简易自动干手电路.docx
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简易自动干手电路
郑州轻工业学院
电子技术课程设计
题目简易自动干手电路
学生姓名
专业班级电气工程10-02班
学号
院（系）电气信息工程学院
指导教师孙君曼
完成时间2012年06月22日
郑州轻工业学院
课程设计任务书
题目简易自动干手电路
专业学号姓名
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
主要内容
1．阅读相关科技文献。
2．学习电子制图软件的使用。
3．学会整理和总结设计文档报告。
4．学习如何查找器件手册及相关参数。
技术要求
1.要求电路能够通过感应装置，在人们需要干手时，自动打开加热和吹风装置。
2.要求电路在打开加热和吹风装置一段时间后，自动关断开关。
3.要求电路能够调节加热和吹风装置开关打开的时间。
主要参考资料
1．何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
2．姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月
3．王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月
4．李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月
5．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003
完成期限：
指导教师签章：
专业负责人签章：
摘要
自动干手器是一种广泛应用于洗手间的干手装置，它采用红外线控制的电子开关，当人伸手时，由红外线发射器发射的红外线被人手挡住触发红外线接受器产生电信号，经放大电路对电信号的放大，风机吹风将手烘干，一段时间后风机自动停机。
自动干手电路包括红外线发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路、自动干手器开关电路和电源电路五部分组成。
其中红外线发射装置是SE303红外线发射器，时间延迟装置为NE555定时器。
当输出端输出为低电平时，三极管T截止，没有电流通过。
继电器与三极管的集电极相连，若有电流驱动，开关吸合，电磁阀通电，启动电吹风工作；若没有电流驱动，开关断开，电磁阀不通电，电吹风不工作。
同时在继电器两端并联二极管用来实现保护，再加一个发光二极管用来显示吹风机是否工作。
通过输出电路端产生脉冲信号来控制红外线发光二极管发射光脉冲，其中二极管D起到保护发光二极管的作用。
关键词自动干手；电源电路；红外线发射电路；红外线接收电路；风机开关电路；延时电路。
目录
摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1方案设计和电路设计5
1.1总体设计．．．．．．．．．．．5
1.2电源电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
1.3红外线接受电路6
1.4红外线发射电路7
1.5延时电路9
1.6风机开关电路10
2相关元器件功能简介11
２.１NE555简介11
２.１.１概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..11
２.１.２特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．....11
２.１.３NE555引脚分布说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.....．..11
２.２NE555构成单稳态触发器简介13
３ 体会与感悟15
３.１体会．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.．..15
３.２感悟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．...15
参考文献16
附录总原理图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
1方案设计和电路设计
1．1总体设计
红外线自动干手器电路由红外线发射器、红外线接收放大器和开关控制器组成。
利用555定时器及多谐振荡器和单稳态触发器等元件即可组成红外线自动干手器电路。
当人们需要干手时，人们把手靠近干手器时，由于手对红外线的反射作用，使555定时器构成的单稳态触发器产生一段时间的高电平定时。
控制自动干手器会打开加热装置和吹风装置一段时间后会自动停止，并可以通过NE555自动的可变电阻器进行调节。
下图1-1是系统总框图。
图1-1总系统框图
红外线发射电路的功能的利用红外线发光管发射脉冲，从而实现电路对人体的感应。
红外线接收电路功能的利用光敏元件接收发射出来的光脉冲，并且将光脉冲信号转化为电信号，同时对其进行放大。
时间延迟电路的功能的利用单稳态电路的特性，实现对自动干手器开关打开时间的控制。
自动干手器电路的功能的利用电磁阀作为自动干手器的开关，从而可以通过控制电磁阀两端电压的高低对干手器进行控制。
利用变压器及稳压器将220v交流电变为12v直流电为以上4部分电路提供直流电源。
1．2电源电路
电源电路的设计可以采用两种方法来实现：
第一种方法是采用电池供电，需要注
图1-2电源电路
意的问题是选择合适的电池的指标参数与电路相匹配;第二种方法采用如图1-2所示电路。
电路直接从电网供电，通过变压器电路，整流电路，滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电通过7812转换为+12V直流电压（为继电器和NE555供电）。
电路中的变压器采用常规的铁心变压器，流电路采用二极管桥式和C5整流电路，C7,C8和C9，C10滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。
