红外自动水龙头控制器设计论文付文龙.docx

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红外自动水龙头控制器设计论文付文龙

湖南现代物流职业技术学院

电子信息工程技术专业专科毕业论文

题目：

红外自动水龙头控制器设计

学号：

************

姓名：

付文龙

学校：

湖南现代物流职业技术学院

指导教师：

刘雄飞老师

答辩日期：

2014年9月

毕业论文写作过程考核表（此页由学生填写）

学生姓名付文龙论文题目红外自动水龙头控制器设计

选题经过

调研与材料准备

情况

初稿写作

文章分部分，各部分标题如下：

成文时间：

年月日

第一次

修改内容

第二次

修改内容

第三次

修改内容

管理教师

考核意见

签名：

年月日

指

导

教

师

评

语

指导教师（签名）：

年月日

学院初审意见

学院初审小组组长（签名）：

年月日

学

校

大

复

审

意

见

学校复审小组组长（签名）：

年月日

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。

本论文设计一种以红外线控制水龙头。

此电路兼具设计简单、外形美观、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、公司财富。

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。

它安装方便、灵敏度高、抗干扰能力强，使用寿命长。

发出光均匀稳定，已成为人们日常生活中必不可少的必需品，其广泛用于家庭、车站、工厂、学校、餐厅等场所。

而且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

Waterisindispensable,savewaterisavirtue.Whatweseeisbasicallyordinaryfaucet,butoftenwecanalsofoundthat,whenwebecauseurgentandforgottoturnoffthefaucetcanmakewaterhasbeenflowing,thuswastingalotofwater.Wateristhesourceofourlives,nomatterindroughtorwatermetersofthetownship.Sothisdesigncannotwastewater,convenientforus,butalsotheeasilyforgetshutwateruse.

Thispaperdesignedakindofinfraredcontrolfaucet.Thiscircuitissimpleindesign,bothinappearance,suchadvantagesashighmaneuverability,thetraditionalfauceteasytowastewater,violatedthemodernsocietyisseeking"greenlowcarbon"goal,inthisbasis,automaticwatersupplycircuitdesign,notonlycansavewater,butalsoreducedthenatural,social,companywealth.Infraredtypeautomaticcontrolfaucetconsistsofinfraredemissioncircuit,infraredreceivingamplifiercircuit,controlcircuit,solenoidvalve,powercomponent.Whenpeopleorthingsclose,automaticallygeneratecontrolsignalrelayaction,maketheelectromagneticvalvefitstheabsorptionofwatertoelectricityfunction.Itconvenientinstallation,highsensitivity,anti-jammingability,longservicelife.Emitlightuniformstability,hasbecomenecessaryinPeople'sDailylifenecessities,whicharewidelyusedinhousehold,station,factories,schools,restaurantsandotherplaces.Andgreatlyexpandedtheoriginalfunctionofthefaucet.Therefore,theinfraredautomaticfaucetandexpanditsapplication,hasaveryrealisticsignificance.

KeyWords:

sensor,infrared,automaticcontrol

第一章绪论

1.1引言

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。

它安装方便、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，其广泛用于家庭、商场、工厂、学校、餐厅等场所。

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。

以适应当今品种多批量小的电子市场的需求，大大提高了产品的市场竞争力。

1.2国内外发展方向及现状

随着红外技术的高速发展，红外焦平面阵列技术出现了，并且迅速得到发展。

美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方发达国家都在竞相研制和生产先进的红外焦平面阵列摄像仪，其中美国在红外焦平面阵列传感器的发展水平方面处于遥遥领先地位，其焦平面阵列规模已达2048×2048元，已接近与可见光硅CCD摄像阵列的水平。

日本在世界上最先实现了100万像元集成度的单片式红外焦平面阵列等种类产品推向市场，抢占商机，法国、荷兰、瑞典、英国、德国和意大利等在非制冷红外热摄像仪技术的发展方面，已显示出其处于前沿的竞争地位。

此外，加拿大、以色列、韩国、澳大利亚、波兰、新加坡的一些公司和机构都在尽力发展先进红外焦平面阵列热摄像仪技术，竞争已遍及全球几大洲。

近几年来，中国的红外成像技术得到突飞猛进的发展，与西方的差距正在逐步缩小，有些设备的先进性也同西方同步。

如目前已能生产面积小于30um21000

×1000像素的探测器阵列，由于采用了基于锑化铟的新器件，目前已达到了分辨率小于0.01℃的温差，使对目标的识别达到更高的水平。

第二章元器件方案

2.1传感器

根据我对市场的调查了解，目前传感器有CCD图像传感器、电容式传感器、超声波传感器、光电传感器四种。

2.1.1CCD图像传感器

这种传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。

其显著特点是：

1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。

因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。

CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。

线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。

所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。

线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。

它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。

面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。

2.1.2电容式传感器

它是一种把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。

它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。

其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。

若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA／δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。

δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。

因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。

极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。

面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。

介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高,过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。

缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。

70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。

这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。

电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。

2.1.3超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。

2.1.4光电传感器

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。

标准的光电传感器可以分为漫反射型、反射型、对射型、槽型、光纤传感器、色标传感器、光通讯、激光测距、光栅、防爆/隔爆型等十种。

它的特长有以下七点：

（1）检测距离长

如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法离检测。

（2）对检测物体的限制少

由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。

（3）响应时间短

光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。

（4）分辨率高

能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。

也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。

（5）可实现非接触的检测

可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。

因此，传感器能长期使用。

（6）可实现颜色判别

通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。

利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。

（7）便于调整

在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。

因此,光电式传感器在检测和控制中得到广泛的应用。

通过几种传感器的辩证比较，我选择了第四种——光电传感器，并采用其中的反射式光电传感器来作为我设计的核心元件。

2.2发光二极管（LED）

做传感器的LED要求亮度高，颜色合适，光斑形状合适。

为了防止LED损坏，应该注意：

（1）LED的伏安特性曲线很陡，测试和使用时一定要串联电阻限制电流。

（2）氮化镓材料的高亮度LED容易被反向电压、静电或电源尖峰击穿损坏，电源电压较高时不可反馈。

不同的管子允许的工作电流不同，红外的平均电流最大可以用到100毫安，用作调制时几十微妙的窄脉冲峰值甚至可以接近1安。

3毫米的白色高亮度管子持续最大电流20毫安，一般低亮度的管子要小一些，工作电流的限制一是发热限制平均电流，二是高电流下亮度饱和限制峰值电流，有些管子电流大了之后还会变色。

常用的LED有红外，红，橙，黄，黄绿，纯绿，蓝，紫，白等颜色，作为成品销售的“变色LED”是在一个管壳里封装了多个不同颜色的LED，红，绿，蓝三色的LED非常适合作颜色传感器的照明。

红外线LED配合红外接收管抗干扰能力强，但是不适合用于识别颜色，因为物体在可见光下的颜色不能很好的代表它对于红外线的反射率。

LED发光的原理是半导体PN结中的电子与空穴复合时产生光子，不同的材料由于能带宽度不同，导致发光颜色和导通电压不同。

另外，不同材料的发光效率（一般以量子效率衡量，量子效率=发射的光子数/流过的电子数）也有较大的差别（见表2-1）。

表2-1常用LED的参数比较

材料

发光颜色

量子效率（与工艺有关）

砷化镓

红外

高，30%

磷砷化镓

红

中，10%

磷化镓（摻杂氮）

黄绿

低，不到1%

磷化镓（摻杂氧化锌）

红到黄

中低

铝砷化镓

鲜红

中高

铝镓铟磷

橙红

高，30%

氮化镓

从纯绿到紫外

高，20%

2.3接收管

常用的接收管有硅光电二极管，硅光电三极管，光敏电阻三种。

光电二极管产生的电流小，需要高倍放大，但是速度很高，可以高频调制，在遮光状态下的特性类似普通二极管，使用时加反向电压，输出与光照强度近似成正比的光电流。

光电三极管一般基极不引出，只有两根管脚，购买的时候叫作光敏管。

光电三极管产生的电流较大，无需前置高倍放大，但是速度较低，调制频率低于100KHz。

遮光状态下正反向电阻都很大，用强光照射，可以测出一个方向的电阻明显变小，这个方向是正向，使用时加正向电压＞1V，输出与光照强度近似成正比的光电流。

这些光电接收管的外壳有无色透明和黑色两种，黑色管壳几乎只透过红外光，与红外发光管配套使用。

光敏电阻的电特性是电阻而不是恒流，受到光照后电阻值大幅度减小，输出电流也较大，数量级类似光电三极管。

工作频率一般较低，但也有高的。

在使用上最重要的区别于光敏电阻接收光照的是一个平面，没有管壳聚光，方向性差，一般用在不区分光照方向或者要降低成本的电路里。

接收管的光谱特性：

光电二极管，光电三极管都是半导体PN结光电元件，靠内光电效应接收光线，因此入射光子能量超过材料能带宽度才能接收，表现在它的光谱。

灵敏度特性在长波方向有一个陡的截止。

在短波方向如果波长太短，灵敏度也会下降。

一般的硅管最适合用在红外到红黄光范围内，但是可以一直用到近紫外。

另类的应用，用发光二极管当充电二极管，它的材料能带较宽，只接收短波的可见光。

理论上可以用于识别颜色。

某些光敏电阻对于可见光中间部分的灵敏度较高。

加装滤色片可以方便的改变管子的光谱特性，以制造各种颜色传感器。

第三章红外线控制自动水龙头设计

3.1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3-1所示）。

图3-1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。

3.2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3-2所示。

图3-2系统组成方框图

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3-3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3-4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。

图3-3红外发射接收原理图图3-4光强度相应曲线图

3.4红外线控制自动水龙头的工作原理

3.4.1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。

3.4.2红外线水龙头控制电路的原理图

见附录一

3.4.3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。

3.5单元电路的设计

3.5.1+5v的稳压电源的设计

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

3.5.2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3-6所示）。

（a）电路图（b）工作波形

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。

3.5.3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

3.5.4电压放大电路的设计

电压放大电路采用LM7