红外线干手器控制电路设计.docx
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红外线干手器控制电路设计.docx
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红外线干手器控制电路设计
课程设计
高频
线路
课程设计任务书
班级:
通信07—3班
姓名:
蒲连华
学号:
0706030316
成绩:
电子与信息工程学院通信工程教研室
高频电子线路课程设计说明书
1、设计题目名称
红外线干手器控制电路设计
2、概述(系统功能说明、原理框图、流程图等)
一、引言
本次设计是对于红外线干手器控制电路设计的一种猜想与简单设计,主要讨论了红外线干手机的整体设计电路、各部分的电路功能以及各部分电路的性能参数,着重介绍了相关电路的基本知识和电路原理。
文章力求简单,全面,基础而富有创新,重点是应用模拟电子技术和高频电子线路等相关知识解决问题,并且初步了解射频振荡电路的特点和无线电信号的发射技术。
近年来,随着公共设施的不断完善,红外线干手器已经进入到社会的各个角落。
红外线干手器是一种高档卫生洁具,广泛应用于学校、机场车站、宾馆酒店、体育场馆等公共场所的洗手间。
红外线控制自动干手器与红外线控制自动水龙头是基于同一控制原理组成的。
只是红外线控制自动干手器是用来控制电热吹风机的开与关,而红外线控制自动水龙头是用来控制电磁阀门的开与关的。
其工作原理是采用一种红外线控制的电子开关,当有人手伸过来时,红外线开关将电热吹风机自动打开,人离开时又自动将吹风机关闭。
成品的自动干手器将红外线控制开关和电热吹风机制作为一体,根据这个基本原理,用一只普通的电热吹风机,加装一个红外控制开关,就可组成一个自动千手器。
二、干手器整体设计
本次设计的红外线干手器电路主要由LM567锁相环电路、红外线发射器、红外线接收器、运算放大器和开关控制器组成。
由LM567锁相环电路产生40KHZ的信号,用此信号调制红外线,驱动红外发射管。
红外线经人手反射,产生反射的红外信号,反射信号由红外接收管转变为2uV的电信号,电信号经运算放大器放大至50mV。
锁相环LM567接收到信号后转为锁定状态,由锁定状态输出指示脚控制开关,此开关控制电吹风,达到红外线控制的目的。
系统框图如下:
3、硬件设计(包括电路原理图、电路说明、参数计算等)
一、LM567锁相环电路
1、LM567锁相环电路基本原理
集成锁相环路解码器LM567是美国国家半导体公司生产的56系列集成锁相环路中的一种。
LM567是一个高稳定性的低频集成锁相环路解码器,由于其良好的噪声抑制能力和中心频率稳定性而被广泛应用于各种通讯设备中的解码以及AM、FM信号的解调电路中。
LM567为8脚直插式封装,其内部结构、引脚定义及外围元件连接方法如图所示。
LM567内部包含了两个鉴相器I及Q、放大器、电压控制振荡器VCO等单元电路。
鉴相器I、Q均采用双平衡模拟乘法器电路,在输入小信号情况下(约几十mV),其输出为正弦鉴相特性,而在输入大信号情况下(几百mV以上),其输出转变为线性(三角)鉴相特性。
锁相环路输出信号由电压控制振荡器VCO产生,电压控制振荡器的自由振荡频率(即无外加控制电压时的振荡频率)与外接定时元件RTCT的关系式为:
f0≈1/1.1RTCT。
下图是LM567的内部框图。
它由相位比较器、压控振荡器、正交相位检波器、逻辑输出放大器等几部分构成。
LM567的主要参数如下:
1.电源电压4.75~9V。
2.静态工作电流8mA。
3.最高工作频率500KHz。
4.8脚最大吸收电流l00mA
2、LM567调制电路。
在LM567的2脚(实际上是内部压控振荡器的控制端)加入红外线信号,则它将使压控振荡器的5脚输出受2脚信号调制的调频信号。
利用这一功能可以实现对信号的频率调制。
调频信号的中心频率fo是由5脚、6脚的外接阻容元件确定的。
3、应用电路
锁相环路输出信号由电压控制振荡器VCO产生,电压控制振荡器的自由振荡频率(即无外加控制电压时的振荡频率)与脚5、脚6外接定时元件R1、C1的关系式为f0=(1/1.1)R1C1。
选用适当的定时元件,可使LM567的振荡频率在0.01HZ—500kHZ范围内连续变化。
脚1—脚2外接滤波电容C2C3,LM567一般作为锁相环路解码器,即当从脚3输人的信号的频率在fo附近的带宽BW范围内时信号被捕捉到,从输出脚8输出低电平(未捕捉时为高电平)。
带宽BW可由式计算得到BW=1070(ui/f0C2)1/2
二、红外线发射和接收装置
1红外线基本知识
红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种,由德国科学家霍胥尔于1800年发现,又称为红外热辐射。
太阳光谱中,红光的外侧必定存在看不见的光线,这就是红外线。
也可以当作传输之媒界。
