1、 创造学结课论文班级:10 通信工程 2 班姓名:蒋余成学号:1067119211光电水龙1.1 引言随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积重量轻的方向发展。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，产品更新换代的节奏也越来越快。它安装方便、灵敏度高、抗干扰能力强，使用寿命长，发出光均匀稳定。发出的二极管光为不可见光，当发出光被某一信号调制后，只有专门的解调电路才能收到。它可在强光下工作，给人们的生活带来了极大的方便，已成为人们日常生活中必不可少的必需品，其广泛用于家庭、商
2、场、工厂、学校、餐厅等场所。而且大大地扩展了原先水龙头的功能。因此，研究红外线控制自动水龙头及其应用，有着非常重要的意义。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。本设计满足了人们对物质的需求，又提高了科学性。以适应当今品种多批量小的电子市场的需求，大大提高了产品的市场竞争力。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摄像
3、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。如目前已能生
4、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，使对目标的识别达到更高的水平。第二章 元器件方案2.1 传感器根据我对市场的调查了解，目前传感器有 CCD 图像传感器、电容式传感器、超声波传感器、光电传感器四种。2.1.1 CCD 图像传感器这种传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电
5、路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把 CCD 器件作为光电接收器。CCD 从功能上可分为 线阵 CCD 和面阵 CCD 两大类。线阵 CCD 通常将 CCD 内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由 CCD 芯片内部结构决定，结构相异的 CCD 可满足不同场合的使用要求。线阵 CCD 有单沟道和双沟道之分，其光敏区是 MOS 电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。面阵 CCD 的
6、结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。2.1.2 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 以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等） 无法离检测。（2）
7、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）可实现颜色判别 通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据
8、被投光的光线波长和检测物体的颜色组合 而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。 （7）便于调整 在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。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，
9、电源电压较高时不可反馈。不同的管子允许的工作电流不同，红外的平均电流最大可以用到 100 毫安，用作调制时几十微妙的窄脉冲峰值甚至可以接近 1 安。3 毫米的白色高亮度管子持续最大电流 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还会变色。常用的 LED 有红外，红，橙，黄，黄绿，纯绿，蓝，紫，白等颜色，作为成品销售的“变色 LED”是在一个管壳里封装了多个不同颜色的 LED，红，绿，蓝三色的 LED 非常适合作颜色传感器的照明。红外线 LED 配合红外接收管抗干扰能力强，但是不适合用于识别颜色，因为物体在可见
