感應(yīng)水龍頭(課程設(shè)計(jì))課件

1、傳感器課程設(shè)計(jì) 課題： 感應(yīng)水龍頭的設(shè)計(jì) 學(xué)校： 新 鄉(xiāng) 學(xué) 院 院系： 物理與電子工程學(xué)院 專業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù)二班 姓名： 薛 玉 茹 學(xué)號(hào)： 12161010244 指導(dǎo)老師: 李 棟 目錄一、引言3二、系統(tǒng)的基本組成42.1“感應(yīng)式水龍頭”的正視圖和側(cè)視圖42.2水龍頭的構(gòu)成及紅外傳感器控制52.3系統(tǒng)組成方框圖6三、系統(tǒng)的工作原理63.1 紅外線水龍頭控制電路系統(tǒng)的組成63.2 紅外線水龍頭控制電路工作原理6四、單元電路設(shè)計(jì)74.1 +5V穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)74.2紅外接收控制電路的設(shè)計(jì)84.3壓放大電路的設(shè)計(jì)94.4音頻譯碼器的設(shè)計(jì)104.5三端穩(wěn)壓器124.6 LM567芯片使

2、用134.7元件選取14五、結(jié)束語(yǔ)14參考文獻(xiàn)15一、引言許多人在日常生活中有這樣的體驗(yàn)，每當(dāng)在廚房中做飯，雙手總會(huì)沾滿油脂，想用油油的雙手開啟水龍頭沖洗，又擔(dān)心會(huì)將油脂留在水龍頭的開關(guān)上，造成日后的清洗不便。而對(duì)于公用場(chǎng)所的水龍頭，隨著接觸的人多了，上面就會(huì)有很多細(xì)菌，每次接觸就會(huì)帶上細(xì)菌，危害人體健康。特別是醫(yī)用水龍頭，在避免細(xì)菌交叉感染方面更加需要注意。而對(duì)于普通的水龍頭來(lái)說(shuō)，它無(wú)法避免這些麻煩，但感應(yīng)式節(jié)水水龍頭就完全可以幫你解決這些問(wèn)題。它無(wú)需接觸龍頭任何部位，出水及關(guān)水由感應(yīng)器自動(dòng)完成，可有效避免細(xì)菌交叉感染，同時(shí)在感應(yīng)范圍內(nèi)自動(dòng)出水，用完自動(dòng)關(guān)水特點(diǎn)也起到了節(jié)約水資源的作用。我們

3、所設(shè)計(jì)得是一種以紅外控制出水關(guān)水的水龍頭。采用了反射式紅外傳感器，這種傳感器的發(fā)射與接收是一體化的。當(dāng)人或事物靠近時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生控制信號(hào)繼電器動(dòng)作，使電磁閥得電吸合放水的功能。它安裝方便、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，發(fā)出光均勻穩(wěn)定。發(fā)出的二極管光為不可見光，當(dāng)發(fā)出光被某一信號(hào)調(diào)制后，只有專門的解調(diào)電路才能收到。并且它可在強(qiáng)光下工作，可應(yīng)用范圍極其廣泛，如家庭、車站、工廠、學(xué)校、餐廳、醫(yī)院等場(chǎng)所都可使用。它滿足了人們對(duì)物質(zhì)的需求，又提高了科學(xué)性。以適應(yīng)當(dāng)今品種多批量小的電子市場(chǎng)的需求，大大提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。二、系統(tǒng)的基本組成2.1“感應(yīng)式水龍頭”的正視圖和側(cè)視圖2.2水龍頭的構(gòu)成及紅

4、外傳感器控制水龍頭采用了反射式紅外傳感器。紅外線的發(fā)射和接收一般使用紅外發(fā)光二極管和紅外接收二極管來(lái)完成。當(dāng)有物體靠近時(shí)，一部分紅外被發(fā)射到接收管。反射式紅外傳感器（見圖2-1）。物體圖2-1 反射式紅外傳感器紅外水龍頭控制過(guò)程是，當(dāng)人或物體接近自動(dòng)水龍頭時(shí)，紅外發(fā)射光電管發(fā)出的紅外經(jīng)人和物體發(fā)射到紅外接收光電管，接收光電管接收到的反射光信號(hào)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)后續(xù)電路進(jìn)一步放大、整形、譯碼，最后驅(qū)動(dòng)電路控制電磁閥動(dòng)作打開水源。當(dāng)人手或物體離開自動(dòng)水龍頭時(shí)，接收光電管接收不到反射光信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路斷電電磁閥電源。2.3系統(tǒng)組成方框圖紅外線自動(dòng)控制水龍頭整個(gè)控制過(guò)程分5個(gè)模塊。系統(tǒng)組成方框圖（見

