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文檔簡介

1、 畢業(yè)設計論文 (黑體一號) (黑體小二) 系 電子信息工程系 (宋體三號) 專業(yè) 姓名 班級 學號_ 指導教師 職稱 指導教師 職稱 設計時間 2012.9.152013.1.4 目錄摘要1、紅外線控制自動水龍頭純硬件系統(tǒng)設計1.1水龍頭的構成及傳感器控制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1.4 紅外線控制自動水龍頭的工作原理2、單元電路的設計2.1 穩(wěn)壓電源的設計2.2 光電對管電路設計2.3 紅外接受控制電路的設計2.4電壓比較器電路的設計2.5繼電器電路的設計2.6 三端穩(wěn)壓器參考文獻附錄元件列表摘要隨著經濟的不斷發(fā)展,人們對淡水的需求不斷增加,不久的將來

2、,淡水資源緊缺將成為世界各國普遍面臨的嚴峻問題。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,約為世界人均水量的四分之一,世界排110位。由于全自動感應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水龍頭致使水白白流走的問題,伸手就來水,離開就關閉的功能,從而有效地節(jié)約用水60%以上,特別適合我國嚴重缺水的地區(qū)。目前全自動感應水龍頭普遍應用在人流量密集的火車站、汽車站、飛機場、醫(yī)院等公共場所伸手就來水,離開就關閉的功能,從而有效地節(jié)約用水60%以上,特別適合我國嚴重缺水的地區(qū)。目前全自動感應水龍頭普遍應用在人流量密集的火車站

3、、汽車站、飛機場、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菌污染,開關水完全由感應器自動完成,無需接觸水龍頭,有效避免細菌及交叉感染。全自動感應水龍頭安裝方便、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,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

4、重要意義。本文介紹的全自動感應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。當人或事物靠近時,自動產生控制信號,繼電器動作,使電磁閥得電吸合從而自動打開水源;反之則自動關閉水源。與傳統(tǒng)供水設施相比,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)電路設計簡單實用,可以廣泛用于商場、學校、辦公大樓等人員密集場所?!娟P鍵詞】傳感器;紅外線第一章紅外線控制自動水龍頭純硬件系統(tǒng)設計1.1 水龍頭的構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。當有物體靠近時,一部

5、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地面明暗和顏色的變化,也可以探測有無接近的物體。我設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,從而進行光電轉換,通過比較器,來控制繼電器,使水源打開。紅外線控制自動水龍頭的控制過程是:當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換為電信號,經過比較器

6、比較,比較后輸出低電平,最后驅動電路控制繼電器動作打開水源。當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,經過比較器比較輸出高電平,使繼電器斷開,從而關閉水源(這里用LED燈模擬水源的關閉)。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4個部分。系統(tǒng)組如圖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

7、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2-3所示)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2-4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,電壓是不同的發(fā)射接

8、收反射表面xx/mm4Vout10圖1-3 紅外發(fā)射接收原理圖 圖1-4 光強度相應曲線圖1.4 紅外線控制自動水龍頭的工作原理1.4.1 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紅外線檢測電路(光電對管)、比較器電路(LM358)、繼電器電路(SRD-05VDC-SL-C)、LED電路。1.4.2 紅外線水龍頭控制電路工作原理接通電源微電腦芯片經初始化后,控制發(fā)射管不斷發(fā)射紅外光,當人體的手放在感應水龍頭的感應窗前紅外光區(qū)域內時,由于人手的摭擋,一部分紅外光反射后被紅外線接收頭(管)接收,經過光電轉及微電腦處理后,驅動器輸出30ms正向電流,脈沖電磁閥開啟;當人手離開感應窗前紅

9、外光區(qū)域內時,紅外線接收頭(管)沒有接收到信號,微電腦處理后,驅動器輸出30ms反向電流,脈沖電磁閥關閉,等待下一信號,此時微電腦處于睡眠狀態(tài),功耗只有1uA。紅外水龍頭控制過程是,當人或物體接近自動水龍頭時,紅外發(fā)射光電管發(fā)出的紅外經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換為電信號,經過后續(xù)電路進一步放大、整形、譯碼,最后驅動電路控制電磁閥動作打開水源。當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,驅動電路斷電電磁閥電源。我設計的感應水龍頭工作原理:當有人靠近時,光電對管由高電平變成低電平,通過比較器比較,輸出低電平,繼電器吸合,交流電壓被接通,從而使

