1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 信號變換綜合設計信號變換綜合設計 課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目： 公廁自動沖水控制裝置設計 院（系）：院（系）： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： 起止時間：起止時間： 本科生課程設計（論文）iii課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語院（系）： 教研室： 注：成績：平時40% 論文質量40% 答辯20% 以百分制計算學 號 學生姓名 專業(yè)班級 設計題目公廁自動沖水控制裝置設計課程設計（論文）任務設計任務：設計任務：設計一個公廁自動沖水控制系統(tǒng)，可在人方便后離開時自動沖水。傳感器采用

2、紅外發(fā)射、接收傳感器（如 tln103 接收管和 tln 發(fā)射管） ；延時電路采用 555芯片制作，開關采用繼電器或雙向交流繼電器等，水閥門采用電磁閥。進行電路仿真，或進行電路板焊接。技術要求技術要求: :環(huán)境溫度：-30+40c；控制電路可使用電源供電，采用較小電流繼電器可以驅動發(fā)光二極管即可。傳感器（敏感元件）：自行選擇傳感器類型，自己設計放大電路說明書要求說明書要求: :1.格式規(guī)范，符合學校要求；2.說明書中應有方法比較與方案論證，光電測量原理（公式）及具體的實現(xiàn)方案、電路器件型號、參數(shù)等；硬件電路應用 protel 繪制，并且進行電路板焊接、調試；不能采用單片機設計。3.按規(guī)定格式，

3、撰寫、打印設計說明書一份，詳細闡述系統(tǒng)的設計過程，字數(shù)應在 4000 字以上。工作計劃1、布置任務，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的設計要求。 （2 天）2、選擇相應傳感器、設計硬件電路圖。 （2 天）3、計算器件參數(shù)、選擇元器件型號繪制硬件電路圖。 （3 天）4、仿真調試或硬件電路焊接、調試。 （2 天）5、撰寫、打印設計說明書、答辯。 （1 天）指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 指導教師簽字： 總成績： 年 月 日本科生課程設計（論文）iv摘 要隨著社會的發(fā)展，水資源緊缺的問題日益凸顯。保護水資源成為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，因此在生產生活中節(jié)約水資源是尤為重要的。本文采用紅外光電傳感器

4、、555 定時器組成的延時電路、繼電器以及電磁閥構成了一個公廁自動沖水控制裝置。當有人遮擋紅外光電傳感器時，紅外對管將產生一個低電平并保持，當人離開時，對管將由低電平變?yōu)楦唠娖?，經過與非門組成的單穩(wěn)態(tài)電路后，形成 555 定時器電路的觸發(fā)脈沖，定時器輸出高電平，并發(fā)出打開電磁閥指令，開始沖水約 10 秒鐘，定時器回到穩(wěn)態(tài)，即輸出低電平，電磁閥關閉。通過固態(tài)繼電器構成控制電磁閥的開關，能夠以弱控強。關鍵詞：自動沖水系統(tǒng)；節(jié)水；紅外光電傳感器；555 定時器本科生課程設計（論文）v目 錄第 1 章 緒 論 .1第 2 章 總體方案設計 .22.1 任務分析 .22.2 總體設計框 .22.3 結構

5、電路的選擇 .3第 3 章 電路設計 .43.1 電源電路設計 .43.2 光電傳感器檢測電路設計 .53.3 555 定時器觸發(fā)電路設計 .63.4 555 定時器延時設計 .73.5 控制電路設計 .83.6 總體電路 .9第 4 章 仿真與數(shù)據(jù)分析 .104.1 仿真概述 .104.2 仿真內容及結果 .10第 5 章 課程設計總結 .12參考文獻 .13附錄 .14附錄 .15本科生課程設計（論文）1第 1 章 緒 論隨著全球經濟社會的不斷發(fā)展，資源的過度開發(fā)利用，導致了許多資源的緊缺。尤其對于解決淡水資源極度緊缺的問題來講，更是值得引起人們關注的?，F(xiàn)階段的發(fā)展，對水資源緊缺的問題的解

6、決方案一共有兩種，一種是盡量節(jié)約水資源，另一種是海水淡化和污水處理后重新利用。其中海水淡化的成本非常高，因此現(xiàn)階段沒有大規(guī)模采用，而污水處理再利用也只能針對于生活用水，達不到飲用水的標準。因此現(xiàn)階段唯一解決淡水資源緊缺的手段就是節(jié)約用水。目前，節(jié)約環(huán)保已然成為世界的主題，而在我國建設節(jié)約型社會更是成為近期發(fā)展的重要目標之一。水，作為人類生命之源，一直以來倍受人們的關注，使得在生產生活的各個方面采取節(jié)水措施的重要性突出出來。針對國內外公共衛(wèi)生場所的清潔沖水系統(tǒng)進行調查和檢索后了解到，公共衛(wèi)生場所的清潔沖水裝置發(fā)展至今大體可分為三個階段：第一階段，手動沖水裝置，原始的手動沖水裝置可以做到最“智能”

