紅外線自動控制水龍頭李衛(wèi)鵬

1、摘 要本論文介紹了利用紅外發(fā)射與接收電路設(shè)計自動水龍頭的原理及設(shè)計方案。電路設(shè)計簡單，使用方便，同時更利于節(jié)能，“節(jié)能降耗”是我們追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)的水龍頭、衛(wèi)生間供水等設(shè)施，使用起來不是特別方便，而且很浪費水資源。在這個基礎(chǔ)上，我設(shè)計了自動供水電路。不僅可以節(jié)約用水，而且外形美觀，使用起來也很方便。紅外線控制自動水龍頭由紅外發(fā)射電路、紅外接收放大電路、控制電路、電磁閥、電源等組成。當(dāng)人或事物靠近時，自動產(chǎn)生控制信號，繼電器動作，使電磁閥得電吸合從而自動打開水源；反之則自動關(guān)閉水源。【關(guān)鍵詞】傳感器；紅外線；自動控制AstractThis paper describes the use of i

2、nfrared transmitter and receiver circuit design theory and automatic faucet design. Circuit design simple, easy to use, but also conducive to energy, "energy saving" is our goal. Traditional taps, toilet water and other facilities, is not particularly easy to use, but also a waste of water

3、 resources. On this basis, I have devised an automatic water supply circuitry. Can not only save water, but also pleasing in appearance, is also very easy to use. Infrared control Automatic faucets from the infrared transmitter, infrared receiver amplifier circuit, control circuit, solenoid valve, p

4、ower supply etc.When people or things around, the Automatically generated control signal, relay, so that was electric solenoid valve to automatically open the pull-water; Otherwise it would automatically shut down water supply.Key words sensor, infrared,automatic control1.緒論11.1 需求分析11.2 國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀22

5、紅外線控制水龍頭系統(tǒng)設(shè)計32.1 水龍頭的構(gòu)成及傳感器控制32.2系統(tǒng)組成方框圖42.3紅外反射式光電傳感器特性與工作原理52.4 紅外線控制自動水龍頭的工作原理72.4.1 紅外線控制水龍頭工作原理72.4.2 紅外線水龍頭控制電路的原理圖83.元器件83.1 穩(wěn)壓電路83.2 振蕩發(fā)射電路103.2.1 NE555103.2.2 紅外線發(fā)射管113.3 接收電路123.3.1 接收器123.3.2 三極管133.4 控制電路153.4.1 LM567154. 單元電路的設(shè)計164.1 穩(wěn)壓電路的設(shè)計164.2 振蕩發(fā)射電路的設(shè)計174.3紅外線接收電路的設(shè)計194.4 紅外控制電路設(shè)計20

6、總結(jié)21參考文獻22附錄123附錄225251.緒論1.1 需求分析隨著電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計正朝著速度快、容量大、體積重量輕的方向發(fā)展。在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對淡水的需求不斷增加，不久的將來，淡水資源緊缺將成為世界各國普遍面臨的嚴峻問題。據(jù)報道我國是一個水資源短缺的國家，若按人均水資源量計算，人均占有量只有2500立方米，約為世界人均水量的四分之一，世界排110位。由于全自動感應(yīng)水龍頭，它安裝方便、靈敏度高、抗干

7、擾性強，使用壽命長，發(fā)出光均勻穩(wěn)定，發(fā)出的二極管光為不可見光，當(dāng)發(fā)出光被某一信號調(diào)制后，只有專門的解調(diào)電路才能收到并且有自動控制水龍頭開閉的效果，它杜絕了水資源的浪費，避免了人們因為忘記關(guān)水龍頭致使水白白流走的問題，伸手就來水，離開就關(guān)閉的功能，從而有效地節(jié)約用水。在公共場所，由于人員流動性比較大，公共設(shè)施的衛(wèi)生情況普遍比較惡劣，傳統(tǒng)水龍頭必須通過人手操作，很容易造成病菌的大規(guī)模傳播，而它就避免了洗手后，再次觸摸水龍頭造成的細菌污染，開關(guān)水完全由感應(yīng)器自動完成，無需接觸水龍頭，有效避免細菌及交叉感染。其廣發(fā)應(yīng)用于家庭、商場、工廠、學(xué)校餐廳燈公共場所。因此研究紅外線水龍頭應(yīng)用和研究是非常有必要的

