简易自来水开关控制电路设计本科论.doc

密级： . NANCHANG UNIVERSITY 学学 士士 学学 位位 论论 文（设文（设 计）计） THESIS OF BACHELOR （20092013） 中文题目:简易自来水开关控制电路 英文题目： The running water switch control circuit 学 院： 南昌大学共青学院 系 别： 工程系 专业班级： 电气工程及其自动化 学生姓名： 胡伟曦 学 号： 8110209009 指导教师： 皮小林 二 一 三年 六 月 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 学士学位论文原创性声明学士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 本人签名： 日期： . 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 目目 录录 摘 要I ABSTRACT .II 第 1 章 绪论.1 1.1 概述.1 1.2 红外感应开关的研究现状.1 121 红外线感应原理.1 121 感应开关的缺点.2 第 2 章 工作原理和设计框图3 2.1 基本工作原理.3 211 总体框图.3 212 基本工作原理.3 2.2 具体设计框图.4 第 3 章 自来水开关控制系统的电路设计.5 3.1 电路主要芯片介绍.5 311 NE555 时基电路简介.5 312 MC78L12CP 简介 6 3.2 红外感应电路的设计.6 321 红外线发射电路.6 322 红外线发射电路.6 3.3 时间延迟电路.6 3.4 自来水开关电路.7 3.5 电源电路.8 3.6 电路原理图.9 3.7 元器件清单.10 第 4 章 用 Multisim 仿真11 4.1 MULTISIM 仿真软件简介11 411 Multisim 仿真软件概述.11 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 412 Multisim 的仿真特点.12 4.2 用 MULTISIM 软件仿真的结果.13 结论.17 参考文献.18 致谢.19 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 摘要 I 摘 要 红外线感应开关对于自动控制设备、照明、安全防盗、自动设备人身防护 等，都有着很广泛的应用。是一款真正的节能、环保、人性化产品。本文介绍 的简易自来水开关正是对红外线感应原理的一项具体应用。 设计应在满足人们用水的习惯的同时，应做到资源节约的目的：在人们需 要用水时自动打开，取水后，开关延时关闭。 本设计电路有五部分组成，电源电路、红外线发射电路、红外线接收电路、 时间延迟电路和自来水开关电路。通过红外线发射电路和接收电路，把感应到 的光源信号转化为电路对应的电信号。通过时间延迟电路利用但稳态电路的特 性，对开关开闭时间予以控制。自来水开关电路利用电磁阀作为自来水管的开 关，从而可以通过电信号对自来水进行控制。电源电路则为上述所有电路提供 电源。 关键词：关键词：红外线；节能；控制电路；电源 南昌大学共青学院毕业论文（设计） Abstract II ABSTRACT Infrared induction switch for automatic control equipment, lighting, security, automatic equipment for personal protection, has a very wide range of applications. Is a real energy saving, environmental protection, user-friendly products. A simple tap switch in this paper is a specific application of the infrared induction principle. The design should be to meet the water habits at the same time, to achieve resource conservation Objective: open automatically when people are in need of water, when the water, switch delay off. The designed circuit is composed of five parts, power circuit, infrared emission circuit, receiving circuit, a time delay circuit and a running water switch circuit. Through the infrared emission circuit and receiving circuit, the induced temperature signal into electrical signals corresponding circuit. By the time delay circuit using the