红外线干手器.docx

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红外线干手器

大连民族学院

信息与通信工程学院

课程设计报告书

设计题目：

红外线干手器

专业班级：

通信114

学生姓名：

白航

学号：

2011136401

指导教师：

石立新

起止日期：

2013.6.17-6.29

目录

第一章设计任务和要求2

第二章方案论证4

2.1方案论证4

2.1.1红外线干手器的构成及自动控制4

2.1.2电路工作原理5

2.2工作方案设计5

第三章原理设计8

3.1红外线发射电路8

3.2红外接收电路10

3.3时间延迟电路12

3.4电源电路15

第四章实际电路的调试16

第五章总结与体会17

第一章设计任务和要求

红外线干手器是一种广泛应用于宾馆、机场等公共场所洗手间的卫生洁具。

本课程设计的任务是设计一种以红外线自动控制的干手器。

当人们需要干手时，人们把手靠近干手机时，自动干手机会自动打开加热装置和吹风装置，一段时间后会自动停止，并可以调节加热和吹风的时间。

其工作原理是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。

当人手伸进开关时，红外线传感器将电热吹风机自动打开，人手离开开关时传感器又自动将吹风机关闭。

设计要求当人手伸进传感器时，吹风机能动作，产生热风，实现自动干手功能，使之具有灵敏度高、抗干扰能力强，使用寿命长，发出光均匀稳定、安装方便等特点。

第二章方案论证

2.1方案论证

2.1.1红外线干手器的构成及自动控制

干手器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。

我所设计的红外线干手器就运用了这个特点。

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，开关作用，使吹风机打开。

红外线干手器的控制过程是：

当人或物体靠近吹风机时，红外发射光电管发出的红外被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，最后驱动电路控制开关动作打开吹风机。

当人手或物体离开自动干手器时，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，从而关闭干手器。

2.1.2电路工作原理

自动干手器的工作原理是采用反射式红外传感器，当有人手伸过来时，红外线开关将吹风机自动打开，人离开时又自动断电将吹风机关闭。

成品的自动干手机要求有红外线控制开关和电热吹风机制作为一体，该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。

自动干手器外围电路是由红外线发射电路，红外线接收电路，时间延迟电路，吹风机开关电路和电源电路五部分构成的。

2.2工作方案设计

自动干手器外围电路是由红外线发射电路，红外线接收电路，时间延迟电路，吹风机开关电路和电源电路五部分构成的。

在红外线发射电路中，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，二极管D1起保护红外发光二极管的作用。

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。

在时间延迟和吹风机开关电路中，当输出端Q输出低电平时，三极管截止，无电流通过。

继电器与三极管集电极相连，当有电流驱动时，开关吸合，电磁阀通电，电路闭合，吹风机吹出热风；当无电流驱动时，开关断开，电磁阀不通电，电路断开，吹风机不吹出热风。

同时在继电器两端并联一个二极管实现保护，在电路中加入发光二极管D3作为显示电路，显示吹风机是否启动。

电源电路的功能的为上述所有电路提供直流电源。

红外线干手器电路的总体框图

红外线干手器电路的原理方框图

第三章原理设计

3.1红外线发射电路

1.红外线发射电路原理

（1）红外发射的功能：

555组成的多谐振荡电路驱动红外发射管向外发射红外线。

（2）红外发射的组成：

由

555时基集成电路，

SE303红外发光二极管，

电阻器R2，R5，R6，

电容器C5—C6组成的电路。

接通电源9V，由U1及其外围容阻元件构成的多谐振荡器通电工作，驱动红外发光二极管工作，将红外信号调制发射出去。

2.多谐振荡器

555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。

触发电路由C1、R1、D构成，其中D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关和T导通，输出端F输出低电平，当有一个外部2与脚5与6直接相连。

