光电自动水龙头-重庆大学专业课程设计_图文

1、光电自动水龙头目录1.引言 (21.1问题的提出 (21.2什么是光电自动水龙头 (22.总体设计 (22.1任务分析 (22.2方案选择 (32.3创新点的构思 (32.4确定指标 (32.5原理框图 (43.各组成部分工作原理介绍 (43.1控制信号电路原理 (43.2NE555载波信号电路原理 (53.3LED驱动电路原理 (53.4红外线接收解调电路原理 (63.5电平转换电路原理 (83.6控制执行电路原理 (83.7H桥驱动电路 (94.单元电路设计及计算 (94.1控制信号电路设计 (94.2NE555载波信号电路设计 (104.3LED驱动电路原理设计 (114.4红外线接收解

2、调电路设计 (124.5电平转换电路设计 (124.6控制执行电路设计 (134.7H桥驱动电路设计 (135.电路安装与调试 (145.1电路的安装 (146.调试结果分析 (156.1控制信号电路的调试结果 (156.2载波电路的调试结果 (166.3解调电路的调试结果 (176.4电平转换脉冲电路的调试结果 (176.5电磁阀电路调试分析 (187.元器件清单 (198.总电路原理图 (209.设计小结 (2110.参考文献 (221.引言1.1问题的提出在这个信息迅速发展的时代,无线通信已经越来越融入人们的日常生活。光电水龙头作为一种无线自动感应装置,已经广泛应用于医院、饭店和家庭的厕

3、所等,光电水龙头的不仅功耗低、自动化水平好,同时摆脱了原始水龙头使用次数原因会导致这些开关损坏,而过少的使用会使得这些水龙头腐蚀,同时也造成疾病的传染等问题。此外,普通水龙头开关的损坏或者使用者忘记关闭又会造成水大量的浪费。随着当今社会的进步,科技的发展,人们对于自动化的要求越来越高,一些设置的人性化要求也随之变强。该领域主要以无线遥控为主,其结构简单,体积小,功耗低,抗干扰能力强,可靠性高及成本低等优点而广泛应用于家电产品、工业自动化控制、信息通信、环境检测、安全防范、家用电器控制、国防工业及日常生活工业控制和智能仪器系统等许多方面中。本装置就是用红外线反射方式自动控制水龙头。1.2什么是光

4、电自动水龙头光电自动水龙头是指通过红外线接收与发射装置,实现一种能够在一定距离范围内非接触控制的水龙头。本实验设计一个能自动开关的水龙头。当有人洗手时,自动开启水龙头;洗完手后,自动关闭水龙头。2.总体设计2.1任务分析(一设计要求设计一个能自动开关的水龙头。当有人洗手时,自动开启水龙头;洗完手后,自动关闭水龙头。该设计应有较佳的性能价格比,可采用常用中、小规模集成电路等元器件构成,其中光电转换电路要求设计为红外发光二极管和光电二极管组成的反射式电路,采用脉冲电磁水阀作执行元件。(二技术指标1、光电探测距离300mm;2、待机功耗0.5W;3、脉冲电磁水阀动作时功耗12W(三给定条件1、直流供

5、电电源+12V,+6V2、供水压力0.6Mpa2.2方案选择水龙头采用了反射式红外传感器。红外线的发射和接收一般使用红外发光二极管和红外接收管来完成。当有物体靠近时,一部份红外光被发射到接收管。反射式红外传感器如图2.1所示。 图2.1反射式红外模型反射式光电传感器可以用来检测地面明暗和颜色的变化,也可以探测有无接近的物体。我设计的红外线控制自动水龙头就运用了它这个特点。光谱范围,灵敏度,抗干扰能力,输出特性等都是反射式光电传感器的重要参数。这种光电传感器的基本原理是,当人或有物体接近时,遮挡了红外光,光敏元件接收到光信号,从而进行光电转换,电磁阀作用,使水源打开。红外线控制自动水龙头的控制过

