模拟电子课程设计-红外线控制自动水龙头的设计

1、* * * * * *大学* * * * * * *学院模拟电子课程设计红外控制自动水龙头的设计讲师：* * * * * * *学生姓名：* * * * * * *部门：* * * * * * * * * * * * * * * * * * *专业化：* * * * * * * * * * * * *类级别：* * * * * * * * * * * * * *-*类学校编号：* * * * * * * * * * * * * *摘要本课程的设计介绍了利用红外发射和接收电路设计自动水龙头的原理和设计方案。电路设计简单，使用方便，更有利于节能，“节能降耗”是我们的目标。传统的水龙头、厕所供水等设

2、施使用不特别方便，浪费水资源。在此基础上，我设计了一个自动供水电路。不仅可以节水，而且外形美观，使用方便。红外控制自动水龙头由红外发射电路、红外接收放大电路、控制电路、电磁阀、电源等组成。当人或物靠近时，自动产生控制信号，继电器动作，电磁阀被电吸引自动打开水源。否则，水源将自动关闭。内容第一章导言1第二章组成方案22.1传感器22.1.1 CCD图像传感器22.1.2电容传感器22.1.3超声波传感器2.1.4光电传感器32.2发光二极管42.3接收管理5第三章红外控制自动水龙头的设计73.1水龙头组成和传感器控制73.2系统组成框图73.3红外反射式光电传感器8的特点和工作原理3.4红外线控

3、制自动水龙头9的工作原理3.4.1红外水龙头控制电路系统9的组成3.4.2红外水龙头控制电路示意图.93.4.3红外水龙头控制电路9的工作原理3.5单元电路9的设计3 . 5 . 1 5V稳压电源的设计93.5.2振荡器电路10的设计3.5.3红外接收控制电路10的设计3.5.4电压放大器电路12的设计3.5.5音频解码器13的设计3.5.6三端电压调节器153.5.7 LM567调制传感器15组件列表18经验19参考文献20附录21第一章导言随着电子技术的发展，当前的数字系统设计正朝着快速、大容量、轻量化的方向发展。在它的推动下，现代电子产品已经渗透到社会的几乎所有领域，有效地促进了社会生产

4、力的发展和社会信息化的提高。同时，它进一步提高了现代电子产品的性能，产品更新的速度也越来越快。它具有安装方便、灵敏度高、抗干扰能力强、使用寿命长、发射光均匀稳定的优点。发射的二极管光是不可见光。当发射的光被某个信号调制时，只有特殊的解调电路才能接收到它。它可以在强光下工作，给人们的生活带来极大的便利，已经成为人们日常生活中必不可少的必需品。它广泛应用于家庭、商场、工厂、学校、餐馆等场所。而且大大扩展了原有水龙头的功能。因此，研究红外控制自动水龙头及其应用具有重要意义。本设计是一种带红外自动控制的水龙头。采用反射式红外传感器，并集成此类传感器的发射和接收。当人或物靠近时，自动产生控制信号的继电器

5、动作，使电磁阀自动通电排水。这种设计满足了人们对材料的需求，提高了科学性。为了满足当今多品种小批量电子市场的需求，产品的市场竞争力得到了极大的提高。第二章组成方案2.1传感器目前，市场上常用的有CCD图像传感器、电容式传感器、超声波传感器和光电传感器。Ccd图像传感器该传感器可以直接将光信号转换成数字电信号，实现图像的采集、存储、传输、处理和再现。其显著特点是：1 .体积小、重量轻；2.功耗低，工作电压低，抗冲击和振动，性能稳定，使用寿命长；3.高灵敏度、低噪声、大动态范围；4.响应速度快，自扫描功能，图像失真小，无残留图像；5.应用超大规模集成电路技术进行生产，像素集成度高，尺寸准确，商业生

