干手器设计机械毕业设计.docx
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干手器设计机械毕业设计
综述
自动干手器电路是由发射电路、红外接收电路、译码电路、触发和继电控制风机电路等组成。
该产品可用于医院、食堂、公厕等公共场合，当有人洗手时，该电路会自动开启并关断，使用安全可靠、清洁卫生。
自动干手器主要的组成部分就是555定时器电路。
根据555强大的功能可以制造出多种产品，干手器只是其中的一种。
在《数字电子技术基础》之中我们已经学习了555定时器，但是只是限于理论知识，没有把它应用到实际之中，通过这次对自动干手器的课程设计让我对555定时器又有了更新的认识，同时我也对红外线有了新的了解，知道了红外线遥控的大体内容和原理。
在许多场所自动干手器已经非常的常见，它的类型也有很多种，但是我们必须设计出最优的产品种使它的原理清晰，结构简单，所用器件最少，性价比最高。
1 红外线的简介
红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。
由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。
工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。
本章重点在于对红外线的基本特征和其在应用电路中发射与接收的基本原理进行分析和介绍，掌握其发射方式和接收系统的基本组成，了解各个组成部分的功能，为以后在分析其他电路打下良好的基础。
1.1 红外辐射及近红外光波谱[1]
红外辐射又称红外线或者红外光，它是一种人的眼睛根本看不见的光，属于电磁波的一种。
红外光是波长比红色光的波长（0.76μm）还长的光波。
通常，将电磁波波谱中间为0.76～1000μm的波谱段成为红外光谱区。
一般把红外光谱分为四个区域，即近红外（0.76～3.0μm）、中红外（3.0～6.0μm）、中远红外（6.0～20μm）、和远红外（20～1000μm）区。
实际上，目前在工业或居民用的红外光探测/遥控中所使用的红外光主要集中在0.76～1.60μm的近红外区。
采用近红外光作为红外探测/遥控的光源，主要基于如下理由：
1.1.1一般的接收用的光电二极管，光敏三极管大都采用硅（Si）半导体材料制作而成，这类管的接收峰值波长为780～1550nm，即管子对波长为780～1550nm的红外光的探测灵敏度最高。
1.1.2红外光发射器件，尤其是采用GaAs、AlGaAs或GaInAsP等半导体材料制作的红外发光二极管（IRED），其发射波长在880～1700nm范围内，这与Si光电接收器件（包括发光二极管、光敏三极管）的响应波长相匹配，使得探测灵敏度高，工作效率高。
1.2 红外光发射方式及红外发收系统的基本组成
使用红外发光二极管获得近红外光是相当简便的。
红外发光二极管是一种由PN结构成的注入电流型发光器件，在加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光。
除直流驱动外，发光二极管（LED）还有交流电流驱动方式和脉动电流驱动方式等。
交流电流驱动方式主要用于红外测量、检测及较简单的红外通信等电路中。
对红外光通信来势说，调制频率、调制带宽是重要的通信指标。
在红外探测/遥控系统中，对红外发光二极管一般不采用图1-1（a）所示的恒定直流驱动方式，即平均发射方式，而采用脉动直流驱动方式，即脉冲式红外光发射方式，如图1-1（b）所示。
图1-1红外光平均发射和脉冲式发射示意图
平均发射方式是指通过启动直流供电电源直接驱动发光二极管发出恒定的红外光。
红外发光二极管的功率一般都比较小，而平均发射方式的功耗较大，而且抗干扰能力较差。
为了提高红外探测/遥控系统的作用距离，而又不使红外发射管过载，一般不采用平均发射方式，而采用脉冲发射方式或调制载波脉冲发射方式。
红外探测/遥控系统的有效作用距离取决于发射二极管辐射的峰值功率，而峰值功率是由馈给发光二极管的电流峰值功率所决定的。
峰值功率越大，驱动电流的平均值越小则发光效率就越高。
