哈工大自动控制原件课程设计.docx

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哈工大自动控制原件课程设计

HarbinInstituteofTechnology

课程设计说明书（论文）

设计题目：

新型智能饮水机的设计

院系：

航天学院控制科学与工程系

班级：

设计者：

学号：

指导教师：

马广程

设计时间：

2016.04—2016.05

哈尔滨工业大学

1.研制背景及意义

饮水机是采用瓶装水，桶装水或自来水经净化器净化作为水源，利用电能对其进行加热或制冷，一年四季提供常温水或热水的饮水电器，它作为一个相对独立的家用电器，基本满足了人们日常的饮水、泡茶、冲食即食食品以及调制冷饮的各种需要，伴随着人民生活水平的提高和桶装水的消费热潮，在国内迅速发展十多年，已广泛应用于家庭、办公室、学生宿舍等，我国饮水机保有量近亿台。

随着生活水平的提高，人们对于饮水机的要求也越来越高，各种新型饮水机不断被开发出来。

目前市场上较新型的饮水机出来加热功能外，还可以制冷，满足了人们在炎炎夏日想要喝杯冰水的需要。

但是有一些特殊场合，比如家里有婴儿、老人或者病人时，人们需要某一特定温度的水，目前市场上还没有这样一种可以由用户设定某一温度的饮水机。

我们的设计思想是混合热水与冷水，通过控制热水与冷水的流量来控制混合水温，从而可以在短时间内迅速得到特定温度的水。

2.总体设计思路

该新型智能饮水机实现了对用户所得饮用水水温的精确控制，在0℃到100℃范围内，用户可以自行设定温度。

其主要功能模块包括液位控制模块,液位控制模块，混水部分的流量控制模块。

2.1.系统示意图：

2.2.控制器的选择

我们在以往设计中曾经用过STM32单片机和51单片机，因而我们的控制器在这两者之中进行选择。

相比之下，STM32单片机速度更快，端口也更多，但是51单片机价格更加便宜，最小系统电路也更加简单。

同时，本设计是一个调节系统，不要求太高的跟踪速度，51单片机可以满足本设计的要求，所以最终选择51单片机作为本系统的控制器。

同时使用5V电源适配器对单片机供电。

2.3.工作流程图

3.具体选型及论证

3.1.液位控制

信号传输方向：

液位控制模块应用于所有的四个水箱中。

当所有水箱均处于工作状态时，需要首先向温水水箱，热水水箱，冷水水箱三个水箱内进水，各水箱内控制原理相同。

进入工作状态后，压力变送器立即开始工作，将测量得到的压力信号转变为电压信号，经A/D转换器转换为数字信号后输送给51单片机进行处理。

在51单片机中编写程序，对输入数字电压值与水量为500ml时对应的数字电压值进行比较。

若测量电压值小于标准值，输出0；反之，输出1。

再通过D/A转换器将输出的数字信号转换成模拟量，驱动继电器。

当液位未达到预设值时，电磁阀始终处于开态，持续加水；当液位达到预设值时，继电器通电使常闭电磁阀与220V电压之间的开关断开，进水停止，液位将保持在预设值。

与此同时，该12V模拟量驱动继电器控制温度调节模块的总开关闭合，进入温度调节阶段（加热/制冷）。

3.1.1压力变送器

1、装置：

压力传感器+模拟电压输出模块

2、传感器的选型：

我们的目的是实现对各水箱内的液位高度的控制，现阶段，将液位高度转换为电器元件可处理信号的传感器有以下几种:

