红外自动水龙头设计方案

目录用Multisim仿真红外自动水龙头

前言

红外自动水龙头电路依靠红外线控制水龙头自动瞬时来水，自动延时断水，既使用方便，又节约用水。红外自动水龙头采用非接触的红外感应方式自动开关，使用时手不接触水龙头，从而杜绝了细菌病毒的交叉感染，有效地预防了各种疾病的传播。在医院、宾馆、饭店、学校、超市等公共场所及家庭中都得到了广泛的应用。

1.总体方案设计

设计任务和要求

1.1.1 设计任务

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。

1.1.2 设计要求

1.要求电路通过感应装置，在人们需要用水的时候，自动打开水龙头开关。

2.要求电路在打开水龙头开关一段时间后，自动关断开关。

3.要求电路能够调节自动水龙头开关打开的时间。

系统组成框图

红外自动水龙头开关控制电路的总体框图如图1所示：

图1 红外自动水龙头开关控制电路的总体框图红外自动水龙头开关控制电路是由红外线发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路、自动水龙头开关电路和电源电路5部分构成的。

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.设计原理分析

电路主要芯片介绍

2.1.1 NE555时基电路简介

NE555的内部电路结构图如图2所示：

图2 NE555内部电路结构图

NE555时基电路是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，它由比较器1C 和2C 、基本RS 触发器和集电极开路的放电三极管D T 三部分组成。

其内部电路结构：1I υ是比较器1C 的输入端（也称阈值端，用TH 标注），2I υ是比较器2C 的输入端（也称触发端，用TR ）标注。1C 和2C 的参考电压（电压比较的基准）R1V 和R2V 由Vcc 经三个5k Ω电阻分压给出。在控制电压输入端Vco 悬空时，R1V =(2/3)Vcc , R2V =(1/3)Vcc 。如果Vco 外接固定电压，则R1V =Vco ，R2V =(1/2)Vco 。D R 是置零输入端。只要在D R 端加上低电平，输出端O υ便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使D R 处于高电平。图中的数码1～8为器件引脚的编号。

2.1.2 MC78L12CP 简介

MC78L12CP 是一种三端小电流正稳压电源，它的最大输出电流是100mA 。 电路原理图

红外自动水龙头开关控制电路的总电路图如图3所示：

图3 红外自动水龙头开关控制电路的总电路图

该电路由红外线发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路、自动水龙头开关电路和电源电路5部分构成。

主要单元电路设计

2.3.1 红外线发射电路

该电路的核心器件是红外线发光二极管SE303。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。

红外线发射电路如图4所示：

图4 红外线发射电路

红外线发光二极管正向电流不能超出其最大额定值，而作为感应装置则要求其具有较大的光输出。一般利用其响应速度快的特性，通过脉冲信号驱动来增大光输出。因此电路前端需要一个脉冲信号电路，本电路采用的是由NE555集成电路构成的多谐振荡器组成。其电路运行包括两个过程：一是利用直流电源经电阻1R和2R对电容1C的充电过程；二是电容1C经电阻2R从NE555集成电路的DIS端的放电过程。通过这两个过程的交替运行，就可以在NE555集成电路的输出端Q产生出脉冲信号。其输出脉冲信号的频率f和占空比q为：

f=1/(1R+22R)C1=1/(220kΩ+2×22kΩ)100μF≈541Hz (1)

q=R1/(1R+22R)=220kΩ/(220kΩ+2×22kΩ)≈﹪ (2)

这样输出端Q输出脉冲信号来控制红外线发光二极管发射光脉冲，二极管D1起保护红外线发光二极管的作用。

2.3.2 红外线接收电路及信号放大电路

该电路包含两个部分：一是红外线接收电路；二是信号放大电路。红外线接收电路实际上就是一个硅光电池2CR21。硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，在光照条件下PN结两端能产生电动势，接上负载后就形成电流。硅光电池的原理是通过硅PN结的光伏效应，使其具有按照光信号的强度产生出对应电信号的特性，这称为光敏器件。硅光电池的输出特性分为恒流区和恒压区，即其短路电流与光强度成正比，其开路电压随光强度按指数规律变化，由于其电流和光强度是线性关系，一般采用产生短路电流的方式来接收光信号。

红外线接收电路及信号放大电路如图5所示：

图5 红外线接收电路及信号放大电路

硅光电池2CR21的输出信号是一个十分微弱的信号，为了使后续电路能够对光强信号进行处理，因此需要加入信号放大电路。其信号放大电路是由电阻4R～7R、

T、2T和3C、4C构成，电路中采用了双三极管构成放大电路，这样就可以使得电1

路的放大倍数比单管放大电路的倍数增加β倍从而得到更合适的信号。5R和6R为放大电路集电极偏置电阻，3

C为放大电路的滤波电容。4R为放大电路的反馈电

C和4

阻，其功能是保证放大电路有一个稳定的静态工作点和稳定的输出电压1

V。

2.3.3 时间延迟电路

该电路主要由两部分构成：一是整流和滤波电路；二是由NE555集成电路构成的单稳态电路。前端电路的输出电压1

D整流，再经过电容

V首先经过二极管2

D和3

C滤波，则在NE555集成电路的TRIG端产生了触发电平信号。

5

当接收到红外线脉冲时，前端电路输出电压1

V经由整流和滤波在TRIG端产生一个高电平信号，由NE555集成电路构成的单稳态电路特性可知，输出端Q输出低电平。当由于人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲时，前端电路没有输出电压1

V，则TRIG端输入为零，单稳态电路接收到触发信号，输出端Q输出为高电平并保持一段时间。延迟时间由可变电阻9R和电容6

C的数值决定，通过调节可变电阻的大小，可以改变延迟时间的长短，以适合不同场合的应用。

时间延迟电路如图6所示：

图6 时间延迟电路

2.3.4 自动水龙头开关电路

由于电磁阀通过的是大电流、大功率，而直流电源一般无法提供很大的电流和功率，因此电磁阀需要交流供电，从而电路中的开关需要采用继电器电路。而一般NE555集成电路的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。

自动水龙头开关电路如图7所示：

图7 自动水龙头开关电路

该电路中的电流放大电路是由三极管T3构成的，这是一种比较典型和简单的电路。其中10

R为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。3T为共发射极电路，当