简易自来水开关控制电路设计.doc

课程设计说明书 第 I 页 简易自来水开关控制电路设计 摘 要 随着对红外感应技术的深入研究，以及电源电路设计的进一步发展，自来 水开关控制电路的设计更加简单、稳定，在降低成本满足需求的同时，还起到 了节约用水的作用。 本文在研究电源电路、红外感应和开关电路原理的基础上，根据电子线路 设计的准则，设计了一个简易自来水开关控制电路。该电路能够在人们需要用 水的时候，通过感应装置自动打开自来水开关，并在打开开关一段时间后，自 动关断开关，从而起到节约用水的你目的。 该方案基本满足了设计的要求，但是在电源电路、红外线发射接收电路方 面还存在需要改进的地方。 关键词：红外线感应、电源电路、开关电路、节约用水 课程设计说明书 第 II 页 目 录 1 绪论1 1.1 课题描述 1 1.2 基本工作原理及框图 1 2 自来水开关控制系统的研究基础 2 2.1 红外感应的原理.2 2.2 红外感应的研究现状及应用2 2.2.1 红外探测器.2 2.2.2 红外测温仪.3 2.2.3 红外遥感技术.3 3 自来水开关控制系统的电路设计.3 3.1 红外感应电路的设计.4 3.1.1 红外线发射电路4 3.1.2 红外线接收电路4 3.2 时间延迟电路 .4 3.3 自来水开关电路 .5 3.4 电源电路 .5 3.5 电路原理图 .6 3.6 元器件清单 .6 总 结8 致 谢9 参考文献10 课程设计说明书 第 1 页 1 绪 论 1.1 课题描述 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，红外线感应开关分为两种方式，一是反射 式，二是折档式。 （1）反射式的工作方式是：红外线发出光波射到物体上反射 回来，此时感应板接受信号，距离为 1.5 米以内，然后给出一个电平信号来控 制负载电路。 （2）折档式的工作方式是：控制板一方发射红外线另一方接受红 外线信号，距离为 10 米远，此时如果有物体折档住发射信号，感应板接受到信 号给出一个电平信号来控制负载电路。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 基本工作原理及框图 简易自来水开关控制电路的总体框图如图 1.2.28 所示。它是由红外线发射 电路、红外线接收电路、时间延迟电路、自来水开关控制电路和电源电路 5 部 分构成的。 图 1.2.28 简易自来水开关控制电路的总体框图 红外线发射电路的功能是利用红外线发光管发射光脉冲，从而实现电路对 人体或物体的感应。红外线接收电路功能是利用光敏元件接收发射出来的光脉 冲，并且将光脉冲信号转化为电信号，同时对其进行放大，时间延迟电路的功 课程设计说明书 第 2 页 能是利用单稳态电路的特性，实现对自来水开关打开时间的控制。自来水开关 电路的功能是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。电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。 2 自来水开关控制系统的研究基础 2.1 红外感应的原理 人体热释电红外传感器：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 检测处理后就能触发开关动作。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，开关自动接通负载，人不离开感应范围，开关将持续 接通；人离开后或在感应区域内无动作，开关延时（时间可调 TIME 5-120 秒） 自动关闭负载。 2.2 红外感应的研究现状及应用 随着对红外感应原理研究的深入，红外技术在现实中的应用也越来越广泛， 主要体现在以下几个方面： 2.2.1 红外探测器 不同种类的物体发射出的红外光波段是有其特定波段的，该波段的红外 光处在可见光波段之外。因此人们可以利用这种特定波段的红外光来实现对 物体目标的探测与跟踪。将不可见的红外辐射光探测出并将其转换为可测量 的信号的技术就是红外探测技术。从目前应用的情况来看，红外探测有如下 几个优点：环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力； 隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性 强，不易被干扰；由于是 *目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐 射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；与雷达系统相比， 红外系统的体积小，重量轻，功耗低；探测器的光谱响应从短波扩展到长波； 课程设计说明书 第 3 页 探测器从单元发展到多元、从多元发展到焦平面；发展了种类繁多的探测器 和系统；从单波段探测向多波段探测发展；从制冷型探测器发展到室温探测 器；由于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到 了广泛的研究和应用，尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下， 作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。红 外探测器是将不可见的红外辐射能转变成其它易于测量的能量形式的能量转 化器，作为红外整机系统的核心关键部件，红外探测器的研究始终是红外物 理与技术发展的中心。自 1800 年 Herschel 发现太阳光谱中的红外线时所 用的涂黑水银温度计为最早的红外探测器以来，随着红外实验和理论的发展， 新器件不断涌现。红外探测器制备涉及物理、材料、化学、机械、微电子、 计算机等多学科，是一门综合科学。 2.2.2 红外测温仪 红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输 出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由 测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相 应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和 目标发射率校正后转变为被测目标的温度值 。