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1、 红外线控制自动干手器课程设计 学 院 电气工程学院专业班级 10级电气工程及其自动化1班组 员 梁 楠 P101813217 王 烁 P101813228 杨治兵 P101813252指导教师 马 燕红外线控制自动干手器摘 要 自动干手器是一种高档的卫生洁具，广泛应用于宾馆酒店、机场车站、体育场馆等公共场所的洗手间。其工作原理是采用一种红外线控制的电子开关，当有人把手伸过来时，红外线开关将自动打开电吹风机，人离开时又自动将吹风机关闭。自动干手电路是由红外线发射电路、红外线接收电路、时间延时电路、吹风机开关电路和电源电路五部分构成的。在红外线发射电路中，输出电路端Q产生脉冲信号来控制红外线发光
2、二极管发射光脉冲，其中，二极管可以起到保护红外发光二极管的作用。在时间延时和吹风机开关电路中，当输出端Q输出低电平时，三极管截止，无电流通过。继电器与三极管集电极相连，当有电流驱动时，开关吸合，电磁阀通电，电路闭合，吹风机吹出风；当无电流驱动时，开关断开，电磁阀不通电，电路断开，吹风机不吹出风。同时在继电器两端并联一个二极管实现保护，在电路中加入发光二极管作为显示电路，显示吹风机是否启动。关键词: 红外线发射电路 红外线接收放大电路 吹风机开关控制电路 时间延迟电路 ABSTRACTAutomatic hand dryer is a high-grade sanitary ware. Wide
3、ly used in hotels, airport station, sports stadiums and other public places of the bathroom. The working principle is to adopt an infrared-controlled electronic switch. The infrared switch will automatically open the electric hair dryer when hands stretch to come over, and when people leave, the ele
4、ctric hair dryer is automatically turned off. Automatic hand circuit consists of five parts; the infrared transmitter circuit, infrared receive circuit, time delay circuit, hair dryer switch circuit and power circuit. In the infrared transmitter circuit, the output circuit terminal Q generates a pul
5、se signal to control the light-emitting diode emits light pulses at, in addition, the diode from the role of protecting the infrared light emitting diode. The transistor cuts, no current flows through, in the time delay and hair dryer switch circuits, when the output Q outputs low. Relay connects to
6、 the collector of transistor. When the current drives, the switch is closed, then the solenoid valve is energized, then the circuit is closed, then hair dryer blow air. While there is not having the current, the switch is turned off, then the solenoid valve is not energized, then the circuit is disc
7、onnected, then hair dryer does not blow hot air. At the same time, a diode acrosses the relay parallel protection. Light-emitting diode in the circuit is a display, showing hair dryer stsrted.Keyword: Infrared Transmitter Circuit Infrared Receiver Amplifier Circuit Hair Dryer Switch Control Circuit
8、Time Delay Circuit Power Supply Circuit目 录摘要1第一章 绪论41.1 引言41.2 红外干手器在国内外发展方向及其现状4第二章 方案设计6 2.1 方案论证62.1.1 干手器的构成及传感器控制62.2 工作原理6 2.3 工作方案设计7第三章 原理设计9 3.1 红外线控制自动干手器电路图93.1.1 红外线发射电路93.1.2 红外线接收电路123.1.3 脉冲整形电路153.1.4开关控制电路163.1.5 电源电路17第四章 总结与体会18 参考文献20附录21致谢22第一章 绪论1.1 引言随着电子技术的飞速发展，数字系统的设计正朝着速度快、
9、容量大、体积小、重量轻的方向发展。在数字系统的推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，从而促进了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使得现代电子产品的性能得到进一步改善，产品更新换代的节奏也越来越快。本课程设计设计的是红外线控制自动干手器，采用了反射式红外传感器，这种传感器的发射和接收是一体化的。因人体或其他一些事物会释放红外线，所以当其靠近时，传感器接收信号，从而控制继电器动作，使得电磁阀得电吸合，进而自动吹风。红外线自动干手器具有安装方便、灵敏度高、抗干扰能力强、使用寿命长等优点，同时，它给人们的生活带来了极大的方面，已经成为人们日常生活中必不可少的物品。自动干手器广泛用于
