饮水机的人机工程学分析.docx
《饮水机的人机工程学分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《饮水机的人机工程学分析.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
饮水机的人机工程学分析
新疆农业大学机械交通学院
机电一体化课程（设计）论文
题目：
自动售水机
姓名与学号：
朱国义 083731208
指导教师：
郭俊宪
年级与专业：
机制082
所在学院：
机械交通学院
课程评分：
二零一一年 十二月 十五日
摘要 3
1自动售水机的介绍 4
1.1自动售水机的背景及意义 4
1.2自动售水机的应用 4
2工作原理 4
2.1功能特性 4
2.2原理框图 5
2.3主要芯片功能介绍 5
2.3.1555定时器 5
2.3.2CD40106引脚图 8
2.3.3CD4553引脚及功能 9
2.3.4CD4511 10
3单元电路 11
3.1脉冲信号发生电路 11
3.2延时电路 11
3.3数据锁存、计数器清零电路 12
3.4译码与显示电路 13
4总结与展望 13
致谢 14
参考文献 15
自动售水机
摘要饮水对健康起着十分重要的作用，然而，目前市场上大量流行的桶装水因为保质周期、送水环节的人工操作污染、饮水机内长期菌体有机物堆积等问题而正被另一种新兴的水取代——自动投币售水机。
自动售水机电路起到控制作用，是自动售水机的"大脑"，也是整个机台的核心部分，它决定了整台水机运行的正常与否、使用的寿命长短、拥有智能和稳定的电控技术。
该设计以时间控制为核心，通过对振荡电路振荡频率的调节，使其与延时电路相协调，从而准确控制出水时间和显示时间。
对振荡频率的调节分为粗调和微调，以保证其准确性。
延时单元配合以计数芯片的锁存功能引脚，以便统一控制整机电路。
关键词：
自动售水机，时间控制，振荡频率，锁存
前言
1907年，美国人休?
穆尔考入哈佛大学。
他的内兄劳伦斯?
卢埃伦认为：
“学习是浪费时间，生活中不受教育也能取得成就，比如发明点什么有用的东西。
”一天，他对休说：
“我已经取得自动售水机的专利，如果你休学，同我合伙做生意，我们会发大财的。
”很快，在火车站和马路边出现了第一批自动售水机，不断方便人们的生活。
1自动售水机的介绍
1.1自动售水机的背景及意义
自动售水机是一种更新颖、更科学、更健康、更便利的购水模式，以绝对的价格优势出售的活净水晶莹清澈，不含污染物，没有细菌和病毒，去除了致癌物、无机矿物质和有害重金属等，同时保留了水中的活性氧，使水成为活化水。
活净水对人体的作用有：
溶解度高，易被人体细胞吸收，有利生津止渴，促进新陈代谢；能消除人体消化系统中的油腻和血管上的血脂，有利于血管弹性的恢复；服药时能使存物充分溶解、吸收而提高药效；能降低血脂和胆固醇；用来洗练能滋润皮肤等，故活净水在日本被誉为“21世纪饮用水”。
水是生命的源泉。
人对水的需要仅次于氧气,人如果不摄入某一种维生素或矿物质，也许还能继续活几周或带病活上若干年，但人如果没有水，却只能活几天。
然而，目前市场上大量流行的桶装水因为保质周期、送水环节的人工操作污染、饮水机内长期菌体有机物堆积等问题而使生活饮水质量得不到保障.这个时候，自动售水机的出现就迎刃解决了这些困扰人们的问题。
自动售水机的出水,经过粗滤－活性炭吸附－超滤膜－反渗透膜－矿化处理－活化处理－活氧消毒等多道深度净化、活化处理，自来水中含有的各种泥沙、铁锈、重金属、细菌、余氯及其衍生物、以及各种有机污染物已经被彻底清除，保证出水的洁净。
独家采用的的晶体能活力素，该产品比表面积高、内聚力强、具有永电性，并且富含对人体有益的各种微量元素。
经水浸泡可改变水分子结构，形成小分子水，增加水中的矿物质，释放有利于提高人体血液循环、消化吸收等代谢能力，常饮可以增强人体抗氧化能力。
1.2自动售水机的应用
在中国2I世纪十大朝阳产业中，终端制水产业位列第六，其市场容量预计为1000多亿元。
巨大的市场潜力，目前已吸引法国的威利雅、美国的GE、日本的日立等世界水处理巨头涌人中国。
投币售水机最早出现在国外，因为是现制现售的高品质健康饮用水，加之价格优势，同时具备安全、便利、健康、科学的特点，一经问世便受到广大消费者认同，并逐渐取代瓶装水一半以上的份额，从而成为主流的终端饮水消费方式。
在美国，在欧洲，在东南亚，在日本已经非常普及。
若在一个区域市场布放100个站点，区域运营服务商不必投入太多资
金．利用总部的模式以特许连锁加盟的方式运营这个项目，同时还要和加盟商对营业额进行分账,随着科技信息的发展，它将会在大都是中普及。
2工作原理
2.1功能特性
该“自动售水机电路”是不使用单片机的直接通过RC延时电路及芯片来实现功能的控制电路。
主要由信号发生电路、延时复位电路和计数译码显示电路等部分组成。
信号发生电路提供一个一定频率的脉冲信号用于计数，售水时间为30秒，同步显示售水时间。
电路中用按键开关代替投币，用发光二极管来代替出水阀。
当投币（按下按键）时，数码管显示“000”。
投币结束（松开按键）时，计数电路工作，计时开始；同时，出水阀出水（发光二极管被点亮），售水开始。
30秒后，计时停止，小数点被点亮；同时，出水阀关闭（发光二极管熄灭），售水结束。
2.2原理框图
自动售水机电路由信号发生电路为计数器提供脉冲信号用以计数，延时电路对计数器进行延时控制，同时控制继电器并控制显示部分，是系统电路时间控制的重要部分。
计数器在延时电路的控制下，对译码电路送数或锁存。
经译码电路译码，最终在显示电路上显示出计时效果。
图2-1 自动售水机电路设计框图
2.3主要芯片功能介绍
2.3.1555定时器
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的内部电路框图如图2-2所示。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3
图2-2 555定时器内部方框图
555电路的内部电路方框图如图所示。
它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc。
