简易自来水开关控制电路设计.doc

1、课程设计说明书 第 I 页简易自来水开关控制电路设计摘 要随着对红外感应技术的深入研究，以及电源电路设计的进一步发展，自来水开关控制电路的设计更加简单、稳定，在降低成本满足需求的同时，还起到了节约用水的作用。本文在研究电源电路、红外感应和开关电路原理的基础上，根据电子线路设计的准则，设计了一个简易自来水开关控制电路。该电路能够在人们需要用水的时候，通过感应装置自动打开自来水开关，并在打开开关一段时间后，自动关断开关，从而起到节约用水的你目的。该方案基本满足了设计的要求，但是在电源电路、红外线发射接收电路方面还存在需要改进的地方。关键词：红外线感应、电源电路、开关电路、节约用水课程设计说明书 第

2、 II页目 录1 绪论 .11.1 课题描述 .11.2 基本工作原理及框图 .12 自来水开关控制系统的研究基础 .22.1 红外感应的原理 .2 2.2 红外感应的研究现状及应用 .22.2.1 红外探测器 .22.2.2 红外测温仪 .32.2.3 红外遥感技术 .33 自来水开关控制系统的电路设计 .33.1 红外感应电路的设计 .43.1.1 红外线发射电路 .43.1.2 红外线接收电路 .43.2 时间延迟电路 .43.3 自来水开关电路 .53.4 电源电路 .53.5 电路原理图 .63.6 元器件清单 .6总 结 .8致 谢 .9参考文献 .10课程设计说明书 第 1 页1

3、 绪 论1.1 课题描述随着人们生活水平的提高和电子技术的进步，越来越多的红外感应开关应用于人们的日常生活和工业控制当中，红外线感应开关分为两种方式，一是反射式，二是折档式。 （1）反射式的工作方式是：红外线发出光波射到物体上反射回来，此时感应板接受信号，距离为 1.5 米以内，然后给出一个电平信号来控制负载电路。 （2）折档式的工作方式是：控制板一方发射红外线另一方接受红外线信号，距离为 10 米远，此时如果有物体折档住发射信号，感应板接受到信号给出一个电平信号来控制负载电路。红外感应开关的广泛应用可以有效的达到节约用水的目的，尤其是在现代化技术高度发展的今天，为了起到节约用水，环境保护，并

4、满足人们的日常生活需要，自来水开关控制电路的设计就显得更为重要。1.2 基本工作原理及框图简易自来水开关控制电路的总体框图如图 1.2.28 所示。它是由红外线发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路、自来水开关控制电路和电源电路 5 部分构成的。图 1.2.28 简易自来水开关控制电路的总体框图红外线发射电路的功能是利用红外线发光管发射光脉冲，从而实现电路对人体或物体的感应。红外线接收电路功能是利用光敏元件接收发射出来的光脉冲，并且将光脉冲信号转化为电信号，同时对其进行放大，时间延迟电路的功课程设计说明书 第 2 页能是利用单稳态电路的特性，实现对自来水开关打开时间的控制。自来水开关电路的功能

5、是利用电磁阀作为自来水管的开关，从而可以通过电信号对自来水进行控制。电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。2 自来水开关控制系统的研究基础2.1 红外感应的原理人体热释电红外传感器：人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会发出特定波长 10UM 左右的红外线，被动式红外探头就是探测人体发射的 10UM 左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10UM 左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能触发开关动作。当有人进入开关感应范围时，专用传感器探测到

6、人体红外光谱的变化，开关自动接通负载，人不离开感应范围，开关将持续接通；人离开后或在感应区域内无动作，开关延时（时间可调 TIME 5-120 秒）自动关闭负载。2.2 红外感应的研究现状及应用随着对红外感应原理研究的深入，红外技术在现实中的应用也越来越广泛，主要体现在以下几个方面：2.2.1 红外探测器不 同 种 类 的 物 体 发 射 出 的 红 外 光 波 段 是 有 其 特 定 波 段 的 ， 该 波 段 的 红 外光 处 在 可 见 光 波 段 之 外 。 因 此 人 们 可 以 利 用 这 种 特 定 波 段 的 红 外 光 来 实 现 对物 体 目 标 的 探 测 与 跟 踪 。

