电子红外感应水嘴控制器设计与实现毕业论文.doc

西安石油大学本科毕业设计（论文） 电子红外感应水嘴控制器设计与实现 摘摘 要要：红外线是可见光谱中位于红色光之外的光线。尽管肉眼看不到这种光线， 但是利用红外线的特性应用到红外线控制器上，并把它运用到电子红外感应水嘴控 制器上，不仅可节约大量的水,而且干净卫生。并且还可以运用到红外自动感应灯上， 人在灯亮，人走灯灭。 红外感应，通常又叫做电子红外线感应，是利用检测人体发出的红外线信号的 方式。这主要需要对红外线信号的放大及处理，选大了，无法关断所控制的红外感 应水嘴，选小了，又检测不到人体发出的红外线信号。本文将要介绍的红外线控制 开关只是其中的一种应用形式。目前，主要都运用到了自动水龙头、自动感应冲洗 器、自动干手器、自动干肤器、自动给皂器、自动恒温淋浴器等中。 关键词关键词：红外线；节约；红外感应水嘴 西安石油大学本科毕业设计（论文） Electronic infrare dinduction tap controller designand realization Abstract：Infrared is the light which is located outside the red light in the visible spectrum. Although naked eye is blind of this kind of light, but application on the infrared controller using the characteristic of infrared, and utilizes it on the electronic infrared induction tap controller, could not only save the massive water, but also make environment clean and healthy. Moreover it can be utilized on the infrared auto-induction lamp, the lamp became bright when people come and wink when people go. The infrared induction, usually is called electronic infrared to induction, is infrared signal way which sends out using the examination human body. This mainly needed to the infrared signal enlargement and processing, when the process is magnified, it is unable infrared induction tap which shut off controls, when the process is shrink, it is unable to examine the infrared signal which sent out by the human body. This article is going to introduce the infrared controlling switch is only one kind of application form. At present, its applications are mainly on the automatic water cock, the auto-induction flusher, the automatic hand and the skin drying apparatus, for the soap, the automatic constant temperature showers automatically in and so on. Key words:Infrared;saves;the infrared induction tap 西安石油大学本科毕业设计（论文） I 目 录 1 绪论1 1.1 电子红外感应水嘴控制器的发展1 1.2 红外线特性及电子红外感应水嘴控制器的优点1 1.3 电子红外感应水嘴控制器的流行现状2 1.4 电子红外感应水嘴控制器的可行性分析2 1.5 设计系统的功能和意义3 2 模拟电路4 2.1 模拟电路概述4 2.1.1 模拟电路的发展4 2.1.2 模拟电路的特点4 2.2 集成 IC 器件4 2.2.1 集成 