簡易自來水開關(guān)控制電路設(shè)計(jì).docVIP

課程設(shè)計(jì)說明書 第 I 頁 簡易自來水開關(guān)控制電路設(shè)計(jì) 摘 要 隨著對(duì)紅外感應(yīng)技術(shù)的深入研究，以及電源電路設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，自來 水開關(guān)控制電路的設(shè)計(jì)更加簡單、穩(wěn)定，在降低成本滿足需求的同時(shí)，還起到 了節(jié)約用水的作用。 本文在研究電源電路、紅外感應(yīng)和開關(guān)電路原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)電子線路 設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易自來水開關(guān)控制電路。該電路能夠在人們需要用 水的時(shí)候，通過感應(yīng)裝置自動(dòng)打開自來水開關(guān)，并在打開開關(guān)一段時(shí)間后，自 動(dòng)關(guān)斷開關(guān)，從而起到節(jié)約用水的你目的。 該方案基本滿足了設(shè)計(jì)的要求，但是在電源電路、紅外線發(fā)射接收電路方 面還存在需要改進(jìn)的地方。 關(guān)鍵詞：紅外線感應(yīng)、電源電路、開關(guān)電路、節(jié)約用水 課程設(shè)計(jì)說明書 第 II 頁 目 錄 1 緒論1 1.1 課題描述 1 1.2 基本工作原理及框圖 1 2 自來水開關(guān)控制系統(tǒng)的研究基礎(chǔ) 2 2.1 紅外感應(yīng)的原理.2 2.2 紅外感應(yīng)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用2 2.2.1 紅外探測(cè)器.2 2.2.2 紅外測(cè)溫儀.3 2.2.3 紅外遙感技術(shù).3 3 自來水開關(guān)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì).3 3.1 紅外感應(yīng)電路的設(shè)計(jì).4 3.1.1 紅外線發(fā)射電路4 3.1.2 紅外線接收電路4 3.2 時(shí)間延遲電路 .4 3.3 自來水開關(guān)電路 .5 3.4 電源電路 .5 3.5 電路原理圖 .6 3.6 元器件清單 .6 總 結(jié)8 致 謝9 參考文獻(xiàn)10 課程設(shè)計(jì)說明書 第 1 頁 1 緒 論 1.1 課題描述 隨著人們生活水平的提高和電子技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的紅外感應(yīng)開關(guān)應(yīng)用 于人們的日常生活和工業(yè)控制當(dāng)中，紅外線感應(yīng)開關(guān)分為兩種方式，一是反射 式，二是折檔式。 （1）反射式的工作方式是：紅外線發(fā)出光波射到物體上反射 回來，此時(shí)感應(yīng)板接受信號(hào)，距離為 1.5 米以內(nèi)，然后給出一個(gè)電平信號(hào)來控 制負(fù)載電路。 （2）折檔式的工作方式是：控制板一方發(fā)射紅外線另一方接受紅 外線信號(hào)，距離為 10 米遠(yuǎn)，此時(shí)如果有物體折檔住發(fā)射信號(hào)，感應(yīng)板接受到信 號(hào)給出一個(gè)電平信號(hào)來控制負(fù)載電路。紅外感應(yīng)開關(guān)的廣泛應(yīng)用可以有效的達(dá) 到節(jié)約用水的目的，尤其是在現(xiàn)代化技術(shù)高度發(fā)展的今天，為了起到節(jié)約用水， 環(huán)境保護(hù)，并滿足人們的日常生活需要，自來水開關(guān)控制電路的設(shè)計(jì)就顯得更 為重要。 1.2 基本工作原理及框圖 簡易自來水開關(guān)控制電路的總體框圖如圖 1.2.28 所示。它是由紅外線發(fā)射 電路、紅外線接收電路、時(shí)間延遲電路、自來水開關(guān)控制電路和電源電路 5 部 分構(gòu)成的。 圖 1.2.28 簡易自來水開關(guān)控制電路的總體框圖 紅外線發(fā)射電路的功能是利用紅外線發(fā)光管發(fā)射光脈沖，從而實(shí)現(xiàn)電路對(duì) 人體或物體的感應(yīng)。紅外線接收電路功能是利用光敏元件接收發(fā)射出來的光脈 沖，并且將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行放大，時(shí)間延遲電路的功 課程設(shè)計(jì)說明書 第 2 頁 能是利用單穩(wěn)態(tài)電路的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)自來水開關(guān)打開時(shí)間的控制。自來水開關(guān) 電路的功能是利用電磁閥作為自來水管的開關(guān)，從而可以通過電信號(hào)對(duì)自來水 進(jìn)行控制。電源電路的功能是為上述所有電路提供直流電源。 