電子設(shè)計仿真與虛擬實驗課程設(shè)計--- 紅外自動洗手器的設(shè)計

1、<p>　　電子設(shè)計仿真與虛擬實驗</p><p><b>　　課程設(shè)計</b></p><p><b>　　題目名稱 </b></p><p>　　學院名稱 信息技術(shù)與科技學院</p><p>　　所屬專業(yè) 軟件工程</p><p>　　一、設(shè)計的題目

2、及其要求</p><p><b>　?。?）設(shè)計題目</b></p><p>　　紅外自動洗手器的設(shè)計</p><p>　　（2）課程設(shè)計的目標、基本要求及其功能：</p><p>　　1、設(shè)計一個用于控制水龍頭自動出水的裝置；</p><p>　　2、當有人洗手時，裝置能自動出水，若手稍微偏離水

3、龍頭時（偏離時間2S以內(nèi)），水龍頭也能自動出水；</p><p>　　3、工作電源為交流220V；</p><p><b>　　4、靈敏度可調(diào)；</b></p><p><b>　　二、設(shè)計方案</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，其可分為四部分：第一部分：電源，電源有變壓器，橋式整流器，穩(wěn)壓

4、器，濾波電容組成；第二部分：紅外發(fā)射與接收電路；第三部分：由LM567組成的鎖相環(huán)音頻譯碼器；第四部分：單穩(wěn)態(tài)延時NE555。</p><p><b>　　系統(tǒng)總框圖：</b></p><p><b>　　三、各功能模塊設(shè)計</b></p><p>　　1、電源輔助材料的設(shè)計</p><p><

5、;b>　　1）工作原理圖</b></p><p>　　2）功能描述及工作原理</p><p>　　220V交流電路經(jīng)變壓器T降壓，變?yōu)?0V交流電，再由D1-D4橋式整流，電解電容C1濾波，三端穩(wěn)壓集成電路7805穩(wěn)壓，得到5V直流電供給控制電路工作，LED1為電源指示燈。其波形圖如下：</p><p><b>　　3）集成電路的封裝&l

6、t;/b></p><p>　　二極管的封裝 ： DIODE0.3A</p><p>　　電解電容的封裝 ：RB.2/.4</p><p>　　電容的封裝 ：CAP0.2A</p><p>　　電阻的封裝：AXIAL0.3</p><p>　　7805的封裝：78XX</p><p>　　

7、LED的封裝：LED</p><p>　　2、紅外發(fā)射與接收電路的設(shè)計</p><p><b>　　1）工作原理圖</b></p><p><b>　　2）功能描述</b></p><p>　?。?）、LM358內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特性</p><p>　　LM358內(nèi)部包括有兩個獨立

8、的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。</p><p>　　LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。</p><p>　　特性(Features): </p><p&

9、gt;<b>　　內(nèi)部頻率補償 </b></p><p>　　直流電壓增益高(約100dB) </p><p>　　單位增益頻帶寬(約1MHz) </p><p>　　電源電壓范圍寬：單電源(3—30V)；雙電源(±1.5一±15V) </p><p>　　低功耗電流，適合于電池供電 </p&g

10、t;<p><b>　　低輸入偏流 </b></p><p>　　低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 </p><p>　　共模輸入電壓范圍寬，包括接地 </p><p>　　差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 </p><p>　　輸出電壓擺幅大(0至Vcc-1.5V) </p><p>

11、　?。?）、LM358的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引角功能如圖所示</p><p><b>　　3）工作原理</b></p><p>　　紅外線發(fā)射電路，由三極管VT1、紅外線發(fā)射管LDE2及電位器RW1及R2組成， 鎖相電路LM567的振蕩信號經(jīng)電阻R2耦合到三極管VT1放大，推動紅外線控射管發(fā)出方波信號。</p><p>　　紅外線接收電路 由集成電路LM

12、358、紅外線接受管LED以及其外圍元件組成，紅外線接收管把接收到的紅外線信號轉(zhuǎn)變?yōu)楸旧碜柚档淖兓?。引起在電?0K上分壓的變化經(jīng)電阻10K和電容0.01uf耦合到放大器進行放大， 為降低電源交流波紋的影響，接收電路中加入一級R、C濾波電路。</p><p><b>　　4）集成電路的封裝</b></p><p>　　LM358芯片的封裝：DIP8</p>

