智能饮水机控制系统毕业设计.docx
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智能饮水机控制系统毕业设计
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。
积分元件R1C1的取值可由下式估算：
R1C1=Vimax.T1/△Vc1（2.3-1）
式中，△Vc1=VDD-Vimax-0.5V,T1=4000/fcp,4000为信号积分阶段所需时钟脉冲数。
电路中用到的相关主要电子器件表2.3-1。
表2.3-1主要电子器件表
编号
名称
规格
数量
MC14433
双积分型A/D转换器
8mW
1
LED
共阴极数码管
--
4
CD4511
7段译码驱动器
3~18V
1
2.4光敏检测及计数电路
2.4.1光敏三极管感应电路
为显示饮水机加热次数，需要检测加热电路开关状态次数，运用光敏三极管作为感应器件，将感应到的脉冲送到后续电路中，从而实现加热次数的显示，光敏感应电路如下所示：
图2.4.1-1光敏三极管感应电路
2.4.2计数及继电器控制电路
该电路为功能二实现的核心电路，运用74LS161及继电器等主要器件，电路图如下所示：
图2.4.2-1计数及继电器控制电路
图2.4.2-1为计数及继电器控制电路，它由74LS161及继电器、二极管等组成。
可以这样测试电路效果，当接通电源时，用手挡住VT2光敏三极管的光线，其内阻增大，使VT3集电极为高电位。
这样使VT4，VT5复合管饱和导通，VD2发光二极管发光变亮，同时电流流过继电器线圈，产生磁场，开关触点吸合接通到另一边，切断了~220VD电压的供应；反之，若不用手挡住VT2，光敏三极管内阻较小，VT3基极为高电位，使VT3导通，其集电极为低电位，这样VT4、VT5复合管截止，发光二极管VD2不亮，继电器线圈中也没有电流通过，继电器不工作，开关触点继续保持220V接头上
电路中VD1为继电器的保护二极管。
当VT4、VT5复合管从导通突然转变为截止时，继电器线圈中会产生一个较大的反电动势，反电动势产生的脉动电流，给VD1放电，使继电器线圈不受损坏，从而达到保护继电器的作用。
外接晶体采用12.000MHz和两个30pH的电容组成，电容C3和C4构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
3特殊器件介绍
3.1双积分型A/D转换器MC14433
MC14433是单片集成3位半A/D转换器，其内部结构如图3.1.1-1所示：
图3.1.1-1MC14433原理框图
MC14433属于双积分型A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。
MC14433采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示，且易于实现自动控制。
MC14433只有24个引脚，引脚排列如图3.1.2-1其中VDD和VEE分别接+5V和－5V，它的主要引脚功能见表3.1.1-1。
表3.1.1-1主要引脚功能表
端名
功能
Pin1（VAG）
模拟地，为高阻输入端，被测电压和基准电压的接入地
Pin2（VR）
基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端
Pin3（Vx）
被测电压的输入端
Pin4-Pin6（R1/C1，C1）
外接积分元件端
Pin7、Pin8（C01、C02）
外接失调补偿电容端
Pin9（DU）
更新显示控制端
Pin10、Pin11（CLK1、CLK0）
时钟外接元件端
Pin12（VEE）
负电源端
Pin13（Vss）
数字电路的负电源引脚
Pin14（EOC）
转换周期结束标志位
Pin15（OR）
过量程标志位，当|Vx|>VREF时，OR输出为低电平
Pin16、17、18、19（DS4、DS3、DS2、DS1）
多路选通脉冲输出端
Pin20、21、22、23（Q0、Q1、Q2、Q3）
BCD码数据输出端
图3.1.2-1MC14433引脚图
MC14433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。
DS1～DS4分别表示千、百、十、个位选通角，表3.1.3-1即为MC14433千位BCD码标志意义，如表所示：
表3.1.3-1MC14433千位BCD码标志意义表
MC14433千位BCD码标志意义
MSD编码内容
Q3Q2Q1Q0
BCD7段数码显示
+0
1110
不显示
-0
1010
+0UR
1111
-0UR
1011
+1
1100
4-1（仅显示"b"和"c"段）
-1
0000
0-1（仅显示"b"和"c"段）
+1OR
0111
7-1（仅显示"b"和"c"段）
-1OR
0011
3-1（仅显示"b"和"c"段）
3.2温度传感器AD590
AD590为一种集成温度传感器，是一种半导体的单片集成两端感温电流源，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系
Vbe=KIT*lnI/q（3.2）
来实现对温度的检测。
式中，K—波尔兹常数；q—电子电荷绝对值。
集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。
集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。