当用红外辐射测温仪测量目 标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪 计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪 与两个波段的辐射量之比成比例。 2.2.3红外遥感技术 红外遥感（ infrared remote sensing ）是指传感器工作波段限于红 外波段范围之内的遥感。探测波段一般在0.761000 微米之间。是应用 红外遥感器（如红外摄影机、红外扫描仪）探测远距离外的植被等地物所反 射或辐射红外特性差异的信息，以确定地面物体性质、状态和变化规律的遥 感技术。 3 自来水开关控制系统的电路设计 课程设计说明书 第 4 页 3.1 红外感应电路的设计 3.1.1 红外线发射电路 图 1.2.29 虚线左边电路为红外线发射电路，该电路的核心器件是红外线发 光二极管 SE303，红外线发光二极管由 GaAs 的 PN 结构成，其发光波段处于可 见光波段之外，因此不能在显示中使用，一般仅作为光信号传输之用。本电路 的感应装置一般要求不可见，因此只能采用红外线发光二极管作为感应装置。 图 1.2.29 红外线发射电路和红外线接收电路 3.1.2 红外线接收电路 图 1.2.29 虚线右边电路为红外线接收电路。该电路包含两个部分：一是红 外线接收电路；二是信号放大电路。红外线接收电路实际上就是一个硅光电池 2CR21。硅光电池的原理是通过硅 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。 3.2 时间延迟电路 图 1.2.30 种虚线左边所示电路为时间延迟电路，该电路主要由两部分构成： 一是整流和滤波电路；二是由 NE555 集成电路构成的单稳态电路。前端电路的 课程设计说明书 第 5 页 输出电压 V1 首先经过二极管 D1 和 D2 整流，再经过电容 C1 滤波，则在 NE555 集成电路的 TRIG 端产生了触发电平信号。 图 1.2.30 时间延迟电路和自来水开关电路 3.3 自来水开关电路 由于电磁阀通过的是大电流、大功率，而电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。如图 1.2.30 虚线右端为电流放大电路，三极管 T1 构成的电流放大电路是 一种比较典型和简单的电路。其中 R3 为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三 极管。T1 为共发射级电路，当输入端 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，三极管截至，无电流通过。继电 器连接 T1 的集电极，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 D3 作为显示电路， 显示自来水是否流出。 3.4 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；第二种方法采用如 图 1.2.31 所示电路。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的 220V 交流电转换为+12V 直流电压。电路中变压器 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，C1、C2、C3 和 C4 课程设计说明书 第 6 页 完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。 图 1.2.31 电源电路 3.5 电路原理图 简易自来水开光控制电路的总电路图如图 1.2.32。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。 图 1.2.32 简易自来水开关控制电路的总电路图 3.6 元器件清单 课程设计说明书 第 7 页 简易自来水开关控制电路中所有使用的电子元器件如表 1.2.6 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 课程设计说明书 第 8 页 课程设计说明书 第 9 页 总 结 经过近多日的努力，终于将本次课程设计做完了，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。在本次课程设计过程中，我增强了自己的动手能力和分析 能力。通过跟老师和同学的交流，也通过自己的努力，我按时完成了这次课程 设计。在此过程中，我学会了很多，也看到了很多自己的不足之处。在以后的 学习生活中，我会努力学习专业知识，完善自我，为将来的发展做好充分的准 备。 总之，在这次课程设计中，我受益匪浅，学到了很多书本上所没有的东西， 懂得了理论和实际联系的重要性。在以后的学习中，我不仅要把理论知识掌握 牢固，更要提高自己的动手能力和分析能力。 课程设计说明书 第 10 页 致 谢 在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。 首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮 助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多 技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新 的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。 其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设 计商的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。 最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学 课程设计说明书 第 11 页 参考文献 1 电子线路设计指导 李银华 北