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嵌入式课程设计

HUBEINORMALUNIVERSITY

《嵌入式课程设计》

-----智能节水洁具系统

设计报告

成员姓名

杜佳圆、徐泽敏、叶新义

指导教师

熊旭辉

专业与班级

物联网工程1304班

完成时间

2015.7.9

湖北师范学院计算机科学与技术学院

摘要

水资源是不可缺少的，节约用水是一种美德。

我们所见基本上是普通的水龙头，但是往往我们也可以发现，当我们因为急事而忘了关水龙头会使水一直流，从而浪费很多水。

水是我们的生命之源，无论在干旱或者水米之乡。

所以本设计是可以不浪费水，方便了我们，也为那些容易忘记关水的人使用。

本论文设计一种水龙头智能节水开关的设计。

此电路兼具设计简单、操作性强等优点，传统水龙头容易浪费水资源，违背了现代社会追求“绿色低碳”目标，在这基础上，设计了自动供水电路，不但可以节约用水，而且还降低了自然、社会、财富。

此设计采用红外式自动控制水龙头，实现智能节水。

红外式自动控制水龙头由红外发射电路、红外接收放大电路、控制电路、电磁阀、电源组成。

当人或事物靠近时，自动产生控制信号继电器动作，使电磁阀得电吸合放水的功能。

大大的扩展了原先水龙头的功能。

因此，研究红外自动水龙头及扩大其应用，有着非常现实的意义。

关键字：

传感器；红外线；自动控制；

Abstract

Waterresourcesareindispensable,andwaterconservationisavirtue.Wecanseethatwearebasicallyordinarytapwater,butoftenwecanalsofindthatwhenwehavetoforgetaboutthewaterbecauseofahurrytoturnoffthetapwater,andthuswastealotofwater.Wateristhesourceofourlife,whetherindroughtorwatermeter.Sothisdesignisnotawasteofwater,convenientforus,butalsoforthosewhoeasilyforgettheuseofwater.

Thedesignoftheintelligentwatersavingswitchofthetapisdesignedinthispaper.Boththecircuitdesignissimple,operationisstrongwaitforanadvantage,thetraditionalfauceteasytowastewater,contrarytothemodernsocietythepursuitof"greenlowcarbon"goal,onthebasisofthis,automaticwatersupplycircuitdesign,notonlycansavewater,butalsoreducedthenatural,social,andwealth.Thisdesignusesinfraredtypeautomaticcontroltap,realizestheintelligentwatersaving.Infraredautomaticcontroltapbyinfraredemissioncircuit,infraredreceiveramplifiercircuit,controlcircuit,solenoidvalve,powersupply.Whenpeopleorthingsclose,automaticallygeneratesacontrolsignalrelay,thesolenoidvalveisenergizedtopullinwaterfunction.Greatlyexpandedthefunctionoftheoriginalfaucet.Therefore,itisveryrealistictostudytheinfraredautomatictapandexpanditsapplication.

Keywords:

