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红外线控制自动水龙头的设计毕业论文

本科毕业论文（设计）

自动水龙头的设计

姓名：

诚　信　承诺书

本人郑重承诺和声明:

我承诺在毕业论文撰写过程中遵守学校有关规定,恪守学术规范,此毕业论文（设计）中均系本人在指导教师指导下独立完成,没有剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果,没有篡改研究数据,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿承担一切责任,接受学校的处理,并承担相应的法律责任。

毕业论文（设计）作者签名：

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摘要

本论文主要介绍有关红外发射和接收电路设计的自动水龙头的原理与设计方案相关内容。

由红外发射电路，红外接受电路，控制电路，电源等组成红外线自动控制水龙头。

当人或者其它物体靠近时，红外发射管发出的红外光由于遮挡反射到接收管上，接收管对其进行光电转换，放大管进行放大，译码器进行译码，从而促使继电器动作，电磁阀由于得电而吸合，系统便自动打开水源，当物体离开或超出一定范围时，系统自动关闭水源，停止水流。

电路不仅设计简单，而且使用方便，同时非常有利于节能。

近年来，我国一直提倡并追求“节能降耗”，本论文设计有利于实现这一目标。

传统水龙头及其它的供水等设施，不仅水资源浪费非常严重而且使用不方便。

为了解决这一现象，本论文准备设计这个红外线自动供水电路,因为它不仅节约用水，而且使用方便。

与传统供水设施相比，能够提高水资源的使用效率。

使用方便，且由于不需要用手接触水龙头，避免了传播病菌。

由于系统电路设计相对简单实用，因此可以广泛用于商场，办公大楼，学校等人员多而密集场合。

关键词：

传感器;红外线;自动控制;自动水龙头

ABSTRACT

Thispaperdescribesmainlythetheoryandproposaloftheautomatictopoftheinfraredtransmitterandreceiver.Circuitnotonlydesignssimple,butalsouseseasily.whicharemadeoftheinfraredtransmitter,theinfraredreceiveramplifiercircuit,controlcircultandsolenoidvalve.whenpeopleorotherswhichaccesstothetap,itmakesimmediatelyelectronicalrelay,thenthetopgetstheelectricitywhichmakesthesystemtowalkthanthetopbegintoflowwater,theinfraredautomaticcontraltowhichstopwarkingassoonasthethingsleaveit.

Forthepastfew-yearsnow,Ourcountryadvocatesandpursuesalltheway“energy-savingandcost-reducing’’.Thispaperwhichisdescribedmainlyisamidtoachievethisgoal.Conventionaltopandotherfacilitiesarenotonlyawasterofwaterresources,butalsonoteasyparticularlytouse.Inordertoanswerthequestion,Iwanttodesigntheinfraredautomatictapcircuit.Itiseasilyuseandsavingwaterthattheautomatictapcanmakeit.comparingwithtraditionalfaucets,itisalsowater-saving.Fully-automatictapismoreconvenientandartistic,anditmakestheuserstowashtheirhandsdirectlywithouttouchingthetap,avoidingthetransmissionofgerms.Itcanbewidelyusedintopeople-intensivesitessuchasshoppingmalls,schoolsandofficeblocks.

Keywords:

senor;infraredray;automation;automatictop

`

1绪论1

1.1自动水龙头的背景及意义1

1.2自动水龙头的应用及发展前景1

1.3国内外的研究情况2

2系统总体设计方案3

2.1系统设计要求3

2.2系统设计总方案3

2.3系统设计总体框架3

3系统中各模块的设计5

3.1稳压电源部分的设计5

3.2振荡电路部分的设计7

3.3红外接收控制电路部分设计8

3.3.1红外接收解调电路的设计8

3.3.2电压放大电路的设计10

3.3.3音频译码器的设计12

3.3.4三端稳压器的设计13

3.3.5LM567调制传感器的设计14

3.4执行电路部分的设计17

3.4.1电磁阀的特性17

3.4.2电磁阀电路的设计18

4系统电路原理图及PCB板图19

4.1系统电路原理图19

4.2系统的PCB板图23

结论24

致谢25

参考文献26

1绪论

1.1自动水龙头的背景及意义

从20世纪末到21世纪初，随着电子科学技术的飞速发展，目前有关数字技术系统设计正朝着速度快，容量大，体积小和重量轻的方向发展[16]。

如今电子产品几乎已经渗透了社会的各个角落，这推动了社会生产力的快速发展，使社会朝着信息化的方向不断提高前进，同时也是现代电子产品的性能大幅度的提升，产品更新换代的频率也越来越快。

