感应式水龙头的设计毕业设计

感应式水龙头的设计毕业设计
感应式水龙头的设计
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本人所提交的毕业设计(论文)《感应式水龙头的设计》的所有材料是本人在指导教师指导下独立研究、写作、完成的成果,设计(论文)中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果,均在设计(论文)中加以说明;有关教师、同学和其他人员对我的设计(论文)的写作、修订提出过并为我在设计(论文)中加以采纳的意见、建议,均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。

本设计(论文)和资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。

特此申明。

本人签名:
年月日
毕业设计(论文)任务书
设计(论文)题目:感应式水龙头的设计1.设计(论文)的主要任务及目标感应式水龙头的设计可给人们带来许多生活中的便利,它无需接触水龙头任何部位,出水与关水由感应器自己完成可有效避免交叉感染和各种不便,同时在感应范围内自动出水,用完自动关水也起到了节约用水,防止浪费的作用。

是现时代人们普遍欢迎的设计。

全自动感应水龙头安装方便、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,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。

本毕业设计自动感应水龙头基于红外线反射原理,由红外发射电路、红外接收放大电路、控制电路、电磁阀、电源等组成。

当人或事物靠近时,自动产生控制信号,继电器动作,使电磁阀得电吸合从而自动打开水源;反之则自动关闭水源。

与传统供水设施相比,能够提高水资源的使用效率。

使用方便,且由于不需要用手接触水龙头,避免了病菌的传播。

系统电路设计简单实用,可以广泛用于商场、学校、办公大楼等人员密集场所。

本次设计红外线自动控制水龙头整个控制过程分为5个模块,系统由多谢振荡器调幅红外、红外接收、电压放大、音频译码、电磁阀动作等模块组成。

2.设计(论文)的基本要求和内容
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。

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。

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f1.44/(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f1/1.1R6C3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.主要参考文献
[1]傅劲松.《电子制作实例集锦》[M].福建科技技术出版社,2006.
[2]廖先芸.《电子技术实践与训练》[M].高等教育出版社,2000.
[3]孙梅升.《电子技术基础课程设计》[M].高等教育出版社,2003.
[4]沈任元,吴勇.《数字电子技术基础》[M].机械工业出版社,2007.
[5]刘南平,白明.《电路分析》[M].人民邮电出版社,2007.
[6]金发庆.《传感技术与应用》[M].机械工业出版社,2002.
[7杨崇志,康博南.《电子爱好者之实用技术手册》[M].福建科技出版社,2002.
[8]吕国泰,吴项.《电子技术》[M].高等教育出版社,2006.
[9]王成安,毕秀梅.《电子产品工艺与实训》[M].机械工业出版社,2008.
[10]冯民昌.《数字集成电路系统》(第二版)[M].中国铁道出版社,2008
[11]Steven H.Nahm Use of dielectric spectroscopy for real-time in-situ reaction monitoring.2006.
[12]//.sen Integrated multi-sensor system for real-time monitoring and control of HgCdTe MBE.1999.
[13]Jochen Model-Driven Visual Testing and Debugging of WSN Applications.2009.
[14] Song;Yongxian Design of LED Display Control System Based on AT89C52 Single Chip Microcompu .2011.
[15]zhang hai-feng Design of Fumigation Temperature Control System Based on Single-Chip Microcontroller .2011.
[16]童诗白,华成英.《模拟电子技术基础》(第四版)[M].高等教育出版社,2006.
[17]姚福安.《电子电路设计与实践》[M].山东科学技术出版社,2002.
[18]秉时.《一种红外全自动水龙头的制作》[M]. 中国电力出版社,2006.
4.进度安排
设计(论文)各阶段名称起止日期
1 查阅资料,复习有关专业知识,并明确设计要求?13-03-03
2 确定总体设计方法,进行方案的可行性论证,做好开题报告
13-03-04?13-03-17(第1、2周)
3 红外线控制自动水龙头的设计13-03-18?13-04-14(第3-6周)
4 单元电路的设计13-04-15?13-05-12(第7-10周)
5 绘制电路图,完成设计13-05-13?13-06-09(第11-14周)
6 完善论文,并完成打印装订工作,准备答辩材料13-06-10?13-06-16(第15周)
7 答辩并总结设计工作13-06-17?13-06-23(第16周)
感应式水龙头的设计
摘要
本文所介绍的全自动感应式水龙头的设计基于红外线反射原理,由红外发射电路、红外接收放大电路、控制电路、电磁阀、电源等组成。

