遼寧工業(yè)大學(xué)信號變換綜合設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）題目：公廁自動(dòng)沖水控制裝置設(shè)計(jì)院（系）：專業(yè)班級：學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：起止時(shí)間：課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語院（系）：教研室：學(xué)號學(xué)生姓名專業(yè)班級設(shè)計(jì)題目公廁自動(dòng)沖水控制裝置設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)公廁自動(dòng)沖水控制系統(tǒng)，可在人方便后離開時(shí)自動(dòng)沖水。傳感器采用紅外發(fā)射、接收傳感器（如TLN103接收管和TLN發(fā)射管）；延時(shí)電路采用555芯片制作，開關(guān)采用繼電器或雙向交流繼電器等，水閥門采用電磁閥。進(jìn)行電路仿真，或進(jìn)行電路板焊接。技術(shù)要求:環(huán)境溫度：-30～+40°C；控制電路可使用電源供電，采用較小電流繼電器可以驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)放大電路說明書要求:1.格式規(guī)范，符合學(xué)校要求；2.說明書中應(yīng)有方法比較與方案論證，光電測量原理（公式）及具體的實(shí)現(xiàn)方案、電路器件型號、參數(shù)等；硬件電路應(yīng)用protel繪制，并且進(jìn)行電路板焊接、調(diào)試；不能采用單片機(jī)設(shè)計(jì)。3.按規(guī)定格式，撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書一份，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，字?jǐn)?shù)應(yīng)在4000字以上。工作計(jì)劃1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。（2天）2、選擇相應(yīng)傳感器、設(shè)計(jì)硬件電路圖。（2天）3、計(jì)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(diào)試或硬件電路焊接、調(diào)試。（2天）5、撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書、答辯。（1天）指導(dǎo)教師評語及成績平時(shí)：論文質(zhì)量：答辯：指導(dǎo)教師簽字：總成績：年月日注：成績：平時(shí)40%論文質(zhì)量40%答辯20%以百分制計(jì)算

摘要隨著社會的發(fā)展，水資源緊缺的問題日益凸顯。保護(hù)水資源成為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，因此在生產(chǎn)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、555定時(shí)器組成的延時(shí)電路、繼電器以及電磁閥構(gòu)成了一個(gè)公廁自動(dòng)沖水控制裝置。當(dāng)有人遮擋紅外光電傳感器時(shí)，紅外對管將產(chǎn)生一個(gè)低電平并保持，當(dāng)人離開時(shí)，對管將由低電平變?yōu)楦唠娖?，?jīng)過與非門組成的單穩(wěn)態(tài)電路后，形成555定時(shí)器電路的觸發(fā)脈沖，定時(shí)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(shí)器回到穩(wěn)態(tài)，即輸出低電平，電磁閥關(guān)閉。通過固態(tài)繼電器構(gòu)成控制電磁閥的開關(guān)，能夠以弱控強(qiáng)。關(guān)鍵詞：自動(dòng)沖水系統(tǒng)；節(jié)水；紅外光電傳感器；555定時(shí)器

目錄第1章緒論 1第2章總體方案設(shè)計(jì) 2任務(wù)分析 22.2總體設(shè)計(jì)框 2結(jié)構(gòu)電路的選擇 3第3章電路設(shè)計(jì) 4電源電路設(shè)計(jì) 4光電傳感器檢測電路設(shè)計(jì) 53.3555定時(shí)器觸發(fā)電路設(shè)計(jì) 63.4555定時(shí)器延時(shí)設(shè)計(jì) 73.5控制電路設(shè)計(jì) 8總體電路 9第4章仿真與數(shù)據(jù)分析 10仿真概述 10仿真內(nèi)容及結(jié)果 10第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié) 12參考文獻(xiàn) 13附錄Ⅰ 14附錄Ⅱ 15緒論隨著全球經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，資源的過度開發(fā)利用，導(dǎo)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(guān)注的?，F(xiàn)階段的發(fā)展，對水資源緊缺的問題的解決方案一共有兩種，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(dá)不到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)節(jié)約型社會更是成為近期發(fā)展的重要目標(biāo)之一。水，作為人類生命之源，一直以來倍受人們的關(guān)注，使得在生產(chǎn)生活的各個(gè)方面采取節(jié)水措施的重要性突出出來。