电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。
电流输出型的灵敏度一般为1mA/K，本设计采用电流型。
在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。
其基本电路如图3.2.1-1所示。
图3.2.1-1AD590基本电路原理框图
图3.2.1-1是利用ΔUbe特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。
其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。
T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔUBE。
对于AD590，n＝8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。
由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。
图3.2.1中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA/K的I值。
3.3电磁继电器
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
继电器电路如图3.3.1-1所示：
图3.3.1-1继电器电路
本设计方案采用电磁式继电器，该继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
3.4计数器74LS161
74161是4位二进制同步加计数器。
图3.4.1-1为74LS161引脚图，如下所示：
图3.4.1-174LS161引脚图
图中RD是异步清零端，LD是预置数控制端，A、B、C、D是预置数据输入端，EP和ET是计数使能端即控制端，ROC是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。
表3.4.2-1为74161的功能表。
在本设计方案中，74161作为计数器，对光敏检测电路传来的脉冲信号计数，由于才有4位二进制的计数器，当脉冲数达到16时，74161TC端输出一进位信号，即为一个上升沿脉冲，作为后续继电器电路的控制信号。
表3.4.2-174161的功能表
清零
RD
预
置
LD
使
能
EP
ET
时
钟
CP
预置数据输入
ABCD
输出
QAQBQCQD
L
×
××
×
××××
LLLL
H
L
××
ABCD
ABCD
H
H
L×
×
××××
保持
H
H
×L
×
××××
保持
H
H
HH
××××
计数
4系统调试
本课程设计是紧贴实际的理论运用设计。
系统调试作为其中最为重要的一环，是检测设计是否达到设计要求的重要依据。
本设计调试主要是仿真电路和实物电路的理论的调试，即Protel99软件对电路的测试。
功能一温度数显电路调试，电路图参考总图附录。
接通电源，VDD=+5V，VEE=-5V，Vss接地，测量零电压，使输入电压Vi与VAG短接，3位半数显LED电路应为0000;接着测量基准电压，调整电位器RP使VREF的电压为VREF=1.999V。
用示波器观测MC14433CP0脚的时钟脉冲的波形，并根据频率计算出测量的速度。
对于稳压源的输入，Vi=1.990V，电压表应显示1.990V，并用示波器观察C1脚波形。
交换输入电压Vi的极性，重复上面步骤，电压表显示负压1.990V。
最后，用示波器观测MC14433的位选通信号DS1～DS4的波形，再观测到EOC端的正脉冲。
依照上面测试步骤，知道电路中存在电阻不够匹配，出现不能正确显示。
功能二继电器控制电路按照理论计算出各电阻、运算放大器等参数，基本达到设计要求。
只要按照设计电路的正确接法，均可以实现数字显示和继电器控制的功能，当然模拟转换的精度和误差再所难免，然而通过软件的调试可以达到最佳的稳定状态，更好地实现电路功能。
调试中注意到，设计电路与饮水机内部加热电路的电气性能匹配问题很重要，还有就是74161的进位信号为上升沿脉冲，而后续设计的控制电路在上升沿脉冲时继电器不工作，故需要在EOC输出端加反相器，从而实现脉冲控制的加热电路切断。
5系统功能、指标参数
该设计系统主要实现两种功能即饮水机水温的数字显示和加热次的计数控制功能。
两种功能整体结构完整，简洁，但电路中各参数匹配要求较高。
在指标参数方面，经R1C1=Vimax.T1/△Vc1、Vbe=KIT*lnI/q等公式计算，算出了各电路器件的参数值；再经过系统调试和测试，得到各模块电路的指标参数：
直流稳压源电路将220V~交流电压输入下，能够得到满足要求的+5V输出电压；转换电路中，对Vi输入某一模拟电压例如2.0V，可以看到超量程端显示，输入0.8VD电压时，能够得到3位半LED显示器上0.799V电压显示，基本实现了显示测量功能,我们还是通过理论上的计算即公式V0=1.25（1+RP/R1）计算出输出电压+5V时需要的电阻参数。
通过多次测量区平均值的方法，我们可以得到了设备的精度参数。
在加热次数控制电路模块中，通过理论上的计算得到AD590分压电阻1K。
这个设计中需要计算的量不是很多，MC14433、CD4511、M
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