【正文】 一款智能飲水機。本著人性化化設計、安全， 健康 ，便捷的原則，利用紅外識別的科學技術原理，實現自動注水功能，解決了人們在忙碌生活著取水的不便。也給 21 世紀科技發(fā)展的浪潮帶來了新的活力，也為電子產品智能飲水機的發(fā)展邁出了新的步伐。 設計要求及內容 1．設計要求 采用 直流穩(wěn)壓，紅外傳感器， 555 定時器原理設計并制作一個自動識別水杯并注水的電路，主要技術指標要求 ： （ 1）電源電壓 5V； （ 2） 555 定時器定時時間 18s； （ 3） 555 暫穩(wěn)態(tài)時驅動繼電器控制電磁閥工作。 2．設計內容 主要設計一個水杯自動識別并注水的電路，其設計內容主要包括一下幾個部分： （ 1）方案論證及系統(tǒng)框圖； （ 2）單元電路設計； （ 5）電路安裝、調試。 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 第 2 章 系統(tǒng)方案論證 電源電路 1．方案一 圖 21 方案一框圖 該方案的設計流程方框圖如上所示，交流電經過降壓，整流，濾波可以得到比較平滑的直流電，但由于交流電網輸入電壓的被動和電路負載的變化使直流電壓不穩(wěn)定，故在本直流電 源中增加集成穩(wěn)壓電路以確保設備的正常工作。 2．方案二 圖 22 方案二框圖 AC220V 電源電壓，經降壓電容，半橋整流，及濾波電容濾波和穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓后，取得 +5 的直流電來供負載使用。 兩種方案比較，在功能方面都能實現對負載的供電，方案一主要通過變壓器的降壓及整流濾波來實現直流電的輸出，該方案的穩(wěn)定性高，實用性大。方案二通過二極管的降壓及整流濾波來實現雖然元器件少但不易實現，故直流電源部分采用方案一。 水杯識別及信號處理電路 1． 方案一 此水杯識別電路非常簡單，采用 TCRT5000 作 為信號識別元件，當水杯放到傳感器上時為傳感器提供反射條件，使紅外線傳感器輸出高電平，高電平信號送到微分電 集成穩(wěn)壓 橋式全波整流 負載 濾波 變壓器 交流電源 半橋整流 交流電源 降壓電容 分立穩(wěn)壓 濾波 負載 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 圖 23 方案一框圖 路經過微分和反相作用為 555 定時器提供一下降沿脈沖。該方案結構簡單所用元器件較少，并且穩(wěn)定性高。 2．方案二 圖 24 方案二框圖 該電路采用靈敏度極高的紅外移動傳感器來對水杯進行識別，當水杯接近傳感器時，微分電路得到 +5V 的電壓信號，經過微分電路的微分和非門的作用，為 555 定時器提供一個下降沿脈沖，此電路所用元件價格昂貴，成本高。 兩種方案都能實 現對水杯的自動識別和信號處理，方案一采用紅外遮擋式傳感器，元件獨立，安裝方便并且穩(wěn)定性較高，方案二采用紅外移動傳感器，靈敏度很高但價格昂貴，經比較水杯識別及信號處理電路采用方案一。 定時電路 1．方案一 圖 25 方案一框圖 當下降沿脈沖到來時，給 555 單穩(wěn)態(tài)電路提供一輸入信號，從而啟動 555 定時器工作，使電路工作在暫穩(wěn)態(tài)，此時 555 輸出為高電平；當電路進入穩(wěn)態(tài)時， 555 輸出 紅外遮擋傳感器 三極管反相 微分 紅外移動傳感器 微分 非門 555單穩(wěn)態(tài)延時 下降沿脈沖信號 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 為低電平，在定時器為暫穩(wěn)態(tài)階段就本設計所需的定時時間。 2． 方案二 圖 26 方案二框圖 當觸 發(fā)信號到來，經過非門的反相作用為電容電阻式延時電路提供電源電壓，利用晶體管的控制對電容實現充放電，從而起定時作用。此方案定時不精確并且分立元件多，安裝不方便占用 PCB 板位置多。 兩種方案都能起到定時作用，方案一采用 555 集成芯片來定時，定時精確并且方便制作，方案二采用大電容來定時雖然能實現定時，但定時不精確并且分立元件多，安裝不方便占用 PCB 板位置多，經比較定時電路采用方案一來實現定時。 電磁閥驅動電路 1．方案一 圖 27 方案一框圖 當 555 定時器輸出為高電平時，驅動繼電器開始工 作使常開狀態(tài)的繼電器跳變到常閉狀態(tài)，從而使電磁閥導通為飲水機注水。 2．方案二 圖 28 方案二框圖 觸發(fā)信號 非門 電容電阻式延時電路 晶閘管控制 高電平 電磁繼電器 電磁閥 高電平 電磁閥 固態(tài)繼電器 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 該方案采用固態(tài)繼電器對二通電磁閥進行控制，當高電平到來時固態(tài)繼電器為電磁閥供電，從而實現注水功能。 兩種方案都能實現對飲水機的注水，第一種方案采用電磁繼電器對電磁閥進行控制，結構簡單容易實現；第二種方案采用固態(tài)繼電器，雖然能實現功能但固態(tài)繼電器的散熱大還需在電路中加散熱裝置 ，故采用方案一。 