6、程是:当人或物体靠近自动水龙头时,红外发射光电管发出的红外经人和物体反射到红外接收光电管。接收光电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,接收光电管接收不到反射光信号,驱动电路断开电磁阀电源,从而关闭水源。2.3创新点的构思本设计电路的主要任务是设计与电磁水龙头相匹配的控制电路,其中的控制信号信号采用NE555产生,和解码信号的电路设计采用CX20106产生。经过CX20106的信号通过电平控制电路和单稳态触发器便可以控制电磁阀的开闭。2.4确定指标根据实验室的硬件条件,各组成电路的功能和电子原

7、件主要有如下指标:1红外发射器:主要功能是产生红外控制信号,包括控制信号电路、载波信号电路、LED驱动电路,主要的电子原件是NE555,CD4011,SE303。2红外接收器:主要功能是接受红外信号,然后从42kHZ红外载波信号中,将编码信号解调出来,并加以放大和整形,输出电平或者脉冲信号。3控制执行器:主要功能是通过逻辑与单稳态触发器,将输出的电平转换为高低脉冲,来控制电磁阀的开关。4电磁阀及驱动电路:主要包括电压比较电路和功率驱动电路,主要功能是放大输出电压和功率,来驱动电磁阀。2.5原理框图 图2.2光电自动水龙头原理框图3.各组成部分工作原理介绍3.1控制信号电路原理本控制信号产生电路

8、的功能是产生持续的低频控制信号,使得以后的接受电路可以利用是否收到该低频信号来判断是否有反射物体的移动。本次低频信号大约为1KHZ,由一片NE555定时器组成。NE555定时器是一种模拟和数字功能结合的中规模集成器件,一般用双极性工艺制作。其电源电压宽,可在4.5V16V工作,输出驱动电流约为200mA,因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器成本低,性能可靠,只需要外接几个电阻、电容,就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。由NE555产生的多谢振荡器如图3.1。控制信号频率为:f1=1.443/(R1+2R2C 图3.1NE555电路构

9、成多谐振荡器这种结构的振荡器输出的脉冲信号,其占空比总是大于50%。其实为了减小功耗,在保证稳定性的前提下,占空比应该越小越好。因而在后面的电路中我们采用的是反相后的波形,这样以减小功耗。3.2NE555载波信号电路原理本电是利用与NE555和电阻、电容来构成高频震荡的矩形波产生电路,对前面的控制信号电路产生的低频信号进行调制,以增大其功率,从而使得后面的红外光信号传播的距离更广。载波调制的功能是为了提高传输信号的抗干扰能力,将编码信号调制在较高的载波上发射。根据本课题芯片使用的特定要求和成熟的模块电路,设定为采用NE5555芯片搭建载波频率为42KHz的脉冲调制振荡电路。但是与控制信号载波电

10、路不同的是该电路利用了二极管,使得其产生了方波信号,能对信号更好的载波。3.3LED驱动电路原理该电路的主要功能是利用三极管对已调信号进行功率放大来驱动红外LED的发光要求。为保证300毫米的遥控距离,可以利用减小LED的串联电阻,从而放大其驱动电流来驱动两个串联的LED。该电路的主要功能是利用S8050三极管对已调信号进行功率放大来驱动红外LED的发光要求。三极管是一种控制元件,其结构示意图和符号如图4,主要用来控制电流的大小,本设计采用共发射极三极管S8050,信号从基极输入,从集电极输出,发射极接地,当基极电压UB有一个微小的变化时,基极电流IB也会随之有一小的变化,受基极电流IB的控制

11、,集电极电流IC会有一个很大的变化,基极电流IB越大,集电极电流IC也越大,反之,基极电流越小,集电极电流也越小,即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多,这就是三极管的放大作用。IC的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数(=IC/IB,表示变化量。三极管的放大倍数一般在几十到几百倍。 图3.2三极管结构示意图和符号用红外发光二极管发射红外线去控制受控装置时,受控装置中均有相应的红外光一电转换元件,如红外接收二极管,光电三极管等。实用中已有红外发射和接收配对的二极管。本电路部分的三极管工作在饱和状态,于是通过控制集电极串联电阻的阻值来控制红外发光管的工作

