紅外自動水龍頭設計方案.doc

聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 目錄目錄 前言前言 1 1 1 總體方案設計總體方案設計 1 1 1 設計任務和要求 1 1 1 1 設計任務 1 1 1 2 設計要求 1 1 2 系統(tǒng)組成框圖 1 2 2 設計原理分析設計原理分析 2 2 1 電路主要芯片介紹 2 2 1 1 NE555 時基電路簡介 2 2 1 2 MC78L12CP 簡介 3 2 2 電路原理圖 3 2 3 主要單元電路設計 3 2 3 1 紅外線發(fā)射電路 3 2 3 2 紅外線接收電路 4 2 3 3 時間延遲電路 5 2 3 4 自動水龍頭開關電路 6 2 3 5 電源電路 7 3 3 用用 MultisimMultisim 仿真仿真 7 3 1 Multisim 仿真軟件簡介 7 3 1 1 Multisim 仿真軟件概述 7 3 1 2 Multisim 軟件的特點和結構 7 3 1 3 Multisim 的仿真特點 8 3 2 用 Multisim 軟件仿真的結果 9 結論結論 12 參考文獻參考文獻 13 致致謝謝 14 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 1 用用 MultisimMultisim 仿真紅外自動水龍頭仿真紅外自動水龍頭 前言前言 紅外自動水龍頭電路依靠紅外線控制水龍頭自動瞬時來水 自動延時斷水 既使用方便 又節(jié)約用水 紅外自動水龍頭采用非接觸的紅外感應方式自動開關 使用時手不接觸水龍頭 從而杜絕了細菌病毒的交叉感染 有效地預防了各種疾 病的傳播 在醫(yī)院 賓館 飯店 學校 超市等公共場所及家庭中都得到了廣泛 的應用 1 1 總體方案設計總體方案設計 1 11 1 設計任務和要求設計任務和要求 1 1 1 設計任務 設計一個紅外自動水龍頭開關控制電路 該電路能夠在人們需要用水的時候 通過感應裝置自動打開自來水開關 并且在打開開關一段時間后 自動關斷開關 從而起到節(jié)約用水的目的 1 1 2 設計要求 1 要求電路通過感應裝置 在人們需要用水的時候 自動打開水龍頭開關 2 要求電路在打開水龍頭開關一段時間后 自動關斷開關 3 要求電路能夠調節(jié)自動水龍頭開關打開的時間 1 21 2 系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)組成框圖 紅外自動水龍頭開關控制電路的總體框圖如圖 1 所示 圖 1 紅外自動水龍頭開關控制電路的總體框圖 紅外自動水龍頭開關控制電路是由紅外線發(fā)射電路 紅外線接收電路 時間 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 2 延遲電路 自動水龍頭開關電路和電源電路 5 部分構成的 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 時間延遲電路的功能 是利用單穩(wěn)態(tài)電路的特性 實現(xiàn)對自動水龍頭開關打開時間的控制 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 電源電路的功能是為上述所有電路提供直流電源 2 2 設計原理分析設計原理分析 2 12 1 電路主要芯片介紹電路主要芯片介紹 2 1 1 NE555 時基電路簡介 NE555 的內部電路結構圖如圖 2 所示 圖 2 NE555 內部電路結構圖 NE555 時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1C 基本 RS 觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管三部分組成 2CDT 其內部電路結構 是比較器的輸入端 也稱閾值端 用標注 1I 1CTH 是比較器的輸入端 也稱觸發(fā)端 用 標注 和的參考電壓 電2I 2CTR1C2C 壓比較的基準 和由經三個 5k 電阻分壓給出 在控制電壓輸入端R1VR2VVcc 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 3 懸空時 2 3 1 3 如果外接固定電壓 則VcoR1VVccR2VVccVco 1 2 是置零輸入端 只要在端加上低電平 輸出R1VVcoR2VVcoDRDR 端便立即被置成低電平 不受其他輸入端狀態(tài)的影響 正常工作時必須使O 處于高電平 圖中的數(shù)碼 1 8 為器件引腳的編號 DR 2 1 2 MC78L12CP 簡介 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 22 2 電路原理圖電路原理圖 