公廁自動沖水控制裝置設計

1、. z.- . -可修編- .遼 寧 工 業(yè) 大 學 信號變換綜合設計 課程設計論文題目：公廁自動沖水控制裝置設計 院系： 專業(yè)班級：學 號：學生：指導教師：起止時間：-. z.- . -可修編- .課程設計論文任務及評語院系： 教研室：學 號學生專業(yè)班級設計題目公廁自動沖水控制裝置設計課程設計論文任務設計任務：設計一個公廁自動沖水控制系統(tǒng)，可在人方便后離開時自動沖水。傳感器采用紅外發(fā)射、接收傳感器如TLN103接收管和TLN發(fā)射管；延時電路采用555芯片制作，開關采用繼電器或雙向交流繼電器等，水閥門采用電磁閥。進展電路仿真，或進展電路板焊接。技術要求:環(huán)境溫度：-30+40C；控制電路可使用

2、電源供電，采用較小電流繼電器可以驅動發(fā)光二極管即可。傳感器敏感元件：自行選擇傳感器類型，自己設計放大電路說明書要求:1.格式規(guī)，符合學校要求；2.說明書中應有方法比擬與方案論證，光電測量原理公式及具體的實現(xiàn)方案、電路器件型號、參數(shù)等；硬件電路應用protel繪制，并且進展電路板焊接、調試；不能采用單片機設計。3.按規(guī)定格式，撰寫、打印設計說明書一份，詳細闡述系統(tǒng)的設計過程，字數(shù)應在4000字以上。工作方案1、布置任務，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的設計要求。2天2、選擇相應傳感器、設計硬件電路圖。2天3、計算器件參數(shù)、選擇元器件型號繪制硬件電路圖。3天4、仿真調試或硬件電路焊接、調試。2天5、撰寫、

3、打印設計說明書、辯論。1天指導教師評語及成績平時： 論文質量： 辯論： 指導教師簽字： 總成績： 年 月 日注：成績：平時40% 論文質量40% 辯論20% 以百分制計算摘 要隨著社會的開展，水資源緊缺的問題日益凸顯。保護水資源成為可持續(xù)開展戰(zhàn)略的一局部，因此在生產生活中節(jié)約水資源是尤為重要的。本文采用紅外光電傳感器、555定時器組成的延時電路、繼電器以及電磁閥構成了一個公廁自動沖水控制裝置。當有人遮擋紅外光電傳感器時，紅外對管將產生一個低電平并保持，當人離開時，對管將由低電平變?yōu)楦唠娖?，經過與非門組成的單穩(wěn)態(tài)電路后，形成555定時器電路的觸發(fā)脈沖，定時器輸出高電平，并發(fā)出翻開電磁閥指令，開場

4、沖水約10秒鐘，定時器回到穩(wěn)態(tài)，即輸出低電平，電磁閥關閉。通過固態(tài)繼電器構成控制電磁閥的開關，能夠以弱控強。關鍵詞：自動沖水系統(tǒng)；節(jié)水；紅外光電傳感器；555定時器目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc408417337第1章 緒論 PAGEREF _Toc408417337 h 1HYPERLINK l _Toc408417338第2章 總體方案設計 PAGEREF _Toc408417338 h 2HYPERLINK l _Toc4084173392.1 任務分析 PAGEREF _Toc408417339 h 2HYPERLINK l _Toc40841

5、73402.2 總體設計框 PAGEREF _Toc408417340 h 2HYPERLINK l _Toc4084173412.3 構造電路的選擇 PAGEREF _Toc408417341 h 3HYPERLINK l _Toc408417345第3章 電路設計 PAGEREF _Toc408417345 h 4HYPERLINK l _Toc4084173463.1 電源電路設計 PAGEREF _Toc408417346 h 4HYPERLINK l _Toc4084173493.2 光電傳感器檢測電路設計 PAGEREF _Toc408417349 h 5HYPERLINK l _

6、Toc4084173533.3 555定時器觸發(fā)電路設計 PAGEREF _Toc408417353 h 6HYPERLINK l _Toc4084173543.4 555定時器延時設計 PAGEREF _Toc408417354 h 7HYPERLINK l _Toc4084173553.5 控制電路設計 PAGEREF _Toc408417355 h 8HYPERLINK l _Toc4084173563.6 總體電路 PAGEREF _Toc408417356 h 9HYPERLINK l _Toc408417357第4章 仿真與數(shù)據分析 PAGEREF _Toc408417357 h