steady-state characteristics of the circuit, the switch to control opening and closing time. The running water switch circuit using electromagnetic valve as the water tap, which can through the electrical signal to control the water. A power circuit provides the power supply for all of the above circuit. Keywords: infrared; energy saving; control circuit; power supply 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 概述 随着人们生活水平的提高和电子技术的进步，越来越多的红外感应开关应 用于人们的日常生活和工业控制当中。 红外感应开关的广泛应用可以有效的达到节约用水的目的，尤其是在现代 化技术高度发展的今天，为了起到节约用水，环境保护，并满足人们的日常生 活需要，自来水开关控制电路的设计就显得更为重要。 1.2 红外感应开关的研究现状 目前对射型红外线感应开关比较普遍，对射型红外线感应开关分为两种方 式，一是反射式(见下图 1.1)， 二是折档式(见下图 1.2)。 121 红外线感应原理红外线感应原理 反射式对射型红外线感应开关通过感应板接受物体反射回来的红外光波， 感应 距离为 1.5 米以内，感应范围较小。 图 1.1 折档式对射型红外线感应开关的控制板发射红外线到接收方，中间需要有 人或物体折档发射信号，其安装容易受到限制。 红外发射器 红外接收器 红外发射器 红外接收器 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 1 章 绪论 2 图 1.2 121 感应开关的缺点感应开关的缺点 容易受到各种光源、热源、射频辐射、热气流的干扰；被红外穿透力较差， 人体的红外辐射容易被遮挡；当人体体温和环境温度接近时，探测和灵敏度明 显下降，可能会造成短时失灵。 红外线开关可应用与家庭，如用在楼道，或者行动不方便的人在家里睡觉 时，由于多功能开关的红外感应有一个范围，因此当人躺下床时，红外停止感 应就关闭。当人起身坐在床上时，红外感应就触发，灯就可以亮起来。由于夏 天南方室内气温高。如今市场上仅有独的声光控制开关或是单独的红外控制开 关，没有红外与声光控制相接和的多功能开关。如果就只有红外单一的控制， 就很容易受到外界干扰。 红外发射器红外接收器 红外发射器红外接收器 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 3 章 自来水开关控制系统的电路设计 3 第 2 章 工作原理和设计框图 2.1 基本工作原理 通过红外线感应开关的关断，实现对自来水开关的控制。在自来水感应开 关控制器的设计中采用反射式感应方式。通过对遮挡物反射来接收信号，再把 信号进行一系列的滤波放大处理。电路总体包括以下电路：电源电路、红外线 发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路和自来水开关电路。 211 总体框图总体框图 图 2.1 212 基本工作原理基本工作原理 当人们需要用水时，器皿或手部遮挡红外线发射器，经过反射，光信号被 红外接收电路接收并装换为电信号。时间延迟电路的功能是利用 NE555 组成的 单稳态电路的特性，实现对自来水开关关断时间的控制。最后自来水开关电路 通过对电磁阀对自来水开闭进行控制。而电源电路为以上电路提供电源。 本设计运用两块 NE555 集成电路，一做滤除干扰作用，取出有用信号，二 做延时电路，最后启动自来水龙头电磁阀，打开自来水。设计中，为了减少干 扰，提高感应灵敏度，技术上使用，快充慢放检波，防抖驱动，以获取设计所 需效果。 红外线发射 电路 红外线接收 电路 时间延迟电 路 自来水开关 电路 电源电路 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 3 章 自来水开关控制系统的电路设计 4 2.2 具体设计框图 +16V AC220V +12V 遮挡物 图 2.2 滤波、延时电路 红外线接收电路 信号放大电 路 红外线发射 器 红外线接收 器 检波电路延时电路自来水开关 电路 电源 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 3 章 自来水开关控制系统的电路设计 5 第 3 章 自来水开关控制系统的电路设计 3.1 电路主要芯片介绍 311 NE555NE555 时基电路简介时基电路简介 NE555 的内部结构图如图 3.1 所示： 图 3.1 NE555 内部电路结构与工作波形 NE555 时基电路是一种用途广泛的数字模拟混合集成电路，它是由比较 器和、基本 RS 触发器和集电极开路的放电三极管三部分组成。1C2CDT 多谐振荡器又可称为方波振荡器。图 4 为 555 构成的多谐振荡器。 图中 C 是外接定时电容，R1 是充电电阻 R2 即是充电电阻又是放电电阻。