紅外自動(dòng)水龍頭設(shè)計(jì)方案試卷教案

目錄TOC\o"1—3”\h\z\uHYPERLINK\l”_Toc89682099”前言 1HYPERLINK\l”_Toc89682100”1。總體方案設(shè)計(jì) 11。1設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 11。1。2設(shè)計(jì)要求 1HYPERLINK\l”_Toc89682104"1.2系統(tǒng)組成框圖 1HYPERLINK\l”_Toc89682105"2。設(shè)計(jì)原理分析 2HYPERLINK\l”_Toc89682106"2。1電路主要芯片介紹 2HYPERLINK\l”_Toc89682107”2。1.1NE555時(shí)基電路簡(jiǎn)介 2HYPERLINK\l”_Toc89682108"2.1。2MC78L12CP簡(jiǎn)介 32.3。1紅外線發(fā)射電路 3HYPERLINK\l”_Toc89682112”2.3.2紅外線接收電路 42。3。3時(shí)間延遲電路 53.1Multisim仿真軟件簡(jiǎn)介 7_Toc89682119”3.1。2Multisim軟件的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu) 7HYPERLINK\l”_Toc89682120"3。1。3Multisim的仿真特點(diǎn) 8HYPERLINK\l”_Toc89682121"3。2用Multisim軟件仿真的結(jié)果 9HYPERLINK\l”_Toc89682122"結(jié)論 12參考文獻(xiàn) 13致謝 14用Multisim仿真紅外自動(dòng)水龍頭前言紅外自動(dòng)水龍頭電路依靠紅外線控制水龍頭自動(dòng)瞬時(shí)來(lái)水，自動(dòng)延時(shí)斷水,既使用方便,又節(jié)約用水。紅外自動(dòng)水龍頭采用非接觸的紅外感應(yīng)方式自動(dòng)開(kāi)關(guān)，使用時(shí)手不接觸水龍頭,從而杜絕了細(xì)菌病毒的交叉感染，有效地預(yù)防了各種疾病的傳播.在醫(yī)院、賓館、飯店、學(xué)校、超市等公共場(chǎng)所及家庭中都得到了廣泛的應(yīng)用.1?？傮w方案設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1。1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)紅外自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)控制電路。該電路能夠在人們需要用水的時(shí)候，通過(guò)感應(yīng)裝置自動(dòng)打開(kāi)自來(lái)水開(kāi)關(guān)，并且在打開(kāi)開(kāi)關(guān)一段時(shí)間后，自動(dòng)關(guān)斷開(kāi)關(guān)，從而起到節(jié)約用水的目的.1。1.2設(shè)計(jì)要求1.要求電路通過(guò)感應(yīng)裝置，在人們需要用水的時(shí)候，自動(dòng)打開(kāi)水龍頭開(kāi)關(guān)。2。要求電路在打開(kāi)水龍頭開(kāi)關(guān)一段時(shí)間后，自動(dòng)關(guān)斷開(kāi)關(guān)。3.要求電路能夠調(diào)節(jié)自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)打開(kāi)的時(shí)間。1.2系統(tǒng)組成框圖紅外自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)控制電路的總體框圖如圖1所示：圖1紅外自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)控制電路的總體框圖紅外自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)控制電路是由紅外線發(fā)射電路、紅外線接收電路、時(shí)間延遲電路、自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)電路和電源電路5部分構(gòu)成的.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(shí)現(xiàn)電路對(duì)人體或物體的感應(yīng)。紅外線接收電路功能是利用光敏元件接收發(fā)射出來(lái)的光脈沖，并且將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行放大。時(shí)間延遲電路的功能是利用單穩(wěn)態(tài)電路的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)間的控制。自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)電路的功能是利用電磁閥作為自動(dòng)水龍頭的開(kāi)關(guān),從而可以通過(guò)電信號(hào)對(duì)自來(lái)水進(jìn)行控制.