紅外線自動控制水龍頭畢業(yè)設計(論文)

四川理工學院成人教育學院畢業(yè)設計（論文）課目紅外線自動控制水龍頭四川理工學院成人教育學院畢業(yè)設計（論文）任務書學生姓名專業(yè)機電一體化技術班級設計（論文）題目紅外線自動控制水龍頭任務從2013年4月9日至2013年6月7日結束批準日期2013年4答辯委員會主任（簽名）接受任務日期2013年4完成任務日期年月指導老師（簽名）指導教師單位四川省鹽業(yè)學校設計（論文）內容目標結合實際生活情況，和所學課程相關知識，了解此系統(tǒng)現(xiàn)生產的基本過程和主要設備的結構知識。通過對自動水龍頭設計，進一步掌握機電設計的一般過程和方法，鞏固加深和擴展有關電路設計的理論知識，提高對機電設計總則的認識，提高學生分析問題和解決問題的能力。設計（論文）要求電路電源在36V以下感應距離達到5cm分析清楚各組成方框原理元件選擇合理附設計電路總圖參考資料郭維芹主編：《模擬電子技術》，北京，科學出版社，1993徐惠民.數(shù)字電路與邏輯設計[M].北京.人民郵電出版社,1995王楚.電路分析[M].北京.北京大學出版社,2008王春生.電路分析及磁路[M].重慶.重慶大學出版社,2007曾興雯.高頻電路原理與分析[M].西安.西安電子科技大學出版社,2000何希才.大規(guī)模集成電路設計[M].北京.高等教育出版社,2006曹建平.智能化儀器原理及應用[J].西安.西安電子科技大學出版社，2005李明生.電子測量與儀器.北京.高等教育出版社,2004陰家龍.模擬與數(shù)字電視原理與檢修[M].北京.北京郵電大學出版社,2004百度百科目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 1第一章緒論 錯誤！未定義書簽。1.1世界水資源狀況……… 31.2水龍頭……… 31.2.1.普通水龍頭特點……… 31.2.2.紅外全自動水龍頭特點……… 31.3紅外線簡介及國內外發(fā)展方向及現(xiàn)狀……… 4第二章紅外線控制自動水龍頭系統(tǒng)設計 52.1構成及傳感器控制……… 52.1.1系統(tǒng)組成方框圖…… 53.元器件 63.1電源…… 63.1.1電源功能…… 63.1.2電源的組成…… 63.1.3電源變壓器…… 63.2電磁閥…… 73.2.1直動式電磁閥…… 73.2.2分布直動式電磁閥…… 73.2.3先導式電磁閥…… 73.2.4電磁閥的選用及其要求…… 74.電路設計 84.1電源電路…… 84.1.1整流濾波電路…… 84.1.2穩(wěn)壓電路…… 84.1.3穩(wěn)壓電源技術指標…… 84.1.4穩(wěn)壓電源的選用…… 94.2紅外發(fā)射、接收和放大電路…… 104.3控制電路…… 124.3.1譯碼電路設計——音頻譯碼器LM567…… 124.3.2延時電路設計——555元器件…… 144.3.3驅動電路設計——固態(tài)繼電器…… 184.3.4紅外線控制自動水龍頭的工作原理…… 19致謝 21參考文獻 22摘要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。關鍵詞：傳感器紅外線自動控制水龍頭第一章緒論1.1世界水資源狀況地球表面的72%被水覆蓋，但淡水資源僅占所有水資源的0.5%，近70%的淡水固定在南極和格陵蘭的冰層中，其余多為土壤水分或深層地下水，不能被人類利用。地球上只有不到1%的淡水或約0.007%的水可為人類直接利用，而中國人均淡水資源只占世界人均淡水資源的四分之一。圖1全球水資源分布圖地球的儲水量是很豐富的，共有14.5億立方千米之多。地球上的水，盡管數(shù)量巨大，而能直接被人們生產和生活利用的，卻少得可憐。首先，海水又咸又苦，不能飲用，不能澆地，也難以用于工業(yè)。其次，地球的淡水資源僅占其總水量的2.5%，而在這極少的淡水資源中，又有70%以上被凍結在南極和北極的冰蓋中，加上難以利用的高山冰川和永凍積雪，有87%的淡水資源難以利用。人類真正能夠利用的淡水資源是江河湖泊和地下水中的一部分，約占地球總水量的0.26%。全球淡水資源不僅短缺而且地區(qū)分布極不平衡。按地區(qū)分布，巴西、俄羅斯、加拿大、中國、美國、印度尼西亞、印度、哥倫比亞和剛果等9個國家的淡水資源占了世界淡水資源的60%。約占世界人口總數(shù)40%的80個國家和地區(qū)約15億人口淡水不足，其中26個國家約3億人極度缺水。更可怕的是，預計到2025年，世界上將會有30億人面臨缺水，40個國家和地區(qū)淡水嚴重不足。中國是一個干旱缺水嚴重的國家。淡水資源總量為28000億立方米，占全球水資源的6%，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2300立方米，僅為世界平均水平的1/4、美國的1/5，在世界上名列121位，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一?？