简易自动干手器

郑州轻工业学院

本科课程设计（论文）

题目：自动干手器

学院：电气信息工程

姓名：牛建军

班级：自动化12-02

学号：541101010231

指导老师：方洁

完成时间：2014年5月29号

自动干手电路

摘要

随着科技的发展，人们的生活质量逐渐提高，同时，人们对卫生的要求也逐渐提高，人们常用洗手来控制细菌的传播。一种广泛应用于洗手间的干手装置--自动干手器，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。

自动干手器的工作原理简单来说就是用红外线电子开关来控制电热吹风机，当有人手伸过来时，感应到红外线，电子开关自动将吹风机打开；当人手离开时有自动关闭吹风机。自动干手电路由电源电路、红外线发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路和自动干手器开关电路五部分组成。由电源电路提供直流电源，利用555定时器及多谐振荡器和单稳态触发器等元件组成红外线自动干手器电路以实现干手的目的。当人们需要干手时，把手靠近干手器，由于手对红外线的反射作用，555定时器构成的单稳态触发器会产生一段时间的高电平定时，控制自动干手器打开加热装置和吹风装置，一段时间后会自动停止，时间长短可以通过NE555自动的可变电阻器进行调节，这种设计既简单又可靠，很实用。

关键词：红外线自动干手器时间延迟

目录

第一部分方案论证 (1)

1.1 方案概述与论证 (1)

第二部分系统方案设计 (2)

2.1 系统组成框图 (2)

2.2 各部分电路的功能 (2)

第三部分各要单元电路的设计 (3)

3.1 电源电路图及其原理 (3)

3.2红外发射电路图及其原理 (4)

3.2.1 红外发射电路图及其原理 (4)

3.2.2 555电路的内部结构、工作原理及其性能参数 (5)

3.3 红外接收电路图及其原理 (7)

3.4 时间延迟电路图及其原理 (8)

3.5 吹风机开关电路图及其原理 (9)

3.6 总电路图及其原理 (10)

第四部分元器件选型 (11)

4.1 元件清单 (11)

4.2 元器件介绍 (11)

4.2.1 三端稳压管 (11)

4.2.2 红外发光二极管 (12)

4.2.3 晶体三极管 (13)

4.2.4 继电器 (13)

第五部分总结与体会 (14)

参考文献 (15)

附录 (16)

第一部分方案论证

方案概述与论证

近年来，随着人们生活水平的日益提高，人们对卫生的关注越来越高。人们常用洗手来控制细菌传播，但很多人往往忽略了洗完手后使手变干的步骤，因此导致洗手效果的减弱。自动干手器是一种高档卫生洁具，广泛应用于学校、机场车站、宾馆酒店、体育场等公共场所的洗手间。当洗手后，将双手伸在自动干手器的出风口下，自动干手器会自动送出舒适的冷风或者热风，迅速使你的双手去湿吹干，而当你把手一离开自动干手器的吹风口时它又自动停风关机，可达到不要毛巾擦干手上水分和防止疾病交叉感染的要求。

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，就可组成一个自动干手器，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，以达到自动干手的目的。

根据设计任务与要求,当人们需要干手时，把手靠近干手器，自动干手器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。

本方案利用555多谢振荡电路控制了红外光的发射，并利用三极管放大信号，再利用555单稳态电路控制延迟时间，最终使用继电器与温控开关控制了吹风机。设计合理，能达到一定的效果，并且还能节省能源。

第二部分系统方案设计

根据简易自动干手器的原理可以将其分为五个部分，即电源部分、红外线发射部分、红外线接收部分、时间延迟部分和吹风机开关部分。其中电源部分可以有两种设计，第一，可以直接通过蓄电池供电；另外一种就是通过电网供电在进行滤波。本次设计重点介绍第二种方案。

