公厕自动冲水控制装置设计Word文档下载推荐.docx
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环境温度：
-30～+40C；
控制电路可使用电源供电，采用较小电流继电器可以驱动发光二极管即可。
传感器（敏感元件）：
自行选择传感器类型，自己设计放大电路
说明书要求:
1.格式规范，符合学校要求；
2.说明书中应有方法比较与方案论证，光电测量原理（公式）及具体的实现方案、电路器件型号、参数等；
硬件电路应用protel绘制，并且进行电路板焊接、调试；
不能采用单片机设计。
3.按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，详细阐述系统的设计过程，字数应在4000字以上。
工作计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。
（2天）
2、选择相应传感器、设计硬件电路图。
3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。
（3天）
4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。
5、撰写、打印设计说明书、答辩。
（1天）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
指导教师签字：
总成绩：
年月日
注：
成绩：
平时40%论文质量40%答辩20%以百分制计算
摘要
随着社会的发展，水资源紧缺的问题日益凸显。
保护水资源成为可持续发展战略的一部分，因此在生产生活中节约水资源是尤为重要的。
本文采用红外光电传感器、555定时器组成的延时电路、继电器以及电磁阀构成了一个公厕自动冲水控制装置。
当有人遮挡红外光电传感器时，系统将产生一个高电平并保持；
当人离开时，系统将由高电平变为低电平，此时系统通过对此下降沿进行判断，并发出打开电磁阀指令，开始冲水10秒钟。
冲水时以及冲水过后，控制信号始终维持低电平状态，等待下一次的遮挡到来。
通过固态继电器构成控制电磁阀的开关，能够以弱控强，不需要驱动电路就可以驱动电磁阀的开启与关闭。
本设计还采用了实物模拟的方法验证了提出的方案，基本达到了设计要求。
关键词：
红外光电传感器；
555定时器；
自动冲水系统；
节水
第1章绪论
随着全球经济社会的不断发展，资源的过度开发利用，导致了许多资源的紧缺。
尤其对于解决淡水资源极度紧缺的问题来讲，更是值得引起人们关注的。
现阶段的发展，对水资源紧缺的问题的解决方案一共有两种，一种是尽量节约水资源，另一种是海水淡化和污水处理后重新利用。
其中海水淡化的成本非常高，因此现阶段没有大规模采用；
而污水处理再利用也只能针对于生活用水，达不到饮用水的标准。
因此现阶段唯一解决淡水资源紧缺的手段就是节约用水。
我国也是一个极度缺乏水资源的国家，随着“可持续发展”战略的提出，对于节约水资源做出了明确的要求。
加强节约用水尤其是公共场所的节约用水尤为关键。
因此公厕自动冲水控制装置的广泛应用成为了一种有效节约水资源的手段。
本文介绍的是一种利用光电传感器以及一些外围控制电路设计而成的自动冲水装置，此方案采用红外传感器，成本较低、可靠性好，结构简洁，能有效达到节水的目的，可以广泛应用于火车站、飞机场、工厂、公司、学校、旅游景点等公共场所，具有很好的未来发展前景。
第2章
总体方案设计
任务分析
本设计要求设计一个公厕自动冲水控制系统。
通过光电传感器检测到有人遮挡并离开后，通过555定时器构成的单稳态触发器进行延时冲水一段时间。
555定时器发出的信号要求给继电器开关电路，开关闭和后电磁阀打开，开始冲水。
冲水结束后，该控制系统进行等待，等待下一次有人到来并离开。
该自动冲水系统要求应用于现实中，在-30℃~40℃的环境温度下可以正常工作，而且为了节约电能，要求采用较小的电流进行控制各个模块，因此低功耗也成为本设计的一项任务。
总体设计框图
图2.1系统总框图
本设计的体统框图如图2.1所示。
电源电路为电路中所有器件提供电能。
红外传感器模块通过一个红外线发射管以及一个红外线接收装置构成。
