机械毕业设计47干手器设计

电子技术课程设计 1 综 述 自动干手器 电路是由发射电路、红外接收电路、译码电路、触发和继电控制风机电路等组成。该产品可用于医院、食堂、公厕等公共场合，当有人洗手时，该电路会自动开启并关断，使用安全可靠、清洁卫生。 自动干手器主要的组成部分就是 555定时器电路。根据 555强大的功能 可以 制造出多种产品，干手器只是其中的一种。 在数字电子技术基础之中我们已经学习了 555定时器，但是只是限于理论知识，没有把它应用到实际之中，通过这次 对自动干手器的 课程设计让我对 555 定时器又有了更新的认识，同时我也对红外线有了新的了解 ，知道了 红外 线 遥控 的大体内容 和原理 。 在许多场所自动干手器已经非常的常见，它的类型也有很多种，但是我们必须设计出最优的 产品 种使它的原理清晰，结构简单，所用器件最少，性价比最高。 红外线控制自动干手器 2 1 红外 线 的简介 红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而 且能有效地隔离电气干扰。本章重点 在于对 红外 线 的基本特征 和 其在应用电路中 发射与接收 的基本 原理 进行分析 和介绍 ， 掌握 其发射方式和接收系统的基本组成 ，了解各个组成部分的功能，为以后在分析其他电路打下良好的基础。 1.1 红外辐射及近红外光波谱 1 红外辐射又称红外线或者红外光，它是一种人的眼睛根本看不见的光，属于电磁波的一种。 红外光是波长比红色光的波长（ 0.76 m）还长的光波。通常，将电磁波波谱中间为0.76 1000 m的波谱段成为红外光谱区。一般把红外光谱分为四个区域，即近红外（ 0.76 3.0 m）、中 红外（ 3.0 6.0 m）、中远红外 （ 6.0 20 m） 、和远红外 （ 201000 m）区。 实际上，目前在工业或居民用的红外光探测 /遥控中所使用的红外光主要集中在0.76 1.60 m的近红外区。 采用近红外光作为红外探测 /遥控的光源，主要基于如下理由： 1.1.1一般的接收用的光电二极管，光敏三极管大都采用硅（ Si）半导体材料制作而成，这类管的接收峰值波长为 780 1550nm，即管子对波长为 780 1550nm 的红外光的探测灵敏度最高。 1.1.2红外光发射器件，尤其是采用 GaAs、 AlGaAs 或 GaInAsP等半导体材料制作的红外发光二极管（ IRED），其发射波长在 880 1700nm 范围内，这与 Si 光电接收器件（包括发光二极管、光敏三极管）的响应波长相匹配，使得探测灵敏度高，工作效率高。 1.2 红外光发射方式及红外发收系统的基本组成 使用红外发光二极管获得近红外光是相当简便的。红外发光二极管是一种由 PN结构成的注入电流型发光器件，在加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光。 电子技术课程设计 3 除直流驱动外，发光二极管（ LED）还有交流电流驱动方式和脉动电流驱动方式等。交流电流驱动方式主要用于红外测量、 检测及较简单的红外通信等电路中。对红外光通信来势说，调制频率、调制带宽是重要的通信指标。 在红外探测 /遥控系统中，对红外发光二极管一般不采用图 1-1（ a）所示的恒定直流驱动方式，即平均发射方式，而采用脉动直流驱动方式，即脉冲式红外光发射方式，如图1-1（ b）所示。 图 1-1红外光平均发射和脉冲式发射示意图 平均发射方式是指通过启动直流供电电源直接驱动发光二极管 发出恒定的红外光。红外发光二极管的功率一般都比较小，而平均发射方式的功耗较大，而且抗干扰能力较差。 为了提高红外探测 /遥控系统的作用距离，而又不使 红外发射管过载，一般不采用平均发射方式，而采用脉冲发射方式或调制载波脉冲发射方式。 