当人或事物靠
近时,自动产生控制信号,继电器动作,使电磁阀得电吸合从而自动打开水源;反之则自动关闭水源。

与传统供水设施相比,能够提高水资源的使用效率。

使用方便,且由于不需要用手接触水龙头,避免了病菌的传播。

系统电路设计简单实用,可以广泛用于商场、学校、办公大楼等人员密集场所。

关键词:传感器,红外线,自动控制,信号
The design of the induction faucet
ABSTRACTThe fully-automatic faucet described in this paper is fabricated based on the application of infrared reflectance technology, it is consist of infrared emission circuit, infrared receiving, amplifier circuit, control circuit, solenoid valve, power supply, etc. When people or things are around, control signal will be generated automatically, then the relay operates, energizing the solenoid valve to pull in and start to supply water; otherwise water will be shut offIt is simple in design and easy to use. Comparing with traditional faucets, it is also water-saving. Fully-automatic tap is more convenient and artistic, and it enables the users to wash their hands directly without touching the tap, avoiding the transmission of germs. It can be widely used into people-intensive sites such as shopping malls, schools and office blocks.
Key words: sensor, infrared, automatic control,signal
目录
1 前言1
2 水龙头的设计概论 3
2.1水龙头的构成 3
2.2系统组成方框图 4
2.3红外反射式光电传感器特性与工作原理5 2.4红外线控制自动水龙头的工作原理 6
2.5红外线水龙头控制电路工作原理8
3单元电路的设计9
3.1 稳压电源的设计9
3.2 振荡电路的设计9
3.3 红外接收控制电路的设计10
3.4电压放大电路的设计12
3.5音频译码器的设计 13
3.6 三端稳压器的设计14
3.7 LM567调制传感器 15
4用Multisim仿真17
4.1 Multisim仿真软件简介17
4.2 用Multisim软件仿真的结果17
总结22
致谢23
主要参考文献24
附录25
1 前言
感应式水龙头的设计可给人们带来许多生活中的便利,它无需接触水龙头任何部位,出水与关水由感应器自己完成可有效避免交叉感染和各种不便,同时在感应范围内自动出水,用完自动关水也起到了节约用水,防止浪费的作用。

是现时代人们普遍欢迎的设计。

随着经济的不断发展,人们对淡水的需求不断增加,不久的将来,淡水资源紧缺将成为世界各国普遍面临的严峻问题。

据报道我国是一个水资源短缺的国家,若按人均水资源量计算,人均占有量只有2500立方米,约为世界人均水量的四分之一,世界排110位。

感应式水龙头可以做到“伸手水来,手离水止”,处理了传统的水龙头跑水、滴水、漏水的问题及不良用水习惯,由于全自动感应水龙头有自动控制水龙头开闭的效果,它杜绝了水资源的浪费,避免了人们因为忘记关水龙头致使水白白流走的问题,伸手就来水,离开就关闭的功能,从而有效地节约用水60%以上,特别适合我国严重缺水的地区。

目前全自动感应水龙头普遍应用在人流量密集的火车站、汽车站、飞机场、医院等公共场所伸手就来水,离开就关闭的功能,从而有效地节约用水60%以上,特别适合我国严重缺水的地区。

目前全自动感应水龙头普遍应用在人流量密集的火车站、汽车站、飞机场、医院等
公共场所。

在公共场所,由于人员流动性比较大,公共设施的卫生情况普遍比较恶劣,传统水龙头必须通过人手操作,很容易造成病菌的大规模传播,而它就避免了洗手后,再次触摸水龙头造成的细菌污染,开关水完全由感应器自动完成,无需接触水龙头,有效避免细菌及交叉感染。

全自动感应水龙头安装方便、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,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。

本毕业设计自动感应水龙头基于红外线反射原理,由红外发射电路、红外接收放大电路、控制电路、电磁阀、电源等组成。

当人或事物靠近时,自动产生控制信号,继电器动作,使电磁阀得电吸合从而自动打开水源;反之则自动关闭水源。

与传统供水设施相比,能够提高水资源的使用效率。

使用方便,且由于不需要用手接触水龙头,避免了病菌的传播。

系统电路设计简单实用,可以广泛用于商场、学校、办公大楼等人员密集场所。

设计一个红外自动水龙头开关控制电路。

该电路能够在人们需要用水的时候,通过感应装置自动打开自来水开关,并且在打开开关一段时间后,自动关断开关,从而起到节约用水的目的。

基于红外线反射原理,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打开水源;反之则自动关闭水源。

2 水龙头的设计概论
2.1水龙头的构成
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,一部份红外光被反射到接收管。

反射式红外传感器(如图2-1所示)。

水龙头的正视图侧视图(如图2-2所示),水龙头安装示意图(如图2-3所示)。

图2-1 红外线感应传感器图2-2 水龙头的正视图侧视图图2-3 水龙头安装图
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。

此次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,反射了红外光,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。

红外线发射电路的功能是利用红外线发光二极管发射光脉冲,从而实现电路对人体或物体的感应。

红外线接收电路功能是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是利用单稳态电路的特性,实现对自动水龙头开关打开时间的控制。

