紅外線干手器.

1、大連民族學院信息與通信工程學院課程設(shè)計報告書設(shè)計題目：紅外線干手器專業(yè)班級：通信 114學生姓名：白航學號：2011136401指導(dǎo)教師：石立新起止日期：2013.6.17-6.291目錄第一章設(shè)計任務(wù)和要求.2第二章方案論證 .42.1方案論證 .42.1.1紅外線干手器的構(gòu)成及自動控制 .42.1.2電路工作原理 .52.2工作方案設(shè)計 .5第三章原理設(shè)計83.1紅外線發(fā)射電路83.2 紅外接收電路103.3 時間延遲電路123.4 電源電路15第四章實際電路的調(diào)試.16第五章總結(jié)與體會172第一章設(shè)計任務(wù)和要求紅外線干手器是一種廣泛應(yīng)用于賓館、機場等公共場所洗手間的衛(wèi)生潔具。本課程設(shè)計的

2、任務(wù)是設(shè)計一種以紅外線自動控制的干手器。 當人們需要干手時，人們把手靠近干手機時， 自動干手機會自動打開加熱裝置和吹風裝置， 一段時間后會自動停止， 并可以調(diào)節(jié)加熱和吹風的時間。 其工作原理是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。 當人手伸進開關(guān)時， 紅外線傳感器將電熱吹風機自動打開，人手離開開關(guān)時傳感器又自動將吹風機關(guān)閉。設(shè)計要求當人手伸進傳感器時， 吹風機能動作， 產(chǎn)生熱風， 實現(xiàn)自動干手功能，使之具有靈敏度高、抗干擾能力強，使用壽命長，發(fā)出光均勻穩(wěn)定、安裝方便等特點。3第二章方案論證2.1 方案論證2.1.1紅外線干手器的構(gòu)成及自動控制干手器采用了反射式紅外傳感器。

3、 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管來完成。 當有物體靠近時， 一部份紅外光被發(fā)射到接收管。反射式紅外傳感器（如圖所示） 。4圖 2-1反射式紅外傳感器反射式光電傳感器可以用來檢測地面明暗和顏色的變化，也可以探測有無接近的物體。我所設(shè)計的紅外線干手器就運用了這個特點。光譜范圍，靈敏度，抗干擾能力，輸出特性等都是反射式光電傳感器的重要參數(shù)。 這種光電傳感器的基本原理是，當人或有物體接近時，遮擋了紅外光，光敏元件接收到光信號，從而進行光電轉(zhuǎn)換，開關(guān)作用，使吹風機打開。紅外線干手器的控制過程是：當人或物體靠近吹風機時， 紅外發(fā)射光電管發(fā)出的紅外被人和物體反射到紅外接收光電管。接收光

4、電管接收到的反射光信號自動轉(zhuǎn)換為電信號， 經(jīng)過后續(xù)電路進一步放大、整形、譯碼，最后驅(qū)動電路控制開關(guān)動作打開吹風機。當人手或物體離開自動干手器時， 接收光電管接收不到反射光信號， 驅(qū)動電路斷開電磁閥電源， 從而關(guān)閉干手器。2.1.2電路工作原理自動干手器的工作原理是采用反射式紅外傳感器， 當有人手伸過來時， 紅外線開關(guān)將吹風機自動打開， 人離開時又自動斷電將吹風機關(guān)閉。 成品的自動干手機要求有紅外線控制開關(guān)和電熱吹風機制作為一體， 該紅外線自動干手器電路由紅外線發(fā)射器、 紅外線接收放大器和開關(guān)控制器組成。 利用 555 定時器及多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等元件即可組成紅外線自動干手器電路。自動干手

5、器外圍電路是由紅外線發(fā)射電路， 紅外線接收電路，時間延遲電路，吹風機開關(guān)電路和電源電路五部分構(gòu)成的。2.2 工作方案設(shè)計自動干手器外圍電路是由紅外線發(fā)射電路， 紅外線接收電路，時間延遲電路，吹風機開關(guān)電路和電源電路五部分構(gòu)成的。在紅外線發(fā)射電路中， 輸出電路端 Q產(chǎn)生脈沖信號來控制紅外線發(fā)光二極管發(fā)射光脈沖，二極管 D1 起保護紅外發(fā)光二極管的作用。紅外線接收電路功能的利用光敏元件接收發(fā)射出來的光脈沖， 并且將光脈沖信號轉(zhuǎn)化為電信號，同時對其進行放大。在時間延遲和吹風機開關(guān)電路中，當輸出端 Q輸出低電平時，三極管截止，無電流通過。繼電器與三極管集電極相連，當有電流驅(qū)動時，開關(guān)吸合，電磁閥5通電