鄢y以利用的洪水涇流和散布在偏遠地區(qū)的地下水資源后，我國現(xiàn)實可利用的淡水資源量則更少，僅為11000億立方米左右，人均可利用水資源量約為900立方米，并且其分布極不均衡。到20世紀末，全國600多座城市中，已有400多個城市存在供水不足問題，其中比較嚴重的缺水城市達110個，全國城市缺水總量為60億立方米。長期以來，大多數(shù)人們普遍認為水是取之不盡，用之不竭的“聚寶盆”，使用中揮霍浪費，不知道自覺珍惜。其實，地球上水資源并不是用之不盡的，尤其是我國的人均水資源量并不豐富，地區(qū)分布也不均勻，而且年內變化莫測，年際差別很大，再加上污染嚴重，造成水資源更加緊缺的狀況，黃河水多處多次斷流就是生動體現(xiàn)。如果還不珍惜，最后一滴水將與血液等價（大自然的悲憤呼喊）1.2水龍頭水龍頭最早出現(xiàn)于16世紀，用青銅澆鑄的，主要作用是用于控制水管出水開關和水流量的大小。水龍頭出現(xiàn)以前，供水泉墻上鑲嵌著一種獸頭狀的，通常用石頭制成，少數(shù)由金屬制成的“流水嘴”，從那里流出來的水一直是不加任何控制的長流水。為了避免浪費水和解決不斷嚴重的水資源的供不應求，人們研制出水龍頭。最初的水龍頭是用青銅澆鑄的，后來改用便宜些的黃銅。1.2.1普通水龍頭特點按材料來分，分為SUS304不銹鋼、鑄鐵、全塑、黃銅、鋅合金材料水龍頭，高分子復合材料水龍頭等類別。按開啟方式來分，分為螺旋式、扳手式、抬啟式等。螺旋式手柄打開時，要旋轉很多圈；扳手式手柄一般只需旋轉90度；抬啟式手柄只需往上一抬即可出水；另外，還有一種延時關閉的水龍頭，關上開關后，水還會再流幾秒鐘才停，這樣關水龍頭時手上沾上的臟東西還可以再沖干凈，但是存在浪費。1.2.2紅外線全自動水龍頭特點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)。圖2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。而在公共場所，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。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。紅外線自動控制水龍頭安裝方便、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)出的紅外光為不可見光，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。1.3紅外線簡介及國內外發(fā)展方向及現(xiàn)狀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)，太陽光譜上紅外線的波長大于可見光線，波長為0.75～1000μm。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為(0.75-1)～(2.5-3)μm之間；中紅外線，波長為(2.5-3)～(25-40)μm之間；遠紅外線，波長為(25-40)～l000μm之間。在光譜中波長自760nm至400μm的電磁波稱為紅外線，所有高于絕對零度（-273.15℃圖3太陽光光譜隨著紅外技術的高速發(fā)展，紅外焦平面陣列技術出現(xiàn)了，并且迅速得到發(fā)展。美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方發(fā)達國家都在競相研制和生產先進的紅外焦平面陣列攝像儀，其中美國在紅外焦平面陣列傳感器的發(fā)展水平方面處于遙遙領先地位，其焦平面陣列規(guī)模已達2048×2048元，已接近與可見光硅CCD攝像陣列的水平。日本在世界上最先實現(xiàn)了100萬像元集成度的單片式紅外焦平面陣列等種類產品推向市場，搶占商機，法國、荷蘭、瑞典、英國、德國和意大利等在非制冷紅外熱攝像儀技術的發(fā)展方面，已顯示出其處于前沿的競爭地位。此外，加拿大、以色列、韓國、澳大利亞、波蘭、新加坡的一些公司和機構都在盡力發(fā)展先進紅外焦平面陣列熱攝像儀技術，競爭已遍及全球幾大洲。近幾年來，中國的紅外成像技術得到突飛猛進的發(fā)展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設備的先進性也同西方同步。如目前已能生產面積小于30um21000×1000像素的探測器陣列，由于采用了基于銻化銦的新器件，目前已達到了分辨率小于0.01℃第二章紅外線控制自動水龍頭系統(tǒng)設計2.1構成及傳感器控制本設計采用反射式紅外傳感器。紅外線的發(fā)射和接收使用紅外發(fā)光二極管和紅外接收管來完成。