红外线干手器.

1、大连民族学院信息与通信工程学院课程设计报告书设计题目：红外线干手器专业班级：通信 114学生姓名：白航学号：2011136401指导教师：石立新起止日期：2013.6.17-6.291目录第一章设计任务和要求.2第二章方案论证 .42.1方案论证 .42.1.1红外线干手器的构成及自动控制 .42.1.2电路工作原理 .52.2工作方案设计 .5第三章原理设计83.1红外线发射电路83.2 红外接收电路103.3 时间延迟电路123.4 电源电路15第四章实际电路的调试.16第五章总结与体会172第一章设计任务和要求红外线干手器是一种广泛应用于宾馆、机场等公共场所洗手间的卫生洁具。本课程设计的

2、任务是设计一种以红外线自动控制的干手器。 当人们需要干手时，人们把手靠近干手机时， 自动干手机会自动打开加热装置和吹风装置， 一段时间后会自动停止， 并可以调节加热和吹风的时间。 其工作原理是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。 当人手伸进开关时， 红外线传感器将电热吹风机自动打开，人手离开开关时传感器又自动将吹风机关闭。设计要求当人手伸进传感器时， 吹风机能动作， 产生热风， 实现自动干手功能，使之具有灵敏度高、抗干扰能力强，使用寿命长，发出光均匀稳定、安装方便等特点。3第二章方案论证2.1 方案论证2.1.1红外线干手器的构成及自动控制干手器采用了反射式红外传感器。

3、 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（如图所示） 。4图 2-1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。我所设计的红外线干手器就运用了这个特点。光谱范围，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，开关作用，使吹风机打开。红外线干手器的控制过程是：当人或物体靠近吹风机时， 红外发射光电管发出的红外被人和物体反射到红外接收光电管。接收光

4、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，最后驱动电路控制开关动作打开吹风机。当人手或物体离开自动干手器时， 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， 从而关闭干手器。2.1.2电路工作原理自动干手器的工作原理是采用反射式红外传感器， 当有人手伸过来时， 红外线开关将吹风机自动打开， 人离开时又自动断电将吹风机关闭。 成品的自动干手机要求有红外线控制开关和电热吹风机制作为一体， 该红外线自动干手器电路由红外线发射器、 红外线接收放大器和开关控制器组成。 利用 555 定时器及多谐振荡器和单稳态触发器等元件即可组成红外线自动干手器电路。自动干手

5、器外围电路是由红外线发射电路， 红外线接收电路，时间延迟电路，吹风机开关电路和电源电路五部分构成的。2.2 工作方案设计自动干手器外围电路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二极管发射光脉冲，二极管 D1 起保护红外发光二极管的作用。红外线接收电路功能的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。在时间延迟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5通电

6、，电路闭合，吹风机吹出热风； 当无电流驱动时， 开关断开，电磁阀不通电，电路断开，吹风机不吹出热风。 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D3 作为显示电路，显示吹风机是否启动。电源电路的功能的为上述所有电路提供直流电源。红外线发射电路红外线接收电路电源时间延迟电路开关6红外线干手器电路的总体框图红外线干手器电路的原理方框图7第三章原理设计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 ，

7、 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. 多谐振荡器555 定时器和外接定时元件R、 C构成的单稳态触发器。触发电路由C1、R1、8D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R、 R 向 C 充电，以及 C 通过 R 向放电端 C 放电，使电路产生振荡。电容C在12211/3V C

8、Ct 和 2/3V cc 之间充电和放电。输出信号的时间参数如式（3-11 ）（3-12 ）（ 3-13 ）。Tt w1+t w2（3-11 ）t w1=0.7(R 1+R2)C（3-12 ）t w2=0.7R2C（3-13 ）555 电路要求 R1 与 R2 均应大于或等于 1K, 但 R1R2 应小于或等于 3.3M 欧。3. 红外线发射电路分析红外线发射电路，主要组成部分就是NE555构成的多谐振荡器和红外线发射管 SE303。SE303发射的红外线在可见光范畴之外， 故用 PH302感应接受红外线。而 NE555作为多谐振荡器发射固定频率的方波脉冲信号， 激发 SE303产生特定频率的

