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1、摘 要本论文介绍了利用红外发射与接收电路设计自动水龙头的原理及设计方案。电路设计简单，使用方便，同时更利于节能，“节能降耗”是我们追求的目标。传统的水龙头、卫生间供水等设施，使用起来不是特别方便，而且很浪费水资源。在这个基础上，我设计了自动供水电路。不仅可以节约用水，而且外形美观，使用起来也很方便。红外线控制自动水龙头由红外发射电路、红外接收放大电路、控制电路、电磁阀、电源等组成。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打开水源；反之则自动关闭水源。【关键词】传感器；红外线；自动控制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 resources.
3、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, power supply
4、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.绪论11.1 需求分析11.2 国内外发展及现状22 红外线控制水龙头系统设计
5、32.1 水龙头的构成及传感器控制32.2系统组成方框图42.3红外反射式光电传感器特性与工作原理52.4 红外线控制自动水龙头的工作原理72.4.1 红外线控制水龙头工作原理72.4.2 红外线水龙头控制电路的原理图83.元器件83.1 稳压电路83.2 振荡发射电路103.2.1 NE555103.2.2 红外线发射管113.3 接收电路123.3.1 接收器123.3.2 三极管133.4 控制电路153.4.1 LM567154. 单元电路的设计164.1 稳压电路的设计164.2 振荡发射电路的设计174.3红外线接收电路的设计194.4 红外控制电路设计20总结21参考文献22附录
6、123附录2251.绪论1.1 需求分析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。随着经济的不断发展，人们对淡水的需求不断增加，不久的将来，淡水资源紧缺将成为世界各国普遍面临的严峻问题。据报道我国是一个水资源短缺的国家，若按人均水资源量计算，人均占有量只有2500立方米，约为世界人均水量的四分之一，世界排110位。由于全自动感应水龙头，它安装方便、灵敏度高、抗干扰性强，使用寿命长，发出光均
7、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并且有自动控制水龙头开闭的效果，它杜绝了水资源的浪费，避免了人们因为忘记关水龙头致使水白白流走的问题，伸手就来水，离开就关闭的功能，从而有效地节约用水。在公共场所，由于人员流动性比较大，公共设施的卫生情况普遍比较恶劣，传统水龙头必须通过人手操作，很容易造成病菌的大规模传播，而它就避免了洗手后，再次触摸水龙头造成的细菌污染，开关水完全由感应器自动完成，无需接触水龙头，有效避免细菌及交叉感染。其广发应用于家庭、商场、工厂、学校餐厅灯公共场所。因此研究红外线水龙头应用和研究是非常有必要的。本论文设计的是一种以红外线
8、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
9、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。2 红外线控
10、制水龙头系统设计2.1 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，一部份红外光被物体遮挡住，通过物体的反射，发射到接收管，接收管在对其转化。反射式红外传感器（如图2-1所示）。图2-1 反射式红外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，它是把光信号转换为电信号的一个非常重要的工具。我设计的红外线控制自动水龙头正是运用了它的这个特点。光谱范围，灵敏度，以及抗干扰能力，输出特性等都是反射式光电传感器的非常重要的参数。这种光电传感器的基本原理是，当人手靠近接近水龙头时，遮挡了红外光，人手对红
11、外光进行了反射，光敏元件接收到了这个被反射红外线光信号，从而进行光电转换，通过控制电路爹给你对电磁阀作用，从而水龙头流出水来。红外线控制自动水龙头的控制过程是：当人的手接近自动水龙头时，红外发射光电管发出的红外线经人和物体反射到红外线接收光电管。接收光电管接收到的反射光信号自动将光信号转换为电信号，经过后放大电路电路控制电路进一步放大、译码，最后驱动电路控制电磁阀动作使水龙头打开。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。2.2系统组成方框图该红外线水龙头控制电路由稳压电路、红外发射电路、红外接收电路以及控制电路，执行电路等组成。用到的元
12、器件有光电传感器（红外发射器SE303,PH302、红外接收器、）三极管、锁相环频率解码LM567、电磁阀、555集成芯片以及电阻、电容若干，以及三端稳压器LM7812由220伏交流电供电，经变压器从次级输出交流电压，该电压经过整流、滤波、稳压，得到12伏电压提来供给供给发射电路接收电路以及控制电路等。红外线自动控制水龙头整个控制过程分为5个部分稳压电路、振荡电路、接受控制电路以及执行电路部分。一个完整的电路首先要有一个稳定电源，才可以保证它稳定的工作在这里我设计了一个稳压电路以三端稳压器LM7812为主，电容二极管为辅来为整个电路提供稳定的12电压。接下来是整个电路红外发射电路的核心电路的组