7、10HYPERLINK l _Toc4084173584.1 仿真概述 PAGEREF _Toc408417358 h 10HYPERLINK l _Toc4084173594.2 仿真容及結果 PAGEREF _Toc408417359 h 10HYPERLINK l _Toc408417360第5章 課程設計總結 PAGEREF _Toc408417360 h 12HYPERLINK l _Toc408417361參考文獻 PAGEREF _Toc408417361 h 13HYPERLINK l _Toc408417362附錄 PAGEREF _Toc408417362 h 14HYPE

8、RLINK l _Toc408417363附錄 PAGEREF _Toc408417363 h 15-. z.緒 論隨著全球經濟社會的不斷開展，資源的過度開發(fā)利用，導致了許多資源的緊缺。尤其對于解決淡水資源極度緊缺的問題來講，更是值得引起人們關注的?，F(xiàn)階段的開展，對水資源緊缺的問題的解決方案一共有兩種，一種是盡量節(jié)約水資源，另一種是海水淡化和污水處理后重新利用。其中海水淡化的本錢非常高，因此現(xiàn)階段沒有大規(guī)模采用，而污水處理再利用也只能針對于生活用水，達不到飲用水的標準。因此現(xiàn)階段唯一解決淡水資源緊缺的手段就是節(jié)約用水。目前，節(jié)約環(huán)保已然成為世界的主題，而在我國建立節(jié)約型社會更是成為近期開展的重

9、要目標之一。水，作為人類生命之源，一直以來倍受人們的關注，使得在生產生活的各個方面采取節(jié)水措施的重要性突出出來。針對國外公共衛(wèi)生場所的清潔沖水系統(tǒng)進展調查和檢索后了解到，公共衛(wèi)生場所的清潔沖水裝置開展至今大體可分為三個階段：第一階段，手動沖水裝置，原始的手動沖水裝置可以做到最智能的節(jié)水，但是也最大限度浪費了人力物力；第二階段，定時沖水裝置，此種沖水方式做到了相對的智能，用定時器取代了人工，使沖水裝置實現(xiàn)了自動化，但是這種沖水方式的缺乏也很明顯，即如假設定時間隔短，人少的時候甚至夜間就會造成大量水不必要的浪費，而如假設定時間隔長，人多的時候就起不到良好的清潔作用；第三階段，感應沖水裝置，現(xiàn)行的感

10、應式沖水裝置用感應器完美的彌補了定時沖水器的缺乏，但是在改良的過程中，卻完全否認了定時器的價值，目前公共廁所感應式沖水裝置為有人即沖式，這樣的感應方式存在相當大的弊端，根據實際調查發(fā)現(xiàn)，采用現(xiàn)有的感應方式，僅在人流量較少的場所能起到較好的節(jié)水作用，而在人流量較大的公共場所，這種有人即沖的方式即變成了全時段沖水，這樣做確實得到了最大限度的清潔，但是造成的水資源浪費比老式的定時沖水系統(tǒng)還要大的多。本工程課題希望通過設計和研究，采用簡單的智能控制和定時、延時技術來彌補目前感應式沖水系統(tǒng)的各種缺乏，研究一種簡單實用且經濟實惠的延時控制式感應沖水系統(tǒng)。總體方案設計任務分析本設計要求設計一個公廁自動沖水控

11、制系統(tǒng)。通過光電傳感器檢測到有人遮擋并離開后，通過555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進展延時沖水一段時間。555定時器發(fā)出的信號要求給繼電器開關電路，開關閉合后電磁閥翻開，開場沖水。沖水完畢后，該控制系統(tǒng)進展等待，等待下一次有人到來并離開。該自動沖水系統(tǒng)要求應用于現(xiàn)實中，在-3040的環(huán)境溫度下可以正常工作，而且為了節(jié)約電能，要求采用較小的電流進展控制各個模塊，因此低功耗也成為本設計的一項任務。系統(tǒng)電源電路總體設計框系統(tǒng)電源電路紅外傳感器紅外傳感器與非門組成單穩(wěn)態(tài)電路作555時基電路的觸發(fā)555定時器組成延時模塊控制電路模塊電磁閥圖2.1 系統(tǒng)總框圖本設計的總體框圖如圖2.1所示。電源電路為電路中

12、所有器件提供電能。紅外傳感器模塊通過一個紅外線發(fā)射管以及一個紅外線接收裝置構成。一旦紅外傳感器產生上下電平變化，經單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā)555定時器后，系統(tǒng)向開關電路發(fā)出指令翻開電磁閥，翻開時間由555定時器的延時時間決定，本設計延時時間確定為10秒左右，到達延時時間以后，關閉電磁閥，停頓沖水，等待下一時刻沖水信號的到來。構造電路的選擇電源穩(wěn)壓芯片的選擇采用LM2940芯片作為5V穩(wěn)壓輸出，該芯片的壓差是0.5V。輸入電壓圍在5.5-20V之間，而且市場價格在3.5元左右，使用時可靠、方便。本設計選用LM2940LD-5.0，該穩(wěn)壓管的工作溫度圍為-40125，符合實際工作環(huán)境的要求。光電傳感器的選擇

