全自動飲水機

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1、 山東職業(yè)學院 畢 業(yè) 論 文 題 目： 全自動飲水機設計 系 別： 電氣工程系修改后把批注刪除！ ??? 專 業(yè)： 應用電子技術 班 級： 1231 學生姓名： 張洋洋 指導教師： 翟慶一 完成日期： 摘 要 該設計利用水位傳感器和AT89C52單片機芯片對水量進行智能控制，為了對開水容器方便打開清洗采用活動蓋式，并設置有自動斷電和防干燒功能。飲用該種飲水機的水更為安全和衛(wèi)生。經(jīng)反復試驗證明加水控制、自動斷電、防干燒

2、功能的效果和細菌殺滅率都很好。包括檢測、A/D轉換（計數(shù)）、譯碼選通、繼電器控制等電路模塊單元。與傳統(tǒng)的飲水機相比，由于采用了自動檢測和控制的電子設計技術，可較好地實現(xiàn)對水溫和水質的測量和控制，具有較廣泛的應用前景。 關鍵詞：溫度傳感器AD590，自動控制 AT89C52單片機  目 錄 第一章 前 言 3 第二章 總體設計方案 3 2.1設計方案一 3 2.1.1方案一框圖 3 2.1.2 方案論證 4 2.2設計方案二 4 2.2.1方案二框圖 4 2.2.2方案論證 5 2.3 方案比較與選擇 5 第三章 單元模塊設計 6 3.1AT89C52單片機

3、 6 3.2加水控制工作原理 7 3.3加熱控制工作原理 7 3.4直流穩(wěn)壓源電路 7 3.5溫度檢測電路 8 3.6光敏檢測及計數(shù)電路 10 3.6.1光敏三極管感應電路 10 3.6.2 計數(shù)及繼電器控制電路 10 第四章 特殊器件介紹 11 4.1 溫度傳感器AD590 11 4.2 電磁繼電器 12 4.3 計數(shù)器74LS161 13 總 結 15 致 謝 16 參考文獻 17 第一章 前 言 隨著電子技術的發(fā)展，各種電子設計產(chǎn)品逐步滲透到生活的各個角落。21世紀，微電子將有更為迅猛的發(fā)展，微電子產(chǎn)品在國民經(jīng)濟發(fā)展中占有越

4、來越重要的地位。可以想象，當今世界，脫離了電子產(chǎn)品將是一個黑暗與枯燥的世界。運用電子設計理論，充分結合生活實際，我們設計了該智能飲水機控制系統(tǒng)。 飲水機存在于現(xiàn)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(xiàn)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(shù)沒有合理控制等，這些都與對健康水質的追求相矛盾。 為了實現(xiàn)以上功能，我們結合所學電子設計理論知識，設計了本套智能飲水機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結合了電子線路設計、數(shù)字電子技術、Protel仿真設計軟件等相關知識，來實現(xiàn)以上功能。 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

5、路對整個功能實現(xiàn)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(xiàn)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，方案一以單片機為核心電路穩(wěn)定，顯示準確，決定選取方案一作為最終的設計方案。 第二章 總體設計方案 2.1設計方案一 溫度傳感器AD590 2.1.1方案一框圖 譯碼器CC4511 單片機AT89C52 3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(shù)器74LS161 光敏三極管

6、 加熱電路 圖2-1 方案一框圖 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。功能一以單片機AT89C52芯片為核心，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(jīng)譯碼電路和選通電路最終實現(xiàn)3位半LED的數(shù)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(shù)器，計數(shù)器設定了一定的計數(shù)次數(shù)，當達到此次數(shù)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(xiàn)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AD5

7、90的輸出是電流，在輸入到A\D轉換器中需要先轉換成電壓信號。該方案整體上易于實現(xiàn)，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(shù)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(shù)器74LS161 加熱電路 圖2-2 方案二框圖 2.2.2方案論證 該方案的設計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

8、敏電阻組成的電橋電路和感應脈沖電路組成，實現(xiàn)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)別于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(xiàn)對加熱次數(shù)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，方案一以單片機為核心運用了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(xiàn)溫度的數(shù)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的集成溫度傳感器作為熱檢測電路，這種

9、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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。 第三章 單元模塊設計 3

10、.1AT89C52單片機 AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。 AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。 AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器

11、,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 3.2加水控制工作原理 當用戶需要燒開水時，只在鍵盤上選擇一個相應數(shù)字鍵按下，從AT89C52單片機芯片的P10～P15端輸入一個地址碼（001）、（010）、…、（111），根據(jù)地址碼由P22端輸出高電平（1.4V），經(jīng)R11和R12分壓后使Q1三極管基極（電壓約為0.7V）為高電平而導通，使集電極有電流通過，加水開關閉合，開始對開水容器加水。其中，D1、D2、…

