红外线自动水龙头的设计.doc

黄河科技学院毕业设计说明书 第 19 页 红外线自动水龙头的设计摘 要随着我国经济的高速发展，红外线控制技术已经进入一个崭新的时代，其应用越来越广泛。而水龙头作为现代生活的工具，与人们的生活紧密相关，随着人们对其要求的提高，水龙头得到了快速的发展，其控制技术已经发展到了自动控制阶段，其控制系统也由红外线代替了手动控制。本文采用脉冲产生电路、锁相环电路及开关控制电路作为控制器。红外线自动水龙头采用锁相环单音检测电路LM567构成自发射自接收的闭环控制形式，把LM567产生的方波电信号调制在红外线光信号上并发射出去，红外线光敏二极管接收该信号，并把其变为电信号，经放大，又被该LM567自身检测。这样，LM567自身的振荡频率与要接收的信号频率永远相同，即使由于某种原因使LM567的振荡频率发生了变化。在一定的频带宽度内，由于LM567只对与自身振荡频率非常接近的信号产生响应，而对其他频率的干扰信号不响应，所以，该装置具有可靠性高、抗干扰性强、安装调试简单的特点。关键词：红外线，水龙头，控制器，LM567，抗干扰性强Design of infrared automatic faucetAbstractAlong with the rapid development of Chinese economy, infrared control technology has entered a new era, it is widely used. But as the tool of modern life tap, and peoples life is closely related to the people, with the improvement of the obtained fast development, the control technology has developed into the automatic control stage, the control system is replaced by infrared manual control.Using pulse circuits and phase lock loop circuit and control circuit switch as the controller. Infrared automatic faucet using single phase lock loop LM567 detection circuit from receiving the form since launching LM567, the closed-loop control forms of random-gradient modulation in infrared light signals and launch out infrared photosensitive diode receives the signal, and put it into electrical signals, and the enlargement LM567 itself. So, the oscillation frequency and LM567 itself to receive the signal frequency forever, even if the same reason that the oscillatory frequency LM567 changed. In certain band width LM567, because only with their own oscillation frequency response is very close to the signal, and for other frequency interference signals, so does not respond to the device has high reliability and anti-interference, installation and debugging of simple features.Keywords: infrared, faucet, controller, LM567, strong anti-jamming目 录1绪 论11.1课题背景及目的11.2方案论证12系统的基本组成及工作原理32.1系统组成方框图32.2系统工作原理33电路主要元器件介绍43.1三端稳压器43.2 555时基集成电路43.3 UA741型运算放大器73.4 LM567锁相环电路94单元电路设计124.1稳压电源电路的设计124.2红外发射电路的设计124.3红外接收电路的设计134.4阀门控制电路的设计14总 结15致 谢16参考文献17附 录181绪 论随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积重量轻的方向发展。