红外探测 /遥控系统的有效作用距离取决于发射二极管辐射的峰值功率，而峰值功率是由馈给发光二极管的电流峰值功率所决定的。峰值功率越大，驱动电流的平均值越小则发光效率就越高。 脉冲发射方式或调制载波脉冲发射方式可使红外发射管的平均功率减小，提高系统的有效作用距离，且大大提高了红外探测或遥控系统的抗干扰能力。 图 1-2是红外光探测 /遥控系统的基本组合框图。 红外线控制自动干手器 4 图 1-2红外光探测 /遥控系统的基本组成 在图 1-2（ a）中所示的红外光 反射电路中，编码波形发生器产生一定占空比的脉冲信号，经驱动级放大后驱动红外发光二极管，使其 发射出一系列等幅的红外光脉冲信号。发射脉冲编码信号可降低功耗，提高发射效率。 图 1-2（ b）所示电路为红外接收电路。光电探测器用来将接收到的红外脉冲信号转换成相应的电信号。接收光电管在没收到红外光信号时，光电管中流过的电流很小，即只有很小的“暗电流” ，负载上无电脉冲信号输出；当有红外脉冲信号照射时，光电管的内阻急剧减小，电流增大，并在负载电阻上得到相应的电脉冲信号。由于检测出的信号微弱，粗要经过高增益电压放大器放大 ，然后经整流滤波电路后输出正极性脉冲信号，加至触发电路，使触发器可靠翻转，并输出规范的控制信号，驱动执行机件动作。 电子技术课程设计 5 2 555 电路 555电路是一种将数字电路和模拟电路巧妙的结合在一起的集成电路。 555大量应用于电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、音响报警、电子玩具等诸多方面 。可用作振荡器、脉冲发生器、延时发生器、定时器、方波发生器等等。本章将简单的介绍一下 555的结构和基本原理，掌握 555电路的一些基本知识，了解 555的一些参数特性和特点 2。 2.1 555 的基本结构和工作原理 3 555定时器中的“ 555”，不是普通的数字，它是有具体内涵的，这是因为在该集成片上的基准电压电路是由三个误差极小的 5K电阻组成的，分压精度极高。 图 2-1是一般 555 定时器的基本结构。 图 2-1 555 等效功能电路图 TH 是比较器 C1 的输入端， TR 是比较器 C2 的输入端。 C1 和 C2 的参考电压 VR1和VR2由 VCC 经三个 5K 电阻分压给出。在控制电压输入端 VCO（ CO 端）悬空时，CCR VV 321 ，CCR VV 312 。如果 VCO外接固定电压，则COR VV 1，COR VV 212 。 RD是置零输入端。只要在 RD端加上低电平，输出端 OUT便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时 RD处于高电平。 由图 2-1可知，当 VTHVR1、 VTR VR2 时，比较器 C1的输出 VC1=0,比较器 C2的输出电压 VC2=1， SR锁存器被置 0， TD导通，同时 OUT 为低电平。 红外线控制自动干手器 6 当 VTHVR2 时， VC1=1， VC2=1，锁存器的状态保持不变，因而 TD和输出的状态也不改变。 当 VTHVR1、 VTRCCV32CCV31低 导通 1 CCV31不变 不变 1 CCV32CCV31高 截止 根据上面的功能表可以把 555应用于各种的器件中去 ，使得器件简单、方便。 2.2 555 的应用举例 555 的功能非常强大可以和不同的元件组成多种电路。下面我们就简单的了解一下我们在后面将要用到的电路，也为后面的工 作打好基础。 2 2 1 用 555 定时器接成的多谐振荡器 如图 2-2所示，将 555 与两个电阻和一个电容如图连接起来就可以组成一个多谐振荡器 。 