6、，電路閉合，吹風機吹出熱風； 當無電流驅(qū)動時， 開關(guān)斷開，電磁閥不通電，電路斷開，吹風機不吹出熱風。 同時在繼電器兩端并聯(lián)一個二極管實現(xiàn)保護，在電路中加入發(fā)光二極管D3 作為顯示電路，顯示吹風機是否啟動。電源電路的功能的為上述所有電路提供直流電源。紅外線發(fā)射電路紅外線接收電路電源時間延遲電路開關(guān)6紅外線干手器電路的總體框圖紅外線干手器電路的原理方框圖7第三章原理設(shè)計3.1紅外線發(fā)射電路1. 紅外線發(fā)射電路原理（ 1）紅外發(fā)射的功能： 555 組成的多諧振蕩電路驅(qū)動紅外發(fā)射管向外發(fā)射紅外線。（ 2）紅外發(fā)射的組成： 由 555 時基集成電路， SE303 紅外發(fā)光二極管，電阻器 R2 ，R5 ，

7、 R6， 電容器 C5C6 組成的電路。接通電源 9V，由 U1 及其外圍容阻元件構(gòu)成的多諧振蕩器通電工作， 驅(qū)動紅外發(fā)光二極管工作， 將紅外信號調(diào)制發(fā)射出去。2. 多諧振蕩器555 定時器和外接定時元件R、 C構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。觸發(fā)電路由C1、R1、8D構(gòu)成，其中 D為鉗位二極管，穩(wěn)態(tài)時555 電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開關(guān)和 T 導(dǎo)通，輸出端 F 輸出低電平， 當有一個外部 2 與腳 5 與 6 直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R、 R 向 C 充電，以及 C 通過 R 向放電端 C 放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在12211/3V C

8、Ct 和 2/3V cc 之間充電和放電。輸出信號的時間參數(shù)如式（3-11 ）（3-12 ）（ 3-13 ）。Tt w1+t w2（3-11 ）t w1=0.7(R 1+R2)C（3-12 ）t w2=0.7R2C（3-13 ）555 電路要求 R1 與 R2 均應(yīng)大于或等于 1K, 但 R1R2 應(yīng)小于或等于 3.3M 歐。3. 紅外線發(fā)射電路分析紅外線發(fā)射電路，主要組成部分就是NE555構(gòu)成的多諧振蕩器和紅外線發(fā)射管 SE303。SE303發(fā)射的紅外線在可見光范疇之外， 故用 PH302感應(yīng)接受紅外線。而 NE555作為多諧振蕩器發(fā)射固定頻率的方波脈沖信號， 激發(fā) SE303產(chǎn)生特定頻率的

9、紅外線。電流從 R2、R6進入，給 C6充電， V7、V2 電壓升高，當 V2達到 8V 左右時，NE555復(fù)位，輸出端（引腳 3）為低電平。之后 C6 通過 R2放電， V2 降低，當 V2 降到 4V 時，輸出端輸出高電平， SE303向外發(fā)射紅外線。電源又通過 R2、R6給 C6 充電，當 V2 升到 8V 時，觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)。如此 3 號腳輸出特定頻率的脈沖方波信號。頻率為 f=1/T=1/0.7 （R2+2R6）C6 =1/0.7 （ 20k+2*62k）0.1 F99.56HZ；占空比： q=R2/(R2+2R6)= 20k / （ 20k+2*62k） 13.9%從 NE555輸

