1、密级NANCHANGUNIVERSITY学士学位论文（设计）THESISOFBACHELOR（20092013）中文题目简易自来水开关控制电路英文题目THERUNNINGWATERSWITCHCONTROLCIRCUIT学院南昌大学共青学院系别工程系专业班级电气工程及其自动化学生姓名学号8110209009指导教师二一三年六月南昌大学共青学院毕业论文（设计）学士学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确
2、方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名日期南昌大学共青学院毕业论文（设计）目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111概述112红外感应开关的研究现状1121红外线感应原理1121感应开关的缺点2第2章工作原理和设计框图321基本工作原理3211总体框图3212基本工作原理322具体设计框图4第3章自来水开关控制系统的电路设计531电路主要芯片介绍5311NE555时基电路简介5312MC78L12CP简介632红外感应电路的设计6321红外线发射电路6322红外线发射电路633时间延迟电路634自来水开关电路735电源电路836电路原理图937元器件清单10第4章用M
3、ULTISIM仿真1141MULTISIM仿真软件简介11411MULTISIM仿真软件概述11南昌大学共青学院毕业论文（设计）412MULTISIM的仿真特点1242用MULTISIM软件仿真的结果13结论17参考文献18致谢19南昌大学共青学院毕业论文（设计）摘要I摘要红外线感应开关对于自动控制设备、照明、安全防盗、自动设备人身防护等，都有着很广泛的应用。是一款真正的节能、环保、人性化产品。本文介绍的简易自来水开关正是对红外线感应原理的一项具体应用。设计应在满足人们用水的习惯的同时，应做到资源节约的目的在人们需要用水时自动打开，取水后，开关延时关闭。本设计电路有五部分组成，电源电路、红外线
4、发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路和自来水开关电路。通过红外线发射电路和接收电路，把感应到的光源信号转化为电路对应的电信号。通过时间延迟电路利用但稳态电路的特性，对开关开闭时间予以控制。自来水开关电路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。电源电路则为上述所有电路提供电源。关键词红外线；节能；控制电路；电源南昌大学共青学院毕业论文（设计）ABSTRACTIIABSTRACTINFRAREDINDUCTIONSWITCHFORAUTOMATICCONTROLEQUIPMENT,LIGHTING,SECURITY,AUTOMATICEQUIPMENTFORPERSON
5、ALPROTECTION,HASAVERYWIDERANGEOFAPPLICATIONSISAREALENERGYSAVING,ENVIRONMENTALPROTECTION,USERFRIENDLYPRODUCTSASIMPLETAPSWITCHINTHISPAPERISASPECIFICAPPLICATIONOFTHEINFRAREDINDUCTIONPRINCIPLETHEDESIGNSHOULDBETOMEETTHEWATERHABITSATTHESAMETIME,TOACHIEVERESOURCECONSERVATIONOBJECTIVEOPENAUTOMATICALLYWHENPE
6、OPLEAREINNEEDOFWATER,WHENTHEWATER,SWITCHDELAYOFFTHEDESIGNEDCIRCUITISCOMPOSEDOFFIVEPARTS,POWERCIRCUIT,INFRAREDEMISSIONCIRCUIT,RECEIVINGCIRCUIT,ATIMEDELAYCIRCUITANDARUNNINGWATERSWITCHCIRCUITTHROUGHTHEINFRAREDEMISSIONCIRCUITANDRECEIVINGCIRCUIT,THEINDUCEDTEMPERATURESIGNALINTOELECTRICALSIGNALSCORRESPONDI
7、NGCIRCUITBYTHETIMEDELAYCIRCUITUSINGTHESTEADYSTATECHARACTERISTICSOFTHECIRCUIT,THESWITCHTOCONTROLOPENINGANDCLOSINGTIMETHERUNNINGWATERSWITCHCIRCUITUSINGELECTROMAGNETICVALVEASTHEWATERTAP,WHICHCANTHROUGHTHEELECTRICALSIGNALTOCONTROLTHEWATERAPOWERCIRCUITPROVIDESTHEPOWERSUPPLYFORALLOFTHEABOVECIRCUITKEYWORDS