8、。本論文設(shè)計的是一種以紅外線自動控制的水龍頭。采用了反射式紅外傳感器，這種傳感器的發(fā)射與接收是一體化的。當(dāng)人或事物靠近時，自動產(chǎn)生控制信號繼電器動作，使電磁閥得電吸合從而自動放水。本設(shè)計滿足了人們對物質(zhì)的需求，又提高了科學(xué)性。以適應(yīng)當(dāng)今品種多批量小的電子市場的需求，大大提高了產(chǎn)品的市場競爭力。1.2 國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀隨著紅外技術(shù)的高速發(fā)展，紅外焦平面陣列技術(shù)出現(xiàn)了，并且迅速得到發(fā)展。美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方發(fā)達國家都在競相研制和生產(chǎn)先進的紅外焦平面陣列攝像儀，其中美國在紅外焦平面陣列傳感器的發(fā)展水平方面處于遙遙領(lǐng)先地位，其焦平面陣列規(guī)模已達2048×2048元，已接近

9、與可見光硅CCD攝像陣列的水平。日本在世界上最先實現(xiàn)了100萬像元集成度的單片式紅外焦平面陣列等種類產(chǎn)品推向市場，搶占商機，法國、荷蘭、瑞典、英國、德國和意大利等在非制冷紅外熱攝像儀技術(shù)的發(fā)展方面，已顯示出其處于前沿的競爭地位。此外，加拿大、以色列、韓國、澳大利亞、波蘭、新加坡的一些公司和機構(gòu)都在盡力發(fā)展先進紅外焦平面陣列熱攝像儀技術(shù)，競爭已遍及全球幾大洲。近幾年來，中國的紅外成像技術(shù)得到突飛猛進的發(fā)展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設(shè)備的先進性也同西方同步。如目前已能生產(chǎn)面積小于30um21000×1000像素的探測器陣列，由于采用了基于銻化銦的新器件，目前已達到了分辨率小于0.0

10、1的溫差，使對目標(biāo)的識別達到更高的水平。2 紅外線控制水龍頭系統(tǒng)設(shè)計2.1 水龍頭的構(gòu)成及傳感器控制 水龍頭采用了反射式紅外傳感器。紅外線的發(fā)射和接收一般使用紅外發(fā)光二極管和紅外接收管來完成。當(dāng)有物體靠近時，一部份紅外光被物體遮擋住，通過物體的反射，發(fā)射到接收管，接收管在對其轉(zhuǎn)化。反射式紅外傳感器（如圖2-1所示）。圖2-1 反射式紅外傳感器光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一個非常重要的工具。我設(shè)計的紅外線控制自動水龍頭正是運用了它的這個特點。光譜范圍，靈敏度，以及抗干擾能力，輸出特性等都是反射式光電傳感器的非常重要的參數(shù)。這種光電傳感器的基本原

11、理是，當(dāng)人手靠近接近水龍頭時，遮擋了紅外光，人手對紅外光進行了反射，光敏元件接收到了這個被反射紅外線光信號，從而進行光電轉(zhuǎn)換，通過控制電路爹給你對電磁閥作用，從而水龍頭流出水來。紅外線控制自動水龍頭的控制過程是：當(dāng)人的手接近自動水龍頭時，紅外發(fā)射光電管發(fā)出的紅外線經(jīng)人和物體反射到紅外線接收光電管。接收光電管接收到的反射光信號自動將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過后放大電路電路控制電路進一步放大、譯碼，最后驅(qū)動電路控制電磁閥動作使水龍頭打開。當(dāng)人手或物體離開自動水龍頭時，接收光電管接收不到反射光信號，驅(qū)動電路斷開電磁閥電源，從而關(guān)閉水源。2.2系統(tǒng)組成方框圖該紅外線水龍頭控制電路由穩(wěn)壓電路、紅外發(fā)射電路

12、、紅外接收電路以及控制電路，執(zhí)行電路等組成。用到的元器件有光電傳感器（紅外發(fā)射器SE303,PH302、紅外接收器、）三極管、鎖相環(huán)頻率解碼LM567、電磁閥、555集成芯片以及電阻、電容若干，以及三端穩(wěn)壓器LM7812由220伏交流電供電，經(jīng)變壓器從次級輸出交流電壓，該電壓經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓，得到12伏電壓提來供給供給發(fā)射電路接收電路以及控制電路等。紅外線自動控制水龍頭整個控制過程分為5個部分穩(wěn)壓電路、振蕩電路、接受控制電路以及執(zhí)行電路部分。一個完整的電路首先要有一個穩(wěn)定電源，才可以保證它穩(wěn)定的工作在這里我設(shè)計了一個穩(wěn)壓電路以三端穩(wěn)壓器LM7812為主，電容二極管為輔來為整個電路提供穩(wěn)定的