電源電路的功能是為上述所有電路提供直流電源。2。設(shè)計(jì)原理分析2.1電路主要芯片介紹2。1.1NE555時(shí)基電路簡(jiǎn)介NE555的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：圖2NE555內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖NE555時(shí)基電路是一種多用途的數(shù)字—模擬混合集成電路，它由比較器和、基本RS觸發(fā)器和集電極開(kāi)路的放電三極管三部分組成。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)：是比較器的輸入端(也稱(chēng)閾值端，用標(biāo)注），是比較器的輸入端（也稱(chēng)觸發(fā)端，用）標(biāo)注。和的參考電壓（電壓比較的基準(zhǔn)）和由經(jīng)三個(gè)5kΩ電阻分壓給出.在控制電壓輸入端懸空時(shí)，=(2/3），=（1/3)。如果外接固定電壓，則=，=（1/2).是置零輸入端.只要在端加上低電平，輸出端便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時(shí)必須使處于高電平。圖中的數(shù)碼1～8為器件引腳的編號(hào)。2.1.2MC78L12CP簡(jiǎn)介MC78L12CP是一種三端小電流正穩(wěn)壓電源，它的最大輸出電流是100mA。2.2電路原理圖紅外自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)控制電路的總電路圖如圖3所示：圖3紅外自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)控制電路的總電路圖該電路由紅外線發(fā)射電路、紅外線接收電路、時(shí)間延遲電路、自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)電路和電源電路5部分構(gòu)成。2。3主要單元電路設(shè)計(jì)2.3。1紅外線發(fā)射電路該電路的核心器件是紅外線發(fā)光二極管SE303。紅外線發(fā)光二極管由GaAs(砷化鎵)的PN結(jié)構(gòu)成，其發(fā)光波段處于可見(jiàn)光波段之外，因此不能在顯示中使用，一般僅作為光信號(hào)傳輸之用。本電路的感應(yīng)裝置一般要求不可見(jiàn)，因此只能采用紅外線發(fā)光二極管作為感應(yīng)裝置.紅外線發(fā)射電路如圖4所示:圖4紅外線發(fā)射電路紅外線發(fā)光二極管正向電流不能超出其最大額定值，而作為感應(yīng)裝置則要求其具有較大的光輸出。一般利用其響應(yīng)速度快的特性，通過(guò)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)來(lái)增大光輸出。因此電路前端需要一個(gè)脈沖信號(hào)電路，本電路采用的是由NE555集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器組成。其電路運(yùn)行包括兩個(gè)過(guò)程：一是利用直流電源經(jīng)電阻和對(duì)電容的充電過(guò)程;二是電容經(jīng)電阻從NE555集成電路的DIS端的放電過(guò)程。通過(guò)這兩個(gè)過(guò)程的交替運(yùn)行，就可以在NE555集成電路的輸出端Q產(chǎn)生出脈沖信號(hào)。其輸出脈沖信號(hào)的頻率f和占空比q為：f=1/0。7（+2)C1=1/0。7（220kΩ+2×22kΩ)100μF≈541Hz（1)q=R1/（+2）=220kΩ/（220kΩ+2×22kΩ）≈83.3﹪(2)這樣輸出端Q輸出脈沖信號(hào)來(lái)控制紅外線發(fā)光二極管發(fā)射光脈沖，二極管D1起保護(hù)紅外線發(fā)光二極管的作用。2.3。2紅外線接收電路及信號(hào)放大電路該電路包含兩個(gè)部分：一是紅外線接收電路；二是信號(hào)放大電路.紅外線接收電路實(shí)際上就是一個(gè)硅光電池2CR21。硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，核心部分是一個(gè)大面積的PN結(jié)，在光照條件下PN結(jié)兩端能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，接上負(fù)載后就形成電流。硅光電池的原理是通過(guò)硅PN結(jié)的光伏效應(yīng),使其具有按照光信號(hào)的強(qiáng)度產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)電信號(hào)的特性，這稱(chēng)為光敏器件.硅光電池的輸出特性分為恒流區(qū)和恒壓區(qū),即其短路電流與光強(qiáng)度成正比，其開(kāi)路電壓隨光強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律變化，由于其電流和光強(qiáng)度是線性關(guān)系，一般采用產(chǎn)生短路電流的方式來(lái)接收光信號(hào)。