IC 的发展4 2.2.2 集成 IC 的分类6 2.3 PN 结的形成与半导体 BJT 6 2.3.1 PN 结的形成的概述6 2.3.2 半导体 BJT 的概述8 3 电子红外感应水嘴控制器的硬件电路单元9 3.1 整体描述9 3.2 各部分具体描述9 3.2.1 红外发光二极管9 3.2.2 光电二极管14 3.2.3 二极管的一些样图及其测试正负极与好坏的图17 3.2.4 信号调理电路18 3.2.5 信号检测电路21 3.2.6 继电器23 4 调试与制作24 4.1 调试24 4.1.1 调试中遇到的问题24 4.1.2 对设备进行调试24 4.2 制作25 结论26 参考文献 27 谢辞28 附录29 西安石油大学本科毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 电子红外感应水嘴控制器的发展 几乎就是在人们懂得了用自来水的那一年开始，螺旋式的开关就开始与人类相 伴，到了科技相当发达的当今时代，传统的旋转式开关仍然是水龙头开关的主体， 凭借其较为简单的结构、低廉的售价和方便的安装便用方法，牢固地占领着市场。 然而，现代电子技术的发展以及人们对水资源缺乏的认识，已使传统的开关感受到 产品更新换代的威胁。于是电子红外感应水嘴控制器电路便顺理成章的应运而生了。 人类发现红外线的历史很长，但直到本世纪随着无线电电子学、材料科学的兴 起和发展，红外线才变得身价百倍，以高科技的身份出现在我们面前。热红外探测 系统是红外线的一个重要应用。由于任何一个辐射红外线的物体都是与周围其它物 体不同的热源，也就是一个物体与周围的环境有温度的差别，热红外探测系统就是 通过探测温度差而发现目标的。例如军事上利用这种装置发现藏在树丛中的敌人和 敌方正在行进的车辆、坦克等。在电影或者电视中经常会看到这样的战斗场面，两 架飞机在空中互相追逐，突然后面的飞机射出一枚导弹，而另一架见此立即不断地 改变飞行方向，一会儿转弯，一会儿上下翻滚，但几秒钟后仍被导弹击中。为什么 飞机甩不掉导弹呢？这是因为飞行着的飞机发动机的排气管就是一个红外辐射源， 而装有红外探测仪的导弹会毫不困难地发现它。虽然飞机极力想摆脱导弹，但导弹 上的电子导航系统又使得导弹始终咬住热源，这样速度低于导弹的飞机焉能不被击 中。今天，红外线的应用范围越来越广泛，在工业、农业、军事、食品加工及安全 保卫工作等许多方面都有极其重要的应用。为了解决日益缺乏的水问题，此技术已 经应用到节水方面，比如各种类型的电子红外感应水嘴控制器已经问世，主要就是 通过红外线控制的。 1.2 红外线特性及电子红外感应水嘴控制器的优点 红外技术是现代物理和电子学的一部分，它包括电磁波红外波段内的辐射、 传播和波形记录及其在科学、技术、国民经济和军事中的实际应用。红外技术是现 代无线电电子学和物理学中的重要方向之一，它对于促进国民经济各部门采用先进 技术以及加强基础科学和应用科学的研究都有极其重要的作用。今天，红外技术正 被广泛地用于解决国民经济中的各种不同的问题。 红外技术无论在科学研究、生物学、医学和工程应用方面都具有十分重要的 意义。 早在1666年，著名的英国物理学家伊沙克牛顿便证明，太阳光如用玻璃棱镜 加以分解，即形成由各种颜色的光-从紫外线到红外线所组成的光谱。但在上世纪 初以前，还没有人认为，太阳光中除了可见光以外还包含不可见光。 电磁波光学波段中的红外部分，是英国学者赫胥乐于1800年在研究太阳辐射 光谱中的能量分布时发现的。红外波段位于可见光与无线电波之间，其波长范围从 0.75微米到750微米。由于辐射与物质之间存在着相互作用这一特性，因此引起了 西安石油大学本科毕业设计（论文） 2 学者们对红外波段的兴趣。 在1853年，著名的法国物理学家安德列马里安培提出光线和红外线是同一性 质的假设。但由于许多研究者所花的精力和时间，才彻底证明了各种形式的电磁振 荡在本质上的同一性。现已证明，决定各种电磁辐射的不同物理特性的只有振荡频 率。 所有的物体都能产生红外辐射。红外辐射因物质分子的运动而产生，所以，从 原则上来说，凡温度高于绝对温度零度的任何物体都会产生红外线，因为分子的运 动只有当温度为0K时才会停止。红外辐射是一种热辐射，它是非相干性的，并且 具有宽的光谱范围。当原子和分子从一种能态跃迁到另一种能态时，也同时产生宽 波段的红外辐射。根据这种现象，红外辐射在科学与技术中主要用于光谱学、信息 传输和定位。 在二十世纪的后半期，由于制出了工作波长为1.5微米到10微米的有效红外探 测器，红外波段在现代科学与技术中开始获得了广泛的应用。红外光谱中这一部分 的电磁辐射能量的利用，显著地扩大了科学与技术在多方面应用的可能性。 