2.1 系统组成框图

简易自动干手电路的总体框图结构如下。它是由红外线发射电路、红外线接收电、时间延迟电路、吹风机开关电路和电源电路5部分构成的。

图1简易干手电路系统组成框图

2.2各部分电路的功能

（一）电源电路：为红外发射和接收电路、吹风机开关电路及时间延迟电路提供直流电源。

（二）红外线发射电路：利用NE555构成的多谐振荡器提供驱动电流驱动红外线发射管发射一定频率的红外线，实现电路对人手的感应。

（三）红外线接收电路：利用光敏元器件接收发射出来的光脉冲，并把光脉冲信号转化成电信号，同时对转化成的电信号进行放大。

（四）吹风机开关电路：利用电磁继电器作为吹风机的开关，这样就可以通过电信号对吹风机进行控制。

（五）时间延迟电路：利用NE555单稳态电路的特性，通过电信号实现对吹风机吹风时间的控制。

第三部分各主要单元电路的设计

3.1 电源电路图及其原理

ANS1

图2 电源电路原理图

图1为电源电路图，直接从220V电网供电，其中可通过稳压滤波电路来满足需求。电路中的变压器采用常规的铁心变压器，其规格为11：7，由变压器出来的14V 左右的交流电压，经过单相桥式整流电路和电容滤波电路，再经过三端稳压管7812的转换，输出12v的直流电流，然后输送给电路，为整个电路提供12v的直流电压。其中，整流滤波电路由三端稳压管和电容构成，桥式整流电路中的二极管两两交替，使电压无论是正向还是反向，从桥式电路输出的均为正向波，在电容C1的滤波作用下，负载得到的是一个近似锯齿波的电压，这就大大减小了电压的波动，使输出电压大致控制在12V左右。

在选择电容的时候，我们需要考虑到放电时间及滤波效果。在本实验中，我们需要重点考虑电容C1，既要防止电容被击穿，又要求它有较好的滤波效果。

本设计中用到了一个三端稳压管7812，是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性。在电路中，MC7812可以将电压稳定在12V左右并输出，为后边电路提供12V的直流电。

3.2 红外发射电路图及其原理

3.2.1 红外发射电路图及其原理

图3 红外发射电路原理图

图3为红外线发射电路的原理图。主要部分就是555多谐振荡电路和红外线发射管，红外发射管发射的红外线在可见光范畴之外，不能在显示中使用，一般作为光信号传输之用。本电路的感应装置一般要求不可见，故可以采用红外线发光二极管作为感应装置。555作为多谐振荡器发射固定频率的方波脉冲信号，控制红外管产生特定频率的红外线。

当电路刚接通电源时，由于C来不及充电，导致脚3输出为高电平。当电源接通一段时间以后，电流从R1、R2进入，给C5充电，V6、V2电压升高，当V6达到8V 左右时，放电管导通，触发器翻转，此时输出端为低电平，使得C5通过R2放电，V6降低，当V6降到4v时，放电管截止，触发器被置位，输出V3翻转成高电平。然后电源又通过R1、R2给C2充电，当V6升到8V时，触发器再次翻转。如此反复，最终3号脚输出特定频率的脉冲方波信号。

输出信号的时间参数是

T =t1+t2，t1=0.7*（R1+R2）*C5，t2=0.7*R2*C5

频率为f=1/T=1/0.7（R

1+2R

2

）C5

占空比：q=R1/(R1+2R2)

555电路中要求R1与R2均应大于或等于1KΩ，故可取R1=5.1KΩ,R2=5.1KΩ.

为保证发射管的正常工作，并且要求从555输出端的输出的电流不超出其最大额

定值，故应连上R3来限流，起到保护红外线发射管的作用。

3.2.2 555电路的内部结构、工作原理及其性能参数

（1）555的内部结构如下图所示

（2）NE555的工作原理

555电路的内部结构如上图所示，它含有两个电压比较器和一个基本RS触发器，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成的分压器提供。他们分别使高电平比较器A的反相输入端和低电平比较器B的同相输入端的参考电平为2∕3V和1∕3V。A和B 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，输入并超过参考电平2∕3V时，触发器复位，555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时，555的3脚输出高电平同时放电开关管截止。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，通常接一个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。

（3）NE555各引脚功能以及相关参数

在利用NE555构成多谐振荡器时，需要注意各引脚的连接。这里列出了NE555集成电路中各引脚的功能和相关参数

表一：NE555功能参数表

表二：NE555相关参数表

表三：555定时器功能表

7

K

PN

图4 红外接收电路图

图4电路为红外线接收电路。该电路由红外线接收装置和集成电路运算放大器组成。红外线接收电路实际上就是一个红外线接收二极管PHOTO。PHOTO具有按照光信号的强度产生出对应的电信号的特性，这叫做光敏元件。PHOTO是高灵敏度、抗干扰性能强的红外线接收管，也叫光电二极管，它的结构和二极管极为相似，被封装在透明玻璃壳内，管中的PN结可以接受光照，它在电路中是反向工作，当没有光照时，反向电阻很大，可达到几兆欧；有光照时，反向电阻很小，只有几欧，反向电流约为几微安。红外线接收装置在无人伸手时，接受到光信号时，处于导通状态，相当于短路，其左端相当于直接接地，为低电平，后边电路就不工作。在人伸手时接收不到光信号而截止，使电路经R4流通，使信号进入放大器。

