紅外線控制自動水龍頭系統(tǒng)設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）課題: 紅外線控制自動水龍頭系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生:顏肖 系部: 通信工程系班級:通信092 學(xué)號:2009006228 指導(dǎo)教師:吳世富裝訂交卷日期:2012-01-06畢業(yè)設(shè)計（論文）成績評定記錄表指導(dǎo)教師評語（包含學(xué)生在畢業(yè)實習(xí)期間的表現(xiàn)）:成績（平時成績）: 指導(dǎo)教師簽名：年 月 日評閱教師評語：成績（評閱成績）: 指導(dǎo)教師簽名：年 月 日答辯情況記錄:答辯成績:答辯委員會主任(或答辯教師小組組長)簽名:年 月 日總評成績:注：1.此表適用于參加畢業(yè)答辯學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計（論文）成績評定；2.平時成績占20%、卷面評閱成績占50%、答辯成績占30%，在上面的評分表中，可分別按20分、

2、50分、30分來量化評分，三項相加所得總分即為總評成績，總評成績請轉(zhuǎn)換為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五等級計分。教務(wù)處制畢業(yè)設(shè)計（論文）成績評定記錄表指導(dǎo)教師評語（包含學(xué)生在畢業(yè)實習(xí)期間的表現(xiàn)）:成績（平時成績）: 指導(dǎo)教師簽名：年 月 日評閱教師評語：成績（評閱成績）: 指導(dǎo)教師簽名：年 月 日總評成績:注：1.此表適用于不參加畢業(yè)答辯學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計（論文）成績評定；2.平時成績占40%、卷面評閱成績占60%，在上面的評分表中，可分別按40分、60分來量化評分，二項相加所得總分即為總評成績，總評成績請轉(zhuǎn)換為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五等級計分。教務(wù)處制目錄摘 要11 、紅外線控制自動水

3、龍頭系統(tǒng)設(shè)計21.1 水龍頭的構(gòu)成及傳感器控制21.2 系統(tǒng)組成方框圖31.3 紅外反射式光電傳感器特性與工作原理41.4 紅外線控制自動水龍頭的工作原理52、單元電路的設(shè)計62.1 穩(wěn)壓電源的設(shè)計62.2 振蕩器電路的設(shè)計72.3 紅外接受控制電路的設(shè)計72.4電壓放大電路的設(shè)計82.5音調(diào)譯碼器的設(shè)計92.6 三端穩(wěn)壓器112.7 LM567調(diào)制傳感器12參考文獻(xiàn)13附錄14元件列表19摘要隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對淡水的需求不斷增加，不久的將來，淡水資源緊缺將成為世界各國普遍面臨的嚴(yán)峻問題。據(jù)報道我國是一個水資源短缺的國家，若按人均水資源量計算，人均占有量只有2500立方米，約為世界人均

4、水量的四分之一，世界排110位。 由于全自動感應(yīng)水龍頭有自動控制水龍頭開閉的效果，它杜絕了水資源的浪費，避免了人們因為忘記關(guān)水龍頭致使水白白流走的問題，伸手就來水，離開就關(guān)閉的功能，從而有效地節(jié)約用水60%以上，特別適合我國嚴(yán)重缺水的地區(qū)。目前全自動感應(yīng)水龍頭普遍應(yīng)用在人流量密集的火車站、汽車站、飛機(jī)場、醫(yī)院等公共場所伸手就來水，離開就關(guān)閉的功能，從而有效地節(jié)約用水60%以上，特別適合我國嚴(yán)重缺水的地區(qū)。目前全自動感應(yīng)水龍頭普遍應(yīng)用在人流量密集的火車站、汽車站、飛機(jī)場、醫(yī)院等公共場所。 在公共場所，由于人員流動性比較大，公共設(shè)施的衛(wèi)生情況普遍比較惡劣，傳統(tǒng)水龍頭必須通過人手操作，很容易造成病菌

5、的大規(guī)模傳播，而它就避免了洗手后，再次觸摸水龍頭造成的細(xì)菌污染，開關(guān)水完全由感應(yīng)器自動完成，無需接觸水龍頭，有效避免細(xì)菌及交叉感染。 全自動感應(yīng)水龍頭安裝方便、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，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(dāng)發(fā)出光被某一信號調(diào)制后，只有專門的解調(diào)電路才能收到。它可在強(qiáng)光下工作，給人們的生活帶來了極大的方便，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵?，而且大大地擴(kuò)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(yīng)用，有著非常重要意義本文介紹的全自動感應(yīng)水龍頭基于紅外線反射原理，由紅外發(fā)射電路、紅外接收放大電路、控制電路、電磁閥、電源等組成。當(dāng)人或事物靠近時，自動