sensor;infrared;automaticcontrol

第一章绪论

1.1智能节水的背景

水资源虽然是可再生的但是我们如果不注意保护，肆意的浪费水资源，那么恐怕最后的结果真的会像是有些文章里面所说的地球上最后一滴水会是人类的眼泪。

水资源是不可缺少的，没有水不管人或事物都不能存活。

节约用水是一种美德。

普通水龙头当然也是一种选择，但是如果人们有急事却忘了关水会使水一直流，从而会浪费很多水。

要是在干旱的地区水就犹如他们的生命。

所以本设计一种可以不会浪费水，专门为那些容易忘记关水的人使用。

节约水是一种美德，在提高人们意识的同时，在相关的硬件措施上也进行改进，基于此，就是课题的来源。

1.2智能节水的目的和意义

随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积重量轻的方向发展。

在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。

红外线安装方便、灵敏度高、抗干扰能力强，使用寿命长，发出光均匀稳定。

发出的二极管光为不可见光，当发出光被某一信号调制后，只有专门的解调电路才能收到。

它可在强光下工作，给人们的生活带来了极大的方便，已成为人们日常生活中必不可少的必需品，而且大大地扩展了原先水龙头的功能。

因此，研究红外线控制自动水龙头及其应用，有着非常重要的意义。

本论文设计的是一种以红外线自动控制的水龙头。

采用了反射式红外传感器，这种传感器的发射与接收是一体化的。

当人或事物靠近时，自动产生控制信号继电器动作，使电磁阀得电吸合从而自动放水。

本设计满足了人们对物质的需求，又提高了科学性。

1.3国内外发展方向及现状

1.3.1国外的发展现状

（1）节约工业用水是节水的重点

城市中工业用水量的比重逐年增加。

2000年世界各国的工业需水量约占世界总需水量的25%。

为了解决水资源不足的问题，许多国家和城市把节约用水作为节水的重点。

主要措施是重复利用工业内部已使用过的水，即一水多用。

美国制造工业的水重复利用次数，1985年为8.63次，2000年达到17.08次[4]。

因此到2000年美国制造工业的需水量不但不增加，反而比1978年的需水量减少45%。

而美国工业总需水量由1975年2033亿m3降至2000年的1528亿m3。

（2）重复利用污、废水已成为替代水源的一个重要途径。

目前，国外有不少城市把处理过的城市污水和废水回用到各个方面，已成为替代水源的一个重要途径。

城市污水经二级或三级处理净化后进行回收利用，例如用于冲厕所、浇灌绿化带，作为工业和商业设施的冷却水，也可作为人工补给地下水的水源[5]。

（3）采用节水型家用设备是城市节约用水的重点

从一些国家的家庭用水调查来看，洗衣、冲洗厕所、洗澡等用水占家庭用水的80%左右。

改进卫生设施，采用节水型家用设备是城市节约用水的重点。

节水产品的使用是非常有效的节水措施，既节约了用水又减少了用水费用的开支。

（4）加强管道检漏工作，避免城市供水的不必要损失

节水的前提是防止漏损，最大的漏损途径是管道。

自来水管道漏损率一般都在10%左右。

根据美国东部、拉丁美洲、欧洲和亚洲等许多城市的统计，供水管路的漏水量占供水量的25%以上。

因此把降低供水管网系统的漏损水量作为供水企业的主要任务之一来对待。

（5）采取经济措施来促进节约用水

当今世界各国已颁布了许多法规，严格实行限制供水，对违者进行不同程度的罚款处理。

许多城市通过制订水价政策来促进高效率用水，偿还工程投资和支付维护管理费用。

国外比较流行的是采用累进制水价和高峰用水价。

（6）依靠科技进步是城市节水工作的根本途径

国外很重视关键的节水技术、设备的开发、节水器具的改进、提高、旧设备、旧工艺的改造等方面的科学技术的应用研究，依靠科技进步进一步提升城市节水工作。

1.3.2国内的发展现状

国内的节水运动始于20世纪80年代初期，经过近20年的努力，取得了较大进展。

（1）设置了一些相关法规

（2）设置了相关的主管机构

国务院城市建设行政主管部门主管全国城市供水工作和主管全国的城市节约用水工作。

（3）国内工业节水技术

鉴于大量工业废水除少数污染很严重外，大部分经简单处理后可重复使用，因此工业节水也是国内城市节水的重点。

1990年我国城市工业万元产值取水量为245m3/万元，2004年已降至196m3/万元，但从整体来看，工业用水水平还比较低，同发达国家的20～30m3/万元相比差距很大。

在具体节水技术中，国内主要注重重复用水技术，包括冷却水的循环节水、一般循环水节水（指循序用水、闭路用水等）和工艺节水（包括冷却工艺改革、无水少水工艺等），这些技术在火电、钢铁、石化、化工、印染、造纸等行业都有成功应用的范例。

（4）国内生活用水节水

目前国内主要节水措施有：

①水表安装与计量。

②采用节水型器具，包括节水型水嘴、节水型便器、节水型便器系统、节水型便器冲洗阀、节水型淋浴器、节水型洗衣机等。

③城市节水灌溉。

随着人民生活水平的提高，城市绿化面积不断增加，城市灌溉用水量逐年增长。

目前我国着重推广喷灌、微喷灌和滴灌等新技术，比原来的地面灌节水30%～50%，同时节省了大量劳力。

④城市污水回用技术（中水技术）。

通过污水回用，可以在现有供水量不变的情况下，使城镇的可用水量增加50％以上。

国内外的实践经验表明，城市污水的再生利用是开源节流、减轻水体污染、改善生态环境、解决城市缺水的有效途径之一，不仅技术可行，而且经济合理。

⑤减少管网的漏损率。

供水管网的漏损是城市供水过程中水损失的一个重要方面，由于城市管网老旧，漏损严重，既会造成水的损失，同时有可能会对地质环境造成安全事故。

⑥利用价格杠杆，调整水价，促进节水工作。

根据《城市供水价格管理办法》和有关规定，合理调整城市供水价格，在满足居民的基本用水要求的前提下超定额用水实行累进加价，鼓励居民选用节水器具、废水再利用的自觉性[8]。

