智能飲水機控制系統(tǒng)

1、 模擬電子技術課程考查/設計報告題 目 智能飲水機控制系統(tǒng) 授課教師 張秀梅 姓名學號 于 凱201000802035 韓洪剛201000802054 孫康春201000802061 專 業(yè) 10電子信息工程 教學單位 物理系 完成時間 2012.4.30-2012.6.30 目錄目錄11摘要及關鍵詞.22總體設計方案.3 2.1設計方案一32.1.1方案一方框圖.32.1.2 方案論證 32.2設計方案二32.2.1方案二方框圖.32.2.2方案論證.42.3 方案比較與選擇.43單元模塊設計.53.1直流穩(wěn)壓源電路.53.2溫度檢測電路.63.3 A/D轉換及顯示電路.73.4 光敏檢測及

2、計數電路.83.4.1光敏三極管感應電路.83.4.2 計數及繼電器控制電路.94特殊器件介紹104.1 雙積分型A/D轉換器MC14433104.2 溫度傳感器AD590.124.3 電磁繼電器.134.4 計數器74LS161.145系統(tǒng)調試.156系統(tǒng)功能、指標參數.167總結與體會.168參考文獻.171摘要及關鍵詞摘要飲水機存在于現代每個家庭生活中，但是目前大部分的飲水機功能僅限于燒水功能，對現代人來說，功能還是不完善或者說存在一定的缺陷，比如對水溫沒有顯示裝置，對加熱次數沒有合理控制等，這些都與對健康水質的追求相矛盾。為了解決以上問題，我們結合所學電子設計理論知識，設計了本套智能飲

3、水機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結合了電子線路設計、數字電子技術、Protel仿真設計軟件等相關知識，考慮現實需要來完成的。主要實現的功能為對飲水機加熱后的水溫測量及其3位半的數字顯示和對飲用水加熱次數進行自動控制的功能。功能一可以通過熱敏電阻，經過一些電路變換（電橋電路），感應出特定電壓信號，經過A/D轉換電路變成相應的溫度，直接3位半顯示器來實現顯示；也可以通過集成溫度傳感器比如AD590，將感應電流接入特定的A/D轉換電路，最后譯碼實現溫度數顯功能。功能二的實現為利用飲水機加熱信號燈會的亮滅狀態(tài)，我們想利用這個特點和一個光敏器件結合，這樣就可以產生脈沖信號，輸入到計數器，根據設定的數值，讓相應的計數

4、器管腳作為輸出， 再利用輸出的這個脈沖切斷主電路（用到特定的繼電器）；也可以利用飲水機內部加熱電路的斷開狀態(tài)來通過脈沖感應出加熱次數，再利用脈沖實現控制。本設計綜合功能一和功能二，采用AD590及光敏器件的設計方案實現電路。經測試仿真，該套設計系統(tǒng)整體性能良好，基本實現各功能，使得普通飲水機更加智能化、更加人性化，但也存在一定控制靈敏度和抗干擾缺陷。可以預見，智能飲水機將來的發(fā)展前景很寬廣，可以添加些更多的新功能，新技術，比如可以加入無線和網絡控制裝置，實現各家電的聯(lián)網控制等。相信，在現代電子設計技術日新月異的發(fā)展下，智能飲水機將會是更全面的、更豐富的控制系統(tǒng)。關鍵詞飲水機 AD590傳感器

5、直流穩(wěn)壓源電路 溫度監(jiān)控 顯示電路 傳感器2總體設計方案12.1設計方案一 A/D轉換器MC14433電路2.1.1方案一方框圖 譯碼器CC4511溫度傳感器AD5903位半LED顯示MC1413選通電路K繼電器控制電路脈沖傳達及控制電路計數器74LS161光敏三極管加熱電路圖2.1.1方案一方框圖2.1.2 方案論證 該方案的設計流程方框圖如上所示，分兩塊功能電路。功能一電路采用AD590作為溫度檢測電路來檢測溫度，將傳感器的電流信號（需轉換成電壓信號）輸入到AD轉換器中，經譯碼電路和選通電路最終實現3位半LED的數顯；功能二電路采用光感應器件（光敏三極管），將感應脈沖送至74LS160計數