6、產(chǎn)生控制信號，繼電器動作，使電磁閥得電吸合從而自動打開水源；反之則自動關(guān)閉水源。與傳統(tǒng)供水設(shè)施相比，能夠提高水資源的使用效率。使用方便，且由于不需要用手接觸水龍頭，避免了病菌的傳播。系統(tǒng)電路設(shè)計簡單實用，可以廣泛用于商場、學(xué)校、辦公大樓等人員密集場所?！娟P(guān)鍵詞】傳感器；紅外線紅外線控制自動水龍頭系統(tǒng)設(shè)計第1章 紅外線控制自動水龍頭系統(tǒng)設(shè)計1.1 水龍頭的構(gòu)成及傳感器控制水龍頭采用了反射式紅外傳感器。紅外線的發(fā)射和接收一般使用紅外發(fā)光二極管和紅外接收管來完成。當(dāng)有物體靠近時，一部份紅外光被發(fā)射到接收管。反射式紅外傳感器（如圖1-1所示）。物體圖1-1 反射式紅外傳感器反射式光電傳感器可以用來檢測

7、地面明暗和顏色的變化，也可以探測有無接近的物體。我設(shè)計的紅外線控制自動水龍頭就運用了它這個特點。光譜范圍，靈敏度，抗干擾能力，輸出特性等都是反射式光電傳感器的重要參數(shù)。這種光電傳感器的基本原理是，當(dāng)人或有物體接近時，遮擋了紅外光，光敏元件接收到光信號，從而進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，電磁閥作用，使水源打開。紅外線控制自動水龍頭的控制過程是：當(dāng)人或物體靠近自動水龍頭時，紅外發(fā)射光電管發(fā)出的紅外經(jīng)人和物體反射到紅外接收光電管。接收光電管接收到的反射光信號自動轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過后續(xù)電路進(jìn)一步放大、整形、譯碼，最后驅(qū)動電路控制電磁閥動作打開水源。當(dāng)人手或物體離開自動水龍頭時，接收光電管接收不到反射光信號，驅(qū)動電路斷

8、開電磁閥電源，從而關(guān)閉水源。1.2 系統(tǒng)組成方框圖紅外線自動控制水龍頭整個控制過程分為5個部分。系統(tǒng)組成框圖如圖1-2所示 多諧振蕩器 調(diào)幅紅外光紅外接收電壓放大（LM741） 音頻譯碼 （LM567）電磁閥動作1-2 系統(tǒng)組成方框圖1.3 紅外反射式光電傳感器特性與工作原理 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(jié)合搜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(jìn)行檢測，然而這是

9、一種理想的結(jié)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(jìn)行測量，將會因為干擾而產(chǎn)生錯誤信號。采用對反射光強(qiáng)進(jìn)行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。紅外反射光強(qiáng)法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送給紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號（如圖2-3所示）反射光強(qiáng)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(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時，X與Vout的響應(yīng)曲線是非線性的（如圖2-4所示）。設(shè)定出電壓達(dá)到某一閥值時作為目標(biāo)，不同的目標(biāo)距離閥值，電壓是不同的發(fā)射接收反射表面xx/mm4Vout10圖1-3 紅外發(fā)

10、射接收原理圖 圖1-4 光強(qiáng)度相應(yīng)曲線圖1.4 紅外線控制自動水龍頭的工作原理 紅外線水龍頭控制電路系統(tǒng)的組成紅外線水龍頭控制電路包括發(fā)射電路和接收譯碼控制電路。其中發(fā)射電路由多諧振蕩器和紅外發(fā)射二極管；接收電路包括紅外接收管D1和D2、運算放大器LM741）、音頻譯碼器（LM567）、繼電器K、電源電路等組成。 紅外線水龍頭控制電路工作原理工作原理：發(fā)射電路中，多諧振蕩器由IC（555）和R0.R1和C7等組成。其振蕩頻率為f=1.44/（R0+2R1）C7，振蕩輸出信號驅(qū)動TLN104型的LED1LED3工作，從而產(chǎn)生紅外脈沖調(diào)制波。接收電路中紅外接受頭D1.D2與發(fā)射中的發(fā)射管相匹配，采