10、水龍頭的電池閥動作,水源打開,這里用LED模擬的,當繼電器吸合時,LED燈亮了,表示水源打開。第2章 單元電路的設計2.1 穩(wěn)壓電源的設計電路為輸出電壓+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。三端穩(wěn)壓集成電路7805,電子產品中,常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 ×× 系列和負電壓輸出的79××系列。顧名思義,三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路,只有三條引腳輸出,分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管,T

11、O- 220 的標準封裝,也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少,電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路,使用起來可靠、方便,而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓,如7806表示輸出電壓為正6V,7909表示輸出電壓為負9V。因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便,電子制作中經常采用。在實際應用中,應在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器(當然小功率的條件下不用)。當穩(wěn)壓管溫度過高時,穩(wěn)壓性能將變差,甚至損壞。當制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源,通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并

12、聯(lián)起來,使其最大輸出電流為N個1.5A,但應用時需注意:并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應采用同一廠家、同一批號的產品,以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量,以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導致其他電路的連鎖燒毀。在78 * 、79 * 系列三端穩(wěn)壓器中最常應用的是TO-220 和TO-202 兩種封裝。這兩種封裝的圖形以及引腳序號、引腳功能如附圖所示。圖中的引腳號標注方法是按照引腳電位從高到底的順序標注的。這樣標注便于記憶。引腳1為最高電位,2腳為最低電位,2腳居中。從圖中可以看出,不論正壓還是負壓,2腳均為輸出端。對于78*正壓系列,輸入是最高電位,自然是2腳,地端為最低電位,即3腳,如附圖

13、所示。對與79*負壓系列,輸入為最低電位,自然是3腳,而地端為最高電位,即1腳。200v交流電通過電源變壓器變換成交流低壓,再經過橋式整流電路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載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產生精度高,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 光電對管電路的設計 R1是限流電阻,R2是控制光電開關的檢測距離,理論范圍內,阻值越大,檢測的范圍越遠,R3是一個

14、滑動變阻器(電位器),用來調節(jié)比較電壓的大小,VIN+和VIN-是輸入比較的兩個電壓。當有人時,VIN+由高電平變成低電平,這是 VIN-輸入的電壓高于VIN+的電壓,于是比較器輸出低電平。通過這樣的設計,就可以檢測人體,然后控制水龍頭的打開和關閉。 2.2 紅外接受控制電路的設計本電路是用小型一體化紅外接收/解調塊接受頭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、開關放大電路VT9013、固態(tài)繼電器TAC08、電磁閥構成控制電路。紅外線遙控器已被廣泛使用在各種類型的家電產品上,它的出現(xiàn)給使用電器提供了很多的便利

15、。紅外線感應開關對于自動控制設備、照明安全防盜自動設備人身防護等都有著很廣泛的應用。是一款真正的節(jié)能、環(huán)保、人性化產品。自然界中任何高于絕對溫度- 273度時物體都將產生紅外光譜不同溫度的物體其釋放的紅外能量的波長是不一樣的。萊亮人體紅外感應開關就是采用這一原理制成的它是一種被動紅外探測開關。 在被動紅外探測器中有兩個關鍵性的元件。 一個是熱釋電紅外傳感器(PIR)它能將波長為8一12um之間的紅外信號變化轉變?yōu)殡娦盘柌⒛軐ψ匀唤缰械陌坠庑盘柧哂幸种谱饔靡虼嗽诒粍蛹t外探測器的警戒區(qū)內當無人體移動時熱釋電紅外感應器感應到的只是背景溫度當人體進人警戒區(qū)通過菲涅爾透鏡熱釋電紅外感應器感應到的是人體溫