12、电流。3.4红外线接收解调电路原理该电路包括接收电路和解调电路,主要功能是利用专用集成芯片CX20106对接收的调制信号进行解码处理后得到原编码信号,之后将该编码脉冲信号送入解码电路进行后续处理。该电路的核心是CX20106芯片,其内部结构如图3.3所示。 图3.3CX20106内部结构图CX20106由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。其中的电平自动控制电路可以保证在输入弱信号时前置放大器有较高增益,在输入强信号时前置放大器不会过载,可以保证在一定遥控距离(约10m内工作可靠。其内部设置的滤波器中心频率f0由其5脚外接电阻调节,范围可从30KHz-60KHz。

13、其工作过程大致如下:其中的前置放大器将外接红外接收管PH303产生的脉冲电压进行放大,电压增益约77-79dB。然后将信号送限幅放大器,使其变为矩形脉冲,再由滤波器进行频率选择,滤除干扰信号,由检波器滤掉载频检出指令信号,再经整形后,由7脚输出指令信号。实际上,CX20106的功能用一句话概括,就是当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的红外光信号时,其输出端7脚就输出低电平。其引脚输出波形如图3.4。17图3.4CX20106引脚输出波形图CX20106各引脚的参数说明:1脚:超声信号输入端,该脚的输入阻抗约为40k。2脚:该脚与地之间连接RC串联网络,它们是负反馈串联网络的一个组成部分

14、,改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大,放大倍数下降,反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性,一般在实际使用中不必改动,推荐选用参数为R1=4.7,C1=1F。3脚:该脚与地之间连接检波电容,电容量大为平均值检波,瞬间相应灵敏度低;若容量小,则为峰值检波,瞬间相应灵敏度高,但检波输出的脉冲宽度变动大,易造成误动作,推荐参数为3.3f。4脚:接地端。5脚:该脚与电源间接入一个电阻,用以设置带通滤波器的中心频率f0,阻值越大,中心频率越低。例如,取R=200k时,f042kHz,若取R=220k,则中心频率f038kHz 6脚:该脚与地

15、之间接一个积分电容,标准值为330pF,如果该电容取得太大,会使探测距离变短。7脚:遥控命令输出端,它是集电极开路输出方式,因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端,推荐阻值为22k,没有接受信号是该端输出为高电平,有信号时则产生下降8脚:电源电压典型值为5V,最大17V。3.5电平转换电路原理本电路的主要功能是对已经解调的信号进行电平转换。根据解调信号效果和实验室实际条件,本电路采用的二极管峰值检波电路。二极管1N4148具有结电容低、工作频率高和反向电流小等特点,若将已解调调信号通过检波二极管,由于二极管的单向导电特性,可以防止信号的电流的倒流,且能将调幅信号的负向部分被截去,仅留下其正向部

16、分。通过二极管的电流通过RC低通电路进行充放电过程,即加入上一部分只有持续电平信号输出,该电路的输出部分也是电平,而当上部分电路有矩形波输出时,根据RC的取值,该电路的输出有正负电平的转换。3.6控制执行电路原理本电路的主要功能是实现把电平跳变转变为高低脉冲,并保证输出的电压为12伏,以确保可以驱动后面的H桥电路。本设计中采用积分形单稳态触发电路来实现电平转变为脉冲的功能。积分形单稳态触发电路适用于宽波触发。单稳态触发电路需要与检波电路严格匹配,从而使得逻辑产生01及10的信号输出。当上一部分的电平转换电路有电平跳变之后,通过4011的与非门与RC阻容逻辑电路进行与非之后,利用RC的延时作用把

