智能饮水机控制系统-毕业设计课件

1、I智能饮水机控制系统学生：XXX 指导教师：XXX内容内容摘要摘要：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。 关键词关键词：检测单元 温度传感器 AD590 自动控制 继电器IIIntelligentIntelligen

2、t waterwater machinemachine controlcontrol systemsystemAbstractAbstract: The system of design integrated electronic technology theory, from the actual conditions of life, improving the function of the drinking fountains. The Design project with the main use ofAD590 and phototransistor as a test unit

3、 has still used theMC14433, 74LS160, such as integrated device. The whole design system tries to achieve two functions, namely, digital temperature measurement and automatic control of the number of heating, including detection, A / D converter (Count), decoding strobe, relay control such circuit mo

4、dules. Compared with the traditional drinking fountains, the use of automatic detection and control of electronic design technology, can better achieve the right temperature and water quality measurement and control, with a wider range of applications.KeywordsKeywords: Detection Unit Temperature Sen

5、sor AD590 Automatic Control RelaIII目 录前言 .11 总体设计方案 .21.1 设计方案一.21.1.1 方案一方框图.21.1.2 方案论证.21.2 设计方案二.31.2.1 方案二方框图.31.2.2 方案论证.31.3 方案比较与选择.32 单元模块设计 .42.1 直流稳压源电路.42.2 温度检测电路.52.3 A/D 转换及显示电路 .62.4 光敏检测及计数电路.72.4.1 光敏三极管感应电路.72.4.2 计数及继电器控制电路.83 特殊器件介绍 .93.1 双积分型 A/D 转换器 MC14433 .93.2 温度传感器 AD590 .

6、113.3 电磁继电器.123.4 计数器 74LS161 .134 系统调试 .145 系统功能、指标参数 .156 结束语 .15IV参考文献 .171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

7、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

8、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。21 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

9、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 AD 转换器中需要先转换成电压信号。该方案整体上易温度传感器 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74LS1

10、61脉冲传达及控制电路K 继电器控制电路加热电路3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

11、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4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

12、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

13、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5 Vo1.25(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4.7K 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

14、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1.2V37V/1.5AFU保险丝1A（Iomax）1C1、C2极性电容2200Uf/25V2D5二极管IN414812.2 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 TV 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6整多次，直

15、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A

16、D590温度传感器-551501LF355运算放大器K(200V/Mv)1R2、R4滑动变阻器2K、100K2MC1403基准电压源-30.5-17.5V1 2.3 A/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 2.3-1 A/D 转换及显示电路图7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 DS1DS4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

17、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 DS1DS4 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，Q

18、0=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 Q3Q0 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=470K 时，fcp

19、=66KHz；当 Rc=750K 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8mW1LED

20、共阴极数码管-4CD45117 段译码驱动器318V12.4 光敏检测及计数电路82.4.1 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9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

21、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

22、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 3.1.1-1 MC14433 原理框图10MC14433 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

23、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Q0Q3 轮流输出，同时在 DS1DS4 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

24、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11图 3.1.2

25、 -1 MC14433 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 Q3Q0 端输出相应的 BCD 码数据。DS1DS4 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 3.1.3-1 MC14433 千位 BCD 码标志意义表MC14433 千位 BCD 码标志意义MSD 编码内容Q3Q2Q1Q0BCD7 段数码显示+01 1 1 0-01 0 1 0+0 UR1 1 1 1-0 UR1 0 1 1不显示+11 1 0 04-1 (仅显示b和c段)-10 0 0 00-1

26、(仅显示b和c段)+1 OR0 1 1 17-1 (仅显示b和c段)-1 OR0 0 1 13-1 (仅显示b和c段) 3.2 温度传感器 AD590AD590 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 12 Vbe= K IT*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

27、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530V 的直流电源相连，并在输出端串接一个 1k 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 3.2.1-1 AD590 基本电路原理框图 图 3.2.1-1 是利用 Ube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

28、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 UBE。对于 AD590，n8，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 1A/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

29、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13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

30、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 3.4.1-1 74LS161 引脚图14 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

31、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，74161 TC 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 3.4.2-1 74161 的功能表清 零RD预置LD使能EP ET时钟CP预置数据输入A B C D输出QA QB QC QDL L L L LHL A B C DA B C DHHL 保持HH L 保持HHH H 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

32、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 DS1DS4

33、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。15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

34、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= K IT*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

35、.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、MC1413 及相关接口电路中参数的选择在前面已经提到过，此外，在数字电压显示部分，我们仿照了参考书中相应模块，借鉴了相应的书籍资料数据，进行测试和调节，看所测的参数稳定，基本稳定满足设计要求。 6 结束语通过这次课程设计的练习，我收获很多，不仅提高了自己在嵌入式系统设计应用方面的实践技能，也树立了严谨的科学作风，更培养自己综合运用理论知识解决实际问题的能力，这是一次深刻的自我实践课程的练习，在电路设计、安装、调试、整理资料等环节中，我们都碰到了很多的问题，在这一过程中我们通过不断的学习、查资料、请教老师同学等方式逐步又解决了问题,同时，在这一提出问题、解决问题的过程16中，懂得了如何去学习去运用。我的这次课程设计是第一次将理论知识运用到具体实践的学习，感触很深，在开始的时候往往没有头绪，不知如何下手，通过老实得值、同学的帮助，进步很大，主要有如下几方面的提高：首先，初步掌握了数字逻辑电路分析和设计的基本方法，根据设计任务和指标，初选电路，通过调查研究，