16、度與背景溫度的差異信號因此紅外探測器的紅外探測的基本概念就是感應移動物體與背景物體的溫度的差異。另外一個器件就是菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡有兩種形式即折射式和反射式。菲涅爾透鏡作用有兩個:一是聚焦作用即將熱釋的紅外信號折射反射在PIR上第二個作用是將警戒區(qū)內分為若干個明區(qū)和暗區(qū)使進入警戒區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號這樣PIR就能產生變化的電信號。單位增益頻帶寬(約1MHz) ,電源電壓范圍寬:單電源(330V),電源(±1.5 一±15V),內部包括倆個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器,適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用,也適合于雙電源工

17、作模式,在推存的工作條件下,電源電流和電源電壓無關,它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他的所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358的封裝有塑封8引線雙列直插式和貼片。這里采用8腳雙列直插塑封。2.3 紅外接受控制電路的設計 如圖,這是一個典型的例子,當有光反射回來時,光電對管中的三極管導通,R2的上端變?yōu)楦唠娖剑藭rVT1飽和導通,三極管集電極輸出低電平。當沒有光反射回來時,光電對管的三極管不導通,VT1截止,其集電極輸出高電平。VT1在在該電路中起到濾波整型的作用。經試驗和示波器驗證,該電路工作性能一般,輸出還有雜散干擾波的成分。如果輸出加施密特觸發(fā)器就可以實現(xiàn)良好的輸

18、出波形。但是這種電路用電量較大,給此種傳感器調理電路供電的電池壓降較快。究其原因,因為光敏三極管和三極管VT1導通時的導通電流較大。因此我們采用如下方案,如圖所示通過一個電壓比較器,來減少上述的不足,經過試驗,這個方案是可行的,通過輸出的高低電平來控制繼電器K吸合,使其常開觸點閉合,使水龍頭放出自來水,同時LED發(fā)出光,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,LED熄滅。2.4電壓放大電路的設計電壓放大電路采用LM358集成運算放大器,(如圖所示)。LM358是高性能內補償運算放大器,功耗低,無需外部頻率補償,具有短路保護和失調電壓調零能力。LM358的管腳功能是:1腳

19、為輸出端,2腳為反相輸入端,3腳為同相輸入端,4腳為負電源端,5腳為同相輸入端,6腳為反相輸入端,7腳為輸出端,8腳為電源VCC。一共有兩個比較器,內部頻率補償,直流電壓增益高(約100dB),單位增益頻帶寬(約1MHz),電源電壓范圍寬:單電源(330V);雙電源(±1.5一±15V),低功耗電流,適合于電池供電,低輸入偏流,低輸入失調電壓和失調電流,共模輸入電壓范圍寬,包括接地。差模輸入電壓范圍寬,等于電源電壓范圍,輸出電壓擺幅大(0至Vcc-1.5V) 。LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器, 適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用,也適用于

20、雙電源工作模式,在推薦的工作條件下,電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。如圖所示圖2-7 引腳圖 圖2-8 內部原理圖 2.5繼電器電路的設計如圖所示:這是典型的繼電器驅動電路圖,這樣的圖在網(wǎng)絡上隨處可以搜到,并且標準教科書上一般也是這樣的電路圖.(我們一位老師說過,中國的教科書,大都是你抄我,我抄你,甚至連圖也照搬,所謂的教授們只為了增加他們虛偽的學術成果) 為什么要明白這個圖的原理? 單片機是一個弱電器件,一般情況下它們大都工作在5V甚至更低.驅動電流在mA級以下.而要把它用于一

21、些大功率場合,比如控制電動機,顯然是不行的.所以,就要有一個環(huán)節(jié)來銜接,這個環(huán)節(jié)就是所謂的"功率驅動".繼電器驅動就是一個典型的、簡單的功率驅動環(huán)節(jié).在這里,繼電器驅動含有兩個意思:一是對繼電器進行驅動,因為繼電器本身對于單片機來說就是一個功率器件;還有就是繼電器去驅動其他負載,比如繼電器可以驅動中間繼電器,可以直接驅動接觸器,所以,繼電器驅動就是單片機與其他大功率負載接口.這個很重要,因為,一直讓我們的電氣工程師(我指的是那些沒有學習過相應的電子技術的)感到迷惑不解的是:一個小小的芯片,怎么會有如此強大的威力來控制像電動機這樣強大的東西? 怎么樣理解這個電路圖? 要理解這