10、光下的颜色不能很好的代表它对于红外线的反射率。LED 发光的原理是半导体 PN 结中的电子与空穴复合时产生光子，不同的材料由于能带宽度不同，导致发光颜色和导通电压不同。另外，不同材料的发光效率（一般以量子效率衡量，量子效率=发射的光子数/流过的电子数）也有较大的差别（见表 2-1） 。表 2-1 常用 LED 的参数比较材料 发光颜色 量子效率（与工艺有关）砷化镓 红外 高， 30%磷砷化镓 红 中， 10%磷化镓(摻杂氮) 黄绿 低，不到 1%磷化镓(摻杂氧化锌) 红到黄 中低铝砷化镓 鲜红 中高铝镓铟磷 橙红 高， 30%氮化镓 从纯绿到紫外 高， 20%2.3 接收管常用的接收管有硅光电
11、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。这些光电接收管的外壳有无色透明和黑色两种，黑色管壳几乎只透过红外光，与红外发光管配套使用。光敏电阻的电特性是电阻而不是恒
12、流，受到光照后电阻值大幅度减小，输出电流也较大，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。接收管的光谱特性：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
13、于识别颜色。某些光敏电阻对于可见光中间部分的灵敏度较高。加装滤色片可以方便的改变管子的光谱特性，以制造各种颜色传感器。第三章 红外线控制自动水龙头设计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） 。物体多谐振荡器调幅红外光红外接收 电压放大（LM741）音频译码（LM567）电磁阀动作图 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
14、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
15、。系统组成方框图如图 3-2 所示。 图 3-2 系统组成方框图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，传感器只结合搜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。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量，将会因为干扰而产生错误信号。采用对反
16、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 红外线控制自动水龙头的工作原理3.4.1 红外线水龙头控制电路系统的组成红外线水龙头控制电路包括发射电路和接收译码控制电路。其中发射电路由
17、多谐振荡器和红外发射二极管；接收电路包括红外接收管 D1 和 D2、运算放大器（LM741） 、音频译码器（LM567） 、继电器 K、电源电路等组成。3.4.2 红外线水龙头控制电路工作原理工作原理：发射电路中，多谐振荡器由 IC（555）和 R0.R1 和 C7 等组成。其振荡频率为 f=1.44/（R0+2R1）C7，振荡输出信号驱动 TLN104 型的 LED1LED3 工作，从而产生红外脉冲调制波。接收电路中红外接受头 D1.D2 与发射中的发射管相匹配，采用 TLN104型。红外脉冲调制经 D1.D2 接收管转换成电信号，经 C1 藕合至 LM741，再经 C2 输入到LM567
18、的第 3 管脚，经识别译码，使得中心频率 f=1/1.1R6C3 与红外调制频率 40KHZ 一致，使第 8 管脚输出为低电平，又经反相后，驱动 VT2 导通，继电器因控制有信号触发而有交流输出。当有人洗手将红外光束遮挡时，相应的 D1.D2 因接收到光信号而进行光电转换，从而使 LM567 因有信号输入而在第 8 脚输出为低点平，经反相 VT2 导通，继电器吸合，发射接收反射表面x104Voutx/mm交流电压被接通，从而使水龙头的电池阀动作，水源打开。3.5 单元电路的设计3.5.1 +5v 的稳压电源的设计电路为输出电压+5V，输出电流 1.5A 稳压电源。它的电压变压器 B，桥式整流电
19、路D1D4，滤波电容 C1.C3，防止自激电路 C2、C3 和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便的搭成。200v 交流电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路 D1D4 和滤波电容 C1 的整流和滤波，在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 GND 两端形式一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化） 。此直流电压经过 LM7805 的稳压和 C3 的滤波便在稳压电源的输出端产生精度高，稳定性好的直流输出电压。稳压电源电路（如图 3-5 所示） 。图 3-5 稳压电源电路3.5.2 振荡器电路的设计振荡电路是一种不需要外
