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1、智能饮水机控制系统设计方案第1章 绪 论随着电子技术的发展，各种电子产品逐步渗透到生活的各个角落。21世纪，电子产品将有更为迅猛的发展，它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。1.1 智能饮水机的慨述安全，健康，便捷的话题随时都是社会关注的焦点，随着人们日常生活水平的提高，方便而又具有现代生活气息的饮水机早已走入寻常百姓家，并在两三年内迅速赢得了市场。据不完全统计，全国大中城市约有80以上的家庭拥有饮水机。饮水机已经不再是摆设品或奢侈品，而成为家庭的必需品，在忙碌的都
2、市生活中人们对饮水追求的是用得便捷与喝得健康，因此饮水机也不断的朝着智能化，人性化得方向发展。随着智能饮水机种类的日益增多，各种饮水机因机型不同，功能和用途也不尽相同，不同层次的消费者对饮水机的看法不同，这就需要设计者们根据实际情况来设计出使用于不同场合的职能饮水机，来给消费者带来方便。面对消费者新的需求，众多设计者通过技术改良在产品的外观造型、附加功能等方面大做文章，希望以此来迎得消费者的青睐。然而，无论款式如何新颖，炒作多么超前，传统饮水机始终没有解决消费者真正关心的“安全、便捷，健康”问题，这也成了限制整个设计者们进一步突破的天花板。在此背景下，智能化的饮水机一经上市就引起了广泛的关注，
3、并迅速受到消费者的青睐。相比传统的饮水机，智能饮水机在保证水质的新鲜，健康、用水的便捷，安全方面具有先天的优势：智能的饮水机都采用独特的芯片来控制整个饮水机系统，彻底切除了传统饮水机笨重与麻烦，改变了传统饮水机制取水的模式，既当水杯放上饮水机时水就自动流出，既快捷、方便又安全；不仅如此，按普通三口之家计算，使用智能饮水机，一天的耗电量仅为0.4度，整机的耗电量比传统饮水机的节省50%。1.2设计的目的与意义随着科技的不断发展，人们的生活水平的不断提高，对技术产品的越来越多的使用，人们对产品的智能化、自动化要求也越来越高。为了满足人们饮水时的方便，本课题设计出了一款智能饮水机。本着人性化化设计、
4、安全，健康，便捷的原则，利用红外识别的科学技术原理，实现自动注水功能，解决了人们在忙碌生活着取水的不便。也给21世纪科技发展的浪潮带来了新的活力，也为电子产品智能饮水机的发展迈出了新的步伐。1.3 设计要求及内容1设计要求采用直流稳压，红外传感器，555定时器原理设计并制作一个自动识别水杯并注水的电路，主要技术指标要求：（1）电源电压5V；（2）555定时器定时时间18s；（3）555暂稳态时驱动继电器控制电磁阀工作。2设计内容主要设计一个水杯自动识别并注水的电路，其设计内容主要包括一下几个部分：（1）方案论证及系统框图；（2）单元电路设计； （5）电路安装、调试。第2章 系统方案论证2.1
5、电源电路 集成稳压 桥式全波整流负载滤波变压器交流电源1方案一图2-1 方案一框图该方案的设计流程方框图如上所示，交流电经过降压，整流，滤波可以得到比较平滑的直流电，但由于交流电网输入电压的被动和电路负载的变化使直流电压不稳定，故在本直流电源中增加集成稳压电路以确保设备的正常工作。 半桥整流交流电源 降压电容 分立稳压 滤波 负载2方案二图2-2 方案二框图AC220V电源电压，经降压电容，半桥整流，及滤波电容滤波和稳压二极管稳压后，取得+5的直流电来供负载使用。两种方案比较，在功能方面都能实现对负载的供电，方案一主要通过变压器的降压及整流滤波来实现直流电的输出，该方案的稳定性高，实用性大。方
6、案二通过二极管的降压及整流滤波来实现虽然元器件少但不易实现，故直流电源部分采用方案一。2.2 水杯识别及信号处理电路1 方案一此水杯识别电路非常简单，采用TCRT5000作为信号识别元件，当水杯放到传感器上时为传感器提供反射条件，使红外线传感器输出高电平，高电平信号送到微分电 555单稳态延时 下降沿脉冲信号图2-3 方案一框图路经过微分和反相作用为555定时器提供一下降沿脉冲。该方案结构简单所用元器件较少，并且稳定性高。 红外移动传感器 微分 非门2方案二图2-4 方案二框图该电路采用灵敏度极高的红外移动传感器来对水杯进行识别，当水杯接近传感器时，微分电路得到+5V的电压信号，经过微分电路的
7、微分和非门的作用，为555定时器提供一个下降沿脉冲，此电路所用元件价格昂贵，成本高。两种方案都能实现对水杯的自动识别和信号处理，方案一采用红外遮挡式传感器，元件独立，安装方便并且稳定性较高，方案二采用红外移动传感器，灵敏度很高但价格昂贵，经比较水杯识别及信号处理电路采用方案一。2.3 定时电路 红外遮挡传感器 三极管反相 微分1方案一图2-5 方案一框图当下降沿脉冲到来时，给555单稳态电路提供一输入信号，从而启动555定时器工作，使电路工作在暂稳态，此时555输出为高电平；当电路进入稳态时，555输出为低电平，在定时器为暂稳态阶段就本设计所需的定时时间。2方案二 触发信号 非门 电容电阻式延
8、时电路 晶闸管控制图2-6 方案二框图当触发信号到来，经过非门的反相作用为电容电阻式延时电路提供电源电压，利用晶体管的控制对电容实现充放电，从而起定时作用。此方案定时不精确并且分立元件多，安装不方便占用PCB板位置多。两种方案都能起到定时作用，方案一采用555集成芯片来定时，定时精确并且方便制作，方案二采用大电容来定时虽然能实现定时，但定时不精确并且分立元件多，安装不方便占用PCB板位置多，经比较定时电路采用方案一来实现定时。2.4 电磁阀驱动电路 高电平电磁继电器 电磁阀1方案一图2-7 方案一框图当555定时器输出为高电平时，驱动继电器开始工作使常开状态的继电器跳变到常闭状态，从而使电磁阀
