紅外控制的節(jié)水龍頭的設計畢業(yè)論文

1、揚州工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計課題名稱： 紅外控制的節(jié)水龍頭的設計 系 部： 電子信息工程系 班 級： 1001電氣自動化 姓 名： 張靜雅 指導教師： 錢 靜 總目錄第一部分 任務書 第二部分 開題報告 第三部分 畢業(yè)設計正文第 一 部 分任務書 揚州工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計任務書系 部電子信息工程系指導老師錢靜職稱副教授學生姓名張靜雅班級1001電氣技術學號1005010106設計題目紅外控制的節(jié)水龍頭設計設計內容目標和要求設計目標： 基于基本電路的設計與測量調試技術、電子產品的設計與調試技術等，實現(xiàn)紅外控制節(jié)水龍頭的應用設計。突出課題設計的實用性、合理性、專業(yè)性，提升學生的動手能力、創(chuàng)新能

2、力、職業(yè)能力等的培養(yǎng)。設計內容：1、了解常用紅外水龍頭的類型及其控制方法，構建系統(tǒng)的設計思路。2、根據設計思路，綜合考慮現(xiàn)有實踐條件，制定系統(tǒng)的設計方案。3、根據設計方案，綜合應用電路設計、電子產品設計等，完成硬件電路原理圖的設計與實現(xiàn)；4、結合紅外控制水龍頭的工作狀態(tài)，完成實物的制作與調試。設計要求：1、收集、整理與畢業(yè)設計課題有關領域的信息資料，資料收集充分、利用率高；2、畢業(yè)設計結構合理、邏輯層次清晰、設計過程正確、調試方法符合系統(tǒng)要求、調試結果正確；3、畢業(yè)設計書寫規(guī)范，格式符合學院要求；4、用語規(guī)范、單位標準、參數(shù)符合行業(yè)規(guī)定范圍；5、圖、表整齊、規(guī)范，符合要求。教研室審核系部審核第

3、 二 部 分開題報告揚州工業(yè)職業(yè)技術學院 電子信息工程 系2013屆畢業(yè)設計（論文）開題報告書（表1）學生姓名 張靜雅專業(yè)電氣技術班級1001電氣學號1005010106題 目紅外控制的節(jié)水龍頭的設計指導教師錢靜職稱副教授學 位題目類別 工程設計 基礎研究 應用研究 其它【課題的內容與要求】紅外線控制的自動節(jié)水龍頭，是通過紅外線來控制電磁閥達到控制水龍頭開關的目的。用紅外線發(fā)生裝置和接收裝置實現(xiàn)對是否有人要開啟水龍頭進行判斷，通過放大電路及其電磁閥的控制電路實現(xiàn)智能控制。要求： 1.構建紅外反射式感應電路。 2.利用解調紅外信號并控制電磁閥與電源的接通與斷開。 3.實現(xiàn)如下功能：當人手或物體接

4、近水龍頭，產生紅外發(fā)射，電磁閥電源接通，水龍頭開啟，有水流出；反之，電磁閥關閉，無水流出?！厩把浴侩S著電子技術的發(fā)展，當前數(shù)字系統(tǒng)的設計正朝著速度快、容量大、體積重量輕的方向發(fā)展。在其推動下，現(xiàn)代電子產品幾乎滲透了社會的各個領域，有力地推動了社會生產力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產品性能進一步提高，產品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。紅外線水龍頭安裝方便、靈敏度高、抗干擾能力強，使用壽命長，發(fā)出光均勻穩(wěn)定，發(fā)出的二極管光為不可見光，當發(fā)出光被某一信號調制后，只有專門的解調電路才能收到。它可在強光下工作，給人們的生活帶來了極大的方便，已成為人們日常生活中必不可少的必需品，其廣泛用于家

5、庭、商場、工廠、學校、餐廳等場所，而且大大地擴展了原先水龍頭的功能。因此，研究紅外線控制自動水龍頭及其應用，有著非常重要的意義。【方案的比較與評價】方案一整個系統(tǒng)由電源電路、紅外感應電路、延時電路及開關控制電路四大部分構成。方案二整個系統(tǒng)由變壓器及整流濾波穩(wěn)壓電路、靈敏度調節(jié)電路、紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、電磁閥控制電路五大部分構成。通過比較得知：方案一與方案二相比，電路設計更簡單、性能更穩(wěn)定、性價比更高，更符合實際需要，同時，方案一的靈敏度高，使用起來更方便快捷。綜上所述，選擇方案一更符合畢業(yè)設計的要求。【預期的效果及指標】紅外線發(fā)射電路的功能是利用紅外線發(fā)光二極管發(fā)射光脈沖，從而實現(xiàn)電路