随着社会的快速发展，人们的物质生活已经得到满足，继而开始追求精神生活，世界上物质多样，人们会接触到很多事物，那么这些物质是否干净呢？

接触过不干净的物质，然后吃东西或者干其他的，会不会干净卫生呢，所以研究自动水龙头非常必要，本设计不仅满足了人们在生活中对水龙头的需求，同时也提高了科学性，当今社会品种多和批量小的电子几乎满足了市场的需求，大大的提高了电子产品的市场竞争力，因此我认为研究红外线自动控制水龙头的意义重大而深远。

1.2自动水龙头的应用及发展前景

由于红外线控制自动水龙头它安装方便，灵敏度高，有很强的抗干扰能力，使用寿命也长，发出的红外线为不可见光且均匀稳定，在强光，高温下工作皆可，给人们的生活带来了极大地好处，目前人们广泛使用它，成为人们日常生活必不可少的一部分。

由于它发出的光为不可见光，只有专门的解调电路才能接收，因此广泛用于医院，大型商场，公司，学校，工厂，餐饮等公共场所。

红外线自动控制水龙头，采用反射式红外传感器，此类传感器的发射与接收是寄物与一体化的，既当人或者物靠近时，它就能自动产生控制信号并传给继电器，使继电器动作，电磁阀得电吸合进而使水龙头放水，反之，水龙头停止水流[5]。

由于全自动感应水龙头可以控制水龙头自动开闭的效果，它减少了水资源的浪费，解决了人们常常忘记关掉水龙头而导致水白白流走的问题。

由于它伸手就来水，离开就关闭，从而有效地节约60%以上的水资源，尤其适合用于我国严重缺水的地区。

满足了在生活中人们对水龙头的需求，同时提高它的科学性，并很好的适应当今社会品种多，批量小的电子市场，也大大的提高了电子产品的市场竞争力。

近年来由于大规模集成电路的发展，红外线控制的自动水龙头具有体积小，功耗低，价格便宜，安装方便，使自动水龙头广泛的应用于工厂，医院，等公共场所。

1.3国内外的研究情况

伴随着红外技术的高速发展，红外焦平面阵列技术的出现，使其有了飞速的发展。

如今德国，英国，美国等西方发达的国家都致力于竞相研制和生产红外焦平面阵列摄像仪，研究成果相当可观。

在这些国家中，其中美国的研究发展水平在红外线焦平面阵列中传感器方面的地位遥遥领先。

焦平面阵列摄像仪规模，目前已经达到2048*2048，与可见光硅CCD摄像仪阵列的发展水平几乎相当。

世界上100万像元集成度的单片式红外焦平面阵列等种类的产品不仅在日本最先实现，同时将其推向了市场，抢占了世界商机。

与此同时，美国，法国等国家在非制冷摄像仪技术的发展方向和水平已经显示出来了他们处于前沿的激烈竞争地位。

随着经济的欣欣向荣，人们生活水平的提高，科技的飞速发展，使加拿大，新加坡，韩国等国家的一些公司和其它机构，都在尽力发展世界上最先进的红外焦平面阵列摄像仪技术，由此看来，竞争已经遍布世界各大洲。

随着中国实行对外开放的政策，中国的经济已经不容小觑，科技也逐渐跟上世界的队伍。

纵观近几年，中国也在红外线成像技术方面有了很大的突破和发展，与西方发达国家的差距越来越小，甚至有些先进的科技成果已经等同于西方发达国家。

比如，当今我国已经能研发并生产出面积小于300um的21000*1000像素的探测器阵列。

是因为采用了基于锑化铟的新器件，据统计现今已达到了分辨率小于0.01度的温差，使我们对目标的认识达到了空前的新高度。

2系统总体设计方案

2.1系统设计要求

（1）设计用红外线控制的自动水龙头系统

（2）用红外线检测，当有人手靠近（10cm）水龙头时，自动出水；

（3）人手远离水龙头时，停止出水；

（4）水龙头采用电子阀门控制出停水；

（5）画出完整的电路原理图（包含电源部分）和PCB板图。

2.2系统设计总方案

本论文采用红外反射式传感器（光电传感器）原理，当人或者物位于被测范围时，红外发射管发出的红外光由于人或者物体的遮挡，反射到红外接收管上，红外接收管接到信号，并进行光电之间的转换，由电压放大电路对其进行放大，稳压管对其稳压，译码器再对其译码，输出的低电平促使电磁阀门动作，从而控制水的停和流。