在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。水资源是不可缺少的，没有水不管人或事物都不能存活。节约用水是一种美德。传统水龙头当然也是一种选择，但是如果人们有急事却忘了关水会使水一直流，从而会浪费很多水。所以就需要一种自动控制的水龙头代替传统的水龙头。1.1课题背景及目的目前， 医院、 饭店、 厕所等公共场所是用水较多的地方，可是这些地方多使用的是手动开关式水龙头。 由于经常使用，这种水龙头很容易损坏，然而过少的使用会造成水龙头的腐锈，同时也会造成疾病的感染，为此人们感到很烦恼。为了使用方便可靠，我们需要设计一种将手放入水龙头下，水龙头就会自动放出自来水供使用者洗手或洗涤其它物品。这种水龙头特别适合酒店、宾馆、医院等公共场所使用，能有效防止手上细菌的交叉传染，如果这种水龙头用于家庭，可使家庭的卫生设施实现自动化，省去了洗手时要拧开水龙头的麻烦，使用它可使卫生设备上一个档次，因此设计这样的水龙头很有必要，既能满足了人们对物质的需求，又提高了科学性，以适应当今品种多批量小的电子市场的需求，大大提高了产品的市场竞争力1。1.2方案论证方案一选用低功耗红外反射开关，功率开关集成电路，及电源变换电路组成，红外反射开关向外发射调制红外线，用光敏晶体管来接收调制红外线，红外信号控制功率开关集成电路进而驱动电磁水阀。该红外反射开关是选用模块化产品，全部电路焊装于塑料小盒内，该方案特点是制作简单，安装可靠。方案二选用多谐振荡器，由红外发射管向外发射红外信号，该信号被接收并转换为电信号，经信号放大电路放大送入译码器，对其信号进行判断，来控制集成电路是否工作，进而判断继电器是否工作2。通过对方案二和方案一比较，选择一种合理的设计方案：方案一由反射开关和功率开关集成电路组成，多为成品，水龙头控制电路与电磁阀一起装在盒子里，方便制作，而方案二多采用集成电路，虽制作复杂，但其稳定性能好，远远大于方案一，而且抗外界干扰比方案一强，节水效果也比较好，所以选用方案二。2系统的基本组成及工作原理红外水龙头控制过程是，当人或物体接近自动水龙头时，红外发光二极管发出的调制红外光经人和物体反射到红外接收二极管。红外接收二极管接收到的反射光信号自动转换为电信号，经过后续电路进一步放大、整形、译码，最后驱动电路控制电磁阀动作打开水源。当人手或物体离开自动水龙头时，接红外接收二极管接收不到反射光信号，驱动电路断电电磁阀电源3。2.1系统组成方框图红外线水龙头控制电路包括红外发射电路，红外接收电路，阀门控制电路。其中发射电路包括多谐振荡器和红外发光二极管；接收电路包括红外接收管VT，运算放大器（UA741）；阀门控制电路包括音频译码器（LM567），继电器J 。红外线水龙头控制电路的整个控制过程分5个模块，系统组成方框图如图2.1所示。 多谐振荡器 调制红外光红外接收 电压放大 （UA741） 音频译码 （LM567） 电磁阀动作 图2.1 系统组成方框图2.2系统工作原理系统工作原理图见附录2.1所示。IC1与其周围元器件组成频率约为3050KHz的脉冲振荡器，驱动红外发光二极管VDl发出调制红外光。当有人洗手(或盛水)接近水龙头时，由VDl发出的红外线被人体反射回来一部分，为VT接收，并通过运放IC2放大后输入到音频译码器LM567(锁相环PLL上)的输入端第3脚，经IC3进行识别译码(锁相)后使其第8脚输出低电平，继电器吸合，其常开触点1、2接通电磁阀电源，电磁阀打开，水龙头自动流出水。当人体离开水龙头后，VT失去红外信号，电路又恢复到一般等待工作状态4。3电路主要元器件介绍3.1三端稳压器三端稳压器是一种标准化，系列化的通用线性的稳压电源集成电路，以其体积小成本低性能好，工作可靠性高等特点，成为目前稳压电源中应用最广泛的一种单片式集成稳压器件。图3.1 三端稳压器框图三端稳压器的工作原理是：由图3.1可见，它与一般分立元件组成的串联式的稳压电路基本相似的，不同之处在与三端稳压器增加了启动电路，保护电路和恒流源。启动电路是为恒流源建立工作点而设置的。恒流源设置在基准电压形成和误差放大器电路中，是为了使稳压器能够在比较大的电压变化范围内正常可靠的工作。在芯片内设置了两种较为完善的保护电路：一是过流保护，一是过热保护，其中Rsc是过流保护的取样电阻。Ri，Rb为输出采样电阻。