太阳光谱上红外线的波长大于可见光线,波长为0.75~1000μm。
红外线可分为三部分,即近红外线,波长为0.75~1.50μm之间;中红外线,波长为1.50~6.0μm之间;远红外线,波长为6.0~l000μm之间。
其物理性质有:
在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线,红外线是不可见光线。
所有高于绝对零度(-273℃)的物质都可以产生红外线。
现代物理学称之为热射线。
医用红外线可分为两类:
近红外线与远红外线。
近红外线或称短波红外线,波长0.76~1.5微米,穿入人体组织较深,约5~10毫米;远红外线或称长波红外线,波长1.5~400微米,多被表层皮肤吸收,穿透组织深度小于2毫米。
红外线的特点人的眼睛能看到的可见光,若按波长排列,依次(从长到短)为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。
红光的波长范围为0.62μm~0.76μm,比红光波长还长的光叫红外线。
红外线遥控器就是利用波长0.76μm~1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。
红外线的特点是不干扰其他电器设备工作,也不会影响周边环境。
电路调试简单,若对发射信号进行编码,可实现多路红外遥控功能。
2红外线发射管
红外发射管就是发射红外线的二极管,波长主要有940nm和850nm两种,材料一般都是GaAlAs,其工作电流一般在50mA,主要用于红外控制系统的发射源。
发射信号经频率调制后一般接收距离可超过10米,无干扰时可超过30米。
常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右,外形与普通φ5mm发光二极管相同,只是颜色不同。
一般有透明、黑色和深蓝色等三种。
判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管一样的方法。
单只红外发光二极管的发射功率约100mW。
红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定,而业余条件下,只能凭经验用拉距法进行粗略判定。
3红外接收管
接收电路的红外接收管是一种光敏二极管,使用时要给红外接收二极管加反向偏压,它才能正常工作而获得高的灵敏度。
红外接收二极管一般有圆形和方形两种。
由于红外发光二极管的发射功率较小,红外接收二极管收到的信号较弱,所以接收端就要增加高增益放大电路。
然而现在不论是业余制作或正式的产品,大都采用成品的一体化接收头。
红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块,性能稳定、可靠。
所以,有了一体化接收头,人们不再制作接收放大电路,这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高。
常用两种红外接收头的外形,均有三只引脚,即电源正VDD、电源负(GND)和数据输出(Out)。
红外接收头的主要参数如下:
工作电压:
4.8~5.3V
工作电流:
1.7~2.7mA
接收频率:
38kHz
峰值波长:
980nm
静态输出:
高电平
输出低电平:
≤0.4V
输出高电平:
接近工作电压
三、运算放大器
1、运算放大器
运算放大器(常简称为“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。
在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。
运放如下图有两个输入端a,b和一个输出端。
也称为倒向输入端(反相输入端),非倒向输入端(同相输入端)和输出端。
当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压的零位,它相当于电路中的参考结点。
)之间,且其实际方向从a端指向公共端时,输出电压U实际方向则自公共端指向o端,即两者的方向正
好相反。
当输入电压U+加在b端和公共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。
为了区别起见,a端和b端分别用"-"和"+"号标出,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。
电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。
2、电压放大器:
提高信号电压的装置。
对弱信号,常用多级放大,级联方式分直接耦合、阻容耦合和变压器耦合,要求放大倍数高、频率响应平坦、失真小。
当负载为谐振电路或耦合回路时,要求在指定频率范围内有较好幅频和相频特性以及较高的选择性。
3、集成运算放大器
