1、 毕业论文（设计）题 目 光电水龙头 学生姓名 学 号 院 系 物理与电子信息工程系专 业 电子信息工程 指导教师 二 0 一 一 年 五月 二十 日 光电水龙头摘要：本着节能减排的目的，我设计了利用红外发射与接收电路设计自动水龙头的原理及设计方案。传统的公共水龙头、卫生间的供水等施，使用起来不是特别方便，而且很浪费水资源。红外线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。当人或事物靠近时，自动产生控制信号，继电器动作，使电磁阀得电吸合从而自动打开水源；反之则自动关闭水源。关键词：红外线传感器；555 定时电路；自动控制第 1 章 引言1.1 引言随着电子技术
2、的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小重量轻的方向发展。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，产品更新换代的速度也越来越快。本论文设计的是一种以红外线自动控制的水龙头。采用了反射式红外传感器，这种传感器的发射与接收是一体化的。当人或事物靠近时，自动产生控制信号继电器动作，使电磁阀得电吸合从而自动放水。1.2 国内外发展方向及现状随着红外技术的高速发展，红外焦平面阵列技术出现了，并且迅速得到发展。美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方发达国家都在竞相研制和生产先进的红外焦平面阵列
3、摄像仪，其中美国在红外焦平面阵列传感器的发展水平方面处于遥遥领先地位，其焦平面阵列规模已达20482048 元，已接近与可见光硅 CCD 摄像阵列的水平。日本在世界上最先实现了 100 万像元集成度的单片式红外焦平面阵列等种类产品推向市场，抢占商机，法国、荷兰、瑞典、英国、德国和意大利等在非制冷红外热摄像仪技术的发展方面，已显示出其处于前沿的竞争地位。此外，加拿大、以色列、韩国、澳大利亚、波兰、新加坡的一些公司和机构都在尽力发展先进红外焦平面阵列热摄像仪技术，竞争已遍及全球几大洲。近几年来，中国的红外成像技术得到突飞猛进的发展，与西方的差距正在逐步缩小，有些设备的先进性也同西方同步。如目前已能
4、生产面积小于 30um210001000 像素的探测器阵列，由于采用了基于锑化铟的新器件，目前已达到了分辨率小于 0.01的温差，使对目标识别达到更高的水平。第 2 章 元器件方案2.1 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，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。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敏二极管（或光敏三极管） 。标准的光电传感器可以分为漫反射型、反射型、对射型、槽型、光纤传感器、色标传感器、光通讯、激光测距、光栅、防爆/隔爆型等十种。它的特长有以下七点：（1）检测距离长如果在对射型中保留 10m 以上的检
5、测距离便能实现，而其他检测手段（磁性、超声波等）则无法检测。（2）对检测物体的限制少 由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定 在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。（3）响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。 （4）分辨率高 能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。 （5）可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用
6、。 因此,光电式传感器在检测和控制中得到广泛的应用。通过几种传感器的辩证比较，我选择了第四种光电传感器，并采用其中的反射式光电传感器来作为我设计的核心元件。2.2 发光二极管（LED）做传感器的 LED 要求亮度高，颜色合适，光斑形状合适。为了防止 LED 损坏，应该注意：（1）LED 的伏安特性曲线很陡，测试和使用时一定要串联电阻限制电流。 （2）氮化镓材料的高亮度 LED 容易被反向电压、静电或电源尖峰击穿损坏，电源电压较高时不可反馈。常用的 LED 续最大电流 20 毫安，一般低亮度的管子要小一些，工作电流的限制一是发热限制平均电流，二是高电流下亮度饱和限制峰值电流，有些管子电流大了之后
7、还会变色。2.3 接收管常用的接收管有硅光电二极管，硅光电三极管，光敏电阻三种。光电二极管产生的电流小，需要高倍放大，但是速度很高，可以高频调制，在遮光状态下的特性类似普通二极管，使用时加反向电压，输出与光照强度近似成正比的光电流。光电三极管一般基极不引出，只有两根管脚，购买的时候叫作光敏管。光电三极管产生的电流较大，无需前置高倍放大，但是速度较低，调制频率低于 100KHz。遮光状态下正反向电阻都很大，用强光照射，可以测出一个方向的电阻明显变小，这个方向是正向，使用时加正向电压1V，输出与光照强度近似成正比的光电流。光敏电阻的电特性是电阻而不是恒流，受到光照后电阻值大幅度减小，输出电流也较大
8、，数量级类似光电三极管。工作频率一般较低，但也有高的。在使用上最重要的区别于光敏电阻接收光照的是一个平面，没有管壳聚光，方向性差，一般用在不区分光照方向或者要降低成本的电路里。光电二极管，光电三极管都是半导体 PN 结光电元件，靠内光电效应接收光线，因此入射光子能量超过材料能带宽度才能接收，表现在它的光谱。灵敏度特性在长波方向有一个陡的截止。在短波方向如果波长太短，灵敏度也会下降。一般的硅管最适合用在红外到红黄光范围内，但是可以一直用到近紫外。另类的应用，用发光二极管当充电二极管，它的材料能带较宽，只接收短波的可见光。理论上可以用于颜色传识别颜色。第 3 章 水龙头工作原理多谐振荡器调幅红外光
