自动水龙头的红外线控制装订概要.docx
《自动水龙头的红外线控制装订概要.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动水龙头的红外线控制装订概要.docx（30页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
自动水龙头的红外线控制装订概要
南阳理工学院
本科生毕业设计（论文）
学院：
电子与电气工程学院
专业：
电气工程及其自动化
学生：
李声望
指导教师：
刘峰
完成日期2014年5月
南阳理工学院本科生毕业设计（论文）
自动水龙头的红外线控制系统
InfraredControlSystemofAutomatic
WaterTap
总计：
28页
表格：
5个
插图：
12幅
南阳理工学院本科毕业论文
自动水龙头的红外线控制系统设计
InfraredControlSystemofAutomatic
WaterTap
学院：
电子与电气工程学院
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
李声望
学号：
105090740038
指导教师（职称）：
刘峰（讲师）
评阅教师：
完成日期：
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
自动水龙头的红外线控制系统设计
电气工程及其自动化李声望
[摘要]为设计一种感应出水的水龙头装置，利用AT89C52单片机进行可编程控制，结合红外线反射式传感器电路，继电器电路组合成完整的电路系统，该系统主要完水龙头的自动出水及关闭功能。
由红外接收模块接收红外线，单片机检测电平并给继电器输送电信号，完成整个出水过程。
通过对硬件电路的调试，软件的调试，可以实现上述的功能。
这样就可以很方便人们洗手，还可以有效的避免水资源的浪费。
[关键词]AT89C52；红外反射式传感器；继电器；水龙头；
DesignofInfraredControlSystemofAutomaticWaterTap
ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyLISheng-Wang
Abstract:
Forthedesignofaninductionwatertapdevice,programmablecontrolusingAT89C52microcontroller,combinedwithinfraredreflectionsensorcircuit,circuitsystemrelaycircuitarecombinedintoacomplete,thesystemmainlythroughautomaticwatertapandclosingfunctions.Bytheinfraredreceivermoduletoreceivetheinfrareddetectionlevel,andtotherelaytransmissionsignal,tocompletethewholeprocessofwater.Afterdebuggingthehardwarecircuits,softwaredebugging,canrealizethefunction.Soitisveryconvenientforpeopletowashtheirhands,butalsocaneffectivelyavoidthewasteofwaterresources.
Keywords:
AT89C52;infraredreflectionsensor;relay;thetap;
1引言
1.1课题的研究背景及意义
目前国家经济呈现书迅猛增长的势头，人们的生活物质丰富，不再仅仅局限于解决温饱问题了，卫生与健康的问题越来越突出并受到人们的关注。
