電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 1 綜 述 自動干手器 電路是由發(fā)射電路、紅外接收電路、譯碼電路、觸發(fā)和繼電控制風(fēng)機(jī)電路等組成。該產(chǎn)品可用于醫(yī)院、食堂、公廁等公共場合，當(dāng)有人洗手時(shí)，該電路會自動開啟并關(guān)斷，使用安全可靠、清潔衛(wèi)生。 自動干手器主要的組成部分就是 555 定時(shí)器電路。根據(jù) 555 強(qiáng)大的功能 可以 制造出多種產(chǎn)品，干手器只是其中的一種。 在數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)之中我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了 555 定時(shí)器，但是只是限于理論知識，沒有把它應(yīng)用到實(shí)際之中，通過這次 對自動干手器的 課程設(shè)計(jì)讓我對 555 定時(shí)器又有了更新的認(rèn)識，同時(shí)我也對紅外線有了新的了解 ，知道了 紅外 線 遙控 的大體內(nèi)容 和原理 。 在許多場所自動干手器已經(jīng)非常的常見，它的類型也有很多種，但是我們必須設(shè)計(jì)出最優(yōu)的 產(chǎn)品 種使它的原理清晰，結(jié)構(gòu)簡單，所用器件最少，性價(jià)比最高。 紅外線控制自動干手器 2 1 紅外 線 的簡介 紅外線遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。由于紅外線遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，因而，繼彩電、錄像機(jī)之后，在錄音機(jī)、音響設(shè)備、空凋機(jī)以及玩具等其它小型電器裝置上也紛紛采用紅外線遙控。工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線遙控不僅完全可靠而 且能有效地隔離電氣干擾。本章重點(diǎn) 在于對 紅外 線 的基本特征 和 其在應(yīng)用電路中 發(fā)射與接收 的基本 原理 進(jìn)行分析 和介紹 ， 掌握 其發(fā)射方式和接收系統(tǒng)的基本組成 ，了解各個(gè)組成部分的功能，為以后在分析其他電路打下良好的基礎(chǔ)。 1.1 紅外輻射及近紅外光波譜 1 紅外輻射又稱紅外線或者紅外光，它是一種人的眼睛根本看不見的光，屬于電磁波的一種。 紅外光是波長比紅色光的波長（ 0.76 m）還長的光波。通常，將電磁波波譜中間為0.76 1000 m 的波譜段成為紅外光譜區(qū)。一般把紅外光譜分為四個(gè)區(qū)域，即近紅外（ 0.76 3.0 m）、中 紅外（ 3.0 6.0 m）、中遠(yuǎn)紅外 （ 6.0 20 m） 、和遠(yuǎn)紅外 （ 201000 m）區(qū)。 實(shí)際上，目前在工業(yè)或居民用的紅外光探測 /遙控中所使用的紅外光主要集中在0.76 1.60 m 的近紅外區(qū)。 采用近紅外光作為紅外探測 /遙控的光源，主要基于如下理由： 1.1.1 一般的接收用的光電二極管，光敏三極管大都采用硅（ Si）半導(dǎo)體材料制作而成，這類管的接收峰值波長為 780 1550nm，即管子對波長為 780 1550nm 的紅外光的探測靈敏度最高。 1.1.2 紅外光發(fā)射器件，尤其是采用 GaAs、 AlGaAs 或 GaInAsP 等半導(dǎo)體材料制作的紅外發(fā)光二極管（ IRED），其發(fā)射波長在 880 1700nm 范圍內(nèi)，這與 Si光電接收器件（包括發(fā)光二極管、光敏三極管）的響應(yīng)波長相匹配，使得探測靈敏度高，工作效率高。 1.2 紅外光發(fā)射方式及紅外發(fā)收系統(tǒng)的基本組成 使用紅外發(fā)光二極管獲得近紅外光是相當(dāng)簡便的。紅外發(fā)光二極管是一種由 PN 結(jié)構(gòu)成的注入電流型發(fā)光器件，在加上合適的正向偏置電壓后，就可以發(fā)出一定波長的近紅外光。 