①直接接触式：

浮球式，浮筒式，投入静压式，电容式，磁致伸缩式等

②非接触式：

光电式，声波式，称重式，压力式等

考虑到饮用水的安全卫生标准，不宜采用直接接触式传感器；由饮水机的工作场合与精度要求，排除光电式，声波式等几种易受干扰，对环境条件要求较高的非接触式传感器。

最后我们选择了压力式传感器。

3、原理：

将电阻应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

该压力传感器位于水箱底部，为一厚度很薄的铁片，此时所测为容器底部所受平均压力，而非总质量与其压敏部位面积比值，即压敏部位与底部所受压力相等。

因此，应将水位为零时对应的电阻设为零位。

压力传感器将所测压力转换为电阻值，与模拟电压输出模块相连，转化为连续的电压信号。

4、元件确定：

①压力传感器：

电阻式薄膜压力传感器

信号转换：

压力信号转换为电阻值。

当水箱内无水时压力最小，电阻最大；水箱内水量为500ml时压力对应最大值，电阻最小。

产品型号

IMS-00010-C075

产品名称

电阻式薄膜压力传感器

面积

单点圆形感应区直径7.5mm（厚度<0.1mm）

测量范围

0-500g（感侧面积上承重）

电阻输出范围

500Ω-∞

灵敏度

1g

工作温度

-30℃-70℃（高温可定制）

工作原理

将施加在传感器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，从而获得压力信息。

压力越大，电阻越低。

其允许用在压力0g-500g的场合。

输出

双线，与模拟电压输出模块4.5脚相连

3.1.2.模拟电压输出模块：

功能：

内部为一个电路，将压力传感器随压力而变的的电阻转变为电压信号。

当水箱内无水时压力最小，电阻非常大，Vout此时对应最小值；水箱内水量为500ml时压力对应最大值，电阻最小，Vout此时对应最大值。

产品型号

FSR系列

产品名称

FSR系列模拟电压输出模块

工作电压

DC+5V/+3.3V

输出方式

模拟电压输出

输出电压

Vout=Vcc/（R/Rref+1）；

Vout是输出电压

R是压力传感器的电阻（千欧）

VCC是电源电压

Rref=5.1KΩ为反馈电阻

引脚功能

1：

Vcc端

2：

Grand端

3：

信号输出

4：

与压力传感器相连

5：

与压力传感器相连

3.1.3.压力比较模块

1、功能：

压力与标称值比较，控制进水电磁阀

2、实现：

将此时测量的压力对应的电压值输入到A/D转换器转换成数字量，将此数字量输入到51单片机中。

在51单片机中编写输入数字电压值与500ml对应的数字电压值比较的程序，若测量电压值大于标准值，输出0；反之，输出1。

再通过D/A转换器将输出的高低电平转换成模拟量，以驱动继电器控制电磁阀通断。

3、A/D转换

压力变送器模块实现了液位高度（即所测压力）与连续电压信号的一一对应，因其为连续的模拟量，51单片机无法对其进行处理，所以经过A/D转换器转换为数字量，以便51单片机进行信号处理。

转换公式：

OUT=Vin/Q

其中：

Q为分辨率

M为精度的位数即12位

OUT即为输出数字信号

产品型号

ADS7816PDIP8

产品名称

12位A-D转换器串行（模-数）

工作电压

DC4.5-5.25V

精度

12bits

通信方式

串行通信

工作温度

-40℃-85℃

引脚功能

1：

参考电压

2：

正输入端

3：

负输入端

4：

GND

5：

片选信号输入端

6：

数字信号输出端

7：

时钟信号引脚

8：

+Vcc

2、D/A转换

当液位高度到达设定值时，51单片机将发送固定信号给D/A转换器，由D/A转换器转换为电压信号控制继电器进而控制电磁阀断开，从而停止进水过程。

该过程类似于A/D转换的逆过程。

产品型号

TLV5638

产品名称

12位D-A转换器串行（数-模）

工作电压

DC2.7-5.25V

精度

12bits

通信方式

串行通信

引脚功能

1：

数字信号输入端

2：

时钟信号引脚

3：

片选信号

4：

模拟信号输出端A

5：

GND

6：

参考端

7：

模拟信号输出端B

8：

+Vdd

3.1.4.电磁阀工作

电磁阀的主要用途是关断水流或放水，在本设计中主要用于控制水的通断。

由于电磁阀供电电压为AC220V，而51单片机只能提供弱电控制信号，所以选择使用继电器控制电磁阀，51单片机通过控制继电器从而控制电磁阀的开关。

电磁阀应用于三个储水水箱的进水，混水水箱的进水操作。

工作原理图：

1、继电器

产品名称

YY-30继电器

工作电压

DC5/12/24V可选

输出能力

DC30V/30A;AC250V/30A

引脚功能

DC+:

