红外线水龙头自动控制设计讲解

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
完成时间： 2013年5月XX日
报告成绩：
摘要
水是生命之源，然而地球上能够直接供人们使用的淡水资源却很贫乏，而且分布不均，特别是随着经济的发展，无论是在农业还是在工业方面对淡水的需求越来越大，所以我们应该大力提倡节约用水，寻求可持续发展。

为此设计用红外线自动控制电路控制水龙头，从我们日常生活中减少水资源的浪费。

学以致用，针对节约用水的问题，结合自己所学的知识，开发一种既能节约用水，又操作简单方便、有实用性的水龙头。

本设计要求水龙头具有红外线自动控制功能，当有人接近或盛水容器靠近时，水龙头能自动打开，以一定流速放水；离开时水龙头自动关闭。

这样不仅使用起来就很方便，而且可以防止因疏忽忘记关水龙头造成水资源的白白浪费，同时又避免各种传染病的扩散和传播，可以广泛应用在公共场所（如学校、医院）的餐厅、食堂、卫生间等，既节约用水，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放水。

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。

目录
第1章概述 (4)
1.1引言 (4)
1.2设计目的 (4)
1.3设计内容及要求 (4)
1.3.1设计内容 (4)
1.3.2设计要求 (4)
第2章红外线控制自动水龙头系统设计 (5)
2.1水龙头的构成及传感器控制 (5)
2.2系统组成方框图 (5)
2.3红外反射式光电传感器特性与工作原理 (6)
2.4红外线控制自动水龙头的工作原理 (7)
2.4.1红外线水龙头控制电路系统的组成 (7)
2.4.2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)
3.1+5V的稳压电源的设计 (8)
3.2振荡器电路的设计 (8)
3.3红外接受控制电路的设计 (9)
3.4电压放大电路的设计 (10)
3.5音调译码器的设计 (11)
3.6三端稳压器 (13)
3.7LM567调制传感器 (14)
元器件清单 (16)
心得体会 (17)
附录总电路图 (18)
参考文献 (19)
致谢 (20)
第1章概述
1.1引言
水是生命之源，然而地球上能够直接供人们使用的淡水资源却很贫乏，而且分布不均，特别是随着经济的发展，无论是在农业还是在工业方面对淡水的需求越来越大，所以我们应该大力提倡节约用水，寻求可持续发展。

为此设计用红外线自动控制电路控制水龙头，从我们日常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分析和设计方法。

②能够运用所学知识，合理的选择使用集成电路元件组成电路。

③了解红外线水龙头自动控制的原理、组成。

1.3设计内容及要求
1.3.1设计内容
红外线控制自动水龙头，是通过红外线来控制磁水阀门的开与关。

要求该电路具有自动控制功能，当有人接近或盛水容器靠近时，水龙头能自动打开，以一定流速放水；离开时水龙头自动关闭。

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

1.3.2设计要求
①合理选择所需器件；
②完成全电路的设计、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
2.1 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。

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。

系统组成框图如图1-2所示
图2-2 系统组成方框图
2.3 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，传感器只接收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（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，不同的目标距离阀值，电压是不同的。

图2-3 红外发射接收原理图 图2-4 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
2.4.1 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。

2.4.2 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f=1.44/（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f=1/1.1R6C3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。

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第3章单元电路的设计
3.1 +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3-5所示）。

图2-5 稳压电源电路
3.2 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3-6所示）。

（a）电路图(b)工作波
图3-6 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
3-7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3-8所示）。

图3-8 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3-9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3-10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
3.5 音调译码器的设计
音调译码器采用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。

此音调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
3.6 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。

三端稳压器的工作原理（如图3-14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。

图3-14三端稳压器框图
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（如图3-15所示）
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3-16所示）：
单独用一个单元（图中右边的567）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。

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
心得体会
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。

通过这次对红外线自动控制水龙头的设计，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于水龙头的原理与设计理念。

通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。

除了学会了许多专业知识外，在遇到困难时，积极地去请教我的指导老师，我通过看现有的教材、去图书馆查阅资料、去网上搜索相关信息这些方式，不仅完成了课程设计，而且大大增强了我的自学能力和独立能力。

更重要的是，我拓展了思路，开阔了视野，活跃了思想。

这次设计不仅使我对相关专业知识有了更深的理解，而且还让我认识到了理论知识对工作实践的重大意义，学会理论联系实际。

设计要求我们完全依靠自己的能力去学习和设计，而不是像以往课程那样一切由教材和老师安排。

因此，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、寻找数据、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广泛应用。

通过这次设计提高了我认识问题、分析问题、解决问题的能力。

总之，这次设计既是对我课程知识的考核，又是对我思考问题、解决问题能力的考核，设计让我受益匪浅。

附录总电路图
参考文献
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4.沈任元，吴勇．《数字电子技术基础》[M]．机械工业出版社，2007．
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6.金发庆《传感器技术应用》机械工业出版社，2002。

7.詹林《单片机原理与应用》西北工业大学出版社，2008。

8.王成安，毕秀梅《电子产品工艺与实训》机械工业出版社，2008。

9.冯民昌《数字集成电路系统》（第二版）中国铁道出版社，2003。

10.李素珍，丁辛芳《半导体物理基础》高等教育出版社，2000。

11.吕国泰，吴项《电子技术》高等教育出版社，2006。

致谢
首先我要感谢的是我的父母，是他们辛苦地将我抚养长大！同时也感谢院里给我们创造了这样一个难得的好机会，使我们能够锻炼自己，培养自己独立思考的能力。

在这期间，尤其是我的指导老师侯清莲老师给了我莫大的帮助。

她不厌其烦地认真地指导我的课程设计，耐心地指导我如何去撰写好一份报告，从她身上我学到了许多受用一生的道理和书本上无法学到的知识，在此表示衷心的感谢！。