13、<p>　　電容的封裝 ：CAP0.2A</p><p>　　LED的封裝：LED</p><p>　　電阻的封裝：AXIAL0.3</p><p>　　NPN三極管的封裝：9013B</p><p>　　電解電容的封裝 ：RB.1/.2</p><p><b>　　電位器的封裝：VR</

14、b></p><p>　　3、由LM567組成的鎖相環(huán)音頻譯碼器的設(shè)計</p><p><b>　　1）工作原理圖</b></p><p><b>　　2）功能描述</b></p><p>　?。?）、LM567的結(jié)構(gòu)</p><p>　　1腳輸出濾波,2腳環(huán)路濾波(②

15、腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。①腳所接電容的容量應至少是②腳電容的2倍。 )</p><p>　?、勰_是輸入端，要求輸入信號≥25mV;</p><p>　　4腳接Vcc, 7腳接地;</p><p>　?、?、⑥腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f2，f2≈1/1.1RC; </p><p>　　

16、⑧腳是邏輯輸出端，其內(nèi)部是一個集電極開路的三極管，允許最大灌電流為100mA。</p><p>　　LM567的工作電壓為4.75～9V，工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)工作電流約8mA。</p><p>　　（2）、LM567的原理與應用</p><p>　?、?、邏輯輸出具有高達</p><p>　　100mA的吸收電流；</p&g

17、t;<p>　?、?、、鎖定帶寬范圍從0%</p><p>　?、?、到14%中心頻率；</p><p>　?、堋⒃肼曇种颇芰姡?lt;/p><p>　?、荨⒖辜傩盘柛蓴_能力強；</p><p>　?、?、中心頻率穩(wěn)定度高；</p><p>　?、?、中心頻率從0.01Hz到500KHz可調(diào)。</p>

18、<p>　?。?）、LM567的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳</p><p><b>　　3）工作原理</b></p><p>　　（1）、電路工作時，輸入信號與壓控振蕩器VCO的振蕩信號在鑒相器Ｑ（雙平衡模擬乘法器）中鑒相，相差信號經(jīng)環(huán)路低通濾波后，形成與相差成一定比例的電壓信號，用于控制VCO輸入頻率跟蹤輸入信號的相位變化，若輸入信號頻率落在鎖相環(huán)路的捕捉范圍內(nèi)，則

19、環(huán)路鎖定，VCO的頻率與輸入信號的頻率一致。</p><p>　?。?）、鑒相器Ｉ（雙平衡模擬乘法器）與鑒相器Ｑ工作方式略有不同，它是利用壓控振蕩器的輸出信號經(jīng)90度移相后與輸入信號鑒相，因而鑒相器Ｉ的輸出電壓達到輸出范圍的最大值，經(jīng)運放后反相輸出，其輸出是集電極開路方式，采用該方式方便輸出信號與TTL或CMOS電路匹配，且可直接驅(qū)動繼電器等小功率負載。 </p><p>　?。?）、中心

20、頻率為f=1/1.1RC；捕捉的帶寬為BW=1070sqrt(Vin/fC2 ) 其中25mV<Vin<200mV，Vin為有效值，）</p><p>　?。?）、LM567的工作頻率范圍為0.01HZ~500kHZ，而且工作頻率十分穩(wěn)定。最大鎖范圍為14%f0，電源電壓為4.75V~9V，輸入電阻為20千歐，典型工作電流為7mA，主要用于單音解碼</p><p>　　（5）、

21、LM567，其與R3、C6組成振蕩7，R3、C6決定其內(nèi)部壓控振蕩的中心頻率LM567的3腳為信號出入端，8腳為邏輯輸出端，該輸出是一個集成開路的晶體管輸出，最大灌電流為100mA。5腳輸出的振蕩信號經(jīng)三極管功率放大后，推動紅外發(fā)射向外發(fā)射紅外線。</p><p><b>　　4）集成電路的封裝</b></p><p>　　LM567芯片的封裝：DIP8</p&