5、圖2-2）。多諧振蕩器調(diào)幅紅外光紅外接收電壓放大（LM741）音頻譯碼（LM567）電磁閥動(dòng)作圖2-2 系統(tǒng)組成方框圖三、系統(tǒng)的工作原理3.1 紅外線水龍頭控制電路系統(tǒng)的組成紅外線水龍頭控制電路包括發(fā)射電路和接收譯碼控制電路。其中發(fā)射電路由多諧振蕩器和紅外發(fā)射二級(jí)管；接收電路包括紅外接收管D1和D2，運(yùn)算放大器（LM741）。音頻譯碼器（LM567），繼電器K，電源電路等組成。3.2 紅外線水龍頭控制電路工作原理工作原理：電路原理如附錄所示。220V交流電路經(jīng)變壓器T降壓，變?yōu)?V交流電，再由橋式整流，C1濾波，三端穩(wěn)壓集成電路7806穩(wěn)壓，得到 6V直流電供給控制電路工作。LED1為紅色發(fā)光

6、二極管，用作水龍頭的電源指示。A1為紅外接收電路SFH506-38，A2為鎖相環(huán)音頻譯碼器 LM567，A2與R3、C6組成振蕩器，R3、C6決定A2內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率，LM567的3腳為信號(hào)輸入端，8腳為邏輯輸出端，該輸出是一個(gè)集電極開路的晶體管輸出，最大灌電流為100mA，LM567的工作電壓為4.75V9V，工作頻率可從零點(diǎn)幾赫茲到500kHz，靜態(tài)工作電流為 8Ma。A3為NE555定時(shí)器，它與外圍元件組成單穩(wěn)態(tài)定時(shí)電路，其目的是在人手偶爾偏離了紅外線的探測(cè)范圍時(shí)，能保證水龍頭的正常出水。LM567芯片5腳輸出的振蕩信號(hào)經(jīng)三極管功率放大后，推動(dòng)紅外發(fā)射二極管VD向外發(fā)射紅外線。沒

7、有人洗手時(shí)，紅外接收電路A1接收不到VD向外發(fā)射的紅外線，A2的3腳無(wú)信號(hào)輸入，8腳為高電平，A3的3腳為低電平，三極管截止，繼電器K斷電處于釋放狀態(tài)，電磁閥Y不動(dòng)作，水龍頭無(wú)自來(lái)水放出。當(dāng)人手放到水龍頭下時(shí)，A1接收到人手反射的紅外線并經(jīng)A1放大后，輸入到A2的3腳，由A3內(nèi)部處理后使A3的8腳輸出低電平，從而使A3的低觸發(fā)端2腳變?yōu)榈碗娢?，?dǎo)致A3的3腳輸出高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器K吸合，使其常開觸點(diǎn)閉合，接通電磁閥Y的220V交流電源，Y開始動(dòng)作，使水龍頭放出自來(lái)水，供人們洗滌之用，同時(shí)發(fā)光二極管LED2發(fā)出綠光，指示洗手器正工作于放水狀態(tài)。洗滌完畢，人手離開水龍頭后，A3延時(shí)幾秒鐘后

8、復(fù)位，使水龍頭停止放水。四、單元電路設(shè)計(jì)4.1 +5V穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)電路為輸出電壓+5V，輸出電流1.5A穩(wěn)壓電源。它的電壓變壓B，橋式整流電路D1D4，慮潑電容C1.C3，防止自激電路C2.C3和一只固定式三端穩(wěn)壓器（7805）極為簡(jiǎn)捷方便的搭成。200v交流電通過(guò)電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路D1D4和濾潑電容C1的整流和濾潑，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形式一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓（該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化）。此直流電壓經(jīng)過(guò)LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生精度高，穩(wěn)定性好的直流輸出電壓。穩(wěn)壓電源

9、電路（見圖4-1）。圖4-1 穩(wěn)壓電源電路4.2紅外接收控制電路的設(shè)計(jì)采用1片小型一體化紅外接收/解調(diào)塊接受頭SFM506-38和1片鎖相環(huán)電路LM567、開關(guān)放大電路LM741、固態(tài)繼電器TAC08、電磁閥構(gòu)成控制電路。其中SFM506-38是將紅外接受管、前置放大、帶通濾波器、解調(diào)電路等集成在同一基片上，采用黑色環(huán)氧樹脂封裝（SFM506-38的內(nèi)部框圖如圖4-2）。它具有體積小，無(wú)需外部元件、抗光電干擾性能好，接受角度寬、功耗低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。輸入控制電路解調(diào)器ACC普通濾波PINVCCOUTGND圖4-2 SFM506-38的內(nèi)部框圖LM567是1片鎖相環(huán)音頻解碼電路，采用8腳雙列直