6、對人體或物體的感應。紅外線接收電路功能是利用光敏元件接收發(fā)射出來的光脈沖，并且將光脈沖信號轉化為電信號，同時對其進行放大。自動水龍頭開關電路的功能是利用電磁閥作為自動水龍頭的開關，從而可以通過電信號對自來水進行控制。用紅外線的發(fā)生裝置和接收裝置實現(xiàn)對是否有人要用水龍頭的判斷，通過放大電路及其電磁水閥門的控制電路實現(xiàn)智能控制?！具M度安排】2012 年 10月1 日 2012年10月31日 選題、調研、收集資料2012 年11 月1 日 2012年12月31日 論證、開題2013 年01 月1 日 2013年03月31日 設計（寫作初稿）2013 年04月 1日 2013年05月07日 修改、定稿

7、、打印【參考文獻】1 吳勤保，辛曉鋒，劉安軍. 一種紅外光控自動水龍頭的研制j. 電子制作. 2007(07)2 秉時. 一種紅外全自動水龍頭的制作j. 紅外. 2003(02) 3 用紅外線控制水龍頭j. 激光與光電子學進展. 2000(09)4 甘臨洮. 家用自動水龍頭j. 家用電器. 2001(01)5 林長浩. 紅外線控制全自動水龍頭j. 電子世界. 1996(01)6 王秉時，萬國祥. 紅外自動水龍頭j. 紅外. 1997(09)7 張洪波. 人體紅外傳感自動水龍頭j. 中小企業(yè)科技信息. 1998(11)8 秉時. 人體紅外線自動洗手開關j. 紅外. 1998(11)9 潘建新.

8、紅外線自動水龍頭j. 家庭電子. 1998(02)10傅勁松. 電子制作實例集錦j. 紅外. 2006(02)【指導教師意見】（有針對性地說明選題意義及工作安排是否恰當?shù)龋┩馓峤婚_題論證 修改后提交 不同意提交（請說明理由）指導教師簽章： 年 月 日 【系部意見】同意指導教師意見 不同意指導教師意見（請說明理由） 其它（請說明）隊系（部）主任簽章： 年 月 日第 三 部 分畢業(yè)設計正文紅外控制的節(jié)水龍頭設計張靜雅1001電氣自動化摘 要本文設計的紅外自動水龍頭采用紅外線發(fā)光二極管發(fā)射光脈沖，從而實現(xiàn)電路對人體或物體的感應。紅外線接收電路功能是利用光敏元件接收發(fā)射出來的光脈沖，并且將光脈沖信號

9、轉化為電信號，同時對其進行放大。自動水龍頭開關電路的功能是利用電磁閥作為自動水龍頭的開關，從而可以通過電信號對自來水進行控制。關鍵字 紅外線 光敏元件 電磁閥 infrared control design of the automatic faucetsjingya zhang1001 electric automatizationabstract ：infrared automatic faucet is designed in this paper using infrared light emitting diode emitting light pulses, so as to re

10、alize the induction of human or object circuit. the infrared receiving circuit function is light pulse receiving emitted by the photosensitive element, and the optical pulse signal into electrical signals, and the amplification. automatic faucet switch circuit function is to use the solenoid valve a

11、s automatic faucet switch, which can be through the electrical signal to control the water. key words ：infrared signal frequency electromagnetic valve目 錄第一章 緒論11.1 前言11.2 課題的內容與要求11.3 預期的效果及指標1第二章 紅外傳感器工作原理22.1 紅外線22.2 紅外傳感器的分類32.3 紅外線傳感器的工作原理及特點42.3 紅外線傳感器的應用52.4 紅外線自動控制水龍頭的原理5第三章 紅外線自動控制水龍頭設計方案63.

12、1 方案一的原理圖63.2 方案二的原理圖83.3 方案比較10第四章 紅外線自動控制水龍頭設計114.1 系統(tǒng)組成方框圖114.2 電路的設計12第五章 紅外線自動控制水龍頭制作155.1 元器件的選用155.2 紅外線自動控制水龍頭的元件清單205.3 元器件的裝焊215.4 系統(tǒng)的調試22心得體會25致 謝26參考文獻28第一章 緒論1.1 前言隨著電子技術的發(fā)展，當前數(shù)字系統(tǒng)的設計正朝著速度快、容量大、體積小、重量輕的方向發(fā)展。在其推動下，現(xiàn)代電子產品幾乎滲透了社會的各個領域，有力地推動了社會生產力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產品性能進一步提高，產品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越

13、來越快。 紅外水龍頭安裝方便、靈敏度高、抗干擾能力強，使用壽命長，發(fā)出光均勻穩(wěn)定，發(fā)出的二極管光為不可見光，當發(fā)出光被某一信號調制后，只有專門的解調電路才能收到。它可在強光下工作，給人們的生活帶來了極大的方便，已成為人們日常生活中必不可少的必需品，其廣泛用于家庭、商場、工廠、學校、餐廳等場所。而且大大地擴展了原先水龍頭的功能。因此，研究紅外線控制自動水龍頭及其應用，有著非常重要的意義。1.2 課題的內容與要求紅外線控制的自動水龍頭，是通過紅外線傳感器來控制電磁閥的開與關，從而自動開啟或關閉水龍頭。用紅外線的發(fā)生裝置和接收裝置實現(xiàn)對是否有人要用水進行判斷，通過放大電路及其電磁閥的控制電路實現(xiàn)智能

