课程设计卫生间智能灯光控制系统设计报告19页doc.docx
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卫生间智能灯光控制系统设计报告
第一章设计用途和功能…………………………………………………2
第二章设计的作用、目的………………………………………………2
第三章总体设计…………………………………………………………2
3.1系统概述…………………………………………………………2
3.2各部分电路设计…………………………………………………4
3.2.1电源电路……………………………………………………4
3.2.2红外发射电路………………………………………………5
3.2.3红外接收电路……………………………………………7
3.2.4延时电路…………………………………………………10
3.2.5自断断电电路………………………………………………12
3.2.6电灯控制电路………………………………………………12
3.3PCB版制作电路………………………………………………13
第四章心得体会及建议…………………………………………………16
第五章附录……………………………………………………………17
第六章参考文献…………………………………………………………18
一．设计用途和功能
1.设计一个利用红外进行自动控制卫生间电灯的电路，.要求当人推开门时启动电源工作电路，既而启动红外接收电路和延时电路。
当人离开红外探测区域，延时电路停止，逻辑门控制电路停止工作，总电路总开关断开。
要求有人的时候自动开启开，没人的时候自动关闭，节省电力资源，更加环保，符合建设低碳社会的精神。
2.设计产生一个30kHz的方波发生信号电路，并接受此方波信号的接收电路。
二、设计的作用、目的
1.该电路设计重在掌握电源稳压，应用555定时器设计电路发生，并接收自动控制开关开关电路。
2．掌握常用电子器件（稳压管，二极管，电容，电阻等器件）的应用，并进行设计和综合分析应用。
3．通过课程设计，能够加深对电路理论知识的理解和掌握，更重要的是学习和掌握科学实验研究方法。
学会运用理论和实验两种方法，解决实际问题。
4.熟悉Multisim电路仿真，ProtelPCB制版为以后从事科研和工作打基础
5.锻炼通过自学与自己探索的方式解决问题的能力。
6.通过此次课程设计将单片机软硬件结合起来对程序进行编辑，校验，锻炼实践能力和理论联系实际的能力。
7锻炼团队分工合作与协调能力。
三、总体设计
1.系统概述
（1）.系统总体结构：
电灯控制电路
电源电路
自断电电路
门开关电路
红外发射电路
红外接收电路
延时电路
图3-1设计流程图
（2）.工作原理
当人推开卫生间门时，装在门沿上的开关通过继电器使电灯接通电源，电灯亮。
当人进去卫生间后关上门，门沿上的开关接通自断电电路，使红外发射、接收电路开始工作。
红外发射电路发射一个30Khz的脉冲波。
红外接收系统检测到信号时，红外接收系统接通另一个继电器，使电灯继续工作。
当红外接收电路检测不到信号时，接收电路会自动启动延时电路延时15s，在这15s内如果一直检测不到有人在卫生间，经过逻辑或运算关系判断则自断电电路会自动切断红外接收和发射电路，直到有人再次推动门而开始新的一次循环。
2.各部分电路设计
（1）.电源电路
电源电路压器、整流、滤波和稳压。
电网电压一般为交流220V，要把电网的交流电压变换成所需要的直流电压，首先要经过电源变压器降压，然后通过整流电路将交流电变成脉动的直流电，由于整流后的电压还有较大的交流成分，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
稳压电路可以保持输出直流电压的稳定，使之不随电网电压、负载或温度的变化而变化。
本系统中电源电路的作用主要是为红外收发、延时等其它电路提供稳定+5V直流电源，如图3-2所示。
图3-2电源电路
220V50Hz的市电经过变压器降压后输出为有效值约为8.8V的50Hz交流信号，经桥式整流电路和滤波电路后成为小幅波动的直流信号。
如图3-3所示，
图3-3变压器和桥式电路的输出
滤波后的信号经集成稳压芯片LM7805处理后，输出为+5±0.03V直流信号，十分稳定。
（2）发射电路
发射电路使用R1、R2、R5及C1、C3和D1、D2与555共同组成无稳态多谐振荡器定时器，这个电路还有另外一个优点是输出电压的幅值，周期比及频率受负载变化的影响极小。
该电路产生一个30kHz、点空比约为1/3的方波。
如图3-4所示。
经西门子SFH415红外发射管（发射波长950nm）进行发射。
图3-4NE555波形发生器
在实际仿真中为了确定555定时器相关的电阻和电容的参数，开始是根据《数字电子技术基础（第五版）》（阎石主编）一书中的多谐振荡公式来计算：
周期T1=0.7*（R1+R2）*CT2=0.7*R2*CT=T1+T2=（R1+R2）*C*ln2
占空比为q=R1/（R1+R2）
但在实际仿真中发现，利用该公式不管如何调整R1R2及C的值，在仿真中都无法得到理论频率及占空比，经过约三天左右的时间我们才找到问题的根源。
由于R1阻值的不同导致放电管的饱和程度不同，进而影响了放电管的电阻大小，使得输出信号的实测值与理论值有较大误差。
（参考了《555定时器应用中的问题探讨》一文，见附录）
最后，我们适当调整了R及C的值，最终使输出能保持在30±0.1kHz，占空比约为1/3。
由于使用的红外接收管在该范围内能保证较高的敏感性，且本系统中的红外信号本身无须传递数字信息，该输出频率和占空比已经能满足要求。
输出仿真如图3－5所示。
