模拟电子课程设计-红外线控制自动水龙头的设计

********大学*******学院模拟电子课程设计红外线控制自动水龙头的设计指导老师：******学生姓名：******系别：******************专业：************班级：**************—*班学号：**********摘要本课程设计介绍了利用红外发射与接收电路设计自动水龙头的原理及设计方案。电路设计简单，使用方便，同时更利于节能，“节能降耗”是我们追求的目标。传统的水龙头、卫生间供水等设施，使用起来不是特别方便，而且很浪费水资源。在这个基础上，我设计了自动供水电路。不仅可以节约用水，而且外形美观，使用起来也很方便。红外线控制自动水龙头由红外发射电路、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。目录第一章绪论…………………………………………………………………………1第二章元器件方案…………………………………………………………………22.1传感器………………………………………………………………………22.1.1CCD图像传感器……………………………………………………22.1.2电容式传感器………………………………………………………22.1.3超声波传感器………………………………………………………32.1.4光电传感器…………………………………………………………32.2发光二极管（LED）………………………………………………………42.3接收管………………………………………………………………………5第三章红外线控制自动水龙头设计………………………………………………73.1水龙头的构成及传感器控制………………………………………………73.2系统组成方框图……………………………………………………………73.3红外反射式光电传感器特性与工作原理…………………………………83.4红外线控制自动水龙头的工作原理………………………………………93.4.1红外线水龙头控制电路系统的组成………………………………93.4.2红外线水龙头控制电路的原理图…………………………………93.4.3红外线水龙头控制电路工作原理…………………………………93.5单元电路的设计……………………………………………………………93.5.1+5v的稳压电源的设计……………………………………………93.5.2振荡器电路的设计…………………………………………………103.5.3红外接受控制电路的设计…………………………………………103.5.4电压放大电路的设计………………………………………………123.5.5音调译码器的设计…………………………………………………133.5.6三端稳压器…………………………………………………………153.5.7LM567调制传感器…………………………………………………15元器件清单…………………………………………………………………………18心得体会……………………………………………………………………………19参考文献……………………………………………………………………………20附录…………………………………………………………………………………21红外线控制自动水龙头的设计-1-第一章绪论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。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，有着非常重要的意义。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。红外线控制自动水龙头的设计-2-第二章元器件方案2.1传感器目前市场上常用的传感器有CCD图像传感器、电容式传感器、超声波传感器、光电传感器四种。2.1.1CCD图像传感器这种传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。2.1.2电容式传感器它是一种把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA／δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各红外线控制自动水龙头的设计-3-种介质的温度、密度、湿度的测定。电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高,过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。2.1.3超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。2.1.4光电传感器光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。标准的光电传感器可以分为漫反射型、反射型、对射型、槽型、光纤传感器、色标传感器、光通讯、激光测距、光栅、防爆/隔爆型等十种。它的特长有以下七点：（1）检测距离长如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法离检测。（2）对检测物体的限制少红外线控制自动水龙头的设计-4-由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。（3）响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。（4）分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。（5）可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。（6）可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。（7）便于调整在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。因此,光电式传感器在检测和控制中得到广泛的应用。通过几种传感器的辩证比较，我选择了第四种——光电传感器，并采用其中的反射式光电传感器来作为我设计的核心元件。2.2发光二极管（LED）做传感器的LED要求亮度高，颜色合适，光斑形状合适。为了防止LED损坏，应该注意：（1）LED的伏安特性曲线很陡，测试和使用时一定要串联电阻限制电流。（2）氮化镓材料的高亮度LED容易被反向电压、静电或电源尖峰击穿损坏，电源电压较高时不可反馈。不同的管子允许的工作电流不同，红外的平均电流最大可以用到100毫安，用作调制时几十微妙的窄脉冲峰值甚至可以接近1安。3毫米的白色高亮度管子持续最大电流20毫安，一般低亮度的管子要小一些，工作电流的限制一是发热限制平均电流，二是高电流下亮度饱和限制峰值电流，有些管子电流大了之后还红外线控制自动水龙头的设计-5-会变色。常用的LED有红外，红，橙，黄，黄绿，纯绿，蓝，紫，白等颜色，作为成品销售的“变色LED”是在一个管壳里封装了多个不同颜色的LED，红，绿，蓝三色的LED非常适合作颜色传感器的照明。红外线LED配合红外接收管抗干扰能力强，但是不适合用于识别颜色，因为物体在可见光下的颜色不能很好的代表它对于红外线的反射率。LED发光的原理是半导体PN结中的电子与空穴复合时产生光子，不同的材料由于能带宽度不同，导致发光颜色和导通电压不同。另外，不同材料的发光效率（一般以量子效率衡量，量子效率=发射的光子数/流过的电子数）也有较大的差别（见表2-1）。表2-1常用LED的参数比较材料发光颜色量子效率（与工艺有关）砷化镓红外高，30%磷砷化镓红中，10%磷化镓(摻杂氮)黄绿低，不到1%磷化镓(摻杂氧化锌)红到黄中低铝砷化镓鲜红中高铝镓铟磷橙红高，30%氮化镓从纯绿到紫外高，20%2.3接收管常用的接收管有硅光电二极管，硅光电三极管，光敏电阻三种。光电二极管产生的电流小，需要高倍放大，但是速度很高，可以高频调制，在遮光状态下的特性类似普通二极管，使用时加反向电压，输出与光照强度近似成正比的光电流。红外线控制自动水龙头的设计-6-光电三极管一般基极不引出，只有两根管脚，购买的时候叫作光敏管。光电三极管产生的电流较大，无需前置高倍放大，但是速度较低，调制频率低于100KHz。遮光状态下正反向电阻都很大，用强光照射，可以测出一个方向的电阻明显变小，这个方向是正向，使用时加正向电压＞1V，输出与光照强度近似成正比的光电流。这些光电接收管的外壳有无色透明和黑色两种，黑色管壳几乎只透过红外光，与红外发光管配套使用。光敏电阻的电特性是电阻而不是恒流，受到光照后电阻值大幅度减小，输出电流也