红外感应水龙头控制系统的毕业设计.docx
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红外感应水龙头控制系统的毕业设计
红外感应水龙头控制系统的设计（论文）
摘要
随着经济的不断发展，人们对淡水的需求不断增加，不久的将来久的将来，淡水资源紧缺将成为世界各国普遍面临的严峻问题。
据报道我国是一个水资源短缺的国家，若按人均水资源量计算，人均占有量只有2500立方米，约为世界人均水量的四分之一，时间排110位。
由于全自动感应水龙头有自动控制水龙头开闭的效果，它杜绝了水资源的浪费，避免了人们因为忘记关水龙头致使水白白流走的问题，伸手就来水，离开就关闭的功能，从而有效地节约用水60%以上，特别适合我国严重缺水的地区。
目前全自动感应水龙头普遍应用在人流量密集的火车站目前全自动感应水龙头普遍应用在火车站、汽车站、飞机场、医院等公共场所伸手就来水医院等公共场所。
在公共场所，由于人员流动性比较大，公共设施的卫生情况普遍比较恶劣，传统水龙头必须通过人手操，很容易造成病菌的大规模传播，而它就避免了洗手后，再次触摸水龙头造成的细菌污染，开关水完全由感应器自动完成，无需接触水龙头，有效避免细菌及交叉感染。
全自动感应水龙头安装方便、灵敏度高、抗干扰能力强，，使用寿命长，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，有着非常重要意义。
本文介绍的全自动感应水龙头基于红外线反射原理，由红外发射电路、红外接收放大电路、控制电路、电磁、电源等组。
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打开水源；反之则自动关闭水源。
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，避免了病菌的传避免了病菌的传播。
系统电路设计简单实用，可以广泛用于商场、学校、办公大楼等人员密集场所。
关键词：
传感器；红外线
第1章绪论
1.1感应水龙头简介
感应水龙头是通过红外线反射原理，当人体的手放在水龙头的红外线区域内，红外线发射管发出的红外线由于人体手的摭挡反射到红外线接收管，通过集成线路内的微电脑处理后的信号发送给脉冲电磁阀，电磁阀接受信号后按指定的指令打开阀芯来控制水龙头出水；当人体的手离开红外线感应范围，电磁阀没有接受信号，电磁阀阀芯则通过内部的弹簧进行复位来控制水龙头的关水。
图1.1感应水龙头
起源
于七十年代的日本和欧美等经济发达国家，应用于公共场所，防止洗手后的二次污染，避免疾病的感染，但节水功能不太予以重视。
但由于当时的感应水龙头技术不够成熟，在发展和普及过程中也并非一帆风顺。
[1]
初期缺陷
1、体积较大，外观不美，采用交流供电，安装不便，电源与水接触恐有触电之虑。
2、如遇停电、电压不稳造成不能使用。
3、红外线感应易受背景光和阳光直射的影响，造成非用状态下流水。
4、反应迟钝，在使用情况下开启太慢，使用完毕后关水也太慢
5、直流供电的感应水龙头电池寿命短，须经常更换电池，由于电池盒结构设计原因，更换电池不太方便，给管理者造成一定的困扰。
6、水龙头各部件没有模块化，开发、生产成本较高。
7、人们对红外线使用陌生，人为损坏现象严重。
由于上述众多的缺陷，在一定的程度上给消费造成了不好的影响，使红外线感应水龙头推广在一定程度上受挫。
改进
九十年代以来，由于电子技术的突飞猛进，在感应水龙头技术上作了大量的。
改进。
1、电源供电由交流电向直流供电方向发展，由DC6V、4.5V碱性电池到现在锂电池6V、4.5V减少了使用碱性电池对环境污染，消除了人们使用交流电的疑虑。
2、水阀结构进行了重大改进，具有结构简单、紧凑、耐压、拆、装维修方便。
同时具有过滤，止回等功能，开、关迅速，耗电量极小。
3、红外线控制块大量采用贴片焊接电子元器件及微电脑程式控制，大大缩小红外线控制块的体积，具有微功耗、防水、耐高温等优点。
由于采用数字技术，外围电路简单化，使用功能调整方便，降低了开发、生产成本。
4、由于感应水龙头的水阀、感应控制块的结构紧凑，外观设计越来越美观，逐渐成为人们生活中一道亮丽的风景线。
随着我国感应水龙头生产逐步走上模块化、标准化，感应水龙头品质大幅提高，生产成本大幅下降，人们生活质量的提高，感应水龙头这颗明日之星将在人们的生活之中普及。
1.2感应水龙头生活应用
由于感应水龙头无需人体直接接触，可有效防止细菌交叉感染；伸手就来水，离开就关闭的功能，从而有效地节约用水30%以上，特别适合我国严重缺水的地区。
目前感应水龙头普遍应用在人流量密集的火车站、汽车站、飞机场、医院等公共场所。
感应水龙头在应用场合上可分为以下几种：
1、公用感应水龙头---有感应到信号出水，信号消失停水，超时一定时间自动停水功能，适合大多公共场所使用。
2、医用感应水龙头---有感应到信号出水，再感应到信号停水，超时一定时间自动停水功能，适合医院手术室、护士洗手盘使用。
3、家用感应水龙头---除有感应到信号出水，信号消失停水，超时一定时间自动停水功能，另有长时间放水洗涤功能，适合家居使用。
可见感应水龙头，因为感应水龙头属红外反射接收电子电磁阀类开关，它所分辨的是遮挡物而非红外信号，如无超时停水保护水龙头遇固定遮挡物时就会长流水，浪费水资源。
超时停水保护时间一般设定为20-60秒。
1.3感应水龙头功能与技术性能
1、智能节水：
自动感应控制开、关，将手或盛水容器、洗涤物品伸入感应范围内，龙头即自动出水，离开后即停止出水，节水功能显著。
2、超时保护：