A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
RD是复位端，当其为0时，555输出低电平。
平时该端开路或接VCC。
Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3Vcc作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。
555定时器的应用：
1）555定时器单稳态触发器
图2-3 555构成单稳态触发器
上图2-3为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。
D为钳位二极管，
稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。
并使2端电位瞬时低于
，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。
当Vc充电到
时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。
波形图见下图2-4。
图2-4单稳态触发器波形图
暂稳态的持续时间Tw（即为延时时间）决定于外接元件R、C的大小。
Tw=1.1RC
通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。
当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。
此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。
（2）555定时器组成施密特触发器
电路如图2-5所示，只要将脚2和6连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器。
下图2-6画出了
、Vi和Vo的波形图。
设被整形变换的电压为正弦波
，其正半波通过二极管D同时加到555定时器的2脚和六脚，得到的Vi为半波整流波形。
当Vi上升到
时，Vo从高电平转换为低电平；当Vi下降到
时，Vo又从低电平转换为高电平。
回差电压：
△V=
图2-5 555构成施密特触发器 图2-6 555构成施密特触发器的波形图
（3）555定时器构成多谐振荡器
如图2-7，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。
电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端
放电，使电路产生振荡。
电容C在
和
之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图2-8所示。
图2-7 555构成多谐振荡器 图2-8 多谐振荡器的波形
输出信号的时间参数是：
T=
=0.7（R1+R2）C
=0.7R2C
其中，
为VC由
上升到
所需的时间，
为电容C放电所需的时间。
555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ，但两者之和应不大于3.3MΩ。
外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。
因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。
（4）555定时器组成占空比可调的多谐振荡器
电路如图2-9，它比图2-7电路增加了一个电位器和两个引导二极管。
D1、D2用来决定电容充、放电电流流经电阻的途径（充电时D1导通，D2截止；放电时D2导通，D1截止）。
图2-9 555构成占空比可调的多谐振荡器
占空比
可见，若取
，电路即可输出占空比为50℅的方波信号。
2.3.2CD40106引脚图
CD40106由六个斯密特触发器电路组成。
每个电路均为在两输入端具有斯密特触发器功能的反相器。
触发器在信号的上升和下降沿的不同点开、关。
图2-10 CD40106引脚图
2.3.3CD4553引脚及功能
CD4553是3位十进制计数器，但只有1个输出端，要完成3位输出，采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。
引脚功能：
CLOCK：
计数脉冲输入端，下调沿有效。
CIA、CIB：
内部振荡器的外界电容端子。
MR：
计数器清零（只清计数器部分），高电平有效。
LE：
锁定允许。
当该端为低电平时，3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入。
DIS：
该端接地时，计数脉冲才能进行计数。
DS1、DS2、DS3：
位选通扫描信号的输出，这3端能循环地输出低电平，供显示器作为位通控制。
Q0、Q1、Q2、Q3：
BCD码输出端，它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。
CD4553内部虽然有3组BCD码计数器（计数最大值为999），但BCD的输出端却只有一组Q0～Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码，相应地，也输出3位位选通信号。
例如：
当Q0～Q3输出个位的BCD码时，DS1端输出低电平；当Q0～Q3输出十位的BCD码时，DS2端输出低电平；当Q0～Q3输出百位的BCD码时，DS3端输出低电平时，周而复始、循环不止。
图2-11 CD4553引脚图
2.3.4 CD4511译码器
CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，引脚排列如图2-12所示。
其中abcd为BCD码输入，a为最低位。
LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。
BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。
另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。
LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。
a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。
另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观。
若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。
所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地。
限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻
其功能介绍如下：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：
3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：
为译码输出端，输出为高电平1有效。
图2-12 CD4511引脚图
CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。
其引脚图如上图2-12所示。
各引脚的名称：
其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。
左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
锁存功能:
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。
当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。
译码:
CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出
四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。
消隐:
BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。
消隐控制电路如图3-4所示。
消隐输出J的电平为
J=
=（C+B）D+BI
如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D
据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。
3单元电路
3.1脉冲信号发生电路
脉冲信号发生电路如下图3-1所示，由555定时器构成的多谐振荡器发出脉冲信号，供计数部分计数。
信号频率为10赫兹，可通过RP1、RP2进行校准调节。
输出信号的时间参数是：
T=
=0.7（R1+R2）C
=0.7R2C 其中，R2=RP1+RP2
通过计算，R2的阻值选择为470K,RP1、RP2分别为500K和10K，这样就可以将脉冲信号的频率调到10赫兹了。
图3-1 信号发生电路图
3.2延时电路
延时单元如图3-2所示，本设计采用RC延时电路作为系统电路的时间控制部件，关系到自动售水机电路能否正常工作。
延时的长短靠可调电阻RP3来调节，只有该环节调整得当，显示电路才会计时准确。
该部分电路利用CD40106的反相器特性与电容C4、电阻R4、电位器RP3共同组成了具有控制整个电路功能的延时单元。
RC的延时，由于电容和电阻分别选择为300K±100K和100uF，延时时间可以设定为30秒。
当开关按下的瞬间，电容充电，并通过反相器维持数码管的dp端为低电平，使小数点不被点亮，同时使CD4553的锁存端维持低电平送数；30秒后，电容放电完毕，通过反相器，数码管dp端变为高电平，小数点被点亮，同时使锁存端锁存。
图3-2 延时电路图
3.3数据锁存、计数器清零电路
该部分电路由CD4553及外围元件组成，当延时结束，电路进行锁存控制和清零，同时，数据锁存后，继电器得电，使出水阀关闭（灯灭），使售水结束。
这部分电路直接受延时电路控制，在系统电路中起到很重要的作用。
图3-3 计数器及周围电路图
3.4译码与显示电路
译码显示电路作为计时器使用，如下图3-4所示，显示出水时间，让顾客对售水机的出水量一目了然。
电路由CD4511和三位共阴数码管及外围元件（驱动三极管等）构成。
图3-4 译码与显示电路图
4总结与展望
随着社会发展，投币正在被刷卡这种更为方便快捷的付款形式所代替。
再有条件的情况下，可以将刷卡部分的电路安装到本设计中来，使该自动售水机电路既可以以投币的形式又可以以刷卡的形式工作。
这样不仅使消费者更加方便，使电路更加实用，也彰显了与时俱进，追求发展和创新的精神。
另外，该电路中可以添加报警装置，提醒消费者售水结束，为消费者提供方便。
由于该电路中没有中断控制部分，所以如果水桶过小，在售水过程中需要换水桶时，不仅不方便，还会造成不小的浪费。
在电路中加上中断控制部分就能防止这种事情的发生。
这样，只需在需要暂停时按一下中断控制按键，就能让售水暂停，当换好水桶后，再次按此按键，售水便继续进行。
饮水健康永远都是人类的一件必不可少的重要事情，而自动售水机的出现则标志着人类健康饮水达到了一个新的高度。
随着自动售水机的不断发展和完善，人们已经越来越离不开这种健康饮水的途径，希望自动售水机发展的更快更好，使人们的饮水更健康、更方便，让社会更和谐、更美好。
致谢
在临近毕业的这一学期里，通过老师对机电一体化的讲解，我对机械和电器及其自动化有了初步的了解，也认识到自动化的最高体现就是机构、信息、电器元件的自动控制过程，还有工作原理。
在写机电一体化论文的过程中，通过查各种资料，也对相关的知识有了更深入的学习和掌握，自己在写论文能力方面有了很大的提升。
在此，特别感谢老师对我们的指导。
参考文献
[1]《电子线路设计、实验、测试》谢自美 华中理工大学出版社
[2]《芯片速查手册》赵宏伟，朱洪文 中国自动化技术公司出版
[3]赵良炳.现代电力电子技术基础，北京：
清华大学出版社
[4]易泓可.电气控制系统设计基础与范例，北京：
机械工业出版社
升级会员 