13、12電壓。接下來是整個電路紅外發(fā)射電路的核心電路的組成，振蕩電路發(fā)射電路向外發(fā)射紅外線信號， NE555為主，電阻電容為輔為整個紅外線水龍頭提供固定頻率然后由SE303向外發(fā)射紅外線；接下來對紅外線的接收，接收電路主要由PH302和三極管組成，由PH302接收紅外線光，轉(zhuǎn)化為電信號，再由三極管對電流進行放大；對接收的光線進行辨別選頻，控制電路部分主要由LM567，LM567對接收到的電流進行分析，然后輸出相應(yīng)的高低電位；執(zhí)行電路部分與前面的控制電路的信號相結(jié)合，信號驅(qū)動電磁閥的開關(guān)，也就驅(qū)動了水龍頭是否有水流出。如圖2-2 系統(tǒng)方框組成圖2-2 系統(tǒng)組成方框圖多諧振蕩器電源12V紅外發(fā)射紅外接

14、收電流放大音頻譯碼驅(qū)動控制水龍頭穩(wěn)壓電路的簡介：穩(wěn)壓電路即恒壓，理想意義的恒壓是指負載電壓的大小在負載變化時和輸入電流變化時都不會變化，也就是指負載電壓是恒定的。當(dāng)然，實際上是這是有局限性的，負載和電流只能在一定范圍內(nèi)變化，可使負載電壓基本穩(wěn)定。在本次電路中電壓主要通過LM7812由220V穩(wěn)壓為12V。振蕩發(fā)射電路的簡介：振蕩電路，就是能產(chǎn)生大小和方向都隨周期發(fā)生變化的電流叫振蕩電流。能產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路。振蕩電流是一種交變電流,是一種頻率很高的交變電流，它無法用線圈在磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生，只能是由振蕩電路產(chǎn)生。驅(qū)動紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線。通過NE555產(chǎn)生固定頻率的紅外線接收電路簡介：紅

15、外接收電路的作用是接收紅外發(fā)射管發(fā)出的調(diào)制紅外光，并通過三極管放大器進行放大后輸入到音頻鎖相環(huán)譯碼器集成電路進行選頻。在這里我選擇用兩個三極管對電路進行放大?？刂齐娐泛喗椋烘i相環(huán)頻率解碼電路的主要作用是對接收到的電信號進行識別譯碼輸出低電平主要由音頻譯碼器構(gòu)成。在這部分電路的主要部分是LM567，輸入腳3接收信號，輸出腳8輸出信號。執(zhí)行電路部分：通過電流放大，經(jīng)過LM567的選頻以及控制，若選頻信號符合，則LM567輸出信號驅(qū)動電磁閥動作，控制水龍頭出水。若不符合則電磁閥不動作，水龍頭沒有水流出。2.3紅外反射式光電傳感器特性與工作原理反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發(fā)光二極管，普通

16、發(fā)光二極管，以及激光發(fā)光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾，然而激光二極管發(fā)出的光的頻率比較集中，傳感器只結(jié)合搜很窄的頻率范圍信號，不容易被干擾，但是它的價格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測區(qū)域反射表面是都可以受到光源照射以及反射，同時又能夠被接收管接收到的范圍進行檢測，然而這是一種理想的狀態(tài)結(jié)果。因為光的反射受到多種因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度、日光燈照射等等得多種不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進行測量，將會因為干擾而產(chǎn)生錯誤信號。采用對反射光強進行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。紅外反射光強法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送給紅外管發(fā)射，紅外線接收管接收調(diào)

17、制的紅外信號（如圖2-3所示）。反射光強度的輸出信號電壓（Vout）是反射面與傳感器之間的距離（X）的函數(shù)，設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時，X與Vout的響應(yīng)曲線是非線性的（如圖2-4所示）。設(shè)定出電壓達到某一閥值時作為目標(biāo)，不同的目標(biāo)距離閥值，電壓是不同的發(fā)射接收反射表面x圖2-3 紅外發(fā)射接收原理圖Vout4 x/mm10 圖2-4 光強度相應(yīng)曲線圖在本次畢業(yè)論文中我選擇的紅外線發(fā)射管為紅外線二極管2.4 紅外線控制自動水龍頭的工作原理該紅外線水龍頭控制電路由穩(wěn)壓電路、振蕩發(fā)射電路、紅外接收電路以及電磁閥控制電路等組成。用到的元器件有光電傳感器（紅外發(fā)射器、紅外接收器、）三極管、電磁閥、LM56

18、7通用鎖相環(huán)電路音調(diào)譯碼器555集成芯片以及電阻、電容若干，由220伏交流電供電，經(jīng)變壓器從次級輸出交流電壓，該電壓經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓，得到9伏電壓提供給控制電路。紅外線控制水龍頭從字面理解是由紅外線來驅(qū)動水龍頭是否有水流出，當(dāng)人手靠近時是否有水流出。我設(shè)計的紅外線控制自動水龍頭用NE555、電阻、電容以及SE303構(gòu)成紅外線振蕩發(fā)射電路，向外發(fā)射固定頻率的紅外線。如果有人靠近時，手擋住了SE303向外發(fā)射的紅外線，紅外線被反射到接收電路的PH302。PH302將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)過三極管VT1和VT2的放大到達控制電路的LM567，LM567對反射的信號進行譯碼來判斷是否是紅外線信