22、gt;<p>　　電阻的封裝：AXIAL0.3</p><p>　　電解電容的封裝 ：RB.1/.2</p><p><b>　　電位器的封裝：VR</b></p><p>　　電容的封裝 ：CAP0.2A</p><p>　　4、延時電路NE555的設(shè)計</p><p><b

23、>　　1）工作原理圖</b></p><p>　　2）功能描述及工作原理</p><p>　?。?）、NE555定時器，它與外圍元件組成單穩(wěn)態(tài)定時電路，其目的是在人手偶爾偏離了紅外線的探測范圍時，能保證洗手器的正常出水。</p><p>　　當沒有人洗手時，紅外線接收電路接收不到LED2向外發(fā)射的紅外線，LM567的3腳無信號輸入，8腳為高電平，N

24、E555的3腳為低電平，三極管VT2 截止，繼電器K斷電處于釋放狀態(tài)，電磁閥Y不動作，洗手器無自來水放出。當人手放到洗手器下時紅外接收到人手反射的紅外線并經(jīng)LM358電路放大后，輸人到LM567的3腳，由LM567內(nèi)部處理后使LM567的8腳輸出低電平，從而使NE555的低觸發(fā)端2腳變?yōu)榈碗娢?導致NE555的3腳輸出高電平， 三極管VT2導通，繼電器K吸合，使其常開觸點閉合，接通電磁閥Y的22Ov交流電源，Y開始動作，使洗手器放出自來

25、水，供人們洗滌之用，同時發(fā)光二極管LED3發(fā)出綠光，指示洗手器正工作于放水狀態(tài)。洗滌完畢，人手離開洗手器后，A3延時2秒鐘后復位，使洗手器停止放水。</p><p>　?。?）、NE555引腳圖功能的介紹</p><p><b>　　1地 GND </b></p><p><b>　　2觸發(fā) </b></p>

26、<p><b>　　3輸出 4復位</b></p><p><b>　　5控制電壓 </b></p><p><b>　　6門限(閾值） </b></p><p><b>　　7放電 </b></p><p><b>　　8電源電壓V

27、c</b></p><p>　?。ù诵酒膬?nèi)部中心電路是2個晶體三極管加正反饋組成的RS觸發(fā)器。NE555輸入控制端有直接復位Reset端，通過比較器A1，復位控制端的TH、比較器A2置位控制的T。輸出端為F，還有集電極開路的放電管DIS。它們控制的優(yōu)先權(quán)是R、T、TH）</p><p><b>　　3）集成電路的封裝</b></p><

28、;p>　　NE555芯片的封裝：DIP8，電阻的封裝：AXIAL0.3，電容的封裝 ：CAP0.2A，LED的封裝：LED，二極管的封裝 ： DIODE0.3A。</p><p><b>　　5、系統(tǒng)原理圖</b></p><p><b>　　四、硬件調(diào)試要點</b></p><p><b>　　1）、初判

29、斷要點</b></p><p>　　1、仔細檢查PCB板是否出錯，元器件是否焊錯，器件參數(shù)是否弄錯；</p><p>　　2、不接芯片，測試電源是否正常；</p><p>　　3、電源正常后，插上芯片，用示波器測LM567的5或6腳對地波形，調(diào)整RW2(選用電位器，阻值和C6的容量自行考慮）阻值使其頻率為10kHz以下,以便提高接收靈敏度,若頻率過高,可

30、能因運放帶寬不足而無法對紅外信號進行有效的放大；</p><p>　　4 、注意紅外接收管的方向不能弄錯； </p><p>　　5、測試LM567能否收到反射信號，并調(diào)節(jié)靈敏度；</p><p>　　6、調(diào)試555芯片構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路R3=2M ，C7=0.1uf。（Tw=1.1RC)。</p><p>　　2）、檢查紅外發(fā)射接收、發(fā)射管&

31、lt;/p><p>　　在紅外線收、發(fā)管的前方，用手由遠到近靠近洗手器，當手離洗手器lO～l5厘米時，洗手器的狀態(tài)應發(fā)生轉(zhuǎn)變。</p><p>　?。?)、手需要靠的很近，洗手器的狀態(tài)才能變化。這說明洗</p><p>　　手器的靈敏度低，可通過減小電阻R1的阻值，增大發(fā)射功率來</p><p>　　解決 對于靈敏度高的情況，可增大電阻R1的阻值