7、的節(jié)水，但是也最大限度浪費了人力物力；第二階段，定時沖水裝置，此種沖水方式做到了相對的智能，用定時器取代了人工，使沖水裝置實現(xiàn)了自動化，但是這種沖水方式的不足也很明顯，即如若定時間隔短，人少的時候甚至夜間就會造成大量水不必要的浪費，而如若定時間隔長，人多的時候就起不到良好的清潔作用；第三階段，感應沖水裝置，現(xiàn)行的感應式沖水裝置用感應器完美的彌補了定時沖水器的不足，但是在改進的過程中，卻完全否定了定時器的價值，目前公共廁所感應式沖水裝置為“有人即沖”式，這樣的感應方式存在相當大的弊端，根據(jù)實際調查發(fā)現(xiàn)，采用現(xiàn)有的感應方式，僅在人流量較少的場所能起到較好的節(jié)水作用，而在人流量較大的公共場所，這種“

8、有人即沖”的方式即變成了全時段沖水，這樣做的確得到了最大限度的清潔，但是造成的水資源浪費比老式的定時沖水系統(tǒng)還要大的多。本項目課題希望通過設計和研究，采用簡單的智能控制和定時、延時技術來彌補目前感應式沖水系統(tǒng)的各種不足，研究一種簡單實用且經濟實惠的延時控制式感應沖水系統(tǒng)。本科生課程設計（論文）2第 2 章 總體方案設計2.1 任務分析本設計要求設計一個公廁自動沖水控制系統(tǒng)。通過光電傳感器檢測到有人遮擋并離開后，通過 555 定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進行延時沖水一段時間。555定時器發(fā)出的信號要求給繼電器開關電路，開關閉合后電磁閥打開，開始沖水。沖水結束后，該控制系統(tǒng)進行等待，等待下一次有人到來

9、并離開。該自動沖水系統(tǒng)要求應用于現(xiàn)實中，在-3040的環(huán)境溫度下可以正常工作，而且為了節(jié)約電能，要求采用較小的電流進行控制各個模塊，因此低功耗也成為本設計的一項任務。2.2 總體設計框 圖 2.1 系統(tǒng)總框圖本設計的總體框圖如圖 2.1 所示。電源電路為電路中所有器件提供電能。紅外傳感器模塊通過一個紅外線發(fā)射管以及一個紅外線接收裝置構成。一旦紅外傳感器產生高低電平變化，經單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā) 555 定時器后，系統(tǒng)向開關電路發(fā)出指令打開電磁閥，打開時間由 555 定時器的延時時間決定，本設計延時時間確定紅外傳感器與非門組成單穩(wěn)態(tài)電路作555 時基電路的觸發(fā)控制電路模塊系統(tǒng)電源電路電磁閥555 定時器

10、組成延時模塊本科生課程設計（論文）3為 10 秒左右，達到延時時間以后，關閉電磁閥，停止沖水，等待下一時刻沖水信號的到來。2.3 結構電路的選擇2.3.1 電源穩(wěn)壓芯片的選擇采用lm2940芯片作為5v穩(wěn)壓輸出，該芯片的壓差是0.5v。輸入電壓范圍在5.5-20v之間，而且市場價格在3.5元左右，使用時可靠、方便。本設計選用lm2940ld-5.0，該穩(wěn)壓管的工作溫度范圍為-40125，符合實際工作環(huán)境的要求。2.3.2 光電傳感器的選擇采用紅外光電傳感器以及光電三極管接收管組成的電路進行識別。采用光電管最大的好處就是價格低廉，即便損壞也比較好維護、維修。而且檢測手段簡單，外圍電路簡單，工作溫

11、度滿足任務要求。2.3.3 控制電路的選擇采用繼電器作為本系統(tǒng)的開關。使用繼電器的好處之一是器件可以直接使用，不需要搭建過多的外圍電路。而且最值得關注的是由于繼電器本身具有大功率三極管、功率場效應，可以完成以弱控強的功能，因此電磁閥就可以不用加復雜的驅動電路了。這樣大大減少了成本以及工作量。本科生課程設計（論文）4第 3 章 電路設計3.1 電源電路設計3.1.1 外接電源的確定由于本設計所有模塊均采用 5v 電壓供電，因此采用 220v，50hz 市電供電，經變壓器變壓、整流、濾波后輸出直流電壓，再經 lm2940 穩(wěn)壓輸出 5v 電壓。3.1.2 電源電路整體設計圖 3.1 電源電路整體電