9、红外接收 电压放大（LM741）音频译码（LM567）电磁阀动作3.1 水龙头的构成及传感器控制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 3-1 所示） 。图 3-1 反射式红外传感器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
10、磁阀作用，使水源打开。红外线控制自动水龙头的控制过程是：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。3.2 系统组成方框图红外线自动控制水龙头整个控制过程分为 5 个部分。系统组成方框图如图 3-2 所示。 图 3-2 系统组成方框 物体3.3 红外反射式光电传感器特性与工作原理反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二
11、极管，以及激光发光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率比较集中，传感器只能搜索很窄的频率范围信号，不容易被干扰，但价格较贵。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射，同时又能被接收管接收到的范围进行检测，然而这是一种理想的结果。采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送给红外管发射，光敏管接收调制的红外信号（如图 3-3 所示） 。反射光强度的输出信号电压（Vout）是反射面与传感器之间的距离（X）的函数，设反射面物质为同种物质时，X 与 Vout 的响应曲线是非线性的（如图 3-4 所
12、示） 。设定出电压达到某一阀值时作为目标，不同的目标距离，阀值电压是不同的。图 3-3 红外发射接收原理图 图 3-4 光强度相应曲线图3.4 红外发射部分的具体设计方案红外发射部分就是基于 555 时基电路的无稳态工作模式，构成一个多谐振荡器，其具体设计原理图如图 3-5 所示。发射接收反射表面x 104Voutx/mm图 3-5 红外发射部分的设计原理图这一部分中的电源由电源部分提供 9V 的直流稳压电， 555 时基电路的型号是LM555。将红外发光二极管 LED1 接在 LM555 的第 3 脚与电源正极之间后，只有在 LM555 第 3脚输出低电平的时候，LED1 才会发出红外线，输
13、出高电平的时候，LED1 不会工作，所以 LED1发出的红外光束是一束窄脉冲光束，占空比为 10%左右。这样的光束不但有利于接收，同时也减少发光二极管 LED1 的功耗，延长了发光二极管的寿命。这一部分所发射的红外线经人的手反射后，被后面电路中的光耦合器接收到，从而进一步的进行译码控制。3.5 红外接收电路红外接收电路的功能：红外调制信号被红外接收光敏二极管接收并转换为电信号，电信号送入后面由工作在单稳态工作模式下的 555 时基电路组成的电路进行选频。红外接收电路是光耦合器的一部分。图 3-6 为本设计中光耦合器的接法。图 3-6 光耦合器的接法光耦合器（optical coupler，英文
14、缩写为 OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动红外发光二极管（LED） ，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它
15、在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是 70 年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR） 、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节
16、控制端电流来改变占空比，达到精密稳压的目的。3.6 延时控制电路延时控制电路主要由 LM555 时基集成电路、电磁继电器以及电磁阀等元件组成。该处电路的 LM555 时基电路工作在单稳态工作模式。它接收到由光耦合器发出的脉冲信号后，第 3 脚输出由低电平跳变为高电平，使电磁继电器工作，控制电磁阀开启，水龙头放水；当光耦合器的脉冲信号消失后，经过一段时间的延时（即单稳态电路的暂态时间） ，第 3 脚输出由高电平跳变为低电平，不能给电磁继电器提供工作电压，控制电磁阀关闭，水龙头断水。控制电路的电路原理图如图 3-7 所示。图 3-7 控制电路原理图电磁继电器的额定工作电压是电磁继电器最主要的一项技
17、术参数。在使用电磁继电器时，应该首先考虑所在电路（即电磁继电器线圈所在的电路）的工作电压，电磁继电器的额定工作电压应等于所在电路的工作电压。一般所在电路的工作电压是继电器额定工作电压的 0.86。应注意所在电路的工做电压千万不能超过电磁继电器的额定工作电压，否则电磁继电器线圈容易烧毁。LM555 电路是可以直接驱动电磁继电器工作的，而有些集成电路，例如 COMS 电路输出电流小，需要加一级晶体管放大电路方可驱动继电器，这就应考虑晶体管输出电流应大于电磁继电器的额定工作电流。3.7 电源部分的具体设计方案民用电压（交流 220V）通过变压器降压、整流桥整流、电容滤波、 LM7809 稳压后，输出 9V 左右的直流电压。电源部分的具体设计原理如图 3-8 所示。图 3-8 电源部分的具体设计原理电源是所有电器设备的灵魂，也是本设计的重点。因为没有它，无论再完美、再有用的电路都不能工作。所以在制作电路的时候，首先要做好电源电路，而且要保证成功。第 4 章 电路仿真与实验结果分析红外发射电路仿真结果及分析（a ）