2.3系统设计总体框架

红外线自动控制水龙头由稳压电路，接受控制电路，振荡电路，执行电路组成。

用到的元器件有光电传感器,三极管,555集成芯片,电磁阀和锁相环频率解码LM567,电阻,电容和三端稳压器。

电路供电用220伏交流供电，经变压器输出交流电压，该电压经过整流，稳压和滤波，能得到12伏电压，而此电压供给给控制电路，发射电路和接收电路的使用，提供正常工作的电压。

根据以往经验，一个完整的电路必须要有一个稳定电源，才可以保证其工作稳定。

它的核心元件为三端稳压器；重要辅助元件是电容二极管，它提供12V电压，确保整个电路工作的稳定。

接下来是红外发射电路，由NE555为主，电阻电容为辅助器件目的是为其提供相对固定频率，发射红外线由SE303向外发出；接下要接收红外线，而接收电路主要由三极管和PH302组成，将接收来的光信号转为电信号则由PH302完成，流经的电流由三极管进行放大；接收到的光线应该被选频和辨别；控制电路部分主要由LM567组成，而接收到的电流由LM567进行处理分析，然后会输出相应的高低电平；执行电路部分把前面控制电路的信号放在一起处理，水的流出意味着驱动电磁阀的开关工作了。

稳压电路部分

220V

电源

执

红外行

接收部

分

震荡电路部分红外接收控制电路部分

图2.1红外线控制电路系统方框组成图

稳压电路是为了保持电压稳定，理想意义上的稳压是指负载电压的大小在负载和输入电流变化时都不会变化，即负载上的电压永远是固定不变的。

当然事物的局限性决定了负载和电流只能在一定范围内变化，这样可以认为负载电压稳定。

本次电路中通过LM7812来实现电压由220V变为12V保证电路稳定工作。

振荡电路是能产生方向和大小都为周期函数的电路，因为振荡电流是不稳定且变化的，又因为振荡电路能产生振荡电流，因此我用了振荡电路。

虽然振荡电流产生的交变电流频率非常高，但在磁场中它不会因线圈转动而产生电流，只能由振荡电路产生。

在这里我选择用两个三极管对电路进行放大。

驱动红外发射管的是通过NE555产生固定频率的红外线，红外接收电路是接收红外发射管发出的调制红外光，三极管会对其放大，然后就输入到音频锁相环译码器集成电路中，再进行选频。

控制电路又叫做锁相环频率解码电路，要得到低的输出电平，需要对接收到的电信号进行译码识别。

此电路由音频译码器构成，主要部分是LM567，其中输入引脚3为接收信号和输出引脚8为输出信号。

执行电路是把电流放大，再经过LM567的选频，以及控制的电路。

假如选频信号符合，LM567的输出信号会驱动电磁阀动作，控制是否出水。

假如不符合则电磁阀就不动作，水龙头就不会有水流出。

3系统中各模块的设计

3.1稳压电源部分的设计

为了使各元器件都能够正常工作，需要对其提供直流电源。

而组成电源电路的主要部分为555组成的多谐振荡器，有4.5V—18V的工作电压；放大电路与红外发射管相配套的光敏二极管接收器件，有3V—18V的工作电压；阀门开关控制电路是由NE567音频译码器和晶体管组成，4.5V—17V为工作电压的取值范围；通过分析可知，12V的电源电压能保证电路正常工作。

电源由整流桥，变压器，稳压器，滤波器组成。

整流桥把低压交流电变为直流电；变压器功能是把220V交流电变为低压交流电；经过整流后的直流电中交流成分也仍会出现，不能忽视，可以通过滤波电路把交流成分过滤掉；经滤波后的电压，稳压器会把不稳定的成分转变成稳定的直流成分，得到想要的。

根据电磁感应原理，变压器把传输信号或传递电能从上个电路传送至下个电路。

变换交流电要依靠变压器来完成，电源变压器的作用是改变电压，减少在传输过程中电的损失，也可以将发电站发出的电升为高压，目的是为长途输送电力提供能量。

通过变压器将220V，50Hz交流电经过整流滤波变成所需的交流电压。

本设计打算把220V交流电变为12V交流电，变压器匝数比约为n=原边匝数/副边匝数≈25。

其中各部分功能如下：

（1）整流电路是将交流电压变换成直流电压。

为了得到波较小的直流电压，需要把较大的波干扰信号经过滤波电路过滤掉。

整流通常有全波整流和半波整流等。

常用的则有桥式和全波。

桥式整流电路如图3.1。

其中通电回路由图中e2，D1，R1和D3构成。

对D2和D4加正向电压同时保证e2为负半周时，能形成下负上正的半波整流电压便会在R1形成，此时D2，D4导通；根据二极管的单向导通性，对D1，D3加反向电压就不会有电流通过，Dl，D3便会导通，当e2应为正半周，D1和D3加的是正向电压时；当对D2和D4加反向的电压它们便会截止。

