水龍頭模擬仿真

模電課程設計報告專業(yè)：自動化班級：1003學號：一姓名時間:2013年1月3日總體方案設計1.1設計要求設計電路及軟件模擬。技術要求：1、用紅外線檢測，當有人手靠近（10cm）水龍頭時，自動出水；2、人手遠離水龍頭時停止出水；3、水龍頭采用由電子閥門控制的水龍頭?！倦y度系數(shù)0.8】1.2系統(tǒng)組成框圖紅外自動水龍頭開關控制電路的總體框圖如圖1所示：圖1紅外自動水龍頭開關控制電路的總體框圖紅外自動水龍頭開關控制電路是由紅外線發(fā)射電路、紅外線接收電路、時間延遲電路、自動水龍頭開關電路和電源電路5部分構成的。紅外線發(fā)射電路的功能是利用紅外線發(fā)光二極管發(fā)射光脈沖，從而實現(xiàn)電路對人體或物體的感應。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，并且將光脈沖信號轉(zhuǎn)化為電信號，同時對其進行放大。時間延遲電路的功能是利用單穩(wěn)態(tài)電路的特性，實現(xiàn)對自動水龍頭開關打開時間的控制。自動水龍頭開關電路的功能是利用電磁閥作為自動水龍頭的開關，從而可以通過電信號對自來水進行控制。電源電路的功能是為上述所有電路提供直流電源。設計原理分析2.1電路主要芯片介紹NE555時基電路簡介NE555的內(nèi)部電路結構圖如圖2所示：Vcc圖2NE555內(nèi)部電路結構圖NE555時基電路是一種多用途的數(shù)字一模擬混合集成電路，它由比較器C1和G、基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管心三部分組成。其內(nèi)部電路結構：V]是比較器C1的輸入端（也稱閾值端，用TH標注），七2是比較器C2的輸入端（也稱觸發(fā)端，用疝）標注。C1和C2的參考電壓（電壓比較的基準）VRi和VR2由Vcc經(jīng)三個5kQ電阻分壓給出。在控制電壓輸入端Vco懸空時，VR]=（2/3）Vcc,VR2=（1/3）Vcc。如果Vco外接固定電壓，則VR]=Vco，VR2=（1/2）Vco。R是置零輸入端。只要在R端加上低電平，輸出端％便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時必須使RD處于高電平。圖中的數(shù)碼1?8為器件引腳的編號。2.2電路原理圖紅外自動水龍頭開關控制電路的總電路圖如圖3所示：U3mw——r二一i監(jiān)O.l'i?Bl以-IC68脂7:c/xU3mw——r二一i監(jiān)O.l'i?Bl以-IC68脂7:c/xJIS旺3麗qm。cvdtGMEll

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1蛇I豐\：0CBnL［妃14虹〔.如該電路由紅外線發(fā)射電路、紅外線接收電路、時間延遲電路、自動水龍頭開關電路和電源電路5部分構成。2.3主要單元電路設計2.3.1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結構成，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，一般僅作為光信號傳輸之用。本電路的感應裝置一般要求不可見，因此只能采用紅外線發(fā)光二極管作為感應裝置。紅外線發(fā)射電路如圖4所示：印+非R3-o1—CZF-狽盛470Kfi圖4紅外線發(fā)射電路紅外線發(fā)光二極管正向電流不能超出其最大額定值，而作為感應裝置則要求其具有較大的光輸出。一般利用其響應速度快的特性，通過脈沖信號驅(qū)動來增大光輸出。因此電路前端需要一個脈沖信號電路，本電路采用的是由NE555集成電路構成的多諧振蕩器組成。其電路運行包括兩個過程：一是利用直流電源經(jīng)電阻K和R2對電容C1的充電過程；二是電容C1經(jīng)電阻R2從NE555集成電路的DIS端的放電過程。通過這兩個過程的交替運行，就可以在NE555集成電路的輸出端Q產(chǎn)生出脈沖信號。其輸出脈沖信號的頻率f和占空比q為：f=1/0.7(R1+2R2)C1=1/0.7(220kQ+2X22kQ)100呻2541Hz(1)q=R1/(R1+2R2)=220kQ/(220kQ+2X22kQ)e83.3%(2)這樣輸出端Q輸出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起保護紅外線發(fā)光二極管的作用。2.3.2紅外線接收電路及信號放大電路該電路包含兩個部分：一是紅外線接收電路；二是信號放大電路。紅外線接收電路實際上就是一個硅光電池2CR21。硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導體器件。它的結構很簡單，核心部分是一個大面積的PN結，在光照條件下PN結兩端能產(chǎn)生電動勢，接上負載后就形成電流。硅光電池的原理是通過硅PN結的光伏效應，使其具有按照光信號的強度產(chǎn)生出對應電信號的特性，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度成正比，其開路電壓隨光強度按指數(shù)規(guī)律變化，由于其電流和光強度是線性關系，