红外线用于现代科学与技术，有其自身的局限性。这是因为红外线与无线电 波不同，它在大气中传播时，由于大气的吸收和散射作用，会明显地衰减。大气的 吸收对于红外光谱中的各个波段并不是完全一样的。因此，在地面条件下使用红外 仪器时，选择红外线在大气中衰减较小的波段是最为有利的。红外光谱中的这些波 段叫做红外大气透过窗。地面大气透过窗的位置是在进行了大量的研究工作之后才 确定的。第一个大气透过窗的波长范围大约从0.75微米（可见光波段的界限）到1.7 微米，称为近红外区。第二个和第三个窗口位于中红外区和部分的远红外区，其波 长范围分别为3到5微米和7到14微米（远红外区由10微米波长开始）。 电子红外感应水嘴控制器可以安装到那些公共场所（比如火车站，汽车站等） ，以及一些服务业（如旅馆，饭店等），这样可以节约许多不必要的水资源的浪费。 电子红外线感应水嘴控制器只是红外线众多应用中的一部分，目前在楼宇建筑：走 廊、楼道、地下室、车库等场所的自动照明及抽风等功能。 自动照明：洗手间、 仓库、车库等场所的自动照明及抽风等用途。 防盗：安装在阳台等位置，起到防 范窃贼入侵的作用。 幼儿房间：幼儿从睡梦中醒来有活动时，灯自动打开，消除 幼儿的恐惧心理。 1.3 电子红外感应水嘴控制器的流行现状 近年来，我国在研制、推广节水型生活用水器具方面做了大量工作，出现了 一大批节水技术成果和节水型生活用水器具。但由于我国研制、开发节水型生活用 水器具起步较晚，因此产品较大程度上处于低水平重复开发状态，一些产品在质量 上尚不过关，实际节水效果不佳。同时由于产品在标准、价格、使用、维修通配性 等方面还存在诸多问题，致使产品在推广应用上受到一定限制。 1.4 电子红外感应水嘴控制器的可行性分析 我国是一个淡水资源相对缺乏的国家：一是水资源人均占有量仅为世界人均 占有量的四分之一；二是水资源在空间和时间上的分布不均匀加剧了供需矛盾；三 是水的有效利用率较低，跑、冒、滴、漏现象普遍，水资源浪费严重。大力推广应 西安石油大学本科毕业设计（论文） 3 用节水型生活用水器具，是实现节约用水、提高水资源有效利用率的重要手段和途 径之一。近年来，随着城市用水结构的调整，生活用水量在城市总用水量中的比重 已达到55%左右。生活用水器具作为城市生活给水的终端设备，其使用量大，分布 范围广，因此是开展城市节约用水工作的重要环节。以便器冲洗为例，若能用6升 水标准替代现有9升以上便器，按每户3人每天平均使用12次计算，每户每年至少节 约用水13吨以上。所以换成电子红外感应水嘴，既可防止滴漏，又使用方便、寿命 长。还有在公共场所推广的红外线自动控制器，不仅可节约大量的水，而且干净卫 生。只要大批量生产了，成本自然也就降低了。 1.5 设计系统的功能和意义 在我们生活中，那些陈旧老化结构不合理的卫生洁具，不仅耗水量多、噪音 大，而且漏水问题严重，造成水资源的严重浪费，给本已十分紧张的城市供水带来 更大的困难。因此我们要大力推广普及节水型设备器具。如我们过去经常使用的螺 旋升降式铸铁水嘴老化后不仅关闭不严、经常滴水，而且对人体健康有影响。如 果换成电子红外感应水嘴，既可防止滴漏，又使用方便、寿命长。还有在公共场所 推广的红外线自动控制器，不仅可节约大量的水，而且干净卫生。增强节水意识， 必须从我做起。节约用水工作是全民性的、全社会性的，搞好节水离不开全社会的 支持。首先要让广大市民都知道水是人类生存、生产活动中不可缺少的物质，解决 水危机的根本途径就是节约用水。其次，要提倡从我做起，从小事做起，形成自觉 的节水意识。水是生命之源，是社会经济发展和人民生活不可或缺而又无可替代的 自然资源。节约水资源，不仅关系到我们自身，也关系到我们的子孙后代。我们应 该从现在做起，节约每一滴水，保护水资源，共同维护我们美丽的家园。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 4 2 模拟电路 2.1 模拟电路概述 2.1.1 模拟电路的发展 在目前强调高速数字信号处理的领域中,大家可能会认为模拟电路已经成为过 去。其实并不然，相反,当数字化世界越来越蓬勃发展时,我们对更高性能模拟集成 线路的需求反而越来越高。事实上在我们每天所接触到的东西里面,许多被认为是 数字化的产品当中包含了大量的模拟电路,如ADSL、Modem、电脑、CD/DVD播放 机、移动电话以及数字相机等。虽然这些都是相当高性能的数字化产品,但其中却 包含了相当多的模拟处理电路。以个人电脑为例，从主机板到许多相关的周边产品,模 拟电路事实上都起着相当大的作用。如果没有了模拟线路,这些设备中有许多功能 根本无法实现。