30秒超时洗涤自动关水功能，避免因异物长时间在感应范围内造成水资源浪费。
3、方便卫生：
开关水完全由感应器自动完成，人手无需接触水龙头，有效避免细菌交叉感染。
4、智能省电：
感应水龙头采用现代数字技术，超低能耗（直流型产品使用4节5号碱性电池，静态电流≤60μA）。
5、适应性强：
可根据不同的使用环境调整感应灵敏度（范围）。
6、制作工艺：
黄铜精铸，表面镀铬处理，永保光泽；流线形设计，现代感强。
7、维护方便：
内置过滤器，避免杂质流入电磁阀影响正常工作，且清洗方便。
8、弱电提示：
直流型产品设有电池更换提示功能，电池电能不足时，指示灯处于常亮状态，提示及时更换电池。
9、适用场所：
酒店、宾馆、写字楼、机场、医疗机构等公共场所。
1、自动设定感应区域
感应水龙头通电后自行对使用环境（如：
台盆的色泽、大小、形状等）进行扫描，根据扫描的数据自动设置好最优化的感应区域。
2、有物体进入感应区域固定不动而自动调节感应区域
当有物体进入感应区电磁阀被开启后，若物体保持静止不动，30秒后控制器关闭电磁阀，感应水龙头并根据物体的位置重新调整感应区域。
如此类推可反复调节，当物体消失控制器自动将感应区域恢复到初始的状态。
3、当光线发生变化感应器自动适应
当环境的光线发生改变，感应器自动进行修正（俢正时不会误出水），使盆底等反射物不会对龙头产生干扰。
4、自动断水超时保护功能
感应水龙头当有物体进入感应区电磁阀被开启后,若物体持续在感应区活动超过60秒，控制器会强制关闭电磁阀进入超时保护状态。
解除超时保护状态有两种情况：
①将物体移出感应区，且在2秒内没有其它物体进入感应区。
5、超低功耗
驱动电路采用了智能节电技术，大大降低了驱动电磁阀的耗电量，在0.5水压状态下，4节5号碱性电池可以驱动电磁阀开启30万次以上。
6、设备的稳定性和可靠性
第2章红外线控制自动水龙头系统设计
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。
2.3红外反射式光电传感器特性
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2-3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的响应曲线是非线性的（如图2-4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
2.4红外线控制自动水龙头的工作原理
2.4.1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。
2.4.2红外线水龙头控制电路的原理图
见附录
2.4.3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。
第3章单元电路的设计
3.1稳压电源的设计
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3-5所示）。
图3-5稳压电源电路
3.2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3-6所示）。
图3-6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。
3.3红外接受控制电路的设计
本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（如图3-7所示）。
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。
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3-8所示）
图3-8SFM506-38的内部原理图
3.4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3-9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。
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。
。
内部原理图（如图3-10所示）。
图3-9LM741集成运算放大器
图3-11内部原理图
3.5音调译码器的设计
音调译码器采用LM567锁相环电路，锁相环内则包含一个电流控制振荡器（CC0）、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。
当输入信号于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。
主要用于振荡、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。
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。
3.6三端稳压器
三端稳压器是一种标准化，系列化的通用线性的稳压电源集成电路，以其体积小成本低性能好，工作可靠性高等特点，成为目前稳压电源中应用最广泛的一种单片式集成稳压器件。
三端稳压器的工作原理：
原它与一般分立元件组成的串联式的稳压电路基本相似的.不同的是增加了启动电路,保护电路和恒流源。
启动电路是为恒流源建立工作点而设置的.恒流源设置在基准电压形成和误差放大器电路中，是为了使稳压器能够在比较大的电压变化范围内正常可靠的工作。
在芯片内设置了两种较为完善的保护电路：
