毕业论文-全自动感应式垃圾箱设计.doc

武汉科技大学职业技术学院毕业设计（论文）开题报告题目： 全自动感应式垃圾箱 学生姓名： 学号：专业： 机电一体化 班级： 指导老师： 完 成 日 期 ： 2007年5月20日一.课题名称、来源、目的和意义1.论文名称 全自动感应式垃圾箱2.论文来源 利用自己的所学知识和在动手操作中得到的实践经验并加以许多教授专家和学者们总结出来的经验。3.目的和意义近年来随着中国政策改进，科技突飞猛进的发展，使人们的生活水平不断提高，人们的环境保护意识不断增强。而城市高节奏的工作和生活使人需要一个既可以保护环境又可以节约时间也可以方便他人随时丢垃圾同时又不让人们闻到垃圾箱里那股刺激的味道。这需要一个让人靠近垃圾箱时垃圾箱就自动打开盖子让人们直接丢垃圾的垃圾箱，这样一个感应式的垃圾箱就诞生了。它不仅给我们很大的方便，也为清洁工们省去了很多不必要的麻烦。它的出现标志着人们对环境的保护意识又提高了一个层次，同时也给现代自动化控制的科技领域的技术一个很好展现的平台。二.国内外现状和发展趋势 目前市场上各种各样的垃圾桶看了让人眼花缭乱，功能无非就是用脚压或者根本就不用盖子的“露天”式垃圾箱，这些垃圾箱或多或少有自己的缺点，也不能满足人们高节奏的工作和生活需要。因此研究一种新型的使用更方便的垃圾箱是经济发展的必然。全自动感应垃圾箱的产生也是顺应历史的发展和经济快速前进而产生的。同时也是将当前电子技术得以更加完美发展并运用到社会各个领域。因此，此产品对现在的社会发展具有很大的作用。三.研究内容及方法 1.研究内容本产品采用当今最为创新的全自动感应式控制技术，以人体产生红外线为整个电路信号的来源，借以红外线感应电路模块把人体释放出来的红外线加以接受并处理，产生电路所需干扰信号，通过对干扰信号收集处理以此为桥梁去控制动力源，把电信号转化为力作用于垃圾箱盖子上面，从而完成整个产品工作过程。 主要内容包括：（1） 红外线感应电路分析：感应距离：即不要感应太远也不要感应太近。感应灵敏度：反应时间不要太长，以免造成“反应迟钝”现象。 感应角度：应该在垃圾箱所放位置360度以内。（2） 驱动放大电路分析： 放大电路的放大倍数要求：放大电路的电压或电流应满足负载的电压或电流的要求不要产生过电流现象。（3） 电机的选择分析：(a)功率：要求即不要太耗电，刚好满足可以推动盖子翻开即可。(b)电机种类选择：合适相应的电路。（4） 连杆传动分析：选择最合适杠杆：即要求杠杆最省力。2.研究方法借鉴其它设备的构造，并以实验方式来验证设计方案是否达到最佳标准，而且以机械技术和电子技术为基础研究新型可靠实用的方法。四.课题研究计划阶段任务时间（天）产品的设计与安装调试收集相关感应自动控制资料，设计电路并安装调试111论文准备收集相关资料，阅读有关书籍111论文撰写论文撰写1113论文答辩论文答辩1314毕业设计（论文）题 目： 全自动感应式垃圾箱学生姓名： 学 号： 专 业： 班 级： 指导老师： 评阅老师： 完成日期 2007年5月20日武汉科技大学职业技术学院毕业设计（论文）课题任务书（2007学年）课题名称全自动感应式垃圾箱学生姓名专业机电一体化学号指导老师指导人数3课题概叙：一. 设计任务：1. 画出整个设计产品的结构方框图；2. 依据要求画起草电路原理图；3. 通过计算选择最佳元件的参数； 4. 通过EDA仿真软件进行仿真和调试，观察各个部分波形图；5. 用protel99绘出电子线路图和电路相应的元件清单并画出该电路的PCB制版格式图；6. 用面包板进行安装调试直到完成一个好的完整电路为止。二设计目的：1. 通过设计，加深对电子技术知识的理解，巩固和提高学过的理论与专业知识，并予以适当的深化。2. 掌握电子技术设计的一般方法，包括模拟和数字电路的设计；熟悉用protel99电子绘图和PCB板设计，EDA仿真软件的使用方法等。3. 学会在项目开发时如何搜集和查阅资料、使用开发工具、进行方案论证与设计、总结设计成果、写学术论文等能力，为今后工作打下良好基础。三基本要求：1. 只有人靠近垃圾箱12米时整个电路才处于正常工作状态；2. 要求感应范围在以箱为中心的140度；3. 打开盖子时间要快，不能太慢，盖子打开持续时间不要太长；4. 在没有电源的候电路要有备用电源，以满足它随时都处于工作状态；5. 其它功能。四 设计报告：方案比较（实用性，先进性，可行性分析和比较）；设计与论证（绘制框图，原理概述）；理论分析（公式推导和相关计算）；电路图及有关设计文件（含电路结构图）；电路元件选择与参数说明；电路安装与调试方法及步骤；测试方法与仪器。五.完成成果1. 设计报告；2. 图纸和程序；3. 课程总结；4. 