11、用TLN104型。紅外脈沖調(diào)制經(jīng)D1.D2接收管轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)C1藕合至LM741，再經(jīng)C2輸入到LM567的第3管腳，經(jīng)識別譯碼，使得中心頻率f=1/1.1R6C3與紅外調(diào)制頻率40KHZ一致，使第8管腳輸出為低電平，又經(jīng)反相后，驅(qū)動VT2導(dǎo)通，繼電器因控制有信號觸發(fā)而有交流輸出。當(dāng)有人洗手將紅外光束遮擋時，相應(yīng)的D1.D2因接收到光信號而進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，從而使LM567因有信號輸入而在第8腳輸出為低點平，經(jīng)反相VT2導(dǎo)通，繼電器吸合，交流電壓被接通，從而使水龍頭的電池閥動作，水源打開。第2章 單元電路的設(shè)計2.1 穩(wěn)壓電源的設(shè)計電路為輸出電壓+5V，輸出電流1.5A穩(wěn)壓電源。它的電壓變壓器

12、B，橋式整流電路D1D4，濾波電容C1.C3，防止自激電路C2、C3和一只固定式三端穩(wěn)壓器（7805）極為簡捷方便的搭成。200v交流電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路D1D4 和濾波電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形式一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓（該電壓常常會因為市電電壓的波動或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化）。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生精度高，穩(wěn)定性好的直流輸出電壓。穩(wěn)壓電源電路（如圖2-5所示）。圖2-5 穩(wěn)壓電源電路2.2 振蕩器電路的設(shè)計振蕩電路是一種不需要外接輸入信號就能將直流能源轉(zhuǎn)換成具有

13、一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量輸出的電路（如圖2-6所示）。（a）電路圖 (b)工作波圖2-6 由定時器構(gòu)成的多諧振蕩器由于555內(nèi)部比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，這時振蕩頻率受電源的溫度變化的影響較小。故只需通過調(diào)節(jié)R1的阻值來改變f來使其為1Hz的秒脈沖信號，作為閘門信號。2.3 紅外接受控制電路的設(shè)計本電路是用小型一體化紅外接收/解調(diào)塊接受頭SFM506-38和鎖相環(huán)電路。它具有體積小，無需外部元件、抗光電干擾性能好，接受角度寬、功耗低、靈敏度高等優(yōu)點。LM567、開關(guān)放大電路VT9013、固態(tài)繼電器TAC08、電磁閥構(gòu)成控制電路。LM567是1片鎖相環(huán)音頻解碼電路，采

14、用8腳雙列直插塑封，3腳為信號輸入端，其工作頻率由5、6腳上的阻容元件決定，8腳為邏輯輸出端。IC2與R7、C12組成振蕩器，R7、C12決定IC2內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率，LM567的3腳為信號端，8腳為邏輯輸出端，該輸出是1個集電極開路的晶體管輸出，最大灌電流為100mA，LM567的工作電壓為4759V，工作頻率01Hz500kHz，靜態(tài)工作電流為8mA。當(dāng)無人洗手時，IC1接受到發(fā)射電路的紅外脈沖經(jīng)放大輸出到IC2的3腳后，IC2的8腳就會輸出低電平，三極管VT1截止，繼電器K斷電處于釋放狀態(tài)，電磁閥Y不動作，水龍頭無自來水放出。當(dāng)手放到水龍頭下時，IC1不能接受紅外線，IC2的3腳無

15、信號輸入，8腳輸出高電平，使得VT1導(dǎo)通，繼電器K吸合，使其常開觸點閉合，接通電磁閥Y的220VAC，Y開始動作，使水龍頭放出自來水，同時LED發(fā)出綠光，指示水龍頭正工作于放水狀態(tài)。洗滌完畢，手離開水龍頭后，停止放水。2.4電壓放大電路的設(shè)計電壓放大電路采用LM741集成運算放大器，（如圖3-9所示）。LM741是高性能內(nèi)補(bǔ)償運算放大器，功耗低，無需外部頻率補(bǔ)償，具有短路保護(hù)和失調(diào)電壓調(diào)零能力。LM741的管腳功能是：1腳為調(diào)零端，2腳為反相輸入端，3腳為同相輸入端，4腳為負(fù)電源端，5腳為調(diào)零端，6腳為輸出端，7腳為正電源端，8腳為空腳端。此引腳圖（如圖2-7所示）。內(nèi)部原理圖（如圖2-8所示