13、采用紅外光電傳感器以及光電三極管接收管組成的電路進展識別。采用光電管最大的好處就是價格低廉，即便損壞也比擬好維護、維修。而且檢測手段簡單，外圍電路簡單，工作溫度滿足任務要求?？刂齐娐返倪x擇采用繼電器作為本系統(tǒng)的開關。使用繼電器的好處之一是器件可以直接使用，不需要搭建過多的外圍電路。而且最值得關注的是由于繼電器本身具有大功率三極管、功率場效應，可以完成以弱控強的功能，因此電磁閥就可以不用加復雜的驅動電路了。這樣大大減少了本錢以及工作量。電路設計電源電路設計外接電源確實定由于本設計所有模塊均采用5V電壓供電，因此采用220V，50Hz市電供電，經變壓器變壓、整流、濾波后輸出直流電壓，再經LM294

14、0穩(wěn)壓輸出5V電壓。電源電路整體設計圖3.1 電源電路整體電路圖如圖3.1所示為電源電路整體電路圖。該電源電路包括降壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路四局部組成。1.降壓電路交流市電的降壓電路通過降壓變壓器或者電容來實現(xiàn)，本設計是采用電源變壓器進展交流降壓。降壓變壓器匝數(shù)選擇為原邊比副邊等于25：1，即降壓后的電壓為8.8V。2.整流電路整流電路的任務是將交流電變換成直流電。完成這一任務主要是靠二極管的單向導電作用。因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。在小功率1kW以下整流電路中，常見的集中整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的

15、最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周都有電流供應負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛的應用。3.濾波電路濾波電路用于濾去輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或在整流電路輸出端與負載間串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路本設計中采用電容濾波電路，不考慮電感以及電容電感復合整流電路。在整流電路的阻不太大幾歐和放電時間常數(shù)滿足，電容濾波電路的負載電壓與的關系約為式中為降壓后的電壓值。4.穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路的作用是將輸入電壓穩(wěn)定為5V輸出為整個系統(tǒng)供電。穩(wěn)壓電路通過LM2940三端穩(wěn)壓芯片

16、及其外圍電路組成，將輸入的電壓轉換成5V。光電傳感器檢測電路設計紅外技術的介紹紅外技術的容包含四個主要局部：紅外輻射的性質， 其中有受熱物體所發(fā)射的輻射在光譜、強度和方向的分布；輻射在媒質中的傳播特性：反射、折射、衍射和散射；熱電效應和光電效應等。紅外元件、部件的研制，包括輻射源、微型制冷器、紅外窗口材料和濾光電等。把各種紅外元件、部件構成系統(tǒng)的光學、電子學和精細機械的組成局部。紅外技術在軍事上和國民經濟中有著廣泛的應用。本設計采用一個紅外發(fā)射管以及一個接收管作為光電傳感器，在無遮擋的情況下，接收管能夠接收到來自發(fā)射管發(fā)射出的紅外信息，輸出高電平。一旦發(fā)射管被遮擋，接收管就接收不到信號，輸出低

17、電平。紅外傳感器工作原理如圖3.2所示為紅外檢測電路圖，該電路通過一個發(fā)射管紅外二極管*1發(fā)射紅外信息，接收管*2承受發(fā)射信息。當無人站立時，*2能接到紅外信息，*2導通，輸出為1；當有人時紅外線被遮擋，*2接收不到紅外線，導致*2截止，輸出為0，此時系統(tǒng)由高電平變?yōu)榈碗娖?；當人離開后，*2再次接收到紅外信息，*2導通，輸出為1。圖3.2 紅外檢測電路圖紅外傳感器的選型紅外傳感器在實際中分為三類：漫反射型檢測距離70米、反應反射型檢測距離5米、對射型檢測距離10米。由于本設計針對于廁所，因此選擇對射型最為恰當，并且檢測距離10米符合設計要求。具體選擇的型號為對射型NPN，ZYE30-D102N

18、A/D3，直流530V供電，響應時間小于2ms，指向角310，可以檢測透明與不透明的物體，工作環(huán)境溫度-25+55，外殼材料為塑料、金屬。以上參數(shù)完全符合設計需求。555定時器觸發(fā)電路設計圖3.3555定時器觸發(fā)電路圖如圖3.3所示，555定時器觸發(fā)電路實際為與非門74LS00D組成的單穩(wěn)態(tài)電路，其接收來至紅外檢測電路輸出的上下電平，做出相應變化。結合實際情況分析：當無人的時，紅外檢測電路、觸發(fā)電路均輸出高電平；當有人遮擋時，紅外檢測電路輸出低電平、但觸發(fā)電路輸出仍為高電平；人離開時，紅外檢測電路輸出馬上恢復高電平，由于電容的充放電過程，觸發(fā)電路形成一個短暫的低平脈沖低平脈沖遇到上升沿即發(fā)生，

