

MC14433提供输出可调的基准电压Vref，当基准电压为2V或200mV时，满量程分别为1.999V或199.9mV。

优点为具有自动校零和自动量程转换功能。

MC14433的时钟频率fcp与CP0、CP1两端所接电阻Rc值有关。

当Rc=470KΩ时，fcp=66KHz；当Rc=750KΩ时，fcp=50KHz，每个A/D转换周期约需16400个时钟脉冲，若时钟频率fcp=66KHz是，由式T=N/fcp=4N/fosc可得一次A/D转换所需时间为T=0.25s，则测量速度为4次/s