本科毕业设计论文节水型水龙头设计.docx
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本科毕业设计论文节水型水龙头设计
闽南理工学院
MINNANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY
毕业设计
节水龙头设计
系别：
光电与机电工程系
专业：
机械设计制造及其自动化（数控）
班级：
0820134
学号：
082013416
学生姓名：
王毅泽
指导教师：
周超职称：
高级工程师
2012年5月20日
MINNANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY
GraduationThesis（Project）oftheCollegeUndergraduate
Water-savingfaucetdesign
Department:
Electro-OpticalandElectricalandMechanicalEngineering
Major:
Mechanicalengineeringandautomation（NC）
Grade:
2008
Student’sName:
WangYiZe
StudentNo:
082013416
Tutor:
ZhouChao
May20,2012
节水龙头设计
王毅泽
光电与机电工程系
毕业设计原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计是我在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
据我所知，除了文中特别加以注明引用的内容外，本设计不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本设计的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明，并表示了谢意。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
毕业设计版权使用授权书
本设计作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计的规定，同意学院保留并向国家有关部门或资料库送交毕业设计的纸质版和电子版，允许毕业设计进入学院图书馆被查阅和借阅，本人授权闽南理工学院可以将我的毕业设计的全部或者部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者扫描等复制手段保存和汇编本毕业设计。
保密□在年解密后适用本授权书；
本设计属于：
不保密□。
（请在以上相应的方框内打“√”）
作者签名：
日期：
年月日
指导教师签名：
日期：
年月日
毕业设计答辩小组成员名单
姓名
职称
单位
备注
组长
节水龙头设计
摘要
如今红外线技术在通信技术、家用电器、工农业生产等许许多多的方面都有很广泛的应用,在日常生活中红外线的应用更是受到人们的关注。
本文主要通过红外线反射控制原理来控制电磁阀从而达到水龙头可自动开启和延时关闭的功能，实现节水的目的。
红外感应自动水龙头电路是由红外脉冲调制发射器、红外线接收、译码电路、单稳态触发器、光电隔离器等组成。
其中555定时器是红外脉冲调制发射器和单稳态触发器的核心部件。
另外CX20106是一款红外线检波接受的专用芯片,由于功能强，性能优越，成本低，故已在各种红外线遥控系统中得到广泛的使用。
关键词：
555定时器；红外线；节水龙头；CX20106；
Water-savingfaucetdesign
Abstract
Today,infraredtechnologyhasaverywiderangeofapplicationsinmanyaspectsofcommunicationstechnology,householdappliances,industrialandagriculturalproduction,infraredapplicationsineverydaylifebythepeople'sattention.Inthispaper,theprincipleofinfraredreflectivitycontroltocontrolthesolenoidvalvesoastoachievethefaucetsthatautomaticallyturnonanddelayofffeaturetoachievethepurposeofsavingwater.Theinfraredsensorautomaticfaucetcircuitbytheinfraredpulsemodulationtransmitter,IRreceiver,thecompositionofthedecodingcircuit,monostable,photoelectricisolator.The555timeristhecorecomponentoftheinfraredpulsemodulationtransmitterandmonostable.InadditionCX20106isadedicatedchip,aninfrareddetectoracceptance,superiorperformance,lowcost,ithasbeenwidelyusedinavarietyofinfraredremotecontrolsystem.