Rb 两端上的电压（反映输出电压的大小的采样电压）与基准电压在误差放大器中进行比较和放大，产生误差电压，去控制调整管的工作状态，从而稳定输出电压5。3.2 555时基集成电路555时基集成电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，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3K电阻，故取名555电路。1、555电路的工作原理由于555内部比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，这时振荡频率受电源的温度变化的影响较小。故只需通过调节R1的阻值来改变f来使其为1Hz的秒脉冲信号，作为闸门信号。如图3.2所示555电路的内部电路含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为Vcc和Vcc。A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；并输入信号自2脚输入并低于Vcc时 ，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。RD是复位端，当RD=0，555输出低电平。平时RD端开路或接Vcc。图3.2 555定时器内部框图及引脚排列 Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3VCC作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uF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。2、由定时器构成的多谐振荡器555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，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开关管的通断。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。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即要获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此这种形式的多谐振荡器应用很广6。图3.3(a)为由555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C1、R1、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，内部放电开关管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C1加到2端。并使2端电位瞬时低于Vcc，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到Vcc时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出V0从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下一个触发脉冲的来到作好准备。波形图如图3.3(b)所示。 图3.3 多谐振荡器暂稳态的持续时间tW（即为延时间）决定于外接元件R、C的大小。tW=1.1RC通过改变R 、C的大小，可使延时时间在几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）接地的方法来中止暂态，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势损坏内部功率管。3.3 UA741型运算放大器1、运算放大器介绍运算放大器主要由输入级、中间放大级、输出级和偏置电路等四部分组成，如图3.4所示。图3.4 运算放大器运算放大器的偏置电路与分立放大电路的偏置电路设计有很大不同，主要由各种形式的恒流源电路实现，熟悉各种形式的恒流源电路是阅读运放电路的基础。运算放大器的输入级通常是差分放大电路，其主要功能是抑制共模干扰和温漂，双极型运放中差分管通常采用CC-CB复合管，以便拓展通频带；运算放大器的中间级采用共射或共源电路，并采用恒流源负载和复合管以增加电压放大倍数。双极型运算放大器的输出级采用互补输出形式，其主要功能是提高负载能力并增大输出电压和电流的动态范围。二只输出管轮流导通，每管工作在乙类状态。