（如圖4）圖42.1.1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7個模塊，（如圖5）當人或物體接近自動水龍頭時，紅外發(fā)射二極管的紅外線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，從而關閉水源，達到自動控制的目的。圖5系統(tǒng)的基本組成根據(jù)框圖，紅外線自動水龍頭控制器是由發(fā)射、接收與放大、譯碼、控制幾部分組成。本設計中光敏傳感器采用紅外發(fā)光二極管、接受與放大用SFH506-38，LM567設計譯碼器；延時用555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；可控功率驅動元件采用固態(tài)繼電器SP110等。其中SFH506-38新型紅外遙控接收模塊是將紅外接收管、前置放大、解調等電路集成在同一基片上的功能模塊。它具有體積小，無外部元件，抗干擾力強，接收角度寬，性價比高等優(yōu)點。其次固體繼電器具有高穩(wěn)定、高可靠、無觸點及壽命長等優(yōu)點。第三章元器件3.1電源3.1.1電源功能為各元器件的正常工作提供直流電源。根據(jù)設計要求組成電路的主要部分有555構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時電路，其工作電壓為4.5－18V，作為接收與放大電路使用的SFH506-38其工作電壓為5V左右，閥門開關控制電路是由LM567音頻譯碼器和晶體管組成，其工作電壓為4.5V－17V,電磁閥5V－12V，由此可知，電源電壓應為6V使電路正常工作。3.1.2電源的組成由變壓器，整流橋，濾波器，穩(wěn)壓器組成。變壓器把220V交流電（市電）變?yōu)榉€(wěn)壓所需的低壓交流電；整流器把低壓交流電變?yōu)橹绷麟?；整流后的直流電中仍會含有交流成分，可以通過濾波電路將交流成分濾除；經濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。3.1.3電源變壓器將220V50Hz交流電變成整流濾波所需的交流電壓。本設計需要把220V交流電變?yōu)?V交流電，變壓器匝數(shù)比：n=原邊匝數(shù)/副邊匝數(shù)≈253.2電磁閥追朔電磁閥的發(fā)展史，到目前為止，國內外的電磁閥從原理上分為三大類(即直動式、分步童先導式)，而從閥瓣結構和材料上的不同與原理上的區(qū)別又分為六個分支小類(直動膜片結構、分步重片結構、先導膜式結構、直動活塞結構、分步直動活塞結構、先導活塞結構)。3.2.1直通式電磁閥通電時，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門關閉。特點：在真空、負壓、零壓時能正常工作，但通徑一般不超過25mm。3.2.2分布直動式電磁閥它是一種直動和先導式相結合的原理，當入口與出口沒有壓差時，通電后，電磁力直接把先導小閥和主閥關閉件依次向上提起，閥門打開。當入口與出口達到啟動壓差時，通電后，電磁力先導小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開；斷電時，先導閥利用彈簧力或介質壓力推動關閉件，向下移動，使閥門關閉。特點：在零壓差或真空、高壓時亦能可靠動作，但功率較大，要求必須水平安裝。3.2.3先導式電磁閥通電時，電磁力把先導孔打開，上腔室壓力迅速下降，在關閉件周圍形成上低下高的壓差，流體壓力推動關閉件向上移動，閥門打開；斷電時，彈簧力把先導孔關閉，入口壓力通過旁通孔迅速腔室在關閥件周圍形成下低上高的壓差，流體壓力推。3.2.4電磁閥的選用及其要求1、適用性管路中的流體必須和選用的電磁閥系列型號中標定的介質一致。流體的溫度必須小于選用電磁閥的標定溫度。電磁閥允許液體粘度一般在20CST以下，大于20CST應注明，工作壓差：管路最高壓差在小于0.04MPa時應選用如ZS,2W,ZQDF,ZCM系列等直動式和分步直動式；最低工作壓差大于0.04MPa時可選用先導式（壓差式）電磁閥；最高工作壓差應小于電磁閥的最大標定壓力；一般電磁閥都是單向工作，因此要注意是否有反壓差，如有安裝止回閥。流體清潔度不高時應在電磁閥前安裝過濾器，一般電磁閥對介質要求清潔度要好。注意流量孔徑和接管口徑；電磁閥一般只有開關兩位控制；條件允許請安裝旁路管，便于維修；有水錘現(xiàn)象時要定制電磁閥的開閉時間調節(jié)。注意環(huán)境溫度對電磁閥的影響，電源電流和消耗功率應根據(jù)輸出容量選取，電源電壓一般允許±10%左右，必須注意交流起動時VA值較高。2、可靠性電磁閥分為常閉和常開二種；一般選用常閉型，通電打開，斷電關閉；但在開啟時間很長關閉時很短時要選用常開型了。壽命試驗，工廠一般屬于形式試驗項目，確切地說我國還沒有電磁閥的專業(yè)標準，因此選用電磁閥廠家時慎重。動作時間很短頻率較高時一般選取直動式，大口徑選用快速系列。3、安全性一般電磁閥不防水，在條件不允許時請選用防水型，工廠可以定做。電磁閥的最高標定公稱壓力一定要超過管路內的最高壓力，否則使用壽命會縮短或產生其它意外情況。