外接直流电源正极

DC-:

外接直流电源负极

NO:

常开接口，吸合后与COM短接

COM:

共用接口

2、电磁阀

电磁阀结构一般由阀体、线圈、电磁芯组成的，原理就是通过通断电运用电磁原理实现阀芯吸合，分为常闭和常开，由于大部分时间我们所选择的电磁阀处于闭合状态，所以最终选择常闭电磁阀，可以控制连接管路的通和断，和水龙头的作用相似。

选择FPD-180N型，该型电磁阀是饮水机专用电磁阀，所以无论是耐腐蚀性、耐高温等方面都能满足饮水机的要求。

供电电压选为AC220V,这样可以直接与家里的交流电源相连。

产品型号

FPD-180N

产品名称

常闭型饮水机放水电磁阀

工作电压

DC12/24VAC12/24/220V

流量特性

进水压0.02Mpa时≥3L/min

进水压0.25Mpa时≥8L/min

进水压0.8Mpa时≥10L/min

流量可控制在0.25/0.5/1.0/1.3/2.0/3.0L/min等

水压≤0.01Mpa时，可设计为无压放水阀

适用流体

水，油，气体等流体

尺寸规格

69*53*39mm

3.2.温度控制（制热/制冷）

当进水过程结束后，继电器控制温度调节模块的总开关闭合，进入温度调节阶段（加热/制冷）。

温度调节模块主要应用于热水水箱，冷水水箱和混水水箱。

水箱中的水与外界的热交换加剧，因而选择水箱时应该选择保温性能好的。

一般来说，饮水机内胆有陶瓷内胆和不锈钢内胆两种。

相比之下，陶瓷内胆的保温性比不锈钢内胆好，但是不锈钢内胆的价格更低，现在大部分饮水机仍然使用不锈钢内胆。

本设计中综合各种因素，采用不锈钢内胆。

所选择不锈钢内胆

进入工作状态后，温度变送器立即开始工作，将测量得到的温度信号转变为电压信号，经A/D转换器转换为数字信号后输送给51单片机进行处理。

在51单片机中编写程序，对输入数字电压值与设定温度对应的数字电压值进行比较，再通过D/A转换器将输出的数字信号转换成模拟量，驱动继电器控制加热/制冷装置开关的通断。