脉冲发射方式或调制载波脉冲发射方式可使红外发射管的平均功率减小，提高系统的有效作用距离，且大大提高了红外探测或遥控系统的抗干扰能力。
图1-2是红外光探测/遥控系统的基本组合框图。
图1-2红外光探测/遥控系统的基本组成
在图1-2（a）中所示的红外光反射电路中，编码波形发生器产生一定占空比的脉冲信号，经驱动级放大后驱动红外发光二极管，使其发射出一系列等幅的红外光脉冲信号。
发射脉冲编码信号可降低功耗，提高发射效率。
图1-2（b）所示电路为红外接收电路。
光电探测器用来将接收到的红外脉冲信号转换成相应的电信号。
接收光电管在没收到红外光信号时，光电管中流过的电流很小，即只有很小的“暗电流”，负载上无电脉冲信号输出；当有红外脉冲信号照射时，光电管的内阻急剧减小，电流增大，并在负载电阻上得到相应的电脉冲信号。
由于检测出的信号微弱，粗要经过高增益电压放大器放大，然后经整流滤波电路后输出正极性脉冲信号，加至触发电路，使触发器可靠翻转，并输出规范的控制信号，驱动执行机件动作。
2 555电路
555电路是一种将数字电路和模拟电路巧妙的结合在一起的集成电路。
555大量应用于电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、音响报警、电子玩具等诸多方面。
可用作振荡器、脉冲发生器、延时发生器、定时器、方波发生器等等。
本章将简单的介绍一下555的结构和基本原理，掌握555电路的一些基本知识，了解555的一些参数特性和特点[2]。
2.1 555的基本结构和工作原理[3]
555定时器中的“555”，不是普通的数字，它是有具体内涵的，这是因为在该集成片上的基准电压电路是由三个误差极小的5KΩ电阻组成的，分压精度极高。
图2-1是一般555定时器的基本结构。
图2-1555等效功能电路图
TH是比较器C1的输入端，TR’是比较器C2的输入端。
C1和C2的参考电压VR1和VR2由VCC经三个5KΩ电阻分压给出。
在控制电压输入端VCO（CO端）悬空时，
，
。
如果VCO外接固定电压，则
，
。
RDˊ是置零输入端。
只要在RDˊ端加上低电平，输出端OUT便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。
正常工作时RD处于高电平。
由图2-1可知，当VTH>VR1、VTRˊ>VR2时，比较器C1的输出VC1=0,比较器C2的输出电压VC2=1，SR锁存器被置0，TD导通，同时OUT为低电平。
当VTHVR2时，VC1=1，VC2=1，锁存器的状态保持不变，因而TD和输出的状态也不改变。
当VTH当VTH>VR1、VTR’表2-1555的功能表
输入
输出
RD’
VTH
VTR’
OUT
TD状态
0
×
×
低
导通
1
>
>
低
导通
1
<
>
不变
不变
1
<
<
高
截止
1
>
<
高
截止
根据上面的功能表可以把555应用于各种的器件中去，使得器件简单、方便。
2.2555的应用举例
555的功能非常强大可以和不同的元件组成多种电路。
下面我们就简单的了解一下我们在后面将要用到的电路，也为后面的工作打好基础。
2．2．1用555定时器接成的多谐振荡器
如图2-2所示，将555与两个电阻和一个电容如图连接起来就可以组成一个多谐振荡器。
图2-2用555定时器接成的多谐振荡器
经过推证可知，电容上的电压VC将在
和
之间往复振动，又经计算可知
=
（2-1）
（2-2）
∴振荡周期为
（2-3）
∴振荡频率为
（2-4）
2．2．2用555定时器接成的单稳态触发器
如图2-3所示，将555与一个电阻和电容如图连接起来就可以组成一个单稳态触发器。
图2-3用555接成的单稳态触发器
根据验证看出单稳态触发器可以一系列稳定的脉冲，假设脉冲宽度为tw，再经过证明可知电容在充电过程中从0上升到
所需要的时间也为tw，计算后可以得出：
（2-5）
3两种红外电路
3.1自动微风远红外干手器装置[4]
该电路如图3-1所示.干手器采用远红外加热器,可将沾水后的湿手或物件烘干.为加快干手速度,使用微型吹风机吹出阵风.为使加热和吹风进行联动控制,采用Ⅱ型负载传感器LED,型号为ZA4B.