8、INFRAREDENERGYSAVINGCONTROLCIRCUITPOWERSUPPLY南昌大学共青学院毕业论文（设计）第1章绪论1第1章绪论11概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。12红外感应开关的研究现状目前对射型红外线感应开关比较普遍，对射型红外线感应开关分为两种方式，一是反射式见下图11，二是折档式见下图12。121红外线感应原理反射式对射型
9、红外线感应开关通过感应板接受物体反射回来的红外光波，感应距离为15米以内，感应范围较小。图11折档式对射型红外线感应开关的控制板发射红外线到接收方，中间需要有人或物体折档发射信号，其安装容易受到限制。红外发射器红外接收器红外发射器红外接收器南昌大学共青学院毕业论文（设计）第1章绪论2图12121感应开关的缺点容易受到各种光源、热源、射频辐射、热气流的干扰；被红外穿透力较差，人体的红外辐射容易被遮挡；当人体体温和环境温度接近时，探测和灵敏度明显下降，可能会造成短时失灵。红外线开关可应用与家庭，如用在楼道，或者行动不方便的人在家里睡觉时，由于多功能开关的红外感应有一个范围，因此当人躺下床时，红外停
10、止感应就关闭。当人起身坐在床上时，红外感应就触发，灯就可以亮起来。由于夏天南方室内气温高。如今市场上仅有独的声光控制开关或是单独的红外控制开关，没有红外与声光控制相接和的多功能开关。如果就只有红外单一的控制，就很容易受到外界干扰。红外发射器红外接收器红外发射器红外接收器南昌大学共青学院毕业论文（设计）第3章自来水开关控制系统的电路设计3第2章工作原理和设计框图21基本工作原理通过红外线感应开关的关断，实现对自来水开关的控制。在自来水感应开关控制器的设计中采用反射式感应方式。通过对遮挡物反射来接收信号，再把信号进行一系列的滤波放大处理。电路总体包括以下电路电源电路、红外线发射电路、红外线接收电路
11、、时间延迟电路和自来水开关电路。211总体框图图21212基本工作原理当人们需要用水时，器皿或手部遮挡红外线发射器，经过反射，光信号被红外接收电路接收并装换为电信号。时间延迟电路的功能是利用NE555组成的单稳态电路的特性，实现对自来水开关关断时间的控制。最后自来水开关电路通过对电磁阀对自来水开闭进行控制。而电源电路为以上电路提供电源。本设计运用两块NE555集成电路，一做滤除干扰作用，取出有用信号，二做延时电路，最后启动自来水龙头电磁阀，打开自来水。设计中，为了减少干扰，提高感应灵敏度，技术上使用，快充慢放检波，防抖驱动，以获取设计所需效果。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
12、电路电源电路南昌大学共青学院毕业论文（设计）第3章自来水开关控制系统的电路设计422具体设计框图16VAC220V12V遮挡物图22滤波、延时电路红外线接收电路信号放大电路红外线发射器红外线接收器检波电路延时电路自来水开关电路电源南昌大学共青学院毕业论文（设计）第3章自来水开关控制系统的电路设计5第3章自来水开关控制系统的电路设计31电路主要芯片介绍311NE555时基电路简介NE555的内部结构图如图31所示图31NE555内部电路结构与工作波形NE555时基电路是一种用途广泛的数字模拟混合集成电路，它是由比较器1C和2C、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管DT三部分组成。多谐振荡器又可
13、称为方波振荡器。图4为555构成的多谐振荡器。图中C是外接定时电容，R1是充电电阻R2即是充电电阻又是放电电阻。5断电容C1用于防止干扰,大部分时候可以不接。当接通电源后VCC要通过R1、R2对电容C充电,充至电容电压UC2/3UCC时,输出端UO输出低电平,此时内部三极管导通使7脚接地,电容C又要通过R2,再经过7脚内部三极管的CE结放电,UC电压下降,当UC下降到1/3VCC时,UO输出高电平,内部三极管截止,7脚恢复高电平虚高,C又被重新充电。以后重复这个过程,获得方波输出,其震荡周期为TT1T207R1R2C07R2C07R12R2C南昌大学共青学院毕业论文（设计）第3章自来水开关控制
14、系统的电路设计6312MC78L12CP简介MC78L12CP是一种三端小电流正稳压电源，它的最大输出电流是100MA。32红外感应电路的设计321红外线发射电路图32虚线左边电路为红外线发射电路，其核心器件是SE303红外线发光二极管，SE303是由GAAS的PN结构成，其发光波段不处于可见光的波段，即不能在显示中使用，一般仅是作为光信号传输之用。一般设计产品要求感应装置不可见，所以只能采用红外线发光二极管作为感应装置。图32红外线发射电路和红外线接收电路322红外线发射电路图32虚线右边电路为红外线接收电路。它由两个部分组成一是红外线接收电路；二是电信号放大电路。实际上红外线接收电路就是2