6、产成本低。因此，许多使用光学方法测量外径的仪器都使用电荷耦合器件作为光电接收器。CCD在功能上可分为线阵CCD和面阵CCD。线性电荷耦合器件通常将电荷耦合器件的内部电极分成阵列，每个阵列称为一个相位，并施加相同的时钟脉冲。所需的相位数量由CCD芯片的内部结构决定。不同结构的CCD可以满足不同场合的要求。线阵CCD分为单通道和双通道。其光敏区为金属氧化物半导体电容器或光电二极管结构，制作工艺相对简单。它由光敏面阵和移位寄存器扫描电路组成，具有信息处理速度快、外围电路简单、易于实现实时控制的特点，但由于采集的信息量少，不能处理复杂的图像。面阵CCD的结构更加复杂。它由许多排列成正方形矩阵的光敏区域

7、组成，并以某种形式连接成一个装置。它可以获取大量的信息并处理复杂的图像。2.1.2电容式传感器它是一种将测量的机械量(如位移和压力)转换成电容变化的传感器。它的敏感部分是一个可变参数的电容器。最常见的形式是由两个平行电极组成的电容器，电极之间以空气为介质。如果忽略边缘效应，平板电容器的电容为 a/，其中是电极间介质的介电常数，a是两个电极相互覆盖的有效面积，是两个电极之间的距离。三个参数、a和中任何一个的变化都会引起电容的变化，并可用于测量。因此，电容式传感器可分为三种类型：极距变化型、面积变化型和介质变化型。极距变化型通常用于测量由力、压力、振动等引起的微小线性位移或极距变化。面积变化型通常

8、用于测量角位移或大的线性位移。介质更换型常用于各种介质的液位测量和温度、密度、湿度测量。电容传感器具有结构简单、价格低廉、灵敏度高、过载能力强、动态响应特性好、对高温、辐射、强振动等恶劣条件适应性强等优点。缺点是输出是非线性的，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度影响很大，并且连接电路比较复杂。自20世纪70年代末以来，随着集成电路技术的发展，出现了用微型测量仪器封装的电容传感器。这种新型传感器可以大大降低分布电容的影响，克服其固有的缺点。电容式传感器是一种应用广泛、发展潜力巨大的传感器。2.1.3超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性开发的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波。它

9、是由传感器芯片在电压激励下的振动产生的。它具有频率高、波长短、衍射现象小、特别是方向性好、定向传播如辐射等特点。超声波对液体和固体有很强的穿透力，特别是对阳光不透明的固体，可以穿透到几十米的深度。超声波接触杂质或界面时，会产生明显的反射，形成回波，接触运动物体时，会产生多普勒效应。因此，超声波检测广泛应用于工业、国防、生物医学等领域。超声波距离传感器可广泛应用于液位(液位)监控、机器人避碰、各种超声波接近开关、防盗报警等相关领域。操作可靠，安装方便，防水，发射角小，灵敏度高，便于与工业显示仪器连接，还提供大发射角的探头。2.1.4光电传感器光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件。

10、它是一种将光信号(红外线、可见光和紫外线)转换成电信号的装置。它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光电二极管(或光电晶体管)。标准光电传感器可分为漫反射型、反射型、相对反射型、沟槽型、光纤传感器、色码传感器、光通信、激光测距、光栅、防爆/隔爆型等。其特点如下：(1)探测距离长如果在反辐射类型中保留10m或更大的检测距离，则其他检测手段(磁、超声波等。)不能从检测中分离出来。(2)对检测对象的限制很少由于检测原理是由检测对象引起的阴影和反射，与将检测对象限制在金属的接近传感器不同，它可以检测几乎所有的对象，如玻璃、塑料、木材、液体等。(3)响应时间短光学单元速度快，传感

11、器电路由电子元件组成，不包括机械工作时间，响应时间很短。(4)高分辨率高分辨率可以通过先进的设计技术将光束聚集成小光斑或者通过形成特殊的光接收光学系统来实现。它也可以用于检测小的o由检测对象形成的光的反射率和吸收率根据投射光的光波长和检测对象的颜色组合而不同。使用此属性，可以检测到检测到的对象的颜色。(7)易于调整在投射可见光的类型中，光束对于眼睛是可见的，这便于调整被检测物体的位置。因此，光电传感器被广泛应用于检测和控制。通过对几种传感器的辩证比较，我选择了第四种光电传感器，并采用反射式光电传感器作为我设计的核心部件。2.2发光二极管用作传感器的发光二极管要求高亮度、适当的颜色和适当的光斑形