为消除交越失真，通常会给输出管提供适当的偏置电流，让其工作在甲乙类状态。由于集成电路工艺的限制，各级之间采用直接耦合。为保证输入短路时，输出直流电平为零，有时还需要在级间加入电平移动电路7。2、UA741运算放大器图3.5是UA741运算放大电路的等效电路图，对其基本工作原理的分析。图3.5 UA741运算放大电路的等效电路图（1） 运放电路的结构分解输入级是一个差动放大电路，主要由T1 、T3（共集-共基组合）和T2、T4组成。中间放大级由T16、T17、T23组成共集共射电路；输出级由T14、T20组成互补输出电路。（2） 基准电流分析T12、RREF、T11组成运放的基准电流源，RREF中得到的基准电流为（3） 静态偏置分析T10与T11构成微镜像电流源，一方面给T3、T4的基极提供偏置，另一方面由T8、T9构成的镜像电流源给T1、T2、T3、T4的集电极提供恒流偏置，同时作为T1、T2的恒流负载。T13是多集电极管，它与T12构成镜像电流源。T13A一方面给T17提供偏置电流，同时作为T17的有源负载。T13B则是给T23提供偏置电流，同时作为T23的有源负载。将电路中的镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如图3.6所示。图3.6等效直流通路（4） 交流分析差分输入级中的T5、T6、T7管构成高精度交流镜像电流源，因而提供给T16的电流为，使单端输出的差分电路达到双端输出的效果。T5、T7同时分别作为T3、T4的有源负载。电容C的作用是进行相位补偿，用于防止该运放可能产生的自激振荡。输出级中的T18，T19，R8给互补输出管T14，T20静态偏置，以消除交越越失真。R10、R11是输出限流保护用取样电阻，当输出电流过大时，T15或T20导通，通过T22、T20组成的镜像电流源，将该电流镜像至T23的另一个基极，通过负反馈抑制输出电流的增大。3.4 LM567锁相环电路音调译码器采用LM567锁相环电路，锁相环内则包含一个电流控制振荡器（CC0）、一个鉴相器和一个反馈滤波器。此音调解码块包含一个稳定的锁相环路和一个晶体管开关，当在此集成块的输入端加上所先定的音频时，即可产生一个接地方波8。当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。LM567为通用音调译码器，主用外接电阻20比1范围，逻辑兼容输出具有吸收100mA电流吸收能力。它的技术指标：1、可调带宽从0%至14% ；2、宽信号输出与噪声的高抑制； 3、对假信号抗干扰；4、高稳定的中心频率；5、中心频率调节从0.01Hz到500kHz；6、电源电压5V-15V，推荐使用8V。 图3.7 LM567的引脚功能图LM567的管脚功能是：1脚为输出滤波，2脚为回路滤波，3脚为输入端，4脚为正电源端（电压值需最小为4.75V，最大为9V），5脚为定时电阻端，6脚为定时电容端，7脚为接地端，8脚为输出端。LM567是一种集成锁相环路解码芯片。封装形式为8脚直插式封装，其内部包含了两个鉴相器PD1及PD2、放大器AMP、电压控制振荡器VCO等单元电路。鉴相器PD1、PD2均采用双平衡模拟乘法器电路，在输入小信号情况下(约几十mV)，其输出为正弦鉴相特性，而在输入大信号情况下(几百mV以上)，其输出转变为线性(三角)鉴相特性。锁相环路输出信号由电压控制振荡器VCO产生，电压控制振荡器的自由振荡频率(即无外加控制电压时的振荡频率)与外接定时元件RTCT的关系式为： （3.1） 选用适当的定时元件，可使LM567的振荡频率在0.01Hz500kHz范围内连续变化。电路工作时，输入信号在鉴相器PD1中与VCO的输出信号鉴相，相差信号经滤波回路滤波后，成为与相差成一定比例的电压信号，用于控制VOC输出频率f0跟踪输入信号的相位变化。若输入信号频率落在锁相环路的捕获带内，则环路锁定，在振荡器输出频率与输入频率相同时，二者之间只有一定相位差而无频率差。环路用于FM信号解调时，脚2输出的经过滤波后的相差信号可作为FM解调信号的输出，而当环路用于单音解调时，电路则利用PD2输出的相差信号。PD2的工作方式与PD1略有不同，它是利用压控振荡器输出的信号f0经90移相后再与输入信号进行鉴相，是一正交鉴相器。在环路锁定情况下，PD2的两个输入信号在相位上相差约为90，因而PD2的输出电压达到其输出范围内的最大值，再经运算放大器AMP反相，在其输出端输出一个低电平。AMP的输出端为OC输出方式，低电平输出时可吸收最大100mA的输出电流。该端口的低电平输出信号除可由上拉电阻转换为电压信号以与TTL或CMOS接口电路相匹配外，还可直接驱动LED及小型继电器等较大负载。