19、號，是紅外線信號將輸出低電平，三極管通電，驅(qū)動電磁閥打開，水龍頭有水流出。反之不是紅外線信號若是其他光源的則LM567輸出高電平，三極管沒有驅(qū)動沒有電流，電磁閥處于截止?fàn)顟B(tài)，水龍頭沒有水流出。2.4.1 紅外線控制水龍頭工作原理工作原理：發(fā)射電路中，其中里面的震蕩器由IC1(NE555)和R1、R2以及C1構(gòu)成。其震蕩頻率由R1、R2、C1所決定的，其振蕩頻率為f=，通過計算振蕩頻率約為1.4KHz。多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號由IC1(NE555)的輸出端3引腳輸出，脈沖信號驅(qū)動紅外線發(fā)射管SE303，使紅外線發(fā)射管SE303向外發(fā)射紅外線，紅外線頻率頻率為約為1.4KHZ。紅外線接收放大器由紅

20、外線接收器PH302和晶體管VT1、VT2組成，VT1和VT2是電壓放大器的組成。當(dāng)PH302接收到光信號信號后將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并通過耦合C3耦合到VT1，VT1與R7 組成電壓負反饋式放大器，由VT1放大后的信號通過C4 耦合到VT2作進一步放大，輸出后通過C5加至IC2（LM567）的輸入端。 IC2(LM567)作為電磁水閥門的控制電路的主要部分。在這里用作選頻電路，將電壓放大器輸出的脈沖信號進行選頻，以排除信號中的干擾脈沖，防止電路被誤觸發(fā)。IC2的選頻頻率由滑動變阻器RP將其調(diào)節(jié)至發(fā)射頻率1.4 KHZ（因為IC1發(fā)射的的紅外信號為1.4KHZ），當(dāng)由VT2輸出的脈沖頻率與IC

21、2（LM567）的選頻頻率一致時，其輸出端輸出低電平。IC2(LM567)與VT3組成繼電器驅(qū)動電路，平時由于紅外線接收器一直處于未接受紅外線狀態(tài)， IC2(LM567)的輸出端腳輸出高電平，VT3處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器處于釋放狀態(tài)，水閥門的電磁閥不通電，處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有水流流出。當(dāng)有人手伸至紅外線控制器下方時，由于人手的反射，使PH302接收到紅外發(fā)射管反射出的紅外信號，經(jīng)過VT1、VT2放大，IC2(LM567)的選頻，它的輸出端腳輸出低電平。這一低電平通過R10加至VT3的基極使其導(dǎo)通，繼電器K吸合通電，將電磁閥門的電源接通，水閥門被打開。水流流出。2.4.2 紅外線水龍頭控制電路的原理

22、圖3.元器件元器件是一個電路的基礎(chǔ)，是一個點路了的基礎(chǔ)。在本章我將依照我電路的設(shè)計，分別列出在論文我每個電路中所分別用到的元器件。3.1 穩(wěn)壓電路在穩(wěn)壓電路，為整個電路提供了穩(wěn)定的電壓，為整個電路的后續(xù)穩(wěn)定工作提供了基本保障。在穩(wěn)壓電路中所用的元器件有LM7812，二極管構(gòu)成的橋式整流以及電容。其中元器件為三端穩(wěn)壓器LM7812使220V電壓變?yōu)檩敵鲭妷?12V?，F(xiàn)在對三端穩(wěn)壓器進行系統(tǒng)介紹：三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化，系列化的通用線性的穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小成本低性能好，工作可靠性高等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。三端穩(wěn)壓器的工作原理（如圖3-所示）：它與一般

23、分立元件組成的串聯(lián)式的穩(wěn)壓電路基本相似的.不同的是增加了啟動電路,保護電路和恒流源。啟動電路是為恒流源建立工作點而設(shè)置的.恒流源設(shè)置在基準(zhǔn)電壓形成和誤差放大器電路中，是為了使穩(wěn)壓器能夠在比較大的電壓變化范圍內(nèi)正常可靠的工作。在芯片內(nèi)設(shè)置了兩種較為完善的保護電路：一是過流保護，一是過熱保護RSC是過流保護的取樣電阻。RA，RB 為輸出采樣電阻。R兩端上的電壓（反映輸出電壓的大小的采樣電壓）與基準(zhǔn)電壓在誤差放大器中進行比較和放大，產(chǎn)生誤差電壓，去控制調(diào)整管的工作狀態(tài)，從而穩(wěn)定輸出電壓。圖3-1 三端穩(wěn)壓器框圖三端穩(wěn)壓集成電路LM7812。電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的LM78 &