紅外線接收電路及信號(hào)放大電路如圖5所示:圖5紅外線接收電路及信號(hào)放大電路硅光電池2CR21的輸出信號(hào)是一個(gè)十分微弱的信號(hào)，為了使后續(xù)電路能夠?qū)鈴?qiáng)信號(hào)進(jìn)行處理，因此需要加入信號(hào)放大電路。其信號(hào)放大電路是由電阻～、、和、構(gòu)成，電路中采用了雙三極管構(gòu)成放大電路，這樣就可以使得電路的放大倍數(shù)比單管放大電路的倍數(shù)增加β倍從而得到更合適的信號(hào)。和為放大電路集電極偏置電阻，和為放大電路的濾波電容。為放大電路的反饋電阻，其功能是保證放大電路有一個(gè)穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)定的輸出電壓.2。3.3時(shí)間延遲電路該電路主要由兩部分構(gòu)成：一是整流和濾波電路；二是由NE555集成電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路。前端電路的輸出電壓首先經(jīng)過(guò)二極管和整流,再經(jīng)過(guò)電容濾波，則在NE555集成電路的TRIG端產(chǎn)生了觸發(fā)電平信號(hào)。當(dāng)接收到紅外線脈沖時(shí)，前端電路輸出電壓經(jīng)由整流和濾波在TRIG端產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)，由NE555集成電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路特性可知，輸出端Q輸出低電平。當(dāng)由于人體或者物體的阻隔，沒(méi)有接收到紅外線脈沖時(shí)，前端電路沒(méi)有輸出電壓，則TRIG端輸入為零,單穩(wěn)態(tài)電路接收到觸發(fā)信號(hào)，輸出端Q輸出為高電平并保持一段時(shí)間.延遲時(shí)間由可變電阻和電容的數(shù)值決定，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻的大小，可以改變延遲時(shí)間的長(zhǎng)短,以適合不同場(chǎng)合的應(yīng)用。時(shí)間延遲電路如圖6所示：圖6時(shí)間延遲電路2。3.4自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)電路由于電磁閥通過(guò)的是大電流、大功率，而直流電源一般無(wú)法提供很大的電流和功率，因此電磁閥需要交流供電，從而電路中的開(kāi)關(guān)需要采用繼電器電路。而一般NE555集成電路的輸出電流無(wú)法驅(qū)動(dòng)繼電器，因此需要加入電流放大電路。自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)電路如圖7所示：圖7自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)電路該電路中的電流放大電路是由三極管T3構(gòu)成的，這是一種比較典型和簡(jiǎn)單的電路。其中為限流電阻，防止輸入電流過(guò)大燒毀三極管.為共發(fā)射極電路，當(dāng)輸出端Q輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通飽和,將輸入電流放大β倍；當(dāng)輸出端Q輸出低電平時(shí)，三極管截止，無(wú)電流通過(guò)。繼電器連接的集電極，當(dāng)有電流驅(qū)動(dòng)時(shí),開(kāi)關(guān)吸合，電磁閥通電，自來(lái)水流出;當(dāng)無(wú)電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電磁閥不通電,沒(méi)有自來(lái)水流出，同時(shí)在繼電器兩端并聯(lián)一個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)保護(hù)。同時(shí)電路中加入發(fā)光二極管作為顯示電路，顯示自來(lái)水是否流出。2.3。5電源電路電源電路的設(shè)計(jì)可以采用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：第一種方法是采用電池供電,需要注意的問(wèn)題是選擇合適電池的指標(biāo)參數(shù)與電路相匹配;第二種方法就是采用如圖8所示的電源電路。圖8電源電路電路直接從電網(wǎng)供電，通過(guò)變壓器電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路將電網(wǎng)中220V交流電轉(zhuǎn)換為+12V直流電壓。電路中的變壓器采用常規(guī)的鐵心變壓器,整流電路采用二極管橋式整流電路，、、和完成濾波功能，穩(wěn)壓電路采用三端穩(wěn)壓集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。