15、CR21硅光电池。其工作原理是通过硅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。33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路；二是由NE555集成电路构南昌大学共青学院毕业论文（设计）第3章自来水开关控制系统的电路设计7成的单稳态电路。前端电路的输出电压1V首先经过二极管2D和3D整流，再经过电容5C滤波，则在NE555集成电路的TRIG端产生了触发电平信号。当接收到红外线脉冲
16、时，前端电路输出电压1V经由整流和滤波在TRIG端产生一个高电平信号，由NE555集成电路构成的单稳态电路特性可知，输出端Q输出低电平。当由于人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲时，前端电路没有输出电压1V，则TRIG端输入为零，单稳态电路接收到触发信号，输出端Q输出为高电平并保持一段时间。延迟时间由可变电阻9R和电容6C的数值决定，通过调节可变电阻的大小，可以改变延迟时间的长短，以适合不同场合的应用。时间延迟电路如图33所示图33时间延迟电路34自来水开关电路由于电磁阀通过的是大电流、大功率，而直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
17、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。自动水龙头开关电路如图34所示南昌大学共青学院毕业论文（设计）第3章自来水开关控制系统的电路设计8图34自动水龙头开关电路该电路中的电流放大电路是由三极管T3构成的，这是一种比较典型和简单的电路。其中10R为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。3T为共发射极电路，当输出端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，三极管截止，无电流通过。继电器连接3T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，同时在继电器两端并
18、联一个二极管实现保护。同时电路中加入发光二极管4D作为显示电路，显示自来水是否流出。35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；第二种方法就是采用如图35所示的电源电路。图35电源电路南昌大学共青学院毕业论文（设计）第3章自来水开关控制系统的电路设计9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220V交流电转换为12V直流电压。电路中的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，C8470NF、C901UF、C1047UF和C1101UF完成滤波功能完成滤波功能，稳压
19、电路采用三端稳压集成电路来实现。36电路原理图图36红外自动水龙头开关控制电路的总电路图简易自来水开关控制电路的总电路图如图36所示。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。南昌大学共青学院毕业论文（设计）第3章自来水开关控制系统的电路设计1037元器件清单简易自来水开关控制电路中所有使用的电子元器件如表所列。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R1220K1R
20、222K1R3、R10、R111K3R4300K1R5R74K3R8101R9可变电阻1D4LED1D1D3IN41483C1100NF1C2、C7001UF2C3、C422NF2C5、C9、C1101UF3C6、C8470UF2C1047UF1T1T390133SE303红外线发光管12CR21硅光电池1J1继电器1TTRANS11DBRIDGE11U1、U2NE5552U3MC78L12CP1南昌大学共青学院毕业论文（设计）第4章MULTISIM仿真11第4章用MULTISIM仿真41MULTISIM仿真软件简介411MULTISIM仿真软件概述MULTISIM是一种专门用于电子电路仿真和