17、电平跳变转化为脉冲输出。否则该电路的输出为持续的电平。3.7H桥驱动电路本设计选用H功率桥驱动电磁阀。对触发器输出的脉冲信号,脉冲宽度要符合开启电磁阀的脉冲宽度要求(0.3±0.1S,同时要求开启的电流达到1A,因此在接H桥之前,必须加三极管对信号进行放大,以使得电磁水阀能够正常工作。 图3.5H桥电路H桥驱动电路由四个三极管组合而成,如图3.5所示,要使得电磁水阀能够正常工作,必须对角的三极管同时工作,这样电流才能够通过电磁水阀。当Q1管和Q3管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电磁水阀,然后再经Q4回到电源负极。当三极管Q1和Q4导通时,电流将从左至右流过电磁水阀,从而可

18、以根据人手是接近或离开红外信号探测部分,由积分型单稳态触发器输出的脉冲信号控制两个对角的工作,从而控制电磁水阀的开关,达到设计的最终目的。4.单元电路设计及计算4.1控制信号电路设计本控制信号产生电路产生频率为1KHZ左右的矩形波,电路如图4.1,根据实验室条件,由NE555芯片和电容电阻组成。根据上部分的原理分析,该振荡电路的输出波形频率可由下式计算得到:f=1.443/(R1+2R8C1初步选定R1=1.2K,R2=36K,C=0.01uF则可根据公式振荡频率为f2.00KHZ这种结构的振荡器输出的脉冲信号,其占空比总是大于50%。其实为了减小功耗,在保证稳定性的前提下,占空比应该越小越好

19、。此外,在电源端加了一个0.1uF的电容起到滤波消除干扰的作业。 图4.1控制信号电路4.2NE555载波信号电路设计NE555设计的多谢振荡器如图4.2,该电路主要将编码器CD5026的信号进行载波处理。其振荡周期T=T1+T2。T1为电容充电时间,T2为电容放电时间。 图4.2NE555载波信号电路图(1充电时间T1=ln2R12C10.7R12C1;(2放电时间T2=ln2R1C10.7R1C1;(3矩形波的振荡周期T=T1+T2=T1=ln2R12C1+ln2R1C1;(4占空比q=(脉宽tw/(周期T,tw指输出一个周期内高电平所占的时间。图所示电路输出矩形波的占空比q=T1/(T1

20、+T2=R12/(R12+R1;(5振荡频率f=1/T。因此改变R12、R1和电容C1的值,便可改变矩形波的周期和频率。对于本电路,我们取R12=1.3K,R1=1.8K,C1=0.01uF,所以可得振荡频率f=1/T=41.6KHz的矩形波,与CX20106的红外接收频率42KHz基本匹配。4.3LED驱动电路原理设计LED驱动电路如图4.3,该电路将控制信号与载波信号利用CD4011与非之后,再通过三级管放大,从而控制红外LED的信号发射。发射电路中三极管采用S8050,其主要起放大功率的作用。只有当三极管工作在饱和状态时,才能实现功率放大的作用。因此为使其工作在饱和区,可通过调节限流电阻

21、R5的大小。SE303的正常工作电压为1.21.4V,电流3050mA。基极电流:120.7v v IbRb-=为保证三极管工作在放大区,同时基极电流Ib不至于太大而烧坏三极管,我们取Rb=2K,Rc=51,这样三级管的工作电流大概为30mA。 图4.3LED驱动电路原理图4.4红外线接收解调电路设计CX20106是专为红外遥控电路制作的专用集成电路,构成的接收电路如图4.4,最大接收距离10m。外围器件R9、C2的参数决定放大器的增益,当R9=10,C2=1uF时,电压增益约为79dB,R9增大、C2减小则会使增益降低。R10确定带通滤波器的中心频率,调节R10使f0变化范围为30KHz-6