2 自來水開關(guān)控制系統(tǒng)的研究基礎(chǔ) 2.1 紅外感應(yīng)的原理 人體熱釋電紅外傳感器：人體都有恒定的體溫，一般在 37 度，所以會(huì)發(fā)出 特定波長 10UM 左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是探測(cè)人體發(fā)射的 10UM 左右 的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的 10UM 左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強(qiáng) 后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到 人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng) 檢測(cè)處理后就能觸發(fā)開關(guān)動(dòng)作。當(dāng)有人進(jìn)入開關(guān)感應(yīng)范圍時(shí)，專用傳感器探測(cè) 到人體紅外光譜的變化，開關(guān)自動(dòng)接通負(fù)載，人不離開感應(yīng)范圍，開關(guān)將持續(xù) 接通；人離開后或在感應(yīng)區(qū)域內(nèi)無動(dòng)作，開關(guān)延時(shí)（時(shí)間可調(diào) TIME 5-120 秒） 自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載。 2.2 紅外感應(yīng)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用 隨著對(duì)紅外感應(yīng)原理研究的深入，紅外技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用也越來越廣泛， 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 2.2.1 紅外探測(cè)器 不同種類的物體發(fā)射出的紅外光波段是有其特定波段的，該波段的紅外 光處在可見光波段之外。因此人們可以利用這種特定波段的紅外光來實(shí)現(xiàn)對(duì) 物體目標(biāo)的探測(cè)與跟蹤。將不可見的紅外輻射光探測(cè)出并將其轉(zhuǎn)換為可測(cè)量 的信號(hào)的技術(shù)就是紅外探測(cè)技術(shù)。從目前應(yīng)用的情況來看，紅外探測(cè)有如下 幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于可見光，尤其是在夜間和惡劣天候下的工作能力； 隱蔽性好，一般都是被動(dòng)接收目標(biāo)的信號(hào)，比雷達(dá)和激光探測(cè)安全且保密性 強(qiáng)，不易被干擾；由于是 *目標(biāo)和背景之間的溫差和發(fā)射率差形成的紅外輻 射特性進(jìn)行探測(cè)，因而識(shí)別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)于可見光；與雷達(dá)系統(tǒng)相比， 紅外系統(tǒng)的體積小，重量輕，功耗低；探測(cè)器的光譜響應(yīng)從短波擴(kuò)展到長波； 課程設(shè)計(jì)說明書 第 3 頁 探測(cè)器從單元發(fā)展到多元、從多元發(fā)展到焦平面；發(fā)展了種類繁多的探測(cè)器 和系統(tǒng)；從單波段探測(cè)向多波段探測(cè)發(fā)展；從制冷型探測(cè)器發(fā)展到室溫探測(cè) 器；由于紅外探測(cè)技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)從而使其在軍事國防和民用領(lǐng)域得到 了廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在軍事需求的牽引和相關(guān)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下， 作為高新技術(shù)的紅外探測(cè)技術(shù)在未來的應(yīng)用將更加廣泛，地位更加重要。紅 外探測(cè)器是將不可見的紅外輻射能轉(zhuǎn)變成其它易于測(cè)量的能量形式的能量轉(zhuǎn) 化器，作為紅外整機(jī)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，紅外探測(cè)器的研究始終是紅外物 理與技術(shù)發(fā)展的中心。自 1800 年 Herschel 發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的紅外線時(shí)所 用的涂黑水銀溫度計(jì)為最早的紅外探測(cè)器以來，隨著紅外實(shí)驗(yàn)和理論的發(fā)展， 新器件不斷涌現(xiàn)。紅外探測(cè)器制備涉及物理、材料、化學(xué)、機(jī)械、微電子、 計(jì)算機(jī)等多學(xué)科，是一門綜合科學(xué)。 2.2.2 紅外測(cè)溫儀 紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸 出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由 測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄?應(yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和 目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值 。當(dāng)用紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量目 標(biāo)的溫度時(shí)首先要測(cè)量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測(cè)溫儀 計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度。單色測(cè)溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測(cè)溫儀 與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例。 2.2.3紅外遙感技術(shù) 紅外遙感（ infrared remote sensing ）是指?jìng)鞲衅鞴ぷ鞑ǘ蜗抻诩t 外波段范圍之內(nèi)的遙感。探測(cè)波段一般在0.761000 微米之間。是應(yīng)用 紅外遙感器（如紅外攝影機(jī)、紅外掃描儀）探測(cè)遠(yuǎn)距離外的植被等地物所反 射或輻射紅外特性差異的信息，以確定地面物體性質(zhì)、狀態(tài)和變化規(guī)律的遙 感技術(shù)。 3 自來水開關(guān)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁 3.1 紅外感應(yīng)電路的設(shè)計(jì) 3.1.1 紅外線發(fā)射電路 圖 1.2.29 虛線左邊電路為紅外線發(fā)射電路，該電路的核心器件是紅外線發(fā) 光二極管 SE303，紅外線發(fā)光二極管由 GaAs 的 PN 結(jié)構(gòu)成，其發(fā)光波段處于可 見光波段之外，因此不能在顯示中使用，一般僅作為光信號(hào)傳輸之用。本電路 的感應(yīng)裝置一般要求不可見，因此只能采用紅外線發(fā)光二極管作為感應(yīng)裝置。 圖 1.2.29 紅外線發(fā)射電路和紅外線接收電路 3.1.2 紅外線接收電路 圖 1.2.29 虛線右邊電路為紅外線接收電路。該電路包含兩個(gè)部分：一是紅 外線接收電路；二是信號(hào)放大電路。紅外線接收電路實(shí)際上就是一個(gè)硅光電池 2CR21。硅光電池的原理是通過硅 PN 結(jié)的光伏效應(yīng)，使其具有按照光信號(hào)的 強(qiáng)度產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)電信號(hào)的特性，這稱為光敏器件。硅光電池的輸出特性分為恒 流區(qū)和恒壓區(qū)，即其短路電流與光強(qiáng)度成正比，其開路電壓隨光強(qiáng)度按指數(shù)規(guī) 律變化，由于其電流和光強(qiáng)度是線性關(guān)系，一般采用產(chǎn)生短路電流的方式來接 收光信號(hào)。 3.2 時(shí)間延遲電路 圖 1.2.30 種虛線左邊所示電路為時(shí)間延遲電路，該電路主要由兩部分構(gòu)成： 一是整流和濾波電路；二是由 NE555 集成電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路。前端電路的 課程設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁 輸出電壓 V1 首先經(jīng)過二極管 D1 和 D2 整流，再經(jīng)過電容 C1 濾波，則在 NE555 集成電路的 TRIG 端產(chǎn)生了觸發(fā)電平信號(hào)。 圖 1.2.30 時(shí)間延遲電路和自來水開關(guān)電路 3.3 自來水開關(guān)電路 由于電磁閥通過的是大電流、大功率，而電流電源一般無法提供很大的電 流和功率，因此電磁閥需要交流供電，從而電路中的開關(guān)需要采用繼電器電路。 而一般 NE555 集成電路的輸出電流無法驅(qū)動(dòng)繼電器，因此需要加入電流放大電 路。如圖 1.2.30 虛線右端為電流放大電路，三極管 T1 構(gòu)成的電流放大電路是 一種比較典型和簡單的電路。其中 R3 為限流電阻，防止輸入電流過大燒毀三 極管。T1 為共發(fā)射級(jí)電路，當(dāng)輸入端 Q 輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通飽和，將輸 入電流放大 倍；當(dāng)輸出端 Q 輸出低電平時(shí)，三極管截至，無電流通過。繼電 器連接 T1 的集電極，當(dāng)有電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，開關(guān)吸合，電磁閥通電，自來水流出； 當(dāng)無電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，開關(guān)斷開，電磁閥不通電，沒有自來水流出，同時(shí)繼電器兩 端并聯(lián)一個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)保護(hù)。