24、#215;× 系列和負電壓輸出的LM79××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。如圖3-2LM7812的器件圖圖3-2 LM7812器件圖LM7812簡介：用LM78/lm79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的LM78或LM79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為正6V，LM7909表示輸出電壓為負9V。最大輸出電流1.5A，LM78XX系列輸出電壓分

25、別為5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V。圖3-3 LM7812內(nèi)部接線圖引腳信號和引腳功能：引腳輸入腳為最高電位，GND腳為最低電位，輸出腳居中。3.2 振蕩發(fā)射電路振蕩發(fā)射電路：振蕩發(fā)射電路主要分為兩個部分振蕩電路部分以及發(fā)射電路部分，它們?yōu)檎麄€電路提供了固定頻率的紅外線信號。在振蕩電路中起到主要是NE555，在發(fā)射電路部分主要是NE555發(fā)出固定的振蕩信號來驅(qū)動SE303向外發(fā)射出紅外線信號?，F(xiàn)在分別介紹來這個電路中的定時器NE555和紅外線發(fā)射管SE303。3.2.1 NE555555定時器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插8腳結(jié)構(gòu)，體積很小，使用起來方便。

26、只要在外部配上幾個適當(dāng)?shù)淖枞菰?，就可以?gòu)成史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及自激多諧振蕩器等脈沖信號產(chǎn)生與變換電路。555定時器在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、定時電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面有廣泛的應(yīng)用。因為施密特觸發(fā)器的另外一個輸出端（3號腳）專門作為多諧振蕩器的輸出，所以我們可以最大限度地保證多諧振蕩器的帶負載能力。這個多諧振蕩器可以驅(qū)動小型繼電器。555 集成電路是8 腳封裝，雙列直插型，如圖3-4（a）（b），按輸入輸出的排列可看成如圖所示。其中6 腳稱閾值端(TH)，是上比較器的輸入；2 腳稱觸發(fā)端(TR)，是下比較器的輸入；3 腳是輸出端(Vo)，它有O 和1 兩種狀態(tài)，

27、由輸入端所加的電平?jīng)Q定；7 腳是放電端(DIS)，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4 腳是復(fù)位端(MR)，加上低電平時可使輸出為低電平；5 腳是控制電壓端(Vc),可用它改變上下觸發(fā)電平值；8 腳是電源端，1 腳是地端。圖3-4 555定時器電氣原理圖（a）電路符號（b）3.2.2 紅外線發(fā)射管在這里我們選用的紅外發(fā)射管為SE302紅外線發(fā)射管也稱紅外線發(fā)射二極管，屬于二極管類。它是可以將電能直接轉(zhuǎn)換成近紅外光（不可見光）并能輻射出去的發(fā)光器件，主要應(yīng)用于各種光電開關(guān)及遙控發(fā)射電路中。紅外線發(fā)射管的結(jié)構(gòu)、原理與普通發(fā)光二極管相近，只是使用的半導(dǎo)體材料不同。紅

28、外發(fā)光二極管通常使用砷化鎵（GaAs）、砷鋁化鎵（GaAlAs）等材料，采用全透明或淺藍色、黑色的樹封裝。紅外發(fā)射管發(fā)光的原理是半導(dǎo)體PN結(jié)中的電子與空穴復(fù)合時產(chǎn)生光子，不同的材料由于能帶寬度不同，導(dǎo)致發(fā)光顏色和導(dǎo)通電壓不同。另外，不同材料的發(fā)光效率（一般以量子效率衡量，量子效率=發(fā)射的光子數(shù)/流過的電子數(shù)）也有較大的差別。對做傳感器的紅外線發(fā)射管要求亮度非常高，顏色要合適，光斑形狀要合適。為了防止紅外線發(fā)射管損壞，應(yīng)該注意：（1）紅外線發(fā)射管的伏安特性曲線很陡，測試和使用時一定要串聯(lián)電阻用來限制電流。（2）氮化鎵材料的高亮度紅外線發(fā)射管非常容易被反向電壓、靜電或者電源尖峰擊穿損壞，電源電壓較

29、高時不可以反饋。不同的管子允許的工作電流不同，紅外的平均電流最大可以用到100毫安，用作調(diào)制時幾十微妙的窄脈沖峰值甚至可以接近1安。3毫米的白色高亮度管子持續(xù)最大電流20毫安，一般低亮度的管子要小一些，工作電流的限制一是發(fā)熱限制平均電流，二是高電流下亮度飽和限制峰值電流，有些管子電流大了之后還會變色。3.3 接收電路接收電路：它接收外界的光源，是一個承上啟下的電路PH302接收被反射的光（紅外線光或者其他其他光線）并將其轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)過三極管VT1、VT2對電流的放大?，F(xiàn)在對紅外線接收器和三極管分別進行介紹。3.3.1 接收器在這里使用的是紅外接收管PH302。紅外線接收管是在LED行業(yè)