10、家庭、商场、学校、餐厅，宾馆等公共场所。因此，研究红外线控制自动干手器有着重要的意义。总之，本设计既可以满足人们对物质的需求，又具有科学研究性。1.2红外干手器在国内外发展方向及其现状随着红外技术的发展，红外焦平面阵列技术出现了，并且得到了迅速发展。美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方发达国家都在相竞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像元，已接近于可见光硅CCD摄像阵列水平。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，并将其推向市场，抢占商机。法国、荷兰、瑞典
11、、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，也已显示出前沿的竞争地位。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了突飞猛进的发展，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。如我国目前已能生产面积小于30um的21001000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 方案设计2.1方案论证 2.1.1干手器的构成及传感器控制干手器采用了反射式红外传感器。红外线的发射
12、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，一部分红外光被反射到接收管。反射式红外传感器，如图2-1所示。 图2-1 发射式红外传感器本次设计利用了发射式红外传感器可以探测有无接近的物体的特点。当有人或物体接近时，挡住了红外光，光敏元件接收到光信号，从而进行光电转换，电磁阀作用，电路接通，吹风机工作。2.2工作原理自动干手器的工作原理是采用一种红外控制的电子开关，当有人手伸过来时，红外开关将电热吹风机自动打开，人离开时又自动将吹风机关闭。根据这个基本原理，用一只普通的电热吹风机，加装一个红外控制开关，就可以组成一个自动干手器。该红外自动干手器由红外发射器、红外线接收放大器和
13、开关控制器组成。2.3工作方案设计红外自动干手器控制电路的框图如图2-2所示，它是由红外线发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路、吹风机开关控制电路和电源电路五部分构成的。 图2-2 红外自动干手器控制电路框图 图2-3 简易自干手机电路的原理方框图红外线发射电路的功能是利用红外线发光管发射脉冲，从而实现电路对人体的感应。红外线接收电路的功能是利用光敏元件接收发射出来的光脉冲，并且将光脉冲信号转化为电信号，同时对其进行放大。时间延迟电路的功能是利用单稳态电路的特性，实现对自动干手器开关打开时间的控制。开关控制电路的功能是利用电磁阀作为自动干手器的开关，从而可以通过点引号对干手器进行控制。电源电
14、路的功能是为上述所有的电路提供直流电源。 第三章 原理设计3.1 红外线控制自动干手器电路图3.1.1 红外线发射电路 红外线发射电路，如图3-1所示 图3-1 红外线发射电路1. 红外线发射电路原理（1）红外发射的功能：555组成的多谐振荡电路驱动红外发射管向外发射红外线。（2）红外发射的组成：由 555时基集成电路， SE303红外发光二极管，电阻器R2 ，R5 ，R6， 电容器C5C6组成的电路。接通电源9V，由U1及其外围容阻元件构成的多谐振荡器通电工作，驱动红外发光二极管工作，将红外信号调制发射出去。2. 集成时基电路 集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型
15、的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556电路；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器。556和7556是双定时器。双极型的电源电压Vtt5V15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源时电压为318V。1) 555电路的工作原理555电路的内部电路方框图如图3-3所示。它含有两个电压比较器，
16、一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5K电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入和低电平比较器A2的反相吕、输入端的参考电平为2/3VCC和1/3VCC。A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC进，触发器复位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。RD是复位端（4脚），当RD0,555输出低电平。平时RD端开路或接VCC。图3-2 555定时器内部框图及引脚排列Vc是控
17、制电压端（5脚），平时输出2/3VCC作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一0.01uF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。 2）构成多谐振荡器图34（a）为由555定时器和
18、外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。触发电路由C1、R1、D构成，其中D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关和T导通，输出端F输出低电平，当有一个外部2与脚5与6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端C1放电，使电路产生振荡。电容C在1/3VCCt和2/3Vcc之间充电和放电。其波形如图34（b）所示。输出信号的时间参数如式（3-1）（3-2）（3-3）Ttw1+tw2 （3-1） tw1=0.7(R1+R2)C （3-2） tw2=0.7R2C （3-3）555电路要求R1与R2均