5 断电容 C1 用于防止干扰,大部分时候可以不接。当接通电源后 Vcc 要通过 R1、R2 对电容 C 充电,充至电容电压 Uc=2/3Ucc 时,输出端 Uo 输出低电平,此时内部三极管导 通使 7 脚接地,电容 C 又要通过 R2,再经过 7 脚内部三极管的 CE 结放电,Uc 电压 下降,当 Uc 下降到 1/3Vcc 时,Uo 输出高电平,内部三极管截止,7 脚恢复高电平 (虚高),C 又被重新充电。以后重复这个过程,获得方波输出,其震荡周期为: T=T1+T20.7(R1+R2)C+0.7R2C=0.7(R1+2R2)C 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 3 章 自来水开关控制系统的电路设计 6 312 MC78L12CPMC78L12CP 简介简介 MC78L12CP 是一种三端小电流正稳压电源，它的最大输出电流是 100mA。 3.2 红外感应电路的设计 321 红外线发射电路红外线发射电路 图 3.2 虚线左边电路为红外线发射电路，其核心器件是 SE303 红外线发光 二极管，SE303 是由 GaAs 的 PN 结构成，其发光波段不处于可见光的波段，即 不能在显示中使用，一般仅是作为光信号传输之用。一般设计产品要求感应装 置不可见，所以只能采用红外线发光二极管作为感应装置。 图 3.2 红外线发射电路和红外线接收电路 322 红外线发射电路红外线发射电路 图 3.2 虚线右边电路为红外线接收电路。它由两个部分组成：一是红外线 接收电路；二是电信号放大电路。实际上红外线接收电路就是 2CR21 硅光电池。 其工作原理是通过硅 PN 结的光伏效应，使其具有按照光信号的强度产生出对应 电信号的特性，这称为光敏器件。硅光电池的输出特性分为恒流区和恒压区， 即其短路电流与光强度成正比，其开路电压随光强度按指数规律变化，由于其 电流和光强度是线性关系，一般采用产生短路电流的方式来接收光信号。 3.3 时间延迟电路 该电路主要由两部分构成：一是整流和滤波电路；二是由 NE555 集成电路 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 3 章 自来水开关控制系统的电路设计 7 构成的单稳态电路。前端电路的输出电压首先经过二极管和整流，再1V2D3D 经过电容滤波，则在 NE555 集成电路的 TRIG 端产生了触发电平信号。5C 当接收到红外线脉冲时，前端电路输出电压经由整流和滤波在 TRIG 端1V 产生一个高电平信号，由 NE555 集成电路构成的单稳态电路特性可知，输出端 Q 输出低电平。当由于人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲时，前端 电路没有输出电压，则 TRIG 端输入为零，单稳态电路接收到触发信号，输1V 出端 Q 输出为高电平并保持一段时间。延迟时间由可变电阻和电容的数9R6C 值决定，通过调节可变电阻的大小，可以改变延迟时间的长短，以适合不同场 合的应用。 时间延迟电路如图 3.3 所示： 图 3.3 时间延迟电路 3.4 自来水开关电路 由于电磁阀通过的是大电流、大功率，而直流电源一般无法提供很大的电 流和功率，因此电磁阀需要交流供电，从而电路中的开关需要采用继电器电路。 而一般 NE555 集成电路的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电 路。 自动水龙头开关电路如图 3.4 所示： 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 3 章 自来水开关控制系统的电路设计 8 图 3.4 自动水龙头开关电路 该电路中的电流放大电路是由三极管 T3 构成的，这是一种比较典型和简单 的电路。其中为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。为共发射极10R3T 电路，当输出端 Q 输出高电平时，三极管导通饱和，将输入电流放大 倍；当 输出端 Q 输出低电平时，三极管截止，无电流通过。继电器连接的集电极，3T 当有电流驱动时，开关吸合，电磁阀通电，自来水流出；当无电流驱动时，开 关断开，电磁阀不通电，没有自来水流出，同时在继电器两端并联一个二极管 实现保护。同时电路中加入发光二极管作为显示电路，显示自来水是否流出。4D 3.5 电源电路 电源电路的设计可以采用两种方法来实现：第一种方法是采用电池供电， 需要注意的问题是选择合适电池的指标参数与电路相匹配；第二种方法就是采 用如图 3.5 所示的电源电路。 图 3.5 电源电路 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 3 章 自来水开关控制系统的电路设计 9 电路直接从电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路 将电网中 220V 交流电转换为+12V 直流电压。电路中的变压器采用常规的铁心 变压器，整流电路采用二极管桥式整流电路，C8(470nF)、C9(0.1uF)、C10(47uF)和 C11(0.1uF)完成滤波功能完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。 