第二章系统的基本组成

2.1水龙头的构成及传感器控制

水龙头采用了反射式红外传感器。

红外线的发射和接收一般使用红外发光二极管和红外接收管来完成。

当有物体靠近时，一部份红外光被发射到接收管。

反射式红外传感器如图2-1所示。

图2-1反射式红外传感器

反射式光电传感器可以用来检测地面明暗和颜色的变化，也可以探测有无接近的物体。

我设计的红外线控制自动水龙头就运用了它这个特点。

光谱范围，灵敏度，抗干扰能力，输出特性等都是反射式光电传感器的重要参数。

这种光电传感器的基本原理是，当人或有物体接近时，遮挡了红外光，光敏元件接收到光信号，从而进行光电转换，电磁阀作用，使水源打开。

红外线控制自动水龙头的控制过程是：

当人或物体靠近自动水龙头时，红外发射光电管发出的红外经人和物体反射到红外接收光电管。

接收光电管接收到的反射光信号自动转换为电信号，经过后续电路进一步放大、整形、译码，最后驱动电路控制电磁阀动作打开水源。

当人手或物体离开自动水龙头时，接收光电管接收不到反射光信号，驱动电路断开电磁阀电源，从而关闭水源。

2.2系统组成方框图

红外线自动控制水龙头整个控制过程分为5个部分。

系统组成方框图如图2-2所示。

图2-2系统组成方框图

第三章系统的工作原理

3.1红外线水龙头控制电路系统的组成

红外线水龙头控制电路包括发射电路和接收译码控制电路。

其中发射电路由多谐振荡器和红外发射二极管；接收电路包括红外接收管D1和D2、运算放大器（LM741）、音频译码器（LM567）、继电器K、电源电路等组成。

3.2红外线水龙头控制电路工作原理

工作原理：

发射电路中，多谐振荡器由IC（555）和R0.R1和C7等组成。

其振荡频率为f=1.44/（R0+2R1）C7，振荡输出信号驱动TLN104型的LED1~LED3工作，从而产生红外脉冲调制波。

接收电路中红外接受头D1.D2与发射中的发射管相匹配，采用TLN104型。

红外脉冲调制经D1.D2接收管转换成电信号，经C1藕合至LM741，再经C2输入到LM567的第3管脚，经识别译码，使得中心频率f=1/1.1R6C3与红外调制频率40KHZ一致，使第8管脚输出为低电平，又经反相后，驱动VT2导通，继电器因控制有信号触发而有交流输出。

当有人洗手将红外光束遮挡时，相应的D1.D2因接收到光信号而进行光电转换，从而使LM567因有信号输入而在第8脚输出为低点平，经反相VT2导通，继电器吸合，交流电压被接通，从而使水龙头的电池阀动作，水源打开。

3.3红外反射式光电传感器特性与工作原理

反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光发光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率比较集中，传感器只结合搜很窄的频率范围信号，不容易被干扰，但价格较贵。

理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射，同时又能被接收管接收到的范围进行检测，然而这是一种理想的结果。

因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度、日光灯照射等不确定因素。

如果直接用发射和接收管进行测量，将会因为干扰而产生错误信号。

采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。

红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送给红外管发射，光敏管接收调制的红外信号如图3-1所示。