6、器，計數器設定了一定的計數次數，當達到此次數時，發(fā)出一脈沖送至相應控制電路中，進而控制繼電器工作，實現切斷加熱電路。本方案運用溫度傳感器AD590和光感應器光敏三極管件作為檢測感應器件，其中AD590的輸出是電流，在輸入到AD轉換器中需要先轉換成電壓信號。該方案整體上易于實現，采用了很多集成器件，使得整體電路結構完整、清晰，各功能結構簡單。2.2設計方案二2.2.1方案二方框圖整形放大電路熱敏電阻8051相關接口電路A/D轉換電路電橋定值電阻3位半數字顯示電路K繼電器控制電路脈沖傳達及控制電路內部加熱電路感應脈沖計數器74LS161加熱電路圖2.2.1方案二方框圖2.2.2方案論證該方案的設計

7、電路流程圖如上面所示，對比方案一，該方案設計檢測電路由光敏電阻組成的電橋電路和感應脈沖電路組成，實現原理也較為簡單，結構簡潔，但功能一電路誤差較大，增加整形放大電路的情況下，擴大了誤差范圍，同時也不適用飲水機環(huán)境；功能二區(qū)別一方案一在于檢測電路采用了飲水機內部加熱電路的開關狀態(tài)原理，感應出電路脈沖，從而實現對加熱次數的顯示與控制。2.3 方案比較與選擇兩種方案比較，在功能一方面，方案一運用了AD590溫度傳感器作為檢測電路器件，方案二運用熱敏電阻構成的電橋電路作為檢測電路，雖然兩種方案均能實現溫度的數顯和控制，但方案二電路檢測誤差較大，且一定程度上不適用于飲水機系統(tǒng)中。而方案一采用AD590的

8、集成溫度傳感器作為熱檢測電路，這種檢測方法靈敏度高，線性度好，適用測溫范圍較飲水機系統(tǒng)合適。功能二方面，方案一采用光感應器件光敏三極管作為脈沖計數來源，且存在一定的誤差，方案二采用內部加熱電路的開關狀態(tài)作為脈沖來源，穩(wěn)定性較好，不易受外界影響，但是實現不方便。方案二的設計模塊中檢測電路、AD轉換電路、控制顯示電路，主要是檢測電路對整個功能實現影響較大，且A/D轉換電路需要放大電路的作用，導致整體誤差的擴大，而控制顯示電路采用了單片機設計，不容易實現微型化。最后對兩種方案進行protel99se軟件的仿真測試，通過驗證比較，方案一電路穩(wěn)定，顯示準確，決定選取方案一作為最終的設計方案。3單元模塊設

9、計3.1直流穩(wěn)壓源電路該直流穩(wěn)壓源電路實現是+5V的電壓輸出，原理圖如下所示：圖3.1 直流穩(wěn)壓源電路圖在連接電路中，需要在變壓器的副邊接入保險絲FU，以防電路短路損壞變壓器或其它器件，其額定電流要略大于Iomax，選FU的熔斷電流為1A。整個電源電路結構形式為220V電壓經過變壓器輸入橋式整流電路中，而后經幾個極性電容濾波接入到可調式三端穩(wěn)壓器CW317輸入端，穩(wěn)壓器內部含有過流、過熱保護電路。R1和RP1組成電壓輸出調節(jié)電路，輸出電壓Vo1.25(1+RP1/R1) (3.1) 由于設計要求+5V，根據上面公式計算參數得到：RP1/R1=3,取R1=240,RP1為4.7K的滑動變阻器。電

10、容C2與RP1并聯(lián)組成濾波電路，以減少輸出的紋波電壓，二極管VD的作用是防止輸出端與地短路，損壞穩(wěn)壓器，起到保護穩(wěn)壓管的作用。相關主要元器件選擇及數量下表3.1 表3.1編號名稱規(guī)格數量CW317可調式穩(wěn)壓器1.2V37V/1.5AFU保險絲1A（Iomax）1C1、C2極性電容2200Uf/25V2D5二極管IN414813.2溫度檢測電路在飲水機系統(tǒng)溫度檢測電路中，運用AD590溫度傳感器3構成TV變換電路，如下圖3.2所示：圖3.2 溫度檢測電路圖如圖所示，電位器R2用于調整零點，R4用于調整運放LF355的增益。調整方法如下：在0時調整R2，使輸出VO=0，然后在100時調整R4使VO

11、=100mV。如此反復調整多次，直至0時，VO=0mV，100時VO=100mV為止。最后在飲水機水溫下進行校驗，例如，若水溫為25，那么VO應為25mV。冰水混合物是0環(huán)境，沸水為100環(huán)境。要使電路中的輸出為200mV/，可通過增大反饋電阻（圖中反饋電阻由R3與電位器R4串聯(lián)而成）來實現。MC1403是高精度集成穩(wěn)壓器，可以提供輸出可調的基準電壓。 本模塊電路中用到的是電流型AD590，采用集成運算放大器LF355構成的電路實現電壓的輸出，同時增加了電路的精度和可靠性。溫度檢測電路中用到的主要電子器件和數量如表3.2附表3.2編號名稱規(guī)格數量AD590溫度傳感器-551501LF355運算