12、路圖如圖 3.1 所示為電源電路整體電路圖。該電源電路包括降壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路四部分組成。1.降壓電路交流市電的降壓電路通過降壓變壓器或者電容來實現(xiàn)，本設計是采用電源變壓器進行交流降壓。降壓變壓器匝數(shù)選擇為原邊比副邊等于 25：1，即降壓后的電壓為 8.8v。2.整流電路整流電路的任務是將交流電變換成直流電。完成這一任務主要是靠二極管的單向導電作用。因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。在小功率（1kw 以下）整流電路中，常見的集中整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周

13、內都有電流供給負載，電源變壓器得到本科生課程設計（論文）5了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛的應用。3.濾波電路濾波電路用于濾去輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器 c，或在整流電路輸出端與負載間串聯(lián)電感器 l，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路（本設計中采用電容濾波電路，不考慮電感以及電容電感復合整流電路） 。在整流電路的內阻不太大（幾歐）和放電時間常數(shù)滿足，電容濾波crld電路的負載電壓與的關系約為（式中為降壓后的電壓值） 。lv2v2)2 . 11 . 1 (vvl2v4.穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路的作用是將輸入電壓穩(wěn)定為 5

14、v 輸出為整個系統(tǒng)供電。穩(wěn)壓電路通過 lm2940 三端穩(wěn)壓芯片及其外圍電路組成，將輸入的電壓轉換成 5v。3.2 光電傳感器檢測電路設計3.2.1 紅外技術的介紹紅外技術的內容包含四個主要部分：紅外輻射的性質， 其中有受熱物體所發(fā)射的輻射在光譜、強度和方向的分布；輻射在媒質中的傳播特性：反射、折射、衍射和散射；熱電效應和光電效應等。紅外元件、部件的研制，包括輻射源、微型制冷器、紅外窗口材料和濾光電等。把各種紅外元件、部件構成系統(tǒng)的光學、電子學和精密機械的組成部分。紅外技術在軍事上和國民經濟中有著廣泛的應用。本設計采用一個紅外發(fā)射管以及一個接收管作為光電傳感器，在無遮擋的情況下，接收管能夠接收

15、到來自發(fā)射管發(fā)射出的紅外信息，輸出高電平。一旦發(fā)射管被遮擋，接收管就接收不到信號，輸出低電平。3.2.2 紅外傳感器工作原理如圖 3.2 所示為紅外檢測電路圖，該電路通過一個發(fā)射管紅外二極管x1發(fā)射紅外信息，接收管x2接受發(fā)射信息。當無人站立時，x2能接到紅外信息，x2導通，輸出為1；當有人時紅外線被遮擋，x2接收不到紅外線，導致x2截止，輸出為0，此時系統(tǒng)由高電平變?yōu)榈碗娖?；當人離開后，x2再次接收到紅外信息，x2導通，輸出為1。本科生課程設計（論文）6圖3.2 紅外檢測電路圖3.2.3 紅外傳感器的選型紅外傳感器在實際中分為三類：漫反射型（檢測距離 70 米）、反饋反射型（檢測距離 5 米

16、）、對射型（檢測距離 10 米）。由于本設計針對于廁所，因此選擇對射型最為恰當，并且檢測距離 10 米符合設計要求。具體選擇的型號為對射型 npn，zye30-d102na/d3，直流 530v 供電，響應時間小于 2ms，指向角 310，可以檢測透明與不透明的物體，工作環(huán)境溫度-25+55，外殼材料為塑料、金屬。以上參數(shù)完全符合設計需求。3.3 555 定時器觸發(fā)電路設計圖 3.3 555 定時器觸發(fā)電路圖如圖 3.3 所示，555 定時器觸發(fā)電路實際為“與非”門 74ls00d 組成的單穩(wěn)態(tài)電路，其接收來至紅外檢測電路輸出的高低電平，做出相應變化。本科生課程設計（論文）7結合實際情況分析：

17、當無人的時，紅外檢測電路、觸發(fā)電路均輸出高電平；當有人遮擋時，紅外檢測電路輸出低電平、但觸發(fā)電路輸出仍為高電平；人離開時，紅外檢測電路輸出馬上恢復高電平，由于電容的充放電過程，觸發(fā)電路形成一個短暫的低平脈沖（低平脈沖遇到上升沿即發(fā)生） ，這樣 555 定時器就可以被觸發(fā)，開始沖水。3.4 555 定時器延時設計555 定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，若以 555 定時器的 v2端作為觸發(fā)信號的輸入端，并有三極管和 r 組成的反相器輸出電壓接至 v1端，同時在此端接入電容 c，就構成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖 3.4 畫出了在觸發(fā)信號作用下 vc和 vo相應的波形。圖3.4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工