10、出端的電流大概是 200mA,而 SE303正常工作只需 20mA。故連上R5來限流，保護紅外線發(fā)光二極管。93.2紅外接收電路1. 紅外線接收電路原理該電路由三部分組成。第一部分，紅外接受裝置PH302，第二部分是反相放大電路，此處用的是六相反相器CD4069的三個非門組成放大電路，第三部分是有兩個反相器構(gòu)成的施密特電路，利用其回差特性，對數(shù)字信號進行濾波整流。當 PH302未接收到光信號時相當于，反向截止，電路從 R7 過， C3左端高電平，大概是 8v。當接受到光信號時， PH302處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當于短路， C3 左端相當于直接接地，為低電平。經(jīng)過 C3、R8、U2:1 、U2:2 、

11、U2:3 U2:4、 U2:5 、R3、R9，反相放大后輸出低電平為1V。在經(jīng)過施密特電路整形濾波，整個發(fā)射電路輸出低電平。（即人伸進手時輸出低電平）這是施密特電路通過整形濾波到矩形脈沖，為 NE555延時電路中輸入觸發(fā)信號。2. CD4069 施密特觸發(fā)器的電路實現(xiàn)（1）施密特電路施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路， 它是利用脈沖整形電路將非矩形脈沖變換成符合要求的矩形脈沖。它具有滯后特性的數(shù)字傳輸門，且受電源限制，可對輸入波形進行變換和整形。閾值電壓UT1、UT2和回差電壓UT是其主要參數(shù)。10施密特觸發(fā)器的特點電路具有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓（UT+）和負向閾值電壓

12、（ UT-），二者的差值稱為回差電壓（ UT）。輸出電平的變化滯后于輸入，形成回環(huán)。不同于其它的各類觸發(fā)器， 施密特觸發(fā)器屬于 “電平觸發(fā)”型電路， 觸發(fā)信號 Vin 可以是變化緩慢的模擬信號, Vin 達某一電平值時，輸出電壓VOUT突變。輸入信號增加和減小時，電路有不同的閾值電壓。當矩形脈沖經(jīng)過傳輸后因以下原因發(fā)生畸變，可通過施密特觸發(fā)器的整形就能獲得滿意的矩形脈沖波形。圖 3-7 波形圖(a) 傳輸線上電容較大，波形的上升沿和下降沿變壞；(b) 阻抗不匹配，波形的上升沿和下降沿產(chǎn)生振蕩；(c) 受到干擾，脈沖波形上疊加有噪聲。在實際電路中信號傳送過程中，信號會受到干擾而失去原有的波形，利

13、用施密特電路就可以得到想要的脈沖波形。2） 用兩級 CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路中兩級反相器串聯(lián)，分壓電阻RW1、R4 將輸出端的電壓反饋到輸入端對電路產(chǎn)生影響。11圖 3-8 反相器 CD4069組成的施密特觸發(fā)器 Vin=0 ， G1、G2門為正反饋， Vout=VoL=0。 Vin=1 ， G1、G2在正反饋的作用下，使電路狀態(tài)迅速變化Vout=VoH=1。正向閾值電壓 VT(1R W1 )VTHR 4（3-14）負向閾值電壓 VT(1R W1 )VTHR 4（3-15）圖 3-9施密特觸發(fā)器的傳輸特性及輸入輸出波形3.3時間延遲電路12（ 1） 時間延遲電路電路中 C4、 R1

14、2組成微分電路，將施密特觸發(fā)器輸出的方波形成觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)對 NE555的可靠觸發(fā)。后面是NE555芯片組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，R12 為上拉電阻， 2 號腳為輸入端，當 2 號腳輸入為低電平時（低于 9v*1/3=3v ），經(jīng)過 555 輸出端（引腳 3）為一個高電平，555 進入暫穩(wěn)態(tài)。因為 tw(Max)=1.1*R11*C8=13.64s, 所以吹風時間 13.64s 。之后電源通過上拉電阻 R12 充電，使 2 號腳的電平升高超過 12*1/3=4v ，電源通過 R11充電使 6 號腳變成超過 8V，此時， NE555發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出低電平。（2） 吹風機開關(guān)電路電動機直接接在 220V

