红外线自动干手器电路设计

摘要

成绩

山东理工大学

电气与电子工程学院

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摘要

自动干手机是一种高档卫生洁具，广泛应用于宾馆酒店、机场车站、体育场馆等公共场所的洗手间。其工作原理是采用一种红外线控制的电子开关，当有人手伸过来时，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

起保护红外发光二极管的作用。

发射光脉冲，二极管D

1

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D

作为显示电路，显示吹风机是否启动。

3

关键字: 红外线发射电路红外线接收放大电路吹风机开关控制电路时间延迟电路电源电路

ABSTRACT

ABSTRACT

Automatic dry cell phone is a kind of high-grade sanitary ware, widely used in hotels, airport station, sports stadiums and other public places of the bathroom. The working principle of adopting a infrared control of electronic switch, when a hand stretch to come over, infrared switch will electric blower automatically open, the man left and automatic will blower closed.

Automatic circuit is dry hands by infrared emission circuit, infrared receiver circuits, time delay circuit, hair dryer switch circuit and power circuit composed of five parts.

In the infrared emission circuit, the output power LuDuan Q produce the pulse signal to control the infrared emitting diode launch a light pulse, diode D1 infrared leds on protection of the role.

In the time delay and hair dryer switch circuit, when the output low electricity output Q at ordinary times, the transistor, no current through the. Relay and triode connected to the collector, when a current drivers, switch suck close, electromagnetic valve electricity, closed circuit, blower, the hot air; When no current drivers, switch, solenoid valves no electricity, circuit disconnect, hair dryer don't blow hot air out. At the same time in the relay ends a diode in parallel to realize protection, in a circuit to join leds D3 as show circuit, show hair dryer is active

Key word: infrared emission circuit Infrared receiver amplifier circuit Hair dryer switch control circuits Time delay circuit Power supply

circuit

目录i

目录

第一章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 国内外发展方向及现状 (1)

第二章方案设计 (3)

2.1 方案论证 (3)

2.1.1 干手器的构成及传感器控制 (3)

2.1.2工作原理 (3)

2.2.3 工作方案设计 (4)

第三章原理设计 (7)

3.1 主要单元电路设计 (7)

3.1.1 红外线发射电路 (7)

3.1.2 红外接收电路 (10)

3.1.3 时间延迟电路 (13)

3.1.4 电源电路 (15)

3.1.5 整体电路实现 (19)

3.2 电路工作原理 (20)

第四章电路仿真及Multisim软件介绍 (21)

4.1 Multisim 2001 程序概论 (21)

4.1.1简介 (21)

4.1.2功能及特色 (21)

4.2 multiSIM 2001仿真电路创建 (22)

4.2.1 电路创建 (22)

4.2.2 原理图创建与绘制 (23)

4.3 设置元器件参数及仿真要求 (27)

4.3.1 元器件参数设置参考附件-元件清单 (27)

4.3.2 仿真要求 (27)

4.3.3 仿真实现 (27)

ii 目录

第五章 PCB板设计及protel介绍 (31)

5.1 印刷电路板(PCB)简介 (31)

5.1.1 PCB简介 (31)

5.1.2Protel DXP简介 (32)

5.2 Protel DXP原理图的设计 (33)

5.2.1 印制电路板设计的一般步骤 (33)

5.2.2启动Protel DXP原理图编辑器 (34)

5.2.3装载元器件库及放置元器件 (35)

5.2.4元器件的位置调整和布线 (37)

5.2.5元器件属性设置及原理图编译 (38)

5.3 Protel DXP电路板的设计 (39)

5.3.1 PCB的层 (39)

5.3.2 利用向导创建PCB (40)

5.3.3 PCB板布局 (41)

5.3.4 PCB板布线 (42)

第六章总结与体会 (43)

致谢 (45)

参考文献 (47)

附录一元件清单 (49)

第一章绪论1

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。因此，研究红外线控制自动但受其及其应用，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干手器。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吹风。

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。

2 红外自动干手器电路设计研究

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。

第二章方案设计3

第二章方案设计

2.1 方案论证

2.1.1 干手器的构成及传感器控制

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2-1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，从而关闭水源。

2.1.2工作原理

4 红外自动干手器电路设计研究

自动干手机的工作原理只是采用一种红外线控制的电子开关，当有人手伸过来时，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。成品的自动干手机将红外线控制开关和电热吹风机制作为一体，根据这个基本原理，用一只普通的电热吹风机，加装一个红外控制开关，就可组成一个自动千手器，其效果与成品自动干手器是一样的。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。