14、控制。要求：1.構建紅外反射式感應電路； 2.利用解調紅外信號并控制電磁閥與電源接通與斷開； 3.實現(xiàn)如下功能：當人手或物體接近水龍頭，產生紅外發(fā)射，電磁閥電源接通，水龍頭自動開啟，有水流出；當人手或物體離開水龍頭時，電磁閥自動關閉，水龍頭斷水。1.3 預期的效果及指標紅外線發(fā)射電路的功能是利用紅外線發(fā)光二極管發(fā)射光脈沖，從而實現(xiàn)電路對人體或物體的感應。紅外線接收電路功能是利用光敏元件接收發(fā)射出來的光脈沖，并且將光脈沖信號轉化為電信號，同時對其進行放大。自動水龍頭開關電路的功能是利用電磁閥作為自動水龍頭的開關，從而可以通過電信號對自來水進行控制。用紅外線的發(fā)生裝置和接收裝置實現(xiàn)對是否有人要用水

15、龍頭進行判斷，通過放大電路及其電磁閥的控制電路實現(xiàn)智能控制。第二章 紅外傳感器工作原理2.1 紅外線紅外線是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，由英國科學家赫歇爾于1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射。紅外線是波長介乎微波與可見光之間的電磁波，波長在760納米至1毫米之間，是波長比紅光長的非可見光。它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質。覆蓋室溫下物體所發(fā)出的熱輻射的波段，透過云霧能力比可見光強。在通訊、探測、醫(yī)療、軍事等方面有廣泛的用途， 俗稱紅外光。紅外線按波長來分，分別為：（1）近紅外線 (nir, ir-a din)：波長在0.751.4微米，以水的吸收來定義，由于在二氧化硅玻璃中的低衰減

16、率，通常使用在光纖通信中。在這個區(qū)域的波長對影像的增強非常敏銳。例如，包括夜視設備，像是夜視鏡。短波長紅外線 (swir, ir-b din)：1.43微米，水的吸收在1,450納米顯著的增加。1,530至1,560納米是主導遠距離通信的主要光譜區(qū)域。（2）中波長紅外線 (mwir, ir-c din) 也稱為中紅外線：波長在38微米。被動式的紅外線追熱導向導彈技術在設計上就是使用35微米波段的大氣窗口來工作，對飛機紅外線標識的歸航，通常是針對飛機引擎排放的羽流。（3）長波長紅外線 (lwir, ir-c din)：815微米。這是熱成像的區(qū)域，在這個波段的傳感器不需要其他的光或外部熱源，例如

17、太陽、月球或紅外燈，就可以獲得完整的熱排放量的被動影像。前視性紅外線(flir)系統(tǒng)使用這個區(qū)域的頻譜。（4）遠紅外線 (fir)：151,000微米，屬于紅外線的波長范圍，位于可見光光譜紅色光的外側，為不可見光，生物體可以“熱”的型式，感受其存在。紅外線的物理性質：1.有熱效應：紅外線波長較長，頻率較低，能量不夠，遠遠達不到原子、分子解體的效果。因此，紅外線只能穿透了原子分子的間隙中，而不能穿透到原子、分子的內部，由于紅外線只能穿透到原子、分子的間隙，會使原子、分子的振動加快、間距拉大，即增加熱運動能量，從宏觀上看，物質在融化、在沸騰、在汽化，但物質的本質（原子、分子本身）并沒有發(fā)生改變，這

18、就是紅外線的熱效應。2.穿透云霧的能力強。2.2 紅外傳感器的分類紅外傳感器就是利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，反應快等優(yōu)點。紅外線傳感器包括光學系統(tǒng)、檢測元件和轉換電路。光學系統(tǒng)按結構不同可分為透射式和反射式兩類(如圖2-1、圖2-2 )。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。熱敏元件應用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過轉換電路變成電信號輸出。光電檢測元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。圖2-1 透射

19、式紅外傳感器圖2-2 反射式紅外傳感器紅外線傳感器依動作可分為：(1) 將紅外線一部份變換為熱，藉熱取出電阻值變化及電動勢等輸出信號之熱型。熱型的現(xiàn)象俗稱為焦熱效應，其中最具代表性者有測輻射熱器 (thermal bolometer)，熱電堆(thermopile)及熱電(pyroelectric)元件。熱型的優(yōu)點有：可常溫動作下操作，波長依存性(波長不同感度有很大之變化者)并不存在，造假便宜；缺點：感度低、響應慢。(2) 利用半導體遷徙現(xiàn)象吸收能量差之光電效果及利用因pn 接合之光電動勢效果的量子型。量子型的優(yōu)點：感度高、響應快速；缺點：必須冷卻(液體氮氣) 、有波長依存性、價格偏高；2.2