22、0KHz,此处选择R10为200K,使其中心频率为42KHz。C3是检波电容,一般取值为2.2uF-4.7uF。R11是上拉电阻,一般取值为22K。 图4.4红外线接收电路图4.5电平转换电路设计该电路的主要计算参数是RC的阻值和容值。其电平转换时间为T=2*R*C此处取R=1.2K,C=10uF,于是可得T=75.36ms。电平转换电路电路图如图4.5,当CX2106未接收到信号时输出高电平,接收点信号时,输出低电平。 图4.5电平转换电路4.6控制执行电路设计本电路的主要功能是实现把电平跳变转变为高低脉冲,并保证输出的电压为12伏,以确保可以驱动后面的H桥电路。当手放入时,out1由低电平

23、跳变为高电平,out2保持低电平不变,由于电容的冲放电,out1信号又回复低电平,正是out1跳变的脉冲控制后面的H桥电路的正向导通,水龙头打开;同理,当手离开时,out2输出跳变脉冲,out1保持低电平不变,控制后面的H桥电路的反向导通,水龙头关闭。积分形单稳态触发电路来实现电平转变为脉冲,其主要计算参数为RC的数值。由资料可知其实现时间为T=2*PI*R*C此处设定R=820K,C=1uF。控制电路电路如图4.6所示: 图4.6控制电路图4.7H桥驱动电路设计本设计选用H功率桥驱动电磁阀。对触发器输出的脉冲信号,脉冲宽度要符合开启电磁阀的脉冲宽度要求(0.3±0.1S,同时要求开

24、启的电流达到1A,因此在接H桥之前,必须加Q2、Q3对信号进行放大,以使得电磁水阀能够正常工作。当out1为高电平,out2为低电平,电磁阀打开;当out2为高电平,out1为低电平,电磁阀关闭。H桥驱动电路由四个三极管组合而成,上四个三极管均为2SD882。2SD882为NPN 型三极管,其基极工作电流为0.6A,集电极电流可达到3A,对于脉冲电流可达7A。 图4.7H桥驱动电路图5.电路安装与调试5.1电路的安装该系统在调试时应当注意以下几点:首先,红外发射管和接收管的角度会直接影响光电探测距离,因此,要注意仔细的调整发射以及接受二极管的角度,以达到最佳反射距离效果。其次,在调试电路时不能

25、急于求成,要一步一步按照每个模块的具体输出来调整,充分利用示波器和万用表,能够使电路调试更加快速以及可靠。发射接收电路 图5.1发射接收实物图5.2电路的调试在电路组装完毕后,采用逐级调试的原理,根据其实现的功能对各个模块进行依次调试。1.控制电路和载波电路:由于在光电多路开关的实验的基础上,对NE555芯片组成的控制信号电路和载波电路顺利连接,并产生了很好的信号2KHZ的控制信号和42KHZ 的载波信号。2.红外LED驱动电路:对于三极管的参数设置比较合理,总的调试的时候发现其遥控距离也达到了300毫米。3.CX20106红外接收解调电路:我们参考光电多路遥控开关的参数。连接正常,输出信号也

26、比较完美。4.电平转换电路:由于刚开始对RC设置的不合理,开始没有出现满足要求的要求,最后减小R的阻值,增大C的电容值,最后出现波形。5.单稳态触发电路:该电路严格按照连接,选取的参数按照书上的知识和参考资料选取,使输出正确,没有遇到大问题。6.H桥驱动电路:H桥电路的调试中遇到的主要问题连线比较复杂,造成了部分线的连接不紧。由于元器件的损坏比较多,我们对三极管S8050和2SD882的芯片好坏进行了一一检测,并选择了参数相似的芯片,以更好的满足H桥的对称性。这一步花费的时间最多。最后,在调试个部分电路正常之后,最后检查遥控距离和红外管的角度调节时遇到些问题。刚开始的遥控距离仅仅有100毫米左

27、右,并且遥控角度有很大的限制。在经过不断的对角试之后,更换了LED发射电路的参数和红外解调的增益参数,最后达到了设计要求。6.调试结果分析6.1控制信号电路的调试结果控制信号电路输出,该电路是由NE555添加电阻电容组成的矩形波产生器,故其理论输出应该是一定频率的矩形波。如图6.1所示,实际输出与理论相符。 图6.1按键编码电路输出波形6.2载波电路的调试结果载波电路输出波形,载波振荡电路的功能是提供功率支持,故其频率相对于控制信号要大的多。实验设定的是大约42KHZ,如图6.2所示,输出波形基本满足。经过NE555载波之后的波形如图6.3所示,是标准的已调制电路,与理论分析相符。 图6.2N