有腐蝕性液體的應選用全不銹鋼型，強腐蝕性流體宜選用塑料王（SLF）電磁閥。爆炸性環(huán)境必須選用相應的防爆產品。4、經濟性有很多電磁閥可以通用，但在能滿足以上三點的基礎上應選用最經濟的產品。經上述分析，本設計采用市售12V常閉型直通式直流塑料電磁閥。圖6電磁閥電路第四章單元電路的設計4.1電源電路4.1.1整流濾波電路整流電路將交流電壓變換成脈動的直流電壓。再經濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓。整流通常有半波整流和全波整流。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。4.1.2穩(wěn)壓電路經整流濾波輸出的電壓通常是不穩(wěn)定的，不能直接對系統(tǒng)供電，因此需要經過穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定到單片機系統(tǒng)所需的要求。對任何穩(wěn)壓電路都應從兩個方面考察其穩(wěn)壓特性，一是設電網(wǎng)電壓波動，研究起輸出電壓是否穩(wěn)定；二是設負載變化，研究其輸出電壓是否穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電路分為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路和開關型穩(wěn)壓電路，本設計采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓器一般包括單管穩(wěn)壓器和集成穩(wěn)壓器。常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器和可調式三端穩(wěn)壓器4.1.3穩(wěn)壓電源技術指標穩(wěn)壓電源的技術指標可以分為兩大類：一類是特性指標，如輸出電壓、輸出電流及電壓調節(jié)范圍；另一類是質量指標，反映一個穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內阻（輸出電阻）、波紋電壓及溫度系數(shù)等。對穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下四個方面的要求：穩(wěn)定性好當輸入電壓Usr(整流、濾波輸出電壓)在規(guī)定范圍內變動時，輸出電壓Usc的變化一般要求很小。由于輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，稱為穩(wěn)定度指標，長用穩(wěn)壓系數(shù)S來表示：S的大小，反映一個穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化的能力。在同樣的輸入電壓變化條件下，S越小，輸出電壓的變化越小，電源的穩(wěn)定度越高。通常S約為10-2～10-4。輸出電阻小負載變化時（從空載到滿載），輸出電壓Usr應基本保持不變，其這方面的性能可用輸出電阻表征。輸出電阻（又稱等效內阻）用rn表示，他等于輸出電壓變化量和負載電流變化量之比，rn反映負載變動時，輸出電壓維持恒定的能力,rn越小，則Ifz變化時輸出電壓的變化也越小。性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源，輸出電阻可小到1?，甚至0.01?。電壓溫度系數(shù)小當環(huán)境溫度變化時，會引起輸出電壓的漂移。良好的穩(wěn)壓電源，應在環(huán)境溫度變化時，有效地抑制輸出電壓的漂移，保持輸出電壓穩(wěn)定，輸出電壓的漂移用溫度系數(shù)KT來表示。輸出電壓紋波小所謂紋波電壓，是指輸出電壓中50Hz或100Hz的交流分量，通常用有效值或峰值表示。經過穩(wěn)壓作用，可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低，降低的倍數(shù)反比于穩(wěn)壓系數(shù)S。4.1.4穩(wěn)壓電源的選用本電路見圖7，低壓部分采用6v直流穩(wěn)壓電源供電，具體設計如下：根據(jù)設計要求組成電路的主要部分有555構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時電路，其工作電壓為4.5－18V，作為接收與放大電路使用的SFH506-38其工作電壓為5V左右，閥門開關控制電路是由LM567音頻譯碼器和晶體管組成，其工作電壓為4.5V－17V,電磁閥5V－12V，由此可知，電源電壓應為6V使電路正常工作。圖7電源電路電源由變壓器，整流橋，濾波器，穩(wěn)壓器組成。變壓器把220V交流電（市電）變?yōu)榉€(wěn)壓所需的低壓交流電；整流器把低壓交流電變?yōu)橹绷麟?