智能饮水机控制系统

第页11前言随着电子技术的发展，各种电子设计产品逐步渗透到生活的各个角落。21世纪，微电子将有更为迅猛的发展，微电子产品在国民经济发展中占有越来越重要的地位。可以想象，当今世界，脱离了电子产品将是一个黑暗与枯燥的世界。运用电子设计理论，充分结合生活实际，我们设计了该智能饮水机控制系统。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，我们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。本设计综合功能一和功能二，采用AD590及光敏器件的设计方案实现电路。经测试仿真，该套设计系统整体性能良好，基本实现各功能，使得普通饮水机更加智能化、更加人性化，但也存在一定控制灵敏度和抗干扰缺陷。可以预见，智能饮水机将来的发展前景很宽广，可以添加些更多的新功能，新技术，比如可以加入无线和网络控制装置，实现各家电的联网控制等。相信，在现代电子设计技术日新月异的发展下，智能饮水机将会是更全面的、更丰富的控制系统。第页22总体设计方案2.1设计方案一2.1.1方案一方框图图2.1.1方案一方框图2.1.2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，其中温度传感器AD590A/D转换器MC14433电路光敏三极管MC1413选通电路3位半LED显示译码器CC4511计数器74LS161脉冲传达及控制电路K继电器控制电路加热电路第页3AD590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。2.2设计方案二2.2.1方案二方框图图2.2.1方案二方框图2.2.2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。热敏电阻电桥定值电阻整形放大电路A/D转换电路8051相关接口电路3位半数字显示电路内部加热电路感应脉冲计数器74LS161脉冲传达及控制电路K继电器控制电路加热电路第页42.3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。第页53单元模块设计3.1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3.1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)………………………(3.1)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3.1表3.1编号名称规格数量CW317可调式稳压器1.2V~37V/1.5AFU保险丝1A（Iomax）1C1、C2极性电容2200Uf/25V2D5二极管IN414813.2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3.2所示：第页6图3.2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3.2附表3.2编号名称规格数量AD590温度传感器-55℃～150℃1LF355运算放大器K(200V/Mv)1R2、R4滑动变阻器2K、100K2MC1403基准电压源-30.5~-17.5V13.3A/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3.3所示：第页7图3.3A/D转换及显示电路图如图3.3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。第页8MC14433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……………………………(3.3)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3.3附表3.3编号名称规格数量MC14433双积分型A/D转换器8mW1LED共阴极数码管--4CD45117段译码驱动器3~18V13.4光敏检测及计数电路3.4.1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3.4.1光敏三极管感应电路第页93.4.2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3.4.2计数及继电器控制电路图3.4.2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。第页104特殊器件介绍4.1双积分型A/D转换器MC14433MC14433是单片集成3位半A/D转换器，其内部结构如图4.1.1所示：图4.1.1MC14433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。MC144