图3.1桥式整流电图

在R1上会形成循环的下负上正的半波的整流电压。

而全波整流电压结果也是在R1上表现出来。

它的全波和半波整流波形图一样。

从图中很容易的看出，桥式电路中变压器次级电压的最大值为二极管上的反向电压，与全波整流电路相比，它减少了一半。

根据二极管的单向导电性，桥式整流它是对二极管的半波整流的改进，当半波整流输入为正弦波时，输出波形的负半部分会看不到，只看到正半部分。

桥式整流器利用两两对接的四个二极管组成，两只管导通发生在正弦波的正半部分，输出才能为正；让另两只管导通，需要输入负半部分的正弦波；由于它们是反向相连，所以输出的波形仍为正弦波正半部分。

交流变直流首先需经桥式整流电路，而半波整流对输入正弦波的利用效率比桥式整流器低一倍。

（2）稳压电路要使输出的电压固定在某个数值并不随负载和输入电压的变化而变化，需要对输入端的直流电压经过稳压电路。

而经整流电路输出的电压，在一般情况下都是不稳定的，系统不能使用不稳定的电压工作。

稳压电路的稳压特性都应该从负载变化的范围，研究其输出电压稳定性和电网电压波动情况即研究输出电压稳定性这两个方面研究；直流稳压电路分为开关型和串联稳压电路，本次设计准备采用串联型稳压电路。

通过查阅资料可知，通常稳压器包括单管和集成稳压器，而常用的集成稳压器有固定式和可调式三端稳压器。

稳压电源的技术指标可从特性和质量方面考虑：

特性指标包括输出电流和电压及调节电压的范围；而质量指标一般反应稳压电源的优劣情况，包括波纹电压及温度系数，稳定度，等效内阻等因素。

稳压电源的性能，主要从以下四方面的来要求：

（1）稳定性好当输入电压在规定范围内变动时，一般要求输出电压的变化很小。

稳定度指标S是输出与输入电压之间的函数，而稳压电源克服输入电压所需的能力是稳定度指标的反映。

当输入电压一定时，稳定指标S越小，电源的稳定度越高，输出电压的变化越小。

（2）输出电阻小输出电压应基本保持不变，即不随负载而变化。

输出电压和负载电流的变化量之比等于输出电阻。

稳压电源性能要优质，即输出电阻在0.01Ω到1Ω之间。

（3）电压温度系数小外界温度的变化会使输出电压发生漂移运动。

当环境温度变化时，稳压电源不会发生变化，输出电压的漂移运动被有效地抑制，同时为了保持输出电压稳定，温度系数KT用输出电压的漂移表示。

（4）输出电压纹波小输出电压为50Hz或100Hz的交流分量，通常用有效值或峰值表示纹波电压。

稳压电源对其进行调节，纹波电压经整流滤波电路的整流滤波后，在很大程度上减少，稳压系数S正比于减少的倍数。

图3.2稳压电源电路图

由滤波电容C1和C3电压变压器B，D1到D4构成桥式整流电路，是消除C2，C3产生的自激震荡。

高交流电压通过变压器变换成低交流电压，再经过桥式整流电路D1到D4的整流和滤波电容C1，在固定式三端稳压器的输入和接大地端形成不稳定的直流电压（通常情况下该电压会随负载或市电电压而发生变化）。