9、红外线。电流从 R2、R6进入，给 C6充电， V7、V2 电压升高，当 V2达到 8V 左右时，NE555复位，输出端（引脚 3）为低电平。之后 C6 通过 R2放电， V2 降低，当 V2 降到 4V 时，输出端输出高电平， SE303向外发射红外线。电源又通过 R2、R6给 C6 充电，当 V2 升到 8V 时，触发器再次翻转。如此 3 号脚输出特定频率的脉冲方波信号。频率为 f=1/T=1/0.7 （R2+2R6）C6 =1/0.7 （ 20k+2*62k）0.1 F99.56HZ；占空比： q=R2/(R2+2R6)= 20k / （ 20k+2*62k） 13.9%从 NE555输

10、出端的电流大概是 200mA,而 SE303正常工作只需 20mA。故连上R5来限流，保护红外线发光二极管。93.2红外接收电路1. 红外线接收电路原理该电路由三部分组成。第一部分，红外接受装置PH302，第二部分是反相放大电路，此处用的是六相反相器CD4069的三个非门组成放大电路，第三部分是有两个反相器构成的施密特电路，利用其回差特性，对数字信号进行滤波整流。当 PH302未接收到光信号时相当于，反向截止，电路从 R7 过， C3左端高电平，大概是 8v。当接受到光信号时， PH302处于导通状态，相当于短路， C3 左端相当于直接接地，为低电平。经过 C3、R8、U2:1 、U2:2 、

11、U2:3 U2:4、 U2:5 、R3、R9，反相放大后输出低电平为1V。在经过施密特电路整形滤波，整个发射电路输出低电平。（即人伸进手时输出低电平）这是施密特电路通过整形滤波到矩形脉冲，为 NE555延时电路中输入触发信号。2. CD4069 施密特触发器的电路实现（1）施密特电路施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路， 它是利用脉冲整形电路将非矩形脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。它具有滞后特性的数字传输门，且受电源限制，可对输入波形进行变换和整形。阈值电压UT1、UT2和回差电压UT是其主要参数。10施密特触发器的特点电路具有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压（UT+）和负向阈值电压

12、（ UT-），二者的差值称为回差电压（ UT）。输出电平的变化滞后于输入，形成回环。不同于其它的各类触发器， 施密特触发器属于 “电平触发”型电路， 触发信号 Vin 可以是变化缓慢的模拟信号, Vin 达某一电平值时，输出电压VOUT突变。输入信号增加和减小时，电路有不同的阈值电压。当矩形脉冲经过传输后因以下原因发生畸变，可通过施密特触发器的整形就能获得满意的矩形脉冲波形。图 3-7 波形图(a) 传输线上电容较大，波形的上升沿和下降沿变坏；(b) 阻抗不匹配，波形的上升沿和下降沿产生振荡；(c) 受到干扰，脉冲波形上叠加有噪声。在实际电路中信号传送过程中，信号会受到干扰而失去原有的波形，利

13、用施密特电路就可以得到想要的脉冲波形。2） 用两级 CMOS反相器构成的施密特触发器电路中两级反相器串联，分压电阻RW1、R4 将输出端的电压反馈到输入端对电路产生影响。11图 3-8 反相器 CD4069组成的施密特触发器 Vin=0 ， G1、G2门为正反馈， Vout=VoL=0。 Vin=1 ， G1、G2在正反馈的作用下，使电路状态迅速变化Vout=VoH=1。正向阈值电压 VT(1R W1 )VTHR 4（3-14）负向阈值电压 VT(1R W1 )VTHR 4（3-15）图 3-9施密特触发器的传输特性及输入输出波形3.3时间延迟电路12（ 1） 时间延迟电路电路中 C4、 R1