20、 紅外傳感器的工作原理及特點一個完整的紅外探測系統(tǒng)包括以下幾部分：（1）待測目標根據待測目標的紅外輻射特性可進行紅外系統(tǒng)的設定。（2）大氣衰減待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時，因為氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。（3）光學接收器它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線，常用是物鏡。（4）輻射調制器 對來自待測目標的輻射調制成交變的輻射光，提供目標方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調制盤和斬波器，它具有多種結構。（5）紅外探測器這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應探測紅外輻射的傳感器，多

21、數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出的電學效應。（6）探測器制冷器因為某些探測器必需要在低溫下工作，所以相應的系統(tǒng)必需有制冷設備。經由制冷設備可以縮短響應時間，提高探測靈敏度。（7）信號處理系統(tǒng) 將探測的信號進行放大、濾波，并從這些信號中提煉出信息。然后將此類信息轉化成為所需要的輸出信號，最后輸送到控制設備或者顯示器中。（8）顯示設備 這是紅外設備的終端設備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。依照上面的流程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應的物理量的測量。2.3 紅外線傳感器的應用紅外傳感器在日常生活中最常見的應用是自動門控制系統(tǒng)和溝槽廁所節(jié)水器。以紅外自動感應門為例：在一些

22、高級飯店、賓館和公共場所都設有自動門，是通過紅外線反射原理，當人走到門前時，紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線由于人體反射到紅外線接收管，通過集成線路內的微電腦處理后的信號發(fā)送給脈沖電磁閥，電磁閥接受信號后按指定的指令門會自動打開；人過后，電磁閥沒有接受信號，門會自動關閉，達到全自動控制的目的。 2.4 紅外線自動控制水龍頭的原理 紅外線感應水龍頭是通過紅外線反射原理，當人手放在水龍頭的紅外線照射區(qū)域內，紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線由于人手的遮擋反射到紅外線接收管，通過集成電路與放大電路處理后的信號發(fā)送給脈沖電磁閥，電磁閥接受信號后打開閥芯來控制水龍頭出水；當人手離開紅外線感應范圍，電磁閥接受不到動作信號，

23、電磁閥閥芯則通過內部的彈簧進行復位來控制水龍頭關水。開關水由感應器自動完成，無需人手直接接觸水龍頭，可有效避免細菌交叉感染，同時，還可以根據面盆形狀確定最佳感應距離，無需人為調整，可以設置超時洗滌停水功能，避免因人手或物體長時間在感應范圍內造成水資源浪費。第三章 紅外線自動控制水龍頭設計方案紅外線發(fā)射電路的功能是利用紅外線發(fā)光二極管發(fā)射光脈沖，從而實現(xiàn)電路對人體或物體的感應。紅外線接收電路功能是利用光敏元件接收發(fā)射出來的光脈沖，并且將光脈沖信號轉化為電信號，同時對其進行放大。自動水龍頭開關電路的功能是利用電磁閥作為自動水龍頭的開關，從而可以通過電信號對自來水進行控制。用紅外線的發(fā)生裝置和接收裝

24、置實現(xiàn)對是否有人要用水龍頭的判斷，通過放大電路及其電磁水閥門的控制電路實現(xiàn)智能控制。下面進行兩種方案的選擇設計。3.1 方案一方案一的工作原理如下：整個系統(tǒng)由電源電路、紅外感應電路、延時電路及開關控制電路四大部分構成。原理圖如圖3-1所示。電源電路：j2輸入12v電源，d5可防止電源極性接反，r7為限流電阻，c2、c4濾波。紅外感應電路：由u1c、r10、r11、d6、c5構成振蕩器，從u1的10腳輸出脈沖信號，經q4放大后驅動紅外發(fā)射管d2向空間發(fā)射紅外信號。此信號如果沒有被障礙物擋住，紅外接收管d1無法接收到信號，故后續(xù)電路不工作；當d2前面有障礙物時（如人手在d2前面晃動），發(fā)射的紅外線

25、信號被阻礙物反射回來，就會被d1接收到，接受的信號經q1、q2放大，最后r3端輸出放大的紅外信號，再由u1a進行選頻、u1d進行整形最后在u1的11腳輸出。延時電路：r5、vr1、c3組成延時電路，調節(jié)vr1可以調節(jié)每次動作后的延時時間，本電路延時時間在040s范圍內可調。開關控制電路：q3、q5、k1構成開關控制電路。若d1接收到信號后，最后會在u1的4腳輸出經延時后的低電平控制信號，使q3、q5導通，k1吸合。d3為繼電器工作狀態(tài)指示燈。圖3-1 方案一電路圖3.2 方案二方案二的工作原理如下：整個系統(tǒng)由變壓器及整流濾波穩(wěn)壓電路、靈敏度調節(jié)電路、紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、電磁閥控制電路五