一是过流保护，一是过热保护Rsc是过流保护的取样电阻。
Ri，Rb为输出采样电阻。
Rb两端上的电压（反映输出电压的大小的采样电压）与基准电压在误差放大器中进行比较和放大，产生误差电压，去控制调整管的工作状态，从而稳定输出电压。
3.7LM567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。
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输出鉴相器参考信号是从振荡电容端引出的，与发射和接收信号几乎是正交的，解调效率非常低，前级需要高倍放大。
为了解决上述多个探头临近的问题，在使用多组传感器时，做了以下改动（如图3-16所示）：
单独用一个单元（图中右边的567）作振荡，给其余四个单元（图中只画了一个）提供同步的时钟信号，消除了差拍问题。
而且时钟信号既接到振荡电容端又用来控制输出放大管点亮探头照明的LED，使得参考信号与发射和接收信号的相差非常小，调节效率大大提高，最大探测距离有所增加。
图3-16LM567传感器原理图
（一）
图3-16LM567传感器原理图
（二）
结论
此次毕业设计我选做的是红外自动控制水龙头的设计，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。
通过这次对红外线自动控制水龙头的设计，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于水龙头的原理与设计理念。
通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。
除了学会了许多专业知识外，在遇到困难时，积极地去请教我的指导老师，我通过看现有的教材、去图书馆查阅资料、去网上搜索相关信息这些方式，不仅完成了我的毕业论文，而且大大增强了我的自学能力和独立能力。
更重要的是，我拓展了思路，开阔了视野，活跃了思想。
这次毕业设计不仅使我对相关专业知识有了更深的理解，而且还让我认识到了理论知识对工作实践的重大意义，学会理论联系实际。
毕业设计要求我们完全依靠自己的能力去学习和设计，而不是像以往课程那样一切由教材和老师安排。
因此，它给了我更大的发挥空间。
让我发挥主观能动性独立的查阅资料、寻找数据、设计实验方案，并将理论知识应用到实践中去。
同时，让我懂得红外线在生活中的广泛应用。
通过这次设计提高了我认识问题、分析问题、解决问题的能力。
总之，这次设计既是对我课程知识的考核，又是对我思考问题、解决问题能力的考核，更是对我人格品德的考验，设计让我受益匪浅。
谢辞
当我以学子的身份踏入大学校门的那天起，便已注定我将在这里度过人生中最美丽的青春年华。
提笔写下“谢辞”，我才惊觉自己即将真正离开，人生亦从此展开新的画卷。
尽管不舍，却更珍惜，因为我的生命中有那么多可爱的人值得感激。
他们使我的大学生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我来说都是一笔宝贵的财富。
三年的大学生活不知不觉中就要结束了，在这段难忘的生活中，有我许多美好的回忆。
在这份大学的最后一页里，首先感谢党、感谢学院给我们提供这个能自我展示的平台，感谢我们的指导教师，吾文明老师，你从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。
给我提供了大量数据资料和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。
我要感谢在我三年的学习中无私传授我知识的各位老师，是你们将自己宝贵的财富无私地奉献给了我们，让我们能在学业上有所成绩；是你们让我倍感教师职业的伟大，交给我们知识，又不忘教育我们如何做人！
在此，我还要感谢寝室的室友们在我完成论文的过程中给予我的帮助和鼓励，也是他们陪我度过这三年的生活。
总之，这次设计既是对我课程知识的考核，又是对我思考问题、解决问题能力的考核，更是对我人格品德的考验，设计让我受益匪浅。
参考文献
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[5]刘南平，白明．《电路分析》[M]．人民邮电出版社，2007．
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[8]冯民昌．《数字集成电路系统》（第二版）[M]．中国铁道出版社，2008.
附录
元件列表
序号
名称
符号
型号和规格
件数
1
电容
C0
0.1uf
1个
2
电容
C1
0.22uf
1个
3
电容
C2
0.1uf
1个
4
电容
C3
0.01uf
1个
5
电容
C4
2.2uf
1个
6
电容
C5
1.0uf
1个
7
电容
C6
47uf
1个
8
电阻
R0
9.1K
1个
9
电阻
R1
13K
1个
10
电阻
R2
6.2K
1个
11
电阻
R3
100K
1个
12
电阻
R4
1K
1个
13
电阻
R5
100K
1个
14
电阻
R6
12K
1个
15
电阻
R7
1K
1个
16
电阻
R8
10K
个
17
晶体三极管
VT2
9013
个
18
发光二极管
LED
3个
19
D
2个
20
芯片
LM567
1个
21
集成运算放大器
LM741
1个
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果
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