21、设计的EDA工具软件，属于ELECTRONICSWORKBENCH系列软件的高版本。ELECTRONICSWORKBENCH简称EWB由加拿大INTERACTIVEIMAGETECHNOLOGIES公司（简称IIT公司）于1988年推出。IIT公司从EWB60版本开始，将电路图输入仿真与设计的模块更名为MULTISIM。MULTISIM在保留了EWB原有优点的基础上，大大扩充了元件库中电路的数目，增强了软件的仿真测试和分析功能，可实现模拟/数字电路的SPICE仿真、VHDL/VERILOG设计与仿真、RF电路仿真等。MULTISIM软件具有以下一些特点1丰富的元器件库MULTISIM为用户提供
22、了数万种真实元器件和虚拟元器件。真实元器件有型号、参数（不可修改）、封装，可以制作PCB板虚拟元器件是该类器件的代表，参数可修改，无封装，只能用于仿真，不可制作PCB板。2多种类的虚拟仪器仪表MULTISIM软件提供了多种常用仪器仪表，用于测试电路性能参数及波形，结果准确直观。同一种仪器使用数量不受限制，所提供的安捷伦仪器面板象真实仪器一样，用这些仪器象在实验室一样，可方便地测试电路的性能参数及波形。3多种类型的仿真分析MULTISIM可以进行直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析等十多种分析，分析结果以表格或波形直观的显示出来,有些分析在实验室是无法完成的，为用户设计分析电路提供了极
23、大的方便。4提供了与其他软件交换信息的接口MULTISIM可以打开PSPICE所建立的SPICE网络表文件。也可将MULTISIM建立的电路原理图转换为网络表文件，提供给ULTIBOARD、PROTEL、ORCAD等EDA工具南昌大学共青学院毕业论文（设计）第4章MULTISIM仿真12软件进行PCB板图的设计。还可以提供给MATHCAD、EXECL等软件进行进一步处理，以获得更多的信息。5、强大的后处理功能MULTISIM后处理功能可以对仿真的数据，按编辑的公式进行运算，运算结果以表格或图形的形式输出显示，以获得更多的信息。412MULTISIM的仿真特点使用MULTISIM10可交互式地搭
24、建电路原理图，并对电路行为进行仿真。MULTISIM提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样使用者无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，使其更适合电子学教育。通过MULTISIM和虚拟器技术，使用者可以完成从理论到原理图捕获与仿真，再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。MULTISIM100和ULTIBORD100推出了很多专业设计特性，主要是高级仿真工具、增强的元件库和扩展的用户社区，主要的特性包括所见即所得的设计环境；互动式的仿真界面；元件库包括1200多个新元器件和500多个新SPICE模块，这些都来自于如美国模拟器件公司（ANALOGDEVICES）
25、、凌力尔特公司（LINEARTECHNOLOGY）和德州仪器（TEXASINSTRUMENTS）等业内领先厂商，其中包括100多个开关模式电源模块；动态显示元件（如LED，七段显示器等）；汇聚帮助（CONVERGENCEASSISTANT）功能能够自动调节SPICE参数，纠正仿真错误；数据的可视化分析功能，包括一个新的电流探针仪器和用于不同测量的静态探点，以及对BSIM4参数的支持。具有3D效果的仿真电路。NIMULTISIM软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NIMULTISIM10，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPI
26、CE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，南昌大学共青学院毕业论文（设计）第4章MULTISIM仿真13从而缩短建模循环。与NILABVIEW和SIGNALEXPRESS软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。MULTISIM软件使模拟电路、数字电路的设计及仿真更为方便。并且极其广泛的应用于教学实验中，方便老师的教学讲解，也便于了学生的理解学习，加强了对MULTISIM软件的认识。42用MULTISIM软件仿真的结果1红外线发射电路的工作状态仿真如图41所示图41红外线发射电路的工作状