虽然目前我们认为是身处数字化的世界,但实际生活的周边却是个 模拟环境,而数字电路必须要存在于能够与它沟通的环境中,因此模拟元器件就扮演 着提供给数字可以真正存在环境的关键角色。同时以目前的科技来看,要把这些相 关的尤其是功率性模拟产品集成到数字工艺当中的可能性并不高,其中一个主要的 原因是制造数字集成电路所采用的工艺与使用在模拟信号处理的工艺有着显著的差 异。数字线路采用低电压CMOS工艺,模拟产品则需要高电压高线性的工艺,逻辑阵 列由于噪声太高而且温度也不易控制,使得它非常困难与高性能的模拟电路集成在 同一芯片上。同时，对高效率的模拟电路来说,双极型(bipolar)工艺所提供的高频晶 体管也有着相当的需求。 2.1.2 模拟电路的特点 模拟电路的电信号是连续变化的电量，其幅值的大小在一定范围内是任意的。 所以要求电路要对这种信号不失真地进行放大或处理，因而对元器件及电路参数和 外界条件的要求比较严格。例如放大电路中的半导体器件通常要工作在线性放大状 态。放大电路是模拟电路中最基本的单元电路。放大电路一般包含具有非线性特性 的三极管或集成放大器件，它们需要直流提供静态工作点，而被放大的是交流信号。 所以，在模拟电路工作时，既有直流也有交流，既有线性元件工作又有非线性器件 工作，既需要有静态分析又需要有动态分析。必须熟悉交直流电路、RC电路的过 渡过程和半导体器件等方面的知识。所以我们在课程中要学习模拟电路的一些基本 电路的组成、工作原理和分析方法，以及它们的应用，为以后从事有关工作打下基 础。 2.2 集成IC器件 2.2.1 集成IC的发展 自1958年美国德克萨斯仪器公司(TI)发明集成电路（IC）后，随着硅平面技 术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路， 它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃，创造了一个 前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产业集成电路产业。 回顾集成电路的发展历程，我们可以看到，自发明集成电路至今40多年以来， 西安石油大学本科毕业设计（论文） 5 “从电路集成到系统集成“这句话是对IC产品从小规模集成电路（SSI）到今天特大 规模集成电路（ULSI）发展过程的最好总结，即整个集成电路产品的发展经历了 从传统的板上系统（System-on-board）到片上系统（System-on-a-chip）的过程。在 这历史过程中，世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了三 次变革。 第一次变革：以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段。 70年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。这 一时期IC制造商（IDM）在IC市场中充当主要角色，IC设计只作为附属部门而存在。 这时的IC设计和半导体工艺密切相关。IC设计主要以人工为主，CAD系统仅作为 数据处理和图形编程之用。IC产业仅处在以生产为导向的初级阶段。 第二次变革：Foundry公司与IC设计公司的崛起。 80年代，集成电路的主流产品为微处理器（MPU）、微控制器（MCU）及专 用IC（ASIC）。这时，无生产线的IC设计公司（Fabless）与标准工艺加工线 （Foundry）相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。 随着微处理器和PC机的广泛应用和普及（特别是在通信、工业控制、消费电 子等领域），IC产业已开始进入以客户为导向的阶段。一方面标准化功能的IC已难 以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求，同时整机客户则要求不断增加IC的集 成度，提高保密性，减小芯片面积使系统的体积缩小，降低成本，提高产品的性能 价格比，从而增强产品的竞争力，得到更多的市场份额和更丰厚的利润；另一方面， 由于IC微细加工技术的进步，软件的硬件化已成为可能，为了改善系统的速度和简 化程序，故各种硬件结构的ASIC如门阵列、可编程逻辑器件（包括FPGA）、标准 单元、全定制电路等应运而生，其比例在整个IC销售额中1982年已占12；其三是 随着EDA工具（电子设计自动化工具）的发展，PCB设计方法引入IC设计之中，如 库的概念、工艺模拟参数及其仿真概念等，设计开始进入抽象化阶段，使设计过程 可以独立于生产工艺而存在。