16、）。圖2-7 引腳圖 圖2-8 內(nèi)部原理圖 2.5音調(diào)譯碼器的設(shè)計音調(diào)譯碼器采用LM567鎖相環(huán)電路，鎖相環(huán)內(nèi)則包含一個電流控制振蕩器（CC0）、一個鑒相器和一個反饋濾波器。此音調(diào)解碼塊包含一個穩(wěn)定的鎖相環(huán)路和一個晶體管開關(guān)，當(dāng)在此集成塊的輸入端加上所先定的音頻時，即可產(chǎn)生一個接地方波。當(dāng)輸入信號于通帶內(nèi)時提供飽和晶體管對地開關(guān)，電路由I與Q檢波器構(gòu)成，由電壓控制振蕩器驅(qū)動振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。 主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對講機(jī)亞音頻譯碼，遙控等。LM567的基本工作狀況有如一個低壓電源開關(guān)，當(dāng)其接收到一個位于所

17、選定的窄頻帶內(nèi)的輸入音調(diào)時，開關(guān)就接通。通用的LM567還可以用做可變波形發(fā)生器或通用鎖相環(huán)電路。當(dāng)其用作音調(diào)控制開關(guān)時，所檢測的中心頻率可以設(shè)定于0.1至500KHz內(nèi)的任何值，檢測帶寬可以設(shè)定在中心頻率14%內(nèi)的任何值。而且，輸出開關(guān)延遲可以通過選擇外電阻和電容在一個寬時間范圍內(nèi)改變。 LM567的管腳功能是：1腳為輸出濾波，2腳為回路濾波，3腳為輸入端，4腳為正電源端（電壓值需最小為4.75V，最大為9V），5腳為定時電阻端，6腳為定時電容端，7腳為接地端，8腳為輸出端。LM567的引腳功能圖（如圖3-12所示）。LM567的內(nèi)部原理圖（如圖2-9所示）。圖2-9 LM567的內(nèi)部電路圖

18、2.6 三端穩(wěn)壓器三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化，系列化的通用線性的穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小成本低性能好，工作可靠性高等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。三端穩(wěn)壓器的工作原理（如圖2-10所示）：原它與一般分立元件組成的串聯(lián)式的穩(wěn)壓電路基本相似的.不同的是增加了啟動電路,保護(hù)電路和恒流源。啟動電路是為恒流源建立工作點而設(shè)置的.恒流源設(shè)置在基準(zhǔn)電壓形成和誤差放大器電路中，是為了使穩(wěn)壓器能夠在比較大的電壓變化范圍內(nèi)正常可靠的工作。在芯片內(nèi)設(shè)置了兩種較為完善的保護(hù)電路：一是過流保護(hù)，一是過熱保護(hù)Rsc是過流保護(hù)的取樣電阻。Ri，Rb 為輸出采樣電阻。Rb 兩端上的電壓（反映輸出

19、電壓的大小的采樣電壓）與基準(zhǔn)電壓在誤差放大器中進(jìn)行比較和放大，產(chǎn)生誤差電壓，去控制調(diào)整管的工作狀態(tài)，從而穩(wěn)定輸出電壓。啟動電路恒流電源基礎(chǔ)電壓誤差放大調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)調(diào)整管短路保護(hù)過熱保護(hù)RBRARSCV 0輸出T地Vi輸入圖2-10 三端穩(wěn)壓器框圖2.7 LM567調(diào)制傳感器LM567是一種比較廉價的音頻鎖相環(huán)集成電路，利用它可以構(gòu)造性能較好的反射式光電傳感器由LM567的內(nèi)部振蕩器提供方波信號，點亮探頭的LED，由探頭的光敏管接收反射光。經(jīng)三極管放大，轉(zhuǎn)換成電壓信號后送到LM567的內(nèi)部鑒相器2同步調(diào)解，然后由LM567內(nèi)部的比較器轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出并聯(lián)負(fù)反饋放大電路有若穩(wěn)定的增益和低的輸入阻抗，能消除光敏管電容的影響，獲得良好的高頻特性。這個電路的缺點是當(dāng)多個探頭同時使用時因為頻率接近，一旦相鄰單元的光斑出現(xiàn)部分重合就會有干擾造成輸出抖動，