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JIUJIANGUNIVERSITY电力电子技术课程设计题目感应水龙头的设计院系电子工程学院专业电子信息工程技术姓名黄荣民年级B126207指导教师张波2014年12月目录1．设计任务与要求…………………………………………………22．设计方案…………………………………………………………33．单元电路设计……………………………………………………44．电路工作原理……………………………………………………65．参考文献…………………………………………………………111、设计任务与要求设计要求:选择合适的传感器，设计一个能感应手的自动出水装置，对于这种和距离有关的设计我们可以利用距离传感器；设计任务：利用传感器，感知手的存在，产生电平跳变，激活电磁阀所在电路工作，从而自动出水。2、方案设计：就感知途径而言有以下两种方案：一、利用温度传感器，但是非接触式温度传感器易受空气温度影响，而接触式传感器优惠带来交叉接触，不卫生，所以决定放弃。二、红外线传感，思路有两条：1、设置一个红外发生器，一个红外接收器，当手干扰到这条红外线时，信号中断，产生电平突变，然后激活电磁阀工作，自动出水。缺点是红外发生接收器的位置不好掌握，垂直在水龙头上下放置不好封装，会加大成本而水平放置又会受到水龙头形状的限制，最后决定放弃。2、利用一种红外感应器，感应手产生的红外线，然后产生信号，激发电磁阀工作、缺点是可能受到人体产生的红外线干扰，但是可以通过传感器放置位置，及选定传感器敏感度来控制，大体符合条件。三、单元电路设计一、选择合适的传感器种类：为了满足不接触、对红外线的敏感度高的需求，我选择了热释电红外线传感器。热释电红外线传感器的工作原理如下：红外线传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光敏元件，通常将红外线传感器分为热型和光子型两种。热释电红外传感器是利用红外辐射的热辐射作用引起的元件本身的温度变化，其探测率、影响速度都不如光子型传感器。但由于热释电型传感器可在温室下使用，灵敏度与波长无关，所以应用领域很广。热释电红外传感器的热点系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热点系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该电阻阻抗高达104MΩ，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。二、直接反馈型555多些振荡器原理图如下：四．电路工作原理感应水龙头是通过红外线反射原理，当人体的手放在水龙头的红外线区域内，红外线发射管发出的红外线由于人体手的摭挡反射到红外线接收管，通过集成线路内的微电脑处理后的信号发送给脉冲电磁阀，电磁阀接受信号后按指定的指令打开阀芯来控制水龙头出水；当人体的手离开红外线感应范围，电磁阀没有接受信号，电磁阀阀芯则通过内部的弹簧进行复位来控制水龙头的关水。该红外自动水龙头电路由红外线发射电路、红外接收与信号放大电路、锁相环频率解码电路、单稳态延时控制电路和电源电路等组成，如图所示。红外发射电路由时基集成电路ICOl、红外发光二极管VL、电源开关S、电阻器ROl-R03和电容器COl-C03组成。红外接收与信号放大电路由红外接收光敏二极管VDl、运算放大器rCl和有关外围元件组成。锁相环频率解码电路由IC2和外围阻容元件组成。单稳态延时控制电路由时基集成电路IC3、开关晶体管V、延时电容器C6、继电器K、二极管VD2、电磁阀YV及有关外围元件组成。电源电路由电源变压器T、整流桥堆UR，三端集成稳压器IC4和滤波电容器C8、Cg等组成。接通开关S，由ICOl及其外围阻容元件构成的多谐振荡器通电工作，驱动VL工作，将14kHz左右的红外调制信号发射出去。该红外调制信号被VDl接收并转换为电信号，再经ICl运算放大，放大后的信号送人IC2进行选频。当加在IC2第3脚的外来信号频率与IC2的振荡频率相同时，IC2的8脚输出低电平，使V截止，IC3的2脚为高电位，3脚输出低电平，继电器K不工作，电磁水阀YV关闭。当洗手或用器皿取水，手或物体将VL发出的红外线遮挡住时，IC2的8脚将由低电平变为高电平，使晶体管V导通，lC3的2脚电位降低，3脚输出高电平，继电器K吸合，常开触头接通，电磁水阀YV通电将水龙头打开。