红外线水龙头自动控制设计讲解实用

湖南文理学院课程设计报告
课程名称：红外线控制自动水龙头系统设计
院部：电气与信息工程学院
专业班级：自动化 11102班
学生姓名：
指导老师：侯青莲
达成时间：2013年5月XX日
报成功绩：
评阅建议：
评阅教师日期
摘要
水是生命之源，但是地球上能够直接供人们使用的淡水资源却很困穷，并且散布
不均，特别是跟着经济的发展，不论是在农业仍是在工业方面对淡水的需求愈来愈大，
所以我们应当鼎力倡导节俭用水，追求可连续发展。

为此设计用红外线自动控制电路控
制水龙头，从我们平时生活中减少水资源的浪费。

学致使用，针对节俭用水的问题，联合自己所学的知识，开发一种既能节俭用水，
又操作简单方便、有适用性的水龙头。

本设计要求水龙头拥有红外线自动控制功能，当
有人凑近或盛水容器凑近时，水龙头能自动翻开，以必定流速放水；走开时水龙头自
动封闭。

这样不单使用起来就很方便，并且能够防备因粗心忘掉关水龙头造成水
资源的白白浪费，同时又防止各样传得病的扩散和流传，能够宽泛应用在公共场所（如学校、医院）的餐厅、食堂、洗手间等，既节俭用水，又方便、安全卫生。

本次设计的是一种以红外线自动控制的水龙头。

采纳了反射式红外传感器，这类
传感器的发射与接收是一体化的。

当人或事物凑近时，自动产生控制信号继电器动作，
使电磁阀得电吸合进而自动放水。

本设计知足了人们对物质的需求，又提升了科学性。

以适应现在品种多批量小的
电子市场的需求，大大提升了产品的市场竞争力。

目录
第 1 章概述 (4)
前言 (4)
设计目的 (4)
设计内容及要求 (4)
设计内容 (4)
设计要求 (4)
第 2 章红外线控制自动水龙头系统设计 (5)
水龙头的构成及传感器控制 (5)
系统构成方框图 (5)
红外反射式光电传感器特征与工作原理 (6)
红外线控制自动水龙头的工作原理 (7)
红外线水龙头控制电路系统的构成 (7)
红外线水龙头控制电路工作原理 (7)
第 3 章单元电路的设计 (8)
+5V 的稳压电源的设计 (8)
振荡器电路的设计 (8)
红外接受控制电路的设计 (9)
电压放大电路的设计 (10)
音调译码器的设计 (11)
三端稳压器 (13)
LM567 调制传感器 (14)
元器件清单 (16)
心得领会 (17)
附录总电路图 (18)
参照文件 (19)
致谢 (20)
第 1 章概述
1.1 前言
水是生命之源，但是地球上能够直接供人们使用的淡水资源却很困穷，并且分布不均，特别是跟着经济的发展，不论是在农业仍是在工业方面对淡水的需求越来越大，所以我们应当鼎力倡导节俭用水，追求可连续发展。

为此设计用红外线自动控制电路控制水龙头，从我们平时生活中减少水资源的浪费。

1.2 设计目的
① 掌握数字电路系统的剖析和设计方法。

② 能够运用所学知识，合理的选择使用集成电路元件构成电路。

③ 认识红外线水龙头自动控制的原理、构成。

1.3 设计内容及要求
设计内容
红外线控制自动水龙头，是经过红外线来控制磁水阀门的开与关。

要求该电路拥有自动控制功能，当有人凑近或盛水容器凑近时，水龙头能自动翻开，以必定流速放水；走开时水龙头自动封闭。

用红外线的发生装置和接收装置实现对能否有人要用水龙头的判断，经过放大电路及其电磁水阀门的控制电路实现智能控制。

设计要求
① 合理选择所需器件；
② 达成全电路的设计、绘制电路图；
③ 撰写设计报告、总结报告。

第 2 章红外线控制自动水龙头系统设计
水龙头的构成及传感器控制
水龙头采纳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达成。

当有物体凑近时，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
反射式光电传感器能够用来检测地面明暗和颜色的变化，也能够探测有无凑近的物体。

我设计的红外线控制自动水龙头就运用了它这个特色。

光谱范围，敏捷度，抗扰乱能力，输出特征等都是反射式光电传感器的重要参数。

这类光电传感器的基来源理是，当人或有物体凑近时，遮挡了红外光，光敏元件接收到光信号，进而进行光电变换，电磁阀作用，使水源翻开。

红外线控制自动水龙头的控制过程是：当人或物体凑近自动水龙头时，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变换为电信号，经事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翻开水源。

当人手或物体走开自动水龙头时，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，进而封闭水源。

系统构成方框图
红外线自动控制水龙头整个控制过程分为 5 个部分。

系统构成框图如图1-2 所示
多谐振荡器电压放大
调幅红外光红外接收（LM741）
音频译码
电磁阀动作（LM567）
图 2-2 系统构成方框图
红外反射式光电传感器特征与工作原理
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，一般发光二极管，
以及激光发光二极管，前两种光源简单遇到外界光源的扰乱，而激光二极管发出的光的
频次比较集中，传感器只接收很窄的频次范围信号，不简单被扰乱，但价钱较贵。