紅外自動水龍頭開關控制電路的總電路圖如圖 3 所示 圖 3 紅外自動水龍頭開關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 時間延遲電路 自動水龍頭開 關電路和電源電路 5 部分構成 2 32 3 主要單元電路設計主要單元電路設計 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 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 4 GaAs 砷化鎵 的 PN 結構成 其發(fā)光波段處于可見光波段之外 因此不能在顯示 中使用 一般僅作為光信號傳輸之用 本電路的感應裝置一般要求不可見 因此 只能采用紅外線發(fā)光二極管作為感應裝置 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 而作為感應裝置則要求 其具有較大的光輸出 一般利用其響應速度快的特性 通過脈沖信號驅動來增大 光輸出 因此電路前端需要一個脈沖信號電路 本電路采用的是由 NE555 集成電 路構成的多諧振蕩器組成 其電路運行包括兩個過程 一是利用直流電源經電阻 和對電容的充電過程 二是電容經電阻從 NE555 集成電路的 DIS1R2R1C1C2R 端的放電過程 通過這兩個過程的交替運行 就可以在 NE555 集成電路的輸出端 Q 產生出脈沖信號 其輸出脈沖信號的頻率 f 和占空比 q 為 f 1 0 7 2 C1 1 0 7 220k 2 22k 100 F 541Hz 1 1R2R q R1 2 220k 220k 2 22k 83 3 2 1R2R 這樣輸出端 Q 輸出脈沖信號來控制紅外線發(fā)光二極管發(fā)射光脈沖 二極管 D1 起保護紅外線發(fā)光二極管的作用 2 3 2 紅外線接收電路及信號放大電路 該電路包含兩個部分 一是紅外線接收電路 二是信號放大電路 紅外線接 收電路實際上就是一個硅光電池 2CR21 硅光電池是一種直接把光能轉換成電能 的半導體器件 它的結構很簡單 核心部分是一個大面積的 PN 結 在光照條件 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 5 下 PN 結兩端能產生電動勢 接上負載后就形成電流 硅光電池的原理是通過硅 PN 結的光伏效應 使其具有按照光信號的強度產生出對應電信號的特性 這稱 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度 成正比 其開路電壓隨光強度按指數(shù)規(guī)律變化 由于其電流和光強度是線性關系 一般采用產生短路電流的方式來接收光信號 紅外線接收電路及信號放大電路如圖 5 所示 圖 5 紅外線接收電路及信號放大電路 硅光電池 2CR21 的輸出信號是一個十分微弱的信號 為了使后續(xù)電路能夠對 光強信號進行處理 因此需要加入信號放大電路 其信號放大電路是由電 阻 和 構成 電路中采用了雙三極管構成放大電路 這4R7R1T2T3C4C 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 倍從而得到更合適 的信號 和為放大電路集電極偏置電阻 和為放大電路的濾波電容 5R6R3C4C 為放大電路的反饋電阻 其功能是保證放大電路有一個穩(wěn)定的靜態(tài)工作點和4R 穩(wěn)定的輸出電壓 1V 2 3 3 時間延遲電路 該電路主要由兩部分構成 一是整流和濾波電路 二是由 NE555 集成電路構 成的單穩(wěn)態(tài)電路 前端電路的輸出電壓首先經過二極管和整流 再經過1V2D3D 電容濾波 則在 NE555 集成電路的 TRIG 端產生了觸發(fā)電平信號 5C 當接收到紅外線脈沖時 前端電路輸出電壓經由整流和濾波在 TRIG 端產1V 生一個高電平信號 由 NE555 集成電路構成的單穩(wěn)態(tài)電路特性可知 輸出端 Q 輸 出低電平 當由于人體或者物體的阻隔 沒有接收到紅外線脈沖時 前端電路沒 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 6 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 輸出端 Q 輸1V 出為高電平并保持一段時間 延遲時間由可變電阻和電容的數(shù)值決定 通9R6C 過調節(jié)可變電阻的大小 可以改變延遲時間的長短 以適合不同場合的應用 時間延遲電路如圖 6 所示 圖 6 時間延遲電路 2 3 4 自動水龍頭開關電路 由于電磁閥通過的是大電流 大功率 而直流電源一般無法提供很大的電流 和功率 因此電磁閥需要交流供電 從而電路中的開關需要采用繼電器電路 而 一般 NE555 集成電路的輸出電流無法驅動繼電器 