当温度未达到预设值时，加热/制冷装置始终处于工作状态；当温度达到预设值时，继电器通电使加热/制冷装置与220V电压之间的开关断开。

温度将保持在预设值。

3.2.1温度变送器

1、装置：

NTC温敏电阻+温敏电阻转电压模块

2、原理：

本饮水装置主要利用NTC（负温度系数电阻）随温度的变化阻值会发生相应的改变从而来检测温度。

NTC贴紧水箱。

水箱内水温变化时，NTC会有不同的电阻，将阻值大小传送给温度变送器模块，从而输出相应的电压。

3、元件确定：

①温敏电阻

信号转换：

温度信号转换为电阻值。

当温度对应最低时电阻最大；温度对应最高时电阻最小。

产品型号

103AT-410k

产品名称

NTC热敏电阻

阻值范围

10K

精度

1％

工作温度范围

-40℃~110℃

工作原理

NTC泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，即负温度系数热敏电阻器。

温度低时，这些材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。

3.2.2.温敏电阻转电压模块

功能：

内部为一个电路，将温度传感器随温度而变的的电阻转变为电压信号。

产品名称

温敏电阻转电压模块

工作方式

线性

工作电压

DC9-12V

输入电阻

NTC10K电阻

输出方式

模拟电压输出（0-5V/0-10v）

尺寸

（长）26mm（宽）23mm（高）10mm

引脚功能

从左向右：

1：

电源正极接口

2：

GND

3：

热电阻正极接口

4：

热电阻负极接口

5：

信号输出端口

6：

GND

在实验中，将10kNTC电阻安装在温度变送器的IN和G端，输出接口选择0~5V，即可将温度信号转化成相对应的电压信号。

在冷水箱和热水箱的表面中间部分分别贴附以便测温。

3.2.3.温度比较

热水温度与标称值比较，控制电加热管

将此时测量的温度对应的电压值输入到A/D转换器转换成数字量，将此数字量输入到51单片机中。

在51单片机中编写输入数字电压值与100°C对应的数字电压值比较的程序，若测量电压值大于标准值，输出0；反之，输出1。

再通过D/A转换器将输出的高低电平转换成模拟量，通过D/A转换器将输出的电平转换成模拟量12V，模拟量驱动继电器使电加热管与220V电压之间的开关闭合，控制电加热管的通断。

冷水温度与标称值比较，控制制冷片

与热水控制相似，只是编入单片机的程序不同，执行元件不同。

调整为在51单片机中编写输入数字电压值与3°C对应的数字电压值比较的程序，若测量电压值大于标准值，输出1；反之，输出0。

通过D/A转换器将输出的电平转换成模拟量12V，模拟量驱动继电器使制冷片与220V电压之间的开关闭合，控制制冷片的关断。

3.2.4.加热、制冷模块

利用电加热管/制冷片在接受D/A模块转换来的模拟信号之后对水箱里的水进行制热/制冷操作。

1.加热装置

①电加热管

产品名称

小型不锈钢双U型加热管

工作电压

380V/220V

功率

400W/500W

材质

紫铜202不锈钢

长度

总长70mm，加热部位50mm

管径

8mm

中心距

25mm

选择电加热管时选择220V、4kw的加热管进行加热，根据比热容公式计算，大约4min可将水加热至100℃

②电加热片

产品名称

电加热片

工作电压

380V/220V

功率

750w

材质

DC+:

外接直流电源正极

直径

100mm左右

根据比热容公式计算，160s可将水加热至100℃

最终根据水箱的规格限定决定采用电加热管进行加热。

2、制冷装置

制冷部分选择半导体制冷片达到制冷效果，在原理上，半导体制冷片是一个热传递的工具。

当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。

但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递。

而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。

当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。

此时冷热端的温度就不会继续发生变化。

为了达到更低的温度，可以采取散热等方式降低热端的温度来实现。

制冷片不能放置于水中，需要贴附在水箱表面（水箱底部），用铝块放在制冷片制冷端贴附在水箱表壁（底端），用散热风扇对制冷片发热一端进行散热。

①制冷片

产品名称

TEC1-12706型制冷片

工作电压

12V（Vmax:

15.5V）

工作电流

Imax=8A

工作温度

-55℃~83℃

功率

Qc=77W

内部阻值

1.5~1.8Ω

尺寸

40*40*3.5mm

选择制冷片TEC1-12706进行制冷，将D/A的输出端直接接到制冷片上，这样即可实现在温度高于3°C的时候，D/A输出高电平12V，使制冷片开始工作。

由制冷片的工作功率是77W,想要从室温水制冷需要10min不符合规定要求，5min。

所以此时用两片制冷片分别贴在冷水水箱的左上1/4,右下1/4处，从而实现5min内制冷。

②风扇

产品名称

风扇

工作电压

380V/220V

工作电流

750w

尺寸

92*92mm

由风扇的工作电压是12V同制冷片，在温度高于3°C时使D/A转换器输出12V，这样驱动风扇开始工作，为制冷片散热。

需要注意的是在两片制冷片附近放置一个散热风扇即可（节约空间）。

③铝块

铝块的主要作用是进行导热提高制冷效果。

制冷片如果直接与水箱接触，制冷效果不佳。

所以在水箱和制冷片之间加入导热材料铝块，实现更好的导热。

铝块尺寸为20*20*10mm，每片制冷片用4块铝块进行导热。

综上，利用制冷片，风扇及铝块能够达到制冷的效果，从而使温度维持在3℃，获得冷水，要注意这些装置都放置于水箱的底部，从而使水箱里的水能够均匀制冷。

3.3.混水功能

3.3.1总体论述

混水部分实现的主要功能为由用户输入一个温度，控制器通过控制热水和温水或冷水和温水的流量使混合得到的水的温度为用户设定的温度。

混水部分包括以下模块：

用户输入模块和显示模块、舵机、水阀等部分组成。

系统示意图：

首先检测热水水箱中是否有水和水量是否充足，若无热水或热水不足，则12864显示屏提醒用户“热水不足”，同时取消本次混水操作；与之对应，如果设定温度小于温水温度，那么接下来混水时让温水和冷水混合，首先检测冷水水箱中是否有水和水量是否充足，若无冷水或冷水不足，则12864显示屏提醒用户“冷水不足”，并取消本次混水操作。

检测之后，如果热水水箱中有水，那么只打开电磁阀1和电磁阀3，即混合热水和温水；与之对应，如果混合冷水与温水，那么只打开电磁阀2和电磁阀4。

混水过程中，单片机一直将混水水箱中的温度与设定温度进行比较，如果检测温度大于设定温度，那么流量阀1的流量变小，流量阀2的流量变大；如果检测温度小于设定温度，那么流量阀1的流量变大，流量阀2的流量变小。

在这个过程控制中，压力传感器一直测量混水水箱中水的总重，当达到500ml时，向单片机发出一个中断信号，单片机收到该中断信号后，关闭电磁阀1、3（混热水时）或电磁阀2、4（混冷水时），混水过程结束，通过显示屏提醒用户混水结束，可以接水饮用，当用户接完水后，混水箱内剩余的水回流到温水水箱中。