在一些公共场合用水龙头洗手，人们就明显感觉到不舒适，或者说认为不卫生，因为公共场合的洗手水龙头是公共的，是多人使用的，再者管理也不是非常的到位，水龙头上面必然有不少的细菌。
比如：
车站、学校、公共厕所等等面临这类问题是比较多的，这些场合的人流量比较大。
因此，随着我国科学技术电子技术的不断发展，人们为这问题提供了解决的方案，红外线控制自动水龙头系统设计，把该水龙头安装在这些场合可以很好的解决问题。
当人手靠近水龙头时，水龙头就能进行感应出水，不用人们再像传统水龙头一样要拧动才出水，这样既方便又卫生。
利用AT89C52单片机、红外线控制电路及其他外围电路一起可以制作自动水龙头的红外线控制系统。
单片机是1970年代诞生的，它的优点是：
性能价格比非常高，所以非常受到人们的关注与运用，其发展与应用是非常迅速的。
单片机具有诸多特质，就比如体形小巧轻便、功能较为齐全、适应性强、售价适合、稳定性高和灵活性好、开放与学习及使用相对简单。
正是AT89C52单片机的使用性能好，进行水龙头的红外线控制时使用的就是AT89C52单片机的设计。
节能环保是当今世界发展的主题，人们的物质生活丰富了，对生活的质量意识也是不断加强，健康舒适的方便的生活是现代人们一直追求的。
尽管人们对卫生非常注意了，但是在做饭地方，洗手间的水龙头上还是有细菌，病毒的存在，尤其是传统的水龙头。
更为突出的是公共场所中的水龙头，最让人不舒适，洗手还是不洗手，有些人甚至认为使用公共场合的水龙头洗手比不洗手还脏。
所以进行自动水龙的红外线控制是非常必要的，符合现代人们对生活卫生的要求，同时也可以有效的避免细菌的转播与混合，还能节约水与避免由于人为的原因忘记关水而造成浪费。
因此研究此课题是极具重要意思意义的。
1.2国内、外发展现状
自1800年起，红外线被英国的当代天文学家F·W·赫歇尔发现，之后经过其他科学家的持续研究和发展，红外技术神秘的大门正逐步向世人“打开”。
从十九世纪起，涉及红外辐射领域，红外装置，利用红外原理制作的装置等科学研究不断更新发展，但是刚开始的进展并非迅速，真正意义上的红外技术是1940前后出现的。
就当时而言，德国科学家已经制成了某种红外透射的材料，而部队使用的红外系统正是利用这些材料制品组合而成的，例如炮用的导向仪和船舶使用的侦察仪，船舶使用的红外探测系统，导弹追踪，轰炸机探测装置，火控系统等等。
并且此中部分达到实验及试验的高度，一些已经实现了小批量生产，但没有实际使用。
自那时以来，美国，英国，前苏联和其他的国家竞争的发展。
尤其突出的是美国，把红外技术比较完备的应用在自己国家的军事系统。
伴随着红外技术的迅猛发展，红外焦平面阵列技术顺势而出现，并且还得到了很好的发展，特别是发达的国家，法国，日本，以色列，英国，美国等都在利用红外焦平面阵列原理制作摄像仪方面增大研究，并且相互追逐，这是一个研究的重点与热点，尤其红外焦平面阵列传感器被美国科学家推上一个其他国家很难触碰到的高度，甚至难以超越的发展水平的发展水平，规模为2048×2048就是美国在红外焦平面所达到的规模，换句话说就是逼近可见光硅CCD面摄像阵列的水平高度。
还需强调的是日本，其利用集成化程度极高的单片式红外焦平面阵列制造出1000万像素的产品，该产品的平面阵列集成度非常高，日本在该产品的生产上居世界首位。
另外日本在其方面率先开发出系列的产品并且把产品推向市场，占据大面积的市场，创造财富。
红外技术在我们国家同样受到科学家的关注与研究，它呈现出突飞猛进发展的势头，而且经过多年的发展，虽然比西方起步晚，但是也在不断的与西方发达国家缩小差距，甚至有某些技术或是设备是同步的了。