PHOTO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。集成电路放大器利用三极管，耦合电容，电阻构成，耦合电容C7和C8不仅起滤波作用，滤掉直流干扰信号，还可以为级间信号的传递提供通路。集成电路放大器可通过调节R5,R6, R7的大小来控制信号放大倍数。为了防止红外线接收器的反向击穿。C7, C8一般应在几微法到几十微法之间。此电路输出的信号即为放大后的信号。

C

图5 时间延迟电路图

图5为时间延迟电路，该部分主要是由NE555集成电路构成的单稳态电路，R8为上拉电阻。555的内部包含两个电压比较器，等值串联电阻，一个 RS 触发器和一个放电管。稳态时，555输入端处于电源电平，内部放电开关管导通，输出端输出低电平。当接受到红外线脉冲时，2端瞬时电位低于4V，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程， C10开始充电，Vc增加。当Vc充电到8V时，高电平比较器工作，比较器A翻转，输出端从高电平返回低电平，放电开关管重新导通，电容C10经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下一个脉冲的到来做准备。

暂稳态的持续时间t3（即为延迟时间）决定于外接元件R9和C10值的大小，有

t3=1.1R9*C10

通过改变R9、C10的大小可改变延迟时间。这种单稳态电路作为计时器时可直接驱动小型继电器并可以使用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。

图6电路为吹风机开关电路，由继电器，三极管，二极管，温控开关和电动机构。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，因此电磁阀需要直接接在220V交流电上，从而电路中的开关不能直接用数字电路中的微电来控制，需要加入继电器电路。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。同时在继电器两端并联一个二极管实现保护。

电磁继电器一般需要大电流，当 555输出为高电平时，二极管和三极管导通，此时电流经过三极管放大β倍，继电器产生磁场使继电器开关闭合，电动机所在电路连接导通，电动机工作，二极管起到保护作用，防止电流过大，继电器产生电感电动势，通过二极管将电能消耗，开关K处于断开状态，电动机不工作。电动机直接接在220V交流电上，可比较快速的把电磁能消耗。图中25°温控开关为集成电路器件，可以根据不同的需要购买，当干手器工作温度低于25°时，温控开关导通，风机吹风把电热丝产生的热带出去，烘干人手。当于干手器工作温度高于25°时，温控开关断开，风机吹自然风把手风干，节省能源。

3.6 总电路图及其工作原理

本简易干手电路主要红外线发射电路、红外线接收电、时间延迟电路、吹风机开关电路和电源电路5部分构成的。首先通过整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电压转化成12V直流电压。然后由一个555集成电路构成多谐振荡电路，为红外线发射装置提供脉冲信号，控制红外发射装置发射脉冲红外线。当有人伸手时，

红外接收装置接收到红外光，将红外线变成电信号，然后由555出来的信号经过处理，再经过两级三极管将信号放大，传给时间延迟电路。时间延迟电路由一个555集成电路构成单稳态电路，当有脉冲信号进入时，一开始2端电压较低，放电管截止，电路不应立即工作，而是处于一个暂态过程，电容器C10开始充电，当2和6端电压达到8V时，高电平比较器工作，放电管导通，电容C10放电，暂态结束，恢复稳态。延迟时间即暂态所处的时间可以通过改变可变电阻的阻值和电容的大小来改变，最后将时间延迟电路的输出信号放大之后用于驱动继电器，完成控制电吹风工作的功能。当无人伸手时，红外接收装置接受不到红外线，发光二级管截止，由555输入的电平很快就变成高电平，以致输出的电平较低，吹风机不工作。此外，该电路还可以通过控制温控开关来选择冷风或者热风，当干手器工作温度低于25°时，温控开关导通，风机吹风把电热丝产生的热带出去，烘干人手。当于干手器工作温度高于25°时，温控开关断开，风机吹自然风把手风干，节省能源。