13、成，振荡电路发射电路向外发射红外线信号， NE555为主，电阻电容为辅为整个红外线水龙头提供固定频率然后由SE303向外发射红外线；接下来对红外线的接收，接收电路主要由PH302和三极管组成，由PH302接收红外线光，转化为电信号，再由三极管对电流进行放大；对接收的光线进行辨别选频，控制电路部分主要由LM567，LM567对接收到的电流进行分析，然后输出相应的高低电位；执行电路部分与前面的控制电路的信号相结合，信号驱动电磁阀的开关，也就驱动了水龙头是否有水流出。如图2-2 系统方框组成图2-2 系统组成方框图多谐振荡器电源12V红外发射红外接收电流放大音频译码驱动控制水龙头稳压电路的简介：稳压
14、电路即恒压，理想意义的恒压是指负载电压的大小在负载变化时和输入电流变化时都不会变化，也就是指负载电压是恒定的。当然，实际上是这是有局限性的，负载和电流只能在一定范围内变化，可使负载电压基本稳定。在本次电路中电压主要通过LM7812由220V稳压为12V。振荡发射电路的简介：振荡电路，就是能产生大小和方向都随周期发生变化的电流叫振荡电流。能产生振荡电流的电路叫振荡电路。振荡电流是一种交变电流,是一种频率很高的交变电流，它无法用线圈在磁场中转动产生，只能是由振荡电路产生。驱动红外发射管发射红外线。通过NE555产生固定频率的红外线接收电路简介：红外接收电路的作用是接收红外发射管发出的调制红外光，并
15、通过三极管放大器进行放大后输入到音频锁相环译码器集成电路进行选频。在这里我选择用两个三极管对电路进行放大。控制电路简介：锁相环频率解码电路的主要作用是对接收到的电信号进行识别译码输出低电平主要由音频译码器构成。在这部分电路的主要部分是LM567，输入脚3接收信号，输出脚8输出信号。执行电路部分：通过电流放大，经过LM567的选频以及控制，若选频信号符合，则LM567输出信号驱动电磁阀动作，控制水龙头出水。若不符合则电磁阀不动作，水龙头没有水流出。2.3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
16、界光源的干扰，然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，但是它的价格较贵。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面是都可以受到光源照射以及反射，同时又能够被接收管接收到的范围进行检测，然而这是一种理想的状态结果。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、日光灯照射等等得多种不确定因素。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，红外线接收管接收调制的红外信号（如图2-3所示）。反射光强度的输出信号
17、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2-4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，电压是不同的发射接收反射表面x图2-3 红外发射接收原理图Vout4 x/mm10 图2-4 光强度相应曲线图在本次毕业论文中我选择的红外线发射管为红外线二极管2.4 红外线控制自动水龙头的工作原理该红外线水龙头控制电路由稳压电路、振荡发射电路、红外接收电路以及电磁阀控制电路等组成。用到的元器件有光电传感器（红外发射器、红外接收器、）三极管、电磁阀、LM567通用锁相环电路音调译码器555集成芯片以及电阻、电
18、容若干，由220伏交流电供电，经变压器从次级输出交流电压，该电压经整流、滤波、稳压，得到9伏电压提供给控制电路。红外线控制水龙头从字面理解是由红外线来驱动水龙头是否有水流出，当人手靠近时是否有水流出。我设计的红外线控制自动水龙头用NE555、电阻、电容以及SE303构成红外线振荡发射电路，向外发射固定频率的红外线。如果有人靠近时，手挡住了SE303向外发射的红外线，红外线被反射到接收电路的PH302。PH302将光信号转化为电信号，电信号经过三极管VT1和VT2的放大到达控制电路的LM567，LM567对反射的信号进行译码来判断是否是红外线信号，是红外线信号将输出低电平，三极管通电，驱动电磁阀
19、打开，水龙头有水流出。反之不是红外线信号若是其他光源的则LM567输出高电平，三极管没有驱动没有电流，电磁阀处于截止状态，水龙头没有水流出。2.4.1 红外线控制水龙头工作原理工作原理：发射电路中，其中里面的震荡器由IC1(NE555)和R1、R2以及C1构成。其震荡频率由R1、R2、C1所决定的，其振荡频率为f=，通过计算振荡频率约为1.4KHz。多谐振荡器产生的脉冲信号由IC1(NE555)的输出端3引脚输出，脉冲信号驱动红外线发射管SE303，使红外线发射管SE303向外发射红外线，红外线频率频率为约为1.4KHZ。红外线接收放大器由红外线接收器PH302和晶体管VT1、VT2组成，VT
20、1和VT2是电压放大器的组成。当PH302接收到光信号信号后将光信号转化为电信号，并通过耦合C3耦合到VT1，VT1与R7 组成电压负反馈式放大器，由VT1放大后的信号通过C4 耦合到VT2作进一步放大，输出后通过C5加至IC2（LM567）的输入端。 IC2(LM567)作为电磁水阀门的控制电路的主要部分。在这里用作选频电路，将电压放大器输出的脉冲信号进行选频，以排除信号中的干扰脉冲，防止电路被误触发。IC2的选频频率由滑动变阻器RP将其调节至发射频率1.4 KHZ（因为IC1发射的的红外信号为1.4KHZ），当由VT2输出的脉冲频率与IC2（LM567）的选频频率一致时，其输出端输出低电平