22、個電路,其實也比較容易.那么請您按照我的思路來,應該沒有問題: 首先的,里面的三極管很重要.三極管是電子電路里很重要的一個元件.怎么樣理解三極管呢? 簡單的來說三極管有兩個作用一個是放大作用,一個是開關作用.(嚴格來講開關作用是放大作用的極限情況,不過沒關系,把兩者分開,更便于理解它的工作原理).在這里,我們只了解它跟本電路有關的開關作用. 首先把三極管想成一個水龍頭。上面的Vcc就是水池,繼電器是一個水輪機,下面的GND是比水池低的任何一點.剛才說過,三極管就是水龍頭,它的把手就是那個帶有電阻的引腳. 現(xiàn)在,單片機的某一個需要控制這個繼電器電路的輸出引腳就是一只"手",當

23、單片機的這個引腳輸出低電平的時候,就像"手"在打開三極管"水龍頭",水就從上往下流,繼電器"水輪機"就開始轉起來了.反之,如果是輸出高電平,"手"就開始關"水龍頭",繼電器"水輪機"因為沒有水流下來,就會停止. 這就是三極管的開關作用. 簡單的理解和記憶就是:三極管是一個開關器件,其實你真的可以將它看成是一個開關,只不過它不是用手來控制,而是用電壓(電流)來控制的,因此,三極管有些時候也被稱做電子開關(與機械開關相區(qū)別). 圖上還有一個東西,是保護二極管,如果不需要深入理解的

24、話,你大可不必追就為什么有它存在,但是一定得記住,只要是用三極管驅動繼電器的場合,一般都有它的存在.需要特別注意的是它的接法:并聯(lián)在繼電器兩端 陰極一定是接Vcc接1K電阻內部電路,如圖所示:SRD-12VDC-SL-C這個繼電器其他工廠的型號有4123 T73 HR702等。三個腳的這邊兩邊的腳是線圈,加12VDC直流電壓,不區(qū)分正負方向,是電壓驅動,線圈直流電阻每個工廠或者靈敏度不同稍有區(qū)別。中間一個腳是觸點的COM端,另外一邊兩個腳正向看,左邊是常開,右邊是常閉。松樂這個繼電器通過TUV UL認證,10A 250VAC/30VDC和10A 125VAC/28VDC 應該是指不同認證試驗的

25、最大額定值,是指在最大觸點額定電壓下的最大額定電流,超過這個值不行,電氣壽命縮短。繼電器有三引腳四引腳五引腳。首先我解釋一下四引腳的30,8785,86其中30和87是斷開的85和86是一個線圈的兩頭。30接火線87接用電設備85接火線86接控制開關。而三引線的是將30和85一根線因為都接?;?。至于五引線只是多了87a正中間的87a與30是接通的 繼電器有號30是接長火線87或87a接用電器85接地86接開關。 五插繼電器應該是一個常開一個常閉一個公共兩個線圈 繼電器的工作原理是線圈通電后產生磁場然后把連著觸點鐵片吸進來從而使電路通路達到保護電路的目的。一般的接法為線圈的兩線是一正一負其中一頭

26、接在開關上。其它的線則接在用電器上我采用的電路如圖所示:我這里接1K的的限流電阻,接了一個LED燈,當繼電器吸合的時候,LED燈就亮了,表示強電控制的水龍頭被打開了,當繼電器松開的時候,LED燈就熄滅了,就表示水龍頭已經關閉,這里是模擬的水龍頭。2.6 三端穩(wěn)壓器三端穩(wěn)壓器是一種標準化,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)壓電源中應用最廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。三端穩(wěn)壓器件;78xx/79xx 系列三端穩(wěn)壓器件是最常用的線性降壓型 DC/DC 轉換器,目前也有大量先進的 DC/DC 轉換器層出不窮,例如低壓差線性穩(wěn)壓器 LDO等, (例如NSCLM2940、LM2651、LM5020,MAXIAM 的 MAX1747 等等)。78xx/79 系列簡單易用、價格低廉,直到今天還在大多電路中采用。 如7805,7806,7809,7812,7815,7824,(7

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