針對國內(nèi)外公共衛(wèi)生場所的清潔沖水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)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(gè)階段：第一階段，手動(dòng)沖水裝置，原始的手動(dòng)沖水裝置可以做到最“智能”的節(jié)水，但是也最大限度浪費(fèi)了人力物力；第二階段，定時(shí)沖水裝置，此種沖水方式做到了相對的智能，用定時(shí)器取代了人工，使沖水裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但是這種沖水方式的不足也很明顯，即如若定時(shí)間隔短，人少的時(shí)候甚至夜間就會造成大量水不必要的浪費(fèi)，而如若定時(shí)間隔長，人多的時(shí)候就起不到良好的清潔作用；第三階段，感應(yīng)沖水裝置，現(xiàn)行的感應(yīng)式?jīng)_水裝置用感應(yīng)器完美的彌補(bǔ)了定時(shí)沖水器的不足，但是在改進(jìn)的過程中，卻完全否定了定時(shí)器的價(jià)值，目前公共廁所感應(yīng)式?jīng)_水裝置為“有人即沖”式，這樣的感應(yīng)方式存在相當(dāng)大的弊端，根據(jù)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采用現(xiàn)有的感應(yīng)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“有人即沖”的方式即變成了全時(shí)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(fèi)比老式的定時(shí)沖水系統(tǒng)還要大的多。本項(xiàng)目課題希望通過設(shè)計(jì)和研究，采用簡單的智能控制和定時(shí)、延時(shí)技術(shù)來彌補(bǔ)目前感應(yīng)式?jīng)_水系統(tǒng)的各種不足，研究一種簡單實(shí)用且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的延時(shí)控制式感應(yīng)沖水系統(tǒng)。

總體方案設(shè)計(jì)任務(wù)分析本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)公廁自動(dòng)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(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行延時(shí)沖水一段時(shí)間。555定時(shí)器發(fā)出的信號要求給繼電器開關(guān)電路，開關(guān)閉合后電磁閥打開，開始沖水。沖水結(jié)束后，該控制系統(tǒng)進(jìn)行等待，等待下一次有人到來并離開。該自動(dòng)沖水系統(tǒng)要求應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)中，在-30℃~40℃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(jìn)行控制各個(gè)模塊，因此低功耗也成為本設(shè)計(jì)的一項(xiàng)任務(wù)。系統(tǒng)電源電路總體設(shè)計(jì)框系統(tǒng)電源電路紅外傳感器紅外傳感器與非門組成單穩(wěn)態(tài)電路作555時(shí)基電路的觸發(fā)555定時(shí)器組成延時(shí)模塊控制電路模塊電磁閥圖2.1系統(tǒng)總框圖本設(shè)計(jì)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(gè)紅外線發(fā)射管以及一個(gè)紅外線接收裝置構(gòu)成。一旦紅外傳感器產(chǎn)生高低電平變化，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā)555定時(shí)器后，系統(tǒng)向開關(guān)電路發(fā)出指令打開電磁閥，打開時(shí)間由555定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間決定，本設(shè)計(jì)延時(shí)時(shí)間確定為10秒左右，達(dá)到延時(shí)時(shí)間以后，關(guān)閉電磁閥，停止沖水，等待下一時(shí)刻沖水信號的到來。結(jié)構(gòu)電路的選擇電源穩(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(jià)格在3.5元左右，使用時(shí)可靠、方便。本設(shè)計(jì)選用LM2940LD-5.0，該穩(wěn)壓管的工作溫度范圍為-40℃—125℃，符合實(shí)際工作環(huán)境的要求。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(jìn)行識別。采用光電管最大的好處就是價(jià)格低廉，即便損壞也比較好維護(hù)、維修。而且檢測手段簡單，外圍電路簡單，工作溫度滿足任務(wù)要求?？刂齐娐返倪x擇采用繼電器作為本系統(tǒng)的開關(guān)。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(guān)注的是由于繼電器本身具有大功率三極管、功率場效應(yīng)，可以完成以弱控強(qiáng)的功能，因此電磁閥就可以不用加復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路了。這樣大大減少了成本以及工作量。電路設(shè)計(jì)電源電路設(shè)計(jì)外接電源的確定由于本設(shè)計(jì)所有模塊均采用5V電壓供電，因此采用220V，50Hz市電供電，經(jīng)變壓器變壓、整流、濾波后輸出直流電壓，再經(jīng)LM2940穩(wěn)壓輸出5V電壓。電源電路整體設(shè)計(jì)圖3.1電源電路整體電路圖如圖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。