；整流后的直流電中仍會含有交流成分，可以通過濾波電路將交流成分濾波；濾波后穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。（1）變壓器將220V50HZ交流電變成整流濾波所需的交流電壓。本設計是把220V交流電變?yōu)?V交流電。（2）整流電路將交流電壓經過變換成脈動的直流電壓。再經濾波電路濾除比較大的波紋成分，輸出波紋比較小的直流電壓。整流通常有半波整流和全波整流。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。本電源電路設計是采用全波整流濾波，是由VI~V4進行全波整流，再經過電容C1濾波獲得比較平滑的直流電。（3）經整流濾波輸出的電壓通常是不穩(wěn)定的，不能直接對系統(tǒng)供電，因此需要經過穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定到電路系統(tǒng)所需要的要求。本電路采用L7806穩(wěn)壓管進行穩(wěn)壓。LM7806外觀圖，見圖8圖8LM7806外觀圖LM7806三端正電源電壓調節(jié)器技術規(guī)格產品名稱：L7806三端正電源電壓調節(jié)器（雙極線性穩(wěn)壓集成電路）封裝形式：TO-220特點概述：輸出電流1.5A；輸出電壓6V極限值：（Ta=25℃電特性：（0<Tj<125℃4.2紅外發(fā)射、接收和放大電路本設計采用的是SFH506-38元器件，SFH506-38系列新型紅外遙控接收模塊是將紅外接收管、前置放大、解調等電路集成在同一基片上的功能模塊。它具有體積小，無外部元件，抗干擾力強，接收角度寬，性價比高等優(yōu)點，它完全可取代電視、音響和其它電器設備中的常規(guī)紅外遙控接收電路，且實踐證明效果很好。（1）分類SFH506-38紅外遙控接收模塊接收載波頻率為38kHz，SFH系列分為：30,33,36,40,56kHz。（2）外形及引腳功能SFH506-38紅外接收模塊采用黑色環(huán)氧樹脂封裝形式。引腳功能為：1腳公共端，2腳電源正端，3腳輸出端，見圖9圖9SFH506-38封裝及內部結構（3）電氣參數(shù)SFH系列紅外接收模塊的典型電氣參數(shù)，見表4-1。參數(shù)名稱符號SFH系列典型值單位電源電壓Vcc4.5~5.5V靜態(tài)電流Icc3(無光照及無信號輸入)mA峰值波長λp0.94uFm接收距離L8～15m水平接收角△θ33度垂直接收角△θ14度工作溫度Topr-25～+75℃接收載波頻率fo38或30.3,32.8,36,36.7,40,56,9kHz表4-1SFH系列紅外接收模塊的典型電氣參數(shù)（4）應用SFH506-38紅外遙控接收模塊能直接與紅外遙控專用解碼電路配合使用，因此完全可取代常用的紅外遙控接收頭，且使用簡單方便，性能穩(wěn)定。由于此系列模塊應用類似于一只紅外接收管，所以具體應用電路就不再陳述,使用時僅需注意其具體電氣參數(shù)即可，圖中部分電路見圖10。LM567芯片5腳輸出的振蕩信號經三極管功率放大后，推動紅外發(fā)射二極管VD向外發(fā)射紅外線。圖10紅外發(fā)射、接收放大電路A1為紅外接收放大電路SFH506-38，A2為鎖相環(huán)音頻譯碼器LM567，A2與R3、C6組成振蕩器，R3、C6決定A2內部壓控振蕩器的中心頻率，LM567的3腳為信號輸入端，8腳為邏輯輸出端。LM567芯片5腳輸出的振蕩信號經三極管功率放大后，推動紅外發(fā)射二極管VD向外發(fā)射紅外線。沒有人洗手時，紅外接收電路A1接收不到VD向外發(fā)射的紅外線，A2的3腳無信號輸入。當人手放到水龍頭下時，A1接收到人手反射的紅外線并經A1放大后，輸入到A2的3腳，由A2內部處理后使A2的8腳輸出低電平，然后把信號輸入NE555地2腳。4.3控制電路4.3.1譯碼電路設計——音頻譯碼器LM567鎖相環(huán)(PLL)解碼器LM567是美國國家半導體公司（NSC)產品，同類產品有美國西格奈蒂克斯公司的NE567,新日本無線電公司的NJM567等。該解碼器具有高嗓聲抑制、窄通頻帶、不受假信號干擾、穩(wěn)定的中心頻率和通帶中心頻率可調等特點。因此在音頻、亞音頻、單音解碼中得到廣泛應用。在性能、體積、速率、造價等方面顯示出無法比擬的優(yōu)點。而且SFH506-38接收的電信號需要進一步分析，所以此時需要譯碼。此設計中采用了LM567。音頻譯碼器采用LM567鎖相環(huán)電路，其作用是將接收到的信號轉換為電平控制信號。鎖相環(huán)內則包含一個電壓控制振蕩器（VCO）、一個鑒相器和一個反饋濾波器。此音調解碼塊包含一個穩(wěn)定的鎖相環(huán)路和一個晶體管開關，當在此集成塊的輸入端加上所先定的音頻時，即可產生一個接地方波。當輸入信號于通帶內時提供飽和晶體管對地開關，電路由I與Q檢波器構成，由電壓控制振蕩器驅動振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨立設定中心頻率帶寬和輸出延遲。