一旦红外传感器产生高低电平变化（有下降沿到来时），向555定时器发出指令后，系统向开关电路发出指令打开电磁阀，打开时间由555定时器的延时时间决定，本设计延时时间确定为10秒左右，达到延时时间以后，关闭电磁阀，停止冲水，等待下一时刻冲水信号的到来。
方案论证与选择
电源稳压芯片的选择
稳压芯片的选择有两种，方案一是采用LM7805三端稳压芯片，此芯片的三端引脚分别是输入端、接地端和输出端。
LM7805芯片为+5V电压输出，但是压差为2V，也就是说输入电压必须高于7V时LM7805才能正常工作。
方案二则是采用LM2940芯片作为5V稳压输出，该芯片的压差是0.5V。
输入电压范围在5.5-20V之间，而且市场价格在3.5元左右，使用时可靠、方便。
本设计采用方案二，并且选用LM2940LD-5.0，该稳压管的工作温度范围为-40℃—125℃，符合实际工作环境的要求。
光电传感器的选择
光电传感器的方案有两种。
第一种方案是采用黑白摄像头作为传感器，可以根据单片机将摄像头采集后的信息进行二值化处理，通过比较灰度以及采集信息的特征矩阵的对比，确定是否开启放水阀进行冲水。
但是此种方案的成本会非常高，而且作为公厕这样存在个人隐私的公共场所，采用摄像头作为传感器会引发各种争议。
方案二是采用红外光电传感器以及光电三极管接收管组成的电路进行识别。
采用光电管最大的好处就是价格低廉，即便损坏也比较好维护、维修。
而且检测手段简单，外围电路简单，工作温度满足任务要求。
本设计采用方案二。
开关电路的选择
开关电路有两种方案。
第一种方案是采用三极管。
但是模拟电路的搭建比较复杂，而且当信号通过后，输出信号作为电磁阀的输入信号，不能直接驱动功率比较大的电磁阀，因此还需要在开关电路后设计电磁阀的驱动电路（采用斯密特触发器以及运算放大器、三极管、电阻、电容搭建而成），导致后续电路十分复杂，而且随着硬件数量的增加，会导致成本以及故障点的数量增加。
方案二是采用继电器作为本系统的开关。
使用继电器的好处之一是器件可以直接使用，不需要搭建过多的外围电路。
而且最值得关注的是由于继电器本身具有大功率三极管、功率场效应，可以完成以弱控强的功能，因此电磁阀就可以不用加复杂的驱动电路了。
这样大大减少了成本以及工作量。
本设计采用方案二，即用继电器作为系统的开关。
第3章电路设计
电源电路设计
外接电源的确定
由于本设计所有模块均采用5V电压供电，因此采用220V，50Hz市电供电，经变压器变压、整流、滤波后输出直流电压，再经LM2940稳压输出5V电压。
电源电路整体设计
图3.1电源电路整体电路图
如图3.1所示为电源电路整体电路图。
该电源电路包括降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成。
1.降压电路
交流市电的降压电路通过降压变压器或者电容来实现，本设计是采用电源变压器进行交流降压。
降压变压器匝数选择为原边比副边等于25：
1，即降压后的电压为8.8V。
2.整流电路
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。
完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用。
因此二极管是构成整流电路的关键元件。
在小功率（1kW以下）整流电路中，常见的集中整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。
桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。
因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。
3.滤波电路
滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路（本设计中采用电容滤波电路，不考虑电感以及电容电感复合整流电路）。
在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足
，电容滤波电路的负载电压
与
的关系约为
（式中
为降压后的电压值）。
4.稳压电路
稳压电路的作用是将输入电压稳定为5V输出为整个系统供电。
稳压电路通过LM2940三端稳压芯片及其外围电路组成，将输入的电压转换成5V。
光电传感器检测电路设计
红外技术的介绍
红外技术的内容包含四个主要部分：