21、。IC2(LM567)与VT3组成继电器驱动电路，平时由于红外线接收器一直处于未接受红外线状态， IC2(LM567)的输出端脚输出高电平，VT3处于截止状态，继电器处于释放状态，水阀门的电磁阀不通电，处于关闭状态，没有水流流出。当有人手伸至红外线控制器下方时，由于人手的反射，使PH302接收到红外发射管反射出的红外信号，经过VT1、VT2放大，IC2(LM567)的选频，它的输出端脚输出低电平。这一低电平通过R10加至VT3的基极使其导通，继电器K吸合通电，将电磁阀门的电源接通，水阀门被打开。水流流出。2.4.2 红外线水龙头控制电路的原理图3.元器件元器件是一个电路的基础，是一个点路了的基
22、础。在本章我将依照我电路的设计，分别列出在论文我每个电路中所分别用到的元器件。3.1 稳压电路在稳压电路，为整个电路提供了稳定的电压，为整个电路的后续稳定工作提供了基本保障。在稳压电路中所用的元器件有LM7812，二极管构成的桥式整流以及电容。其中元器件为三端稳压器LM7812使220V电压变为输出电压+12V。现在对三端稳压器进行系统介绍：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-所示）：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
23、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。RA，RB 为输出采样电阻。R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3-1 三端稳压器框图三端稳压集成电路LM7812。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的LM78 系列和负电压输出的LM79系列。顾名思义，三端IC是指
24、这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。如图3-2LM7812的器件图图3-2 LM7812器件图LM7812简介：用LM78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的LM78或LM79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，LM7909表示输出电压为负9V。最大输出电流1.5A，LM78XX系列输出电压分别为5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V。图3-3 LM7812内部接线图引
25、脚信号和引脚功能：引脚输入脚为最高电位，GND脚为最低电位，输出脚居中。3.2 振荡发射电路振荡发射电路：振荡发射电路主要分为两个部分振荡电路部分以及发射电路部分，它们为整个电路提供了固定频率的红外线信号。在振荡电路中起到主要是NE555，在发射电路部分主要是NE555发出固定的振荡信号来驱动SE303向外发射出红外线信号。现在分别介绍来这个电路中的定时器NE555和红外线发射管SE303。3.2.1 NE555555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与
26、变换电路。555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。因为施密特触发器的另外一个输出端（3号脚）专门作为多谐振荡器的输出，所以我们可以最大限度地保证多谐振荡器的带负载能力。这个多谐振荡器可以驱动小型继电器。555 集成电路是8 脚封装，双列直插型，如图3-4（a）（b），按输入输出的排列可看成如图所示。其中6 脚称阈值端(TH)，是上比较器的输入；2 脚称触发端(TR)，是下比较器的输入；3 脚是输出端(Vo)，它有O 和1 两种状态，由输入端所加的电平决定；7 脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输
27、入端的状态决定；4 脚是复位端(MR)，加上低电平时可使输出为低电平；5 脚是控制电压端(Vc),可用它改变上下触发电平值；8 脚是电源端，1 脚是地端。图3-4 555定时器电气原理图（a）电路符号（b）3.2.2 红外线发射管在这里我们选用的红外发射管为SE302红外线发射管也称红外线发射二极管，属于二极管类。它是可以将电能直接转换成近红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光电开关及遥控发射电路中。红外线发射管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树封
28、装。红外发射管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。对做传感器的红外线发射管要求亮度非常高，颜色要合适，光斑形状要合适。为了防止红外线发射管损坏，应该注意：（1）红外线发射管的伏安特性曲线很陡，测试和使用时一定要串联电阻用来限制电流。（2）氮化镓材料的高亮度红外线发射管非常容易被反向电压、静电或者电源尖峰击穿损坏，电源电压较高时不可以反馈。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