图3-1自动微风远红外干手器电路图I
C1和R10、RP1、C4组成无稳态多谐振荡器，其振荡频率f0可由公式
（3-1）
所以根据多给的数值，求得f0=1000Hz。
它驱动红外发光二极管VD5发出载频为1000HZ的红外光。
红外接受采用与VD5配套使用的接受管VD6，IC3为红外接受放大专用集成电路CX20106，它的中心频率f取决于C7、R14。
当f与发光的1000Hz载频相同时，IC3的⑦脚呈低电平，VT2截止，VS1不导通，氖灯NH不亮。
光敏电阻RL因无光照射而呈高阻，VT1的基极为低电平（<0.6V），VT1截止，其发射极为低电平，使IC2（555）强制复位，VS2截止，吹风电机M不转。
当人干手时，将手伸至VD5与VD6之间，光路被阻，则IC3的⑦脚转呈高电平，VT2饱和导通，VS1触发导通，远红外加热器RL通电辐射热。
同时，氖灯NH发光，RL受光照射后呈低阻，VT1的基极电位变高，VT1导通，IC2的强制复位三状态解除，则由IC2、R20及C2等组成的单稳态触发器，它的脉冲宽度tw为：
（3-2）
根据所给的数值可以计算得出tw=15s。
因此这个电路可以持续工作15s向外输出高电平，在这期间IC2的输出电流经限流电阻R9控制VS2的导通和截止，从而使吹风电机M周期性地运转和停转，吹出阵阵微风，加快干手速度。
电路工作15s后将停止工作，如果此时手还没有干重新将手伸至VD5和VD6之间，电路再次启动开始工作。
该电路中的元器件多为通用件。
NH选用NHO-4型氖管；RL采用MG型光敏电阻器，如MG44-03、MG45-13型等，其亮阻RL≤5kΩ，暗阻RD≥1MΩ，响应时间tTS≤20ms;VD5、VD6采用配对的红外发光二极管和红外光电二极管，如TLN104/TLP104或TLN107/TLP107型等，红外发光二极管的发射光波长和红外光电二极管的中心响应波长均为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的光电流大于或等于150mA，TLP104的光电流大于或等于100mA，响应时间均小于或等于5μs。
3.2反射式红外光控快速干手装置电路[5]
红外反射式光控干手电路共分为两个部分：
红外发射部分和红外接收部分。
各个部分的电路图如图3-2所示。
红外发射电路如图（a）所示，它以555为核心而组成555、R1、R2、C1等组成一个无稳态多谐振荡器，其振荡频率为
（3-3）
经过计算可知图示参数的振荡频率大约为1000Hz。
555振荡方波经VT1放大后驱动红外发光二极管VD1和VD2发出1000Hz的红外调制光。
图3-2反射式红外光控快速干手装置电路
红外接收译码电路采用日本光电子工业研究所出品的红外接收专用模块HC-377，它是将红外接收传感器与接收、译码电路组合成一体的模块结构。
它内含红外光敏管、高倍数放大器、自动电平亮度控制（ABCL）电路、限幅电路、滤波（BPF）电路、解调电路和整形电路等，如图3-2（b）所示。
HC-377的主要技术参数为：
红外探测波长λ0=940nm，水平有效视角θ=900，调制解调频率f0=1000Hz,工作电压VDD=5V，输出端（OUT）高电平不低于4.2V，低电平小于或等于0.5V。
在HC-377的红外探测窗口内，设有带滤色片的聚光透镜，既可滤除杂波，也可以增大探测距离[6]。
图（c）为红外接收电路，它由HC-377、IC3和IC4组成。