当遮档物离开后，电磁水阀YV延时工作一段时间自动关闭。红外水龙头的工作原理及特点图2为红外水龙头的工作原理图。它是利用红外发射电路和接收电路配合单片机来工作的。发射电路定时间歇发射发外脉冲,当人要洗手时对红外产生反射,从而使接收电路接收到红外信号,再由单睡机控制电磁阀打开水龙头出水,当人手离开时,接收电路无法收到反射信号,单片机则控制电磁关闭水龙头。为使这种家用或公共场合用的产品具有更高的安全性和可靠性,设计者普遍使用电池作为工作电源,因而对电路整机的功耗要求应足够的小,一般来讲应该从以下几个方面来减少功耗：（1）为了便于电磁阀的驱动,采用4节1.5V电池供电,CPU工作使用HT1033稳压输出的3.3V电压,以降低CPU的工作功耗。为防止在电池电压降低后红外水龙判断的工作可靠性下降,该电路设计有电池电压检测电路,当电池电压降低到一定程序时,电路具有通过指示灯闪烁提醒用户更换电池的功能。（2）图3所示为电磁阀的控制电路,它通过两个I/O控制脚电平的翻转来对电磁阀进行开/关控制。电磁阀开关动作的控制脉冲宽度可选为30ms,随着该脉冲宽度的增加,电路的功耗将会加大,但如果该脉冲太窄的话,一方面无法驱动电磁阀工作,另一方面还会使电池电压下降从而电磁阀失控。因而应采用软件进行判断补偿：当计数电磁阀开关次数达到一定数值时,应适当增加电磁阀控制脉冲宽度,也可以根据使用次数逐级增加脉宽。这样既能稳定控制电磁阀又能合理分配使用能量。（3）图4所示是该红外水龙头的发射/接收电路。发射电路中的稳压二极管起着稳定发射距离的作用,它能保证电池电压下降后发射距离保持稳定。该发射电路以间歇方式工作,它每隔0.5秒发射一次脉宽为50μs的窄脉冲。接收电路也采用间歇供电方式,在CPU做发射脉冲的时候打开接收电路的工作电源,然后检测是否收到反射脉冲。检测完毕后再关闭接收电源。（4）在设计CPU软件时,由于EM78P156程序存储器的容量为1k,因而可以将多种冲水功能程序放大同一片OTP芯片中,工作时再从I/O口管理判断应执行的功能段。这样可以减少产品库存,并提高利用率。WDT看门狗的打开信号可作为SLEEP工作模式的唤醒源,如果WDT的基本定时周期为18ms,那么,WDT看门狗应在大约每隔0.56s时产生一次看门狗复位动作。另外,该红外水龙头还设计有连续出水一分钟自动关闭电磁阀的功能。这是为在异物阻挡使单片机误判断时,不致于水流不停而设计的。该电路由以下几部分组成:(1)红外发射器它是一个由555电路组成的多谐振荡器,其振荡频率由RP1,R1,C1的数值决定,该电路的振荡频率为38kHz.(2)红外接收电路该电路由红外接收管VD2和CX20106组成.(3)水阀门控制电路该电路由控制门F1,F2,驱动管VT1和继电器K1组成.(4)电灯控制电路该电路由控制门F3,F4,驱动管VT2和继电器K2组成红外线自动水龙头控制器红外线自动水龙头控制器由发射器和接收、译码、控制几部分组成。555和R1、R2、C1等组成无稳态多谐振荡器，其振荡频率约40kHz，它驱动三支TLN104型红外发射二极管，产生红外脉冲调制波。红外接收头采用两支与TLNl04配套的TLP104接收管，将红外光转换为电信号，经过IC2放大后，加至IC3，IC3是锁相环音频译码器，调节RP1，使IC3的中心频率与发射的调制频率40KHz一致。当有信号来时，LM567的8脚输出低电平，VT1截止，交流固态继电器IC4(SP110)因无控制信号触发，交流输出处于断开状态。而当有人洗手将红外光束遮挡时，LM567无信号输入，8脚因R7的高电平偏置作用而呈高电平，VT1导通，IC4因控制端有一跳变的脉冲信号，使SP110的交流电压接通，使得水龙头的电磁阀自动开启、放水，人手离开后，红外光又照射到接收头上，LM567输出又恢复低电平，VT1截止，IC4的交流输出也断开。摘自《新编555集成电路应用800例》这是一个遮断式的电路，反射式的只需在原电路的基础上稍微改动就可以啦。我个人认为这种用LM567做40KHz调解的电路比较适合用反射一体头来制作成反射式，但是如发射、接受分别用红外发射管及通用的红外接收一体头如1838那么电路就可以更简单啦。五．参考文献传感器技术大全，张宏润北京航空航天大学出版社传感器技术及应用樊尚春北京航空航天大学出版社单片机与嵌入式系统应用[M]，2002年，第5期：P5~8单片机实验与实践教程.北京：北京航空航天大学出版社,2001单片微型计算机原理接口与应用．第1版[M]．北京：北京邮电大学出版社，1996