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1、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
2、字电子技术、Pro tel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，
3、 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。2总体设计方案2.1 设计方案
4、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AD590 的输出是电流，在输入到 AD 转
5、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。2.3 方案比较与选择两种方案比较，在功能
6、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，
7、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。3单元模块设计3.1 直流稳压源电路图 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、
8、过热保护电路。 R1 和 RP1 组成电压输 出调节电路，输出电压Vo1.25(l+RPl/Rl) (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4.7K Q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1.2V37V/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
9、电路中，运用AD590温度传感器构成TV变换电路，如下图3.2 所示：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0C时调整R2,使输出VO=O,然后在100C时调整R4使V0=100mV。如此反复调 整多次，直至0C时，VO=0mV, 100C时VO=100mV为止。最后在饮水机水温下进行校验, 例如，若水温为25C，那么VO应为25mV。冰水混合物是0C环境，沸水为100C环境。 要使电路中的输出为200mV/C，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
10、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 C 150C1LF355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:h5VOGND83MCI 4035100QX7EIa13-Bb12c11DCD4511d10
11、LEe9f15-g14LTVdd-EI：PRm寸515414121 11Q5 Q4 Q3 Q2 QIMC1413图 3.3 A/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
12、。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
13、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CPO、CP1两端所接电阻Rc值有关。当Rc=470KQ时， fcp=66KHz；当Rc=750KQ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：R1C1二Vimax.T1/AV
14、c1 (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318V13.4 光敏检测及计数电路3.4.1 光敏三极管感应电路+5V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：R11K(VT1idCLK图 3.4.1 光敏三极管感应电路3.4.2 计数及继电器控制电路
15、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
