基于5单片机感应水龙头设计

基于5单片机感应水龙头设计
毕业设计论文（黑体一号）基于51单片机感应水龙头
目录
摘要…………………………………………………
1、红外线控制自动水龙头纯硬件系统设计
1.1水龙头的构成及传感器控制
1.2系统组成方框图
1.3红外反射式光电传感器特性与工作原理
1.4红外线控制自动水龙头的工作原理
2、单元电路的设计
2.1稳压电源的设计
2.2光电对管电路设计
2.3红外接受控制电路的设计
2.4电压比较器电路的设计
2.5继电器电路的设计
2.6三端稳压器
参考文献
附录
元件列表
摘要
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。

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，有着非常重要意义。

本文介绍的全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。

【关键词】传感器；红外线
第一章红外线控制自动水龙头纯硬件系统设计
1.1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1-1所示）。

物
图1-1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，通过比较器，来控制继电器，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，经过比较器比较，比较后输出低电平，最后驱动电路控制继电器动作打开水源。

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，经过比较器比较输出高电平，使继电器断开，从而关闭水源（这里用L E D灯模拟水源的关闭）。

1.2系统组成方框图
图
红外线自动控制水龙头整个控制过程分为4个部分。

系统组如Array 1.3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2-3所示）
反射光强度的输出信号电压（V o u t）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V o u t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，不同的目标距离阀值，电压是不同的
x x/m
图1-3红外发射接收原理图
图1-4光强度相应曲线图
1.4红外线控制自动水龙头的工作原理
1.4.1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红外线检测电路（光电对管）、
比较器电路（L M358）、继电器电路（S R D-05V D C-S L-C）、L E D电
路。

1.4.2红外线水龙头控制电路工作原理
接通电源微电脑芯片经初始化后，控制发射管不断发射红外光，当人体的手放在感应水龙头的感应窗前红外光区域内时，由于人手的摭挡，一部分红外光反射后被红外线接收头(管）接收，经过光电转及微电脑处理后，驱动器输出30m s正向电流，脉冲电磁阀开启；当人手离开感应窗前红外光区域内时，红外线接收头(管)没有接收到信号，微电脑处理后，驱动器输出30m s反向电流，脉冲电磁阀关闭，等待下一信号，此时微电脑处于睡眠状态，功耗只有1u A。

红外水龙头控制过程是，当人或物体接近自动水龙头时，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，驱动电路断电电磁阀电源。

我设计的感应水龙头工作原理：当有人靠近时，光电对管由高电平变成低电平，通过比较器比较，输出低电平，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，这里用L E D模拟的，当继电器吸合时，L E D灯亮了，表示水源打开。

第2章单元电路的设计
2.1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。

三端稳压集成电路7805，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。

顾名思义，三端I C是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

它的样子象是普通的三极管，T O-220的标准封装，也有9013样子的T O-92封装。

用78/79系列三端稳压I C来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压I C型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。

当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

当制作中需要一个能输出 1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个 1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。

另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。

在78**、79**系列三端稳压器中最常应用的是T O-220和T O-202两种封装。

这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如附图所示。

图中的引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。

这样标注便于记忆。

引脚1为最高电位，2脚为最低电位，2脚居中。

从图中可以看出，不论正压还是负压，2脚均为输出端。

对于78**正压系
列，输入是最高电位，自然是2脚，地端为最低电位，即3脚，如附图所示。

对与79**负压系列，输入为最低电位，自然是3脚，而地端为最高电位，即1脚。

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V i n和G ND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L M7805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2-5所示）。

图2-5稳压电源电路
2.2光电对管电路的设计
R1是限流电阻，R2是控制光电开关的检测距离，理论范围内，阻值越大，检测的范围越远，R3是一个滑动变阻器（电位器），用来调节比较电压的大小，V I N+和V IN-是输入比较的两个电压。

当有人时，V I N+由高电平变成低电平，这是V I N-输入的电压高于V I N+的电压，于是比较器输出低电平。

通过这样的设计，就可以检测人体，然后控制水龙头的打开和关闭。

2.2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S F M506-38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。