有远见的整机厂商和创业者包括风险投资基金 （VC）看到ASIC的市场和发展前景，纷纷开始成立专业设计公司和IC设计部门， 一种无生产线的集成电路设计公司（Fabless）或设计部门纷纷建立起来并得到迅速 的发展。同时也带动了标准工艺加工线（Foundry）的崛起。全球第一个Foundry工 厂是1987年成立的台湾积体电路公司，它的创始人张忠谋也被誉为“晶芯片加工之 父“。 第三次变革：“四业分离“的IC产业 90年代，随着INTERNET的兴起，IC产业跨入以竞争为导向的高级阶段，国 际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争。以 DRAM为中心来扩大设备投资的竞争方式已成为过去。如1990年，美国以Intel为代 表，为抗争日本跃居世界半导体榜首之威胁，主动放弃DRAM市场，大搞CPU，对 半导体工业作了重大结构调整，又重新夺回了世界半导体霸主地位。这使人们认识 到，越来越庞大的集成电路产业体系并不有利于整个IC产业发展，“分“才能精，“ 整合“才成优势。于是，IC产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了 设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面，近年来，全球IC产业的发展越 来越显示出这种结构的优势。如台湾IC业正是由于以中小企业为主，比较好地形成 了高度分工的产业结构，故自1996年，受亚洲经济危机的波及，全球半导体产业出 西安石油大学本科毕业设计（论文） 6 现生产过剩、效益下滑，而IC设计业却获得持续的增长。 特别是96、97、98年持续三年的DRAM的跌价、MPU的下滑，世界半导体工 业的增长速度已远达不到从前17的增长值，若再依靠高投入提升技术，追求大尺 寸硅片、追求微细加工，从大生产中来降低成本，推动其增长，将难以为继。而IC 设计企业更接近市场和了解市场，通过创新开发出高附加值的产品，直接推动着电 子系统的更新换代；同时，在创新中获取利润，在快速、协调发展的基础上积累资 本，带动半导体设备的更新和新的投入；IC设计业作为集成电路产业的“龙头“，为 整个集成电路产业的增长注入了新的动力和活力。 2.2.2 集成IC的分类 IC按功能可分为：数字IC、模拟IC、微波IC及其他IC，其中，数字IC是近年来 应用最广、发展最快的IC品种。数字IC就是传递、加工、处理数字信号的IC，可分 为通用数字IC和专用数字IC。 通用IC：是指那些用户多、使用领域广泛、标准型的电路，如存储器 （DRAM）、微处理器（MPU）及微控制器（MCU）等，反映了数字IC的现 状和水平。 专用IC（ASIC）：是指为特定的用户、某种专门或特别的用途而设计的电路。 2.3 PN结的形成与半导体BJT 2.3.1 PN结的形成的概述 2.3.1.1 PN 结及其形成过程 在杂质半导体中，正负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中 性。 载流子的浓度差产生的多子的扩散运动 在 P 型半导体和 N 型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的 浓度差，N 型区内的电子很多而空穴很少，P 型区内的空穴很多而电子很少，这样 电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有些电子要从 N 型 区向 P 型区扩散，也有一些空穴要从 P 型区向 N 型区扩散。 电子和空穴的复合形成了空间电荷区 电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使 P 区和 N 区中原来的电中性被破坏。P 区失去空穴留下带负电的离子，N 区失去电 子留下带正电的离子，这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间 电荷，它们集中在 P 区和 N 区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这 就是所谓的 PN 结。 空间电荷区产生的内电场 E 又阻止多子的扩散运动 在空间电荷区后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电 场，其方向从带正电的 N 区指向带负电的 P 区，由于该电场是由载流子扩散后在 半导体内部形成的，故称为内电场。因为内电场的方向与电子的扩散方向相同，与 空穴的扩散方向相反，所以它是阻止载流子的扩散运动的。