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 3 除直流驅(qū)動外，發(fā)光二極管（ LED）還有交流電流驅(qū)動方式和脈動電流驅(qū)動方式等。交流電流驅(qū)動方式主要用于紅外測量、 檢測及較簡單的紅外通信等電路中。對紅外光通信來勢說，調(diào)制頻率、調(diào)制帶寬是重要的通信指標(biāo)。 在紅外探測 /遙控系統(tǒng)中，對紅外發(fā)光二極管一般不采用圖 1-1（ a）所示的恒定直流驅(qū)動方式，即平均發(fā)射方式，而采用脈動直流驅(qū)動方式，即脈沖式紅外光發(fā)射方式，如圖1-1（ b）所示。 圖 1-1 紅外光平均發(fā)射和脈沖式發(fā)射示意圖 平均發(fā)射方式是指通過啟動直流供電電源直接驅(qū)動發(fā)光二極管 發(fā)出恒定的紅外光。紅外發(fā)光二極管的功率一般都比較小，而平均發(fā)射方式的功耗較大，而且抗干擾能力較差。 為了提高紅外探測 /遙控系統(tǒng)的作用距離，而又不使 紅外發(fā)射管過載，一般不采用平均發(fā)射方式，而采用脈沖發(fā)射方式或調(diào)制載波脈沖發(fā)射方式。 紅外探測 /遙控系統(tǒng)的有效作用距離取決于發(fā)射二極管輻射的峰值功率，而峰值功率是由饋給發(fā)光二極管的電流峰值功率所決定的。峰值功率越大，驅(qū)動電流的平均值越小則發(fā)光效率就越高。 脈沖發(fā)射方式或調(diào)制載波脈沖發(fā)射方式可使紅外發(fā)射管的平均功率減小，提高系統(tǒng)的有效作用距離，且大大提高了紅外探測或遙控系統(tǒng)的抗干擾能力。 圖 1-2 是紅外光探測 /遙控系統(tǒng)的基本組合框圖。 紅外線控制自動干手器 4 圖 1-2 紅外光探測 /遙控系統(tǒng)的基本組成 在圖 1-2（ a）中所示的紅外光 反射電路中，編碼波形發(fā)生器產(chǎn)生一定占空比的脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動級放大后驅(qū)動紅外發(fā)光二極管，使其 發(fā)射出一系列等幅的紅外光脈沖信號。發(fā)射脈沖編碼信號可降低功耗，提高發(fā)射效率。 圖 1-2（ b）所示電路為紅外接收電路。光電探測器用來將接收到的紅外脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。接收光電管在沒收到紅外光信號時(shí)，光電管中流過的電流很小，即只有很小的“暗電流” ，負(fù)載上無電脈沖信號輸出；當(dāng)有紅外脈沖信號照射時(shí)，光電管的內(nèi)阻急劇減小，電流增大，并在負(fù)載電阻上得到相應(yīng)的電脈沖信號。由于檢測出的信號微弱，粗要經(jīng)過高增益電壓放大器放大 ，然后經(jīng)整流濾波電路后輸出正極性脈沖信號，加至觸發(fā)電路，使觸發(fā)器可靠翻轉(zhuǎn)，并輸出規(guī)范的控制信號，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)件動作。 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 5 2 555 電路 555 電路是一種將數(shù)字電路和模擬電路巧妙的結(jié)合在一起的集成電路。 555 大量應(yīng)用于電子控制、電子檢測、儀器儀表、家用電器、音響報(bào)警、電子玩具等諸多方面 ?？捎米髡袷幤?、脈沖發(fā)生器、延時(shí)發(fā)生器、定時(shí)器、方波發(fā)生器等等。本章將簡單的介紹一下 555的結(jié)構(gòu)和基本原理，掌握 555 電路的一些基本知識，了解 555 的一些參數(shù)特性和特點(diǎn) 2。 2.1 555 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 3 555 定時(shí)器中的“ 555”，不是普通的數(shù)字，它是有具體內(nèi)涵的，這是因?yàn)樵谠摷善系幕鶞?zhǔn)電壓電路是由三個(gè)誤差極小的 5K電阻組成的，分壓精度極高。 