理论
上光电传感器只需位于被测地区反射表面可遇到光源照耀，同时又能被接收管接收到的
范围进行检测，但是这是一种理想的结果。

因为光的反射遇到多种要素的影响，如反射
表面的形状、颜色、光洁度、日光灯照耀等不确立要素。

假如直接用发射和接收管进行
丈量，将会因为扰乱而产生错误信号。

采纳对反射光强进行丈量的方法能够提升系统的
靠谱性和正确性。

红外反射光的丈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，不一样的目标距离阀值，电压是不一样的。

Vout
发射反
4
射
表
接收
面
x x/mm
10图 2-3 红外发射接收原理图图2-4光强度相应曲线图
红外线控制自动水龙头的工作原理
红外线水龙头控制电路系统的构成
红外线水龙头控制电路包含发射电路和接收译码控制电路。

此中发射电路由多
谐振荡器和红外发射二极管；接收电路包含红外接收管D1 和 D2、运算放大器(LM741）、音频译码器（ LM567）、继电器 K、电源电路等构成。

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）和和 C7等构成。

其振荡
频次为（ R0+2R1）C7，振荡输出信号驱动TLN104型的 LED1~LED3工作，进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般配，采
用 TLN104 型。

红外脉冲调制经D1.D2 接收管变换成电信号，经C1 藕合至 LM741，再经 C2 输入到 LM567 的第 3 管脚，经辨别译码，使得中心频次与红外
调制频次 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沟通输出。

当有人洗手将红外光束遮挡时，相应的
因接收到光信号而进行光电变换，进而使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，沟通电压被接通，进而使水龙头的电池阀动
第 3 章单元电路的设计
+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，防备自激电路 C2、C3 和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便的搭成。

200v 沟通电经过电源变压器变换成沟通低压，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 两头形式一个其实不十分稳固的直流电压（该电压经常会因为市电电压的颠簸或负载的变化等
原由此发生变化）。

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，稳固性好的直流输出电压。

稳压电源电路（如图3-5 所示）。

图 2-5 稳压电源电路
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变换成拥有必定频次、一
定幅度和必定波形的沟通能量输出的电路（如图3-6 所示）。

（a）电路图(b)工作波
图 3-6 由准时器构成的多谐振荡器
因为 555 内部比较器敏捷度较高，并且采纳差分电路形式，这时振荡频次受电源
的温度变化的影响较小。

故只需经过调理 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。

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，无需外面元件、抗光电扰乱性能好，接受角度宽、功耗低、敏捷度高等优点。

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）。

图 3-7 接收解调控制电路
LM567 是 1 片锁相环音频解码电路，采纳 8 脚双列直插塑封， 3 脚为信号输入端，其工作频次由 5、6 脚上的阻容元件决定， 8 脚为逻辑输出端。

IC2 与 R7、C12 构成振荡器， R7、C12 决定 IC2内部压控振荡器的中心频次， 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，工作频次 0．1Hz～500kHz，静态工作电流为 8mA。

当无人
洗手时， IC1 接遇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 断电处于开释状态，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 不可以接受红外线， 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。

清洗完成，手走开水龙头后，停止放水。

SFM506-38地内部原理图（如图 3-8 所示）。

图3-8 SFM506-38的内部原理图
电压放大电路的设计
电压放大电路采纳LM741 集成运算放大器，（如图 3-9 所示）。

LM741 是高性能内赔偿运算放大器，功耗低，无需外面频次赔偿，拥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。

此引
脚图（如图 3-10 所示）。

内部原理图（如图3-11 所示）。

图 3-9 引脚图图3-10内部原理图
图 3-11 内部原理图
音调译码器的设计
音调译码器采纳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应滤波器。

此音调停码块包含一个稳固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
信号于通带内时供给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立译码器中心频次。

用外接元件独立设定中心频次带宽和输出延
迟。

主要用于振荡、调制、解调解遥控编、译码电路。

如电力线载波通讯，对讲机亚
音频译码，遥控等。

LM567 的基本工作情况犹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 还能够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，所检测的中心频次能够设定于0.1 至 500KHz 内的任何值，检测带宽能够设定在中心频次14%内的任何值。

并且，输出开关延缓可
以经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，最大为 9V），5 脚为准时电阻端， 6 脚为准时电容端， 7 脚为接地端， 8 脚为输出端。

LM567 的引脚功能图（如图 3-12 所示）。

LM567 的内部原理图（如图 3-13 所示）。

图3-12 LM567 的引脚功能图
图3-13 LM567 的内部电路图
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，工作靠谱性高等特色，成为当前稳压电源中应用最宽泛的一种单
片式集成稳压器件。

三端稳压器的工作原理（如图 3-14 所示）：原它与一般分立元件构成的串连式的稳压电路基真相像的 .不一样的是增添了启动电路,保护电路和恒流源。

启动电路是为恒流源成立工作点而设置的.恒流源设置在基准电压形成和偏差放大器电路中，是为了
使稳压器能够在比较大的电压变化范围内正常靠谱的工作。

在芯片内设置了两种较
为完美的保护电路：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 两头上的电压（反应输出电压的大小的采样电压）与基准
电压在偏差放大器中进行比较和放大，产生偏差电压，去控制调整管的工作状态，
进而稳固输出电压。