12、放大器K(200V/Mv)1R2、R4滑動變阻器2K、100K2MC1403基準電壓源-30.5-17.5V13.3 A/D轉換及顯示電路采用MC14433、CD4511、MC1413等集成器件，電路連接圖如圖3.3所示：圖3.3 A/D轉換及顯示電路圖如圖3.3所示的電路為3位半溫度顯示電路，其中，MC14433為集成電路驅動器，它含有7個反向驅動單元，各單元采用達林頓晶體管電路。因為MC14433的DS1DS4為高電平有效，經MC1413反相后，正好與4只共陰極LED的千位、百位、十位及個位的陰極有效相連。當MC14433在每次A/D轉換結束時，EOC端輸出一個脈寬為Tcp/2的正脈沖，該

13、正脈沖過后，就在DS1DS4端依次輸出脈寬為18Tcp的位選通正脈沖，其中，Tcp為時鐘脈沖周期。當DS1輸出正脈沖時，Q3、Q2和Q0輸出的最高位數據0或1用來表示超量程、欠量程和極性標志等等。當Q3=1時，最高位顯示0表示欠量程，Q3=0時最高位顯示1表示超量程；Q2表示被測電壓極性，即Q2=1極性為正，Q2=0極性為負，這時+5V電壓通過電阻Rm使“-”號點亮；Q0表示量程，即Q0=說明輸入電壓在正常范圍內，Q0=1表示在正常范圍之外。Rm和Rh分別是負極性和小數點顯示的限流電阻。在DS1輸出位選通正脈沖后，DS2、DS3和DS4輸出的正脈沖使Q3Q0端輸出相應的BCD碼數據。CD451

14、1為7段譯碼驅動器，當輸入電壓過載時，OR=1，控制CC4511的滅燈端BI，使顯示燈熄滅。MC14433提供輸出可調的基準電壓Vref，當基準電壓為2V或200mV時，滿量程分別為1.999V或199.9mV。優(yōu)點為具有自動校零和自動量程轉換功能。MC14433的時鐘頻率fcp與CP0、CP1兩端所接電阻Rc值有關。當Rc=470K時，fcp=66KHz；當Rc=750K時，fcp=50KHz，每個A/D轉換周期約需16400個時鐘脈沖，若時鐘頻率fcp=66KHz是，由式T=N/fcp=4N/fosc可得一次A/D轉換所需時間為T=0.25s，則測量速度為4次/s。積分元件R1C1的取值可

15、由下式估算：R1C1=Vimax.T1/Vc1 (3.3)式中，Vc1=VDD-Vimax-0.5V,T1=4000/fcp,4000為信號積分階段所需時鐘脈沖數。電路中用到的相關主要電子器件表3.3附表3.3編號名稱規(guī)格數量MC14433雙積分型A/D轉換器8mW1LED共陰極數碼管-4CD45117段譯碼驅動器318V13.4 光敏檢測及計數電路3.4.1光敏三極管感應電路 為顯示飲水機加熱次數，需要檢測加熱電路開關狀態(tài)次數，運用光敏三極管2作為感應器件，將感應到的脈沖送到后續(xù)電路中，從而實現加熱次數的顯示，光敏感應電路如下所示： 圖3.4.1 光敏三極管感應電路3.4.2 計數及繼電器控

16、制電路該電路為功能二實現的核心電路，運用74LS161及繼電器等主要器件，電路圖如下所示：圖3.4.2計數及繼電器控制電路 圖3.4.2為計數及繼電器控制電路，它由74LS161及繼電器、二極管等組成。可以這樣測試電路效果，當接通電源時，用手擋住VT2 光敏三極管的光線，其內阻增大，使VT3集電極為高電位。這樣使VT4，VT5復合管飽和導通，VD2發(fā)光二極管發(fā)光變亮，同時電流流過繼電器線圈，產生磁場，開關觸點吸合接通到另一邊，切斷了220VD電壓的供應；反之，若不用手擋住VT2，光敏三極管內阻較小，VT3基極為高電位，使VT3導通，其集電極為低電位，這樣VT4、VT5復合管截止，發(fā)光二極管VD