毕业论文文档一份（不少于4000字）。原始资料及主要参数： 线感应电路 + 信号驱动 + 电机工作参数红外线感应电路： 感应范围：140度锥角，2米以内； 工作温度：-15度+70度； 工作电压：DC5V12V； 延时：12秒。信号驱动电路：电机参数： 工作电压：AC220V，5c/d。设计（论文）成果要求：1. 开题报告； 2. 说明书；3. 图纸；4. 调查报告；5. 实习报告；6. 论文；7. 其它。进 度 计 划 安 排起止日期要求完成的内容及质量第1周第1周第2周第2周第2周第2周1学习毕业设计（论文）要求及有关规定。2阅读指定的参考资料及文献。3设定计划任务并完成计划，分步完成设计与论文，完成设计并调试及论文修改。4完成设计及论文，交指导老师批阅。5完成毕业设计，全部成果交指导老师批阅。6毕业答辩。审核（系主任）批准（院长） 论文原创性声明本人郑重声明：所呈交是本人在指导老师的指导下独立进行研究所取得的研究成果，除了论文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 2007年 月 日论文版权使用授权书 本论文作者完全了解学校有关保障，使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀论文评选机构本论文的全部或部分内容输入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存和汇编论文。 本论文属于 1. 保密 ， 在 年解密后使用本授权书。 2. 不保密。 （请在以后相应方框内打“”）作者签名： 2007年 月 日导师签名： 2007年 月 日设计报告目录：摘要 1前言 21. 部分方案比较，选择与论证 31.1传感器的选者方案81.2电动机的选者分析82. 总体方案设计原理132.1 555的概述及相应电路的分析132.2 继电器的分析202.3 概述电路原理的分析及电路图213. 附录（支撑电路,操作说明，元器件清单，参考文献等）244.致谢27红外线自动感应控制系统 自动翻盖垃圾桶 学生： 指导老师： 武汉科技大学职业技术学院摘要 本系统采用红外线人体感应模块为核心，该产品由微电脑芯片控制，红外线探测装置、机电驱动系统组成，是集机-光-电为一体的高科技新产品，它靠红外感应自动开盖，当人的手或物体接近投料口（应感窗）约100cm-200cm时，垃圾桶盖便会自动开启，等垃圾投入完毕（即人离开感应窗口），垃圾桶盖又会自动关闭，人物不需接触垃圾桶。其基本工作原理是利用红外传感器接收人体所产生的热信号转换成电信号传输给原动器触发控制装置，产生相应的机械动作带动桶盖开启或关闭，它解决了长久以来旧式手动或脚踩垃圾桶存在的因接触垃圾桶而被细菌感染的隐患，而且产品外形美观大方使用卫生方便,又能带给您科技时尚的感觉. 关 键 词:红外线探测装置 机电驱动前 言随着人类社会的不断进步，人们生活日益不断的提高，人民对生活的追求也不断提高，多样化且高效复杂飞快的生活节奏使得人们对待自身周围的环境的要求也更为严格。 现实生活中，一般普通垃圾箱虽然能够满足人们最基本的扔垃圾的需求，但它却仍然存在着许多不可解决的缺陷，无盖的垃圾箱方便却不卫生，垃圾的各种难闻气味特别容易通过空气传播，细菌的感染间接地给人们带来种种的疾病，严重影响着人们的生活；有盖的垃圾箱相对比较卫生却很不方便，而且必须通过自己亲手去开启垃圾箱的盖子，才能扔垃圾，这样就容易造成接触感染而直接就能够给人带来许多疾病，造成严重的后果。 所以，针对人们生活中遇到的问题，我们设计了一种完全能够避免细菌感染的隐患的既卫生又方便垃圾箱-全自动感应式翻盖垃圾箱。第一部分 方案的论证与选择1.1传感器的选择方案传感原理：热释电红外探头的工作原理及特性人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能将信号转为电流或者电流信号。 1、这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。 2、为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。 3、被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 4、一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。 