一般采用產(chǎn)生短路電流的方式來接收光信號。紅外線接收電路及信號放大電路如圖5所示:R5疝r(nóng)rh料<?—Lb如icq‘1TL2CHZ1+12VrhRfi」R5疝r(nóng)rh料<?—Lb如icq‘1TL2CHZ122nFR74KQT2圖5R74KQ硅光電池2CR21的輸出信號是一個十分微弱的信號，為了使后續(xù)電路能夠?qū)鈴娦盘栠M行處理，因此需要加入信號放大電路。其信號放大電路是由電阻R4?R7、T卜T2和C3、C4構成，電路中采用了雙三極管構成放大電路，這樣就可以使得電路的放大倍數(shù)比單管放大電路的倍數(shù)增加B倍從而得到更合適的信號。R5和R6為放大電路集電極偏置電阻，c3和C4為放大電路的濾波電容。R4為放大電路的反饋電阻，其功能是保證放大電路有一個穩(wěn)定的靜態(tài)工作點和穩(wěn)定的輸出電壓V1。2.3.3時間延遲電路該電路主要由兩部分構成：一是整流和濾波電路；二是由NE555集成電路構成的單穩(wěn)態(tài)電路。前端電路的輸出電壓V1首先經(jīng)過二極管D2和D3整流，再經(jīng)過電容C5濾波，則在NE555集成電路的TRIG端產(chǎn)生了觸發(fā)電平信號。當接收到紅外線脈沖時，前端電路輸出電壓V1經(jīng)由整流和濾波在TRIG端產(chǎn)生一個高電平信號，由NE555集成電路構成的單穩(wěn)態(tài)電路特性可知，輸出端Q輸出低電平。當由于人體或者物體的阻隔，沒有接收到紅外線脈沖時，前端電路沒有輸出電壓V1，則TRIG端輸入為零，單穩(wěn)態(tài)電路接收到觸發(fā)信號，輸出端Q輸出為高電平并保持一段時間。延遲時間由可變電阻R9和電容c6的數(shù)值決定，通過調(diào)節(jié)可變電阻的大小，可以改變延遲時間的長短，以適合不同場合的應用。時間延遲電路如圖6所示：

V103■+L2VU2Vcc

IHRRBISNE555QTFIGV103■+L2VU2Vcc

IHRRBISNE555QTFIGGMCVoltAb2W0.luT10K^-J-C6TivauJJ-CTO.OluF2.3.4自動水龍頭開關電路由于電磁閥通過的是大電流、大功率，而直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)動繼電器，因此需要加入電流放大電路。自動水龍頭開關電路如圖7所示：R11TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"+12V<1IT.D5AL-JRIO1Q□―f——?1K^JI13圖7自動水龍頭開關電路該電路中的電流放大電路是由三極管T3構成的，這是一種比較典型和簡單的電路。其中R10為限流電阻，防止輸入電流過大燒毀三極管。T3為共發(fā)射極電路，當輸出端Q輸出高電平時，三極管導通飽和，將輸入電流放大B倍；當輸出端Q輸出低電平時，三極管截止，無電流通過。繼電器連接T3的集電極，當有電流驅(qū)動時，開關吸合，電磁閥通電，自來水流出；當無電流驅(qū)動時，開關斷開，電磁閥不通電，沒有自來水流出，同時在繼電器兩端并聯(lián)一個二極管實現(xiàn)保護。同時電路中加入發(fā)光二極管Q4作為顯示電路，顯示自來水是否流出。

用Multisim仿真1.紅外線發(fā)射、接收電路的工作狀態(tài)仿真，Vi處輸出的電壓波形仿真分別如圖8、圖9所示：圖10紅外線發(fā)射、接收電路的工作狀態(tài)仿真圖

圖9V1處輸出的電壓仿真波形圖由圖8、圖9可知，通過紅外線發(fā)射電路和接收電路，在V1處可以輸出穩(wěn)定的電壓，從而保證時間延遲電路、自動水龍頭開關電路的正常工作。2.紅外自動水龍頭開關斷開、吸合的工作狀態(tài)仿真分別如圖10、圖11所示：

圖10紅外自動水龍頭開關斷開的工作狀態(tài)仿真圖圖11紅外自動水龍頭開關吸合的工作狀態(tài)仿真圖由圖10、圖11可知，當由于人體或者物體的阻隔，沒有接收到紅外線脈沖時，前端電路沒有輸出電壓V］，則NE555的TRIG端輸入為零，單穩(wěn)態(tài)電路接收到觸發(fā)信號，輸出端輸出為高電平并保持一段時間，使自動水龍頭開關電路有電流流過，當有電流驅(qū)動時，開關吸合，電磁閥通電，自來水流出；當沒有人體或者物體的阻隔時，NE555的TRIG端輸入為1，單穩(wěn)態(tài)電路的輸出端輸出低電平，自動水龍頭開關電路中沒有電流流過，無電流驅(qū)動，則開關斷開，電磁閥不通電，沒有自來水流出。電路中加入發(fā)光二極管LED2和燈泡X2作為顯示電路，顯示自來水是否流出；發(fā)光二極管