反射光强度的输出信号电压（Vout）是反射面与传感器之间的距离（X）的函数，设反射面物质为同种物质时，X与Vout的响应曲线[13]是非线性的如图3-2所示。

设定出电压达到某一阀值时作为目标，不同的目标距离阀值，电压是不同的。

图3-1红外发射接收原理图图3-2光强度相应曲线图

第四章电源电路的设计

4.1电源的功能

电源的功能就是为各元器件的正常工作提供直流电源。

根据设计要求组成电路的主要部分有555构成的多谐振荡器，其工作电压为4.5V-18V，放大电路与红外发射管相匹配的光敏二极管PH302接收，其工作电压为4.5V-18V，阀门开关控制电路是由NE576音频译码器[15]和晶体管组成，其工作电压为4.5V-17V，电池阀9V-12V，由此可知，电源电压应为9V使电路正常工作。

4.2电源的组成

电源由变压器、整流桥、滤波器和稳压器组成。

变压器把220V交流电压（市电）变为稳压所需的低压交流电；整流器把低压交流成分滤除；在经过滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

4.2.1变压器

变压器的作用是将220V50HZ交流电变为整流滤波所需的交流电压。

在该设计中，需要把220V的交流电变为9V交流电，变压器匝数比n=原边匝数/副边匝数=25。

.

4.2.2整流滤波电路

整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。

再经过滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹成分较小的直流电压。

整流通常有半波整流和全波整流。

常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。

4.2.3稳压电路

经整流滤波输出的电压通常不稳定的，不能直接对系统供电，因此需要经

过稳压电路将电压稳定到系统所需要的要求。

对稳压电路都应从两个方面考察其稳定特性，一是设电网电压波动，研究起输出电压是否稳压；二是设负载变化，研究输出电压是否稳定。

直流稳压电路分为串联型稳压电路和开关型稳压电路，该设计采用串联型稳压电路。

稳压器一般包括单管稳压器和集成稳压器。

常用的集成稳压器有固定式三端稳压器和可调式三端稳压器。

4.3电路分析

电路为输出电压+5V，输出电流1.5A稳压电源。

它的电压变压器B，桥式整流电路D1~D4，滤波电容C1.C3，防止自激电路C2、C3和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便的搭成。

200v交流电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1~D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形式一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。

此直流电压经过LM7805的稳压[22]和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生精度高，稳定性好的直流输出电压。

稳压电源电路（如图4-1所示）。

图4-1稳压电源电路

第五章红外发射和振荡器电路的设计

5.1红外发射电路的原理

图5-1红外线发射电路原理图

555内部原理图

红外线发射电路的功能:

NE555组成的多谐振荡电路驱动红外发射管向外发射红外线。

红外线发射器是由NE555电路组成的多谐振荡器，其振荡频率由R1、R2、C1决定，我们可以通过调节R1、R2、C1的大小来调节出所需的频率。

由多谐振荡器产生的脉冲信号由3脚输出，通过红外线发射管SE303向外发射红外线，从而产生红外线信号。

上表是NE555的极限参数，不同的封装形式及不同的生产厂商的器件这些参数不同，极限参数是指在不损坏器件的情况下，厂商保证的界限，并非可以工作的条件，如果超过某一环境下使用，安全性不被保障。

5.2振荡器电路的设计

振荡电路是一种不需要外接输入信号就能将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出的电路（如图5-2所示）。

（a）电路图（b）工作波形

图5-2由定时器构成的多谐振荡器

由于555内部比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，这时振荡频率受电源的温度变化的影响较小。

故只需通过调节R1的阻值来改变f来使其为1Hz的秒脉冲信号，作为闸门信号。

第六章红外接收控制及放大电路的设计

6.1红外接收控制的原理

该电路是用小型一体化红外接收/解调块接受头SFM506-38和锁相环电路。

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

LM567、开关放大电路VT9013、固态继电器TAC08、电磁阀构成控制电路。

图6-1接收解调控制电路

LM567是1片锁相环音频解码电路，采用8脚双列直插塑封，3脚为信号输入端，其工作频率由5、6脚上的阻容元件决定，8脚为逻辑输出端[28]。

IC2与R7、C12组成振荡器，R7、C12决定IC2内部压控振荡器的中心频率，LM567的3脚为信号端，8脚为逻辑输出端，该输出是1个集电极开路的晶体管输出，最大灌电流为100mA，LM567的工作电压为4．75～9V，工作频率0．1Hz～500kHz，静态工作电流为8mA。

当无人洗手时，IC1接受到发射电路的红外脉冲经放大输出到IC2的3脚后，IC2的8脚就会输出低电平，三极管VT1截止，继电器K断电处于释放状态，电磁阀Y不动作，水龙头无自来水放出。