26、大部分構成。原理圖如圖3-2所示。變壓器及整流濾波穩(wěn)壓電路：ic4、vd2vd5、t、c7、c6共同構成了控制電路的直流電壓產生電路，220v交流電壓經t變壓器從次級輸出9v交流電壓。該電壓經整流、濾波、穩(wěn)壓，得到的5v電壓提供給控制電路。靈敏度調節(jié)電路：rp2是一只可變電阻， 調節(jié)其阻值，可改變ic27腳上的電位及vt1的導通狀態(tài)。正常時，調整rp2的阻值，7腳上的電壓值為4.6v，vt1處于微飽和導通狀態(tài)，此時，電路靈敏度最佳。紅外發(fā)射電路：ic1的型號為ca7555,是一塊時基集成電路，由該ic構成了紅外發(fā)射電路。該電路是一個多諧振蕩器，振蕩頻率為f=1|1.1x（rp1+r1+r2）x

27、c1，調整rp1的電阻值，可使發(fā)射電路的振蕩頻率f=38khz。該振蕩頻率的信號從ic1的3腳輸出后， 由紅外發(fā)射二極管led1向外輻射紅外光。r3是紅外發(fā)射二極管led1的限流保持電阻。紅外接收電路：ic2是一塊紅外線接受集成電路。其1腳外接紅外接收二極管；2腳所接的c2、r4主要是用來設置ic2內前置放大器的頻率特性和增益的。ic2的1、2腳內還沒有一級自動偏置限制（ablc）電路， 其作用主要是用來防止強光的沖擊干擾和提高對弱信號的放大能力；3腳所接的c3為檢測電容，當其容量值變小時，檢波輸出脈沖的脈寬變動就大，極易造成遙控誤動作。ic2的5腳與電源之間所接的r5為帶通濾波器中心頻率f0

28、的設置電阻；6腳與地之間所接的c4為內部整形電路的積分電容。當其容量值變大時，不但抗外部噪聲干擾能力下降，而且輸出脈沖的低電平持續(xù)時間也將增加，由此也會造成遙控失靈。電磁閥控制電路：紅外遙控信號發(fā)射器的信號在無人洗手或接水時，ic2接收不到紅外光而后級電路不會動作。當有人洗手或接水時，接近水龍頭的手或盛水容器將紅外反射回一部分，由紅外接收管led2接收并轉化為相應的電信號。該信號通過ic2的1腳輸入電阻（指ic內的等效輸入電阻，其值約為45歐姆）形成了約40uv的電壓信號，經前置放大、限幅放大、38khz的帶通濾波、峰值檢波，使ic2的7腳輸出的電壓由高變低，使vd1、vt1相繼導通，使led

29、1發(fā)光，并使vs1雙向晶閘管導通，使電磁閥df-1得電，打開放水。圖3-2 方案二電路圖3.3 方案比較（1）方案一比方案二電路設計更簡單；（2）方案一比方案二更穩(wěn)定，更符合實際需要；（3）方案一比方案二性價比高，更符合實際要求；（4）方案一靈敏度高，使用起來更方便快捷。綜上所述，選擇方案一更符合實際。 第四章 紅外線自動控制水龍頭設計4.1 裝置組成方框圖紅外線自動控制水龍頭整個裝置由五部分組成。裝置組成方框圖如圖4-1所示： 電源 12v紅外感應動作延時 開關控制 電磁閥動作4-1 裝置組成方框圖 反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發(fā)光二極管，普通發(fā)光二極管，以及激光發(fā)光二極管，前

30、兩種光源容易受到外界光源的干擾，而激光二極管發(fā)出的光的頻率比較集中，傳感器只結合搜索很窄的頻率范圍信號，不容易被干擾，但價格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測區(qū)域反射表面可受到光源照射，同時又能被接收管接收到的范圍進行檢測，然而這是一種理想的結果。因為光的反射受到多種因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進行測量，將會因為干擾而產生錯誤信號。采用對反射光強進行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準確性。紅外反射光強法的測量原理是將發(fā)射信號經調制后送給紅外管發(fā)射，光敏管接收調制的紅外信號（如圖4-2所示）發(fā)射接收反射表面x 圖4-2 紅外發(fā)射接收原

31、理圖 反射光強度的輸出信號電壓（vout）是反射面與傳感器之間的距離（x）的函數(shù)，設反射面物質為同種物質時，x與vout的響應曲線是非線性的（如圖4-3所示）。設定出電壓達到某一閥值時作為目標，不同的目標距離閥值，電壓是不同的。4voutx/mm10 圖4-3 光強度相應曲線圖4.2 電路的設計（1）電源供電電路的設計 220v交流電通過電源變壓器變換成交流低電壓，經橋式整流電路d1d4，利用二極管的單向導通性進行整流，將交流電壓整流為脈動直流電壓，再經濾波電容進行濾波，降低交流脈動波紋系數(shù)提升高效平滑直流，得到直流電壓信號，濾波電路的輸出信號作為三端穩(wěn)壓器的輸入信號，該信號經三端穩(wěn)壓器輸出1

