課程設計-簡易自動干手裝置

1、<p><b>　　簡易自動干手電路</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近些年來，隨著科學的發(fā)展，酒店、車站、網(wǎng)絡會所等越來越多的公共場所的洗手間裝有自動洗手器和自動干手器，給人們帶來了很大的方便。其中，自動干手器是采用一種紅外線控制的電子開關，當有人手伸過來時，手對紅外線的反射作用，使紅外線開關

2、將電熱吹風機自動打開，一段時間后，吹風機自動關閉。</p><p>　　自動干手電路是由紅外線發(fā)射電路，紅外線接收電路，時間延遲電路，自動干手器開關電路和電源電路五部分構成，合成后形成自動干手器。當時間延遲電路輸出低電平時，繼電器兩端電壓均為低電平，繼電器不工作，開關斷開，吹風機不吹出熱風；當輸出高電平，繼電器有電壓驅(qū)動，開關吸合，吹風機吹出熱風。</p><p>　　關鍵詞 紅外線發(fā)

3、射器 紅外線接收放大器 自動干手器開關控制器 時間延遲電路 電源電路</p><p>　　第一章 工作方案設計</p><p><b>　　第一節(jié) 總體設計</b></p><p><b>　　系統(tǒng)組成框圖</b></p><p>　　簡易自動干手器控制電路的總體框圖如圖1-1。

4、它是由紅外線發(fā)射電路，紅外線接收電路，時間延遲電路，自動干手器開關電路和電源電路五部分構成的。加上電機吹風電路，就構成了完整的干手器。</p><p>　　圖1-1 簡易自動干手電路的總體框圖</p><p><b>　　基本原理</b></p><p>　　紅外線發(fā)射電路的功能的利用紅外線發(fā)光管發(fā)射脈沖，從而實現(xiàn)電路對人體的感應。紅外線接收

5、電路功能的利用光敏元件接收發(fā)射出來的光脈沖，并且將光脈沖信號轉(zhuǎn)化為電信號，同時對其進行放大。時間延遲電路實現(xiàn)對自動干手器開關打開時間的控制。利用555定時器及多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等元件即可組成紅外線自動干手器電路。當人們需要干手時，人們把手靠近干手器時，由于手對紅外線的反射作用，使555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生一段時間的高電平定時?？刂谱詣痈墒制鲿蜷_加熱裝置和吹風裝置一段時間后會自動停止，并可以通過NE555自動的可變電阻器進

6、行調(diào)節(jié)。</p><p>　　第二節(jié) 主要單元電路設計</p><p><b>　　紅外線發(fā)射電路</b></p><p>　　圖1-2電路為紅外線發(fā)射電路，主要組成部分就是NE555構成的多諧振蕩器和紅外線發(fā)射管SE303。SE303發(fā)射的紅外線在可見光范疇之外，故用圖中的PH302感應</p><p>　　圖1-2

7、 紅外發(fā)射電路</p><p>　　接受紅外線。而NE555作為多諧振蕩器發(fā)射固定頻率的方波脈沖信號，激發(fā)SE303產(chǎn)生特定頻率的紅外線。紅外發(fā)射部分由555 時基電路產(chǎn)生頻率為5kHz，占空比為1/3的方波信號，驅(qū)動紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線。紅外線發(fā)光二極管正向電流不能超出其最大額定值。而作為感應裝置則要求其具有較大的光輸出。一般利用其相應速度快的特性，通過脈沖驅(qū)動來增大光輸出。因此電路前端需要一個脈沖信號電路，采

8、用兩個發(fā)光二極管增大發(fā)射面積。本電路采用的是由NE555集成電路構成的多諧振蕩器組成。其電路運行包含兩個過程：一是利用直流電源經(jīng)電阻R1和R2對電容C1充電，二是經(jīng)電阻R2從NE555集成電路的DIS端的放電過程。通過這兩個過程的交替運行，就可以在NE555集成電路的輸出電路端Q產(chǎn)生脈沖信號。其輸出脈沖信號的頻率f和 占空間比q為：</p><p>　　f=1/0.7（R1+2R2）C1=1/0.7（1MΩ+2*

9、1MΩ）100pF≈5KHz</p><p>　　q=R1/(R1+2R2)= 1MΩ/（1MΩ+2*1MΩ）=1/3</p><p>　　這樣輸出電路端Q產(chǎn)生脈沖信號來控制紅外線發(fā)光二極管發(fā)射光脈沖，其中，因為紅外反向電壓不能過高，用二極管D起保護紅外發(fā)光二極管的作用。</p><p><b>　　二 紅外接收電路</b></p>