总之，科技不断进步，人们的生活水平及其需求也在发生变化，红外线控制的自动水龙头符合人们现代生活的需要，从个人卫生到公共场合的卫生，这样的水龙头是非常实用的，而且还可以避免细菌或病菌的交叉感染，有利于卫生同时又有利于防止疾病病菌或细菌的转播，同时这也是体现现代文明进步的重要标志。
这样的说龙头必将或越来越多，而且功能会越来先进其款式也会越来越多，既满足人们的生活需要，又满足人们的审美需求。
将来普及率大大提升是必须的。
1.3论文组织结构安排
本论文是以自动水龙头的红外线控制系统展开论证。
第1章已经从自动水龙头的红外线控制的研究意义、国内外研究状况进行了阐述。
第2章主要从系统的工作原理、最小核心系统、信号采集模块、开关模块、电源电路模块等进行设计。
第3章从软件开发平台、信号采集程序、开关驱动程序等方面进行了设计。
第4章从调试手段的介绍、硬件的调试、软件的调试、结果分析、整体设计电路的稳定性测试等进行操作及解释。
2自动水龙头的红外线控制的硬件设计
2.1水龙头系统的工作原理
本设计所做的是红外感应式水龙头。
感应式水龙头是利用红外线反射的原理工作，利用继电器控制电磁阀，进而控制水源。
当人手距离水龙头（10cm）范围内时，红外控制电路检测到由人手反射回来的红外光，红外控制电路对光信号进行转换成电信号，然后将此电信号传送给单片机。
接着AT89C52单片机检测到来自红外控制电路的电平，给继电器一个低电平，继电器接收到低电平进行工作，继电器的触点动作，常开触点吸合，继电器控制着电磁阀；继电器常开触点闭合使得电磁阀通电，电磁阀动作水源打开。
红外线感应检测范围内感应不到人手时，红外接收管接收不到由人手反射过劳的红外光，继电器没有接收到信号，继电器闭合的常开触点断开，切断了电磁阀的电流，电磁阀动作关闭水源。
红外感应式水龙头的应用，避免人手直接接触水龙头，换句话说是，在水龙头的把柄有许多的细菌或病菌，无需直接接触就洗手，可以有效的避免细菌的交叉感染，卫生有方便。
系统原理结构如图1所示。
图1系统原理结构图
2.2最小核心系统的设计
本设计的主控制器是AT89C52单片机。
单片机系列中，就属AT89C52这款单片机的功率消耗小，CMOS8位微控制器性能高，可编程Flash的存储器大小为8K。
高密度非易失性存储器技术制作，该技术由KEIL公司提供。
该款与工业利用89C51生产的产品指令，引脚几乎整体兼容。
单片机上的Flash容许两种系统编程，即一种程序存储器在系统可编程，一种常规系统编程。
其芯片上CPU有8位，还有可在系统编程Flash，诸多嵌入式控制就是用AT89C52单片机实现。
AT89C52单片机拥有RAM的字节为8K，32个IO接口，16位定时器/计算器为3个，两级中断结构，串行口是全双工的，还有片内晶振，时钟电路。
并且0Hz静态逻辑操作用AT89C52单片机就可以实现，还有就是节电模式有两种软件可选择。
空闲模式下，CPU停止是工作，但是容许RAM，定时器/计数器，串口和中断持续工作。
当出现突然断电情况时RAM的内容自动保存，振荡器停止，单片机全部运行即刻停止；再次有中断信号，硬件复位单片机才重新开始运行。
诸多嵌入式控制系统的优秀计划方案是由AT89C52提供的。
所以选用AT89C52单片机。
2.2.1AT89C52单片机的硬件结构
AT89C52的硬件结构（如图2）有：
CPU，FLASH，RAM，串行通信口，定时器，计数器，输入输出接口，时钟。
AT89C52单片机和MCS-51单片机同属于一个系列，所以两者内部并无多大差异。
其CPU有运算器，控制器，而运算器主要功能是对操作数进行算术，逻辑运算，位操作；控制器主要功能是完成指令的识别与执行，从而保证AT89C52单片机正常协调的运行。
有一点相异AT89C52单片机的数据存储器比51系列大，其RAM为256字节。
两者的指令系统，引脚功能几乎是整体兼容的。
图2AT89C52的硬件结构图
2.2.2AT89C52单片机的引脚结构及功能说明