5、菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密方案一： 电源电压：100V/AC130V/AC 220V/AC240V/AC 90V/AC250V/AC 电源频率:5060Hz光控照度：20LUX 工作延时：min: 8秒3秒 max:7分2分 负载功率：1200W （220V/AC240V/AC） 800W（110V/AC）探测角度：180 140 探测距离：9m max(24) 工作温度：-2040 相对湿度：小于93%RH 安装高度：1m1.6m 耗电量：工作时0.45W(静态时0.1W) 探测移动速度：0.61.5m/s优点：探测距离远，工作速度高，静态功耗小，缺点：安装高度太高， 方案二：DF-801 110度热感红外线侦测器 侦测方式：红外线热感侦测角度：110度侦测距离：512公尺安装高度：2.1m2.5m感应次数：一次或二次溫 機 时间：50秒电源输入：DC 6V 18V待机消耗电流：（DC-12V）18mA外型尺寸：104 64 28mm重 量：98g优点：输入电源小，待机电流小缺点：探测角度小，安装高度高，方案三： 红外线感应模块（TDL-408）人体红外线感应模块（TDL-408）1、功能特点： 基于红外线技术的自动控制产品，当有人进入开关感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，自动输出高电平，人不离开感应范围，将持续输出高电平；人离开后，开关延时自动关闭负载。灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类自动感应电器设备。 1）延时时间：也可根据客户要求订做，订做范围零点几秒至30分钟。 2）超低功耗：自身功率0.00005W。 3）电压设计：4.5V-20VDC（可定做工作电压：3-4.5VDC） 4）有感应封锁时间：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。（此时间可设置在零点几秒几十秒钟） 5）触发方式：可连续触发，不可连续触发。（可跳线选择） 6）电性参数： 感应方式：被动式 工作电压：4.5V-20VDC 感应原理：人体红外 最大功耗：0.00005W 感应距离：7米 输出方式：高电平低电平 感应角度：140度圆锥角负载范围 光控感应：5LUX-500LUX（可调）（标准无光控功能） 环境温度：-2050 7）适用范围：各类电器的自动控制等功能，同时可用于防盗等用途。8）优点：功耗小，输入电源要求小，感应距离合适，9）缺点：感应是被动的1.2 电机驱动电路的选者方案的比较：（1）一般电机驱动电路 主板上有两套桥式驱动电路，可分别驱动两个电机的正转和反 转。电机正转时，左下、右上两个晶体管导通，等效电路如下图所示：电机反转时，左上、右下两个晶体管导通，等效电路如下图所示：2. 步进电机驱动1. 小功率4相步进电机的驱动下面是一种驱动电路框图:M1单片机地址译码74HC374ULN2803M2POWERPOWER达林顿管阵列ULN2803分别从锁存器取出第0,2,4,6位和1,3,5,7位去驱动两个步进电机.四相步进电机的通电顺序可以有几种:A,B,C,D(4相4拍);AB,BC,CD,DA(4相双4拍);A,AB,B,BC,C,CD,D,DA(4相8拍).为了兼顾稳定性,转矩和功耗,一般采用4相8拍方式.所有这些方式都可以通过循环移位实现(也要有定期监控),为了使4相8拍容易实现,锁存器与驱动部分采用了交叉连接.步进电机工作在四相八拍模式（即正转的输入信号为100011000100011000100011000110011000），对应每个步进电机要有四个信号输入端，理论上向端口输出信号可以控制两个步进电机的工作。寄存器循环移位奇偶位分别作两个步进电机的驱动端的做法，其思想如下：LOOP:MOV A,#1110000B;在A寄存器中置入11100000RR A;右移位AJMP LOOP;循环右移位这样在寄存器A中存储的值会有如下循环111000000111000000111000000111000000111000000111100000111100000111100000,其奇数位有如下循环100011000100011000100011000110011000,其偶数位有如下循环110001000110001000110001100110001100.将A输出到P0端口，则奇数位和偶数位正是我们所需要的步进电机输入信号。而事实上每个电机的动作是不同的,为此我们在RAM中为每个电机开辟一个byte的状态字节用以循环移位.