稳压电路是一种能自动调整输出电压的供电电路或供电设备，它的作用是将波动较大或者不合用电设备要求的电源电压，稳定在它的设定值范围内，使各种电路或电器设备能在额定工作电压下正常工作。
1．3红外线接收电路
红外线接收电路实际上就是一个红外线接收二极管PH302（D3和D4）。
PH302具有按照光信号的强度产生出对应的电信号的特性，这叫做光敏元件。
PH302是高灵敏度、抗干扰性能强的红外线接收管，也叫光电二极管，它的结构和二极管极为相似，被封装在透明玻璃壳内，管中的PN结可以接受光照，它在电路中是反向工作，当没有光照时，反向电阻很大，可达到几兆欧；有光照时，反向电阻很小，只有几欧，反向电流约几微安。
红外线接收装置D3、D4无人伸手时，接受到光信号时，处于导通状态，相当于短路，C3左端相当于直接接地，为低电平，后边电路就不工作。
在人伸手时接收不到光信号而截止，使电路经R7流通，使信号进入放大器。
，通常用在光电转换自动控制仪器中。
由于接受管接收到的信号非常微弱，后续电路无法继续处理，因此必须对接收的信号进行放大，该电路是由电阻R5，R6，Q1，Q2和C3，C4构成。
图1-3红外线接收电路
电路中采用了双三极管构成放大电路，这样就可以使得电路的放大倍数比单管放大倍数增加若干倍，放大效果更好，从而得到更合适的信号。
R5和R6为放大电路的集电极偏置电阻，C3,C4为放大电路耦合滤波电容。
R4为放大电路反馈电阻，其功能是保证放大电路有一个稳定的静态工作点和稳定的输出电压。
1．4红外线发射电路
电路为红外线发射电路。
红外发射部分由NE555定时器组成的电路产生频率为5kHz，占空比为1/3的方波信号，驱动红外发射管发射红外线。
该电路的核心器件是红外线发光二极管SE303。
红外线发光二极管由GaAs的PN结构成，其发光波段处于可见光波段之外，因此不能在显示中使用一般作为光信号传输之用。
本电路的感应装置一般要求不可见，因此采用红外线发光二极管作为感应装置。
红外线发光二极管正向电流不能超出其最大额定值。
而作为感应装置则要求其具有较大的光输出。
一般利用其相应速度快的特性，通过脉冲驱动来增大光输出。
因此电路前端需要一个脉冲信号电路，采用两个发光二极管增大发射面积。
本电路采用的是由NE555集成电路构成的多振荡器组成。
其电路运行包含两个过程：
一是利用直流电源经电阻R1和R2对电容C1经电阻R2从NE555集成电路的DIS端的放电过程。
电流从R1、R2进入，给C1充电，V7、V2电压升高，当V2达到8V左右时，NE555复位，输出端（引脚3）为低电平。
之后C1通过R2放电，V2降低，当V2降到4V时，输出端输出高电平，SE303向外发射红外线。
电源又通过R1、R2给C1充电，当V2升到8V时，触发器再次翻转。
如此3号脚输出特定频率的脉冲方
波信号。
图1-4红外线发射电路
二是电容C1经电阻R2从NE555集成电路的DIS端的放电过程。
通过这两个过程的交替运行，就可以在NE555集成电路的输出端产生脉冲信号。
其输出脉冲信号的频率f和占空比q为：
f=1/0.7（R1+2R2）C1=1/0.7（1MΩ+2*1MΩ）100pF≈5KHz
q=R1/（R1+2R2）=1MΩ/（1MΩ+2*1MΩ）=1/3
这样输出电路端Q产生脉冲信号来控制红外线发光二极管发射光脉冲，其中，因为红外反向电压不能过高，用二极管D起保护红外发光二极管的作用。
上图是电路为红外线发射电路，主要组成部分就是NE555构成的多谐振荡器和红外线发射管SE303。
SE303发射的红外线在可见光范畴之外，故用图1-4中的PH302感应接受红外线。
而NE555作为多谐振荡器发射固定频率的方波脉冲信号，激发SE303产生特定频率的红外线。
从NE555输出端的电流大概是200mA,而SE303正常工作只需20mA。
故连上R3来限制电流，保护红外线发光二极管。
1．5延时电路
图1-5是为时间延迟电路，其中C4、R9组成微分电路，将施密特触发器输出的方波形成触发脉冲，实现对NE555的可靠触发。
后面是NE555芯片组成的单稳态触发器，R9为上拉电阻，2号脚为输入端，当2号脚输入为低电平时（低于12*1/3=4v），经过NE555输出端（引脚3）为一个高电平，NE555进入暂稳态。
因为T（Max）=1.1*R10*C5=51.7s,所以吹风时间能实现0--51s内的定时。
之后电源通过上拉电阻R9充电，使2号脚的电平升高超过12*1/3=4v，电源通过R10充电使6号脚变成超过8V，此时，NE555发生翻转，输出为低电平。
输出端3输出为高电平时并保持一段时间，延迟时间T
图1-5延时电路
T=RCLn3=R10C5Ln3≈1.1R10C5
可变电阻R10和电容C5的乘积数值决定，通过调节可变电阻R5的大小，可以改变延迟时间的长短，以适合不同场合的应用。
1．6吹风机开关电路
图1-6吹风机开关电路
图1-6电路为风机开关电路，由继电器，三极管，二极管，电阻，电动机构成，电动机工作需要大的电压，故直接接在220V交流电上，不能直接用数字电路中的微电来控制，所以要用继电器来控制。
电磁继电器一般需要大电流，当NE555输出为高电平时，二极管D2，三极管T3导通，此时电流经过T3放大β倍，继电器产生磁场使继电器开关闭合，开关片1与3接触，电动机所在电路连接导通，电动机工作，D2起到保护作用，防止电流过大，继电器产生电感电动势，通过D2、R8将电能消耗。
开关片1与3分开，开关K处于断开状态，电动机不工作。
电动机直接接在220V交流电上。
取R8=10KΩ.可比较快速的把电磁能消耗。
图中25°温控开关为集成电路器件，可以根据不同的需要购买，当干手器工作温度低于25°时，温控开关导通，风机吹风把电热丝产生的热带出去，烘干人手。
当于干手器工作温度高于25°时，温控开关断开，风机吹自然风把手风干，节省能源。
为满足风机工作需求，取R9=1KΩ，使提供给电动机电流大小为3A左右。
2相关元器件功能介绍
2．1NE555简介
2．1．1概述：
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同，而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉冲信号。