28、E555载波信号波形 图6.3原信号载波后的波形6.3解调电路的调试结果解调电路输出波形,根据理论分析,本电路解调之后的波形应该是控制信号的波形,即NE555构成的2KHZ的振荡信号。如图6.4所示,与理论相符。 图6.4解调电路输出波形6.4电平转换脉冲电路的调试结果电平转换脉冲电路输出波形,该电路的主要功能是把解调之后的电平变化信号转换为脉冲信号。上面的第一幅图像显示的分别是在反射工作时解调之后的信号(矩形波与其中一个脉冲输出,但是由于时间关系,无法显示该脉冲的全部变化。下一幅图像显示的是两个脉冲输出,仍然由于时间原因无法显示全部变化。但是在实际调试中,出现的波形与理论一致。 图6.5电平

29、转换脉冲电路6.5电磁阀电路调试分析电磁阀两个输入端,在正常情况下,两个端口都是低电平。当一个输入端为高电平,第二个输入端为低电平,电磁阀打开;当第二个输入端为高电平,第一个输入端为低电平,电磁阀关闭。该双稳态电磁水阀是一种用脉冲电流驱动的电磁阀,有两根输入线,一个正脉冲电流驱动电磁阀开(其余正脉冲无效,一个负脉冲电流驱动电磁阀关(其余负脉冲无效,驱动脉冲幅度为10V-12V,驱动脉冲宽度=0.3±0.1S,驱动功率=10W,保持期间不需要任何电源驱动。经测试,经过单稳态的信号完全可以驱动此电磁阀的正常工作。7.元器件清单C om m entD escr i pt i on D es

30、i gnat or F o o t p r i n t Li bR ef Q uant i t y0.1uF C apaci t or C1, C4C A P2 0.01uF C apaci t or C2, C5, C6C A P30.01u C apaci t or C3C A P1C ap2C apaci t or C7, C8C A P R5-4X5C ap22 1u C apaci t or C9, C11, C14C A P3 10u C apaci t or C10C A P1 330p C apaci t or C12C A P1 3.3u C apaci t or C13C

31、A P1 S E303D1LE D1 I N4148D i ode D2, D3, D4D I O D E_13 P H302D5LE D_11 M O T O R M G1M O T O R A C1 N E555N1, N2N E555_12 S8050N P N T r a n si st o r Q1, Q2, Q3, Q6, Q7N P N15 2S D882N P N T r a n si st o r Q4, Q5, Q8, Q9N P N14 1.2K R1, R8R E S2_12 51R2R E S2_11 36K R3R E S2_11 2K R4R E S2_11 1.

32、3K R5, R16, R17R E S2_13 1.8K R6R E S2_11 820k R7, R15R E S2_12 5.1K R9, R13R E S2_12 22K R10R E S2_11 50K R11R E S2_11 200K R12R E S2_11 10R14R E S2_11 C D4011N A N D G at e U1, U3N A N D2 C X20106U2C X201061 C D4069I n v e r t e r U4, U5, U6, U7, U9N O T5 C D4011N A N D G at e U8N A N D18.总电路原理图 蔡界光：光电自动水龙头 9.设计小结 9.1 收获体会 本次任务是光电多通道遥控开关设计，该设计主要分为两个步骤：第一：资料查阅， 该设计用了 1 周的时间， 主要是进行电路的设计方案选择、 逻辑电路的选取和相关芯片的 数据手册，这个过程是为后面电路的制作做好准备，打下基础。第二：电路连接和调试， 该设计在光电多路开关的基础上，紧紧花了两三天的时间，对理论进行验证，信号进行调 试，完成了水龙头的设计要求。