18、作波形如圖 3.5 所示為由555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，延時時間計算如下： rctw1 . 1根據(jù)電路圖設計，電阻r4 選擇2m，電容c3 =4.7uf，計算后時間約為10秒。即系統(tǒng)持續(xù)沖水10秒。本設計采用的ne555芯片，電源電壓最大值16v，最小值為4.5v。因此采用5v電壓為555定時器供電。本科生課程設計（論文）8圖3.5 延時電路模塊3.5 控制電路設計圖 3.6 控制電路模塊繼電器是根據(jù)某種輸入信號來接通或斷開小電流控制電路，以實現(xiàn)遠距離控制和保護的自動控制電氣。其輸入量可以是電流、電壓等電量，也可以是溫度、時間、速度、壓力等非電量；而輸出量則是出頭的動作或者電路參數(shù)的變化。

19、本科生課程設計（論文）9由于 555 定時器的輸出并不能直接驅動繼電器，可以將定時器的輸出接三極管的基級或晶閘管的門級，這里采用連接三極管的方法，如圖 3.6 所示，當 555定時器輸出為高電平時，三極管導通，繼電器工作，開關導通，電磁閥發(fā)揮作用完成沖水。3.6 總體電路將各部分電路連接起來得到總體電路如 3.7 圖所示。圖 3.7 總體電路本科生課程設計（論文）10第 4 章 仿真與數(shù)據(jù)分析4.1 仿真概述本設計利用 multisim 軟件模擬仿真：由于本設計核心元件為光電傳感器和 555 定時器，而且為了簡化實際電路的設計，因此只對紅外光電傳感器以及 555 定時器進行完整設計，而 220

20、v50hz 交流輸入的電源電路簡化成用 7.2v 電源經 lm2940 穩(wěn)壓管輸出 5v 電壓為整個系統(tǒng)供電；電磁閥則簡化為一個電阻及其外圍電路，即通過測量電阻兩端的電壓來判斷水閥的開和關。系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是：當正常照射時，電磁閥電壓為零，代表水閥關閉，不進行沖水；當接收被遮擋后復位，電磁閥兩端有電壓并且持續(xù) 10 秒左右（根據(jù)上一章 555 定時器設計的延時時間確定） ，代表水閥打開，開始持續(xù)沖水 10 秒。10秒過后，電壓為零，代表沖水完畢。4.2 仿真內容及結果1. 對 555 定時器觸發(fā)電路（圖 3.3）進行模擬：將 50hz、占空比 80%、幅值 8v 的矩形波作為輸入接入 555 定

21、時器觸發(fā)電路得到輸入-輸出信號波形如圖 4.1 所示。圖 4.1 觸發(fā)電路仿真結果本科生課程設計（論文）11分析：觸發(fā)電路遇到上升沿輸出低平脈沖，符合設計要求。2. 將觸發(fā)電路與延時電路連接得圖4.2 ，利用開關鍵“a”控制電路接入的電平高低，模擬紅外檢測輸出信號。觀察雙蹤示波器得仿真結果如圖4.3 。圖 4.2 觸發(fā)及延時電路圖4.3 觸發(fā)并延時電路仿真分析仿真結果：無人時開關應j1是常閉的，檢測電路保持高電平，555定時器輸出低電平；有人停留時，開關j1斷開，檢測電路輸出低電平，555定時器依舊輸出低電平；只有當人離開，即開關閉合，檢測電路輸出呈現(xiàn)上升沿時，555定時器才會工作，輸出一段高

22、電平后恢復低電平，這一段時間完成沖水。結論：仿真結果與理論計算一致，設計方案可行。本科生課程設計（論文）12第 5 章 課程設計總結本設計采用直流穩(wěn)壓電源、與非門和電容組成的單穩(wěn)態(tài)電路、555 定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時電路、固態(tài)繼電器以及電磁閥構成以一個公廁自動沖水系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作方式為：當有人上完廁所離開時，可以自動沖水，這樣可以為保潔人員節(jié)省精力，并且有效節(jié)約了水資源。本設計理論上實現(xiàn)了人走后再次沖水，保證了衛(wèi)生。但是本系統(tǒng)的還有一些細節(jié)需要優(yōu)化。比如可以在人離開時并不馬上沖水，而是等上廁所的人達到一定數(shù)值再沖水，這樣更加節(jié)省了水資源。這時需要一些外部電路或者邏輯器件進行修正和優(yōu)化。此時可以通過計數(shù)模塊的電路設計實現(xiàn)（例如采用 74ls160 四位二進制計數(shù)器） 。通過記錄一定人數(shù)間隔后進行沖水。但是這種設計方案僅用于人員出入比較頻繁的場合，并不適用于人比較少的公