AT89C52单片机引脚如图3所示。
图3AT89C52单片机的引脚
P0口：
漏级开路双向I/O接口，有8位（即P0^0~P0^7）。
作为I/O输出接口时，则每位IO接口可驱动8个TTL逻辑电平。
对P0口输入“1”时，它的引脚视作高阻抗输入。
出现P0口被作为低8位地址或低8位数据复用的情况是在访问外部的程序或数据存储器的时候。
处于这类模式下时，P0拥有内部的上拉电阻。
P1口：
8位双向I/O口，内部电阻上拉。
4个TTL逻辑电平仅其输出的缓冲级便可驱动。
P1接口的输入为“1”时，输出电流ILL，原因是内部电阻被上拉。
除这些外，52与51两者的相异点，是52单片机的P1.0，P1.1引脚还可以分别作为T2的外部计数脉冲输入和时钟输出，具体如表1所示。
表1P1.0和P1.1的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时/计算器2）；时钟输出
P1.1
T2EX定时/计数2捕获，重载出发，方向控制
P2口：
8位双向I/O接口，内部电阻上拉。
4个TTL逻辑电平仅其输出的缓冲级便可驱动。
P2接口的输入为“1”的时候，因为内部上拉电阻则端口被拉高，这时候P3同样可作输入口使用。
电流ILL的输出是其内部电阻被拉低的缘故，此时P2口为输入。
两种情况P2接口输出高8位的地址，即一种是利用16位地址读取外部的数据存储器，一种是访问外部存储器。
处于这样的使用时，P2口经过内部上拉便可输出1。
应用8位地址去读取外部的数据存储器，则P2锁存器内容由P2口输出。
P3口：
8位双向I/O接口，内部电阻上拉。
4个TTL逻辑电平仅其输出的缓冲级便可驱动。
P3接口的输入为“1”的时候，因为内部上拉电阻则端口被拉高，这时候P3同样可作输入端口使用。
电流ILL的输出是其内部电阻被拉低的缘故，此时P3作为输入口。
而且P3端口除上述功能外，其第二功能也非常重要，如表2所示。
表2P3口各引脚第二功能定义
引脚
第二功能
引脚
第二功能
P3.0
RXD串行口输入
P3.4
T0定时器/计算器0
P3.1
TXD串行口输出
P3.5
T1定时器/计算器1
P3.2
INT0外部中断0
P3.6
WRROM写选通
P3.3
INT1外部中断1
P3.7
RDROM读选通
当处于Flash编程，校验，接收某种控制信号也是P3口功能。
RST：
复位输入。
晶振工作时，2个连续的机器周期高电平便可实现单片机复位，而高电平由RST输出。
ALE/PROG：
ALE指地址锁存控制信号。
是一种访问RAM时由锁存低8位地址的输出脉冲信号。
进行编程时，ALE引脚则作为编程脉冲的输入。
一般而言，晶振1/6固定频率为ALE输出脉冲的频率。
ALE还具备外部定时器时钟功能。
尤其重点说明，RAM被ALE访问时，则其脉冲定会跳过。
PSEN：
RAM的选通信号。
一个机器周期激活2次PSEN缘故是AT89C52单片机读取外部代码，该外部代码是RAM的。
EAVPP：
RAM（外部程序存储器）的控制信号访问引脚。
要从RAM中的0000H~FFFFH读取某指令，EA端口置“0”。
EA接VCC执行内部程序指令。
当处在flash编程期间，EA也一样接受12伏VPP电压。
XTAL1：
输入端（振荡器反向放大器，内部时钟发生器）。
XTAL2：
输出端（振荡器反向放大器）。
单片机进行稳定的工作，其也是有一定要求的。
如表3所示。
表3AT89C52单片机工作参数
工作温度55℃—125℃
储藏温度-65℃—150℃
任一脚对地电压-1.0V-7.0V
最高工作电压6.6V
直流输出电流15.0mA
2.2.3AT89C52单片机最小系统的设计
AT89C52单片机最小系统图如图4所示。
图4AT89C52单片机最小系统电路原理
（1）复位电路