19、這樣555定時器就可以被觸發(fā)，開場沖水。555定時器延時設計555定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，假設以555定時器的V2端作為觸發(fā)信號的輸入端，并有三極管和R組成的反相器輸出電壓接至V1端，同時在此端接入電容C，就構成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖3.4畫出了在觸發(fā)信號作用下VC和Vo相應的波形。圖3.4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形如圖3.5 所示為由555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，延時時間計算如下：根據電路圖設計，電阻R4選擇2M，電容C3=4.7uF，計算后時間約為10秒。即系統(tǒng)持續(xù)沖水10秒。本設計采用的NE555芯片，電源電壓最大值16V，最小值為4.5V。因此采用5V電壓為555定時器

20、供電。圖3.5 延時電路模塊控制電路設計圖3.6控制電路模塊繼電器是根據*種輸入信號來接通或斷開小電流控制電路，以實現(xiàn)遠距離控制和保護的自動控制電氣。其輸入量可以是電流、電壓等電量，也可以是溫度、時間、速度、壓力等非電量；而輸出量則是出頭的動作或者電路參數(shù)的變化。由于555定時器的輸出并不能直接驅動繼電器，可以將定時器的輸出接三極管的基級或晶閘管的門級，這里采用連接三極管的方法，如圖3.6所示，當555定時器輸出為高電平時，三極管導通，繼電器工作，開關導通，電磁閥發(fā)揮作用完成沖水。總體電路將各局部電路連接起來得到總體電路如3.7圖所示。圖3.7總體電路仿真與數(shù)據分析仿真概述本設計利用MULTI

21、SIM軟件模擬仿真：由于本設計核心元件為光電傳感器和555定時器，而且為了簡化實際電路的設計，因此只對紅外光電傳感器以及555定時器進展完整設計，而220V50Hz交流輸入的電源電路簡化成用7.2V電源經LM2940穩(wěn)壓管輸出5V電壓為整個系統(tǒng)供電；電磁閥則簡化為一個電阻及其外圍電路，即通過測量電阻兩端的電壓來判斷水閥的開和關。系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是：當正常照射時，電磁閥電壓為零，代表水閥關閉，不進展沖水；當接收被遮擋后復位，電磁閥兩端有電壓并且持續(xù)10秒左右根據上一章555定時器設計的延時時間確定，代表水閥翻開，開場持續(xù)沖水10秒。10秒過后，電壓為零，代表沖水完畢。仿真容及結果1. 對555定時

22、器觸發(fā)電路圖3.3進展模擬：將50Hz、占空比80%、幅值8V的矩形波作為輸入接入555定時器觸發(fā)電路得到輸入-輸出信號波形如圖4.1所示。圖4.1觸發(fā)電路仿真結果分析：觸發(fā)電路遇到上升沿輸出低平脈沖，符合設計要求。2.將觸發(fā)電路與延時電路連接得圖4.2 ，利用開關鍵A控制電路接入的電平上下，模擬紅外檢測輸出信號。觀察雙蹤示波器得仿真結果如圖4.3 。圖4.2 觸發(fā)及延時電路圖4.3 觸發(fā)并延時電路仿真分析仿真結果：無人時開關應J1是常閉的，檢測電路保持高電平，555定時器輸出低電平；有人停留時，開關J1斷開，檢測電路輸出低電平，555定時器依舊輸出低電平；只有當人離開，即開關閉合，檢測電路輸出呈現(xiàn)上升沿時，555定時器才會工作，輸出一段高電平后恢復低電平，這一段時間完成沖水。結論：仿真結果與理論計算一致，設計方案可行。課程設計總結本設計采用直流穩(wěn)壓電源、與非門和電容組成的單穩(wěn)態(tài)電路、555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時電路、固態(tài)繼電器以及電磁閥構成以一個公廁自動沖水系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作方式為：當有人上完廁所離開時，可以自動沖水，這樣可以為保潔人員節(jié)省精力，并且有效節(jié)約了水資源。本設計理論上實現(xiàn)了人走后再次沖水，保證了衛(wèi)生。但是本系統(tǒng)的還有一些細節(jié)需要優(yōu)化。比方可以在人離開時并不馬上沖水，而是等上廁所的人到達一定數(shù)值再沖水，這樣更加節(jié)省了水資源。這時需要一些外部電路或者邏輯器件