10、<p>　　如圖1-3所示為紅外接收電路。紅外接收管輸出信號是一個十分微弱的信號，為了使后續(xù)電路能夠?qū)鈴娦盘栠M行處理，因此需要加入信號放大電路。圖左邊所示電路為信號放大電路。該電路是由電阻R1,4,6,8,Q2,Q1 和C4，C1構成。電路中采用了雙三極管構成放大電路，這樣就可以使得電路的放大倍數(shù)比單管放大倍數(shù)更大，從而得到更合適的信號。R1和R4為放大電路的集電極偏置電阻，C4,C1為放大電路耦</p>

11、<p>　　圖1-3 紅外接收電路</p><p><b>　　合濾波電容。</b></p><p>　　圖右邊是選頻網(wǎng)絡，使電路有很強的抗干擾能力。U2是LM567。LM567是一片鎖相環(huán)電路，采用8腳雙列直插塑封。其⑤、⑥腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f2，</p><p>　　f2≈1/1.1RC=5KHz&

12、lt;/p><p>　　沒有人干手時，紅外接收電路N2接收不到VD向外發(fā)射的紅外線，U2的3腳無信號輸入，8腳為高電平；當人手放到干手器下時，U2接收到人手反射的紅外線并經(jīng)N2放大后，輸入到U2的3腳，由U2內(nèi)部處理后使N3的8腳輸出低電平，通過檢測是否有手要烘干，使8腳輸出不同的高低電平。達到控制吹風電路是否工作。</p><p>　　實際應用中調(diào)整C18的大小可使BW在0％～4％范圍內(nèi)變化

13、。BW寬度與f0C2乘積之間的關系如圖2。LM567在正常工作時的最小輸入信號為20mV。</p><p>　　三 時間延遲和繼電器開關電路</p><p>　　圖1-4時間延遲和繼電器電路由兩部分構成：</p><p>　　圖1-4 時間延遲和繼電器電路</p><p>　　一是由555集成電路構成的單穩(wěn)態(tài)電路。</p>

14、<p>　　當手需烘干時,由于手對紅外線的反射作用，使紅外接收管能夠接收到紅外線脈沖信號，經(jīng)過由上級放大和LM567選頻網(wǎng)絡，在TRIG端產(chǎn)生一個低電平信號，555集成電路構成的單穩(wěn)態(tài)電路特性可知，輸出端Q輸出高電平；單穩(wěn)態(tài)電路接收到觸發(fā)信號，輸出點Q輸出為高電平并保持一段時間，延遲時間</p><p>　　T=1.1R*C=10M*5Uf*1.1≈55（S）</p><p>　

15、　由可變電阻R11和電容C8的數(shù)值決定，通過調(diào)節(jié)可變電阻R11的大小，可以改變延遲時間的長短，以適合不同場合的應用，由上式可知該電路最大延時為55秒。</p><p>　　二是由T1和R15構成的電流放大控制繼電器電路。</p><p>　　由于繼電器所需控制電流一般較大，單穩(wěn)觸發(fā)器往往不能滿足控制之需要，所以加入放大電路。當單穩(wěn)觸發(fā)器輸出高電平時，T1導通，繼電器閉合，吹風機工作，當沒有

16、手需要烘干時，紅外接收管不能接收到紅外脈沖信號，沒有觸發(fā)信號，Q輸出低電平，使三極管T1截止，吹風機電路不工作。同時電路中加入發(fā)光二極管D6作為顯示電路，顯示吹風機是否啟動。</p><p><b>　　四 吹風機開關電路</b></p><p>　　圖1-5吹風機開關電路，電動機直接接在220V交流電上，不能直接用數(shù)字電路中的微電來控制，所以要用繼電器來控制。圖中S

17、1，S2，S3分別為電阻絲開關，交圖1-5 吹風機開關電路</p><p>　　流電機開關，和吹風機電路總開關，其中R13和C9與電阻絲和電機并聯(lián)，起到保護電阻絲，防止其過熱，和提高電機功率因數(shù)的總用，在此不過多敘述。</p><p><b>　　五 電源電路</b></p><p>　　圖1-6所示為電源電路，該電路的設計可以采用兩種方法