10、插塑封，3腳為信號(hào)輸入端，其工作頻率由5、6腳上的阻容元件決定，8腳為邏輯輸出端。IC2與R7、C12組成振蕩器，R7、C12決定IC2內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率，LM567的3腳為信號(hào)端，8腳為邏輯輸出端，該輸出是1個(gè)集電極開路的晶體管輸出，最大灌電流為100mA，LM567的工作電壓為4759V，工作頻率01Hz500kHz，靜態(tài)工作電流為8mA。當(dāng)無(wú)人洗手時(shí)，IC1接受到發(fā)射電路的紅外脈沖經(jīng)放大輸出到IC2的3腳后，IC2的8腳就會(huì)輸出低電平，三極管VT1截止，繼電器K斷電處于釋放狀態(tài)，電磁閥Y不動(dòng)作，水龍頭無(wú)自來(lái)水放出。當(dāng)手放到水龍頭下時(shí)，IC1不能接受紅外線，IC2的3腳無(wú)信號(hào)輸入，8

11、腳輸出高電平，使得VT1導(dǎo)通，繼電器K吸合，使其常開觸點(diǎn)閉合，接通電磁閥Y的220VAC，Y開始動(dòng)作，使水龍頭放出自來(lái)水，同時(shí)LED發(fā)出綠光，指示水龍頭正工作于放水狀態(tài)。洗滌完畢，手離開水龍頭后，停止放水。4.3壓放大電路的設(shè)計(jì)電壓放大電路采用LM741集成運(yùn)算放大器。LM741是高性能內(nèi)補(bǔ)償運(yùn)算放大器，低功耗，無(wú)需外部頻率補(bǔ)償，具有短路保護(hù)和失調(diào)電壓調(diào)零能力。此電路（見圖4-3）。LM741的管腳功能是：1腳為調(diào)零端，2腳為反相輸入端，3腳為同相輸入端，4腳為負(fù)電源端，5腳為調(diào)零端，6腳為輸出端，7腳為正電源端，8腳為空腳端。此引腳圖（見圖4-4），內(nèi)部原理圖（見圖4-5）。圖4-3 LM7

12、41集成運(yùn)放大器1 52 63 74 8OFFSET NULLINVCRTING INPUTNCN_INVCRTING INPUTOFFSET NJLLOUTPUTV+NCV-圖4-4 LM741集成運(yùn)放大器圖4-5 uA741內(nèi)部原理圖4.4音頻譯碼器的設(shè)計(jì)音頻譯碼器采用LM567鎖相環(huán)電路，鎖相環(huán)內(nèi)則包含一個(gè)電壓控制振蕩器（VCO）、一個(gè)鑒相器和一個(gè)反饋濾波器。此音調(diào)解碼塊包含一個(gè)穩(wěn)定的鎖相環(huán)路和一個(gè)晶體管開關(guān)，當(dāng)在此集成塊的輸入端加上所先定的音頻時(shí)，即可產(chǎn)生一個(gè)接地方波。當(dāng)輸入信號(hào)于通帶內(nèi)時(shí)提供飽和晶體管對(duì)地開關(guān)，電路由I與Q檢波器構(gòu)成，由電壓控制振蕩器驅(qū)動(dòng)振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外

13、接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對(duì)講機(jī)亞音頻譯碼，遙控等。LM567的基本工作狀況有如一個(gè)低壓電源開關(guān)，當(dāng)其接收到一個(gè)位于所選定的窄頻帶內(nèi)的輸入音調(diào)時(shí)開光接通。通用的LM567還可以用做可變波形發(fā)生器或通用鎖相環(huán)電路。當(dāng)其用作音調(diào)控制開關(guān)時(shí)，所檢測(cè)的中心頻率可以設(shè)定于0.1至500KHz內(nèi)的任何值，檢測(cè)帶寬可以設(shè)定在中心頻率14%內(nèi)的任何值。而其，輸出開關(guān)延遲可以通過(guò)選擇外電阻和電容在一個(gè)寬時(shí)間范圍內(nèi)改變。LM567的管腳功能是：1腳為輸出濾波，2腳為回路濾波，3腳為輸入端，4腳為正電源端（電壓值需最小為4.75V，最大為9V