电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端C1放电，使电路产生振荡。

电容C在1/3VCCt和2/3Vcc之间充电和放电。

输出信号的时间参数如式（3-11）（3-12）（3-13）。

T＝tw1+tw2（3-11）

tw1=0.7（R1+R2）C（3-12）

tw2=0.7R2C（3-13）

555电路要求R1与R2均应大于或等于1K,但R1＋R2应小于或等于3.3M欧。

3.红外线发射电路分析

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。

电流从R2、R6进入，给C6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C6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R2、R6给C6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。

频率为f=1/T=1/0.7（R2+2R6）C6=1/0.7（20kΩ+2*62kΩ）0.1μF≈99.56HZ；

占空比：

q=R2/（R2+2R6）=20kΩ/（20kΩ+2*62kΩ）≈13.9%

从NE555输出端的电流大概是200mA,而SE303正常工作只需20mA。

故连上R5来限流，保护红外线发光二极管。

3.2红外接收电路

1.红外线接收电路原理

该电路由三部分组成。

第一部分，红外接受装置PH302，第二部分是反相放大电路，此处用的是六相反相器CD4069的三个非门组成放大电路，第三部分是有两个反相器构成的施密特电路，利用其回差特性，对数字信号进行滤波整流。

当PH302未接收到光信号时相当于，反向截止，电路从R7过，C3左端高电平，大概是8v。

当接受到光信号时，PH302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。

经过C3、R8、U2:

1、U2:

2、U2:

3U2:

4、U2:

5、R3、R9，反相放大后输出低电平为1V。

在经过施密特电路整形滤波，整个发射电路输出低电平。

（即人伸进手时输出低电平）这是施密特电路通过整形滤波到矩形脉冲，为NE555延时电路中输入触发信号。

2.CD4069施密特触发器的电路实现

（1）施密特电路

施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它是利用脉冲整形电路将非矩形脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。

它具有滞后特性的数字传输门，且受电源限制，可对输入波形进行变换和整形。

阈值电压UT1、UT2和回差电压△UT是其主要参数。

施密特触发器的特点

①电路具有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压（UT+）和负向阈值电压（UT-），二者的差值称为回差电压（△UT）。

输出电平的变化滞后于输入，形成回环。

②不同于其它的各类触发器，施密特触发器属于“电平触发”型电路，触发信号Vin可以是变化缓慢的模拟信号,Vin达某一电平值时，输出电压VOUT突变。

③输入信号增加和减小时，电路有不同的阈值电压。

当矩形脉冲经过传输后因以下原因发生畸变，可通过施密特触发器的整形就能获得满意的矩形脉冲波形。

图3-7波形图

（a）传输线上电容较大，波形的上升沿和下降沿变坏；

（b）阻抗不匹配，波形的上升沿和下降沿产生振荡；

（c）受到干扰，脉冲波形上叠加有噪声。

在实际电路中信号传送过程中，信号会受到干扰而失去原有的波形，利用施密特电路就可以得到想要的脉冲波形。

2）用两级CMOS反相器构成的施密特触发器

电路中两级反相器串联，分压电阻RW1、R4将输出端的电压反馈到输入端对电路产生影响。

图3-8反相器CD4069组成的施密特触发器

Vin=0，G1、G2门为正反馈，Vout=VoL=0。

Vin=1，G1、G2在正反馈的作用下，使电路状态迅速变化Vout=VoH=1。

正向阈值电压

（3-14）

负向阈值电压

（3-15）

图3-9施密特触发器的传输特性及输入输出波形

3.3时间延迟电路

（1）时间延迟电路

电路中C4、R12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，R12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9v*1/3=3v），经过555输出端（引脚3）为一个高电平，555进入暂稳态。

因为tw（Max）=1.1*R11*C8=13.64s,所以吹风时间13.64s。

之后电源通过上拉电阻R12充电，使2号脚的电平升高超过12*1/3=4v，电源通过R11充电使6号脚变成超过8V，此时，NE555发生翻转，输出低电平。

（2）吹风机开关电路

电动机直接接在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，Ne555输出为高电平，继电器工作，开关KT闭合，电动机工作D3起到保护作用，当Ne555输出低电平时，继电器两端均为低电平，开关KT处于断开状态，电动机不工作。