18、來實現(xiàn)：第一種方法是采用電池供電，需要注意的問題是選擇合適的電池的指標參數(shù)與電路相匹配;第二種方法采用如圖所示電路。電路直接從電網(wǎng)供電，通過變壓器電路，整流電路，濾波電</p><p>　　路和穩(wěn)壓電路將電網(wǎng)中的220V交流電先通過7812轉(zhuǎn)換為+12V直流電壓。然后經(jīng)7805輸出5V電壓。</p><p>　　電路中的變壓器采用常規(guī)的鐵心變壓器，整流電路采用二極管橋式和C5整流電圖1-6

19、 電源電路</p><p>　　路，C11,C12和C13，C14，C14，C16濾波功能，穩(wěn)壓電路采用三端穩(wěn)壓集成電路來實現(xiàn)。該電源可以滿足上述各個模塊的用電需要。</p><p>　　第二章 主要元件簡介</p><p><b>　　第一節(jié) NE555</b></p><p><b>　　一 概述：&l

20、t;/b></p><p>　　NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同，而555是一個用途很廣且相當普遍的計時IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率的脈沖信號。 </p><p><b>　　二 特點： </b></p><p>　　1.只需簡單

21、的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。 </p><p>　　2.它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯閘配合，也就是它的輸出準位及輸入觸發(fā)準位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 </p><p>　　3.其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。 </p><p>　　4.它的計時精確度高、溫度

22、穩(wěn)定度佳，且價格便宜。</p><p>　　三 NE555功能表及引腳分布說明：</p><p>　　如圖2-1為NE555的功能表 </p><p>　　圖2-1 555定時器功能表</p><p>　　NE555內(nèi)部電路、引腳圖如圖2-2所示</p><p>　　圖2-2 NE555內(nèi)部電路、引腳圖</

23、p><p>　　pin 1 -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。</p><p>　　Pin 2 -這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 </p><p>　　Pin 3 -當時間周期開始時，555的輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于

24、高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。 </p><p>　　Pin 4 -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位，即復位端。它通常被接到正電源或忽略不用。 </p><p>　　Pin 5 -這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當定時器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 </p><p>　　Pin 6

25、 - 重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。 </p><p>　　Pin 7 -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。 </p><p>　　Pin 8(V +)-這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應電壓的范圍是+4.5伏特(最小值

26、)至+16伏特(最大值)。</p><p><b>　　參數(shù)功能特性： </b></p><p>　　供應電壓4.5-16 V</p><p>　　輸出電流225mA (max) </p><p>　　上升/下降時間100 ns</p><p>　　第二節(jié) LM567　</p>&l

27、t;p>　　LM567為8腳直插式封裝，其引腳定義及外圍元件連接方法如下圖2-3。LM567是一片鎖相環(huán)電路，采用8腳雙列直插塑封。其⑤、⑥腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f2，f2≈1/1.1RC。其①、②腳通常分別通過一個電容器接</p><p>　　圖2-3 LM567 外圍電路及管腳模型</p><p>　　地，形成輸出濾波網(wǎng)絡和環(huán)路單級低通濾波網(wǎng)絡。②腳所

28、接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。①腳所接電容的容量應至少是②腳電容的2倍。③腳是輸入端，要求輸入信號≥25mV。⑧腳是邏輯輸出端，其內(nèi)部是一個集電極開路的三極管，允許最大灌電流為100mA。LM567的工作電壓為4.75～9V，工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)工作電流約8mA。LM567的內(nèi)部電路及詳細工作過程非常復雜，這里僅將其基本功能概述如下：當LM567的③腳輸入幅度≥25mV、頻率在其帶寬內(nèi)的信號時，⑧

29、腳由高電平變成低電平，②腳輸出經(jīng)頻率/電壓變換的調(diào)制信號；如果在器件的②腳輸入音頻信號，則在⑤腳輸出受②腳輸入調(diào)制信號調(diào)制的調(diào)頻方波信號。在圖3的電路中我們僅利用了LM567接收到相同頻率的載波信號后⑧腳電壓由高變低這一特性，來形成對控制對象的控制。</p><p>　　實際上，由上式計算得出的并不是環(huán)路帶寬BW的實際值，而是環(huán)路帶寬BW與環(huán)路中心頻率f0的百分比，其值再乘上100％才是鎖相環(huán)路的實際捕獲帶寬。實