会对其进一步的稳压和C3的再次滤波，高精度的电压从输出端输出，且直流输出电压的稳定性非常好。

3.2振荡电路部分的设计

不需外接输入信号，就能将直流能源转换成具有固定的波形，幅度和频率的交流输出的电路是振荡电路的特性（如图由555定时器构成的多谐振荡器所示）。

图3.3电路图图3.4工作波形

由定时器构成的多谐振荡器图

振荡电路是能产生方向和大小都为周期函数的电路，由于555内部比较器具有较高的灵敏度，而且采用差分放大电路，这时当电源温度变化时，振荡频率几乎保持不变。

因此需调节R1的阻值，来控制f的改变，目标值为1Hz的每秒脉冲信号，闸门信号就有它得出。

震荡器由IC1（NE555）和C1，R1和R2组成。

R1、R2，C1决定其震荡频率，经分析知道振荡频率为f为1.44比R1与R2的和。

代入数据计算振荡频率约为1.4KHz。

IC1（NE555）的引脚3输出多谐振荡器产生脉冲信号，从而驱动红外线发射管SE303工作。

发射管SE303向外发出红外线，注意红外线频率和振荡频率应该保持相同。

3.3红外接收控制电路部分设计

3.3.1红外接收解调电路的设计

红外接收控制电路是用具有一体化红外发送和接收,锁相环电路，解调块接收电路组成的。

它具有体积小，接受角度宽，功耗低，无需外部元件，灵敏度高，抗光电干扰性能好等优点。

LM567，固态继电器，电磁阀，开关放大电路构成控制电路。

如图3.5接收解调控制电路所示。

图3.5接收解调控制电路

音频解码电路LM567即IC2是由1片锁相环组成的，封装类型为8脚双列直插，信号输入端为引脚3，引脚5，6上的阻容元件的频率决定引脚3的频率。

R5，C8和IC2组成振荡器；IC2内部压控振荡器的中心频率由R5，C8决定；LM567的引脚3为信号端，引脚8为逻辑输出端，它由集电极开路的晶体管组成，100毫安为其最大电流，电压为4.75～9V就能确保LM567正常工作，工作频率应为0.1Hz～500kHz，8mA是其静态工作电流。

当人或物超出被测距离范围时，IC1接到发射电路发射的红外脉冲，并对其放大然后送到IC2的引脚3输出，IC2的引脚8就会输出高电平，三极管U4被截止，继电器断电处于断开状态，电磁阀停止动作，水龙头自动停止放水。

当人或物位于被测范围时，IC1即三端稳压器由于接受到红外光，信号就会输入到IC2的引脚3，所以引脚8输出低电平，U4便开始导通，进而继电器K吸合，常开触点闭合，电磁阀Y接通，电压220V，Y开始动作，使水龙头自动出水，LED开始发出绿色光源，此时水龙头便开始正常工作。

反之，电磁阀不工作，无水流流出来。

其内部原理图如图3.6所示

图3.6红外接收控制电路内部原理图

光电传感器在各种光电检测系统中光电传感器是一种能将光转换成电的关键元器件，它把光信号比如红外线，紫外光辐射和可见光转变成为电信号，由一个接收器的光敏三极管或固态光敏二极管和一个发射红外光的固态发光二极管组成的。

本论文选用反射式光电传感器，因为它有如下优点：

检测距离长，对检测物体的限制少，便于调整，分辨率高，响应时间短，可实现非接触的检测和可实现颜色判别。

发光二极管一般采用的是低电压供电，供电电压大约在6到24V之间，发光二极管用磷化镓等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光显示元器件装置设备。

LED发光原理是通过半导体PN结中的电子与空穴在复合时产生光子。

但不同的材料，发光颜色和导通电压也不一样。

由于发光二极管由PN结构成，有单向导电性，因此也可广泛应用于各种仪表，家电，电子电路等设备中，作电平指示或电源指示。

它的优点如下：

光电效率高，耗电量少，使用寿命长，安全可靠性强，有利于环保和对人有保护作用。

红外接收二极管又叫红外光电或者红外光敏二极管。

将光信号变成电信号是由红外线接收管完成的，而由特殊材料制成的PN结是它的核心部件，为了能更多更大面积的接到光线，尽量大的做PN结的接触面积，同时尽量减小电极面积，PN结的结深很浅大约小于1微米。

这些结构上的特点为光电转换打下了坚实的根基。

此外和普通半导体二极管类似，SiO2保护层焊在了硅片上，PN结的边缘靠它才能被保护起来。

同时管子的稳定也大大提高，暗电流也相应的减小。

红外接收二极管工作在反向电压，且反向电流很小，是在没有光照的时候。

当有红外光照时，部分红外线光子由于携带能量从而进入PN结，把能量传给共价键上的束缚电子，使少量电子挣脱共价键，从而产生电子空穴对。

漂移运动是它们在反向电压作用下产生的。

光的强度越大，反向电流随之变大。

3.3.2电压放大电路的设计

电压放大电路采用LM741集成运算放大器（如图3.7LM741集成运算放大器所示）。

LM741运算放大器具有短路保护和调失调电压为零，性能高，功耗低的性能，无需外部频率对其进行有效的补偿就能工作的元器件。

LM741的管脚功能是：

调零端为引脚5，输入端为引脚6，正电源端为引脚7，引脚8为悬空端，调零端为引脚1，反相输入端为引脚2，同相输入端为引脚3，负电源端为引脚4。

引脚图如图3.8LM741引脚功能图所示。

内部原理图如图3.9所示。

图3.7集成运算放大器图图3.8引脚功能图

放大器主要由输入级，偏置电路，中间放大级，输出级四个模块组成，如图3.9所示。

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