在每一个电机周期里,根据需要对每个电机的byte进行移位,并用ANL指令将两个电机的状态合成到一个字节里输出此时的A同时可以控制两个电机了步进电机的速度由驱动脉冲的频率决定,移位的周期不同,电机的速度也就不同了.前面提到的电机周期,应该取各种可能的周期的最大公约数.换句话说,一旦电机周期取定,每个电机移位的周期应该是它的倍数.在程序中,对每个电机的相应时刻设定相应的分频比值,同时用一个变量进行加一计数:每到一个电机周期若计数变量分频比值,则计数变量加1;若相等,则移位,计数变量清零.这样就实现了分频调速,可以让多个电机同时以不同的速度运转.另外,也可以采用传统的查表方式进行驱动,程序稍长,但也比较稳定，这种方法非常适合三相步进电机。UCN5804B/LB是Allegro公司生产的4相步进电机驱动专用芯片,它集成了控制逻辑,脉冲分配和功率推动,通过几个管脚的电平来设定转动方式,方向,通过改变外时钟频率来改变转动速度,这给完成复杂的动作和测试步进电机参数带来了极大的方便.2、 步进电机的智能驱动方案步进电机有可以精确控制的优点，但是功耗大，效率低，力矩小。如果选用大功率步进电机，为了降低功耗，可以采取PWM恒流控制的方法。基本思路是，用带反馈的高频PWM根据输出功率的要求对每相恒流驱动，总体电流顺序又符合转动顺序。需要力矩小的时候应及时减小电流，以降低功耗。该方案实现的电路，可以采用独立的单片机或CPLD加场效应管驱动电路以及电流采样反馈电路。 由两种电路相比较：考虑产品成本和工艺要求等多方面因素，本产品才用方案一 比较合适。经改进后用继电器驱动。（原理与方案一相同） 第二部分 总体方案设计原理一 . 按照题目要求产品设计的系统包括三部分传感器 放大电路机电装置该产品由微电脑芯片控制，红外线探测装置、机电驱动系统组成，它靠红外感应自动开盖。当人的手或物体接近投料口（应感窗）约2米时， 传感器会产生一个干扰信号，即由红外线感应而生的电信号，此电信号如果不够满足负载要求不能带动负载所需电流或电压，则在之间必须加一个小信号放大电路。经放大后的信号作为机电转换的控制信号，控制电机的转动和其转动的方向，从而使得垃圾桶盖便会自动开启，等垃圾投入完毕，垃圾桶盖又会自动关闭，人物不需接触垃圾桶。其基本工作原理是利用红外传感器接收因物体接近信号转换成电信号传输给原动器触发控制装置，产生相应的机械动作带动桶盖开启或关闭。 此就是整个系统大体思路和方法。二 、系统详细设计、理论分析和计算、详细电路图 2.1、555的简介与应用555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计新颖，构思奇巧，用途广泛，备受电子专业设计人员和电子爱好者的青睐，人们将其戏称为伟大的小IC。1972年，美国西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出Tmer NE555双极型时基电路，设计原意是用来取代体积大,定时精度差的热延迟继电器等机械式延迟器。但该器件投放市场后，人们发现这种电路的应用远远超出原设计的使用范围，用途之广几乎遍及电子应用的各个领域，需求量极大。美国各大公司相继仿制这种电路 1974年西格尼蒂克斯公司又在同一基片上将两个双极型555单元集成在一起，取名为NF556。1978年美国英特锡尔公司(Intelsil)研制成功CMOS型时基电路ICM555 1CM556,后来又推出将四个时基电路集成在一个芯片上的四时基电路558 由于采用CMOS型工艺和高度集成，使时基电路的应用从民用扩展到火箭、导弹、卫星、航天等高科技领域。在这期间，日本、西欧等各大公司和厂家也竞相仿制、生产。尽管世界各大半导体或器件公司、厂家都在生产各自型号的555556时基电路，但其内部电路大同小异，且都具有相同的引出功能端。555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5k电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器。556和7556是双定时器。双极型的电源电压V CC +5V+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压为+3V+18V。555集成内部电路原理框图及引脚排列（1）555集成定时器内部电路原理框图如图（1） 所示。它是由两个电压比较器、三个5k电阻、一个RS触发器，一个放电三极管以及功率输出级组成。比较器的参考电压由三只5k的电阻构成分压器提供。它们分别使高电平比较器A 1 的同相输入端和低电平比较器A 2 的反相输入端的参考电平为 和 。 A 1 与A 2 输出端控制RS触发器的状态和放电三极管的状态。 