12、、D7為水位傳感器對應刻度值，A0、A1、A2為用戶所需開水量的對應碼。由（1）式可知加水量控制是由水位傳感器和地址碼共同決定的。當滿足（1）式后AT89C52單片機芯片I/O端口的P22由高電平輸出變?yōu)闉榈碗娖剑?.3V）輸出，此時三極管Q1的基極電壓約為0.1V，Q1截止，集電極沒有電流通過，加水開關斷，加水結束`。配上電路圖！ 3.3加熱控制工作原理 由于為了快速燒水，把開水容器水位達到1位置設定開始加熱信存儲于AT89C52單片機芯片的存儲器2單元內，當加水時水位達到1位置， 存儲器獲得地址碼，AT89C52單片機芯片P12（PW11）端輸出高電平，溫度低于100℃熱敏電阻R的

13、阻值較小，燒水控制電路中的Q2基極獲得0.7V電壓而導通，加熱開關K2閉合給水開始加熱，當開水容器中的水溫達到100℃時的熱敏電阻R的阻值突然變大，Q2基極電壓只有0.2V左右，Q2截止，加熱開關K2斷電，加熱結束。 配上電路圖！ 3.4直流穩(wěn)壓源電路 該直流穩(wěn)壓源電路實現(xiàn)是+5V的電壓輸出，原理圖如下所示： 注：C1、C2電容大小都是0.1uF 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(jīng)過變壓器輸入橋式整流電路中，而

14、后經(jīng)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 Vo≈1.25(1+RP1/R1) ……………………… (3.1) 由于設計要求+5V，根據(jù)上面公式計算參數(shù)得到：RP1/R1=3,取R1=240,RP1為4.7KΩ的滑動變阻器。電容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(shù)量下表3-1 表3-1相關主要元器件選擇及數(shù)量 編號 名稱 規(guī)格 數(shù)量 CW317 可調式穩(wěn)壓器

15、1.2V~37V/1.5A FU 保險絲 1A（Iomax） 1 C1、C2 極性電容 2200Uf/25V 2 D5 二極管 IN4148 1 3.5溫度檢測電路 在飲水機系統(tǒng)溫度檢測電路中，運用AD590溫度傳感器構成T~V變換電路，如下圖3-2所示： 圖3-2 溫度檢測電路圖 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：在0℃時調整R2，使輸出VO=0，然后在100℃時調整R4使VO=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V

16、O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(xiàn)。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(xiàn)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(shù)量如表3-2 表3-2 電子元器件及數(shù)量 編號 名稱 規(guī)格 數(shù)量 AD590 溫度傳感器 -55℃～150℃ 1 LF355 運算放大器 K(200V/Mv) 1 R2、R4 滑動變阻器

17、 2K、100K 2 MC1403 基準電壓源 -30.5~-17.5V 1 3.6光敏檢測及計數(shù)電路 3.6.1光敏三極管感應電路 為顯示飲水機加熱次數(shù)，需要檢測加熱電路開關狀態(tài)次數(shù)，什么時候加熱不是程序控制的嗎，加熱次數(shù)應當可以直接記住。為什么要用光敏三極管檢測呢？ 運用光敏三極管作為感應器件，將感應到的脈沖送到后續(xù)電路中，從而實現(xiàn)加熱次數(shù)的顯示，光敏感應電路如下所示： 圖3-3 光敏三極管感應電路 3.6.2 計數(shù)及繼電器控制電路 該電路為功能二實現(xiàn)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 計數(shù)及繼電器控制

18、電路 它由74LS161及繼電器、二極管等組成?？梢赃@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(chǎn)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VD2不亮，繼電器線圈中也沒有電流通過，繼電器線圈需要多大的工作電流，發(fā)光二極管需要多大的工作電流，二者串聯(lián)能正常工作嗎？ 繼電器不工作，開關觸點繼續(xù)保

19、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(chǎn)生一個較大的反電動勢，反電動勢產(chǎn)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。 第四章 特殊器件介紹 4.1 溫度傳感器AD590 AD590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

20、 Vbe=KIT*lnI/q ………………………………………(3.3) 用來實現(xiàn)對溫度的檢測。式中，K—波爾茲常數(shù)；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5～30V的直流電源相連，并在輸出端串接一個1kΩ的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正

21、比，此時電阻兩端將會有1mV／K的電壓信號。其基本電路如圖4-1所示。 圖4-1 AD590基本電路原理框圖 上圖是利用ΔUbe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(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻R上，所以R上端電壓為ΔUBE。因此，電流I1為： ?I1＝ΔUBE／R＝（KT／q）（lnn）／R ………………………………………(3.4) 　　對于