主要用于振蕩、調制、解調和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對講機亞音頻譯碼，遙控等。LM567的基本工作狀況有如一個低壓電源開關，當其接收到一個位于所選定的窄頻帶內的輸入音調時開關接通。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。當其用作音調控制開關時，所檢測的中心頻率可以設定于0.1至500KHz內的任何值，檢測帶寬可以設定在中心頻率14%內的任何值。而其輸出開關延遲可以通過選擇外電阻和電容在一個寬時間范圍內改變。圖11LM567內部原理圖LM567為通用音調譯碼器，它由相位比較器、壓控振蕩器、正交相位檢波器、邏輯輸出放大器等幾部分組成。當輸入信號與通帶內時提供飽和晶體管對地開關，電路由I與Q檢波器構成，由電壓控制振蕩器驅動振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨立設定中心頻率帶寬和輸出延遲。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，見圖12。圖12LM567管腳排列圖LM567是一片鎖相環(huán)電路，采用8腳雙列直插塑封。其⑤、⑥腳外接的電阻和電容決定了內部壓控振蕩器的中心頻率f2，f2≈1/1.1RC。其①、②腳通常分別通過一電容器接地，形成輸出濾波網(wǎng)絡和環(huán)路單級低通濾波網(wǎng)絡。②腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。①腳所接電容的容量應至少是②腳電容的2倍。③腳是輸入端，要求輸入信號≥25mV。⑧腳是邏輯輸出端，其內部是一個集電極開路的三極管，允許最大灌電流為100mA。LM567的工作電壓為4.75～9V，工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)工作電流約8mA。LM567的內部電路及詳細工作過程非常復雜，這里僅將其基本功能概述如下：當LM567的③腳輸入幅度≥25mV、頻率在其帶寬內的信號時，⑧腳由高電平變成低電平，②腳輸出經頻率/電壓變換的調制信號；如果在器件的②腳輸入音頻信號，則在⑤腳輸出受②腳輸入調制信號調制的調頻方波信號。其工作波形，見圖13圖13LM567工作波形LM567主用外接電阻20比1范圍，邏輯兼容輸出具有吸收100mA電流吸收能力。他的技術指標：1.可調帶寬從0%至14%；2.寬信號輸出與噪聲的高抑制；3.對假信號抗干擾；4.高穩(wěn)定的中心頻率；5.中心頻率調節(jié)從0.01HZ到500kHZ；6.電源電壓5V—15V。LM567設計譯碼器的工作原理：A2為鎖相環(huán)音頻譯碼器LM567，A2與R3、C6組成振蕩器，R3、C6決定A2內部壓控振蕩器的中心頻率，LM567的3腳為信號輸入端，8腳為邏輯輸出端，該輸出是一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4.75V～9V，工作頻率可從零點幾赫茲到500kHz，，靜態(tài)工作電流為8mA。LM567芯片5腳輸出的振蕩信號經三極管功率放大后，推動紅外發(fā)射二極管VD向外發(fā)射紅外線。沒有人洗手時，紅外接收電路A1接收不到VD向外發(fā)射的紅外線，A2的3腳無信號輸入，8腳為高電平。當人手放到水龍頭下時，A1接收到人手反射的紅外線并經A1放大后，輸入到A2的3腳，由A2內部處理后使A2的8腳輸出低電平。LM567的8腳信號給NE555的2腳進行進一步處理。4.3.2延時電路設計——555元器件當人在水龍頭出洗手時，不可能一下子就能洗好的，總會有一段時間。為了在人手偶爾偏離了紅外線的探測范圍時，能保證水龍頭的正常出水。因此我們還需要設計一個具有一定延時的電路。NE555只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。它的操作電源電壓范圍極大，可與TTL，COMS等邏輯電路配合。也就是它的輸出準位及輸出觸發(fā)準位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。靜態(tài)電流最大值VCC=5V，RL=∞=6mAVCC=15V，RL=∞=15mA。參數(shù)功能特性：1、供應電壓4.5~18V2、供應電3~6mA3、輸出電225mA（max）4、上升/下時間100ns圖14是NE555的引腳分布圖，圖15是它的內部功能原理框圖。圖14NE555引腳分布圖圖15NE555內部功能原理框圖外引腳的功能分別如下所述：1端為接地端。8端為電源端。3端為輸出端。4端為復位端。此端輸入低電平可使輸出端為低電平。正常工作時應接高電平。5端為電壓控制端。