电子设计仿真与虚拟实验课程设计

1、成都理工大学 电子设计仿真与虚拟实验课程设计题目名称：红外自动洗手器的设计学院名称：信息技术与科技学院 所属专业： 信息工程 学生姓名： * 学 号： *班 级： 信息工程2班是否选课： 已选课（但名单上没名字）邮箱：*日期：2014-4-20 一、设计的题目及其要求（1）设计题目 红外自动洗手器的设计（2）课程设计的目标、基本要求及其功能： 1、设计一个用于控制水龙头自动出水的装置；2、当有人洗手时，装置能自动出水，若手稍微偏离水龙头时（偏离时间2S以内），水龙头也能自动出水；3、工作电源为交流220V；4、灵敏度可调；二、设计方案根据设计要求，其可分为四部分：第一部分：电源，电

2、源有变压器，桥式整流器，稳压器，滤波电容组成；第二部分：红外发射与接收电路；第三部分：由LM567组成的锁相环音频译码器；第四部分：单稳态延时NE555。系统总框图：三、各功能模块设计1、电源辅助材料的设计1）工作原理图2）功能描述及工作原理220V交流电路经变压器T降压，变为10V交流电，再由D1-D4桥式整流，电解电容C1滤波，三端稳压集成电路7805稳压，得到5V直流电供给控制电路工作，LED1为电源指示灯。其波形图如下：3）集成电路的封装二极管的封装 ： DIODE0.3A电解电容的封装 ：RB.2/.4电容的封装 ：CAP0.2A电阻的封装：AXIAL0.37805的封装：78XXL

3、ED的封装：LED2、红外发射与接收电路的设计1）工作原理图2）功能描述（1）、LM358内部结构及特性LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。特性(Features): 内部频率补偿 直流电压增益高(约100dB) 单位增益频带宽(约1MHz) 电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5一15V) 低功耗电流，适合于

4、电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽，包括接地 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V) （2）、LM358的内部结构及引角功能如图所示3）工作原理红外线发射电路，由三极管VT1、红外线发射管LDE2及电位器RW1及R2组成， 锁相电路LM567的振荡信号经电阻R2耦合到三极管VT1放大，推动红外线控射管发出方波信号。红外线接收电路 由集成电路LM358、红外线接受管LED以及其外围元件组成，红外线接收管把接收到的红外线信号转变为本身阻值的变化。引起在电阻10K上分压的变化经电阻10K和电容0.01uf耦合到放大器进行放大， 为

5、降低电源交流波纹的影响，接收电路中加入一级R、C滤波电路。4）集成电路的封装LM358芯片的封装：DIP8电容的封装 ：CAP0.2ALED的封装：LED电阻的封装：AXIAL0.3NPN三极管的封装：9013B电解电容的封装 ：RB.1/.2电位器的封装：VR3、由LM567组成的锁相环音频译码器的设计1）工作原理图2）功能描述（1）、LM567的结构1脚输出滤波,2脚环路滤波(脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。脚所接电容的容量应至少是脚电容的2倍。 )脚是输入端，要求输入信号25mV;4脚接Vcc, 7脚接地;、脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2

6、，f21/1.1RC; 脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。LM567的工作电压为4.759V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。 （2）、LM567的原理与应用、逻辑输出具有高达100mA的吸收电流；、锁定带宽范围从0%、到14%中心频率；、噪声抑制能力强；、抗假信号干扰能力强；、中心频率稳定度高；、中心频率从0.01Hz到500KHz可调。（3）、LM567的内部结构及引脚3）工作原理 （1）、电路工作时，输入信号与压控振荡器VCO的振荡信号在鉴相器（双平衡模拟乘法器）中鉴相，相差信号经环路低通滤波后，形成与相差成一定比例的电压信号

7、，用于控制VCO输入频率跟踪输入信号的相位变化，若输入信号频率落在锁相环路的捕捉范围内，则环路锁定，VCO的频率与输入信号的频率一致。（2）、鉴相器（双平衡模拟乘法器）与鉴相器工作方式略有不同，它是利用压控振荡器的输出信号经90度移相后与输入信号鉴相，因而鉴相器的输出电压达到输出范围的最大值，经运放后反相输出，其输出是集电极开路方式，采用该方式方便输出信号与TTL或CMOS电路匹配，且可直接驱动继电器等小功率负载。 （3）、中心频率为f=1/1.1RC；捕捉的带宽为BW=1070sqrt(Vin/fC2 ) 其中25mVVin200mV，Vin为有效值，）（4）、LM567的工作频率范围为0.