14、2组成微分电路，将施密特触发器输出的方波形成触发脉冲，实现对 NE555的可靠触发。后面是NE555芯片组成的单稳态触发器，R12 为上拉电阻， 2 号脚为输入端，当 2 号脚输入为低电平时（低于 9v*1/3=3v ），经过 555 输出端（引脚 3）为一个高电平，555 进入暂稳态。因为 tw(Max)=1.1*R11*C8=13.64s, 所以吹风时间 13.64s 。之后电源通过上拉电阻 R12 充电，使 2 号脚的电平升高超过 12*1/3=4v ，电源通过 R11充电使 6 号脚变成超过 8V，此时， NE555发生翻转，输出低电平。（2） 吹风机开关电路电动机直接接在 220V

15、交流电上，不能直接用数字电路中的微电来控制，所以要用继电器来控制。电磁继电器一般需要大电流， Ne555输出为高电平，继电器工作，开关 KT 闭合，电动机工作 D3 起到保护作用，当 Ne555输出低电平时，13继电器两端均为低电平，开关KT处于断开状态，电动机不工作。（3） NE555 单稳态触发器延时时间： T=1.1RC秒。图 3-11 NE555单稳触发器4） 微分电路它和放大电路中的RC 耦合电路很相微分电路是脉冲电路中最常用的波形变换电路，似，见图5。当电路时间常数 =RC<<t k 时，输入矩形脉冲，由于电容器充放电极快，输出可得到一对尖脉冲。 输入脉冲前沿则输出正向

16、尖脉冲，输入脉冲后沿则输出负向尖脉冲。这种尖脉冲常被用作触发脉冲或计数脉冲。图 3-12微分电路14在设计电路中红外线接收电路中的 C4和与延时电路中的 R12组成微分电路，其作用是将整形电路输出的方波信号微分为触发脉冲去触发单稳态触发器。3.4电源电路如图是电源电路，电路直接由LM2940-9 九伏芯片提供电源，电源电路的外围电路加了插口，可以直接进行转换为整个电路提供9v 的直流电压15第四章实际电路的调试买完元器件后，我们小组根据所设计的电路图在万能板上焊接了电路。板子焊好后没有出现预期的现象， 而且红外线接收模块的芯片容易发烫， 我们开始了漫漫的调试过程。由于整个电路分为四大模块，我们

17、采取了排除法。我们先连接了示波器， 希望借助波形找到问题。 首先是红外线发射电路， 示波器显示波形正常， 初步可以排查红外线发射电路， 紧接着我们用同样的方法检查了时间延迟电路， 该电路的波形同样正常， 如果用导线连接发射电路的电阻和时间延迟电路的 2 号脚，就会出现灯亮并产生延迟现象， 说明这两块电路都没有太大的问题。接着我们把焦点集中到了红外线接收电路。 通过检测波形后发现接收模块的波形紊乱，没有按照设计的方案出来波形， 由于没有找出具体原因， 我们决定向石老师求助。石老师看过我们的电路图分析了如下两点：一是 CD4069作为接收电路本身不太稳定，我们应该仔细排查芯片的逻辑功能确保不是芯片

18、本身的问题，二是由于我们在万能板上焊接，焊锡过多，容易造成不易察觉的短路，建议我们在实验箱上搭建电路，利于排查问题。听从了石老师的建议后， 我们小组在实验箱上搭建了红外线接收电路， 确保连线正确后，我们设计的电路终于出来了预期的现象， 即人手伸进反射式红外传感器中，指示灯亮并有延迟出现，延迟 13 秒后，指示灯熄灭。16第五章总结与体会我们小组设计的自动干手器主要是由红外线发射电路、红外接收电路、时间延迟电路、电源电路等组成。其工作原理是采用一种红外线控制的电子开关，当人手伸进时， 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。自动干手机主要的组成部分就是 555 定时器电路。在大二上的数字电子技术基础 之中我们已经学习了 555 定时器，大二下学期我们也学习了模拟电子技术基础，对电路有了进一步的了解，但是只是限于理论知识， 没有把它应用到实际之中， 这次通过对自动干手机的设计让我对555 定时器有了新的认识，同时我也对红外线有了一定的了解。对一些基础元件也有更深入的理解， 还改变了以前的一些错误的认识， 同时也增加了一些基础知识。这次的课程设计， 有理论和实践， 让我对直流稳压电源有了更深刻的认识，尤其是对电路的原理的理解， 各元器件功能， 特性的认