14、），5腳為定時(shí)電阻端，6腳為定時(shí)電容端，7腳為接地端，8腳為輸出端。LM567的引腳功能圖（見圖4-6）。LM567的內(nèi)部原理圖（見圖4-7）。I鑒相器Q濾波器VCO輸出濾波1回路濾波2輸入3電源48輸出7接地6定時(shí)電容5定時(shí)電阻圖4-6 LM567的引腳功能圖圖4-7 LM567的內(nèi)部原理圖4.5三端穩(wěn)壓器三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化，系列化的通用線性的文雅電源集成電路，以其體積小成本低性能好，工作可靠性高等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。三端穩(wěn)壓器的工作原理如下：原理框圖（圖4-8）可見，它與一般分立元件組成的串聯(lián)式的穩(wěn)壓電路基本相似的，不同的是增加了啟動(dòng)電路、保護(hù)電

15、路和恒流源。啟動(dòng)電路是為恒流源建立工作點(diǎn)而設(shè)置的，恒流源設(shè)置在基準(zhǔn)電壓形成和誤差放大器電路中，是為了使穩(wěn)壓器能夠在比較大的電壓變化范圍內(nèi)正?？煽康墓ぷ?。在芯片內(nèi)設(shè)置了兩種較為完善的保護(hù)電路：一是過(guò)流保護(hù)，一是過(guò)熱保護(hù)。Rsc是過(guò)流保護(hù)的取樣電阻，Ri、Rb為輸出采樣電阻。Rb兩端上的電壓（反映輸出電壓的大小的采樣電壓）與基準(zhǔn)電壓在誤差放大器中進(jìn)行比較和放大，產(chǎn)生誤差電壓，去控制調(diào)整管的工作狀態(tài)，從而穩(wěn)定輸出電壓。恒流電源調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)啟動(dòng)電路基礎(chǔ)電壓短路保護(hù)過(guò)熱保護(hù)誤差放大Vi輸入地RBRARSCVo輸出調(diào)整管T 圖4-8 三端穩(wěn)壓器原理框圖4.6 LM567芯片使用LM567為通用音調(diào)

16、譯碼器，主要外接電阻20比1范圍，邏輯兼容輸出具有吸收100mA電流吸收能力。它的技術(shù)指標(biāo)：1、可調(diào)帶寬從0%至14%；2、寬信號(hào)輸出與噪聲的高抑制；3、對(duì)假信號(hào)抗干擾；4、高穩(wěn)定的中心頻率；5、中心頻率調(diào)節(jié)從0.01Hz到500Hz；6、電源電壓5v15v，推薦使用8v。應(yīng)用舉例：輸入端接104電容，輸出端接上拉電阻10K，C1、C2為1uF。R1、C1決定震蕩頻率，一般C1為104電容，R1為10K200K。電源電壓為8v。電路（見圖4-9）。圖4-9 LM567通用音頻譯碼器集成電路4.7元件選取序號(hào)名稱符號(hào)型號(hào)和規(guī)格件數(shù)1電容C00.1uf1個(gè)2電容C10.22uf1個(gè)3電容C20.1

17、uf1個(gè)4電容C30.01uf1個(gè)5電容C42.2uf1個(gè)6電容C51.0uf1個(gè)7電容C647uf1個(gè)8電阻R09.1K1個(gè)9電阻R113K1個(gè)10電阻R26.2K1個(gè)11電阻R3100K1個(gè)12電阻R41K1個(gè)13電阻R5100K1個(gè)14電阻R612K1個(gè)15電阻R71K1個(gè)16電阻R810K1個(gè)17晶體三極管VT290131個(gè)18發(fā)光二極管LED3個(gè)19紅外接頭D2個(gè)20芯片LM5671個(gè)21集成運(yùn)算放大器LM7411個(gè)五、結(jié)束語(yǔ)本次傳感器大作業(yè)我們做的是紅外反射式感應(yīng)水龍頭。傳感器這門課是我們這屆計(jì)算機(jī)專業(yè)新開的一門課程。日常生活中我們也經(jīng)常聽到某某傳感器，但由于這門課是自動(dòng)化專業(yè)的，因此對(duì)我們來(lái)說(shuō)還比較陌生。通過(guò)一學(xué)期的學(xué)習(xí)，我們系統(tǒng)地了解了生產(chǎn)生活中常見的各種傳感器以及相應(yīng)的原理。這次我們做的感應(yīng)水龍頭就是我們生活中經(jīng)常能看到用到的，存在于各種公共場(chǎng)所，甚至是有些家庭、醫(yī)院、學(xué)校。一開始拿到題目，雖然較其他組而言“感應(yīng)水龍頭”不那么陌生。從查找資料到整理歸納，在整個(gè)過(guò)程中我們收獲很多。不僅對(duì)感應(yīng)水龍頭的原理有了詳細(xì)了