32、2v穩(wěn)定的直流電壓信號。在實際應用中為抑制高頻干擾并防止產生自激振蕩，常在三端穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端各自并聯(lián)一個電容器。在實際應用中，可以直接利用12v直流電源進行供電，電源部分如圖4-4所示。圖4-4 電源電路d5可防止電源極性反接，r7為限流電阻，c2、c4濾波用于濾去整流輸出電壓中的紋波，允許一定頻率范圍內的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過。（2）紅外感應電路的設計由u1c、r10、r11、d6、c5構成振蕩器，將直流電轉換為具有一定頻率交流電信號輸出。其中u1c為集成電路hef4093bp的引腳8、9、10。從u1c的10腳輸出脈沖信號，經放大器q4放大后驅動紅外發(fā)射管d2

33、向空間發(fā)射紅外信號。此信號如果沒有被障礙物擋住，紅外接收管d1無法接收到信號，故后續(xù)電路不工作；當d2前面有障礙物時（如人手在d2前面晃動），發(fā)射的紅外線信號被阻礙物反射回來，就會被d1接收到，接受的信號經q1、q2放大，最后r3端輸出放大的紅外信號，再由集成電路u1a進行選頻(u1a為集成電路hef4093bp的引腳1、2、3)、u1d進行整形最后在u1的11腳輸出（u1d為集成電路hef4093bp的引腳12、13、11）。 紅外感應電路如如圖4-5所示。圖4-5 紅外線感應電路（3） 延時電路的設計電路中，在電路接通和斷開時，利用電阻r和電容c的充放電作用實現(xiàn)吸合及釋放的延時，使電路實現(xiàn)

34、短暫延時吸合的作用。電阻r5、滑動變阻器vr1、電容c3組成延時電路，電容起防止誤動作的作用。vr1為滑動電阻器，通過改變電阻的大小達到延時的目的，所以調節(jié)vr1可以調節(jié)每次動作后的延時時間，其中延時電路的計算公式為：延時時間=r*c*ln(e-v)/e)公式中，電阻r和電容c是串聯(lián)，r的單位為歐姆，c的單位為f；e為串聯(lián)電阻和電容之間的電壓，v為電容間要達到的電壓。ln是自然對數(shù)。由此求得延時時間，本電路延時時間在040s范圍內可調。延時電路如圖4-6所示。 圖4-6 延時電路（4）開關控制電路的設計開關控制電路主要用于控制接入工作設備電磁閥。開關控制電路由放大器q3、q5和繼電器k1構成，

35、如圖4-7所示。d1為紅外接收器，u1c為hef4093bp的引腳8、9、10。若紅外接收器d1接收到人手或物體反射回來的信號后，經放大、延時，最后會在u1b的4腳輸出延時后的低電平控制信號，使三極管q3和q5導通，繼電器線圈k1通電，其常開觸點吸合，接入的電磁閥通電，水龍頭自動開啟，有水流出。d3為繼電器工作狀態(tài)指示燈，當繼電器通電時，d3亮。當無人用水時，紅外接收器d1接收不到信號，在u1b的4腳會輸出高電平控制信號，此時，三極管q3和q5截止，繼電器線圈k1不通電，常開觸點無法吸合，后續(xù)的電磁閥不通電，處于關閉狀態(tài)，水龍頭無水流出。圖4-7 開關控制電路 第五章 紅外線自動控制水龍頭制作

36、基于基本電路的設計與測量調試技術、電子產品的設計與調試技術等，實現(xiàn)紅外控制節(jié)水龍頭的應用設計。紅外線自動控制水龍頭能夠智能節(jié)水，超時保護水的利用、智能省電、維護方便，方便了生活。5.1 元器件的選用（1）hef4093bphef4093bp是飛利浦生產的集成電路，它是由四個2輸入端施密特觸發(fā)器電路組成。每個電路均為在兩輸入端具有斯密特觸發(fā)功能的2輸入與非門。每個門在信號的上升和下降沿的不同點開、關。上升電壓(v p)t和下降電壓(v n)之差定義為滯后電壓(v t)。hef4093bp的引腳如圖5-1所示。圖5-1 hef4093bp引腳圖hef4093bp的內部結構如圖5-2所示。圖5-2

37、hef4093bp內部結構圖hef4093bp的各引腳功能如表5-1所示。表5-1 hef4093bp的各引腳功能a數(shù)據輸入端e數(shù)據輸入端j數(shù)據輸出端b數(shù)據輸入端f數(shù)據輸入端k數(shù)據輸出端c數(shù)據輸入端g數(shù)據輸入端l數(shù)據輸出端d數(shù)據輸入端h數(shù)據輸入端m數(shù)據輸出端vdd正電源vss地（2）電阻 電阻分為實芯碳質電阻器、繞線電阻器、薄膜電阻器、金屬膜電阻器、金屬氧化膜電阻器、合成膜電阻、金屬玻璃鈾電阻器等類型。金屬膜電阻器就是以特種金屬或合金作電阻材料，用真空蒸發(fā)或濺射的方法，在陶瓷或玻璃基本上形成電阻膜層的電阻器。它的耐熱性、噪聲電勢、溫度系數(shù)、電壓系數(shù)等電性能比碳膜電阻器優(yōu)良。金屬膜電阻器的制造工