红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；
辐射在媒质中的传播特性：
反射、折射、衍射和散射；
热电效应和光电效应等。
红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。
把各种红外元件、部件构成系统的光学、电子学和精密机械的组成部分。
红外技术在军事上和国民经济中有着广泛的应用。
本设计采用一个红外发射管以及一个接收管作为光电传感器，在无遮挡的情况下，接收管能够接收到来自发射管发射出的红外信息。
一旦发射管被遮挡，接收管就接收不到信号，当遮挡结束后，电路会产生一个正脉冲。
红外传感器工作原理
如图3.2所示为红外检测电路图，该电路通过一个发射管红外二极管D2发射红外信息，接收管Q1接受发射信息。
当无人站立时，Q1能接到红外信息，Q1导通，CP输出为0；
当有人时红外线被遮挡，Q1接收不到红外线，导致Q1截止，经逻辑电路后CP输出为1，此时系统由低电平变为高电平；
当人离开后，Q1再次接收到红外信息，Q1导通，CP输出为0，此时即产生了一个下降沿，发出了一个脉冲控制信号，该信号可以作为555定时器的输入信号。
图3.2红外检测电路图
如图3.3是光电传感器工作时的电平变化。
在t=0时刻，表示没有人时红外线没有被遮挡，此时输出信号保持低电平状态。
在T1时刻，表示有人时红外线被遮挡，此时根据遮挡时间不同，会产生一个持续的高电平，直到T2时刻人离开，接收管又能够接收到红外线，此时产生了一个下降沿，控制信号由高电平转成低电平。
T2时刻产生的下降沿即可以作为控制信号的发出，555定时器接收到此信号后延时一段时间，水阀开始放水。
冲水结束后控制信号保持低电平，并等待下一次的下降沿到来。
图3.3光电传感器工作时的电平变化
红外传感器的选型
红外传感器在实际中分为三类：
漫反射型（检测距离70米）、反馈反射型（检测距离5米）、对射型（检测距离10米）。
由于本设计针对于厕所，因此选择对射型最为恰当，并且检测距离10米符合设计要求。
具体选择的型号为对射型NPN，ZYE30-D102NA/D3，直流5-30V供电，响应时间小于2ms，指向角3°
-10°
，可以检测透明与不透明的物体，工作环境温度-25℃-+55℃，外壳材料为塑料、金属。
以上参数完全符合设计需求。
555定时器延时设计
555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用能既方便地构成斯密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。
若以555定时器的V2端作为触发信号的输入端，并有三极管和R组成的反相器输出电压接至V1端，同时在此端接入电容C，就构成了单稳态触发器。
如果接通电源后锁存器停在Q=1的状态了，这时三极管一定截止，VCC便经过R向C充电。
当充到VC等于三分之二倍的VCC时，VC1变为0，于是将锁存器置0。
同时三极管导通，电容C经三极管迅速放电，使VC接近于0。
此后，由于VC1=VC2=1，锁存器保持0状态不变，输出也相应地稳定在Vo=0的状态
因此，通电后电路便自动地停在Vo=0的稳态。
当触发脉冲的下降沿到达，使VI2跳变到三分之一VCC以下时，使VC2=0（此时VC1=1），锁存器被置1，Vo跳变为高电平，电路进入暂缓态。
与此同时三极管截止，VCC经R开始向电容C充电。
当充至VC为三分之二VCC时，VC1变成0。
如果此时输入端的触发脉冲已经消失，VI回到了高电平，则锁存器将被置0，于是输出返回Vo=0的状态。
同时三极管又变为导通状态，电容C经三极管迅速放电，知道VC约为0，电路恢复到稳态。
图3.5画出了在触发信号作用下VC和Vo相应的波形。
图3.4CB555的电路图结构
图3.4是国产双极型定时器CB555的电路结构图。
它由比较器C1和C2、SR锁存器和集电极开路的放电三极管VT三部分组成。
图3.5单稳态触发器的工作波形
图3.6延时电路模块
如图3.6所示为由555定时器组成的单稳态触发器，延时时间计算如下：
（3-1）
根据电路图设计，电阻R选择2MΩ，电容C=4.7uF，计算后时间约为10秒。
即系统持续冲水10秒。
本设计采用的NE555芯片，电源电压最大值16V，最小值为4.5V。