值得一提的是，接在2脚的环路滤波电容C2与内部电阻一道构成锁相环路的RC积分滤波器，该滤波器时间常数的大小在很大程度上决定了锁相环路的环路带宽BW的大小9。当BW较大时，捕获范围大而稳定性差。减小BW则正好相反，其稳定性较好而捕获范围变小。LM567的环路带宽BW可由下式计算： BW=1070(Vif0C2)1/2 （3.2）式中，Vi为输入信号的幅值(rms) C2为滤波电容的容量(单位为F)实际上，由上式计算得出的并不是环路带宽BW的实际值，而是环路带宽BW与环路中心频率f0的百分比，其值再乘上100才是锁相环路的实际捕获带宽。实际应用中调整C2的大小可使BW在04范围内变化。LM567在正常工作时的最小输入信号为20mV。当用于单音解码时，其工作特性为：当LM567信号输入端加入幅度为20mV以上的交流信号且频率落入f0BW范围内时，输出端输出一个低电平的检测信号，这就是所谓的“频率继电器”特性。利用这一特性，LM567可广泛应用于各种低频单一频率信号的解码。 4单元电路设计4.1稳压电源电路的设计电源的功能是为各元器件的正常工作提供直流电源。根据设计要求组成电路的主要部分有555构成的多谐振荡器，其工作电压为4.5V18V，放大电路与红外发射管相配套光敏二极管接收，其工作电压为3V18V，阀门开关控制电路是由LM567音频译码器和晶体管组成，其工作电压为4.5V17V，电磁阀6V12V，由此可知，电源电压应为6V使电路正常工作10。图4.1稳压电源电路红外线自动水龙头控制系统要求输出电压为+6V，输出电流为1.5A的稳压电源。如图4.1所示稳压电源电路是由电压变压器T，桥式整流电路VD3VD6，滤波电容C8和一只固定式三端稳压器UA7806组成。220V交流电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路VD3VD6 和滤波电容C8的整流和滤波，在固定式三端稳压器UA7806的Vin和GND两端形式一个并不十分稳定的直流电压。此直流电压经过UA7806的稳压和C7的滤波便在稳压电源的输出端产生精度高，稳定性好的直流输出电压。4.2红外发射电路的设计图4.2 红外发射电路红外线自动水龙头发射电路的作用是当接收到外界信号时，驱动红外发光二极管发出调制红外光。如图4.2所示红外发射电路是由NE555时基集成电路组成的多谐振荡器，红外发光二极管VD1，电容C1、C2，电阻R1、R2，电位器RW1、 RW2组成11。多谐振荡器的振荡频率由RW1，R1与C1的数值决定，该电路的振荡频率为38KHZ。由多谐振荡器产生的方波脉冲通过限流电位器RW2驱动红外发光二极管VD1向外发出调制红外光。4.3 红外接收电路的设计图4.3 红外接收电路红外接收电路的作用是接收红外发光二极管发出的调制红外光，并通过运算放大器放大后输入到音频译码器。如图4.3所示红外接收电路由红外线接收管VT和UA741组成。由红外线发光二极管VD1发出的红外线脉冲信号，经过人体反射被红外线接收二极管VT接收并转换成电信号，经过UA741型运算放大集成电路运算放大，放大后的信号输入到音频译码器的输入端第3脚。4.4 阀门控制电路的设计图4.4 阀门控制电路阀门控制电路的作用是音频译码器LM567对接收到电信号进行识别译码输出低电平使继电器吸合，接通电源使电磁阀打开，水龙头自动流水。如图4.4所示阀门控制电路主要由LM567型音频琐相环译码器，继电器，电磁阀组成。当IC3音频音频译码器LM567接收到IC2运算放大器的电信号后，经IC3音频译码器LM567进行识别译码后使其第8脚输出低电平，这时继电器吸合，其常开触点1、2接通电磁阀电源，电磁阀打开，水龙头自动流出水。当人体离开水龙头后，VT失去红外信号，电路又恢复到一般等待工作状态。总 结在设计红外线自动水龙头的过程中，通过在图书馆查阅有关资料，我知道了红外线自动水龙头的电路组成与设计电路的程序，并且懂得了红外线自动水龙的工作原理，以及加深了对控制系统的理解，熟悉了红外线在水龙头控制系统中的运用，且在所学知识的基础上，设计了本控制系统，使我将所学的知识系统化、理论化、实用化，对如何使用已有知识及获取相关资料的能力有了提高。通过本次设计，我认识到无论做什么，都需要踏实，勤奋，严谨的态度，这对我以后的工作将产生深远的影响。设计达到了预定的设计目的。红外线水龙头控制电路包括发射电路和接收译码控制电路。其中发射电路由多谐振荡器和红外发射二极管；接收电路包括红外接收管VT，运算放大器（UA741），音频译码器（LM567），继电器，电源电路等组成。红外线自动水龙头只需将手或其他物品放入水龙头下，水龙头就会自动放出自来水供使用者洗手或洗涤其它物品。这种水龙头特别适合酒店、宾馆、医院等公共场所