3。用Multisim仿真3.1Multisim仿真軟件簡(jiǎn)介3.1.1Multisim仿真軟件概述Multisim是一種專(zhuān)門(mén)用于電子電路仿真和設(shè)計(jì)的EDA工具軟件，屬于Electronicsworkbench系列軟件的高版本。Electronicsworkbench(簡(jiǎn)稱(chēng)EWB)由加拿大InteractiveImageTechnologies公司（簡(jiǎn)稱(chēng)IIT公司）于1988年推出。IIT公司從EWB6。0版本開(kāi)始，將電路圖輸入仿真與設(shè)計(jì)的模塊更名為Multisim。3。1。2Multisim軟件的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)Multisim在保留了EWB原有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,大大擴(kuò)充了元件庫(kù)中電路的數(shù)目，增強(qiáng)了軟件的仿真測(cè)試和分析功能,可實(shí)現(xiàn)模擬/數(shù)字電路的Spice仿真、VHDL/Verilog設(shè)計(jì)與仿真、RF電路仿真等。Multisim軟件具有以下一些特點(diǎn)：⑴最突出的是軟件中提供各種虛擬儀器。其控制面板外形和操作方式都與實(shí)物相似，可以實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)。⑵軟件帶有豐富的電路元件庫(kù),并提供多種電路分析方法。⑶采用直觀的電路圖輸入方式。繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測(cè)試儀器均可直接從運(yùn)行的窗口上選取。⑷操作方便、易學(xué)易用，很適合電子類(lèi)課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)。Multisim由五部分組成：輸入模塊、器件模型處理模塊、分析模塊、虛擬儀器模塊、后續(xù)處理模塊.各部分的功能大體如下.輸入模塊：用戶以圖形方式輸入電路圖。器件模型處理模塊：Multisim提供了豐富的元件，并可對(duì)元件屬性進(jìn)行編輯,還可以創(chuàng)造新元件。分析模塊：Multisim的分析方法比較豐富，共有18種分析方法。除具有Spice基本分析方法外，還有些獨(dú)有的功能，例如零極點(diǎn)分析。虛擬儀器模塊：是Multisim最有特色的部分。與EWB相比,它種類(lèi)更多，使用操作更方便。后續(xù)處理模塊：可進(jìn)行電路分析結(jié)果的后續(xù)處理，包括與多種軟件的轉(zhuǎn)換。其中分析模塊與虛擬儀器模塊構(gòu)成了強(qiáng)大的分析與仿真功能。3.1.3Multisim的仿真特點(diǎn)1．多種仿真引擎Multisim提供了多種電路仿真引擎，包括XSpice、VHDL、Verilog以及這3種方式相結(jié)合的仿真引擎。對(duì)于設(shè)計(jì)制作PCB電路板的電路，比較適合使用XSpice仿真引擎;對(duì)于使用可編程器件構(gòu)造的數(shù)字電路,比較適合使用行為級(jí)描述語(yǔ)言進(jìn)行輸入和仿真分析，一般使用VHDL和Verilog仿真；對(duì)于復(fù)雜的數(shù)字器件，比如LSI或VLSI，屬于晶體管——門(mén)級(jí)描述語(yǔ)言，一般用于VHDL和Verilog仿真。2．交互式仿真Multisim最獨(dú)特的性能之一就是能對(duì)電路進(jìn)行交互式仿真?？梢酝ㄟ^(guò)改變電路中的元器件的參數(shù)（比如電源值的大小、電阻的阻值大小等）,或者改變仿真儀器的參數(shù)，實(shí)時(shí)地觀察電路性能的變化和仿真結(jié)果.3．支持網(wǎng)表仿真Multisim可以不在電路中進(jìn)行仿真,只需在Multisim中輸入電路的網(wǎng)表，用戶通過(guò)從命令行輸入命令，即可對(duì)電路進(jìn)行仿真。通過(guò)執(zhí)行View→ShowXSopiceCommandLineInterface菜單命令,可以打開(kāi)仿真命令窗口.用戶可以直接在該窗口中輸入各種仿真命令。4．電路一致性檢查當(dāng)用戶開(kāi)始對(duì)電路進(jìn)行仿真分析時(shí)，Multisim首先對(duì)電路進(jìn)行一致性檢查，以便發(fā)現(xiàn)電路的連接是否符合設(shè)計(jì)規(guī)則，比如是否存在開(kāi)路、短路，是否接地等,同時(shí)把檢查的錯(cuò)誤內(nèi)容寫(xiě)入錯(cuò)誤日志中.注意，Multisim在進(jìn)行電路一致性檢查時(shí)，僅僅對(duì)可能導(dǎo)致仿真錯(cuò)誤的問(wèn)題進(jìn)行檢查，并不對(duì)電路的功能和性能等進(jìn)行檢查。3。2用Multisim軟件仿真的結(jié)果1.紅外線發(fā)射電路的工作狀態(tài)仿真如圖9所示：圖9紅外線發(fā)射電路的工作狀態(tài)仿真圖由于條件有限，用發(fā)光二極管和燈泡的亮、滅來(lái)代替電路是否能夠正常工作，能正常工作則發(fā)光二極管和燈就亮，不能正常工作則發(fā)光二極管和燈就滅。