当 T H 的电压大于V R1 ， 的电压大于V R2 时，比较器A 1 的输出V A1 0（即R0）、比较器A 2 的输出V A2 1（即S1），基本RS触发器被置0，输出V OUT 0。 当 T H 的电压小于V R1 ， 的电压小于V R2 时，比较器A 1 的输出V A1 1（即R1）、比较器A 2 的输出V A2 0（即S0），基本RS触发器被置1，输出V OUT 1。 当 T H 的电压小于V R1 ， 的电压小于V R2 时，比较器A 1 的输出V A1 1（即R1）、比较器A 2 的输出V A2 0（即S0），基本RS触发器被置1，输出V OUT 1。 当基本的 RS触发器被置1时，三极管T截止；基本RS触发器被置0时，三极管T导通，可以为外接电容提供一个接地的放电回路，故T的集电极输出称为放电端。 （ 4脚）是复位端，当 0，V OUT 0。 V C 是控制电压端，平时输出 作为比较器 A 1 的参考电平，当5脚外接输入电压，即改变了比较器的参考电压，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压是，通常接一个0.01F的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。 555集成定时器主要是与电阻、电容构成充放电，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电三极管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。 555集成定时器的典型应用 （ 1）构成单稳态触发器 为由555集成定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器、触发电路由C 1 、R 1 、D构成，其中D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电三极管T导通，输出端F输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经C 1 加到2端。并使2端电位瞬时低于 ，低电平比较器动作，单稳态电路开始一个暂态过程，放电三极管 T截止，电容C开始充电， v C 按指数规律增长。当 v C 充电到 时，高电平比较器动作，比较器翻转，输出 V O 从高电平返回低电平，放电三极管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电三极管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触发脉冲的来到做好准备。波形如图（b）所示。 暂稳态的持续时间 T W （即为延时时间）决定于外接元件R、C值的大小。 通过改变 R、C的大小，可使延时时间在几十个微秒到几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端（4脚）的方法来中止暂态，重新计时。此外尚须用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电动势损坏内（2）组成施密特触发器 如图下页所示：图 5 施密特触发器 图6 波形变换图电路如图5所示，只要将脚2、6连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器，图6给出了 v s ， v i 和 v o 的波形图。 设被整形变换的电压为正弦波 v s ，其正半波通过二极管 D同时加到555集成定时器的2脚和6脚，得到 v i 为半波整形波形。当 v i 上升到 时， v o 从高电平翻转为低电平；当 v i 下降到 时， v o 又从低电平翻转为高电平。电路的电压传输特性曲线如图 7-8所示。 图 7 电压传输特性 回差电压 : 2.2、继电器的概况：一、继电器的定义 继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。 二、继电器的继电特性继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常开触点断开（如下图）。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。 释放值xf与动作值xx的比值叫做反馈系数，即 Kf= xf /xx 触点上输出的控制功率Pc与线圈吸收的最小功率P0之比叫做继电 器的控制系数，即Kc=PC/P0 3、总电路原理描