38、藝比較靈活，不僅可以調整它的材料成分和膜層厚度，也可通過刻槽調整阻值，因而可以制成性能良好，阻值范圍較寬的電阻器。（3）電解電容 單位體積內電容量最大的電容器是由鋁或鉭制成的電解電容。它們的基本結構是浸在電解液中的兩個極板。單個或兩個電極用一層極薄的鋁或鉭的氧化物包裹，形成具有很高介電常數(shù)和良好電性能的薄膜。電解液使薄膜和電極間接觸。電容器整體被放在抗漏性能好的金屬殼內。在陰極與陽極之間加直流電壓后形成一層介電膜，從而使電極永遠極化。如果兩塊極板都極化形成介電膜，就可得到無極性電容，其容量為相同的極性電容器容量的一半。對于電解電容諧振回路可以選用云母、高頻陶瓷電容，隔直流可以選用紙介、滌綸、云

39、母、電解、陶瓷等電容，濾波可以選用電解電容，旁路可以選用滌綸、紙介、陶瓷、電解等電容。本設計采用鋁電解電容。（4）瓷片電容瓷片電容分高頻瓷介和低頻瓷介兩種。具有小的正電容溫度系數(shù)的電容器，用于高穩(wěn)定振蕩回路中，作為回路電容器及墊整電容器。低頻瓷介電容器限于在工作頻率較低的回路中作旁路或隔直流用，或對穩(wěn)定性和損耗要求不高的場合（包括高頻在內）。這種電容器不宜使用在脈沖電路中，因為它們易于被脈沖電壓擊穿。（5）電位器 電位器是具有三個引出端、阻值可按某種變化規(guī)律調節(jié)的電阻元件。電位器通常由電阻體和可移動的電刷組成。當電刷沿電阻體移動時，在輸出端即獲得與位移量成一定關系的電阻值或電壓。電位器既可作三

40、端元件使用也可作二端元件使用。后者可視作一可變電阻器。 (6)紅外線發(fā)射管 選用的紅外發(fā)射管為se302。紅外線發(fā)射管也稱紅外線發(fā)射二極管，屬于二極管類。它是可以將電能直接轉換成近紅外光（不可見光）并能輻射出去的發(fā)光器件，主要應用于各種光電開關及遙控發(fā)射電路中。紅外線發(fā)射管的結構、原理與普通發(fā)光二極管相近，只是使用的半導體材料不同。紅外發(fā)光二極管通常使用砷化鎵（gaas）、砷鋁化鎵（gaalas）等材料，采用全透明或淺藍色、黑色的樹封裝。紅外發(fā)射管發(fā)光的原理是半導體pn結中的電子與空穴復合時產生光子，不同的材料由于能帶寬度不同，導致發(fā)光顏色和導通電壓不同。另外，不同材料的發(fā)光效率（一般以量子效

41、率衡量，量子效率=發(fā)射的光子數(shù)/流過的電子數(shù)）也有較大的差別。（7）紅外接收管就是將光信號（不可見光）轉換成電信號一般是接收、放大、解調一體頭，紅外信號經接收管解調后，數(shù)據 “0”和“1”的區(qū)別通常體現(xiàn)在高低電平的時間長短或信號周期上，單片機解碼時，通常將接收頭輸出腳連接到單片機的外部中斷，結合定時器判斷外部中斷間隔的時間從而獲取數(shù)據。重點是找到數(shù)據“0”與“1”間的波形差別。光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外或者可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。它包括一個可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。標準的光電傳感

42、器可以分為漫反射型、反射型、對射型、槽型、光纖傳感器、色標傳感器、光通訊、激光測距、光柵、防爆/隔爆型等十種。（8）三極管 半導體三極管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。在半導體鍺或硅的單晶上制備兩個能相互影響的pn結，組成一個pnp（或npn）結構。中間的n區(qū)（或p區(qū)）叫基區(qū)，兩邊的區(qū)域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極的引線分別叫做基極b、發(fā)射機e和集電極c能起到放大震動震蕩開關等作用的半導體器件。如圖5-3 三極管元器件圖圖5-3 三極管元器件圖晶體三極管以下簡稱三極管，按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有npn和pnp兩種結構形式，但使用最多的是硅npn和鍺pnp兩種三極管，（其

43、中，n表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產生自由電子導電，而p是加入硼取代硅，產生大量空穴利于導電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹npn硅管的電流放大原理。對于npn管，它是由2塊n型半導體中間夾著一塊p型半導體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的pn結稱為發(fā)射結，而集電區(qū)與基區(qū)形成的pn結稱為集電結，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結處于正偏狀態(tài)，而c點電位高于b點電位幾伏時，集電結處于反偏狀態(tài)，集電極電源ec要高于基極電源ebo。在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)

44、做得很薄，而且，要嚴格控制雜質含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）及基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容易地越過發(fā)射結互相向對方擴散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。由于基區(qū)很薄，加上集電結的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結進入集電區(qū)而形成集電集電流ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進行復合，被復合掉的基區(qū)空穴由基極電源eb重新補給，從而形成了基極電流ibo.根據電流連續(xù)性原理得：ie=ib+ic，這就是說，在基極補充一個很小的ib，就可以在集電極上得到一個較大的ic，這就是所謂電流放大作用，