自动水龙头开关电路的功能是利用电磁阀作为自动水龙头的开关,从而可以通过电信号对
自来水进行控制。

电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。

2.2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2-4所示) 红外线控制水龙头电路包括发射电路和接收译码控制电路。

图2-4 系统方框图
发射电路由多谐振荡器和红外发射二极管组成,接收电路由红外接收器,运算放大器(LM741),音频译码器(LM567),继电器K和电源电路组成。

2.3红外反射式光电传感器特性与工作原理红外线发射电路的功能是利用红外线发光二极管发射光脉冲,从而实现电路对人体或物体的感应。

红外线接收电路功能是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是利用单稳态电路的特性,实现对自动水龙头开关打开时间的控制。

自动水龙头开关电路的功能是利用电磁阀作为自动水龙头的开关,从而可以通过电信号对自来水进行控制。

电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。

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2-5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2-6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 Vout
x/mm
图2-5 红外发射接收原理图图2-6 光强度相应曲线图
2.4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。

感应式水龙头控制电路原理图(如图2-7所示)
图2-7 水龙头控制电路原理图
2.5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f1.44/(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f1/1.1R6C3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。

该电路的核心器件是红外线发光二极管。

红外线发光二极管由GaAs砷 )化镓的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,一般仅作为光信号传输之用。

本电路的感应装置一般要求不可见,因此只能采用红外线发光二极管作为感应装置。

3单元电路的设计
3.1 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 两端形成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3-1所示)。

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220V交流电转换为+5V直流电压。

电路中的变压器采用常规的铁心变压器,整流电路采用二极管桥式整流电路,C1、C2、C3和C4完成滤波功能,稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。

图3-1 稳压电源电路
3.2 振荡电路的设计
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3-2所示)
(a)电路图 b工作波形
图3-2 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
3.3 红外接收控制电路的设计
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3-3所示)。

图3-3 接收解调控制电路
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3-4所示)
图3-4 SFM506-38的内部原理图
3.4电压放大电路的设计
电压放大电路采用LM741集成运算放大器,(如图3-5所示)。

LM741是高性能内补偿运算放大器,功耗低,无需外部频率补偿,具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3-6所示)。

图3-5 LM741集成运算放大器图3-6 LM741引脚功能图
3.5音频译码器的设计
音频译码器采用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馈滤波器。

此音频解码块包含一个稳定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提供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定译码器中心频率。

用外接元件独立
设定中心频率带宽和输出延迟。

主要用于振荡、调制、解调和遥控编、译码电路。

如电力线载波通信,对讲机亚音频译码,遥控等。

LM567的基本工作状况有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还可以用做可变波形发生
器或通用锁相环电路。

当其用作音调控制开关时,所检测的中心频率可以设定于0.1至500KHz内的任何值,检测带宽可以设定在中心频率14%内的任何值。

而且,输出开关延迟可以通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4.75V,最大为9V),5脚为定时电阻端,6脚为定时电容端,7脚为接地端,8脚为输出端。

LM567的内部原理图(如图3-8所示)。

LM567引脚图如图3-9所示。

图3-8 LM567的内部电路图图3-9 LM567引脚图
3.6 三端稳压器的设计
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,工作可靠性高等特点,成为目前稳压电源中应用最广泛的一种单片式集成稳压器件。

三端稳压器的工作原理:原它与一般分立元件组成的串联式的稳压电路基本相似的.不同的是增加了启动电路,保护电路和恒流源。

启动电路是为恒流源建立工作点而设置的.恒流源设置在基准电压形成和误差放大器电路中,是为了
使稳压器能够在比较大的电压变化范围内正常可靠的工作。

在芯片内设置了两种较为完善的保护电路: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 两端上的电压(反映输出电压的大小的采样电压)与基准电压在误差放大器中进行比较和放大,产生误差电压,去控制调整管的工作状态,从而稳定输出电压。

3.7 LM567调制传感器
LM567是一种比较廉价的音频锁相环集成电路,利用它可以构造性能较好的反射式光电传感器。

由LM567的内部振荡器提供方波信号,点亮探头的LED,由探头的光敏管接收反射光。

经三极管放大,转换成电压信号后送到LM567的内部鉴相器2同步调解,然后由LM567内部的比较器转换为数字输出并联负反馈放大电路有若稳定的增益和低的输入阻抗,能消除光敏管电容的影响,获得良好的高频特性。

这个电路的缺点是当多个探头同时使用时因为频率接近,一旦相邻单元的光斑出现部分重合就会有干扰造成输出抖动,另外567输出鉴相器参考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,解调效率非常低,前级需要高倍放大。

为了解决上述多个探头临近的问题,在使用多组传感器时,做了以下改动(如图3-10所示):
单独用一个单元作振荡,给其余四个单元(图中只画了一个)提供同步的时钟信号,消除了差拍问题。

而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,使得参考信号与发射和接收信号的相差非常小,调节效率大大提高,最大探测距离有所增加。