12、状。为防止发光二极管损坏，应注意：(1)发光二极管的伏安特性曲线很陡，在测试和使用过程中必须用串联电阻来限制电流。(2)氮化镓材料制成的高亮度发光二极管容易被反向电压、静电或电源尖峰击穿损坏，当电源电压高时无法反馈。不同的管子允许不同的工作电流。平均红外电流可达100毫安，当用作调制期间数十微秒的窄脉冲峰值时，甚至可接近1安培。3毫米白色高亮度灯管的最大电流为20毫安。一般来说，低亮度灯管比较小。通过加热来限制工作电流，以限制平均电流和亮度饱和，从而限制高电流下的峰值电流。当电流很大时，有些管子会变色。常用的发光二极管有红外、红色、橙色、黄色、黄色、绿色、纯绿色、蓝色、紫色、白色等颜色。作为成

13、品，“变色发光二极管”被封装在具有多个不同颜色的发光二极管的外壳中。红色、绿色和蓝色发光二极管非常适合彩色传感器的照明。带红外接收管的红外发光二极管具有很强的抗干扰能力，但由于物体在可见光下的颜色不能很好地代表其对红外的反射率，因此不适用于颜色识别。发光二极管发光的原理是当半导体PN结中的电子和空穴结合时产生光子。由于不同的带宽，不同的材料具有不同的发光颜色和传导电压。此外，不同材料的发光效率(通常以量子效率衡量，量子效率=发射的光子数/流动的电子数)也有很大不同(见表2-1)。表2-1普通发光二极管参数比较材料发光颜色量子效率(与过程相关)砷化镓红外线的高，30%砷化镓磷酸盐红色中等，10%

14、磷化镓(掺氮)黄绿色低，不到1%磷化镓(掺杂氧化锌)红色到黄色中到低铝砷化镓鲜红最高的铝镓铟磷橙红色高，30%氮化镓从纯绿色到紫外线高，20%2.3接收管常用的接收管有硅光电二极管、硅光电晶体管和光敏电阻。光电二极管产生小电流，需要高放大倍数，但它的速度非常高，可以在高频调制。它在遮光状态下具有与普通二极管相似的特性。使用时，它施加反向电压并输出与光照强度近似成比例的光电流。光电晶体管通常有两个引脚，其基极不引出。购买时被称为光敏管。光电晶体管产生的电流很大，不需要在高放大倍数下进行预放大，但速度很低，调制频率低于100千赫。在遮光状态下，正向和反向电阻非常大。当用强光照射时，在一个方向上的电

15、阻可以测量得非常小。这个方向是积极的。使用时，将大于1V的直流电压相加，输出的光电流大致与光强成正比。这些光电接收管的外壳是无色、透明和黑色的。黑色管壳几乎只透射红外光，与红外发光管一起使用。光敏电阻的电特性是电阻，而不是恒流。曝光后，电阻值大大降低，输出电流也相对较大，其数量级类似于光晶体管。工作频率通常较低，但也有较高的频率。使用中最重要的区别是光敏电阻在没有外壳的平面上接收光光电二极管和光电晶体管都是半导体PN结光电元件，它们通过内部光电效应接收光，因此，只有当入射光子能量超过材料的带宽时，才能接收到入射光子能量，这一点在其光谱中有所体现。灵敏度特性在长波方向上具有陡峭的截止。如果短波方向的波长太短，灵敏度也会降低。一般的硅管最适合在红外光到红光和黄光的范围内使用，但近紫外光可以一直使用。在替代应用中，发光二极管被用作充电二极管。它的材料波段很宽，只接收短波可见光。理论上，它可以用来识别颜色。一些光敏电阻对可见光的中间部分有较高的灵敏度。添加滤色器可以很容易地改变灯管的光谱特性，从而制成各种颜色传感器。第三章红外控制自动水龙头的设计3.1水龙头组成和传感器控制水龙头使用反射式红外传感器。红外线的发射和接收通常通过使用红外发光二极管和红外接收管来完成。当物体靠近时，一部分红外光被发射到接收管。反射式红外传感器(如图3-