19、应大于或等于1K,但R1R2应小于或等于3.3M欧。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即要获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此这种形式的多谐振荡器应用很广。（a） （b） 图3-4 多谐振荡器 3.1.2红外线接收电路 红外线接收电路，如图3-5所示 图3-5 红外线接收电路 红外线接收电路由PH302红外线接收管和非门集成芯片U2组成的电 压放大器组成，U2为CD4069六反相器，其结构如图3-4所示。用其中的三个门D1-D3组成电压放大器。R6为其反馈偏置电阻，由PH302红外线接收管VDL将接收到的红外线发射信号转化为电脉冲后，通过C3、
20、R5加至电压放大器的输入端，进行脉冲幅度的放大。1.光电传感器（PH302）图3-6 PH302 图3-7 PH302内部结构图光电元件特点是其高精度、高分辨率、大动态范围，利用光敏元件上的光电流随光强变动而变化这一现象实现几何增量，光电传感器可广泛地应用于静态测量、动态测量及自动化控制等领域。本设计中接收部分就采用了光敏二极管。（1）光电传感器的工作原理光电传感器的基本转换原理是将被测量参数转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件转换成电信号的输出。常用的光电传感器是采用发光二极管作为光源，光源经过透镜聚焦于空间某一点。如果在该点有障碍物，光就照不到光敏二极管上，电路处于偏置状态，PN
21、结截止，反向电流很小。当没有障碍物遮挡时，光照到光敏二极管上时，PN结附近产生电子和空穴对，并在外.电场和内电场的共同作用下，漂移过PN结，产生光电流。此时，光电流与光照强度成正比，光敏二极管处于导通状态。具体方法是在光源侧使用发光二极管，在受光侧使用光敏二极管，并将信号处理电路集成制作在一块芯片上。它的特点是体积小，可靠性高，工作电源电压范围宽，接口电路的复杂程度大幅度减少，可直接与TTL，LSTTL和CMLS电路芯片连接。2. CD4069CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成，管脚图，如图3-8所示。此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。电
22、源电压范围：为3.0V15V ，有高抗干扰性，0.45V时，最大输出电流为230mA 图3-8 CD4069结构3.1.3 脉冲整形电路脉冲整形电路，如图3-9所示 图3-9 脉冲整形电路IC CD4069的D4、D5与R7、R8组成施密特触发器，将放大后的脉冲整形，使其变为边缘陡峭的方波信号，C4、R9组成微分电路，将施密特触发器输出的方波转化为触发脉冲，以便对后级可靠触发。3.1.4 开关控制电路开关控制电路，如图3-10示 图 3-10 开关控制电路开关控制电路555集成电路与R10、C5组成了脉冲启动型单稳态触发器，由C4、R9形成触发脉冲触发翻转。单稳态触发器在稳态时U3的3脚输出低
23、电平，继电器处于释放状态，当其受到触发后翻转，3脚输出高电平，继电器通电吸合，发光二极管被点亮。这时单稳态触发器进入暂稳态，其暂稳态时间由R10、C5决定（暂稳态时间TW=1.1R10*C5，约为15s）。暂稳态结束后，电路翻转恢复稳态，3脚输出低电平，继电器释放，发光二极管失电，熄灭。其中二极管VD1的作用是续流，当继电器失电时，由于其线圈电流不能突变，VD1为其提供电流回路，否则会损坏555。3.1.5电源电路电源电路，如图3-11所示图3-11 电源电路直流电源主要由降压、整流、滤波、指示、保护等电路组成。由于输出电压决定于集成稳压器，所以输出电压为9V，最大输出电流为1.5A，同时输入
24、电压Ua比输出电压Ub至少大2.53V。 第四章 总结与体会自动干手器是由发射电路、红外接收电路、放大电路、触发电路和继电控制吹风机电路等组成。它的工作原理是采用红外控制的电子开关，当有人把手伸过来时，红外线开关将电热吹风机自动打开，人离开时又自动将吹风机关闭。自动干手器主要的组成部分是555定时器电路。根据555强大的功能可以制造出许多电子产品，干手器只是其中之一。在大二的数字电子技术课程中我们已经学习了555定时器，但那个时候，只限于对它理论性的了解，并没有把它应用到实际中去，而通过这次课程设计，让我们对555定时器有了新的认识。同时，由于本次设计是基于红外原理，使得我们也加深了对红外传感
25、器的了解，更加认识到传感器原理与传感器技术这个课程的重要性。 虽然最终效果没有出来，有些元件买的也不是很合适（例如红外接收二极管和红外发射二极管），导致结果没有出来，但是通过本次课程设计，让我们深刻意识到所学课程的主要性，不仅仅再局限于对课本原理、公式的记忆，而是认识到了它们的实用性。并且，通过实际动手操作，反过来也加深了对课本知识的深层理解。让我们深刻体会到实践的重要性。也通过本次课程设计让我们明白以及认知了自我学术水平与实践水平相脱节的问题，让我们以后能够更加重视动手实践能力，为大四毕业以及步入社会打下夯实的基础。最后，本次课程设计是我们一个小组，让我们认识到了团结协作的重要性。大家一起找
26、原理图，找元件，在焊接过程大家一起相互合作，让我们充分体会到了团结就是力量。更重要的是提高了我们的团队合作意识，这对我们在以后的工作中是非常重要的。另外，通过这次课程设计，让我们更加深刻的理解了“三人行，必有我师焉”这句话，在制作过程中，我们相互学习，互相进步，取长补短，共同完成本次课程设计。 参考文献1 阎石 数字电子技术基础，北京： 高等教育出版社，2011年2 贾石峰 传感器原理与传感器技术，北京：机械工业出版社，2012年6月3 王兆安，刘进军 电力电力技术， 北京：机械工业出版社，2013年1月 附录1附录2分工答 谢本设计能够顺利完成，首先要特别感谢设计指导老师马燕老师。马老师严谨
27、细致、一丝不苟的作风一直是我们学习的榜样，她的教导给予了我们设计的思路和启迪。她的做事态度让我们在本次课程设计中遇到困难时都能够坚定的克服掉。让我们明白“天道酬勤”的人生态度。其次我们要感谢所有的任课老师，在学校里，老师们不仅教给我们专业知识，还教会了我们对待生活的态度和做人的道理，指引我们人生的道路。不管是在现在还是未来这都是一笔宝贵的财富，让我们受用不尽。再次，感谢我们的同学，在设计过程中，他们不但为我们提供了许多元器件，更重要的是给我们提供了宝贵意见。然后，感谢我们小组成员，是大家的团结协作，才完成了这次课程设计。最后，感谢我们的父母。是他们的辛勤付出，才有了我们今天的求学生活。父母所做的一切是我们一生都无法回报的。真诚感谢给予我们热情帮助和关注的所有人。感谢马燕老师在百忙之中对本论文进行评阅。