30、中命名的，是專門用來接收和感應(yīng)紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線光線的。光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外或者可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。它包括一個可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。標(biāo)準(zhǔn)的光電傳感器可以分為漫反射型、反射型、對射型、槽型、光纖傳感器、色標(biāo)傳感器、光通訊、激光測距、光柵、防爆/隔爆型等十種。它的特長有以下七點：（1）檢測距離長如果在對射型中保留10m以上的檢測距離等，便能實現(xiàn)其他檢測手段（磁性、超聲波等） 無法離檢測。（2）對檢測物體的限制少 由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，所以不象接

31、近傳感器等將檢測物體限定 在金屬，它可對玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進行檢測。（3）響應(yīng)時間短光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機械性工作時間，響應(yīng)時間非常短。 （4）分辨率高 能通過高級設(shè)計技術(shù)使投光光束集中在小光點，或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來實現(xiàn)高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。 （5）可實現(xiàn)非接觸的檢測可以無須機械性地接觸檢測物體實現(xiàn)檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。 （6）可實現(xiàn)顏色判別 通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對檢測

32、物體的顏色進行檢測。 （7）便于調(diào)整 在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調(diào)整。在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調(diào)整。因此,光電式傳感器在檢測和控制中得到廣泛的應(yīng)用。通過幾種傳感器的辯證比較，我選擇了第四種光電傳感器，并采用其中的反射式光電傳感器來作為我設(shè)計的核心元件。紅外線接收管原理：紅外線接收管是將紅外線光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件，它的核心部件是一個特殊材料的PN結(jié)，和普通極管相比，在結(jié)構(gòu)上采取了大的改變，紅外線接收管為了更多更大面積的接受入射光線，PN結(jié)面積盡量做的比較大，電極面積盡量減小，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小

33、于1微米。紅外線接收二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當(dāng)有紅外線光照時，攜帶能量的紅外線光子進入PN結(jié)后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對（簡稱：光生載流子）。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大。這種特性稱為“光電導(dǎo)”。紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應(yīng)變化。3.3.2 三極管半導(dǎo)體三極管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。在半導(dǎo)體鍺或硅的單晶上制

34、備兩個能相互影響的PN結(jié)，組成一個PNP（或NPN）結(jié)構(gòu)。中間的N區(qū)（或P區(qū)）叫基區(qū)，兩邊的區(qū)域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極的引線分別叫做基極B、發(fā)射機E和集電極C能起到放大震動震蕩開關(guān)等作用的半導(dǎo)體器件。如圖3-5 三極管元器件圖圖3-5 三極管元器件圖晶體三極管以下簡稱三極管，按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導(dǎo)電，而p是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的

35、電流放大原理。對于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。當(dāng)b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）及基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U散，但因前者的濃度基大于后者，所以通

36、過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。由于基區(qū)很薄，加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic，這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即：1=Ic/Ib 式中：1-稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量Ic與基極電流的變化量Ib之比為：= Ic/Ib。式中-稱為交流電流放大倍數(shù)。由于低頻時1和的

37、數(shù)值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯蟊稊?shù)。三極管放大時管子內(nèi)部的工作原理：1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子電源Ub經(jīng)過電阻Rb加在發(fā)射結(jié)上，發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）不斷地越過發(fā)射結(jié)進入基區(qū)，形成發(fā)射極電流Ie。同時基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴散，但由于多數(shù)載流子濃度遠低于發(fā)射區(qū)載流子濃度，可以不考慮這個電流，因此可以認為發(fā)射結(jié)主要是電子流。2、基區(qū)中電子的擴散與復(fù)合電子進入基區(qū)后，先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在

38、基區(qū)中向集電結(jié)擴散，被集電結(jié)電場拉入集電區(qū)形成集電極電流Ic。也有很小一部分電子（因為基區(qū)很薄）與基區(qū)的空穴復(fù)合，擴散的電子流與復(fù)合電子流之比例決定了三極管的放大能力。3、集電區(qū)收集電子由于集電結(jié)外加反向電壓很大，這個反向電壓產(chǎn)生的電場力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴散，同時將擴散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)從而形成集電極主電流Icn。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子（空穴）也會產(chǎn)生漂移運動，流向基區(qū)形成反向飽和電流，用Icbo來表示，其數(shù)值很小，但對溫度卻異常敏感。3.4 控制電路控制電路，主要是對接收電路傳來的電信號進行選頻，來判斷這個信號是不是符合要求的信號，主要通過音頻譯碼器LM567對其進行判斷，如