交流市電的降壓電路通過降壓變壓器或者電容來實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)是采用電源變壓器進(jìn)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。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔谩Ｒ虼硕O管是構(gòu)成整流電路的關(guān)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(diǎn)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(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了頗為廣泛的應(yīng)用。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(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路（本設(shè)計(jì)中采用電容濾波電路，不考慮電感以及電容電感復(fù)合整流電路）。在整流電路的內(nèi)阻不太大（幾歐）和放電時(shí)間常數(shù)滿足，電容濾波電路的負(fù)載電壓與的關(guān)系約為（式中為降壓后的電壓值）。穩(wěn)壓電路的作用是將輸入電壓穩(wěn)定為5V輸出為整個(gè)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(zhuǎn)換成5V。光電傳感器檢測電路設(shè)計(jì)紅外技術(shù)的介紹紅外技術(shù)的內(nèi)容包含四個(gè)主要部分：紅外輻射的性質(zhì)，其中有受熱物體所發(fā)射的輻射在光譜、強(qiáng)度和方向的分布；輻射在媒質(zhì)中的傳播特性：反射、折射、衍射和散射；熱電效應(yīng)和光電效應(yīng)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(gòu)成系統(tǒng)的光學(xué)、電子學(xué)和精密機(jī)械的組成部分。紅外技術(shù)在軍事上和國民經(jīng)濟(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用一個(gè)紅外發(fā)射管以及一個(gè)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。紅外傳感器工作原理如圖所示為紅外檢測電路圖，該電路通過一個(gè)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(dāng)無人站立時(shí)，X2能接到紅外信息，X2導(dǎo)通，輸出為‘1’；當(dāng)有人時(shí)紅外線被遮擋，X2接收不到紅外線，導(dǎo)致X2截止，輸出為‘0’，此時(shí)系統(tǒng)由高電平變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)人離開后，X2再次接收到紅外信息，X2導(dǎo)通，輸出為‘1’。圖3.2紅外檢測電路圖紅外傳感器的選型紅外傳感器在實(shí)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）、對射型（檢測距離10米）。由于本設(shè)計(jì)針對于廁所，因此選擇對射型最為恰當(dāng)，并且檢測距離10米符合設(shè)計(jì)要求。具體選擇的型號為對射型NPN，ZYE30-D102NA/D3，直流5~30V供電，響應(yīng)時(shí)間小于2ms，指向角3°~10°，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(shè)計(jì)需求。555定時(shí)器觸發(fā)電路設(shè)計(jì)圖555定時(shí)器觸發(fā)電路圖如圖3.3所示，555定時(shí)器觸發(fā)電路實(shí)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(yīng)變化。結(jié)合實(shí)際情況分析：當(dāng)無人的時(shí)，紅外檢測電路、觸發(fā)電路均輸出高電平；當(dāng)有人遮擋時(shí)，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(shí)，紅外檢測電路輸出馬上恢復(fù)高電平，由于電容的充放電過程，觸發(fā)電路形成一個(gè)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(shí)器就可以被觸發(fā)，開始沖水。555定時(shí)器延時(shí)設(shè)計(jì)555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，若以555定時(shí)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(shí)在此端接入電容C，就構(gòu)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(yīng)的波形。圖3.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形如圖3.5所示為由555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，延時(shí)時(shí)間計(jì)算如下：根據(jù)電路圖設(shè)計(jì)，電阻R4選擇2MΩ，電容C3=4.7uF，計(jì)算后時(shí)間約為10秒。即系統(tǒng)持續(xù)沖水10秒。本設(shè)計(jì)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(shí)器供電。圖3.5延時(shí)電路模塊控制電路設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和保護(hù)的自動(dòng)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(shí)間、速度、壓力等非電量；而輸出量則是出頭的動(dòng)作或者電路參數(shù)的變化。