15、交流電上，不能直接用數(shù)字電路中的微電來控制，所以要用繼電器來控制。電磁繼電器一般需要大電流， Ne555輸出為高電平，繼電器工作，開關(guān) KT 閉合，電動機工作 D3 起到保護作用，當 Ne555輸出低電平時，13繼電器兩端均為低電平，開關(guān)KT處于斷開狀態(tài)，電動機不工作。（3） NE555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時時間： T=1.1RC秒。圖 3-11 NE555單穩(wěn)觸發(fā)器4） 微分電路它和放大電路中的RC 耦合電路很相微分電路是脈沖電路中最常用的波形變換電路，似，見圖5。當電路時間常數(shù) =RC<<t k 時，輸入矩形脈沖，由于電容器充放電極快，輸出可得到一對尖脈沖。 輸入脈沖前沿則輸出正向

16、尖脈沖，輸入脈沖后沿則輸出負向尖脈沖。這種尖脈沖常被用作觸發(fā)脈沖或計數(shù)脈沖。圖 3-12微分電路14在設(shè)計電路中紅外線接收電路中的 C4和與延時電路中的 R12組成微分電路，其作用是將整形電路輸出的方波信號微分為觸發(fā)脈沖去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。3.4電源電路如圖是電源電路，電路直接由LM2940-9 九伏芯片提供電源，電源電路的外圍電路加了插口，可以直接進行轉(zhuǎn)換為整個電路提供9v 的直流電壓15第四章實際電路的調(diào)試買完元器件后，我們小組根據(jù)所設(shè)計的電路圖在萬能板上焊接了電路。板子焊好后沒有出現(xiàn)預(yù)期的現(xiàn)象， 而且紅外線接收模塊的芯片容易發(fā)燙， 我們開始了漫漫的調(diào)試過程。由于整個電路分為四大模塊，我們

17、采取了排除法。我們先連接了示波器， 希望借助波形找到問題。 首先是紅外線發(fā)射電路， 示波器顯示波形正常， 初步可以排查紅外線發(fā)射電路， 緊接著我們用同樣的方法檢查了時間延遲電路， 該電路的波形同樣正常， 如果用導(dǎo)線連接發(fā)射電路的電阻和時間延遲電路的 2 號腳，就會出現(xiàn)燈亮并產(chǎn)生延遲現(xiàn)象， 說明這兩塊電路都沒有太大的問題。接著我們把焦點集中到了紅外線接收電路。 通過檢測波形后發(fā)現(xiàn)接收模塊的波形紊亂，沒有按照設(shè)計的方案出來波形， 由于沒有找出具體原因， 我們決定向石老師求助。石老師看過我們的電路圖分析了如下兩點：一是 CD4069作為接收電路本身不太穩(wěn)定，我們應(yīng)該仔細排查芯片的邏輯功能確保不是芯片

18、本身的問題，二是由于我們在萬能板上焊接，焊錫過多，容易造成不易察覺的短路，建議我們在實驗箱上搭建電路，利于排查問題。聽從了石老師的建議后， 我們小組在實驗箱上搭建了紅外線接收電路， 確保連線正確后，我們設(shè)計的電路終于出來了預(yù)期的現(xiàn)象， 即人手伸進反射式紅外傳感器中，指示燈亮并有延遲出現(xiàn)，延遲 13 秒后，指示燈熄滅。16第五章總結(jié)與體會我們小組設(shè)計的自動干手器主要是由紅外線發(fā)射電路、紅外接收電路、時間延遲電路、電源電路等組成。其工作原理是采用一種紅外線控制的電子開關(guān)，當人手伸進時， 紅外線開關(guān)將電熱吹風機自動打開， 人離開時又自動將吹風機關(guān)閉。自動干手機主要的組成部分就是 555 定時器電路。在大二上的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 之中我們已經(jīng)學習了 555 定時器，大二下學期我們也學習了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，對電路有了進一步的了解，但是只是限于理論知識， 沒有把它應(yīng)用到實際之中， 這次通過對自動干手機的設(shè)計讓我對555 定時器有了新的認識，同時我也對紅外線有了一定的了解。對一些基礎(chǔ)元件也有更深入的理解， 還改變了以前的一些錯誤的認識， 同時也增加了一些基礎(chǔ)知識。這次的課程設(shè)計， 有理論和實踐， 讓我對直流穩(wěn)壓電源有了更深刻的認識，尤其是對電路的原理的理解， 各元器件功能， 特性的認