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 7 图 2.1 载流子的扩散运动 综上所述，PN 结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场的阻力的 扩散运动；另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运 动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。由于 两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，PN 结中无宏 观电流。 2.3.1.2 PN 结的单向导电性 PN 结在外加电压的作用下，动态平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。 外加正向电压 当 PN 结外加正向电压时，外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使 空间电荷区（PN 结）变窄。同时空间电荷区中载流子的浓度增加，电阻变小。这 时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压用 VF表示。在 VF作用下，通过 PN 结 的电流称为正向电流 IF。外加正向电压的电路如图 2.2 所示。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 8 图 2.2 外加正向电压的电路 当 PN 结外加反向电压时，外电场与内电场的方向相同，内电场变强，结果使 空间电荷区（PN 结）变宽, 同时空间电荷区中载流子的浓度减小，电阻变大。这 时的外加电压称为反向电压或反向偏置电压用 VR表示。在 VR作用下，通过 PN 结 的电流称为反向电流 IR或称为反向饱和电流 IS。如图 2.3 所示。 图 2.3. 外加反向电压的电路 2.3.2 半导体BJT的概述 BJT是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于PN结之间的相 互影响，使BJT表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大，从而使PN结的应 用发生了质的飞跃。BJT又称为晶体管，它的种类很多。按照频率分，有高频管、 低频管；按照功率分，有大、中、小功率管；按照半导体分，有硅管等等。但从它 的外形来看，BJT都有三个电极。根据结构不同，BJT一般可分为两种类型：NPN 型和PNP型。 BJT是由两个PN结的三层半导体制成的。中间是一块很薄的P型半导体（几微 米几十微米） ，两边各为一块N型半导体。从三块半导体上各自接出的一根引线就 是BJT的三个电极，它们分别叫做发射极e、基极b、集电极c，对应的每块半导体 称为发射区、基区和集电区。虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区比 集电区掺的杂质多。在几何尺寸上，集电区的面积比发射区的大。 当两块不同类型的半导体结合在一起时，它们的交界处就会形成PN结，因此 BJT有两个PN结：发射区与基区交界处的PN结称为发射结，集电区与基区交界处 的PN结称为集电结，两个PN结通过很薄的基区联系着。 同样，PNP型BJT也是由两个PN结的三层半导体制成的，不过此时中间是N型 半导体，两边是P型半导体。NPN和PNP型BJT具有几乎等同的特性，只不过各电 极端的电压极性和电流流向不同而已。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 9 3 电子红外感应水嘴控制器的硬件电路单元 3.1 整体描述 硬件电路组成功能图： 信号产生 电路 信号调理 电路 信号检测 电路 控制设备 图 3.1 硬件电路功能框图 硬件电路组成图如下： 发射 二极 管 接收 二极 管 有源 高通 滤波 器 比例 放大 电路 可调 增益 限幅 电路 锁相 环检 测电 路 继电 器 控制 设备 图 3.2 硬件电路组成框图 红外线发射二极管发射红外线信号。 红外线光敏二极管检测到由红外线发射二极管发射的红外线信号，并将其转 换为电信号。 红外线光敏二极管输出的电信号经过有源高通滤波器，滤除外界低频干扰信号， 再经过比例放大器后放大输出。 比例放大电路输出信号经过可调增益限幅放大器的放大，送入锁相环单音检测 电路的输入端。 锁相环单音检测电路检测到与自身振荡频率相同的信号后，输出低电平，使继 电器吸合，控制设备开始工作。 