平时没有人洗手的时候HC-377的1引脚为高电平；有人洗手时，HC-377内的红外光敏管收到红外线反射信号时，经模块内的透镜聚焦，对红外信号进行放大、限幅和滤波后，再经过解调、整形后，输出转呈低电平，这为IC3提供了低电位置位信号。
IC3采用电路555，它与R6、C3组成单稳态触发定时器。
它的结构原理可以参见前面的2.2节。
当有低电平信号触发时，其输出端被置位，定时开始，其单稳态暂稳时间为：
（3-4）
图示参数是按暂稳态时间为15s设计的。
在IC3输出高电平的15s内，三极管VT2饱和导通，继电器K得电吸合，其常开触点J1闭合，电动机M得电运转，吹热风。
此电路可以连续工作15s，如果此时手还没有完全干，可以将手重新伸到干手器下面，电路将再次工作15s，以此循环下去。
以上两种电路都是红外控制自动干手器，但是它们有各自的特点，但是总的来说第一种方案不如第二种方案。
原因如下：
1）一方案所用的器件太多，浪费资源；二方案器件相对较少。
2）一方案结构复杂；二方案结构简单，清晰明了。
3）一方案原理很难看懂，需要经过大量的分析才能清；二方案原理清晰，通俗易懂。
4）一方案是一个庞大的整体；二方案分为各个部分分析，简单清楚。
综上所述，二方案相对一方案来说要更加优良一些，因此应该选择二方案，即反射式红外快速干手装置。
课程设计体会
本设计主要研究了自动红外干手器的原理和结构。
通过对这次对干手器的设计研究,我感觉自己的收获非常大，在这次设计中我不但学会了自己如何查阅资料学习知识的能力，而且还从中学会和提高了很多在课堂上所学不到的知识和能力。
这是我继上周做完《电机与拖动》课程设计再一次做如此规范的、完整的课程设计。
这是一次非常难得的学习机会，从设计中我深刻的体会到光在课堂上学的东西是不够的，我们应该学会自己利用各种方式进行学习，比如去图书馆、上网查询资料等，通过各种手段充实自己的头脑。
在这次设计中我深刻的理解并掌握了每一个相关的知识点。
也就是在掌握这些知识点的前提下，我才能完成这个规范的设计。
在此次设计中，同学们积极交流，热情讨论，找出设计中的很多不足之处，完善并提高自己的作品质量。
在无形之中，增加了同学们的凝聚力。
大家积极合作，共同提高。
在这次设计中，我发现了自己理论知识的不足，所以我查阅了大量的书籍资料，也为我的数电课程的理论知识的学习提供了一个很好的锻炼的机会；以前一直都是在学习理论知识，只有在做实际的设计中才发现很难将理论与实际相结合，因此我以后也一定会在这个方面努力的。
这次课程设计引起了我对设计操作的兴趣,深刻期盼着下次课程设计的到来.
学生：
岳金山
学号：
0505020324
日期：
2007.7.13
参考文献
[1]陈永甫.红外探测与控制电路[M].第1版.北京:
人民邮电出版社,2004.1～2
[2]黄继昌、张海贵、郭继忠等.实用单元电路及其应用[M].第一版.北京:
人民邮电出版社2000.323～339
[3]阎石.数字电子与技术基础[M].第五版.北京:
2006.489～497
[4]陈永甫.新编555集成电路应用800例[M]第二版.北京:
电子工业出版社2000.440～441
[5]陈永甫.红外探测与控制电路[M].第1版.北京:
人民邮电出版社481～482
[6]陈永甫.电子电路智能化设计实例与应用[M].第二集.北京：
电子工业出版社68～69
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