图3-5红外发射电路输出仿真
（3）红外接收电路
使用30kHz的方波发射可有效提升红外信号传输距离，同时抑制环境中其它红外信号（如人体辐射的红外等）的干扰。
使用占空比1/3的方波，一是可以省电，二是使发射管不至于因为过热而影响发射信号的稳定性。
红外接收电路中使用西门子SFH506-30红外接收管，该管接收波长与红外发射管SFH415的发射波长一致，同时自带解调及放大功能。
输出信号接在电压比较器U3A的一个输入端。
接收电路中有两个电阻对电源进行分压，其分压输出到时电压比较器U3A的另一端。
当一定范围内无人时，接收管接收到的反射红外信号很弱，其输出为高电平，比电阻分压要高，电压比较器输出低电平。
当一定范围内有人时，接收管接收到的反射信号很强，其输出为低电平，低于电阻分压，电压比较器输出高电平。
原理图如图3-6所示。
仿真如图3-7和图3－8所示。
图3-6接收电路原理图
图3-7有人时接收电路的输出
图3-8无人时接收电路的输出
说明：
在制作电压跟随器的时候，发现直接使用课本上将集成运放输出接回输入的方法得不到电压跟随效果。
大量查阅资料后找到原因。
运算放大器理想的运行状态是输出电压和输入电压为同相，即，当负输入端的所加电压引起输出增大时，运算放大器能够相应地使增加的电压降低。
不过，运算放大器的输入端和输出端的相位总有差异。
当输出和输出之间的相位相差180°时，负输入与正输入正好相同，原本应该减少的输出却得到了增强。
（成为正反馈的状态。
）如果在特定频段陷入这一状态，并且仍然保持原有振幅，那么该输出频率和振荡状态将一直持续下去。
我们参考相关资料后改进了电压跟随器电路。
如图3-9所示。
图3-9改进型电压跟随器
（4）延时电路
当发射电路输出的信号为低电平时，输出信号经反向器反向为高电平并启动延时电路。
这是由一个由555时基电路构成的单稳态延时电路。
当延时电路开始工作，管脚DIS和TRI低电平，输出为OUT管脚是高电平，延时15秒结束后电路反转工作OUT管脚输出低电平。
原理图如3-10所示。
该电路图仿真延时时间约为14.982s，如图3-11所示，误差在允许范围内。
图3-10延时电路原理图
图3-11延时时间仿真结果
（5）自断电电路
当门开时，S1（见原理图）接11口，直接接通继电器K2从而使电灯正常工作，同时红外收发及延时电路均不工作。
当门关上时，S1接13口，由U2A和U1B构成的逻辑或运算器输出高电平，使继电器K1导通。
从而使红外收发电路接通电源，开始工作。
在红外接收电路检测到有人时，其输出为高电平，维持继电器K1导通，使红外收发系统正常工作。
当红外接收电路因检测不到人而输出低电平时，反向器U1A输出高电平，使延时电路开始工作，并输出高电平继续维持K1导通。
延时系统延时15秒后输出低电平，若在这15秒中依旧检测不到信号，则K1断开。
红外收发系统关闭。
如图3－12所示。
图3－12逻辑或运算控制
（6）电灯控制电路
三个继电器K2K3K4并联，并与灯泡一起串联在220V市电网络中。
只要有其中一个继电器能接通，则电灯工作。
如图3-13所示。
图3-13电灯控制电路
3.PCB版电路制作
本次制PCB版使用AltiumDesignerSummer09（Protel系列软件最新版）
（1）原理图绘制
图3-14总原理图
（2）导入元件，并手动布局，在板的四个角放置安装孔。
图3-15手动布局
（3）自动布线，成功。
图3-16自动布线
（4）顶层和底层敷铜
图3-17顶层敷铜
图3-18底层敷铜
四、心得体会及建议
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，加深了对理论知识的理解在这次课程设计中，我就是按照实验指导的思想来完成。
加深了理解电路知识的的理解，经过四个礼拜的课程设计，在老师的指导下，我们组创新的设计了一个红外发射接收自动控制电路实验。
应用电源稳压电路，电压比较器等模拟电子基础知识，以及555定时器的应用，反相器等数字电子元器件来成功设计此电路实验。
只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，在实训的过程中我们是更重视严谨，认真设计，查阅相关资料。
这些良好品德因为有时候你一下子不认真就会给整个电路带来巨大隐患也更明白只有学会团结合作才能更好的完成整个设计。
通过这次设计我们组巩固和加深了对模拟电子元器件的应用锻炼了我们分析和解决实际问题的能力，同时我们还发现课本理论只是有时与实际模拟不相符，更加深对理论基础的理解与应用，为我们以后工作集科研锻炼良好基础。
通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
五、附录
1.元件明细表
序号
分类
型号
个数
1
555定时器
NE555
2
2
集成运放
LM339AD
1
3
红外发射管
SFH415
1
4
红外接收管
SFH506
1
5
变压器
TRANS25-1
1
6
电桥
3N259
1
7
稳压管
LM7805
1
8
CMOS门电路
MC74H02AD
1
9
MC74HC04AD
1
10
继电器
EMR031A03
4
11
二极管
1N4933
1
12
1N4148
2
13
电容
100pF
2
14
1nF
1
15
10nF
2
16
370uF
2
17
1mF
1
18
电阻
50k
1
19
20k
2
20
16k
1
21
13.7k
1
22
8k
1
23
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