电子技术课程设计 7 图 2-2用 555定时器接成的多谐振荡器 经过推证可知，电容上的电压 VC将在CCV32和CCV31之间往复振动 ，又经计算可知 CCCCCCCCVVVVCRRT3231ln211 = 2ln21 CRR （ 2-1） CCCCVVCRT310320ln22 2ln2CR （ 2-2） 振荡周期为 2ln2 2121 CRRTTT （ 2-3） 振荡频率为 2ln2 11 21 CRRTf （ 2-4） 2 2 2 用 555 定时器接成的单稳态触发器 如图 2-3所示，将 555 与一个电阻和 电容如图连接起来就可以组成一个单稳态触发器。 红外线控制自动干手器 8 图 2-3用 555接成的单稳态触发器 根据验证看出单稳态触发器可以一系列稳定的脉冲，假设脉冲宽度为 tw，再经过证明可知电容在充电过程中从 0上升到CCV32所需要的时间也为 tw，计算后可以得出 ： CCCCCCwVVVRCt320ln 3lnRC RC1.1 （ 2-5） 3 两种红外电路 3.1 自动微风远红外干手器装置 4 该电路如图 3-1 所示 .干手器采用远红外加热器 ,可将沾水后的湿手或物件烘干 .为加快干手速度 ,使用微型吹风机吹出阵风 .为使加热和吹风进行联动控制 ,采用型负载传感器LED,型号为 ZA4B. 电子技术课程设计 9 图 3-1 自动微风远红外干手器 电路图 I 红外线控制自动干手器 10 C1 和 R10、 RP1、 C4 组 成无稳态多谐振荡器，其振荡频率 f0 可由公式 2ln)2( 1 1100 CRPRf （ 3-1） 所以 根据多给的数值， 求得 f0=1000Hz。 它驱动红外发光二极管 VD5 发出载频为 1000HZ 的红外光。红外接受采用与 VD5 配套使用的接受管 VD6， IC3为红外接受放大专用集成电路 CX20106，它的中心频率 f取决于 C7、R14。当 f 与 发光的 1000Hz 载频相同时， IC3 的脚呈低电平， VT2截止， VS1不导 通，氖灯 NH 不亮。光敏电阻 RL 因无光照射而呈高阻， VT1 的基极为低电平（ 0.6V）， VT1 截止，其发射极为低电平，使 IC2（ 555）强制复位， VS2 截止，吹风电机 M 不转。 当人干手时，将手伸至 VD5 与 VD6 之间，光路被阻，则 IC3 的脚转呈高电平， VT2饱和导通， VS1 触发导通，远红外加热器 RL通电辐射热。同时，氖灯 NH 发光， RL受光照射后呈低阻， VT1 的基极电位变高， VT1 导通， IC2 的强制复位 三 状态解除，则由 IC2、 R20及 C2 等组成的 单稳态触发器，它的脉冲宽度 tw为： 2201.1 CRtw （ 3-2） 根据所给的数值可以计算得出 tw=15s。因此这个电路可以持续工作 15s 向外输出高电平，在这期间 IC2 的输出 电流 经限流电阻 R9 控制 VS2 的导通和截止，从而使吹风电机 M周期性地运转和停转，吹出阵阵微风，加快干手速度。 电路工作 15s 后将停止工作，如果此时手还没有干重新将手伸至 VD5 和 VD6 之间，电路再次启动开始工作。 该电路中的元器件多为通用件。 NH 选用 NHO-4 型氖管； RL采用 MG 型光敏电阻器，如 MG44-03、 MG45-13 型等，其亮阻 RL 5k，暗阻 RD 1M，响应时间 tTS 20ms;VD5、VD6采用配对的红外发光二极管和红外光电二极管，如 TLN104/TLP104或 TLN107/TLP107型等，红外发光二极管的发射光波长和红外光电二极管的中心响应波长均为 940nm。