Keywords:
555timer;infrared;waterfaucet;CX20106;
前言
当今世界水资源已经越来越匮乏。
工业和城市生活用水中，节水器具和设备是节约用水的最直接的方式，而水龙头是日常生活中、应用范围最广的一种用水器具，它的性能直接影响到实际节水结果的好坏，因此设计开发节水型水龙头对于应对水资源匮乏有着极其重要的意义。
节水措施的采用，已经提到了政府的议事日程上。
可视我们还是会看到许多公共场所水龙头没有及时关，自来水白白浪费的现象。
特别是医院、厕所、工厂车间等卫生条件相对较差的地方。
有些人不关水龙头主要是担心双手洗干净后再去关水龙头会再次受到污染，也有部分人因为匆忙导致水龙头关闭不到位。
本设计的红外线自动开关节水龙头能够实现水龙头自动开启和延时关闭的功能，同时又防止了清洗后的二次污染，节水方面达到了智能控制的目的。
第1章节水龙头概况
1.1节水龙头的概念
什么是节水龙头？
所谓的节水龙头自身应该具备有“省减、限制、俭省”功能才可称“节水龙头”。
节水属于社会概念，即水在使用的过程中，体现出“省减、限制、俭省”功能；龙头属于产品概念，即自来水水管放水的出口。
1.2目前节市场上节水龙头的种类
（1）定水量式水龙头
水龙头开启流出一段水量后,依靠预压弹簧的增压和水压而进行水龙头的自动密封关闭动作,从而减少了无效流水的时间,预计有30%的节水效果。
（2）自动水龙头
根据光电效应、电磁感应等原理来控制水龙头的开和关,通常用于建筑标准较高的盥洗、淋浴、饮水等的节水控制;这种水龙头具有也有防止交叉感染、提高卫生水平及防止二次污染的功能。
（3）手压、脚踏、式水龙头
这类水龙头通过于手压、脚踏动作及相应传动的机械动作来完成水龙头的开关,当释手或松脚的时候水龙头就自行关闭,达到即开即停的效果。
适用于列车、轮船、民航飞机等大型交通工具上。
（4）陶瓷片密封水龙头
这类水龙头采用2片精密研磨的硬质陶瓷片作为密封件的节水型水龙头。
主要因耐用、密封性好和关闭迅速而节水。
（5）节流水龙头
这类水龙头内加油节水阀芯（俗称皮钱）或节流塞,可以减少水龙头因流量过大而浪费的水量,据估计其节水率可达50%
（6）停水自闭水龙头
这类水龙头停水后靠阀瓣或活塞自重或弹簧复位关闭水流通道而防止水的浪费。
1.3设计的原理简介
本次设计是利用红外线反射控制原理,用电磁阀开关代替普通水龙头的手动开关实现水龙头的自动开关功能。
该系统主要由555定时器构成的电路、CX20106芯片以及相关元器件组成红外线反射控制电路。
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，这样的设计起到既节水又使清洗者不受水龙头二次污染的效果,该设计的总体布局图1-1如下。
图1-1红外反射节水龙头总体布局
第2章主要元器件介绍
2.1发光二极管（LED）
（1）发光二极管（LED）简介
发光二极管，是一种半导体器件。
初时多用作为指示灯、显示板等；随着白光LED的出现，也被用作照明。
它被誉为21世纪的新型光源，具有效率高，寿命长，不易破损等传统光源无法与之比较的优点。
加正向电压时，发光二极管能发出单色、不连续的光，这是电致发光效应的一种。
改变所采用的半导体材料的化学组成成分，可使发光二极管发出在近紫外线、可见光或红外线的光。
（2）发光二极管（LED）的结构及工作原理
发光二极管（LED）的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。
当给发光二极管加上正向电压后，从二极管内的P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，产生自发辐射的荧光。
如表1所示，使用不同的半导体材料可以发射不同的光，常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
表2-1常用发光二极管的参数比较
半导体材料
发出的光
铝砷化镓（AlGaAs）
红色光、红外线
铝磷化镓（AlGaP）
绿色光
磷砷化镓（GaAsP）
红色光，橘红色光，黄色光
铟氮化镓（InGaN）
近紫外线光，蓝绿色光，蓝色光
2.2光敏三极管
（1）光敏三极管简介
光敏三极管和普通晶体三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。
通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。
（2）晶体三级管的基本结构及工作原理
晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。
三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，如图2-1从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。
发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。
基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。
发射极箭头向外。
发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。
硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。
图2-1晶体三级管的基本结构
2.3双向可控硅（SCR）
（1）可控硅简介
可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。
具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。