8、01HZ500kHZ，而且工作频率十分稳定。最大锁范围为14%f0，电源电压为4.75V9V，输入电阻为20千欧，典型工作电流为7mA，主要用于单音解码（5）、LM567，其与R3、C6组成振荡7，R3、C6决定其内部压控振荡的中心频率LM567的3脚为信号出入端，8脚为逻辑输出端，该输出是一个集成开路的晶体管输出，最大灌电流为100mA。5脚输出的振荡信号经三极管功率放大后，推动红外发射向外发射红外线。4）集成电路的封装LM567芯片的封装：DIP8电阻的封装：AXIAL0.3电解电容的封装 ：RB.1/.2电位器的封装：VR电容的封装 ：CAP0.2A4、延时电路NE555的设计1）工作原

9、理图 2）功能描述及工作原理 （1）、NE555定时器，它与外围元件组成单稳态定时电路，其目的是在人手偶尔偏离了红外线的探测范围时，能保证洗手器的正常出水。当没有人洗手时，红外线接收电路接收不到LED2向外发射的红外线，LM567的3脚无信号输入，8脚为高电平，NE555的3脚为低电平，三极管VT2 截止，继电器K断电处于释放状态，电磁阀Y不动作，洗手器无自来水放出。当人手放到洗手器下时红外接收到人手反射的红外线并经LM358电路放大后，输人到LM567的3脚，由LM567内部处理后使LM567的8脚输出低电平，从而使NE555的低触发端2脚变为低电位 导致NE555的3脚输出高电平， 三极管

10、VT2导通，继电器K吸合，使其常开触点闭合，接通电磁阀Y的22Ov交流电源，Y开始动作，使洗手器放出自来水，供人们洗涤之用，同时发光二极管LED3发出绿光，指示洗手器正工作于放水状态。洗涤完毕，人手离开洗手器后，A3延时2秒钟后复位，使洗手器停止放水。（2）、NE555引脚图功能的介绍1地 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值） 7放电 8电源电压Vc（此芯片的内部中心电路是2个晶体三极管加正反馈组成的RS触发器。NE555输入控制端有直接复位Reset端，通过比较器A1，复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。输出端为F，还有集电极开路的放电管DIS。它们控制的优先权是

11、R、T、TH）3）集成电路的封装NE555芯片的封装：DIP8，电阻的封装：AXIAL0.3，电容的封装 ：CAP0.2A，LED的封装：LED，二极管的封装 ： DIODE0.3A。5、系统原理图四、硬件调试要点1）、初判断要点1、仔细检查PCB板是否出错，元器件是否焊错，器件参数是否弄错；2、不接芯片，测试电源是否正常；3、电源正常后，插上芯片，用示波器测LM567的5或6脚对地波形，调整RW2(选用电位器，阻值和C6的容量自行考虑）阻值使其频率为10kHz以下,以便提高接收灵敏度,若频率过高,可能因运放带宽不足而无法对红外信号进行有效的放大；4 、注意红外接收管的方向不能弄错； 5、测试

12、LM567能否收到反射信号，并调节灵敏度；6、调试555芯片构成的单稳态电路R3=2M ，C7=0.1uf。（Tw=1.1RC)。2）、检查红外发射接收、发射管在红外线收、发管的前方，用手由远到近靠近洗手器，当手离洗手器lOl5厘米时，洗手器的状态应发生转变。（1)、手需要靠的很近，洗手器的状态才能变化。这说明洗手器的灵敏度低，可通过减小电阻R1的阻值，增大发射功率来解决 对于灵敏度高的情况，可增大电阻R1的阻值解决。(2)、手靠近洗手器很近，洗手器的状态也不发生变化，说明洗手器不能工作(红外线接收管不能有过强的光线直射 强光直射会使其饱和)用万用表的直流电压挡测红外接收管LED的两端电压(最

13、好用数字万用表，其输入阻抗大)，在手靠近时电压要变低，否则，红外线收、发管有问题。调试结果:所以，从LM567的5脚输出的信号的频率为f=1/0.00015=6.7kHz.满足小于10kHz的要求。五、结果分析结果1：当通电后，电源指示灯亮（红色发光二极管发光）而且继电器线圈吸合，继电器工作指示灯（即绿色发光二极管发光）亮，过了大约1秒，继电器线圈松开，指示灯灭了。分析：因为在通电瞬间，LM567内部输出一个低电平，输入到NE555，使得NE555的3脚输出一个高电平，从而是三极管工作在饱和导通状态，所以继电器线圈会吸合。而且，NE555为定时电路，延时约1秒，故1秒后，继电器线圈又释放。结果

14、2：当人手靠近红外发射和红外接收时，继电器线圈吸合，继电器工作指示灯（即绿色发光二极管发光）亮，当人手离开后，过了大约1秒，继电器线圈松开，指示灯灭了。分析：当人手伸至红外线控制范围内时，由于人手的反射，使红外接收管收到红外发射管发出的红外线信号，该信号通过LM567的3脚输入，经LM567的选频，从8脚输出低电平输入到NE555，使得NE555的3脚输出一个高电平，从而是三极管工作在饱和导通状态，所以继电器线圈会吸合。而且，NE555为定时电路，延时约两秒，故两秒后，继电器线圈又释放，指示灯灭。六、改进思路1、决定NE555延时的电阻R3可以用电位器代替，这样延时时间可以根据自己的需要，通过调节该电位器来决定。2、PCB电路图可以更整齐，更小巧，用8*10的铜板做就会更美观。七、设计工作总结（1）、在整个设计过程中，更加了解并熟悉了LM358，LM567等芯片的功能及管角的功能，学会了如何做印刷板，还重温了下protel 99SE，更熟练画设计原理图和PCB板。（2）、制板的过程，注意万用表的正确使用，来判断发射管的极性等。（3）、在调试过程中，注意电源线的正确接法，以避免电源线和地线的接触发生短路，造成元件烧坏，还应注意调节电位器时应将触电调至中点，再慢慢调对应的大小，以免应阻值过小，电流过大照成芯片烧坏。