2．1．2特点：
1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑门配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
2．1．3NE555引脚分布说明：
图2-1NE555内部电路、引脚图和功能表
Pin1-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
Pin2-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。
Pin3-当时间周期开始时，555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
Pin4-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位，即复位端。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin5-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当定时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin6-重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
Pin7-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
表2-1555定时器功能表
TH
OUT
放电管T
×
×
0
0
导通
＞
VCC
＞
VCC
1
0
导通
＜
VCC
＞
VCC
1
保持
保持
＜
VCC
＜
VCC
1
1
截止
Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。
参数功能特性：
供应电压4.5-16V
输出电流225mA（max）
上升/下降时间100ns
2.2NE555构成单稳态触发器简介
图2-2555触发器构成单稳态触发器原理图
图２－２即为由NE555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。
D为钳位二极管，稳态时NE555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。
并使2端电位瞬时低于
，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电。
图2-3单稳态触发器波形图
当Vc充电到
时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。
波形见图10。
暂稳态的持续时间T（即为延时时间）决定于外接元件R、C的大小。
T=1.1RC。
通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。
当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态。
前端电路的输出电压V1首先经过二极管D1和D2整流，再经过电容C1滤波，则在NE555集成电路的TRIG端产生了触发电平信号。
当接收到红外线脉冲信号时，前端电路输出电压V1经由整流和滤波在TRIG端产生一个高电平信号，由NE555集成电路构成的单稳态电路的特性知，输端Q输出低电平；当有人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲时，前端电路没有输出电压V1，则TRIG端输入为零，单稳态电路接收到触发信号，输出端Q输出为高电平信号并保持一段时间。
延迟时间由可变电阻R2和电容C1的数值决定，通过调节可变电阻的大小，可以改变延迟时间的长短，以适合不同场合的应用。
3总结与体会
3.1总结
自动干手器电路是由红外线发射电路、红外接收电路、时间延迟电路、触发和继电器控制吹风机电路等组成。
该产品可用于医院、食堂、公厕等公共场合，当有人洗手时，该电路会自动开启并关断，使用安全可靠、清洁卫生。
自动干手器主要的组成部分就是555定时器电路。
根据555强大的功能可以制造出多种产品，干手器只是其中的一种。
在《数字电子技术基础》之中我们已经学习了555定时器，但是只是限于理论知识，没有把它应用到实际之中，通过这次对自动干手器的让我对555定时器又有了更新的认识，同时我也对红外线有了新的了解，知道了红外线遥控的大体内容和原理。
3.2体会
以前仅限于对理论知识的学习，而且大多是是懂非懂的状态。
对于器件不知道有什么用途，也就更加难以理解。
但通过本周的查阅资料，搜索信息，我对电子技术有了更深的理解，同时也了解到了自己的不足，明白了所学知识的重要性，培养了自己对课程学习的兴趣；通过这次的课程设计，我对直流稳压电源有了更深刻的认识，尤其是对电路的原理的理解，各元器件功能，特性的认识，当然在设计的过程中，也遇到了很多困难，因为刚学过电子制图，不是很熟练，所以这次作图问题不少，非了不少功夫。
设计的过程是困难的过程，也是我收获最大的过程，它使我的理论知识与实践相结合，对电路的设计、理解能力有了进一步的提高。
总之，这次课程设计使我受益匪浅，让我对以后的工作学习有了更大的信心。
参考文献
（1）何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
（2）姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月
（3）王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月
（4）李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月
（5）康华光，电子技术基础，高教出版社，2003
附录总原理图
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