30、際應用中調(diào)整C2的大小可使BW在0％～4％范圍內(nèi)變化。BW寬度與f0C2乘積之間的關系如圖2。LM567在正常工作時的最小輸入信號為20mV。當用于單音解碼時，其工作特性為：當LM567信號輸入端加入幅度為20mV以上的交流信號且頻率落入f0±BW范圍內(nèi)時，輸出端輸出一個低電平的檢測信號，這就是所謂的“頻率繼電器”特性。利用這一特性，LM567可廣泛應用于各種低頻單一頻率信號的解碼。</p><p>　

31、　第三節(jié) 三端穩(wěn)壓管7805，7812</p><p>　　三段穩(wěn)壓管也稱三端穩(wěn)壓集成電路</p><p>　　電子產(chǎn)品中常見到的三端 穩(wěn)壓 集成電路有正電壓輸出的78 ×× 系列和負電壓輸出的79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路 只有三條 引腳輸出，分別是輸入端、 接地端 和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO- 220 的標

32、準封裝，也有9013樣子的TO-92 封裝。</p><p>　　因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。</p><p>　　注意三端集成穩(wěn)壓電路的輸入、輸出和接地端絕不能接錯，不然容易燒壞。一般 三端集成穩(wěn)壓電路的最小輸入、輸出電壓差約為2V，否則不能輸出穩(wěn)定的電壓，一般應使電壓差保持在4-5V，即經(jīng) 變壓器變壓，二極管整流，電容器濾波后的電壓應比穩(wěn)壓值高一些。<

33、/p><p>　　7812主要參數(shù)有：輸出直流電壓 U0＝＋12V，輸出電流 L:0.1A，M:0.5A，電壓調(diào)整率 10mV/V，輸出電阻 R0＝0.15Ω，輸入電壓UI的范圍15～17V 。因為一般UI要比 U0大3～5V ，才能保證集成穩(wěn)壓器工作在線性區(qū)。</p><p>　　特點  *最大輸出電流為1.5A *輸出電壓為12V    

34、;                        *熱過載保護  *短路保護          

35、                                    

36、0;   *輸出晶體管安全工作區(qū)保護</p><p>　　第四節(jié) 紅外發(fā)光二級管</p><p>　　常用的紅外發(fā)光二極管（如SE303.PH303)，其外形和發(fā)光二極管LED相似，發(fā)出紅外光。管壓降約1.4v，工作電流一般小于20mA。為了適應不同的工作電壓，回路中常常串有限流電阻。</p><p>　　發(fā)射紅外線去控制相應的受控裝置時，其控

37、制的距離與發(fā)射功率成正比。為了增加紅外線的控制距離，紅外發(fā)光二極管工作于脈沖狀態(tài)，因為脈動光（調(diào)制光）的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，只需盡量提高峰值Ip，就能增加紅外光的發(fā)射距離。提高Ip的方法，是減小脈沖占空比，即壓縮脈沖的寬度T，一些彩電紅外遙控器，其紅外發(fā)光管的工作脈沖占空比約為1/3-1/4；一些電器產(chǎn)品紅外遙控器，其占空比是1/10。減小脈沖占空比還可使小功率紅外發(fā)光二極管的發(fā)射距離大大增加。常見的紅外發(fā)光二極管，其功

38、率分為小功率(1mW-10mW)、中功率（20mW-50mW)和大功率（50mW-100mW以上)三大類。要使紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生調(diào)制光，只需在驅(qū)動管上加上一定頻率的脈沖電壓。</p><p>　　用紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線去控制受控裝置時，受控裝置中均有相應的紅外光一電轉(zhuǎn)換元件，如紅外接收二極管，光電三極管等。實用中已有紅外發(fā)射和接收配對的二級管。</p><p>　　紅外線發(fā)射與接收的方

39、式有兩種，其一是直射式，其二是反射式。直射式指發(fā)光管和接收管相對安放在發(fā)射與受控物的兩端，中間相距一定距離；反射式指發(fā)光管與接收管并列一起，平時接收管始終無光照，只在發(fā)光管發(fā)出的紅外光線遇到反射物時，接收管收到反射回來的紅外光線才工作。</p><p>　　雙管紅外發(fā)射電路，可提高發(fā)射功率，增加紅外發(fā)射的作用距離。</p><p>　　第五節(jié) 紅外發(fā)光二極管</p><

40、;p><b>　　外形</b></p><p>　　常用的紅外發(fā)光二級管（如SE303.PH303)，其外形和發(fā)光二極管LED相似，發(fā)出紅外光。管壓降約1.4v，工作電流一般小于20mA。為了適應不同的工作電壓，回路中常常串有限流電阻。</p><p>　　發(fā)射紅外線去控制相應的受控裝置時，其控制的距離與發(fā)射功率成正比。為了增加紅外線的控制距離，紅外發(fā)光二極管工