17、2不亮，繼電器線圈中也沒有電流通過，繼電器不工作，開關觸點繼續(xù)保持220V接頭上電路中VD1為繼電器的保護二極管。當VT4、VT5復合管從導通突然轉變?yōu)榻刂箷r，繼電器線圈中會產生一個較大的反電動勢，反電動勢產生的脈動電流，給VD1放電，使繼電器線圈不受損壞，從而達到保護繼電器的作用。外接晶體采用12.000MHz和兩個30pH的電容組成，電容C3和C4構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。 4特殊器件介紹4.1 雙積分型A/D轉換器MC14433MC14433是單片集成3位半A/D轉換器，其內部結構如圖4.1.1所示： 圖4.1.1 MC14433原理框圖MC14433屬于雙積分型A/D轉

18、換器，其中集成了雙積分式A/D轉換器所有的CMOS模擬電路和數字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只要外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器。MC14433采用字位動態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個位BCD碼分時在Q0Q3輪流輸出，同時在DS1DS4端輸出同步字位選通脈沖，很方便實現LED的動態(tài)顯示，且易于實現自動控制4。MC14433只有24個引腳，引腳排列如圖4.1.2其中VDD和VEE分別接+5V和5V，它的主要引腳功能見附表4.1.1： 附表4.1.1端名功 能Pin1(VAG)模擬地，為高阻輸入

19、端，被測電壓和基準電壓的接入地Pin2(VR)基準電壓，此引腳為外接基準電壓的輸入端Pin3(Vx)被測電壓的輸入端Pin4-Pin6(R1/C1，C1)外接積分元件端Pin7、Pin8(C01、C02)外接失調補償電容端Pin9(DU)更新顯示控制端Pin10、Pin11(CLK1、CLK0)時鐘外接元件端Pin12(VEE)負電源端Pin13(Vss)數字電路的負電源引腳Pin14(EOC)轉換周期結束標志位Pin15( OR)過量程標志位，當|Vx|VREF時，OR輸出為低電平Pin16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)多路選通脈沖輸出端Pin20、21、22、23(Q

20、0、Q1、Q2、Q3)BCD碼數據輸出端附圖4.1.2MC14433在DS1輸出位選通正脈沖后，DS2、DS3和DS4輸出的正脈沖使Q3Q0端輸出相應的BCD碼數據。DS1DS4分別表示千、百、十、個位選通角，附表4.1.3即為MC14433千位BCD碼標志意義，如表所示：附表4.1.3MC14433千位BCD碼標志意義MSD編碼內容Q3Q2Q1Q0BCD7段數碼顯示+01 1 1 0不顯示-01 0 1 0+0 UR1 1 1 1-0 UR1 0 1 1+11 1 0 04-1 (僅顯示b和c段)-10 0 0 00-1 (僅顯示b和c段)+1 OR0 1 1 17-1 (僅顯示b和c段)-

21、1 OR0 0 1 13-1 (僅顯示b和c段)4.2 溫度傳感器AD5903AD590為一種集成溫度傳感器，是一種半導體的單片集成兩端感溫電流源，它是利用晶體管的b-e結壓降的不飽和值VBE與熱力學溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關系 Vbe= K IT*lnI/ q (3.3)來實現對溫度的檢測。式中，K波爾茲常數；q電子電荷絕對值。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點，得到廣泛應用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時輸出為0，溫度25時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1mA/K，本設計

22、采用電流型。在被測溫度一定時，AD590相當于一個恒流源，把它和530V的直流電源相連，并在輸出端串接一個1k的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1mVK的電壓信號。其基本電路如圖4.2.1所示。圖4.2.1 AD590基本電路原理框圖圖4.2.1是利用Ube特性的集成PN結傳感器的感溫部分核心電路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流I1和I2相等；T3、T4是感溫用的晶體管，兩個管的材質和工藝完全相同，但T3實質上是由n個晶體管并聯(lián)而成，因而其結面積是T4的n倍。T3和T4的發(fā)射結電壓UBE3和UBE4經反極性串聯(lián)后加在電阻R上，所

23、以R上端電壓為UBE。因此，電流I1為： I1UBER（KTq）（lnn）R (3.4)對于AD590，n8，這樣，電路的總電流將與熱力學溫度T成正比，將此電流引至負載電阻RL上便可得到與T成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號不受電源電壓和導線電阻的影響。圖4.2.1中的電阻R是在硅板上形成薄膜電阻，電阻修正了其電阻值，因而在基準溫度下可得到1AK的I值。4.3 電磁繼電器繼電器是一種電子控制器件7，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。繼電器電路如圖4.3.1所示：圖4.3.