20、接输入信号就能将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出的电路（如图 3-6 所示） 。（a）电路图 (b)工作波形图 3-6 由定时器构成的多谐振荡器由于 555 内部比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，这时振荡频率受电源的温度变化的影响较小。故只需通过调节 R1 的阻值来改变 f 来使其为 1Hz 的秒脉冲信号，作为闸门信号。3.5.3 红外接受控制电路的设计本电路是用小型一体化红外接收/解调块接受头 SFM506-38 和锁相环电路。它具有体积小，无需外部元件、抗光电干扰性能好，接受角度宽、功耗低、灵敏度高等优点。LM567、开关放大电路 VT9013、固态继电器
21、 TAC08、电磁阀构成控制电路（如图 3-7 所示） 。图 3-7 接收解调控制电路LM567 是 1 片锁相环音频解码电路，采用 8 脚双列直插塑封，3 脚为信号输入端，其工作频率由 5、6 脚上的阻容元件决定，8 脚为逻辑输出端。IC2 与 R7、C12 组成振荡器，R7、C12 决定 IC2 内部压控振荡器的中心频率，LM567 的 3 脚为信号端，8 脚为逻辑输出端，该输出是 1 个集电极开路的晶体管输出，最大灌电流为 100mA，LM567 的工作电压为4759V，工作频率 01Hz500kHz，静态工作电流为 8mA。当无人洗手时，IC1 接受到发射电路的红外脉冲经放大输出到 I
22、C2 的 3 脚后，IC2 的 8 脚就会输出低电平，三极管VT1 截止，继电器 K 断电处于释放状态，电磁阀 Y 不动作，水龙头无自来水放出。当手放到水龙头下时，IC1 不能接受红外线，IC2 的 3 脚无信号输入，8 脚输出高电平，使得 VT1导通，继电器 K 吸合，使其常开触点闭合，接通电磁阀 Y 的 220VAC，Y 开始动作，使水龙头放出自来水，同时 LED 发出绿光，指示水龙头正工作于放水状态。洗涤完毕，手离开水龙头后，停止放水。SFM506-38 地内部原理图（如图 3-8 所示） 。图 3-8 SFM506-38 的内部原理图3.5.4 电压放大电路的设计电压放大电路采用 LM
23、741 集成运算放大器， （如图 3-9 所示） 。LM741 是高性能内补偿运算放大器，功耗低，无需外部频率补偿，具有短路保护和失调电压调零能力。LM741 的管脚功能是：1 脚为调零端，2 脚为反相输入端，3 脚为同相输入端，4 脚为负电源端，5 脚为调零端，6 脚为输出端，7 脚为正电源端，8 脚为空脚端。此引脚图（如图 3-10 所示） 。内部原理图（如图 3-11 所示） 。图 3-9 LM741 集成运算放大器图 3-10 LM741 引脚功能图LM567 的基本工作状况有如一个低压电源开关，当其接收到一个位于所选定的窄频带内的输入音调时，开关就接通。通用的 LM567 还可以用做
24、可变波形发生器或通用锁相环电路。当其用作音调控制开关时，所检测的中心频率可以设定于 0.1 至 500KHz 内的任何值，检测带宽可以设定在中心频率 14%内的任何值。而且，输出开关延迟可以通过选择外电阻和电容在一个宽时间范围内改变。 LM567 的管脚功能是：1 脚为输出滤波，2 脚为回路滤波，3 脚为输入端，4 脚为正电源端（电压值需最小为 4.75V，最大为 9V） ，5 脚为定时电阻端， 6 脚为定时电容端，7 脚为接地端，8 脚为输出端。LM567 的引脚功能图（如图 3-12 所示） 。LM567 的内部原理图（如图 3-13 所示） 。图 3-12 LM567 的引脚功能图1 级
25、检波检波VCO8 输出7地定时电容定时电阻651234输出滤波回路滤波输入V+图3-13 LM567的内部电路图3.5.6 三端稳压器三端稳压器是一种标准化，系列化的通用线性的稳压电源集成电路，以其体积小成本低性能好，工作可靠性高等特点，成为目前稳压电源中应用最广泛的一种单片式集成稳压器件。三端稳压器的工作原理（如图 3-14 所示）：原它与一般分立元件组成的串联式的稳压电路基本相似的.不同的是增加了启动电路,保护电路和恒流源。启动电路是为恒流源建立工作点而设置的.恒流源设置在基准电压形成和误差放大器电路中，是为了使稳压器能够在比较大的电压变化范围内正常可靠的工作。在芯片内设置了两种较为完善的