3.2 各部分具体描述 3.2.1 红外发光二极管 作为电子红外感应水嘴控制器重要组成元件，红外发光二极管是采用砷化镓 （GaAs）和砷铝化镓（GaAlAs）等半导体材料制成的，它们的外型和普通的发光 二极管基本相同，用透明的树脂材料封装。中大功率的红外发光二极管采用金属或 陶瓷材料做底座，用玻璃或树脂透镜做窗口。本设计选用SE301A红外发光二极管。 3.2.1.1 红外发光二极管的基本特性 伏安特性 红外发光二极管的安暗特性如图3.3所示，红外发光二极管的正向压降VF与材 料及正向电流有关。砷化镓红外发光二极管地正向压降在12V之间；小功率管的 正向压降在11.3V之间；中功率管的正向压降在1.61.8V之间；大功率管的正向 西安石油大学本科毕业设计（论文） 10 压降小于等于2V。在使用时应注意驱动电源电压的数值应大于红外发光二极管的 正向电压VF，否则不能克服死区电压产生的正向电流IF。 红外发光二极管的反向击穿电压VR较低，约为530V，因此，使用中要注意 其反向电压不要超过5V，否则会造成元器件损坏。所以，在实际使用中需加限流 电阻予以保护。 I IF VR O VF V 图 3.3 伏安特性 输出特性 红外发光二极管的输出特性曲线如图3.4所示。它表示红外发光二极管的输出 功率Po与正向工作电流IF之间的关系。 由图3.4可见，在工作电流IF较小时，输出光功率Po与工作电流IF成线性关系。 当工作电流IF较大时，曲线产生了弯曲，红外发光二极管饱和，Po与IF就不再成线 性关系了，形成了非线性工作区。 在红外感应电路中，红外发光二极管一般都工作在开关状态（数字调制）。 因此，对于输出特性是否在线性区没有要求。 当红外发光二极管用在简单的光通信中时，它的工作状态为调幅工作状态 （模拟调制），这时必须使红外发光二极管工作在线性区。 Po 线性区 饱和区 o IF 图 3.4 输出特性 指向特性 红外发光二极管的指向特性是指它的发射光强度与光辐射的几何角度的关系， 它是由封装透镜的形状、管芯与顶端的位置决定的。 用于红外感应水嘴控制器的红外发光二极管所发射的红外光的波长在0.9 西安石油大学本科毕业设计（论文） 11 1.0m之间，属于近红外光。近红外光在电磁波谱中与可见光相邻，它具有反射 光的可见特性。 3.2.1.2 红外发光二极管的主要参数 工作电流IF及峰值电流IFP 一般小功率红外发光二极管的正向工作电流为3050mA，在使用时如时超过 IF工作范围，容易使红外发光二极管发热损坏。所以需加限流电阻进行保护。 峰值电流IFP是指流过管子的脉冲电流的最大峰值。若脉冲电流的平均值与恒 定的电流值相等，则脉冲电流的幅值要比允许的工作电流大的多，其发射效率也较 高。所以一般电子红外感应都采用占空比较小的脉冲工作方式。 管功耗Pm与光功率Po 管功率与光功率是两个不同的概念。管功耗是指流过管子的电流与管压降的 乘积，最大功耗不得超过允许值。而消耗在管内的电功率仅有一部分转变为光功率， 故小功率发光二极管的光功率仅为13mW，发光效率只有百分子几。 峰值波长p 峰值波长是指红外发光二极管所发出的红外光中，光强最大值所对应的发光 波长。在选用红外接收管时，其峰值波长应与红外发光二极管的峰值波长相一致或 相近，以提高其接收效率。 反向漏电流IR 反向漏电流红外发光二极管在未被击穿时反向电流的大小，这指标应尽量小。 响应时间tw 红外发光二极管PN结电容的存在会影响他的工作频率。一般红外发光二极管 的响应时间约为10-610-7s，最高工作频率约为几十兆赫兹。 表表 3.1 红外发光二极管主要参数红外发光二极管主要参数 代号单位TLN10 4 HG31 0 HG450HG52 0 BT401SE301APH3 02 正向工 作电流 IFmA（A ） 6050200(3)40100 峰值电 流 IPFmA6001A 反向击 穿电压 VRV5555532 正向压 降 VFV2512520100 550 126.5 峰值波 长 nm940940930930940940940 西安石油大学本科毕业设计（论文） 12 最大功 耗 PmmW5360(6)100150150 3.2.1.3 红外发光二极管的基本驱动方式 红外发光二极管是一种电流驱动器件，它的基本驱动方式有直流恒定电流驱 动、直流脉冲驱动和交流电流驱动三种。 直流恒定电流驱动方式 直流恒定电流驱动方式如图3.5所示。图中V+为驱动电压，R为限流电阻，驱 动电流IF=V-VF/R。式中VF是红外发光二极管的正向管压降。由于是直流驱动，其 驱动电流也就是正向平均工作电流。因此，实际工作电流只要不超过器件参数表给 出的表值即可。 