此端外接一個參考電源時，可以改變上、下兩個比較器的參考電平的值，無端輸入時，UCO=2/3VCC。2端為低觸發(fā)端。當CO端不外接參考電源時，此端電平低于VCC/3，電壓比較器C1輸出低電平，反之輸出高電平。6端為高出發(fā)端。當CO不外接參考電源時，此端電平高于2/3VCC，電壓比較器C1輸出低電平，反之輸出高電平。7端為放電端。當V導通時，外電路電容上的的電荷可以通過它釋放，7端也可以作為集電極開路輸出端,見表4-2輸入輸出UTHUTRRDOUTVxx00導通10導通1保持不變保持不變11截止表4-2555定時器的邏輯功能表555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時電路：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。在未加觸發(fā)信號之前，觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)，經觸發(fā)后，觸發(fā)器由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉為暫穩(wěn)狀態(tài)，暫穩(wěn)狀態(tài)保持一段時間后，又會自動翻轉回原來的穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一般用于延時和脈沖整形電路。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路的構成形式很多。圖3-11所示為用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，R、C為外接元件，觸發(fā)脈沖u1由2端輸入。5端不用時一般通過0.01uF電容接地，以防干擾。下面對照圖16進行分析。圖16單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與波形圖輸出脈沖寬度是等于暫穩(wěn)態(tài)時間的，也就是定時電容C的充電時間得公式：Tw=RCln【(Vcc-0)/1/3Vcc】=RCln3=1.1RC由上式可知：改變R、C的值，可改變輸出脈沖寬度，從而可以用于定時控制。在R、C的值一定時，輸出脈沖的幅度和寬度是一定的，利用這一特性可對邊沿不陡、幅度不齊的波形進行整形。圖17555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時電路當LM567的8腳輸出低電平的時候，定時器電路中555的3腳輸出高電平，發(fā)光二極管正向導通，發(fā)出綠光，此時三極管導通，繼電器吸合，會驅動水龍頭出水。電源通過R5對電容C7充電，使555的6腳電壓升高，當6腳電壓大于2/3Vcc時，3腳輸出低電平，三極管截止，水龍頭不出水。這樣就起到了延時作用。延時時間由R5和C7來調整。本設計的電路中延時時間為tw=1.1RC=1.1*470000*0.00005=5.17s,見圖174.3.3驅動電路設計——固態(tài)繼電器為了達到設計的目地，譯碼出來的信號，要達到控制水閥的目地，所以此電路還需要驅動電路。這里我選用固態(tài)繼電器。繼電器額定工作電壓是繼電器最主要的一項技術參數(shù)。在使用繼電器時，應該首先考慮所在電路(即繼電器線圈所在的電路)的工作電壓，繼電器的額定工作電壓應等于所在電路的工作電壓。一般所在電路的工作電壓是繼電器額定工作電壓的0.86。注意所在電路的工件電壓千萬不能超過繼電器額定工作電壓，否則繼電器線圈容易燒毀。NE555電路是可以直接驅動繼電器工作的，而有些集成電路，例如COMS電路輸出電流小，需要加一級晶體管放大電路方可驅動繼電器，這就應考慮晶體管輸出電流應大于繼電器的額定工作電流。根據(jù)本設計繼電器應選9V直流電壓繼電器。固體繼電器（SolidStateRelaySSR）是利用現(xiàn)代微電子技術與電力電子技術相結合而發(fā)展起來的一種新型無觸點電子開關器件。它可以實現(xiàn)用微弱的控制信導(幾毫安到幾十毫安)控制0．1A直至幾百A電流負載，進行無觸點接通或分斷。固體繼電器是一種四端器件，兩個輸入端，兩個輸出端。輸入端接控制信號，輸出端與負載、電源串聯(lián)，SSR實際是一個受控的電力電子開關，其等效電路，見圖18圖18SSR電子開關等效電路圖由于固體繼電器具有高穩(wěn)定、高可靠、無觸點及壽命長等優(yōu)點，廣泛應用在電動機調速、正反轉控制、調光、家用電器、烘箱烘道加溫控溫、送變電電網(wǎng)的建設與改造、電力拖動、印染、塑科加工、煤礦、鋼鐵、化工和軍用等方面。固體繼電路工作原理：固體繼電器與通常的電磁繼電器不同：無觸點、輸入電路與輸出電路之間光(電)隔離、由分立元件．半導體微電子電路芯片和電力電子器件組裝而成，以阻燃型環(huán)氧樹脂為原料，采用灌封技術持其封閉在外殼中、使與外界隔離，具有良好的耐壓、防腐、防潮抗震動性能。