智能饮水机控制系统设计方案.docx
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智能饮水机控制系统设计方案
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，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、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电源电路
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。
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
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。
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
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
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
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，从而使电磁阀导通为饮水机注水。
2．方案二
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：
图2-9整机方案框图
220V交流电压经过降压，整流，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。
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LM7805①脚输入端，稳压器内部含有过流、过热保护电路。
并且LM7805③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：
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
1
D1、D2、D3、D4
二极管
1A（Iomax）
4
C1、C2
电解电容
220Uf/16V
2
C3、C4
独石电容
0.1uF
2
FU
保险丝
1A（Iomax）
1
T1
变压器
9V/AC
1
3.2水杯识别及信号处理电路设计
3.2.1TCRT5000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3-3TCRT5000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t1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U0等于5V。
此后Uc按指数规律上升到5V，相应地，U0由5V下降至零。
在t2时刻，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、U0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：
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
7.5K
1
R2
电阻
3.5K
1
R3
电阻
430Ω
1
C5
独石电容
100nF/16V
1
VT1
三极管
NPN
1
3.3定时电路设计
3.3.1555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触发器和放电管T的状态。
图中RD为复位输入端，当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。
因此在正常工作时，应将其接高电平。
由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
1．当
，
时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0,放电三极管T导通，输出端V0为低电平。
2．当
，
时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器被置1,放电三极管T截止，输出端Vo为高电平。
3．当
，
时，基本RS触发器
、
触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。
综合上述分析，可得555定时器功能表如表所示。
如
图3-6555定时器内部原理
在电压控制端⑤脚施加一个外加电压（其值在0-Vcc之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，进而影响电路的工作状态。
3.3.2定时电路设计
图3-7555单稳态电路图
电路中只有一种稳定状态的触发器叫做单稳态触发器。
其特点：
在无外加触发信号时，电路处于稳定状态，称为稳态；当输入端有外加触发脉冲信号下降沿时，输出状态立即发生跳变。
电路进入暂时稳态状态，称为暂稳态，过一段时间电路自动跳变到原先的稳态。
其工作波形如图3-8所示：
图3-8555单稳态工作原理图
本次设计运用555的定时作用来控制继电器的工作时间，定时时间
，当水杯放上红外传感器TCRT5000时，555定时器的输入端得到一下降沿脉冲，从而触发555定时器开始工作，开始定时，在得到下降沿脉冲的瞬间定时器进入暂稳态，输出电压为高电平（+5V），为继电器提供输入电压，继电器进入常闭状态，电磁阀开始为水杯注水（注水时间等于555定时器的定时时间），当水杯移走，经过微分电路会给反相器的输入提供一负电压，使三极管截止，既而整个电路都不工作。