由于555定時(shí)器的輸出并不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，可以將定時(shí)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(dāng)555定時(shí)器輸出為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器工作，開關(guān)導(dǎo)通，電磁閥發(fā)揮作用完成沖水?？傮w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總體電路仿真與數(shù)據(jù)分析仿真概述本設(shè)計(jì)利用MULTISIM軟件模擬仿真：由于本設(shè)計(jì)核心元件為光電傳感器和555定時(shí)器，而且為了簡化實(shí)際電路的設(shè)計(jì)，因此只對紅外光電傳感器以及555定時(shí)器進(jìn)行完整設(shè)計(jì)，而220V50Hz交流輸入的電源電路簡化成用7.2V電源經(jīng)LM2940穩(wěn)壓管輸出5V電壓為整個(gè)系統(tǒng)供電；電磁閥則簡化為一個(gè)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(guān)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是：當(dāng)正常照射時(shí)，電磁閥電壓為零，代表水閥關(guān)閉，不進(jìn)行沖水；當(dāng)接收被遮擋后復(fù)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(shí)器設(shè)計(jì)的延時(shí)時(shí)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。仿真內(nèi)容及結(jié)果1.對555定時(shí)器觸發(fā)電路（圖3.3）進(jìn)行模擬：將50Hz、占空比80%、幅值8V的矩形波作為輸入接入555定時(shí)器觸發(fā)電路得到輸入-輸出信號波形如圖所示。圖觸發(fā)電路仿真結(jié)果分析：觸發(fā)電路遇到上升沿輸出低平脈沖，符合設(shè)計(jì)要求。2.將觸發(fā)電路與延時(shí)電路連接得圖4.2，利用開關(guān)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(jié)果如圖4.3。圖觸發(fā)及延時(shí)電路圖4.3觸發(fā)并延時(shí)電路仿真分析仿真結(jié)果：無人時(shí)開關(guān)應(yīng)J1是常閉的，檢測電路保持高電平，555定時(shí)器輸出低電平；有人停留時(shí)，開關(guān)J1斷開，檢測電路輸出低電平，555定時(shí)器依舊輸出低電平；只有當(dāng)人離開，即開關(guān)閉合，檢測電路輸出呈現(xiàn)上升沿時(shí)，555定時(shí)器才會工作，輸出一段高電平后恢復(fù)低電平，這一段時(shí)間完成沖水。結(jié)論：仿真結(jié)果與理論計(jì)算一致，設(shè)計(jì)方案可行。課程設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)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(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時(shí)電路、固態(tài)繼電器以及電磁閥構(gòu)成以一個(gè)公廁自動(dòng)沖水系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作方式為：當(dāng)有人上完廁所離開時(shí)，可以自動(dòng)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(shè)計(jì)理論上實(shí)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(xì)節(jié)需要優(yōu)化。比如可以在人離開時(shí)并不馬上沖水，而是等上廁所的人達(dá)到一定數(shù)值再沖水，這樣更加節(jié)省了水資源。這時(shí)需要一些外部電路或者邏輯器件進(jìn)行修正和優(yōu)化。此時(shí)可以通過計(jì)數(shù)模塊的電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)（例如采用74LS160四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器）。通過記錄一定人數(shù)間隔后進(jìn)行沖水。但是這種設(shè)計(jì)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廁，否則長時(shí)間未達(dá)到計(jì)數(shù)值則不會沖水，這樣環(huán)境衛(wèi)生就遭到了破壞。也可以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)該功能。因此在不同的場合可以設(shè)計(jì)不同的方案，而不是像本設(shè)計(jì)單一的自動(dòng)沖水方案。在實(shí)物的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用了簡化問題的方法，大大節(jié)省了時(shí)間以及成本，并且達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。但是也存在一些不足，比如一些器件的選擇和調(diào)整可能比較籠統(tǒng)，沒有完美地體現(xiàn)出設(shè)計(jì)思想。并且系統(tǒng)存在一些誤差，主要來自于器件。為了