由于是直流电流恒定驱动，因此，红外发光二极管发出的也是光强恒定的红 外光，如图3.6所示。这种驱动方式常用于红外感应电路中的红外发射电路，其特 点是结构简单。 V+ R LED 图 3.5 直流恒定电流驱动 Po I P I t 图 3 6 红外光曲线 直流脉冲电流驱动方式 驱动原理如图3.7所示。在图3.7中，驱动电压V为脉冲电压，所以红外发光二 极管的驱动电流也为脉冲电流。红外光的有效传送距离与驱动功率峰值成正比，而 西安石油大学本科毕业设计（论文） 13 峰值功率又与所加的驱动电流峰值成正比。所以，为了提高红外光的传送距离，应 加大峰值驱动电流。红外发光二极管参数表中给出的工作电流有正向工作电流和峰 值电流两项，其中正向工作电流是指采用直流恒定电流驱动方式时的平均工作电流， 峰值电流是指采用直流脉冲电流驱动方式时的峰值驱动电流。红外发光二极管的正 向工作电流IF与峰值电流IFP之间有如下关系： Ip= IFP(To/Td)1/2 其中To/Td为脉冲电流的空度比。空度比越大，允许的峰值电流越大。因此，若参 数表中仅给出其中一项时，则可根据公式求出另一项，以适应电路实际工作的要求。 例如：某红外发光二极管的参数表中仅给出IF=100mA，若电路中需要的空度比为 To/Td=25，则有公式可以算出峰值电流IFP=500mA。 脉冲电流的空度比并不是可以无限加大的，因为空度比过大时，脉冲的宽度 Td太窄，由于受红外发光二极管响应时间的限制，来不及响应脉冲电流就消失了， 这样就不能保证控制的有效性。 采用直流脉冲电流驱动方式除了能提高发射功率和节约发射能源外。在用一 定频率的脉冲电流来驱动红外发光二极管时，它的每一个发送周期可以包含许许多 多的信息。正因如此，直流脉冲电流驱动方式是红外发光二极管在红外感应电路中 的主要应用方式。 V R LED To TD 图 3.7 直流脉冲电流驱动 西安石油大学本科毕业设计（论文） 14 I Po Ip o t 图 3.8 交流电流驱动方式 交流电流驱动方式与直流脉冲电流驱动方式完全相同，只是直流脉冲电流驱 动方式采用的是矩形波，而交流电流驱动方式采用的是正弦波，同时对驱动电路预 加直流偏置，以保证所传递信号的保真度。交流电流驱动方式主要用来传递音频信 号，如近距离的红外线通信、音响电路中的红外线耳机等等应用。 3.2.1.4红外发光二极管的检测 由于红外发光二极管，它发射 13m 的红外光，人眼看不到。通常单只红外 发光二极管发射功率只有数 mW，不同型号的红外 LED 发光强度角分布也不相同。 红外 LED 的正向压降一般为 1.32.5V。正是由于其发射的红外光人眼看不见，所 以利用上述可见光 LED 的检测法只能判定其 PN 结正、反向电学特性是否正常， 而无法判定其发光情况正常否。为此，最好准备一只光敏器件（如 2CR、2DR 型 硅光电池）作接收器。用万用表测光电池两端电压的变化情况。来判断红外 LED 加上适当正向电流后是否发射红外光。其测量电路如图 3.9 所示。 图 3.9 红外发光二极管的检测电路 3.2.2 光电二极管 光电二极管也是红外感应水嘴控制器的重要组成，半导体材料在受到光的照 射后会产生电流，这就是半导体的光电效应。光电二极管就是利用半导体材料的光 电效应制成的。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 15 光电二极管是一种光电变换器件，当它的PN结受到光的照射后能吸收光并将 光能转换为电能。光电二极管采用以下两种工作方式工作。第一种为预加偏压工作 方式，即对光电二极管预加一定的偏压，当受到光的照射后，光电二极管的反向电 流会随着照射光强度的变化而变化，光的强度越大，则反向电流越大。在大多数应 用电路中，光电二极管都是以这种方式工作的，第二种为不加偏压的工作方式，它 是利用PN结在受到光照后会产生正向电压的原理，把光电二极管当作微型光电池 使用，这种工作方式多用于光电检测电路。 光电二极管有四种类型：PN结型（也称PD型）、PIN结型，雪崩型和消特基 型，其中应用最多的是用硅材料制作的PN结型光电二极管，它的价格也最低。其 它几种类型的光电二极管由于响应速度快，主要用于光纤通信及计算机信息传输。 常用的光电二极管一般有2DU型和2CU型两种。2DU型光电二极管带有环极，可减 小暗电流，它接电源正极。一般最常用的是2CU型光电二极管，它采用金属外壳全 密封，顶端有玻璃透镜窗口。 本设计选用PH302光电二极管。 3.2.2.1 光电二极管的基本特性 伏安特性 光电二极管在无光照射时，它的特性与一般的硅二极管一样。当受光照射后， 它的特性曲线沿电流轴向下平移，平移的幅度与光的照度成正比。特性曲线在第三 象