同時(shí)電路中加入發(fā)光二極管 D3 作為顯示電路， 顯示自來水是否流出。 3.4 電源電路 電源電路的設(shè)計(jì)可以采用兩種方法來實(shí)現(xiàn)，第一種方法是采用電池供電， 需要注意的問題是選擇合適電池的指標(biāo)參數(shù)與電路相匹配；第二種方法采用如 圖 1.2.31 所示電路。電路直接從電網(wǎng)供電，通過變壓器電路、整流電路、濾波 電路和穩(wěn)壓電路將電網(wǎng)中的 220V 交流電轉(zhuǎn)換為+12V 直流電壓。電路中變壓器 采用常規(guī)的鐵心變壓器，整流電路采用二極管橋式整流電路，C1、C2、C3 和 C4 課程設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 完成濾波功能，穩(wěn)壓電路采用三端穩(wěn)壓集成電路來實(shí)現(xiàn)。 圖 1.2.31 電源電路 3.5 電路原理圖 簡易自來水開光控制電路的總電路圖如圖 1.2.32。該電路由紅外線發(fā)射電 路、紅外線接收電路、時(shí)間延遲電路、自來水開關(guān)電路和電源電路 5 部分構(gòu)成。 總電路圖中需要注意的是各個(gè)單位電路之間的連接一定要準(zhǔn)確，同時(shí)各部分的 布局要合理。 圖 1.2.32 簡易自來水開關(guān)控制電路的總電路圖 3.6 元器件清單 課程設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 簡易自來水開關(guān)控制電路中所有使用的電子元器件如表 1.2.6 所列。需要 說明的是表中所列的電子元器件類型僅為許許多多可供選擇的電子元器件類型 中的一種。具體設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求來選擇。 符號(hào)類別數(shù)目 R1220k1 R222 k1 R3、R10、R111 k3 R4300 k1 R5R74 k3 R810 1 R9可變電阻1 D4LED1 D1D3IN41483 C1100nF1 C2、C70.01uF2 C3、C422 nF2 C5、C9、C110.1 uF3 C6、C8470 uF2 C1047uF1 T1T390133 SE303紅外線發(fā)光管1 2CR21硅光電池1 J1繼電器1 TTRANS11 DBRIDGE11 U1、U2NE5552 U3MC78L12CP1 課程設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 課程設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 總 結(jié) 經(jīng)過近多日的努力，終于將本次課程設(shè)計(jì)做完了，但由于水平有限，文中 肯定有很多不恰當(dāng)?shù)牡胤?，?qǐng)老師指出其中的錯(cuò)誤和不當(dāng)之處，使我能做出改 正，我會(huì)虛心接受。在本次課程設(shè)計(jì)過程中，我增強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力和分析 能力。通過跟老師和同學(xué)的交流，也通過自己的努力，我按時(shí)完成了這次課程 設(shè)計(jì)。在此過程中，我學(xué)會(huì)了很多，也看到了很多自己的不足之處。在以后的 學(xué)習(xí)生活中，我會(huì)努力學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，完善自我，為將來的發(fā)展做好充分的準(zhǔn) 備。 總之，在這次課程設(shè)計(jì)中，我受益匪淺，學(xué)到了很多書本上所沒有的東西， 懂得了理論和實(shí)際聯(lián)系的重要性。在以后的學(xué)習(xí)中，我不僅要把理論知識(shí)掌握 牢固，更要提高自己的動(dòng)手能力和分析能力。 課程設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 致 謝 在這次課程設(shè)計(jì)的撰寫過程中，我得到了許多人的幫助。 首先我要感謝我的老師在課程設(shè)計(jì)上給予我的指導(dǎo)、提供給我的支持和幫 助，這是我能順利完成這次報(bào)告的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多 技術(shù)上的難題，讓我能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我不僅學(xué)到了許多新 的知識(shí)，而且也開闊了視野，提高了自己的設(shè)計(jì)能力。 其次，我要感謝幫助過我的同學(xué)，他們也為我解決了不少我不太明白的設(shè) 計(jì)商的難題。同時(shí)也感謝學(xué)院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計(jì)的環(huán)境。 最后再一次感謝所有在設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué) 課程設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 參考文獻(xiàn) 1 電子線路設(shè)計(jì)指導(dǎo) 李銀華 北