22、AD590，n＝8，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4.1中的電阻R是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻修正了其電阻值，因而在基準溫度下可得到1μA／K的I值。 4.2 電磁繼電器 繼電器是一種電子控制器件，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4-2所示： 圖4-2 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

23、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(chǎn)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”。 4.3 計數(shù)器74LS161 圖4-3 74LS161引腳圖

24、 74161是4位二進制同步加計數(shù)器。上圖為74LS161引腳圖，圖中RD是異步清零端，LD是預置數(shù)控制端，A、B、C、D是預置數(shù)據(jù)輸入端，EP和ET是計數(shù)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(shù)器的級聯(lián)提供了方便。表4-1為74161的功能表。在本設計方案中，74161作為計數(shù)器，對光敏檢測電路傳來的脈沖信號計數(shù)，由于才有4位二進制的計數(shù)器，當脈沖數(shù)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。 表4-1 74161的功能表 清零 RD 預置 LD 使能 EP ET 時鐘 CP 預置數(shù)據(jù)

25、輸入 A B C D 輸出 QA QB QC QD L × × × × × × × × L L L L H L × × A B C D A B C D H H L × × × × × × 保持 H H × L × × × × × 保持 H H H H × × × × 計數(shù)  總 結 通過這次課程設計的學習，收獲很多，不僅提高了自己在數(shù)字集成電路應用方面的實踐技能，也樹立了嚴謹?shù)目茖W作風，更培養(yǎng)自己綜合運用理論知識解決實際問題的能力，這是一次深刻的自我實踐課程的練

26、習，在電路設計、安裝、調試、整理資料等環(huán)節(jié)中，我們都碰到了很多的問題，在這一過程中我們通過不斷的學習、查資料、請教老師同學等方式逐步又解決了問題,同時，在這一提出問題、解決問題的過程中，懂得了如何去學習去運用。 我的這次課程設計是第一次將理論知識運用到具體實踐的學習，感觸很深，在開始的時候往往沒有頭緒，不知如何下手，通過老實得值、同學的幫助，進步很大，主要有如下幾方面的提高： 首先，初步掌握了數(shù)字邏輯電路分析和設計的基本方法，根據(jù)設計任務和指標，初選電路，通過調查研究，設計計算，確定電路方案；選測元器件，連接仿真電路，獨立進行測試，并通過調試改進方案，分析實驗結果，寫出設計總結報告；其次培

27、養(yǎng)了一定的自學能力和獨立分析問題、解決問題的能力，在這次的電路測試中，排除一些設計故障往往牽涉到很多問題，故具有扎實的基礎理論知識是設計的根本和前提，從而加深了學習理論知識的重要性，但僅有理論知識是不夠的，還要有較強的變通能力，懂得真正的運用。最重要的是加深了協(xié)作與相互學習的團隊精神的認識，從與同學的交流也更加鞏固了所學知識，領悟的更加深刻，在這里最重要的是信息的共享很珍貴，之間的設計方案與想法，往往也是思路的源泉，故而加強協(xié)作與溝通是這次設計取得成功的所在。 在總結這次設計的最后體會是，實踐是檢驗理論的最好方法，而理論是指導實踐的根本依據(jù)，所以的理論知識就顯得尤為重要，而且在學習知識當中，

28、善于串聯(lián)知識點，而不要孤立的學習，這樣才對所學知識理解和掌握得更全面、更扎實。 致 謝 在這次設計中，得到了很多人的幫助，不管是小小的一個提醒，還是一份熱情耐心的講解，都是莫大的支持和幫助，在此設計即將完成之際，向給予我?guī)椭睦蠋?、同學、朋友致以我最真摯的謝意。 在本設計初期，翟慶一老師的悉心指導下，我們懂得了課程設計學到的是什么，懂得了課程設計的思想和實際步驟，學會了如何解開思路，如何開辟設計途徑；而在后期設計中，問題接踵而至，也是翟老師給我們啟發(fā)和講解突破點，分析問題的所在，一步一步的指引下終于問題得到圓滿的解決。其次要感謝的是一起設計的同學，是相互的默默支持，頻

29、繁而又積極的學習交流，才能取得如今的成功。 記得那天討論的情景，大家相互述說自己通過互聯(lián)網(wǎng)、圖書館、其他同學老師身上獲得的信息與知識，在設計電路中，大家也是積極闡述自己的見解，取得了每支電路的多種方案設計，當然在這其中，也遇到了很多困難，但小組都沒有氣餒，而是相互鼓勵、相互打氣，終克服困難取得了本次設計的成功。最后，再次感謝參與和幫助設計的老師、同學和朋友。 2014年12月 參考文獻 [1]肖景和.無線電遙控

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