因此采用5V电压为555定时器供电。
开关电路设计
开关电路采用继电器作为开关。
继电器是根据某种输入信号来接通或断开小电流控制电路，以实现远距离控制和保护的自动控制电气。
其输入量可以是电流、电压等电量，也可以是温度、时间、速度、压力等非电量；
而输出量则是出头的动作或者电路参数的变化。
继电器一般由输入感测机构和输出执行机构两部分组成。
前者用于反映输入量的变化，后者完成触点动作（对有触点继电器）或半导体元件的通断（对无触点继电器）。
继电器的种类很多，按输入信号的性质分为：
电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器等。
按工作原理分为：
电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等。
按输出形式分为：
有触点和无触点两类。
按用途分为：
控制用和保护用继电器等。
本设计采用控制用无触点的固态继电器。
所谓固态继电器（SSR）是采用固态半导体元件组装而成的一纵无触点开关。
它利用电子元件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管、功率场效应管、单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点、无火花地接通和断开被控电路。
而且固态继电器的主要优点是使用寿命高、可靠性好、灵敏度高、控制功率小、电磁干扰小。
图3.7SSR-40DD固态继电器实物图
本设计固态继电器选择SSR-40DD（如图3.7所示），控制方式为直流，负载电流可以为10A、25A、40A、50A，复杂电压为5-60V直流电压，控制电压3—32V，通态降压小于2.3V，控制电流1mA，断态时间小于10ms，环境温度-30℃—+75℃，安装方式为螺栓固定。
电磁阀外围电路的设计
由于电磁阀没有驱动电路，直接可以使用继电器开关进行功率驱动，因此没有驱动电路的设计。
电磁阀通过继电器开关直接控制，当光电传感器未发出指令时，继电器打开，电磁阀未导通；
当光电传感器发出冲水指令时，555定时器持续导通10秒左右，此时继电器收到信号并且吸合，电磁阀获得开启电压，阀门开启开始冲水。
当延时时间过后，555定时器不再发出信号，继电器随即关闭，导致放水阀关闭。
如图3.8为继电器与电磁阀的电路连接图。
继电器为5V供电。
图3.8继电器与电磁阀连接电路图
在实际中电磁阀选择功率为2W的铜合金水用电磁阀（如图3.9所示），型号2W-08-05，连接方式为螺纹，公称通经为2分-2寸，流动方向为单向，压力环境为常压，工作温度在-15℃—55℃。
图3.92W-08-05电磁阀实物图
第4章实物仿真与数据分析
实物仿真概述
仿真时，有两种方式：
一种是利用protel软件模拟仿真，另一种是实物仿真。
本设计采用实际仿真测试系统效果。
由于本设计核心元件为光电传感器和555定时器构成的单稳态触发器，而且为了简化实际电路的设计，因此只对红外光电传感器以及555定时器进行完整设计，而220V50Hz交流输入的电源电路简化成用7.2V电源经LM2940稳压管输出5V电压为整个系统供电；
继电器以及电磁阀则简化为一个发光二极管及其外围电路，即通过判断发光二级管的亮与灭来判断水阀的开和关。
因此实际电路的组成部分为：
电源电路、红外线光电传感器模块、555定时器构成的延迟模块、发光二级管电路模块。
系统实现的功能是：
当正常照射时，发光二级管（红色）灭，代表水阀关闭，不进行冲水；
当接收被遮挡后复位，红色发光二极管亮并且持续10秒左右（根据上一章555定时器设计的延时时间确定），代表水阀打开，开始持续冲水10秒。
10秒中后，发光二级管熄灭，代表冲水完毕。
实验测试过程中，上电后，红色发光二级管熄灭，此时为“无人”状态。
当光电传感器用手或者其他物体遮挡后并恢复，红色发光二级管点亮并且持续约10秒钟，相当于冲水。
10秒左右以后，红色二极管熄灭。
在实测中实现了此功能。
因此本设计中的系统可以在实际中实现并且应用。
系统实物功能分析
如图4.1为实物仿真的整个模型。
图片上方为7.2V直流电源，负责为整个系统供电；
图片下方左侧为系统核心电路板，电路板上包括电源电路、555定时器构成的单稳态触发器、信号输入电路以及指示电路；