混水模块工作流程图：

3.3.2.用户输入及显示模块

该模块包括一个3×4矩阵键盘和12864显示屏，矩阵键盘输入较节省控制器的I/O口，该按键占用了51单片机的7个I/O口。

12864用于提示用户及显示饮水器的信息，用户通过按键依次输入表示温度的两位数（00-99℃），然后按确认键或者取消键。

确认键表示开始混水，取消键表示取消此次混水操作。

3×4矩阵键盘（*键为确认键，#键为取消键）

当用户按下确认键后，单片机就通过运算获得用户输入的温度，把此温度与当前饮水器的温水温度进行比较，如果设定温度大于温水温度，那么接下来混水时让温水和热水混合。

3.3.3.水箱设计

混水过程中控制器通过传感器测水温，与用户设定温度进行比较，然后控制流量阀的通断。

流量阀的主要作用是在温度控制过程中不断调整热水与冷水的流量，从而使混合水温维持在设定值左右，要求跟踪误差应该小于±1℃，而且要求30s内得到混合水500ml。

温度调节的主要问题有两个：

①传感器在测量温度时，常常会产生延迟；

②如何测量调节系统所关注的点。

我们在接下来的方案论证中将考虑这两点，首先从水箱的角度考虑这两个问题。

首先，测温传感器应该放在水箱的底部，因为在整个混水过程中，传感器需要一直工作，当水很少，即只有杯子底部有水时，传感器只有放在杯子底部才能测量温度。

测温存在延时主要原因在于热量传递需要时间。

为了减少延时，水管的出水口应该靠近传感器，但是应保持一定距离，以免由于出水温度突变而引起特别大的控制作用。

同时，为了加快水箱内热量的传递，保持水箱内水温均匀，应该加一个搅拌装置。

为了加快液体的流动，选择平桨式搅拌器，如下图所示。

由于最终混合水为500ml，考虑到搅拌装置的体积，所以使用直径为93mm，高125mm的圆柱形水箱。

水箱容积为V=π（9.3/2）^2×12.5ml=849ml，略大于500ml。

平桨式搅拌器桨叶混水水箱示意图

3.3.4.水管流速的设计

由于设计要求混水要在一定时间内完成，即在30s内混水500ml，因而需要对管道流量进行设计。

要求水管流量Q≥500ml/30s=16.67ml/s。

管道流量计算公式为

式中：

——管道流量系数；A——管道过水面积；

g——重力加速度；h——管道的作用水头的高度

在选择饮水机水管时，我们选择3分PE管作为饮水机水管，该管内径为D=6.5mm,混水水箱比其它水箱低10cm,即h=0.1m，

=0.52，带入上述公式得

因而在水箱高度差为10cm时，选择3分PE管时的流量是24ml/s>16.67ml/s，满足设计要求。

3.3.5.混水阀方案

在选择流量阀时，我们首先想到的是淋浴混水阀。

在洗澡时，为了保持水温恒定，我们通常使用这种混水阀来保证出水水温恒定。

淋浴混水阀

但是这种混水阀门使用时，需要用手调节，温度控制精度不高。

通过查阅资料，我们发现了一种与淋浴混水阀相似的阀门，称为恒温混水阀。

这种阀门的工作原理是这样的。

在恒温混水阀的混合出水口处，装有一个热敏元件，利用感温原件的特性推动阀体内阀芯移动，封堵或者开启冷、热水的进水口。

在封堵冷水的同时开启热水，当温度调节旋钮设定某一温度后，不论冷、热水进水温度、压力如何变化，进入出水口的冷、热水比例也随之变化，从而使出水温度始终保持恒定，调温旋钮可在产品规定温度范围内任意设定，恒温混水阀将自动维持出水温度。

因此从恒温混水阀中流出的水本身就是恒温的，出水温度通过旋钮设定，混水阀本身就有一个反馈回路，其出水水温精度为±2℃。

而我们可以通过测量水箱中的水温，对混水阀的出水温度进行调整，即通过电机旋转其旋钮设置出水温度，从而保证水箱中的水的水温和设定温度进行比较，使水箱中的水温与设定温度在±1℃以内。

因而这是一个双回路系统，首先在内回路中，恒温混水阀的混合出水口处，装有一个热敏元件，利用感温原件的特性推动阀体内阀芯移动，封堵或者开启冷、热水的进水口。

在封堵冷水的同时开启热水，当温度调节旋钮设定某一温度后，不论冷、热水进水温度、压力如何变化，进入出水口的冷、热水比例也随之变化，内回路的作用是使出水温度始终保持恒定。

其次在外回路中，混水水箱中的水温传感器测出混合水温，与用户设定值比较，如果高于设定值，则通过电机旋转混水阀旋钮，降低混水阀出水温度，从而降低水箱中混合水的水温；如果低于设定值，则通过电机旋转混水阀旋钮，提高混水阀出水温度，从而提高水箱中混合水的水温。

由于混水阀的精度已经达到±2℃，因而加上外回路的设计可以使混水精度达到±1℃的要求。

性能指标

产品名称

自动恒温混水器A型

调温范围

35-65℃

温控精度

±2℃

冷水温度

5-29℃

热水温度

50-80℃

结构图

然而，由自动恒温混水器A型的参数可以得知，这种混水阀的调温范围仅为35-65℃，因而不满足设计指标中0-99℃的要求，但是这种混水阀的设计方法是可取的，如果我们设计的饮水器可以真正投产，那么完全可以定制调温范围更大的该型混水阀。

3.3.6.双球阀方案

由于方案一中的恒温混水阀的调温范围满足不了要求，因而需要一种新的混水方案，在方案2中，我们使用两个流量阀分别控制热水与冷水流量，在这里，我们使用球阀控制热水与冷水的流量。

由于水管的直径为6.5mm，因而我们选择较小的2分球阀（内径8mm）。

因为饮用水从球阀中通过，因而考虑到安全性和耐腐蚀性。

我们选择这种饮水机专用的2分