该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。
（2）双向可控硅的基本结构及工作原理
双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是比较理想的交流开关器件。
双向可控硅具有两个方向轮流导通、关断的特性。
双向可控硅实质上是两个反并联的单向可控硅，是由NPNPN五层半导体形成四个PN结构成、有三个电极的半导体器件。
主电极的构造是对称的（都从N层引出），把与控制极相近的叫做第一电极A1，另一个叫做第二电极A2。
第一阳极A1与第二阳极A2间，无论所加电压极性是正向还是反向，只要控制极和第一阳极A1间加有正负极性不同的触发电压，就可触发导通呈低阻状态。
此时A1、A2间压降也约1V。
双向可控硅一旦导通，即使失去触发电压，也能继续保持导通状态。
只有当第一阳极A1、第二阳极A2电流减小，小于维持电流或A1、A2间当电压极性改变且没有触发电压时，双向可控硅才截断，此时只有重新加触发电压方可导通
图2-2双向可控硅的结构及电路符号
2.3电磁阀
（1）电磁阀简介
电磁阀是用电磁控制的工业设备，可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。
电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。
（2）电磁阀原理
电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔通向不同电磁阀的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。
（3）电磁阀按原理分类
①直动式电池阀
接通电源时候，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，内置弹簧把关闭件重新压回阀座，阀门关闭。
②先导式电磁阀
通电时，电磁力先导孔打开先导孔，上腔室压力迅速下降，电磁阀闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，阀门关闭。
③分步直动式电磁阀
它是一种直动和先导式相结合电磁阀，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。
当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。
第3章主要单元电路设计
3.1．555定时器
（1）555定时器简介
555定时器是一个集模拟、数字混为一体的中规模集成电路，其应用及其广泛。
因为它的成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路，所以也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
（2）555定时器内部结构图及引脚功能
图4是555定时器内部组成框。
它的内部电路由两个高精度电压比较器A1、A2,简单的个RS触发器,一个放电三极管及缓冲器和三个5K电阻串联组成分压器组成。
比较器A1,A2提供两个基准电压分为（1/3）Vcc和（2/3））Vcc。
图3-1555定时器内部组成框图
555定时器各个引脚功能如下:
1脚:
外接地或接电源负端Vss,一般情况下接地；
②脚:
TL低触发端（触发输入）；
③脚:
输出端Vo；
④脚:
RD是直接清零端，当RD端接低电平,则时基电路555不工作,此时不论TL、TH处于何电平,时基电路555输出为“0”,该端不用时应接高电平；
⑤脚:
Vc为控制电压端。
若此端外接电压,则可改变内部两个比较器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只0.01LF电容接地,以防引入干扰；
⑥脚:
TH高触发端（阀值输入）；
⑦脚:
放电端。
该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电；
⑧脚:
外接电源Vcc,双极型时基电路Vcc的范围是4.5～16V,CMOS型时基电路Vcc的范围为3～18V。
一般用5V。
（3）555定时器工作原理
在电源与地之间加上电压，在①脚接地，⑤脚悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为（2/3）Vcc，A2的同相输入端的电压为（1/3）Vcc。
若触发输入端TL的电压小于（1/3）Vcc，则比较器A2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端Q=1。
如果阈值输入端TH的电压大于（2/3）Vcc，同时TL端的电压大于（1/3）Vcc，则A1的输出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为Q=0。
555时基电路的功能表如表3-1
表3-1555定时器的功能表
清零端RD
高触发端TH
低触发端TL
Qn+1
放电管
功能
0
×
×
0
导通
直接清零
1
>（2/3）Vcc
>（1/3）Vcc
0
导通
置0
1
<（2/3）Vcc
<（1/3）Vcc
1
截止
置1
1
<（2/3）Vcc
>（1/3）Vcc
Qn
不变
保持
3.2．多谐振荡器的电路
（1）多谐振荡器的电路结构和工作波形
（a）多谐振荡器电路（b）工作波形
图3-2多谐振荡器电路和工作波形
（2）多谐振荡器电路的工作原理
电路接通后,如果V0是高电平,则放电三极管T截止,电容C充电。
充电回路是Vcc—R1—R2—C—地,Vc按指数规律上升,当Vc上升到（2/3）Vcc时（TH、TL端电平大于（2/3）Vcc）,输出V0翻转为低电平。