29、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。3.3 接收电路接收电路：它接收外界的光源，是一个承上启下的电路PH302接收被反射的光（红外线光或者其他其他光线）并将其转化为电信号，然后经过三极管VT1、VT2对电流的放大。现在对红外线接收器和三极管分别进行介绍。3.3.1 接收器在这里使用的是红外接收管PH302。红外线接收管是在LED行业中命名的，是专门用来接收和感应红外线发射管发出的红外线光线的。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转
30、换的关键元件，它是把光信号（红外或者可见及紫外光辐射）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）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
31、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
32、进行调整。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。红外线接收管原理：红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接受入射光线，PN结面积尽量做的比较大，电极面积尽量减小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。红外线接收二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），
33、称为暗电流。当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对（简称：光生载流子）。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。红外线接收二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。3.3.2 三极管半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射
34、区和集电区，这三部分各有一条电极的引线分别叫做基极B、发射机E和集电极C能起到放大震动震荡开关等作用的半导体器件。如图3-5 三极管元器件图图3-5 三极管元器件图晶体三极管以下简称三极管，按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的P
35、N结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电
36、子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：1=Ic/Ib 式中：1-称为直流放大倍数，集电极电流的变化量Ic与基极电流的变化量Ib之比为：= Ic/Ib。式中-称为交流电流放大倍数。由于低频时1和的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，
37、但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大倍数。三极管放大时管子内部的工作原理：1、发射区向基区发射电子电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子（自由电子）不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散，但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流，因此可以认为发射结主要是电子流。2、基区中电子的扩散与复合电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区
38、的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。3、集电区收集电子由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。3.4 控制电路控制电路，主要是对接收电路传来的电信号进行选频，来判断这个信号是不是符合要求的信号，主要通过音频译码器LM567对其进行判断，如果不符合频率则输出高电平，VT3截止；若符合则输出低电平，驱动VT3。有电流流出，然后将指令送达到执行
39、部分。电路的主要元件为LM567，现在对LM567进行介绍。3.4.1 LM567LM567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3-5所示）。LM567的内部原理图（图3-6所示）。LM567是一种比较廉价的音频锁相环集成电路，利用它可以构造性能较好的反射式光电传感器。音调译码器采用LM567锁相环电路，锁相环内则包含一个电流控制振荡器（CC0）、一个鉴相器和一个反馈滤波器。此音调解码块包含一个稳定的锁相环路和一个晶体管开关