9、导通为饮水机注水。2方案二 高电平 电磁阀 固态继电器图2-8 方案二框图该方案采用固态继电器对二通电磁阀进行控制，当高电平到来时固态继电器为电磁阀供电，从而实现注水功能。两种方案都能实现对饮水机的注水，第一种方案采用电磁继电器对电磁阀进行控制，结构简单容易实现；第二种方案采用固态继电器，虽然能实现功能但固态继电器的散热大还需在电路中加散热装置 ，故采用方案一。2.5 整机电路框图经过上述方案的论证，综合比较得出2-9整机框图： 稳压 桥式全波整流 滤波 变压器 交流电源 电磁继电器 555定时 红外遮挡式传感器 电磁阀 三极管的反相 微分图2-9 整机方案框图220V交流电压经过降压，整流，
10、滤波可以得到平滑的直流电，再经过稳压管稳压给红外遮挡式传感器，三极管及555定时器提供工作电压。当水杯放在红外遮挡式传感器上时传感器输出高电平信号，经过微分和三极管的反相为555定时器提供一个下降沿脉冲，555定时器的输出为高电平为电磁继电器提供驱动电压，电磁继电器由常开状态跳变到常闭状态，从而使电磁阀导通为饮水机注水。定时结束时555输出为低电平，继电器由常闭跳变到常开，饮水机停止注水。第3章 单元电路设计3.1 直流稳压源电路设计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
11、。整个电源电路结构形式为220V交流电压经过9V的变压器输入到桥式整流电路中，使得我们的交流电变成了脉动直流电，后经电源滤波电容滤波成纹波系数较小恒定直流电，在接入到三端稳压器LM7805脚输入端，稳压器内部含有过流、过热保护电路。并且LM7805脚输出固定的+5V直流电压供后面的负载使用。其原理流程框图如图3-2所示：变压整流滤波稳压图3-2 直流稳压电源流程图 相关元器件选择及数量如表3-1所示：表3-1 直流稳压电源元件清单编号名称规格数量LM7805稳压器1D1、D2、D3、D4二极管1A（Iomax）4C1、C2电解电容220Uf/16V2C3、C4独石电容0.1uF2FU保险丝1A
12、（Iomax）1T1变压器9V/AC13.2 水杯识别及信号处理电路设计3.2.1 TCRT5000模块介绍TCRT5000光电传感器模块是基于TCRT5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关。传感器采用高发射功率红外光电二极管和高敏度光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠。其模块电路原理如图3-3所示：图3-3 TCRT5000传感器模块电路原理图传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出来的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电平，指示二极管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在被检测范围内时，红外线被反射回
13、来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平，指示二级管被点亮。3.2.2 水杯识别及信号处理电路设计当水杯放到红外传感器后会传感器的输出端为高电平，但555组成的单稳态电路需要一下降沿脉冲来触发，故在555的输入端接入微分和反向电路，其原理如图3-4所示：U0图3-4 水杯识别及处理电路由于555定时器的触发只需一下降沿脉冲信号，故在输入端加入微分电路其原理如图3-5所示，电路的输入信号是图3-5（a）所示的矩形波，那么，在t 1时刻电容C因电压不能突变而使Uc=0，所以，此时刻R上的输出电压U 0等于5V。此后Uc按指数规律上升到5V，相应地，U 0由5V下降至零。在t 2时刻
14、，外加信号为零Uc仍为5V，致使输出电压跳变到- 5，随着电容放电，Uc逐渐上升到零。待下一个矩形脉冲来到后，再重复以上过程。Uc、U 0的波形分别如图3-5（b）（c）所示：微分电路提供的是瞬间的高电平，故加入反相电路来给555定时器的输入提供下降沿脉冲信号。当高电平信号到来时，三极管VT1饱和，输出为低电平（约0.3V）；输入信号为低电平时，三极管VT1截止，输出为高电平（约为+VCC）,电路就可以实现反相器的逻辑功能。从而为555定时器提供一下降沿脉冲。相关主要元器件选择及数量如表3-2所示：Uit1t2t （a）Uct （b）U0t （c）图3-5 微分原理图表3-2 水杯识别电路元件清单编号名称规格数量R1电阻7.5K1R2电阻3.5K1R3电阻4301C5独石电容100nF/16V1VT1三极管NPN13.3 定时电路设计3.3.1 555集成芯片介绍此模块为本设计的核心电路，采用单稳态触发器来定时，控制后边的继电器工作时间，555集成芯片工作内部原理如图3-6所示：定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制RS触发器和放