45、ic與ib是維持一定的比例關系，即：1=ic/ib 式中：1-稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量ic與基極電流的變化量ib之比為：= ic/ib。式中-稱為交流電流放大倍數(shù)。由于低頻時1和的數(shù)值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉變?yōu)殡妷悍糯蟊稊?shù)。 （9）繼電器繼電器是一種電控制器件，是當輸入量（激勵量）的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預定的階躍變化的一種電器。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）之間的互動關系。通常應用于自動化的控制電路

46、中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。繼電器的觸點有三種基本形式：1、動合型（常開）（h型）線圈不通電時兩觸點是斷開的，通電后，兩個觸點就閉合。以合字的拼音字頭“h”表示。2、動斷型（常閉）（d型）線圈不通電時兩觸點是閉合的，通電后兩個觸點就斷開。用斷字的拼音字頭“d”表示。3、轉換型（z型）這是觸點組型。這種觸點組共有三個觸點，即中間是動觸點，上下各一個靜觸點。線圈不通電時，動觸點和其中一個靜觸點斷開和另一個閉合，線圈通電后，動觸點就移動，使原來斷開的成閉合，原來閉合的成斷開狀態(tài)，達到轉換的目的。這樣的觸點組稱為轉換觸點。

47、用“轉”字的拼音字頭“z”表示。（10）發(fā)光二極管 是一種能發(fā)光的半導體電子元件，簡稱led。led只能往一個方向導通（通電），叫作正向偏置（正向偏壓），當電流流過時，電子與空穴在其內復合而發(fā)出單色光，這叫電致發(fā)光效應，而光線的波長、顏色跟其所采用的半導體材料種類與摻入的元素雜質有關。具有效率高、壽命長、不易破損、開關速度高、高可靠性等傳統(tǒng)光源不及的優(yōu)點。5.2 紅外線自動控制水龍頭的元件清單 制作紅外線自動控制水龍頭的元件清單如表5-2所示。表5-2 元件清單序號名稱型號規(guī)格編號數(shù)量1電阻560rr4 r1222電阻2.2kr1413電阻6.8kr514電阻10kr6 r825電阻22kr1

48、116電阻82kr10 r1527電阻200kr3 r1328電阻5.1mr219電阻10mr1110電阻33r/1wr7111電阻100r/1wr9112電位器1mvr1113電容104pc1 c2 c5314電容47uf/16vc3115電容100uf/16vc4116二極管1n4148d6 d7 d8317二極管1n4007d4 d5218led5紅發(fā)紅d3119紅外發(fā)射5透明d2120紅外接收5黑色d1121三極管9012q1q4422三極管9013q5123繼電器dc12vk1124集成電路hef4093bpu1125ic插座14pinu1126接線端子3012pj1127接線端子2

49、.54 2p立式j2128電源2.54 2p單頭1129pcb63*39mm115.3 元器件的裝焊按原理圖所示的電路結構及元器件實際尺寸，設計合適的通用電路板，并插接元器件。本次設計的電路看似簡單，但實際上涉及到的內容非常多，既是一次挑戰(zhàn)又是一次難得的學習機會。在焊接時，應特別注意焊接時間的控制，不能發(fā)生虛焊和連焊，以防斷路和短路。裝焊完成后的成品如圖5-4所示。圖5-4 電路板完成圖5.4 系統(tǒng)的調試紅外線感應水龍頭是通過紅外線反射原理，當人體的手放在水龍頭的紅外線區(qū)域內，紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線由于人體手的遮擋反射到紅外線接收管，通過集成線路內的微電腦處理后的信號發(fā)送給脈沖電磁閥，電磁閥

50、接受信號后按指定的指令打開閥芯來控制水龍頭出水；當人體的手離開紅外線感應范圍，電磁閥沒有接受信號，電磁閥閥芯則通過內部的彈簧進行復位來控制水龍頭的關水。1.全部電路裝好后，串入電流表，接上直流12v電源，電流小于100毫安，電路中無故障，應該仔細檢查，集成電路有沒有裝反，焊接時是否有搭接、短路等情況：檢測到電流遠小于100ma，表明電路無故障。 2.短接三極管q5的c、e極，聽見繼電器吸合的聲音，同時看到指示燈亮，若電路時電流較大，且沒有聽到繼電器吸合聲，應檢查二極管d4是否裝反：短路時有明顯的吸合聲伴隨二極管的熄滅，表明工作正常。3.通電后測量集成電路hef4093bp第4腳的波形，看到方波信號，若不正常，應查看相關元件是否裝錯，是否有虛焊等；集成電路hef4093bp第4腳的正常波形如圖5-5所示。圖5-5 hef4093bp引腳4的正常波形4.測量集成電路hef4093bp第2腳波形，看到幅值約為12v的方波信號，若不正常，應查看三極管是否裝反；hef409