3.6 电路原理图 图 3.6 红外自动水龙头开关控制电路的总电路图 简易自来水开关控制电路的总电路图如图 3.6 所示。该电路由红外线 发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路、自来水开关电路和电源电路 5 部分构成。总电路图中需要注意的是各个单位电路之间的连接一定要准确， 同时各部分的布局要合理。 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 3 章 自来水开关控制系统的电路设计 10 3.7 元器件清单 简易自来水开关控制电路中所有使用的电子元器件如表所列。需要说明的 是表中所列的电子元器件类型仅为许许多多可供选择的电子元器件类型中的一 种。具体设计时，设计者应该根据设计的实际要求来选择。 符号类别数目 R1220k1 R222 k1 R3、R10、R111 k3 R4300 k1 R5R74 k3 R810 1 R9可变电阻1 D4LED1 D1D3IN41483 C1100nF1 C2、C70.01uF2 C3、C422 nF2 C5、C9、C110.1 uF3 C6、C8470 uF2 C1047uF1 T1T390133 SE303红外线发光管1 2CR21硅光电池1 J1继电器1 TTRANS11 DBRIDGE11 U1、U2NE5552 U3MC78L12CP1 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 4 章 Multisim 仿真 11 第 4 章 用 Multisim 仿真 4.1 Multisim 仿真软件简介 411 Multisim 仿真软件概述仿真软件概述 Multisim 是一种专门用于电子电路仿真和设计的 EDA 工具软件，属于 Electronics workbench 系列软件的高版本。Electronics workbench (简称 EWB)由 加拿大 Interactive Image Technologies 公司（简称 IIT 公司）于 1988 年推出。 IIT 公司从 EWB6.0 版本开始，将电路图输入仿真与设计的模块更名为 Multisim 。 Multisim 在保留了 EWB 原有优点的基础上，大大扩充了元件库中电路的 数目，增强了软件的仿真测试和分析功能，可实现模拟/数字电路的 Spice 仿真、 VHDL/Verilog 设计与仿真、RF 电路仿真等。 Multisim 软件具有以下一些特点： 1丰富的元器件库： Multisim 为用户提供了数万种真实元器件和虚拟元器件。 真实元器件：有型号、参数（不可修改） 、封装，可以制作 PCB 板 虚拟元器件：是该类器件的代表，参数可修改，无封装，只能用于仿真，不可 制作 PCB 板。 2. 多种类的虚拟仪器仪表 Multisim 软件提供了多种常用仪器仪表，用于测试电路性能参数及波形， 结果准确直观。同一种仪器使用数量不受限制，所提供的安捷伦仪器面板象真 实仪器一样，用这些仪器象在实验室一样，可方便地测试电路的性能参数及波 形。 3多种类型的仿真分析 Multisim 可以进行： 直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析等十多种分析，分析 结果以表格或波形直观的显示出来,有些分析在实验室是无法完成的，为用户设 计分析电路提供了极大的方便。 4. 提供了与其他软件交换信息的接口 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 4 章 Multisim 仿真 12 Multisim 可以打开 PSpice 所建立的 Spice 网络表文件。也可将 Multisim 建 立的电路原理图转换为网络表文件，提供给 Ultiboard、Protel、Orcad 等 EDA 工具软件进行 PCB 板图的设计。还可以提供给 MathCAD、Execl 等软件进行进 一步处理，以获得更多的信息。 5、强大的后处理功能 Multisim 后处理功能可以对仿真的数据，按编辑的公式进行运算，运算结 果以表格或图形的形式输出显示，以获得更多的信息。 412 MultisimMultisim 的仿真特点的仿真特点 使用 Multisim10 可交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。 Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容，这样使用者无需懂得深入的 SPICE 技 术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，使其更适合电子学教育。