TLN104 的光功率大于或等于 2.5mW， TLN107 的光功率大于或等于 1.5mW； TLP104 的光电流大于或等于 150mA， TLP104 的光电流大于或等于 100mA，响应时间均小于或等于 5 s。 3.2 反射式红外光控快速干手装置电路 5 红外 反射式光控干手电路共分为两个部分：红外发射部分和红外接收部分。 各个部分的电路图如图 3-2 所示。 红外发射电路如图（ a）所示，它以 555 为核心而组成 555、 R1、 R2、 C1 等组成一个电子技术课程设计 11 无稳态多谐振荡器，其振荡频率为 2ln1)221( 10 CRRf （ 3-3） 经过计算可知图示参数的振荡频率大约为 1000Hz。 555 振荡方波经 VT1 放大后驱动红外发光二极管 VD1 和 VD2 发出 1000Hz 的红外调制光。 图 3-2反 射式红外光控快速干手装置电路 红外线控制自动干手器 12 红外接收译码电路采用日本光电子工业研究所出品的红外接收专用模块 HC-377，它是将红外接收 传感器与接收、译码电路组合成一体的模块结构。它内含红外光敏管、高倍数放大器、自动电平亮度控制（ ABCL）电路、限幅电路、滤波（ BPF）电路、解调电路和整形电路等，如图 3-2（ b）所示 。 HC-377 的主要技术参数为：红外探测波长 0=940nm，水平有效视角 =900，调制解调频率 f0=1000Hz,工作电压 VDD=5V，输出端（ OUT）高电平不低于 4.2V，低 电平小于或等于 0.5V。在 HC-377 的红外探测窗口内，设有带滤色片的聚光透镜，既可滤除杂波，也可以增大探测距离 6。 图（ c）为红外接收电路，它由 HC-377、 IC3 和 IC4 组成。 平时没有人洗手的时候 HC-377 的 1 引脚为高电平；有人洗手时， HC-377 内的红外光敏管收到红外线反射信号时，经模块内的透镜聚焦，对红外信号进行放大、限幅和滤波后，再经过解调、整形后，输出转呈低电平，这为 IC3 提供了 低电位置位信号。 IC3 采用电路 555，它与 R6、 C3 组成单稳态触发定时器 。它的结构原理可以参见前面的 2.2 节。 当有低电平信号触发时，其输出端被置位，定时开始，其 单稳态暂稳时间为： 7101.1 CRtw （ 3-4） 图示参数是按暂稳态时间为 15s 设计的。 在 IC3 输出高电平的 15s 内，三极管 VT2 饱和导通，继电器 K 得电吸合，其常开触点J1 闭合，电动机 M 得电运转，吹热风。 此电路可以连续工作 15s，如果此时手还没有完全干，可以将手重新伸到干手器下面，电路将再次工作 15s，以此循 环下去。 以上两种电路都是红外控制自动干手器，但是它们有各自的特点，但是总的来说第一种方案不如第二种方案。原因如下： 1） 一方案 所用的器件太多 ，浪费资源；二方案器件相对较少。 2） 一方案 结构复杂 ；二方案结构简单，清晰明了。 3） 一方案 原理很难看懂，需要经过大量的分析才能 清 ；二方案原理清晰，通俗易懂。 4） 一方案是一个庞大的整体；二方案分为各个部分分析，简单清楚。 综上所述，二方案相对一方案来说 要更加优良一些，因此应该选择二方案，即反射式红外快速干手装置。 电子技术课程设计 13 课程设计体会 本设计 主要研究了自动红外干手 器 的原理和结构。 通过对 这次对干手器的设计研究 ,我感觉自己的收获非常大，在这次设计中我不但学会了自己如何查阅资料学习知识的能力， 而且还从中学会 和提高 了很多在课堂上所学不到的知识和能力。 这是我 继上周做完电机与拖动课程设计再一次 做 如此 规范的、 完整 的 课程 设计 。这是一次 非常 难得的 学习 机会， 从设计中我深刻的体会到光在课堂上学的东西是不够的，我们应该学会自己利