由圖9可知，紅外線發(fā)射電路可以正常工作.2。紅外線發(fā)射、接收電路的工作狀態(tài)仿真，處輸出的電壓波形仿真分別如圖10、圖11所示：圖10紅外線發(fā)射、接收電路的工作狀態(tài)仿真圖圖11處輸出的電壓仿真波形圖由圖10、圖11可知，通過(guò)紅外線發(fā)射電路和接收電路,在處可以輸出穩(wěn)定的電壓，從而保證時(shí)間延遲電路、自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)電路的正常工作.3．紅外自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、吸合的工作狀態(tài)仿真分別如圖12、圖13所示：圖12紅外自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的工作狀態(tài)仿真圖圖13紅外自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)吸合的工作狀態(tài)仿真圖由圖12、圖13可知,當(dāng)由于人體或者物體的阻隔，沒(méi)有接收到紅外線脈沖時(shí)，前端電路沒(méi)有輸出電壓，則NE555的TRIG端輸入為零,單穩(wěn)態(tài)電路接收到觸發(fā)信號(hào)，輸出端輸出為高電平并保持一段時(shí)間，使自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)電路有電流流過(guò)，當(dāng)有電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)吸合，電磁閥通電,自來(lái)水流出;當(dāng)沒(méi)有人體或者物體的阻隔時(shí),NE555的TRIG端輸入為1,單穩(wěn)態(tài)電路的輸出端輸出低電平，自動(dòng)水龍頭開(kāi)關(guān)電路中沒(méi)有電流流過(guò)，無(wú)電流驅(qū)動(dòng)，則開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電磁閥不通電，沒(méi)有自來(lái)水流出.電路中加入發(fā)光二極管LED2和燈泡X2作為顯示電路，顯示自來(lái)水是否流出；發(fā)光二極管LED2和燈泡X2亮則自來(lái)水流出,不亮則不流。結(jié)論NE555屬于CMOS工藝制造，使用NE555時(shí)基電路等器件設(shè)計(jì)紅外線自動(dòng)水龍頭，可實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用芯片TL5108的功能，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)用.NE555時(shí)基電路巧妙地將模擬電路和數(shù)字電路結(jié)合在一起,在很多電路設(shè)計(jì)中都有廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我加深了對(duì)NE555時(shí)基電路以及其它器件的理解和認(rèn)識(shí)，鍛煉了我的設(shè)計(jì)能力。以上所設(shè)計(jì)的用Multisim仿真紅外自動(dòng)水龍頭經(jīng)過(guò)了多次的修改和整理，可以滿足人們的基本要求，但因?yàn)樗接邢?，電路中也存在一定的?wèn)題,但可以通過(guò)增加電路來(lái)解決。通過(guò)這段時(shí)間的學(xué)習(xí)，我感覺(jué)收獲很大：首先，通過(guò)學(xué)習(xí)使自己可以把課本上的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，使理論與實(shí)際相結(jié)合，加深了自己對(duì)課本知識(shí)的理解，也鍛煉了我個(gè)人的動(dòng)手能力，同時(shí)通過(guò)查閱資料還學(xué)會(huì)了許多課本以外的知識(shí).參考文獻(xiàn)［1]李銀華，王新全,江泳。電子線路設(shè)計(jì)指導(dǎo)。北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005,6：41-45。［2]尹勇,李林凌.Multisim電路仿真入門(mén)與進(jìn)階。北京:科學(xué)出版社，2005，2:164—165。［3］嚴(yán)飛,姜源,楊碧石.妙用電子模塊222例。北京:中國(guó)電力出版社,2006:139—141.［4]秉時(shí)。一種紅外全自動(dòng)水龍頭的制作.紅外,2003(02）：48—49。[5]馬崇林.TL5108紅外感應(yīng)水龍頭專(zhuān)用芯片應(yīng)用.家庭電子,2004(02）：20—21。［6]閻光明.基于EM78P156E的自動(dòng)紅外控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).國(guó)外電子元器件，2001(05):51-52.[7］閻