41、作于脈沖狀態(tài)，因為脈動光（調(diào)制光）的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，只需盡量提高峰值Ip，就能增加紅外光的發(fā)射距離。提高Ip的方法，是減小脈沖占空比，即壓縮脈沖的寬度T，一些彩電紅外遙控器，其紅外發(fā)光管的工作脈沖占空比約為1/3-1/4；一些電器產(chǎn)品紅外遙控器，其占空比是1/10。減小脈沖占空比還可使小功率紅外發(fā)光二極管的發(fā)射距離大大增加。常見的紅外發(fā)光二極管，其功率分為小功率(1mW-10mW)、中功率（20mW-50mW)和大功

42、率（50mW-100mW以上)三大類。要使紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生調(diào)制光，只需在驅(qū)動管上加上一定頻率的脈沖電壓。</p><p>　　用紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線去控制受控裝置時，受控裝置中均有相應的紅外光-電轉(zhuǎn)換元件，如紅外接收二極管，光電三極管等。實用中已有紅外發(fā)射和接收配對的二極管。 </p><p><b>　　接收方式</b></p><p>

43、;　　紅外線發(fā)射與接收的方式有兩種，其一是直射式，其二是反射式。直射式指發(fā)光管和接收管相對安放在發(fā)射與受控物的兩端，中間相距一定距離；反射式指發(fā)光管與接收管并列一起，平時接收管始終無光照，只在發(fā)光管發(fā)出的紅外光線遇到反射物時，接收管收到反射回來的紅外光線才工作。</p><p><b>　　雙管紅外發(fā)射電路</b></p><p>　　雙管紅外發(fā)射電路，可提高發(fā)射功率

44、，增加紅外發(fā)射的作用距離。</p><p><b>　　總結(jié)與體會</b></p><p>　　不得不承認，這次的課程設計我在自身發(fā)現(xiàn)的問題很多，完成老師給下的任務很容易，只需網(wǎng)上搜出原理圖即可借鑒，甚至可以找到完全對應的論文，但是真正要弄懂電路的每個功能，以及元器件的選取則是太難了，可以說是不可能，反正對于現(xiàn)在的我是不可能，比如那個光電二極管的放大電路，找了很多的電

45、路，對其放大的原理還是不清楚，課本上只學了幾種常見的單管放大電路，共射極，射極偏置，共集電極，以及后面的反饋放大（現(xiàn)在已是不很清楚）等等，對于這種多級放大的電路分析就是一頭霧水，似懂非懂。其實很多最基本的電子元器件的功能我就不懂，比如電容，電容的作用:隔直流,旁路,耦合,濾波,補償,充放電,儲能等這么多功能有多少我是不懂得？通過這次的課程設計，我對直流穩(wěn)壓電源有了更深刻的認識，尤其是對電路的原理的理解，各元器件功能，特性的認識，當然在設

46、計的過程中，我也遇到了很多困難，比如說我想給這個電路加上一個濕度傳感器，盡管我到圖書館電子閱覽室里查了相關文獻，在網(wǎng)上也搜了些相關資料，但因時間問題，未能實現(xiàn)對它的改進。因為剛學過電子制圖，所以這次作圖問題不是太多。設計的過程是困難的過程，也是我收獲最大的過程，它使我的理論知識與實踐相</p><p>　　但也學到了很多東西，收獲不小，學會了如何使用multisim做簡單的電路仿真，對altium designe

47、r的pcb制作應用更加熟練，更重要的是歲電子設計的基礎和實際設計有了更理性的認識，對與以后的學習有很好的指導作用。經(jīng)過這次課程設計，我學到了很多知識，真正感受到理論與實際的差距，而且還鍛煉了自己的思維，運用知識的能力。學會了請教與人，討論問題解決問題，懂得了和別人合作的重要性。再次感謝老師對我的細心指導和同伴的幫助，讓我在實際的課題中進步和鞏固自己的知識。</p><p><b>　　參考文獻</

48、b></p><p>　　李金平，沈明山 ，電子系統(tǒng)設計，電子工業(yè)出版社，2007年8月</p><p>　　何小艇，電子系統(tǒng)設計，浙江大學出版社，2001年6月</p><p>　　康華光，電子技術基礎，高等教育出版社，2003</p><p>　　大學生電子設計競賽 電路設計，黃志偉編著，北京航空航天大學出版社2006</p&

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