固體繼電器由輸入電路、驅動電路和輸出電路三部分組成。這里僅以應用較多的交流過零型固體繼電器為例，介紹其工作原理。該電路采用了過零觸發(fā)技術，具有電壓過零時開啟，負裁電流過零時關斷的特性，在負載上可以得到一個完整的正弦波形，因此電路的射頻干擾很小。在此電路中我們用的是SP110型繼電器，SP110型繼電器是一個由發(fā)光二極管及兩個反向接光電可控硅組成的四端器件。這兩部分分別在焊在陶瓷基片上，用導光膠進行光路耦合，外部用密封材料固封。見圖19圖19SP110型繼電器內部原理圖4.總電路原理（見圖20）220V交流電路經變壓器T降壓，變?yōu)?V交流電，再由橋式整流，C1濾波，三端穩(wěn)壓集成電路7806穩(wěn)壓，得到6V直流電供給控制電路工作。LED1為紅色發(fā)光二極管，用作水龍頭的電源指示。A1為紅外接收放大電路SFH506-38，A2為鎖相環(huán)音頻譯碼器LM567，A2與R3、C6組成振蕩器，R3、C6決定A2內部壓控振蕩器的中心頻率，LM567的3腳為信號輸入端，8腳為邏輯輸出端，該輸出是一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4.75V～9V，工作頻率可從零點幾赫茲到500kHz，，靜態(tài)工作電流為8mA。A3為NE555定時器，它與外圍元件組成單穩(wěn)態(tài)定時電路，其目的是在人手偶爾偏離了紅外線的探測范圍時，能保證水龍頭的正常出水。LM567芯片5腳輸出的振蕩信號經三極管功率放大后，推動紅外發(fā)射二極管VD向外發(fā)射紅外線。沒有人洗手時，紅外接收電路A1接收不到VD向外發(fā)射的紅外線，A2的3腳無信號輸入，8腳為高電平，A3的3腳為低電平，三極管截止，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。當人手放到水龍頭下時，A1接收到人手反射的紅外線并經A1放大后，輸入到A2的3腳，由A2內部處理后使A2的8腳輸出低電平，從而使A3的低觸發(fā)端2腳變?yōu)榈碗娢?，導致A3的3腳輸出高電平，三極管導通，繼電器K吸合，使其常開觸點閉合，接通電磁閥Y的220V交流電源，Y開始動作，使水龍頭放出自來水，供人們洗滌之用，同時發(fā)光二極管LED2發(fā)出綠光，指示洗手器正工作于放水狀態(tài)。洗滌完畢，人手離開水龍頭后，A3延時幾秒鐘后復位，使水龍頭停止放水。圖20紅外線控制自動水龍頭的工作原理圖致謝通過這三個月來的忙碌和學習，本次畢業(yè)論文設計已接近尾聲，作為一個大專生的畢業(yè)設計，由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，在這里衷心感謝指導老師的督促指導，以及一起學習的同學們的支持，讓我按時完成了這次畢業(yè)設計。從開始接到論文題目，到論文文章的完成，每走一步對我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學期間獨立完成的最大的項目。在這段時間里，我學到了很多知識也有很多感受，從對紅外線自動水龍頭一無所知，對紅外接收放大等相關技術很不了解的狀態(tài)，我開始了獨立的學習，查看相關的資料和書籍，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起來，每一次改進都是我學習的收獲，每一次試驗的成功都會讓我興奮好一段時間。從中我也充分認識到了紅外線水龍頭這一新興的事物給我們生活帶來的方便。在畢業(yè)論文設計過程中，我遇到了許許多多的困難。在此我要感謝我的指導老師賴鄭、袁鳳金老師給我悉心的幫助和對我耐心而細致的指導，我的畢業(yè)論文較為復雜煩瑣，但是賴老師仍然細心地糾正文中的錯誤。除了敬佩賴老師的專業(yè)水平以外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作，我才得以解決畢業(yè)設計中遇到的種種問題。雖然我的論文作品不是很成熟，還有很多不足之處，但我可以自豪的說，這里面的每一內容，都有我的勞動。當看著自己的論文，真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最終都會化為甜美的甘泉。這次做論文的經歷也會使我終身受益，我感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己學習的過程和研究的過程，沒有學習就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會有所突破，那也就不叫論文了。希望這次的經歷能讓我在以后學習中激勵我繼續(xù)進步。參考文獻郭維芹主編：《模擬電子技術》，北京，科學出版社，1993徐惠民.數(shù)字電路與邏輯設計[M].北京.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