系统复位是因为RST引脚输出高电平，这是连续不断的两个机器周期的高电平。
系统的复位是需要手动进行的，由图5可知，当按键未按下时R2不起任何作用，而C3和R1部分具有上电自动复位功能；然而按键按下后，R1、R2组成分压电路，就可以给RST引脚提供高电平以实现复位。
（2）振荡电路
AT89C52单片机内部具备两种能产生振荡信号的放大电路的方式，即指内部方式和外部方式。
但是本系统采用内部方式，即利用单片机内部的放大电路，外接晶振等器件构成的振荡电路。
AT89C52单片机内部具备高增益的反向放大器，其输入端XTAL1，输出端XTAL2，其两端均接晶振及两个电容，从而自激振荡器组成。
在系统设计中电容C1、C2选30pF，晶振选用12MHz的标准石英晶振。
（3）/EA接高电平，选用片内程序存储器。
2.3信号采集模块的设计
2.3.1红外反射式传感器的概念
红外线反射型传感器是可以完成红外光发射和红外光接收的装置。
它内部包含一个内置的红外光发射，红外光接收，信号放大与处理电路，人体或物体只要处于检测范围内不必接触红外反射式传感器即可感应到，并经过其内部电路将光信号转换成电平信号并输出。
红外反射式传感器有诸多优点，诸如运行稳定性好，性能优良等，究其原因是利用低功耗装置，抗干扰电路制成红外反射式传感器，正因为具备这样的优势，所以各种自动检测，自动报警，自动控制等装置中都使用了红外反射式传感器。
本设计的自动水龙头就是利用红外反射式传感器检测一定范围内的人手。
当有人手靠近水龙头（10cm）时，红外反射式传感器检测到人手反射回来的红外光，经过其内部电路的作用将光信号转化成电信号，然后经比较器比较同时输出一个低电平给单片机。
本设计利用的红外线反射型传感器的重要参数如下，额定工作电压+5~+12V，最大电压不可超过+15V；额定工作电流5~20mA，最大电流不可超过30mA。
针对红外反射式传感器的通用性，输出保护措施等的需求考虑，便将限流保护电路设置在其中；当启动保护时，则输出电流自动减小，从而达到保护功能。
红外反射式传感器运行的时候，由其内部的红外发射二极管发射出一定的红外光，一旦有人体或物体进入10cm范围内时，则有一部分红外光被反射回来，反射回来的红外光被接收管接收，接收管将接收的光信号转变成电信号，这样便实现了光信号到电信号的转变。
2.3.2红外反射式传感器的工作原理
本设计制作的红外反射式传感器电路控制模块适应性非常好，周围的环境对它造成的影响很小。
其电路中拥有红外发射二极管，接收管；红外发射二极管发射一定频率一定范围的红外光，当人手处于有效范围（10cm）内，红外光有一部分被反射，反射回来的红外光被接收管接收，光信号到电信号的转变是经接收管完成的，再经过比较器电路进行比较，指示灯会亮起，同时一个低电平信号经D0引脚输送出去；其额定工作电压约+5V，而且该控制模块的检测角度为35°。
模块电路中包含了红外发射二极管，接收管，LM393双电压比较器。
双电压比较器LM393的功能是将电路中的电压进行比较后，决定输出高或低电平。
电路原理图中的输出端口D0可以与单片机的I/O口连接，这样就实现了红外反射式电路模块与单片机模块的连接。
该模块的工作电压是5V的，所以VCC接5伏电压，ＧＮＤ接地，还有D0口就是与单片机的引脚相连接，实现红外控制模块与AT89C52单片机的信号相通，单片机时刻检测来自红外控制模块的电信号。
红外反射式电路原理图如图5所示。
图5红外反射式电路原理图
（1）红外发射管又可名其为红外线发射二极管。
它的发光体由红外发光二极管矩阵构成，该管同属二极管类装置。
红外线发射二极管还具有的功能是直接把电能变换为近外光，并且辐射出去。
红外线发射二级管可发射红外光的缘故是利用辐射效率非常高的原料制作PN结，并外加正向偏压给该PN结从而注入电流激发出红外光。
利用辐照度为μW/m2表示其发射的功率大小。