26、保护电路：一是过流保护，一是过热保护 Rsc 是过流保护的取样电阻。Ri ，Rb 为输出采样电阻。Rb 两端上的电压（反映输出电压的大小的采样电压）与基准电压在误差放大器中进行比较和放大，产生误差电压，去控制调整管的工作状态，从而稳定输出电压。图 3-14 三端稳压器框图结 论此次毕业设计我选做的是红外自动控制水龙头的设计，红外线水龙头控制电路包括发射电路和接收译码控制电路。其中发射电路由多谐振荡器和红外发射二极管；接收电路包括红外接收管 D1 和 D2，运算放大器（LM741）.音频译码器（ LM567）.继电器 K.电源电路等组成。通过这次对红外线自动控制水龙头的设计，让我了解了设计电路的
27、程序，也让我了解了关于水龙头的原理与设计理念， 。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。除了学会了许多专业知识外，在遇到困难时，积极地去请教我的指导老师，我通过看现有的教材、去图书馆查阅资料、去网上搜索相关信息这些方式，不仅完成了我的毕业论文，而且大大增强了我的自学能力和独立能力。更重要的是，我拓展了思路，开阔了视野，活跃了思想。这次毕业设计不仅使我对相关专业知识有了更深的理解，而且还让我认识到了理论知识对工作实践的重大意义，学会理论联系实际。毕业设计要求我们完全依靠自己的能力去学习和设计，而不是像以往课程那
28、样一切由教材和老师安排。因此，它给了我更大的发挥空间。让我发挥主观能动性独立的查阅资料、寻找数据、设计实验方案，并将理论知识应用到实践中去。同时，让我懂得红外线在生活中的广泛应用。通过这次设计提高了我认识启动电路恒流电源基础电压误差放大调整管安全工作区保护 调整管短路保护过热保护RBRARSCV 0输出T地Vi输入问题、分析问题、解决问题的能力。总之，这次设计既是对我课程知识的考核，又是对我思考问题、解决问题能力的考核，更是对我人格品德的考验，设计让我受益匪浅。致 谢通过这三个月来的忙碌和学习，本次毕业论文设计已接近尾声，作为一个大专生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，在
29、这里衷心感谢指导老师的督促指导，以及一起学习的同学们的支持，让我按时完成了这次毕业设计。在毕业论文设计过程中，我遇到了许许多多的困难。在此我要感谢我的指导老师张乐涛老师给我悉心的帮助和对我耐心而细致的指导，我的毕业论文较为复杂烦琐，但是张老师仍然细心地纠正图中的错误。除了敬佩张老师的专业水平以外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作，我才得以解决毕业设计中遇到的种种问题。同时感谢我院、系领导对我们的教导和关注；感谢大学三年传授我们专业知识的所有老师。他们是王建平、杨映兰、郑运刚、程远斐、廖俊谢谢你们呕心沥血的教导。还有谢谢我周围的同窗朋友，他们给了我
30、无数的关心和鼓励，也让我的大学生活充满了温暖和欢乐。如果没有他们的帮助，此次毕业论文的完成将变得困难。他们在我设计中给了我许多宝贵的意见和建议。同时也要感谢自己遇到困难的时候没有一蹶不振，取而代之的是找到了最好的方法来解决问题。最后，感谢生我养我的父母。谢谢他们给了我无私的爱，为我求学所付出的巨大牺牲和努力。参考文献1宋家友 电子爱好者集成电子线路设计手册M 福建科技技术出版社， 20022傅劲松 电子制作实例集锦M 福建科技技术出版社， 20063金发庆 传感器技术应用M 机械工业出版社， 20024廖先芸 电子技术实践与训练M 高等教育出版社， 20005孙梅升 电子技术基础课程设计M 高
31、等教育出版社， 20036杨崇志，康博南 电子爱好者之使用技术手册M福建科学技术出版社，20027沈任元，吴勇 数字电子技术基础M 机械工业出版社， 20078詹林 单片机原理与应用M 西北工业大学出版社， 20089刘南平，白明 电路分析M 人民邮电出版社， 200710吕国泰，吴项 电子技术M 高等教育出版社， 200611王成安，毕秀梅.电子产品工艺与实训M 机械工业出版社， 200812周亚军 电气控制与 PLC 原理及应用M西安电子科技大学出版社， 200813龙海燕，杨刚 嵌入式系统设计与实践M 北京航空航天大学出版社， 200914李素珍，丁辛芳 半导体物理基础M 高等教育出版社， 200015冯民昌 数字集成电路系统 （第二版）M 中国铁道出版社， 2003