整機電路框圖 經過上述方案的論證，綜合比較得出 29 整機框圖： 圖 29 整機方案框圖 220V 交流電壓經過降壓，整流，濾波可以得到平滑的直流電，再經過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓給紅外遮擋式傳感器，三極管及 555 定時器提供工作電壓。當水杯放在紅外遮擋式傳感器上時傳感器輸出高電平信號，經過微分和三極管的反相為 555 定時器提供一個下降沿脈沖， 555 定時器的輸出為高電平為電磁繼電器提供驅動電壓，電磁繼電器由常開狀態(tài)跳變到常閉狀態(tài)，從而使電磁閥導通為飲水機注水。定時結束時 555 輸出為低電平，繼電器由常閉跳變到常開，飲水機停止注水。 穩(wěn)壓 橋式全波整流 濾波 變壓器 交流電源 電磁繼電器 555定時 紅外遮擋式傳感器 電磁閥 三極管的反相 微分 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 第 3 章 單元電路設計 直流穩(wěn)壓源電路設 計 該直流穩(wěn)壓源電路實現是 +5V 的電壓輸出，原理圖如下所示： 圖 31 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。整個電源電路結構形式為 220V 交流電壓經過 9V 的變壓器輸入到橋式整流電路中，使得我們的交流電變成了脈動直流電，后經電源濾波電容濾波成紋波系數較小恒定直流電，在接入到三端穩(wěn)壓器 LM7805① 腳輸入端，穩(wěn)壓器內部含有過流、過熱保護電路。并且 LM7805③腳輸出固定的 +5V 直流電壓供后面的負載使用。其原理流程框圖如圖 32 所示： 圖 32 直流穩(wěn)壓電源流程圖 相關元器件選擇及數量如表 31 所示：變壓 整流 濾波 穩(wěn)壓 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 表 31 直流穩(wěn)壓電源元件清單 編號 名稱 規(guī)格 數量 LM7805 穩(wěn)壓器 1 D D D D4 二極管 1A（ Iomax） 4 C C2 電解電容 220Uf/16V 2 C C4 獨石電容 2 FU 保險絲 1A（ Iomax） 1 T1 變壓器 9V/AC 1 水杯識別及信號處理電路設計 TCRT5000 模塊介紹 TCRT5000 光電傳感器模塊是基于 TCRT5000 紅外光電傳感器設計的一款紅外反射式光電開關。傳感器采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高敏度光電晶體管組成，輸出信號經施密特電路整形，穩(wěn)定可靠。其模塊電路原理如圖 33 所示： 圖 33 TCRT5000 傳感器模塊電路原理圖 傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當發(fā)射出來的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時，光敏三極管一直處于關斷狀態(tài)，此時模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；被檢測物體出現在被檢測范圍內時，紅外線被反射回來且強度足夠大，光敏三極管飽和，此時模塊的輸出端為高電平， 指示二級 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 管被點亮。 水杯識別及信號處理電路設計 當水杯放到紅外傳感器后會傳感器的輸出端為高電平，但 555 組成的單穩(wěn)態(tài)電路需要一下降沿脈沖來觸發(fā)，故在 555 的輸入端接入微分和反向電路，其原理如圖 34所示： 圖 34 水杯識別及處理電路 由于 555 定時器的觸發(fā)只需一下降沿脈沖信號，故在輸入端加入微分電路其原理如圖 35 所示， 電路的輸入信號是圖 35（ a）所示的矩形波，那么，在 t 1 時刻電容 C因電壓不能突變而使 Uc=0，所以，此時刻 R 上的輸出電壓 U 0 等于 5V。此后 Uc 按指數規(guī)律上升到 5V， 相應地， U 0 由 5V下降至零。在 t 2 時刻，外加信號為零 Uc 仍為 5V，致使輸出電壓跳變到 5，隨著電容放電， Uc 逐漸上升到零。待下一個矩形脈沖來到后，再重復以上過程。 Uc、 U 0 的波形分別如圖 35（ b）（ c）所示 ： 微分電路提供的是瞬間的高電平，故加入反相電路來給 555 定時器的輸入提供下降沿脈沖信號。當高電平信號到來時，三極管 VT1 飽和，輸出為低電平（約 ）；輸入信號為低電平時，三極管 VT1 截止，輸出為高電平（約為 +VCC） ,電路就可以實現反相器的邏輯功能。從而為 555 定時器提供一下降沿脈沖。 相 關主要元器件選擇及數量如表 32 所示： U0 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 圖 35 微分原理圖 表 32 水杯識別電路元件清單 編號 名稱 規(guī)格 數量 R1 電阻 1 R2 電阻 1 R3 電阻 430Ω 1 C5 獨石電容 100nF/16V 1 VT1 三極管 NPN 1 定時電路設計 555 集成芯片介紹 此模塊為本設計的核心電路，采用單穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器 來定時，控