圖 2-1 是一般 555 定時(shí)器的基本結(jié)構(gòu)。 圖 2-1 555 等效功能電路圖 TH 是比較器 C1 的輸入端， TR 是比較器 C2 的輸入端。 C1 和 C2 的參考電壓 VR1 和VR2 由 VCC 經(jīng)三個(gè) 5K 電阻分壓給出。在控制電壓輸入端 VCO（ CO 端）懸空時(shí)，CCR VV 321 ，CCR VV 312 。如果 VCO 外接固定電壓，則COR VV 1，COR VV 212 。 RD是置零輸入端。只要在 RD端加上低電平，輸出端 OUT 便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時(shí) RD 處于高電平。 由圖 2-1可知，當(dāng) VTHVR1、 VTR VR2 時(shí)，比較器 C1 的輸出 VC1=0,比較器 C2 的輸出電壓 VC2=1， SR 鎖存器被置 0， TD 導(dǎo)通，同時(shí) OUT 為低電平。 紅外線控制自動干手器 6 當(dāng) VTHVR2 時(shí)， VC1=1， VC2=1，鎖存器的狀態(tài)保持不變，因而 TD和輸出的狀態(tài)也不改變。 當(dāng) VTHVR1、 VTRCCV32CCV31低 導(dǎo)通 1 CCV31不變 不變 1 CCV32CCV31高 截止 根據(jù)上面的功能表可以把 555 應(yīng)用于各種的器件中去 ，使得器件簡單、方便。 2.2 555 的應(yīng)用舉例 555 的功能非常強(qiáng)大可以和不同的元件組成多種電路。下面我們就簡單的了解一下我們在后面將要用到的電路，也為后面的工 作打好基礎(chǔ)。 2 2 1 用 555 定時(shí)器接成的多諧振蕩器 如圖 2-2所示，將 555 與兩個(gè)電阻和一個(gè)電容如圖連接起來就可以組成一個(gè)多諧振蕩器 。 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 7 圖 2-2 用 555 定時(shí)器接成的多諧振蕩器 經(jīng)過推證可知，電容上的電壓 VC 將在CCV32和CCV31之間往復(fù)振動 ，又經(jīng)計(jì)算可知 CCCCCCCCVVVVCRRT3231ln211 = 2ln21 CRR （ 2-1） CCCCVVCRT310320ln22 2ln2CR （ 2-2） 振蕩周期為 2ln2 2121 CRRTTT （ 2-3） 振蕩頻率為 2ln2 11 21 CRRTf （ 2-4） 2 2 2 用 555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 如圖 2-3所示，將 555 與一個(gè)電阻和 電容如圖連接起來就可以組成一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 紅外線控制自動干手器 8 圖 2-3 用 555 接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 根據(jù)驗(yàn)證看出單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以一系列穩(wěn)定的脈沖，假設(shè)脈沖寬度為 tw，再經(jīng)過證明可知電容在充電過程中從 0 上升到CCV32所需要的時(shí)間也為 tw，計(jì)算后可以得出 ： CCCCCCwVVVRCt320ln 3lnRC RC1.1 （ 2-5） 3 兩種紅外電路 3.1 自動微風(fēng)遠(yuǎn)紅外干手器裝置 4 該電路如圖 3-1 所示 .干手器采用遠(yuǎn)紅外加熱器 ,可將沾水后的濕手或物件烘干 .為加快干手速度 ,使用微型吹風(fēng)機(jī)吹出陣風(fēng) .為使加熱和吹風(fēng)進(jìn)行聯(lián)動控制 ,采用型負(fù)載傳感器LED,型號為 ZA4B. 