32、解決。</p><p>　　(2)、手靠近洗手器很近，洗手器的狀態(tài)也不發(fā)生變化，說</p><p>　　明洗手器不能工作(紅外線接收管不能有過強的光線直射 強</p><p>　　光直射會使其飽和)用萬用表的直流電壓擋測紅外接收管LED的兩端電壓(最好用數(shù)字萬用表，其輸入阻抗大)，在手靠近時電壓要變低，否則，紅外線收、發(fā)管有問題。</p><p&

33、gt;<b>　　調(diào)試結(jié)果:</b></p><p>　　所以，從LM567的5腳輸出的信號的頻率為f=1/0.00015=6.7kHz.滿足小于10kHz的要求。</p><p><b>　　五、結(jié)果分析</b></p><p>　　結(jié)果1：當通電后，電源指示燈亮（紅色發(fā)光二極管發(fā)光）而且繼電器線圈吸合，繼電器工作指示燈

34、（即綠色發(fā)光二極管發(fā)光）亮，過了大約1秒，繼電器線圈松開，指示燈滅了。</p><p>　　分析：因為在通電瞬間，LM567內(nèi)部輸出一個低電平，輸入到NE555，使得NE555的3腳輸出一個高電平，從而是三極管工作在飽和導通狀態(tài)，所以繼電器線圈會吸合。而且，NE555為定時電路，延時約1秒，故1秒后，繼電器線圈又釋放。</p><p>　　結(jié)果2：當人手靠近紅外發(fā)射和紅外接收時，繼電器線圈

35、吸合，繼電器工作指示燈（即綠色發(fā)光二極管發(fā)光）亮，當人手離開后，過了大約1秒，繼電器線圈松開，指示燈滅了。</p><p>　　分析：當人手伸至紅外線控制范圍內(nèi)時，由于人手的反射，使紅外接收管收到紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外線信號，該信號通過LM567的3腳輸入，經(jīng)LM567的選頻，從8腳輸出低電平輸入到NE555，使得NE555的3腳輸出一個高電平，從而是三極管工作在飽和導通狀態(tài)，所以繼電器線圈會吸合。而且，NE555

36、為定時電路，延時約兩秒，故兩秒后，繼電器線圈又釋放，指示燈滅。</p><p><b>　　六、改進思路</b></p><p>　　1、決定NE555延時的電阻R3可以用電位器代替，這樣延時時間可以根據(jù)自己的需要，通過調(diào)節(jié)該電位器來決定。</p><p>　　2、PCB電路圖可以更整齊，更小巧，用8*10的銅板做就會更美觀。</p>

37、;<p><b>　　七、設(shè)計工作總結(jié)</b></p><p>　?。?）、在整個設(shè)計過程中，更加了解并熟悉了LM358，LM567等芯片的功能及管角的功能，學會了如何做印刷板，還重溫了下protel 99SE，更熟練畫設(shè)計原理圖和PCB板。</p><p>　?。?）、制板的過程，注意萬用表的正確使用，來判斷發(fā)射管的極性等。</p>&l

38、t;p>　?。?）、在調(diào)試過程中，注意電源線的正確接法，以避免電源線和地線的接觸發(fā)生短路，造成元件燒壞，還應注意調(diào)節(jié)電位器時應將觸電調(diào)至中點，再慢慢調(diào)對應的大小，以免應阻值過小，電流過大照成芯片燒壞。</p><p>　?。?）、了解了怎樣做好電路板。</p><p><b>　　八、參考文獻</b></p><p>　　[1]童詩白 華

39、成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [第四版].北京:高等教育出版社</p><p>　　[2]閻 石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) [第五版].北京:高等教育出版社</p><p>　　[3] 電子設(shè)計競賽實訓教程 張華林 周小方主編 北京航空航天大學出版社</p><p>　　八、 向x老師致謝。</p><p>　　感謝x老師開設(shè)的