39、果不符合頻率則輸出高電平，VT3截止；若符合則輸出低電平，驅(qū)動VT3。有電流流出，然后將指令送達到執(zhí)行部分。電路的主要元件為LM567，現(xiàn)在對LM567進行介紹。3.4.1 LM567LM567的管腳功能是：1腳為輸出濾波，2腳為回路濾波，3腳為輸入端，4腳為正電源端（電壓值需最小為4.75V，最大為9V），5腳為定時電阻端，6腳為定時電容端，7腳為接地端，8腳為輸出端。LM567的引腳功能圖（如圖3-5所示）。LM567的內(nèi)部原理圖（圖3-6所示）。LM567是一種比較廉價的音頻鎖相環(huán)集成電路，利用它可以構(gòu)造性能較好的反射式光電傳感器。音調(diào)譯碼器采用LM567鎖相環(huán)電路，鎖相環(huán)內(nèi)則包含一個電

40、流控制振蕩器（CC0）、一個鑒相器和一個反饋濾波器。此音調(diào)解碼塊包含一個穩(wěn)定的鎖相環(huán)路和一個晶體管開關(guān)，當(dāng)在此集成塊的輸入端加上所先定的音頻時，即可產(chǎn)生一個接地方波。當(dāng)輸入信號于通帶內(nèi)時提供飽和晶體管對地開關(guān)，電路由I與Q檢波器構(gòu)成，由電壓控制振蕩器驅(qū)動振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。圖3-5 LM567的引腳功能圖主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對講機亞音頻譯碼，遙控等。此音調(diào)解碼塊包含一個穩(wěn)定的鎖相環(huán)路和一個晶體管開關(guān)，當(dāng)在此集成塊的輸入端加上所先定的音頻時，即可產(chǎn)生一個接地方波。當(dāng)輸入信號于通帶內(nèi)時提供飽和晶體管對地開關(guān)，

41、電路由I與Q檢波器構(gòu)成，由電壓控制振蕩器驅(qū)動振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。LM567的基本工作狀況有如一個低壓電源開關(guān)，當(dāng)其接收到一個位于所選定的窄頻帶內(nèi)的輸入音調(diào)時，開關(guān)就接通。通用的LM567還可以用做可變波形發(fā)生器或通用鎖相環(huán)電路。當(dāng)其用作音調(diào)控制開關(guān)時，所檢測的中心頻率可以設(shè)定于0.1至500KHz內(nèi)的任何值，檢測帶寬可以設(shè)定在中心頻率14%內(nèi)的任何值。而且，輸出開關(guān)延遲可以通過選擇圖3-6 LM567的內(nèi)部電路圖4. 單元電路的設(shè)計這一個章節(jié)是對整個紅外線控制水龍頭的各部分電路進行系統(tǒng)的介紹：有由220伏交流電供電，經(jīng)變壓器從次級輸出交流電壓，該

42、電壓再次經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓，得到9伏電壓提供給控制電路的穩(wěn)壓電路；有由NE555、SE303、電阻、電容等共同作用發(fā)射出固定脈沖紅外線的振蕩發(fā)射電路；接受紅外線，然后光電轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為電信號經(jīng)過再次放大的紅外線接收電路；選擇頻率，對執(zhí)行電路進行驅(qū)動的控制電路。下面是詳細的電路介紹。4.1 穩(wěn)壓電路的設(shè)計穩(wěn)壓電路對整個電路來說是一個電路的開端也是一個電路可以穩(wěn)定運行的基本保障。我設(shè)計的穩(wěn)壓電路，220v交流電通過電源變壓器變換成交流低壓通過變壓器進行轉(zhuǎn)化，最終輸出電壓電路為輸出電壓+12V，輸出電流1.5A穩(wěn)壓電源。它的電壓變壓器B，橋式整流電路D1D4（為標(biāo)準(zhǔn)的橋式整流，利用二極管的單向?qū)ㄐ?/p>

43、進行整流，將交流整流為直流），濾波電容C1.C3（利用的了電容的通交流阻直流特性，降低交流脈動波紋系數(shù)提升高效平滑直流），防止自激電路C2、C4（消除自激，使LM7812穩(wěn)定工作）和一只固定式三端穩(wěn)壓器LM7812極為簡捷方便的搭成。在固定式三端穩(wěn)壓器LM7812的VIN和GND兩端形式一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓（該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化）。此直流電壓經(jīng)過LM7812的穩(wěn)壓和電容的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生精度高，穩(wěn)定性好的直流輸出電壓。穩(wěn)壓電源電路（如圖4-1所示）。圖4-1 穩(wěn)壓電源電路4.2 振蕩發(fā)射電路的設(shè)計振蕩電路是一種不需要外接輸入信號就能夠?qū)⒅?/p>