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 9 圖 3-1 自動微風(fēng)遠(yuǎn)紅外干手器 電路圖 I 紅外線控制自動干手器 10 C1 和 R10、 RP1、 C4 組 成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其振蕩頻率 f0 可由公式 2ln)2( 1 1100 CRPRf （ 3-1） 所以 根據(jù)多給的數(shù)值， 求得 f0=1000Hz。 它驅(qū)動紅外發(fā)光二極管 VD5 發(fā)出載頻為 1000HZ的紅外光。紅外接受采用與 VD5 配套使用的接受管 VD6， IC3為紅外接受放大專用集成電路 CX20106，它的中心頻率 f取決于 C7、R14。當(dāng) f 與 發(fā)光的 1000Hz 載頻相同時(shí)， IC3 的腳呈低電平， VT2 截止， VS1 不導(dǎo) 通，氖燈 NH 不亮。光敏電阻 RL因無光照射而呈高阻， VT1 的基極為低電平（ 0.6V）， VT1 截止，其發(fā)射極為低電平，使 IC2（ 555）強(qiáng)制復(fù)位， VS2 截止，吹風(fēng)電機(jī) M 不轉(zhuǎn)。 當(dāng)人干手時(shí)，將手伸至 VD5 與 VD6 之間，光路被阻，則 IC3 的腳轉(zhuǎn)呈高電平， VT2飽和導(dǎo)通， VS1 觸發(fā)導(dǎo)通，遠(yuǎn)紅外加熱器 RL 通電輻射熱。同時(shí)，氖燈 NH發(fā)光， RL 受光照射后呈低阻， VT1 的基極電位變高， VT1 導(dǎo)通， IC2 的強(qiáng)制復(fù)位 三 狀態(tài)解除，則由 IC2、 R20及 C2 等組成的 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它的脈沖寬度 tw為： 2201.1 CRtw （ 3-2） 根據(jù)所給的數(shù)值可以計(jì)算得出 tw=15s。因此這個(gè)電路可以持續(xù)工作 15s 向外輸出高電平，在這期間 IC2 的輸出 電流 經(jīng)限流電阻 R9 控制 VS2 的導(dǎo)通和截止，從而使吹風(fēng)電機(jī) M周期性地運(yùn)轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，吹出陣陣微風(fēng)，加快干手速度。 電路工作 15s 后將停止工作，如果此時(shí)手還沒有干重新將手伸至 VD5 和 VD6 之間，電路再次啟動開始工作。 該電路中的元器件多為通用件。 NH 選用 NHO-4 型氖管； RL 采用 MG 型光敏電阻器，如 MG44-03、 MG45-13 型等，其亮阻 RL 5k，暗阻 RD 1M，響應(yīng)時(shí)間 tTS 20ms；VD5、VD6采用配對的紅外發(fā)光二極管和紅外光電二極管，如 TLN104/TLP104或 TLN107/TLP107型等，紅外發(fā)光二極管的發(fā)射光波長和紅外光電二極管的中心響應(yīng)波長均為 940nm。TLN104 的光功率大于或等于 2.5mW， TLN107 的光功率大于或等于 1.5mW； TLP104 的光電流大于或等于 150mA， TLP104 的光電流大于或等于 100mA，響應(yīng)時(shí)間均小于或等于 5 s。 3.2 反射式紅外光控快速干手裝置電路 5 紅外 反射式光控干手電路共分為兩個(gè)部分：紅外發(fā)射部分和紅外接收部分。 各個(gè)部分的電路圖如圖 3-2 所示。 紅外發(fā)射電路如圖（ a）所示，它以 555 為核心而組成 555、 R1、 R2、 C1 等組成一個(gè)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 11 無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其振蕩頻率為 2ln1)221( 10 CRRf （ 3-3） 經(jīng)過計(jì)算可知圖示參數(shù)的振蕩頻率大約為 1000Hz。 555 振蕩方波經(jīng) VT1 放大后驅(qū)動紅外發(fā)光二極管 VD1 和 VD2 發(fā)出 1000Hz的紅外調(diào)制光。 