7、 将 不 可 见 的 红 外 辐 射 光 探 测 出 并 将 其 转 换 为 可 测 量的 信 号 的 技 术 就 是 红 外 探 测 技 术 。 从 目 前 应 用 的 情 况 来 看 ， 红 外 探 测 有 如 下几 个 优 点 ： 环 境 适 应 性 优 于 可 见 光 ， 尤 其 是 在 夜 间 和 恶 劣 天 候 下 的 工 作 能 力 ；隐 蔽 性 好 ， 一 般 都 是 被 动 接 收 目 标 的 信 号 ， 比 雷 达 和 激 光 探 测 安 全 且 保 密 性强 ， 不 易 被 干 扰 ； 由 于 是 *目 标 和 背 景 之 间 的 温 差 和 发 射 率 差 形 成 的

8、红 外 辐射 特 性 进 行 探 测 ， 因 而 识 别 伪 装 目 标 的 能 力 优 于 可 见 光 ； 与 雷 达 系 统 相 比 ，红 外 系 统 的 体 积 小 ， 重 量 轻 ， 功 耗 低 ； 探 测 器 的 光 谱 响 应 从 短 波 扩 展 到 长 波 ；课程设计说明书 第 3 页探 测 器 从 单 元 发 展 到 多 元 、 从 多 元 发 展 到 焦 平 面 ； 发 展 了 种 类 繁 多 的 探 测 器和 系 统 ； 从 单 波 段 探 测 向 多 波 段 探 测 发 展 ； 从 制 冷 型 探 测 器 发 展 到 室 温 探 测器 ； 由 于 红 外 探 测 技 术

9、有 其 独 特 的 优 点 从 而 使 其 在 军 事 国 防 和 民 用 领 域 得 到了 广 泛 的 研 究 和 应 用 ， 尤 其 是 在 军 事 需 求 的 牵 引 和 相 关 技 术 发 展 的 推 动 下 ，作 为 高 新 技 术 的 红 外 探 测 技 术 在 未 来 的 应 用 将 更 加 广 泛 ， 地 位 更 加 重 要 。 红外 探 测 器 是 将 不 可 见 的 红 外 辐 射 能 转 变 成 其 它 易 于 测 量 的 能 量 形 式 的 能 量 转化 器 ， 作 为 红 外 整 机 系 统 的 核 心 关 键 部 件 ， 红 外 探 测 器 的 研 究 始 终 是

10、红 外 物理 与 技 术 发 展 的 中 心 。 自 1800 年 Herschel 发 现 太 阳 光 谱 中 的 红 外 线 时 所用 的 涂 黑 水 银 温 度 计 为 最 早 的 红 外 探 测 器 以 来 ， 随 着 红 外 实 验 和 理 论 的 发 展 ，新 器 件 不 断 涌 现 。 红 外 探 测 器 制 备 涉 及 物 理 、 材 料 、 化 学 、 机 械 、 微 电 子 、计 算 机 等 多 学 科 ， 是 一 门 综 合 科 学 。2.2.2 红外测温仪红 外 测 温 仪 由 光 学 系 统 、 光 电 探 测 器 、 信 号 放 大 器 及 信 号 处 理 、 显

11、示 输出 等 部 分 组 成 。 光 学 系 统 汇 聚 其 视 场 内 的 目 标 红 外 辐 射 能 量 ， 视 场 的 大 小 由测 温 仪 的 光 学 零 件 及 其 位 置 确 定 。 红 外 能 量 聚 焦 在 光 电 探 测 器 上 并 转 变 为 相应 的 电 信 号 。 该 信 号 经 过 放 大 器 和 信 号 处 理 电 路 ， 并 按 照 仪 器 内 疗 的 算 法 和目 标 发 射 率 校 正 后 转 变 为 被 测 目 标 的 温 度 值 。 当 用 红 外 辐 射 测 温 仪 测 量 目标 的 温 度 时 首 先 要 测 量 出 目 标 在 其 波 段 范 围 内

12、 的 红 外 辐 射 量 ， 然 后 由 测 温 仪计 算 出 被 测 目 标 的 温 度 。 单 色 测 温 仪 与 波 段 内 的 辐 射 量 成 比 例 ； 双 色 测 温 仪与 两 个 波 段 的 辐 射 量 之 比 成 比 例 。2.2.3 红外遥感技术红 外 遥 感 （ infrared remote sensing ） 是 指 传 感 器 工 作 波 段 限 于 红外 波 段 范 围 之 内 的 遥 感 。 探 测 波 段 一 般 在 0.761000 微 米 之 间 。 是 应 用红 外 遥 感 器 （ 如 红 外 摄 影 机 、 红 外 扫 描 仪 ） 探 测 远 距 离 外