40、，当在此集成块的输入端加上所先定的音频时，即可产生一个接地方波。当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。图3-5 LM567的引脚功能图主要用于振荡、调制、解调和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。此音调解码块包含一个稳定的锁相环路和一个晶体管开关，当在此集成块的输入端加上所先定的音频时，即可产生一个接地方波。当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和
41、输出延迟。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图3-6 LM567的内部电路图4. 单元电路的设计这一个章节是对整个红外线控制水龙头的各部分电路进行系统的介绍：有由220伏交流电供电，经变压器从次级输出交流电压，该电压再次经过整流、滤波、稳压，得到9伏电压提供给控制电路的稳压电路；有由NE555、SE303、电阻、
42、电容等共同作用发射出固定脉冲红外线的振荡发射电路；接受红外线，然后光电转化，转化为电信号经过再次放大的红外线接收电路；选择频率，对执行电路进行驱动的控制电路。下面是详细的电路介绍。4.1 稳压电路的设计稳压电路对整个电路来说是一个电路的开端也是一个电路可以稳定运行的基本保障。我设计的稳压电路，220v交流电通过电源变压器变换成交流低压通过变压器进行转化，最终输出电压电路为输出电压+12V，输出电流1.5A稳压电源。它的电压变压器B，桥式整流电路D1D4（为标准的桥式整流，利用二极管的单向导通性进行整流，将交流整流为直流），滤波电容C1.C3（利用的了电容的通交流阻直流特性，降低交流脉动波纹系数
43、提升高效平滑直流），防止自激电路C2、C4（消除自激，使LM7812稳定工作）和一只固定式三端稳压器LM7812极为简捷方便的搭成。在固定式三端稳压器LM7812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LM7812的稳压和电容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4-1所示）。图4-1 稳压电源电路4.2 振荡发射电路的设计振荡电路是一种不需要外接输入信号就能够将直流能源转换成具有一定频率的以及一定幅度的和一定波形的交流能量输出的电路下面图示（如图4-2所示）。NE
44、555的输出引脚3引脚向外输出脉冲信号，脉冲信号的频率约为1.4KHZ，频率大小由R1，R2，以及C1所决定，脉冲信号通过NE555的输出引脚3引脚输出脉冲，对SE303进行驱动，使SE303向外发射1.4KHZ红外线信号。（a）电路图(b)工作波形图4-2定时器构成的多谐振荡器由4-2图（定时器构成的多谐振荡器的b图的工作波形）可知道，接通电源后，电源通过R1 和R2 对电容C1进行充电，当Uc1/3VDD 时，振荡器输出Vo=1，放电管截止。当Uc 充电到2/3VDD 后，振荡器输出Vo 翻转成0，此时放电管导通，使放电端(DIS)接地，电容C 通过R2 对地放电，使Uc 下降。当Uc 下
45、降到1/3VDD 后，振荡器输出Vo 又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端(DIS)不接地，电源VDD 通过R1和R2 又对电容C 充电，又使Uc 从1/3VDD 上升到2/3VDD,触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端Vo 得到连续变化的振荡脉冲波形，驱动SE303发射出1.4KHZ红外信号。4.3红外线接收电路的设计红外线接收电路主要由红外线接收器PH302，以及晶体管VT1、VT2组成的电压放大器组成。如图4-4图4-3 放大电路光电二极管PH302接收外界反射的光信号（被反射的红外线光信号或者自然光信号）PH302将光信号转化为电信号，电信号通过C3耦合到VT1与R7组成的负
46、反馈式放大器，VT1与R7 组成电压负反馈式放大器，将信号放大，经过负反馈式放大器放大后的放大信号通过C4进一步耦合到VT2进行进一步的放大放大后，输出后通过C5 加至IC2的输入端。我们对三极管组成的放大电路进行简单的介绍：放大电路对信号的放大作用是利用三极管的电流控制作用来实现，其实质上是一种能转换器。三极管导通的三个条件：1.三极管要导通就必须要达到Vbe那个参数2.三极管要导通基极电流必须要达到一个最小值。3.基极电流在一定范围内,三极管工作在放大状态,超过这个范围则是饱和状态,再大就会被击穿对三极管放大电路进行原理分析如图3-15三极管放大电路原理图。可以得到以下公式基极电流：IB=
47、IBQ=(VCC-VBEQ)/Rb集电极电流：IC=ICQ=IBQ集-射间电压：VCE=VCEQ=VCC-ICQRc动态(vi0)分析：图4-4 三极管放大电路的原理图4.4 红外控制电路设计本电路发生器SE303是红外线接收器PH302和锁相环电路。LM567、放大器继电器电磁阀等构成控制电路（如图4-5所示）。LM567是一种比较廉价的音频锁相环集成电路，利用它可以构造性能较好的反射式光电传感由LM567的内部振荡器提供方波信号，由探头的光敏管接收反射的光。经过三极管的放大，转换成电压信号后并且送到LM567的内部鉴相器2同步调解，然后由LM567内部的比较器转换为数字输出并联负反馈放大电路有若稳定的增益和低的输入阻抗，能消除光敏管的电容的影响，获得良好的高频特性。这个电路的缺点是当多个探头同时使用时因为频率接