根据设计任务与要求,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。

2.2 工作方案设计

系统组成框图

简易自动干手机控制电路的总体框图如图2-2.它是由红外线发射电路，红外线接收电路，时间延迟电路，自动干手机开关电路和电源电路五部分构成的。

图2-2 简易自干手机电路的总体框图

第二章方案设计5

图2-3 简易自干手机电路的原理方框图

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，实现对自动干手机开关打开时间的控制。自动干手机电路的功能的利用电磁阀作为自动干手器的开关，从而可以通过点引号对干手机进行控制。电源电路的功能的为上述所有电路提供直流电源。

6 红外自动干手器电路设计研究

第三章原理设计7

第三章原理设计

3.1 主要单元电路设计

3.1.1 红外线发射电路

图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① 555时基集成电路，② SE303红外发光二极管，③电阻器R2 ，R5 ，R6，④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. 集成时基电路

集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型的中

8 红外自动干手器电路设计研究

规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个3K电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556电路；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器。556和7556是双定时器。双极型的电源电压V

tt

＝＋5V~15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源时电压为＝3~＋18V。

1) 555电路的工作原理

555电路的内部电路方框图如图3-2所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5K电阻器构成的分压器

提供。它们分别使高电平比较器A

1的同相输入和低电平比较器A

2

的反相吕、、输入

端的参考电平为2/3V

CC 和1/3V

CC

。A1与A

2

的输出端控制RS触发器状态和放电管开

关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3V

CC

时，触发器

复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输

入并低于1/3V

CC

进，触发器复位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。

R D 是复位端（4脚），当RD＝0,555输出低电平。平时R

D

端开路或接V

CC

。

图3-2 555定时器内部框图及引脚排列

Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3V

CC

作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一0.01uF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。

第三章原理设计9 555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。

2）构成多谐振荡器

图3－3（a）为由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C

1、R

1

、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R

1、R

2

向C充电，以及C通过R

2

向放电端C

1

放电，使电路产生振荡。

电容C在1/3V

CC t和2/3V

cc

之间充电和放电。其波形如图3－3（b）所示。输出信

号的时间参数如式（3-21）（3-22）（3-23）

T＝t

w1+t

w2

（3-11）

t w1=0.7(R

1

+R

2

)C （3-12）

t w2=0.7R

2

C （3-13）

555电路要求R

1与R

2

均应大于或等于1K,但R

1

＋R

2

应小于或等于3.3M欧。

外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即要获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此这种形式的多谐振荡器应用很广。

（a）图3-3 多谐振荡器（b）

3）红外线发射电路分析

图3-1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

10 红外自动干手器电路设计研究

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3-1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。

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（R

2+2R

6

）C

6

=1/0.7（20kΩ+2*62kΩ）0.1μF≈99.56HZ；

占空比：q=R2/(R

2+2R

6

)= 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。

3.1.2 红外接收电路

图3-4 红外线接收电路

图3-4是红外线接收电路，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

第三章原理设计11

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 、U2:3 U2:4、 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。

1.光电传感器（PH302）

图3-5 PH302

光电元件特点是其高精度、高分辨率、大动态范围，利用光敏元件上的光电流随光强变动而变化这一现象实现几何增量，光电传感器可广泛地应用于静态测量、动态测量及自动化控制等领域。本设计中接收部分就采用了光敏二极管。

（1）光电传感器的工作原理

光电传感器的基本转换原理是将被测量参数转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件转换成电信号的输出。

常用的光电传感器是采用发光二极管作为光源，光源经过透镜聚焦于空间某一点。如果在该点有障碍物，光就照不到光敏二极管上，电路处于偏置状态，PN 结截止，反向电流很小。当没有障碍物遮挡时，光照到光敏二极管上时，PN结附近产生电子——空穴对，并在外.电场和内电场的共同作用下，漂移过PN结，产生光电流。此时，光电流与光照强度成正比，光敏二极管处于导通状态。具体方法是在光源侧使用发光二极管，在受光侧使用光敏二极管，并将信号处理电路集成制作在一块芯片上。它的特点是体积小，可靠性高，工作电源电压范围宽，接口电路的复杂程度大幅度减少，可直接与TTL，LSTTL和CMLS电路芯片连接。

2. CD4069

CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成，管脚图，如图3-5所示。此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。电源电压范围：为3.0V?15V ，有高抗干扰性，0.45V时，最大输出电流为230mA

12 红外自动干手器电路设计研究

图3-5 CD4069管脚图

（1）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

突变。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V

OUT

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

第三章 原理设计 13

(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R W1、R 4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

① Vin=0，G1、G2门为正反馈，Vout=VoL=0。

② 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TH 4W1T V )R R 1(V +≈+ （3-14）

负向阈值电压TH 4W1T V )R R 1(V +

≈+ （3-15）

图3-9 施密特触发器的传输特性及输入输出波形

14 红外自动干手器电路设计研究

3.1.3 时间延迟电路

图3-10 时间延迟电路和电机电路

（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。