图 3-14 三端稳压器框图
LM567 调制传感器
LM567 是一种比较低价的音频锁相环集成电路，利用它能够结构性能较好的反
射式光电传感器（如图3-15 所示）
由 LM567 的内部振荡器供给方波信号，点亮探头的LED，由探头的光敏管接收反射光。

经三极管放大，变换成电压信号后送到LM567 的内部鉴相器 2 同步伐停，而后由 LM567 内部的比较器变换为数字输出并联负反应放大电路有若稳固的增益和
低的输入阻抗，能除去光敏管电容的影响，获取优秀的高频特征。

这个电路的弊端
是当多个探头同时使用时因为频次凑近，一旦相邻单元的光斑出现部分重合就会有
扰乱造成输出颤动，此外567 输出鉴相器参照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，解调效率特别低，前级需要高倍放大。

为认识决上述多个探头邻近的问题，在使用多组传感器时，做了以下变动（如
图3-16 所示）：
独自用一个单元（图中右侧的567）作振荡，给其他四个单元（图中只画了一个）供给同步的时钟信号，除去了差拍问题。

并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，使得参照信号与发射和接收信号的相差特别小，调节效率大大提升，最大探测距离有所增添。

图3-15 LM567 传感器原理图（一）图3-16 LM567 传感器原理图（二）
元器件清单
序号名称符号型号和规格件数1电容C0 1 个2电容C1 1 个3电容C2 1 个4电容C3 1 个5电容C4 1 个6电容C5 1 个7电容C647uf 1 个8电阻R0 1 个9电阻R113K 1 个10电阻R2 1 个11电阻R3100K 1 个12电阻R41K 1 个13电阻R5100K 1 个14电阻R612K 1 个15电阻R71K 1 个16电阻R810K个17晶体三极管VT29013个18发光二极管LED 3 个19芯片LM567 1 个20集成运算放大器LM741 1 个
心得领会
此次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含
发射电路和接收译码控制电路。

此中发射电路由多谐振荡器和红外发射二极管；接
收电路包含红外接收管D1 和 D2，运算放大器（ LM741）音频译码器（ LM567）继电器K.电源电路等构成。

经过此次对红外线自动控制水龙头的设计，让我认识了设计电路的程序，也让
我认识了对于水龙头的原理与设计理念。

经过此次学习，让我对各样电路都有了大体
的认识，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路仍是应当自己着手实质操作才会
有深刻理解。

除了学会了很多专业知识外，在碰到困难时，踊跃地去讨教我的指导老师，我经过看现有的教材、去图书室查阅资料、去网上搜寻有关信息这些方式，不单
达成了课程设计，并且大大加强了我的自学能力和独立能力。

更重要的是，我拓展了
思路，宽阔了视线，活跃了思想。

此次设计不单使我对有关专业知识有了更深的理解，并且还让我认识到了理论
知识对工作实践的重要意义，学会理论联系实质。

设计要求我们完整依赖自己的能力
去学习和设计，而不是像过去课程那样全部由教材和老师安排。

所以，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、找寻数据、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宽泛应用。

经过此次设
计提升了我认识问题、剖析问题、解决问题的能力。

总之，此次设计既是对我课程知识的查核，又是对我思虑问题、解决问题能力
的查核，设计让我得益匪浅。

附录总电路图
参照文件
1.傅劲松．《电子制作实例集锦》 [M] ．福建科技技术第一版社， 2006．
2.廖先芸．《电子技术实践与训练》 [M] ．高等教育第一版社， 2000．
3.孙梅升．《电子技术基础课程设计》 [M] ．高等教育第一版社， 2003．
4.沈任元，吴勇．《数字电子技术基础》 [M] ．机械工业第一版社， 2007．
5.刘南平，白明．《电路剖析》 [M] ．人民邮电第一版社， 2007．
6.金发庆《传感器技术应用》机械工业第一版社， 2002。

7.詹林《单片机原理与应用》西北工业大学第一版社， 2008。

8.王成安，毕秀梅《电子产品工艺与实训》机械工业第一版社， 2008。

9.冯民昌《数字集成电路系统》（第二版）中国铁道第一版社， 2003。

10.李素珍，丁辛芳《半导体物理基础》高等教育第一版社， 2000。

11.吕国泰，吴项《电子技术》高等教育第一版社， 2006。

致谢
第一我要感谢的是我的父亲母亲，是他们辛苦地将我抚育长大！同时也感谢院里给我们创建了这样一个难得的好时机，使我们能够锻炼自己，培育自己独立思虑的能力。

在这时期，特别是我的指导老师侯清莲老师给了我莫大的帮助。

她不胜其烦地仔细地指导我的课程设计，耐心地指导我怎样去撰写好一份报告，从她身上我学到了很多受用一世的道理和书籍上没法学到的知识，在此表示由衷的感谢！。