圖 3-2 反 射式紅外光控快速干手裝置電路 紅外線控制自動干手器 12 紅外接收譯碼電路采用日本光電子工業(yè)研究所出品的紅外接收專用模塊 HC-377，它是將紅外接收 傳感器與接收、譯碼電路組合成一體的模塊結(jié)構(gòu)。它內(nèi)含紅外光敏管、高倍數(shù)放大器、自動電平亮度控制（ ABCL）電路、限幅電路、濾波（ BPF）電路、解調(diào)電路和整形電路等，如圖 3-2（ b）所示 。 HC-377 的主要技術(shù)參數(shù)為：紅外探測波長 0=940nm，水平有效視角 =900，調(diào)制解調(diào)頻率 f0=1000Hz,工作電壓 VDD=5V，輸出端（ OUT）高電平不低于 4.2V，低 電平小于或等于 0.5V。在 HC-377 的紅外探測窗口內(nèi)，設(shè)有帶濾色片的聚光透鏡，既可濾除雜波，也可以增大探測距離 6。 圖（ c）為紅外接收電路，它由 HC-377、 IC3 和 IC4 組成。 平時(shí)沒有人洗手的時(shí)候 HC-377 的 1 引腳為高電平；有人洗手時(shí)， HC-377 內(nèi)的紅外光敏管收到紅外線反射信號時(shí)，經(jīng)模塊內(nèi)的透鏡聚焦，對紅外信號進(jìn)行放大、限幅和濾波后，再經(jīng)過解調(diào)、整形后，輸出轉(zhuǎn)呈低電平，這為 IC3 提供了 低電位置位信號。 IC3 采用電路 555，它與 R6、 C3 組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)定時(shí)器 。它的結(jié)構(gòu)原理可以參見前面的 2.2 節(jié)。 當(dāng)有低電平信號觸發(fā)時(shí)，其輸出端被置位，定時(shí)開始，其 單穩(wěn)態(tài)暫穩(wěn)時(shí)間為： 7101.1 CRtw （ 3-4） 圖示參數(shù)是按暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間為 15s 設(shè)計(jì)的。 在 IC3 輸出高電平的 15s 內(nèi)，三極管 VT2 飽和導(dǎo)通，繼電器 K 得電吸合，其常開觸點(diǎn)J1 閉合，電動機(jī) M 得電運(yùn)轉(zhuǎn)，吹熱風(fēng)。 此電路可以連續(xù)工作 15s，如果此時(shí)手還沒有完全干，可以將手重新伸到干手器下面，電路將再次工作 15s，以此循 環(huán)下去。 以上兩種電路都是紅外控制自動干手器，但是它們有各自的特點(diǎn)，但是總的來說第一種方案不如第二種方案。原因如下： 1） 一方案 所用的器件太多 ，浪費(fèi)資源；二方案器件相對較少。 2） 一方案 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ；二方案結(jié)構(gòu)簡單，清晰明了。 3） 一方案 原理很難看懂，需要經(jīng)過大量的分析才能 清 ；二方案原理清晰，通俗易懂。 4） 一方案是一個(gè)龐大的整體；二方案分為各個(gè)部分分析，簡單清楚。 綜上所述，二方案相對一方案來說 要更加優(yōu)良一些，因此應(yīng)該選擇二方案，即反射式紅外快速干手裝置。 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 13 課程設(shè)計(jì)體會 本設(shè)計(jì) 主要研究了自動紅外干手 器 的原理和結(jié)構(gòu)。 通過對 這次對干手器的設(shè)計(jì)研究 ,我感覺自己的收獲非常大，在這次設(shè)計(jì)中我不但學(xué)會了自己如何查閱資料學(xué)習(xí)知識的能力， 而且還從中學(xué)會 和提高 了很多在課堂上所學(xué)不到的知識和能力。 這是我 繼上周做完電機(jī)與拖動課程設(shè)計(jì)再一次 做 如此 規(guī)范的、 完整 的 課程 設(shè)計(jì) 。這是一次 非常 難得的 學(xué)習(xí) 機(jī)會， 從設(shè)計(jì)中我深刻的體會到光在課堂上學(xué)的東西是不夠的，我們應(yīng)該學(xué)會自