通 过 Multisim 和虚拟器技术，使用者可以完成从理论到原理图捕获与仿真，再到 原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 Multisim10.0 和 Ultibord10.0 推出了很多专业设计特性，主要是高级仿真工 具、增强的元件库和扩展的用户社区，主要的特性包括： 所见即所得的设计环境； 互动式的仿真界面； 元件库包括 1200 多个新元器件和 500 多个新 SPICE 模块，这些都来自 于如美国模拟器件公司（Analog Devices） 、凌力尔特公司（Linear Technology）和德州仪器（Texas Instruments）等业内领先厂商，其中 包括 100 多个开关模式电源模块； 动态显示元件（如 LED，七段显示器等） ； 汇聚帮助（Convergence Assistant）功能能够自动调节 SPICE 参数，纠 正仿真错误； 数据的可视化分析功能，包括一个新的电流探针仪器和用于不同测量 的静态探点，以及对 BSIM4 参数的支持。 具有 3D 效果的仿真电路。 NI Multisim 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、 高效地对电路进行设计和验证。凭借 NI Multisim 10，您可以立即创建具有完整 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 4 章 Multisim 仿真 13 组件库的电路图，并利用工业标准 SPICE 模拟器模仿电路行为。借助专业的高 级 SPICE 分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证， 从而缩短建模循环。与 NI LabVIEW 和 SignalExpress 软件的集成，完善了具有 强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。 Multisim 软件使模拟电路、数字电路的设计及仿真更为方便。并且极其广 泛的应用于教学实验中，方便老师的教学讲解，也便于了学生的理解学习，加 强了对 Multisim 软件的认识。 4.2 用 Multisim 软件仿真的结果 1.红外线发射电路的工作状态仿真如图 4.1 所示： 图 4.1 红外线发射电路的工作状态仿真图 由于条件有限，用发光二极管和灯泡的亮、灭来代替电路是否能够正常工 作，能正常工作则发光二极管和灯就亮，不能正常工作则发光二极管和灯就灭。 由图 4.1 可知，红外线发射电路可以正常工作。 2. 红外线发射、接收电路的工作状态仿真，处输出的电压波形仿真分别如1V 图 4.1、图 4.2 所示： 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 4 章 Multisim 仿真 14 图 4.2 红外线发射、接收电路的工作状态仿真图 图 4.3 处输出的电压仿真波形图1V 由图 4.2、图 4.3 可知，通过红外线发射电路和接收电路，在处可以输1V 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 4 章 Multisim 仿真 15 出稳定的电压，从而保证时间延迟电路、自动水龙头开关电路的正常工作。 3红外自动水龙头开关断开、吸合的工作状态仿真分别如图 4.4、图 4.5 所示： 图 4.4 红外自动水龙头开关断开的工作状态仿真图 图 4.5 红外自动水龙头开关吸合的工作状态仿真图 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 第 4 章 Multisim 仿真 16 由图 4.4、图 4.5 可知，当由于人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线 脉冲时，前端电路没有输出电压，则 NE555 的 TRIG 端输入为零，单稳态电1V 路接收到触发信号，输出端输出为高电平并保持一段时间，使自动水龙头开关 电路有电流流过，当有电流驱动时，开关吸合，电磁阀通电，自来水流出；当 没有人体或者物体的阻隔时，NE555 的 TRIG 端输入为 1，单稳态电路的输出端 输出低电平，自动水龙头开关电路中没有电流流过，无电流驱动，则开关断开， 电磁阀不通电，没有自来水流出。电路中加入发光二极管 LED2 和灯泡 X2 作为 显示电路，显示自来水是否流出；发光二极管 LED2 和灯泡 X2 亮则自来水流出， 不亮则不流。 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 结论 17 结论 使用 NE555 时基电路等器件设计简易自来水开关控制电路，可实现专用芯 片 TL5108 的功能，设计精简、方便。NE555 时基电路巧妙地将模拟电路和数字 电路结合在一起，在很多电路设计中都有广泛的应用。 以上所设计的用 Multisim 仿真电路时经过了多次的修改和整理，可以满足 人们的基本要求，但由于水平有限，文中肯定有很多不恰当的地方，请老师指 出其中的错误和不当之处，使我能做出改正，我会虚心接受。 通过这段时间的学习，我感觉收获很大：首先，通过学习使自己可以把课 本上的知识应用于实际，使理论与实际相结合，加深了自己对课本知识的理解， 也锻炼了我个人的动手能力，同时通过查阅资料还学会了许多课本以外的知识。 南昌大学共青学院毕业论文（设计） 参考文献 18 参考文献 1李银华,王新全,江泳.电子线路设计指导.北京:北京航空航天大学出版社, 2005,6:41-45. 2尹勇,李林凌.Multisim 电路仿真入门与进阶.北京:科学出版社, 2005,2:164-165. 3严飞,姜源,杨碧石.妙用电子模块 222 例.北京:中国电力出版社,