相关元器件选择及数量如表3.3所示：
表3.3定时电路元件清单
编号
名称
规格
数量
555
555定时器
1
R6
电阻
35K
1
C6
电解电容
47uF
1
C7
独石电容
100uF
1
3.4电磁阀驱动电路设计
当555定时器的输出端为高电平时，电磁继电器开始工作，从而控制二通电磁阀的导通，其原理如图3-9所示：
图3-9继电器工作电路
本次设计用+5V的电磁继电器，有常闭和常开两种状态，当定时器输出为高电平时，继电器的输入端加上了驱动电压，使继电器跳变为常闭状态，使二通电磁阀加上220V的交流电压，二通电磁阀开始为水杯注水。
当定时器的输出为低电平时继电器的输入没有驱动电压，使继电器跳变到常开状态，此时二通电磁阀不工作。
相关主要元器件选择及数量如表3-4所示：
表3-4电磁阀驱动电路元件清单
编码
名称
规格
数量
K1
继电器
+5V
1
D5
二极管
IN4001
1
R5
电阻
100
1
电磁阀
二通
1
VCC
电源
220V
1
第4章电路仿真及制作
4.1电路仿真
本设计采用Multisim10对电路进行仿真，由于软件本身原因，在水杯自动识别部分用开关代替，二通电磁阀用12W的灯泡代替。
当开关断开时，相当于水杯没有遮挡发光二极管的光线，红外线传感器的输出端为低电平，继电器处于常开状态，灯泡熄灭。
如图4-1所示：
图4-1水杯未遮挡红外线时仿真图
当开关闭合时，相当于水杯遮挡住发光二极管的光线，红外线传感器的输出端为高电平，经微分和反向作用为555定时器输入一下降沿脉冲，555定时器进入暂稳态此时输出端为高电平使继电器由常开状态跳变到常闭状态，接通灯泡电路，灯泡正常发光，如图4-2所示。
当555定时器跳变到稳态时输出端为低电平时，灯泡熄灭，如图4-3所示：
图4-2水杯遮挡红外线时仿真图
图4-3水杯离开传感器时仿真图
4.2电路制作
这里我采用万用印制电路板对电路进行安装制作，首先在万用板上进行电路排版，然后元器件按从上到下，从左到右，先特殊再一般，先装低矮、耐热的安装，最后装集成电路。
并按如下步骤进行安装与焊接：
1．清查元器件的数量及质量，及时更换不合格的元件。
2．由孔距确定元件的安装方式，电阻器采用卧式安装，涤沦电容器、电解电容器采用立式安装，并都要求紧贴电路板。
3．TCRT5000模块没有引脚，故直接捆绑在电路板上面，插装555定时器芯片时务必小心，引脚全部插进后再焊接。
各焊点加热时间及用锡量要适当，防止虚焊、假焊及短路，焊后剪去多余引脚，并检查所有焊点，确认无误后方可通电测试。
同时还要注意电源变压器初、次级与开关及电路板的接线，不得有误。
4.3测试
全部元器件及插件焊接完后，经过认真仔细检查后方可通电测试，用万用表直流电压档测量直流稳压电源的输出电压+5V左右，接上TCRT5000模块后，在手放在红外感应模块上面的瞬间，模块指示灯点亮，继电器驱动的发光二极管开始发光，过一段时间发光二极管熄灭，定时成功，说明电路正常。
如过在手放上感应模块的瞬间模块的指示灯亮，但发光二极管没有被点亮说明电路没有正常工作，需进一步检查信号处理电路，555定时电路及周边元器件安装焊接是否正常。
总结
通过本次毕业设计，使我获益良多，刚开始着手于毕业设计时什么都不是很明白，也不知何从下手，但经过两个月的学习使我学到了不少新的知识，也复习了很多忘记了的旧知识，本次设计基本实现了设计的目的：
当水杯放在红外传感器上时对水杯进行自动识别，并注水，注水的时间由555定时器的RC来确定，当定时器输出为高电平时，使继电器进入常闭状态既而驱动电磁阀开始对水杯注水。
本次设计中也有不少的问题存在，例如电路分析设计不够简洁，电路板的制作不规范，这都是我在设计中应该注意的。
本次的毕业设计，在老师的耐心指导，同学的热心帮助下，顺利完成。
在这次的毕业设计中，让我学到的知识得到应用与实践，培养了我独立思考的能力，学会了分析电路、设计电路的步骤以及计算机辅助作图等，在设计的实践中获得了新知。
致谢
首先要感谢的是各位评委老师，感谢你们百忙中抽出时间来给我这个答辩的机会，在这里我真心的说一声：
“谢谢”。
经过一段时间的设计与制作，在老师的大力支持和细心指导下，本次毕业设计终于完成，在此我要对带我毕业设计的王志强老师真诚的说声谢谢，在设计期间，是你细心的给我讲解，让我从不懂到懂，而且在设计时给我提供了很多免费的器材，最重要的是在你百忙之中每次都不怕麻烦的抽时间给我耐心的讲解，在此我要说：
“王老师，谢谢你，你辛苦了”。
我还要感谢平时给我讲解的其他老师，是你们给予了我必要的指导和支持，同时我还要谢谢我的同学们，是你们平时给我指出很多错误，使我在错误中取得了经验,谢谢你们。
参考文献
[1]邱寄帆，唐程山．数字电子技术．北京人民邮电出版社，2005
[2]张树江，王成安．模拟电子线路．大连理工出版社，2005
[3]张玉莲．传感器与自动检测技术．机械工业出版社，2007
[4]余宏生，吴建设．电子CAD技能实训．人民邮电出版社，2007
[5]杨欣，王玉风．电子设计从零开始．清华大学出版社，2004
附录 整机原理图
四川信息职业技术学院
学生姓名
李图东
学号
0710205130
班级
应电07-2
专业
应用电子技术
设计题目
智能饮水机水杯识别及自动注水电路设计
指导教师
王志强
李元宏
指导老师考核意见
等级：
指导教师：
答辩
评语
等级：
答辩老师：
总评
成绩
等级：
考核小组组长：
备注
以上两项成绩综合后，指导老师考核成绩占总分的60%，答辩成绩占总分的40%，按五级记分（优、良、中、及格、不及格）。
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