44、流能源轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的以及一定幅度的和一定波形的交流能量輸出的電路下面圖示（如圖4-2所示）。NE555的輸出引腳3引腳向外輸出脈沖信號，脈沖信號的頻率約為1.4KHZ，頻率大小由R1，R2，以及C1所決定，脈沖信號通過NE555的輸出引腳3引腳輸出脈沖，對SE303進行驅(qū)動，使SE303向外發(fā)射1.4KHZ紅外線信號。（a）電路圖(b)工作波形圖4-2定時器構(gòu)成的多諧振蕩器由4-2圖（定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的b圖的工作波形）可知道，接通電源后，電源通過R1 和R2 對電容C1進行充電，當(dāng)Uc<1/3VDD 時，振蕩器輸出Vo=1，放電管截止。當(dāng)Uc 充電到2/3VDD 后，振蕩器輸

45、出Vo 翻轉(zhuǎn)成0，此時放電管導(dǎo)通，使放電端(DIS)接地，電容C 通過R2 對地放電，使Uc 下降。當(dāng)Uc 下降到1/3VDD 后，振蕩器輸出Vo 又翻轉(zhuǎn)成1，此時放電管又截止，使放電端(DIS)不接地，電源VDD 通過R1和R2 又對電容C 充電，又使Uc 從1/3VDD 上升到2/3VDD,觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，從而在輸出端Vo 得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形，驅(qū)動SE303發(fā)射出1.4KHZ紅外信號。4.3紅外線接收電路的設(shè)計紅外線接收電路主要由紅外線接收器PH302，以及晶體管VT1、VT2組成的電壓放大器組成。如圖4-4圖4-3 放大電路光電二極管PH302接收外界反射的光信號

46、（被反射的紅外線光信號或者自然光信號）PH302將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號通過C3耦合到VT1與R7組成的負反饋式放大器，VT1與R7 組成電壓負反饋式放大器，將信號放大，經(jīng)過負反饋式放大器放大后的放大信號通過C4進一步耦合到VT2進行進一步的放大放大后，輸出后通過C5 加至IC2的輸入端。我們對三極管組成的放大電路進行簡單的介紹：放大電路對信號的放大作用是利用三極管的電流控制作用來實現(xiàn)，其實質(zhì)上是一種能轉(zhuǎn)換器。三極管導(dǎo)通的三個條件：1.三極管要導(dǎo)通就必須要達到Vbe那個參數(shù)2.三極管要導(dǎo)通基極電流必須要達到一個最小值。3.基極電流在一定范圍內(nèi),三極管工作在放大狀態(tài),超過這個范圍則是飽和狀態(tài)

47、,再大就會被擊穿對三極管放大電路進行原理分析如圖3-15三極管放大電路原理圖?？梢缘玫揭韵鹿交鶚O電流：IB=IBQ=(VCC-VBEQ)/Rb集電極電流：IC=ICQ=IBQ集-射間電壓：VCE=VCEQ=VCC-ICQRc 動態(tài)(vi0)分析：圖4-4 三極管放大電路的原理圖4.4 紅外控制電路設(shè)計本電路發(fā)生器SE303是紅外線接收器PH302和鎖相環(huán)電路。LM567、放大器繼電器電磁閥等構(gòu)成控制電路（如圖4-5所示）。LM567是一種比較廉價的音頻鎖相環(huán)集成電路，利用它可以構(gòu)造性能較好的反射式光電傳感由LM567的內(nèi)部振蕩器提供方波信號，由探頭的光敏管接收反射的光。經(jīng)過三極管的

48、放大，轉(zhuǎn)換成電壓信號后并且送到LM567的內(nèi)部鑒相器2同步調(diào)解，然后由LM567內(nèi)部的比較器轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出并聯(lián)負反饋放大電路有若穩(wěn)定的增益和低的輸入阻抗，能消除光敏管的電容的影響，獲得良好的高頻特性。這個電路的缺點是當(dāng)多個探頭同時使用時因為頻率接近，一旦相鄰單元的光斑出現(xiàn)部分重合就會有干擾造成輸出抖動，另外LM567輸出鑒相器參考信號是從振蕩電容端引出的，與發(fā)射和接收信號幾乎是正交的，解調(diào)效率非常低，前級需要高倍放大。此接收電路用到器件LM567和接收器，紅外接收控制電路分析：LM567是1片鎖相環(huán)音頻解碼電路，采用8腳雙列直插塑封，3腳為信號輸入端，其工作頻率由5、6腳上的阻容元件決定，8腳為邏輯輸出端。LM567由一電阻和電容組成振蕩器，LM567內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率亦由電阻和電容決定，LM567的3腳為信號輸入端，8腳為邏輯輸出端，該輸出是1個集電極