因此需要加入電流放大電路 自動水龍頭開關電路如圖 7 所示 圖 7 自動水龍頭開關電路 該電路中的電流放大電路是由三極管 T3 構成的 這是一種比較典型和簡單 的電路 其中為限流電阻 防止輸入電流過大燒毀三極管 為共發(fā)射極電10R3T 路 當輸出端 Q 輸出高電平時 三極管導通飽和 將輸入電流放大 倍 當輸 出端 Q 輸出低電平時 三極管截止 無電流通過 繼電器連接的集電極 當3T 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 7 有電流驅動時 開關吸合 電磁閥通電 自來水流出 當無電流驅動時 開關斷 開 電磁閥不通電 沒有自來水流出 同時在繼電器兩端并聯(lián)一個二極管實現(xiàn)保 護 同時電路中加入發(fā)光二極管作為顯示電路 顯示自來水是否流出 4D 2 3 5 電源電路 電源電路的設計可以采用兩種方法來實現(xiàn) 第一種方法是采用電池供電 需 要注意的問題是選擇合適電池的指標參數(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 電路直接從電網供電 通過變壓器電路 整流電路 濾波電路和穩(wěn)壓電路將 電網中 220V 交流電轉換為 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)8C9C10C11C 壓電路采用三端穩(wěn)壓集成電路來實現(xiàn) 3 3 用用 MultisimMultisim 仿真仿真 3 13 1 MultisimMultisim 仿真軟件簡介仿真軟件簡介 3 1 1 Multisim 仿真軟件概述 Multisim 是一種專門用于電子電路仿真和設計的 EDA 工具軟件 屬于 Electronics workbench 系列軟件的高版本 Electronics workbench 簡稱 EWB 由 加拿大 Interactive Image Technologies 公司 簡稱 IIT 公司 于 1988 年推出 IIT 公司從 EWB6 0 版本開始 將電路圖輸入仿真與設計的模塊更名為 Multisim 3 1 2 Multisim 軟件的特點和結構 Multisim 在保留了 EWB 原有優(yōu)點的基礎上 大大擴充了元件庫中電路的數(shù) 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 8 目 增強了軟件的仿真測試和分析功能 可實現(xiàn)模擬 數(shù)字電路的 Spice 仿真 VHDL Verilog 設計與仿真 RF 電路仿真等 Multisim 軟件具有以下一些特點 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 實物相似 可以實現(xiàn)虛擬實驗 軟件帶有豐富的電路元件庫 并提供多種電路分析方法 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 的測試儀器均可直接從運行的窗口上選取 操作方便 易學易用 很適合電子類課程的教學和實驗 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 并可對元件屬性進行編 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 還有些獨有的功能 例如零極點分析 虛擬儀器模塊 是 Multisim 最有特色的部分 與 EWB 相比 它種類更多 使用操作更方便 后續(xù)處理模塊 可進行電路分析結果的后續(xù)處理 包括與多種軟件的轉換 其中分析模塊與虛擬儀器模塊構成了強大的分析與仿真功能 3 1 3 Multisim 的仿真特點 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 種方式相結合的仿真引擎 對于設計制作 PCB 電路板的電路 比較適合使用 XSpice 仿真引擎 對于使用可編程器件構造的數(shù)字電路 比較適合使用行為級 描述語言進行輸入和仿真分析 一般使用 VHDL 和 Verilog 仿真 對于復雜的數(shù) 字器件 比如 LSI 或 VLSI 屬于晶體管 門級描述語言 一般用于 VHDL 和 Verilog 仿真 2 交互式仿真 Multisim 最獨特的性能之一就是能對電路進行交互式仿真 可以通過改變 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 9 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) 實時地觀察電路性能的變化和仿真結果 3 支持網表仿真 Multisim 可以不在電路中進行仿真 只需在 