当手放到水龙头下时，IC1不能接受红外线，IC2的3脚无信号输入，8脚输出高电平，使得VT1导通，继电器K吸合，使其常开触点闭合，接通电磁阀Y的220VAC，Y开始动作，使水龙头放出自来水，同时LED发出绿光，指示水龙头正工作于放水状态。

洗涤完毕，手离开水龙头后，停止放水。

SFM506-38地内部原理图如图6-2所示。

图6-2SFM506-38的内部原理图

6.2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3-5所示）。

LM741是高性能内补偿运算放大器，功耗低，无需外部频率补偿，具有短路保护和失调电压调零能力。

6.2.1LM741的管脚功能

LM741的管脚功能是：

1脚为调零端，2脚为反相输入端，3脚为同相输入端，4脚为负电源端，5脚为调零端，6脚为输出端，7脚为正电源端，8脚为空脚端。

此引脚图如图6-3所示，内部原理图如图6-4所示。

图6-3LM741集成运算放大器

图6-4LM741引脚功能图

图6-5内部原理图

6.2.2红外线放大器工作原理

图6-6放大器的工作原理

红外线放大器由红外线接收器PN302和晶体管VT1、VT2组成的电压放大器。

红外线接收器将接收到的信号通过C3耦合到放大电路的第一级，VT1与R1组成电压负反馈放大电路，由VT1放大后的信号通过C4O耦合到VT2作为进一步放大。

第七章单元电路的设计

7.1音调译码器的设计

音调译码器采用LM576SUO锁相环电路，锁相环内则包含一个电流控制振荡器（CCO）、一个鉴相器和一个反馈滤波器，此音调解码块包含一个稳定的锁相环路和一个晶体管开关，当在此集成块的输入端加上所先定的音频时，即可产生一个接地方波。

当输入信号与通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。

用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。

7.1.1音调译码器的用途

主要是用于振荡、调制、解调和遥控编、译码电路。

如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。

LM567的基本工作状况有如一个低压电源开关，当其接收到一个位于所选定的窄频带内的输入音调时，开关就接通。

通用的LM567还可以用做可变波形发生器或通用锁相环电路。

当其用作音调控制开关时，所检测的中心频率可以设定于0.1至500KHz内的任何值，检测带宽可以设定在中心频率14%内的任何值。

而且，输出开关延迟可以通过选择外电阻和电容在一个宽时间范围内改变。

7.1.2LM567的管脚功能

LM567的管脚功能是：

1脚为输出滤波，2脚为回路滤波，3脚为输入端，4脚为正电源端（电压值需最小为4.75V，最大为9V），5脚为定时电阻端，6脚为定时电容端，7脚为接地端，8脚为输出端。

LM567的引脚功能图如图7-1所示。

LM567的内部原理图如图7-2所示。

图7-1LM567的引脚功能图

图7-2LM567的内部电路图

7.1.3LM576芯片的使用

LM576为通用音调译码器，主用外接电阻20比1范围，逻辑兼容输出具有吸收100mA电流吸收能力。

它的技术指标：

1.可调带宽从0%至14%；2.宽信号输出与噪声的高抑制；3.对假信号的抗干扰；4.高稳定的中心频率；5.中心频率调节从0.01Hz到500kHz；6.电源电压5-15V，推荐使用8V。

应用举例：

输入端接104电容，输出端接上拉电阻10K，C1、C2为1uF。

R1、C1决定振荡频率，一般C1为104电容，R1为10K-200K。

电源电压为8V

图7-3音频译码器

7.1.4LM567调制传感器

LM567是一种比较廉价的音频锁相环集成电路，利用它可以构造性能较好的反射式光电传感器如图7-4所示。

图7-4LM567传感器原理图

（一）

由LM567的内部振荡器提供方波信号，点亮探头的LED，由探头的光敏管接收反射光。

经三极管放大，转换成电压信号后送到LM567的内部鉴相器2同步调解，然后由LM567内部的比较器转换为数字输出并联负反馈放大电路有若稳定的增益和低的输入阻抗，能消除光敏管电容的影响，获得良好的高频特性。

这个电路的缺点是当多个探头同时使用时因为频率接近，一旦相邻单元的光斑出现部分重合就会有干扰造成输出抖动，另外567输