13、 的 植 被 等 地 物 所 反射 或 辐 射 红 外 特 性 差 异 的 信 息 ， 以 确 定 地 面 物 体 性 质 、 状 态 和 变 化 规 律 的 遥感 技 术 。3 自来水开关控制系统的电路设计课程设计说明书 第 4 页3.1 红外感应电路的设计3.1.1 红外线发射电路图 1.2.29 虚线左边电路为红外线发射电路，该电路的核心器件是红外线发光二极管 SE303，红外线发光二极管由 GaAs 的 PN 结构成，其发光波段处于可见光波段之外，因此不能在显示中使用，一般仅作为光信号传输之用。本电路的感应装置一般要求不可见，因此只能采用红外线发光二极管作为感应装置。图 1.2.29

14、红外线发射电路和红外线接收电路3.1.2 红外线接收电路图 1.2.29 虚线右边电路为红外线接收电路。该电路包含两个部分：一是红外线接收电路；二是信号放大电路。红外线接收电路实际上就是一个硅光电池2CR21。硅光电池的原理是通过硅 PN 结的光伏效应，使其具有按照光信号的强度产生出对应电信号的特性，这称为光敏器件。硅光电池的输出特性分为恒流区和恒压区，即其短路电流与光强度成正比，其开路电压随光强度按指数规律变化，由于其电流和光强度是线性关系，一般采用产生短路电流的方式来接收光信号。3.2 时间延迟电路图 1.2.30 种虚线左边所示电路为时间延迟电路，该电路主要由两部分构成：一是整流和滤波电

15、路；二是由 NE555 集成电路构成的单稳态电路。前端电路的课程设计说明书 第 5 页输出电压 V1 首先经过二极管 D1 和 D2 整流，再经过电容 C1 滤波，则在 NE555集成电路的 TRIG 端产生了触发电平信号。图 1.2.30 时间延迟电路和自来水开关电路3.3 自来水开关电路由于电磁阀通过的是大电流、大功率，而电流电源一般无法提供很大的电流和功率，因此电磁阀需要交流供电，从而电路中的开关需要采用继电器电路。而一般 NE555 集成电路的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。如图 1.2.30 虚线右端为电流放大电路，三极管 T1 构成的电流放大电路是一种比较典型和简

16、单的电路。其中 R3 为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。T1 为共发射级电路，当输入端 Q 输出高电平时，三极管导通饱和，将输入电流放大 倍；当输出端 Q 输出低电平时，三极管截至，无电流通过。继电器连接 T1 的集电极，当有电流驱动时，开关吸合，电磁阀通电，自来水流出；当无电流驱动时，开关断开，电磁阀不通电，没有自来水流出，同时继电器两端并联一个二极管实现保护。同时电路中加入发光二极管 D3 作为显示电路，显示自来水是否流出。3.4 电源电路电源电路的设计可以采用两种方法来实现，第一种方法是采用电池供电，需要注意的问题是选择合适电池的指标参数与电路相匹配；第二种方法采用如图 1.2.3

17、1 所示电路。电路直接从电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的 220V 交流电转换为+12V 直流电压。电路中变压器采用常规的铁心变压器，整流电路采用二极管桥式整流电路，C1、C2、C3 和 C4课程设计说明书 第 6 页完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。图 1.2.31 电源电路3.5 电路原理图简易自来水开光控制电路的总电路图如图 1.2.32。该电路由红外线发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路、自来水开关电路和电源电路 5 部分构成。总电路图中需要注意的是各个单位电路之间的连接一定要准确，同时各部分的布局要合理。图 1.2.32 简易自来水开

18、关控制电路的总电路图3.6 元器件清单课程设计说明书 第 7 页简易自来水开关控制电路中所有使用的电子元器件如表 1.2.6 所列。需要说明的是表中所列的电子元器件类型仅为许许多多可供选择的电子元器件类型中的一种。具体设计时，设计者应该根据设计的实际要求来选择。符号 类别 数目R1 220k 1R2 22 k 1R3、R10、R11 1 k 3R4 300 k 1R5R7 4 k 3R8 10 1R9 可变电阻 1D4 LED 1D1D3 IN4148 3C1 100nF 1C2、C7 0.01uF 2C3、C4 22 nF 2C5、C9、C11 0.1 uF 3C6、C8 470 uF 2C10 47uF 1T1T3 9013 3SE303 红外线发光管 12CR21 硅光电池 1J1 继电器 1T TRANS1 1D BRIDGE1 1U1、U2 NE555 2U3 MC78L12CP 1课程设计说明书 第 8 页