24、1 繼電器電路本設計方案采用電磁式繼電器，該繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。 4.4 計數器7

25、4LS16174161是4位二進制同步加計數器5。圖4.4.1為74LS161引腳圖，如下所示：圖中RD是異步清零端，LD是預置數控制端，A、B、C、D是預置數據輸入端，EP和ET是計數使能端即控制端，ROC是進位輸出端，它的設置為多片集成計數器的級聯(lián)提供了方便。附表4.4.2為74161的功能表。在本設計方案中，74161作為計數器，對光敏檢測電路傳來的脈沖信號計數，由于才有4位二進制的計數器，當脈沖數達到16時，74161 TC端輸出一進位信號，即為一個上升沿脈沖，作為后續(xù)繼電器電路的控制信號。 圖4.4.1 74LS161引腳圖附表4.4.2清零RD預置LD使能EP ET時鐘CP預置數據

26、輸入A B C D輸出QA QB QC QDL L L L LHL A B C DA B C DHHL 保持HH L 保持HHH H 計數5系統(tǒng)調試本課程設計是緊貼實際的理論運用設計。系統(tǒng)調試作為其中最為重要的一環(huán)，是檢測設計是否達到設計要求的重要依據。本設計調試主要是仿真電路和實物電路的理論的調試，即Protel99軟件對電路的測試。 功能一溫度數顯電路調試，電路圖參考總圖附錄6。接通電源，VDD=+5V，VEE=-5V，Vss接地，測量零電壓，使輸入電壓Vi與VAG短接，3位半數顯LED電路應為0000;接著測量基準電壓，調整電位器RP使VREF的電壓為VREF=1.999V。用示波器觀測

27、MC14433CP0腳的時鐘脈沖的波形，并根據頻率計算出測量的速度。對于穩(wěn)壓源的輸入，Vi=1.990V，電壓表應顯示1.990V，并用示波器觀察C1腳波形。交換輸入電壓Vi的極性，重復上面步驟，電壓表顯示負壓1.990V。最后，用示波器觀測MC14433的位選通信號DS1DS4的波形，再觀測到EOC端的正脈沖。依照上面測試步驟，知道電路中存在電阻不夠匹配，出現不能正確顯示。功能二繼電器控制電路按照理論計算出各電阻、運算放大器等參數，基本達到設計要求。只要按照設計電路的正確接法，均可以實現數字顯示和繼電器控制的功能，當然模擬轉換的精度和誤差再所難免，然而通過軟件的調試可以達到最佳的穩(wěn)定狀態(tài)，更

28、好地實現電路功能。調試中注意到，設計電路與飲水機內部加熱電路的電氣性能匹配問題很重要，還有就是74161的進位信號為上升沿脈沖，而后續(xù)設計的控制電路在上升沿脈沖時繼電器不工作，故需要在EOC輸出端加反相器，從而實現脈沖控制的加熱電路切斷。6系統(tǒng)功能、指標參數該設計系統(tǒng)主要實現兩種功能即飲水機水溫的數字顯示和加熱次的計數控制功能。兩種功能整體結構完整，簡潔，但電路中各參數匹配要求較高。在指標參數方面，經R1C1=Vimax.T1/Vc1、Vbe= K IT*lnI/ q等公式計算，算出了各電路器件的參數值；再經過系統(tǒng)調試和測試，得到各模塊電路的指標參數：直流穩(wěn)壓源電路將220V交流電壓輸入下，能

29、夠得到滿足要求的+5V輸出電壓；轉換電路中，對Vi輸入某一模擬電壓例如2.0V，可以看到超量程端顯示，輸入0.8VD電壓時，能夠得到3位半LED顯示器上0.799V電壓顯示，基本實現了顯示測量功能, 我們還是通過理論上的計算即公式V0=1.25(1+RP/R1)計算出輸出電壓+5V時需要的電阻參數。通過多次測量區(qū)平均值的方法，我們可以得到了設備的精度參數。在加熱次數控制電路模塊中，通過理論上的計算得到AD590分壓電阻1K。這個設計中需要計算的量不是很多，MC14433、CD4511、MC1413及相關接口電路中參數的選擇在前面已經提到過，此外，在數字電壓顯示部分，我們仿照了參考書中相應模塊，借鑒了相應的書籍資料數據，進行測試和調節(jié)，看所測的參數穩(wěn)定，基本穩(wěn)定滿足