（3）NE555单稳态触发器

延时时间：

T=1.1RC秒。

图3-11NE555单稳触发器

4）微分电路

它和放大电路中的RC耦合电路很相微分电路是脉冲电路中最常用的波形变换电路，似，见图5。

当电路时间常数τ=RC<

输入脉冲前沿则输出正向尖脉冲，输入脉冲后沿则输出负向尖脉冲。

这种尖脉冲常被用作触发脉冲或计数脉冲。

图3-12微分电路

在设计电路中红外线接收电路中的C4和与延时电路中的R12组成微分电路，其作用是将整形电路输出的方波信号微分为触发脉冲去触发单稳态触发器。

3.4电源电路

如图是电源电路，电路直接由LM2940-9九伏芯片提供电源，电源电路的外围电路加了插口，可以直接进行转换为整个电路提供9v的直流电压

第四章实际电路的调试

买完元器件后，我们小组根据所设计的电路图在万能板上焊接了电路。

板子焊好后没有出现预期的现象，而且红外线接收模块的芯片容易发烫，我们开始了漫漫的调试过程。

由于整个电路分为四大模块，我们采取了排除法。

我们先连接了示波器，希望借助波形找到问题。

首先是红外线发射电路，示波器显示波形正常，初步可以排查红外线发射电路，紧接着我们用同样的方法检查了时间延迟电路，该电路的波形同样正常，如果用导线连接发射电路的电阻和时间延迟电路的2号脚，就会出现灯亮并产生延迟现象，说明这两块电路都没有太大的问题。

接着我们把焦点集中到了红外线接收电路。

通过检测波形后发现接收模块的波形紊乱，没有按照设计的方案出来波形，由于没有找出具体原因，我们决定向石老师求助。

石老师看过我们的电路图分析了如下两点：

一是CD4069作为接收电路本身不太稳定，我们应该仔细排查芯片的逻辑功能确保不是芯片本身的问题，二是由于我们在万能板上焊接，焊锡过多，容易造成不易察觉的短路，建议我们在实验箱上搭建电路，利于排查问题。

听从了石老师的建议后，我们小组在实验箱上搭建了红外线接收电路，确保连线正确后，我们设计的电路终于出来了预期的现象，即人手伸进反射式红外传感器中，指示灯亮并有延迟出现，延迟13秒后，指示灯熄灭。

第五章总结与体会

我们小组设计的自动干手器主要是由红外线发射电路、红外接收电路、时间延迟电路、电源电路等组成。

其工作原理是采用一种红外线控制的电子开关，当人手伸进时，红外线开关将电热吹风机自动打开，人离开时又自动将吹风机关闭。

自动干手机主要的组成部分就是555定时器电路。

在大二上的《数字电子技术基础》之中我们已经学习了555定时器，大二下学期我们也学习了《模拟电子技术基础》，对电路有了进一步的了解，但是只是限于理论知识，没有把它应用到实际之中，这次通过对自动干手机的设计让我对555定时器有了新的认识，同时我也对红外线有了一定的了解。

对一些基础元件也有更深入的理解，还改变了以前的一些错误的认识，同时也增加了一些基础知识。

这次的课程设计，有理论和实践，让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，也弥补了我以前的一些不足的看法。

这次设计让我充分认识到正确的学习方法是学习过程中的主要方向，不同的发展目标、不同类型的学习者需要不同的学习方式。

学习活动的设计、课程的设计需要建筑在一定的学习方法基础之上。

因没有实际设计过电路，经过反复练习，才做出了初步的原理图，然后经过反复的调试后，逐步修改，尽量使其性能达到完美，后期的焊板子的调试过程是很艰苦的，因为要逐一排查电路的问题。

这个过程是最困难的过程，也是我收获最大的过程，使自己的实验理论与实践相结合的能力有了进一步的提高。

总之，这次设计使我受益匪浅，增强了团队合作意识，让我对以后的工作学习有了更大的信心。