27、态仿真图由于条件有限，用发光二极管和灯泡的亮、灭来代替电路是否能够正常工作，能正常工作则发光二极管和灯就亮，不能正常工作则发光二极管和灯就灭。由图41可知，红外线发射电路可以正常工作。2红外线发射、接收电路的工作状态仿真，1V处输出的电压波形仿真分别如图41、图42所示南昌大学共青学院毕业论文（设计）第4章MULTISIM仿真14图42红外线发射、接收电路的工作状态仿真图图431V处输出的电压仿真波形图南昌大学共青学院毕业论文（设计）第4章MULTISIM仿真15由图42、图43可知，通过红外线发射电路和接收电路，在1V处可以输出稳定的电压，从而保证时间延迟电路、自动水龙头开关电路的正常工作。
28、3红外自动水龙头开关断开、吸合的工作状态仿真分别如图44、图45所示图44红外自动水龙头开关断开的工作状态仿真图图45红外自动水龙头开关吸合的工作状态仿真图南昌大学共青学院毕业论文（设计）第4章MULTISIM仿真16由图44、图45可知，当由于人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲时，前端电路没有输出电压1V，则NE555的TRIG端输入为零，单稳态电路接收到触发信号，输出端输出为高电平并保持一段时间，使自动水龙头开关电路有电流流过，当有电流驱动时，开关吸合，电磁阀通电，自来水流出；当没有人体或者物体的阻隔时，NE555的TRIG端输入为1，单稳态电路的输出端输出低电平，自动水龙头开关电路
29、中没有电流流过，无电流驱动，则开关断开，电磁阀不通电，没有自来水流出。电路中加入发光二极管LED2和灯泡X2作为显示电路，显示自来水是否流出；发光二极管LED2和灯泡X2亮则自来水流出，不亮则不流。南昌大学共青学院毕业论文（设计）结论17结论使用NE555时基电路等器件设计简易自来水开关控制电路，可实现专用芯片TL5108的功能，设计精简、方便。NE555时基电路巧妙地将模拟电路和数字电路结合在一起，在很多电路设计中都有广泛的应用。以上所设计的用MULTISIM仿真电路时经过了多次的修改和整理，可以满足人们的基本要求，但由于水平有限，文中肯定有很多不恰当的地方，请老师指出其中的错误和不当之处，
30、使我能做出改正，我会虚心接受。通过这段时间的学习，我感觉收获很大首先，通过学习使自己可以把课本上的知识应用于实际，使理论与实际相结合，加深了自己对课本知识的理解，也锻炼了我个人的动手能力，同时通过查阅资料还学会了许多课本以外的知识。南昌大学共青学院毕业论文（设计）参考文献18参考文献1李银华,王新全,江泳电子线路设计指导北京北京航空航天大学出版社,2005,641452尹勇,李林凌MULTISIM电路仿真入门与进阶北京科学出版社,2005,21641653严飞,姜源,杨碧石妙用电子模块222例北京中国电力出版社,20061391414秉时一种红外全自动水龙头的制作红外,20030248495马
31、崇林TL5108红外感应水龙头专用芯片应用家庭电子,20040220216阎光明基于EM78P156E的自动红外控制系统设计国外电子元器件,20010551527阎石数字电子技术基础北京高等教育出版社,2004,33483498肖景和CMOS数字电路应用300例北京中国电力出版,2005,11992009汤山俊夫数字电路设计与制作北京科学出版社,2005,4969810张庆双实用电子电路200例北京机械工业出版社,2003,514715011陈振官数字电路及制作实例北京国防工业出版社,2006,837037112姚福安电子电路设计与实践济南山东科学技术出版社,2002,611411513骆新全
32、,黄玲玲电路仿真与PCB设计北京北京航空航天大学出版社,2004,812212314周凯EWB虚拟电子实验室北京电子工业出版社,2005,612112315路而红虚拟电子实验室北京人民邮电出版社,2005,515015216MARVINGERTHTRANSFORMERSFORTHEELECTRICIANMCENGAGELEARNING,201017STANLEYHHOROWITZ、ARUNGPHADKEPOWERSYSTEMRELAYINGMWILEYBLACKWELL,200818ROBERTLSMITH、STEPHENLHERMANELECTRICALWIRINGINDUSTRIALMDE
33、LMARCENGAGELEARNING,2011南昌大学共青学院毕业论文（设计）致谢19致谢经过本项目的设计制作，使我对电子产品的生产过程有了详细的了解，如何使手中的原理图变成电子产品，增加学习电路基本理论知识的兴趣，对常见元器件有了充分的认识扩大了我的知识面，提高了我的获取知识的能力和解决问题的能力，也提高了我的实际工作能力。在制作的过程中不可避免的会产生一些错误和难以解决的问题，于是便提升我的心理素质，提高心理承受能力和对失败和挫折的承受能力。同时在设计过程中，老师给予我充分的空间去主动吸收和追求知识，并不是采用灌汤式的方法，而是让我在面对问题时去思考去找出问题的症结与解决的方法。通过这次设计，为日后工作提供了一次宝贵的演练机会。非常感谢学校和老师给我们的这次机会也感谢所有支持我帮助过我的人