图片下方右侧为光电传感器的电路板。
该系统组成比较简单，器件选用成本适中，焊接、测试、修改共耗时三小时左右。
使用的全部为市场上比较常见的器件。
图4.1实物仿真的整体电路
1.电源电路
在焊接测试过程中，焊接完成电源电路后，需要进行测试。
比如对输出电压用直流电压表20V档测量，观察记录稳压输出值是否是5V，如果不是则是电路设计或者焊接过程中存在问题，需要排除故障。
一般故障会体现为：
电解电容正负极接反、电路引脚过近导致电源短路（此时危害最大，在上电前必须进行仔细检查，可以通过万用表的二极管检测档进行检测）、虚焊等。
实际焊接并经过仔细检查后，发现电路无误，于是打开开关进行了上电测量，指示发光二极管点亮，用直流电压表测量稳压输出电压为4.95V，满足设计要求。
因此可以进行电路的下一步焊接。
2.延时模块555定时器
此模块电路板焊接比较复杂，走线较多，在实际焊接和调试过程中必须周密检查每根线的连接正误。
555定时器的插座用松香辅助焊接，使焊盘十分牢固。
电阻采用两个1MΩ的电阻串联成2MΩ的电阻。
电容采用容值4.7uF、耐压值50V的电阻，计算后的延时时间约为10.34秒，但是实际上，通过欧姆表测量，发现电阻实际值为1.002MΩ（由于不是精密电阻），即串联后阻值约为2.004MΩ，以及一些器件内部存在的误差，导致延时时间略微增大。
通过秒表测量，延时时间约为11.5秒。
3.光电传感器
该部分电路除了使用此两个元件外，还采用一些电阻和电容构成的外围电路一同构成了光电传感器模块。
4.发光二级管测试电路
此电路中将电磁阀简化成二极管的亮与灭（上一节已经提到，这里不再赘述）。
当发光二极管接收到指示后，发光二极管以及电阻两端接通5V电压，其中电阻阻值选择200Ω，由欧姆定律可得流过此发光二级管的电流大小为25mA，符合发光二级管点亮的条件。
仿真结果
如图4.2为电路仿真的逻辑电平图。
系统刚上电后，红外传感器能够接收到红外线，此时LED灯不亮。
当红外传感器被遮挡后，控制信号产生了一个高电平，当遮挡结束后，控制信号产生一个下降沿，此时触发了LED点亮信号，使LED的控制信号由低电平此时LED持续量10秒（T1-T2时刻），10秒过后LED熄灭。
图4.2电路仿真的逻辑电平
第5章
课程设计总结
本设计采用直流稳压电源、555定时器构成的单稳态触发器延时电路、固态继电器以及电磁阀构成以一个公厕自动冲水系统。
该系统的工作方式为：
当有人上厕所时，水箱可以自动冲水，这样可以为保洁人员节省精力，并且有效节约了水资源。
本设计理论上实现了当人进入时水箱开始自动冲水，人走后再次冲水，保证了卫生。
但是本系统的还有一些细节需要优化。
比如可以在人进来时并不冲水，而是等人出去后再冲水，这样更加节省了水资源。
这时需要一些外部电路或者逻辑器件进行修正和优化。
也可以用单片机实现该功能。
本系统还有一个缺陷就是在一些人流量比较大的公共厕所，只要有一个人进来就冲一次水，这样会浪费水资源，与当初的设计理念有些相悖。
此时可以通过计数模块的电路设计实现（例如采用74LS160四位二进制计数器）。
通过记录一定人数间隔后进行冲水。
但是这种设计方案仅用于人员出入比较频繁的场合，并不适用于人比较少的公厕，否则长时间未达到计数值则不会冲水，这样环境卫生就遭到了破坏。
因此在不同的场合可以设计不同的方案，而不是像本设计单一的自动冲水方案。
在实物的设计过程中，应用了简化问题的方法，大大节省了时间以及成本，并且达到了实验目的。
但是也存在一些不足，比如一些器件的选择和调整可能比较笼统，没有完美地体现出设计思想。
并且系统存在一些误差，主要来自于器件。
为了更好地解决此类误差，可以通过硬件补偿的方法。
实物设计、焊接以及制作的仿真方式，有效地验证了理论的可行性，通过理论以及实践的结合，使设计更加有实际意义。
通过本设计，证明了此系统可以应用于实际，可以广泛应用于火车站、旅游景点、学校甚至家庭，因此该设计具有良好的发展空间和发展未来，会为当今社会的节能减排做出一部分贡献，也会适当缓解水资源缺乏的问题。
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附录总体电路图
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