由于本次放大是由2uV放大到50mV,因此采用集成运算放大器。
集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路,它的类型很多,电路也不一样,但结构具有共同之处,由四部分组成。
(1)输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路,利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能,它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。
(2)电压放大级的主要作用是提高电压增益,它可由一级或多级放大电路组成(3).输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成,以降低输出电阻,提高带负载能力。
(4)偏置电路是为各级提供合适的工作电流。
此外还有一些辅助环节,如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等
4、整体电路实现
220V交流电路经变压器T降压,变为低压交流电,经整流滤波,成为低压直流,再经三端集成稳压电路7806稳压,得到6V直流电供给控制电路工作。
H1为红色发光二极管,作为电源指示。
N2为红外接收电路SFH506-38,N3为锁相环音频译码器LM567,N3与R3、C6组成振荡器,R3、R6决定N3内部压控振荡器的中心频率,LM567的3脚为信号输入端,8脚为逻辑输出端,其输出端为OC门输出,最大灌电流为100mA,LM567的工作电压为4.75V~9V,工作频率可从零点几赫兹到500千赫,静态工作电流为8mA。
N4为NE555定时器,它与外围元件组成单稳态定时电路,其目的是在人手偶尔偏离了红外线的探测范围时,能保证干手器的正常工作。
LM567芯片5脚输出的振荡信号经三极管功率放大后,推动红外发射二极管VD向外发射红外线。
没有人干手时,红外接收电路N2接收不到VD向外发射的红外线,N3的3脚无信号输入,8脚为高电平,N4的3脚为低电平,三极管截止,继电器K断电处于释放状态,电磁阀Y不动作,干手器无热风吹出。
当人手放到干手器下时,N2接收到人手反射的红外线并经N2放大后,输入到N3的3脚,由N3内部处理后使N3的8脚输出低电平,从而使N4的低触发端2脚变为低电位,导致N4的3脚输出高电平,三极管导通,继电器J1吸合,使其常开触点闭合,接通电磁阀Y的220V交流电源,Y开始动作,同时发光二极管LED2发出绿光,指示干手器正工作于吹出热风状态。
干手完毕,人手离开干手器后,N4延时几秒钟后复位,使干手器停止。
下图中,变压器T采用220V/9V小型交流变压器,VD为PH303红外发射二极管,VT1为8050三极管,VT2为9013三极管,J1采用JRX-13F、6V小型直流继电器,Y采用市售的220V交流电磁阀,其余元件型号与数据见图中所标参数。
5、性能分析或工作过程验证
由LM567锁相环电路产生40KHZ的信号,用此信号调制红外线,驱动红外发射管。
当人手经过,红外线反射,产生反射的红外信号反射信号由红外接收管接受,若接受到反射红外信号,则控制开关为“开”状态,若反射信号反射后未能工作,则说明存在问题。
反射信号由红外接收管转变为2uV的电信号,电信号经运算放大器放大至50mV。
锁相环LM567接收到信号后转为锁定状态,由锁定状态输出指示脚控制开关,此开关控制电吹风,达到红外线控制的目的。
当然,检验过程中也需要检验运算放大器的准确性,保证各器件正常工作,且不存在干扰的现象,这样才能保证工作的稳定,一般对于工作环境也需要一定的要求。
环境要求:
感应范围:
12±3cm
热空气温度:
40℃~54℃
可调动作持续时间:
40S~1min
电源电压:
AC.110~230V/50~60HZ
加热功率:
1200W
电机转速:
2400r/min
6、结论(包括设计的功能、不足、进一步的工作展望等)
设计心得体会:
本次设计主要是对于高频电子线路课程实践教学环节的应用性培养,是对于我们学习的一次应用性检验,也是对我们设计创新能力的培养。
设计过程中主要应用了电路、模拟电子技术、数字电子技术以及高频电子线路等相关课程知识,涵盖了通信工程本科阶段的大部分专业基础课程。
其中,对于设计过程中的电路设计和理解是难点,通过分析电路和运用电路知识,让我们加深了对电路知识的理解。
同时,由于设计内容广泛而且设计物品实际、贴近生活,对于我们的学习是极大的帮助和促进,为我们以后的学习生活创下坚实后盾,也为我们的工作就业奠定了坚实基础,对于我们本科阶段的学习生活十分有力。
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- 关 键 词:
- 红外线 干手器 控制电路 设计