如果V0是低电平,则放电三极管T导通,电容C放电,放电回路为C—R2—T—地,Vc按指数规律下降,当Vc下降到（1/3）Vcc时（TH、TL端电平小于（1/3）Vcc）,V0输出翻转为高电平,放电三极管T截止,电容再次充电,这样周而复始,产生振荡电路:
输出低电平时间:
tpl=R2Cln2≈0.7R2C式（3-1）
输出高电平时间:
tph=（R1+R2）Cln2≈0.7（R1+R2）C式（3-2）
振荡电路周期:
T=tph+tpl≈0.7（R1+2R2）C式（3-3）
震荡电路频率：
f=1/T≈1.44/（R1+2R2）C式（3-4）
输出方波的占空比:
D=Tph/T=（R1+R2）/（R1+2R2）式（3-5）
3.3单稳态触发器电路
（1）单稳态触发器电路电路结构和工作波形
（a）单稳态触发器电路（b）工作波形
图3-3单稳态触发器电路和工作波形
（2）单稳态触发器电路的工作原理
没有触发信号时Vi处于高电平（Vi>（1/3）Vcc）,接通电源后Q=0,Vc=0,T导通，电容通过放电三极管T放电，V0保持低电平不变。
如果接通电源后Q=1，放电三级管T就会截止，电源通过电阻R向电容C充电，当Vc上升到（2/3）Vcc时，由于R=0,S=1,锁存器置0，V0为低电平。
此时放电三级管T导通，电容C放电，V0保持低电平不变。
因此，电路通电后没有触发信号时，电路只有一种稳定状态Vc=0。
若触发输入端施加触发信号（Vi<（1/3）Vcc）,电路的输出状态由低电平跳为高电平，电路进入暂缓稳态，放电三极管T截止。
此后电容C充电，当C充电至Vc=（2/3）Vcc时，电路的输出电压V0由高电平翻转为低电平，同时T导通,于是电容C放电，电路返回到稳定状态。
如果忽略放电三极管T的饱和压降，则Vc从0电平上升到（2/3）Vcc的时间，即为输出电压V0的脉宽Tw
Tw=RCln3≈1.1RC式（3-6）
3.4.CX20106芯片
（1）CX20106芯片简介
CX20106是一款红外线检波接受的专用芯片,由于功能强，性能优越，成本低，故已在各种红外线遥控系统中得到广泛的应用等。
CX20106内部电路是由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。
其中的电平自动控制电路（ＡＢＬＣ）可以保证在输入弱信号时前置放大器有较高增益，在输入强信号时前置放大器不会过载，可以保证在一定遥控距离（约10m）内工作可靠。
（2）CX20106技术特点
①电源电压典型值为5v，最大17v；
②电源电流1.1-2.5mA（典型值为1.8mA）；
③功耗低,其典型功耗为9Mw；
④能与PIN光电二极管直接连接；
⑤集电极开路输出,能直接驱动TTL或CMOS电路；
⑥配套使用型号为M50462AP；
⑦带通滤波器的中心频可调节，其范围为30～60kHz。
由于未使用电感,可不受磁场的干扰,因此抗干扰能力强。
（4）CX20106引脚排列图及功能
图3-4CX20106引脚排列图
①脚：
遥控信号输入端（此脚与地之间接红外接受二极管）；
②脚：
该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。
增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。
但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7Ω，C1=1μF；
③脚：
该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf；
④脚：
接地端；
⑤脚：
该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz
⑥脚：
该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短；
⑦脚：
遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降；
⑧脚：
外接电源正极，4.5～5V。
（2）CX20106的内部结构及工作原理简介
图3-5CX20106的内部结构图
CX20106的工作原理：
其中的前置放大器将外接红外光敏二极管或三极管产生的脉冲电压送到CX20106①脚，进行电压放大，电压增益约80dB。
然后将信号送限幅放大器，使其变为矩形脉冲，再由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，由检波器滤掉载频检出指令信号，再经整形后，由⑦脚输出指令信号。
总增益的大小由②脚外界的R1和C1控制。
适当改变C1的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力，改变⑤脚外接的R2可改变带通滤波器的中心频率。
实际上，CX20106的功能概括，就是当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的红外光信号时，其输出端⑦脚就输出低电平。
3.5光耦合器的可控硅开关电路
（1）光电耦合器简介
光电耦合器是一种把红外光发射器件和红外光接受器件以及信号处理电路等封装在同一管座内的器件。
当输入电信号加到输入端发光器件LED上，LED发光，光接受器件接受光信号并转换成电信号，然后将电信号直接输出，或者将电信号放大处理成标准数字电平输出，这样就实现了“电－光－电”的转换及传输，光是传输的媒介，因而输入端与输出端在电气上是绝缘的，也称为电隔离。
（2）开关电路结构及工作原理
图3-6
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