L M567、开关放大电路V T9013、固态继电器T A C08、电磁阀构成控制电路。

红外线遥控器已被广泛使用在各种类型的家电产品上，它的出现给使用电器提供了很多的便利。

红外线感应开关对于自动控制设备、照明安全防盗自动设备人身防护等都有着很广泛的应用。

是一款真正的节能、环保、人性化产品。

自然界中任何高于绝对温度- 273度时物体都将产生红外光谱不同温度的物体其释放的红外能量的波长是不一样的。

莱亮人体红外感应开关就是采用这一原理制成的它是一种被动红外探测开关。

在被动红外探测器中有两个关键性的元件。

一个是热释电红外传感器(P I R)它能将波长为8一12u m之间的红外信号变化转变为电信号并能对自然界中的白光信号具有抑制作用因此在被动红外探测器的警戒区内当无人体移动时热释电红外感应器感应到的只是背景温度当人体进人警戒区通过菲涅尔透镜热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号因此红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。

另外一个器件就是菲涅尔透镜菲涅尔透镜有两种形式即折射式和反射式。

菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用即将热释的红外信号折射反射在PI R上第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PI R上产生变化热释红外信号这样P I R就能产生变化的电信号。

单位增益频带宽(约1M H z) ，电源电压范围宽：单电源(3—30V)，电源
(±1.5一±15V)，内部包括俩个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适合于双电源工作模式，在推存的工作条件下，电源电流和电源电压无关，它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他的所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358的封装有塑封8引线双列直插式和贴片。

这里采用8脚双列直插塑封。

2.3红外接受控制电路的设计
如图，这是一个典型的例子，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R2的上端变为高电平，此时V T1饱和导通，三极管集电极输出低电平。

当没有光反射回来时，光电对管的三极管不导通，V T1截止，其集电极输出高电平。

V T1在在该电路中起到滤波整型的作用。

经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，
输出还有杂散干扰波的成分。

如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。

但是这种电路用电量较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。

究其原因，因为光敏三极管和三极管V T1导通时的导通电流较大。

因此我们采用如下方案，如图所示
通过一个电压比较器，来减少上述的不足，经过试验，这个方案是可行的，通过输出的高低电平来控制继电器K吸合，使其常开触点闭合，，使水龙头放出自来水，同时L E D发出光，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，L E D熄灭。

2.4电压放大电路的设计
电压放大电路采用L M358集成运算放大器，（如图所示）。

L M358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。

L M358的管脚功能是：1脚为输出端，2脚为反相输入端，3脚为同相输入端，4脚为负电源端，5脚为同相输入端，6脚为反相输入端，7脚为输出端，8脚为电源V C C。

一共有两个比较器，内部频率补偿，直流电压增
益高(约100d B)，单位增益频带宽(约1M H z)，电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5一±15V)，低功耗电流，适合于电池供电，低输入偏流，低输入失调电压和失调电流，共模输入电压范围宽，包括接地。

差模输入电压范围宽，等于电源电压范围，输出电压摆幅大（0至V c c-1.5V)。

L M358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、D C增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

如图所示
图2-7引脚图图2-8内部原理图2.5继电器电路的设计
如图所示：
这是典型的继电器驱动电路图,这样的图在网络上随处可以搜到,并且标准教科书上一般也是这样的电路图.(我们一位老师说过,中国的教科书,大都是你抄我,我抄你,甚至连图也照搬,所谓的
教授们只为了增加他们虚伪的学术成果)为什么要明白这个图
的原理?单片机是一个弱电器件,一般情况下它们大都工作在
5V甚至更低.驱动电流在m A级以下.而要把它用于一些大功率场合,比如控制电动机,显然是不行的.所以,就要有一个环节来衔接,这个环节就是所谓的"功率驱动".继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节.在这里,继电器驱动含有两个意思:一
是对继电器进行驱动,因为继电器本身对于单片机来说就是一个
功率器件;还有就是继电器去驱动其他负载,比如继电器可以驱
动中间继电器,可以直接驱动接触器,所以,继电器驱动就是单片
机与其他大功率负载接口.这个很重要,因为,一直让我们的电气
工程师(我指的是那些没有学习过相应的电子技术的)感到迷惑
不解的是:一个小小的芯片,怎么会有如此强大的威力来控制像
电动机这样强大的东西?怎么样理解这个电路图?要理解这个
电路,其实也比较容易.那么请您按照我的思路来,应该没有问题: 首先的,里面的三极管很重要.三极管是电子电路里很重要的一
个元件.怎么样理解三极管呢?简单的来说三极管有两个作用
一个是放大作用,一个是开关作用.(严格来讲开关作用是放大作
用的极限情况,不过没关系,把两者分开,更便于理解它的工作原理).在这里,我们只了解它跟本电路有关的开关作用.首先把
三极管想成一个水龙头。