总的电路图见附录。

第四部分元器件选型

4.1 元件清单

4.2元器件介绍

4.2.1 三端稳压管

三段稳压管也称三端稳压集成电路，电子产品中常见到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IC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TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92 封装。因为三端固定集成稳压电路使用方便，电子制作中经常采用。注意三端集成稳压电路的输入、输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4-5V，即经变压器变压、二极管整流和电容器滤波后的电压应比稳压值高一些。 7812主要参数有输出直流电压 U0，输出电流,电压调整率和输出电阻 R0，输入电压UI的范围15到17V 。因为一般UI要比 U0大3到5V ，才能保证集成稳压器工作在线性区。

特点：最大输出电流为1.5A

输出电压为12V

热过载保护

短路保护

输出晶体管安全工作区保护

4.2.2 红外发光二极管

常用的红外发光二极管如SE303.PH303，其外形和发光二极管LED相似，发出红外光。管压降约1.4v，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常常串有限流电阻。发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值，就能增加红外光的发射距离。提高峰值的方法是减小脉冲占空比即压缩脉冲的宽度T，一些彩电红外遥控器的红外发光管的工作脉冲占空比约为1/3-1/4，一些电器产品红外遥控器的占空比是1/10。减小脉冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。常见的红外发光二极管的功率分为小功率(1mW-10mW)、中功率（20mW-50mW)和大功率（50mW-100mW以上)三大类。要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。用红外发光二极管发射红外线去控制受控装置时，受控装置中均有相应的红外光一电转换元件，如红外接收二极管光电三极管等。实用中已有红外发射和接收配对的二级管。红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式是指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离。反射式指发光管与接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光

管发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外光线才工作。双管红外发射电路可提高发射功率、增加红外发射的作用距离。

4.2.3 晶体三极管

晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。

对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。

当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b 点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源E

b

4.2.4 继电器

（一）概述

当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电气量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

（二）电磁继电器的工作原理和特性

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

第五部分总结与体会

自动干手器电路是由红外发射电路、红外接收电路、时间延迟电路、继电控制风机电路和电源组成。该产品可用于医院、食堂、车站公厕等公共场合，当有人伸手时，该电路会工作，使用安全可靠、清洁卫生。

自动干手器主要的组成部分就是555定时器电路。根据555强大的功能可以制造出多种产品，干手器只是其中的一种。

我也曾查阅过很多关于555定时器的资料，但是只是限于理论知识。这次对自动干手器的设计，让我对555定时器有了更新的认识，同时我也对红外线有了新的了解，知道了红外线遥控的大体内容和原理。对一些基础元件也有更深入的理解，还改变了以前的一些错误的认识，同时也增加了一些基础知识。

不得不承认，这次的课程设计让我发现了自身存在的很多问题。其实完成老师给下的任务很容易，只需网上搜出原理图，然后照着原理图写篇论文即可，甚至可以找到完全对应的论文。但是真正要弄懂电路的每个功能以及元器件的选取实在是太难了，可以说是不可能，到目前为止我也仅仅知道了各部分是怎么工作的，其他的基本上啥也不懂。比如电容的作用:隔直流,旁路,耦合,滤波,补偿,充放电,储能等这么多功能有很多我都是不懂的。通过这次的课程设计，我对直流稳压电源有了更深刻的认识，尤其是对电路的原理的理解，各元器件功能以及其特性的认识。当然在设计的过程中，我也遇到了很多困难，比如说我在运用元器件时，不知道如何选取，尽管我到图书馆电子阅览室里查了很多相关文献，也在网上搜了些相关资料，但因时间问题最终未能作出合理的选择。另外，对于Protel元件的运用，我也仅仅能算的上是了解，因此，在作图的过程中会出现各种各样的问题。但我都一一克服了。

本次课程设计不仅让我增加了知识，提高了我对学习资料的搜集能力，同样重要的是老师和同学们让我感受到了太多的帮助，我对帮助我的人表示感谢。

首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。总之，这次设计使我受益匪浅，让我对以后的工作学习有了更大的信心。

参考文献

[1] 李桂安.电子技术试验及课程设计.南京：东南大学出版社，2008.8.

[2] 孙君曼.电子技术.北京：北京航空航天大学出版社，2010.8.

[3] 李兴昌.电子技术实践教程.成都：西南交通大学出版社，2010.10.

[4] 何小艇.电子系统设计.浙江：浙江大学出版社， 2001.6.

[5] 姚福安.电子电路设计与实践.山东：山东科学技术出版社，2001.10.

[6] 李银华.电子线路设计指导.北京：北京航空航天大学出版社，2005.6.

附录

总电路图：

简易自动干手电路的设计