一般情况看，其红外辐射的功率跟正向的工作电流，两者是正比关系。
但这不是绝对的，有一种情况发光功率下降，正向电流达最大的额定值时，电流热耗会促使器件温度升高，从而发光功率便会下降。
如果流过红外二极管的电流较小，则它的辐射功率发挥又受到限制；如果工作电流过大，将会影响其使用的寿命，甚至损坏。
红外线接收管非常重要的部件一个应用特殊材料制成的PN结，该管的主要功能是将光信号转换成电信号，该管同属半导体器件。
如图5所示的红外反射式电路原理，就是利用了红外线发射二极管和红外接收管构成红外对管置于电路当中，它们所实现的功能就是红外线发射二极管发射一定频率的红外光，有人手靠近时，将会有一部分红外光被反射回来，接收管接收，并且把接收的红外光信号变换成电信号。
（2）双电压比较器LM393引脚及其功能
LM393的封装方式有两种，DIP8是双列直插8引脚的塑料封装；SOP8是微型的双列8脚的塑料封装，如图6所示，引脚功能如表4所示。
图6LM393内部结构
表4LM393引脚功能排列
引出端序号
功能
符号
引出端序号
功能
符号
1
输出端1
OUT1
5
正向输入端2
1N+
（2）
2
反向输入端1
1N-
（1）
6
反向输入端2
1N-
（2）
3
正向输入端1
1N+
（1）
7
输出端2
OUT2
4
接地端
GND
8
电源
VCC
LM393主要特点如下：
该工作的电源两种：
单电源：
+2—+36V，双电源:
±1—±18V；
消耗电流较小，ICC=0.8mA；
输入的失调电压较小，VIO=±2mV；
输出可以采用开路集电极连接“或”门；
LM393主要参数如表5所示。
表5LM393主要参数
参数名称
符号
数值
单位
电源电压
VCC
±18，36
V
差模输入电压
VID
±36
V
共模输入电压
VI
-0.3—VCC
V
功耗
Pd
570
mW
工作环境温度
Topr
0~+70
℃
贮存温度
Tstg
-65~150
℃
2.4开关模块的设计
2.4.1继电器的工作原理
继电器属于自动控制装置。
继电器通电时，常闭触点断开，常开触点闭合，电路接通；断电时，触点重新恢复断电时状态。
进行继电器类型的选择：
则先考虑三点：
（1）考虑电源电压多大，电流多大。
（2）被控量大小。
（3）被控制电路中需备几组，触点形式。
选择所用继电器时，可在控制电路的电源电压作上做基础考虑。
出现继电器的吸合不稳定的情况，则额定工作电流提供不足。
继电器一般有感应机构和执行机构，即指输入和输出部分。
感应机构的作用是反映某些固定输入变量（电流，电压，功率，阻抗，频率，温度，压力，速度，光）；执行机完成对被控电路“通”，“断”的控制。
该输入部分，输出部分两者之间有光耦，利用光耦实现对输入量的耦合隔离作用。
作为控制装置器件，总体概括继电器的作用，
（1）扩大控制范围。
例：
具备多触点，多控制信号条件可控制多电路的“通”，“断”。
（2）放大。
（3）综合信号。
（4）自动，遥控，检测。
继电器的主要参数：
（1）额定工作电压有两种交流电压，直流电压。
（2）万能表可以测量出继电器线圈的直流电阻。
（3）继电器完成吸合的最小电流称为吸合电流。
要使继电器稳定的吸合，则必要条件是吸合电流要小于给定电流。
线圈所加电压（工作）要小于额定电压的1.5倍，否则线圈有可能因电流过大而烧毁。
（4）释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。
当继电器处于未工作状态下，吸合电流就会比给定电流大很多。
（5）触点切换的电压，电流是指继电器可加载的电压，电流。
继电器可控制被控量（电压，电流）的大小均由触点切换量（电压，电流）决定，运行的时候要小于此值，否则继电器的触点易烧毁。
2.4.2继电器的驱动电路
本设计的继电器部分设计主要是用来对电磁阀进行进
升级会员 