上面的V c c就是水池,继电器是一个水
轮机,下面的G N D是比水池低的任何一点.刚才说过,三极管就是
水龙头,它的把手就是那个带有电阻的引脚.现在,单片机的某
一个需要控制这个继电器电路的输出引脚就是一只"手",当单片
机的这个引脚输出低电平的时候,就像"手"在打开三极管"水龙头",水就从上往下流,继电器"水轮机"就开始转起来了.反之,如
果是输出高电平,"手"就开始关"水龙头",继电器"水轮机"因为
没有水流下来,就会停止.这就是三极管的开关作用.简单的
理解和记忆就是:三极管是一个开关器件,其实你真的可以将它
看成是一个开关,只不过它不是用手来控制,而是用电压(电流)
来控制的,因此,三极管有些时候也被称做电子开关(与机械开关
相区别).图上还有一个东西,是保护二极管,如果不需要深入
理解的话,你大可不必追就为什么有它存在,但是一定得记住,只要是用三极管驱动继电器的场合,一般都有它的存在.需要特别
注意的是它的接法:并联在继电器两端阴极一定是接V c c接1K 电阻
内部电路，如图所示：
S R D-12V D C-S L-C这个继电器其他工厂的型号有4123 T73H R702等。

三个脚的这边两边的脚是线圈，加12V D C直流电压，不区分正负方向，是电压驱动，线圈直流电阻每个工厂或者灵敏度不同稍有区别。

中间一个脚是触点的C O M端，另外一边两个脚正向看，左边是常开，右边是常闭。

松乐这个继电器通过T U V UL认证，10A250V A C/30V D C和10A125V A C/28V D C应该是指不同认证试验的最大额定值，是指在最大触点额定电压下的最大额定电流，超过这个值不行，电气寿命缩短。

继电器有三引脚四引脚五引脚。

首先我解释一下四引脚的30,8785,86其中
30和87是断开的85和86是一个线圈的两头。

30接火线
87接用电设备85接火线86接控制开关。

而三引线的是将30和85一根线因为都接常火。

至于五引线只是多了87a 正中间的87a与30是接通的继电器有号30是接长火线87或87a接用电器85接地86接开关。

五插继电器应该是一
个常开一个常闭一个公共两个线圈继电器的工作原理是线圈通电后产生磁场然后把连着触点铁片吸进来从而使电路通路达到保护电路的目的。

一般的接法为线圈的两线是一正一负其中一头接在开关上。

其它的线则接在用电器上我采用的电路如图所示：
我这里接1K的的限流电阻，接了一个L E D灯，当继电器吸合的时候，L E D灯就亮了，表示强电控制的水龙头被打开了，当继电器松开的时候，L ED灯就熄灭了，就表示水龙头已经关闭，这里是模拟的水龙头。

2.6三端稳压器
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。

三端稳压器件;78x x/79x x 系列三端稳压器件是最常用的线性降压型D C/D C转换器，目前也有大量先进的D C/D C转换器层出不穷，例如低压差线性稳压器L DO等,（例如N S C L M2940、L M2651、
L M5020，M AX I A M的M A X1747等等）。

78x x/79系列简单易用、价格低廉，直到今天还在大多电路中采用。

如7805，7806，7809，7812，7815，7824，（79××）。

以及三瑞可调稳压（L M317,337,338......）78xx/79xx系列在降压电路中应注意以下事项：1、输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；2、输出电流不能太大，1.5A是其极限值。

大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；3、输入输出压差也不能太小,大小效率很差。

三端固定输出电压式稳压电源H78X X X X系列运用其器件内部电路来实现过压保护、过流保护、过热保护这使它的性能很稳定。

能够实现1A以上的输出电流器件具有良好的温度系数本产品有多种电压输出值5V~24V，因此产品的应用范围很广泛可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题输出电压误差精度分为±3%和±5%
三端稳压器的工作原理（如图2-10所示）：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R s c是过流保护的取样电阻。

R i，R b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
图2-10三端稳压器框图
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．
附录
元件列表。