Multisim 中輸入電路的網表 用戶通過從命令行輸入命令 即可對電路進行仿真 通過執(zhí)行 View Show XSopice Command Line Interface 菜單命令 可以打開仿真命令窗口 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 當用戶開始對電路進行仿真分析時 Multisim 首先對電路進行一致性檢查 以便發(fā)現(xiàn)電路的連接是否符合設計規(guī)則 比如是否存在開路 短路 是否接地等 同時把檢查的錯誤內容寫入錯誤日志中 注意 Multisim 在進行電路一致性檢 查時 僅僅對可能導致仿真錯誤的問題進行檢查 并不對電路的功能和性能等進 行檢查 3 23 2 用用 MultisimMultisim 軟件仿真的結果軟件仿真的結果 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 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 10 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1V 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 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 11 圖 11 處輸出的電壓仿真波形圖1V 由圖 10 圖 11 可知 通過紅外線發(fā)射電路和接收電路 在處可以輸出穩(wěn)1V 定的電壓 從而保證時間延遲電路 自動水龍頭開關電路的正常工作 3 紅外自動水龍頭開關斷開 吸合的工作狀態(tài)仿真分別如圖 12 圖 13 所 示 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 12 圖 12 紅外自動水龍頭開關斷開的工作狀態(tài)仿真圖 圖 13 紅外自動水龍頭開關吸合的工作狀態(tài)仿真圖 由圖 12 圖 13 可知 當由于人體或者物體的阻隔 沒有接收到紅外線脈沖 時 前端電路沒有輸出電壓 則 NE555 的 TRIG 端輸入為零 單穩(wěn)態(tài)電路接收1V 到觸發(fā)信號 輸出端輸出為高電平并保持一段時間 使自動水龍頭開關電路有電 流流過 當有電流驅動時 開關吸合 電磁閥通電 自來水流出 當沒有人體或 者物體的阻隔時 NE555 的 TRIG 端輸入為 1 單穩(wěn)態(tài)電路的輸出端輸出低電平 自動水龍頭開關電路中沒有電流流過 無電流驅動 則開關斷開 電磁閥不通電 沒有自來水流出 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 來水是否流出 發(fā)光二極管 LED2 和燈泡 X2 亮則自來水流出 不亮則不流 結論結論 NE555 屬于 CMOS 工藝制造 使用 NE555 時基電路等器件設計紅外線自動水 龍頭 可實現(xiàn)專用芯片 TL5108 的功能 而且設計簡單 實用 NE555 時基電路 巧妙地將模擬電路和數(shù)字電路結合在一起 在很多電路設計中都有廣泛的應用 同時 在整個畢業(yè)設計過程中 我加深了對 NE555 時基電路以及其它器件的理解 聊城大學本科畢業(yè)論文 設計 13 和認識 鍛煉了我的設計能力 以上所設計的用 Multisim 仿真紅外自動水龍頭經過了多次的修改和整理 可以滿足人們的基本要求 但因為水平有限 電路中也存在一定的問題 但可以 通過增加電路來解決 通過這段時間的學習 我感覺收獲很大 首先 通過學習使自己可以把課 本上的知識應用于實際 使理論與實際相結合 加深了自己對課本知識的理解 也鍛煉了我個人的動手能力 同時通過查閱資料還學會了許多課本以外的知識 參考文獻參考文獻 1 李銀華 王新全 江泳 電子線路設計指導 北京 北京航空航天大學出版社 2005 6 41 45 2 尹勇 李林凌 Multisim 電路仿真入門與進階 北京 科學出版社 2005 2 164 165 3 嚴飛 姜源 楊碧石 妙用電子模塊 222 例 北京 中國電力出版社 2006 139 141 4 秉時 一種紅外全自動水龍頭的制作 紅外 2003 02 48 49 5 馬崇林 TL5108 紅外感應水龍頭專用芯片應用 家庭電子 2004 02 20 21 6 閻光明 基于 EM78P156E 的自動紅外控制系統(tǒng)設計 國外電子元器件 2001 05 51 52 7 閻石 數(shù)字電子技術基礎 北京 高等教育出版社 2004 3 348 349 8 肖景和 CMOS 數(shù)字電路應用 300 例 北京 中國電力出版 2005 1 199 200 9 湯山俊夫 數(shù)字電路設計與制作 北京