红外自动水龙头设计方案

目录

前言 (1)

1.总体方案设计 (1)

1.1 设计任务和要求 (1)

1.1.1 设计任务 (1)

1.1.2 设计要求 (1)

1.2 系统组成框图 (1)

2.设计原理分析 (2)

2.1 电路主要芯片介绍 (2)

2.1.1 NE555时基电路简介 (2)

2.1.2 MC78L12CP简介 (3)

2.2 电路原理图 (3)

2.3 主要单元电路设计 (3)

2.3.1 红外线发射电路 (3)

2.3.2 红外线接收电路 (4)

2.3.3 时间延迟电路 (5)

2.3.4 自动水龙头开关电路 (6)

2.3.5 电源电路 (7)

3.用Multisim仿真 (7)

3.1 Multisim仿真软件简介 (7)

3.1.1 Multisim仿真软件概述 (7)

3.1.2 Multisim软件的特点和结构 (7)

3.1.3 Multisim的仿真特点 (8)

3.2 用Multisim软件仿真的结果 (9)

结论 (12)

参考文献 (13)

致谢 (14)

用Multisim仿真红外自动水龙头

前言

红外自动水龙头电路依靠红外线控制水龙头自动瞬时来水，自动延时断水，既使用方便，又节约用水。红外自动水龙头采用非接触的红外感应方式自动开关，使用时手不接触水龙头，从而杜绝了细菌病毒的交叉感染，有效地预防了各种疾病的传播。在医院、宾馆、饭店、学校、超市等公共场所及家庭中都得到了广泛的应用。

1.总体方案设计

1.1 设计任务和要求

1.1.1 设计任务

设计一个红外自动水龙头开关控制电路。该电路能够在人们需要用水的时候，通过感应装置自动打开自来水开关，并且在打开开关一段时间后，自动关断开关，从而起到节约用水的目的。

1.1.2 设计要求

1.要求电路通过感应装置，在人们需要用水的时候，自动打开水龙头开关。

2.要求电路在打开水龙头开关一段时间后，自动关断开关。

3.要求电路能够调节自动水龙头开关打开的时间。

1.2 系统组成框图

红外自动水龙头开关控制电路的总体框图如图1所示：

图1 红外自动水龙头开关控制电路的总体框图红外自动水龙头开关控制电路是由红外线发射电路、红外线接收电路、时间

延迟电路、自动水龙头开关电路和电源电路5部分构成的。

红外线发射电路的功能是利用红外线发光二极管发射光脉冲，从而实现电路对人体或物体的感应。红外线接收电路功能是利用光敏元件接收发射出来的光脉冲，并且将光脉冲信号转化为电信号，同时对其进行放大。时间延迟电路的功能是利用单稳态电路的特性，实现对自动水龙头开关打开时间的控制。自动水龙头开关电路的功能是利用电磁阀作为自动水龙头的开关，从而可以通过电信号对自来水进行控制。电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。

2.设计原理分析

2.1 电路主要芯片介绍

2.1.1 NE555时基电路简介

NE555的内部电路结构图如图2所示：

图2 NE555内部电路结构图

NE555时基电路是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，它由比较器1C和

C、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管D T三部分组成。

2

其内部电路结构：1Iυ是比较器1C的输入端（也称阈值端，用TH标注），2Iυ是比较器2C的输入端（也称触发端，用TR）标注。1C和2C的参考电压（电压比较的基准）R1

V由Vcc经三个5kΩ电阻分压给出。在控制电压输入端Vco悬V和R2

空时，R1

V=Vco，

V=(1/3)Vcc。如果Vco外接固定电压，则R1 V=(2/3)Vcc, R2

V=(1/2)Vco。D R是置零输入端。只要在D R端加上低电平，输出端O 便立即R2

被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使

R处于高电平。

D

图中的数码1～8为器件引脚的编号。

2.1.2 MC78L12CP简介

MC78L12CP是一种三端小电流正稳压电源，它的最大输出电流是100mA。

2.2 电路原理图

红外自动水龙头开关控制电路的总电路图如图3所示：

图3 红外自动水龙头开关控制电路的总电路图

该电路由红外线发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路、自动水龙头开关电路和电源电路5部分构成。

2.3 主要单元电路设计

2.3.1 红外线发射电路

该电路的核心器件是红外线发光二极管SE303。红外线发光二极管由GaAs(砷

化镓)的PN结构成，其发光波段处于可见光波段之外，因此不能在显示中使用，一般仅作为光信号传输之用。本电路的感应装置一般要求不可见，因此只能采用红外线发光二极管作为感应装置。

红外线发射电路如图4所示：

图4 红外线发射电路

红外线发光二极管正向电流不能超出其最大额定值，而作为感应装置则要求其具有较大的光输出。一般利用其响应速度快的特性，通过脉冲信号驱动来增大光输出。因此电路前端需要一个脉冲信号电路，本电路采用的是由NE555集成电路构成的多谐振荡器组成。其电路运行包括两个过程：一是利用直流电源经电阻1R 和2R对电容1C的充电过程；二是电容1C经电阻2R从NE555集成电路的DIS端的放电过程。通过这两个过程的交替运行，就可以在NE555集成电路的输出端Q产生出脉冲信号。其输出脉冲信号的频率f和占空比q为：

f=1/0.7(1R+22R)C1=1/0.7(220kΩ+2×22kΩ)100μF≈541Hz (1) q=R1/(1R+22R)=220kΩ/(220kΩ+2×22kΩ)≈83.3﹪ (2) 这样输出端Q输出脉冲信号来控制红外线发光二极管发射光脉冲，二极管D1起保护红外线发光二极管的作用。

2.3.2 红外线接收电路及信号放大电路

该电路包含两个部分：一是红外线接收电路；二是信号放大电路。红外线接收电路实际上就是一个硅光电池2CR21。硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，在光照条件下PN结两端能产生电动势，接上负载后就形成电流。硅光电池的原理是通过硅PN

结的光伏效应，使其具有按照光信号的强度产生出对应电信号的特性，这称为光敏器件。硅光电池的输出特性分为恒流区和恒压区，即其短路电流与光强度成正比，其开路电压随光强度按指数规律变化，由于其电流和光强度是线性关系，一般采用产生短路电流的方式来接收光信号。

红外线接收电路及信号放大电路如图5所示：

图5 红外线接收电路及信号放大电路

硅光电池2CR21的输出信号是一个十分微弱的信号，为了使后续电路能够对光强信号进行处理，因此需要加入信号放大电路。其信号放大电路是由电阻4R～

R、1T、2T和3C、4C构成，电路中采用了双三极管构成放大电路，这样就可以7

使得电路的放大倍数比单管放大电路的倍数增加β倍从而得到更合适的信号。5R 和6R为放大电路集电极偏置电阻，3C和4C为放大电路的滤波电容。4R为放大电路的反馈电阻，其功能是保证放大电路有一个稳定的静态工作点和稳定的输出电压1V。

2.3.3 时间延迟电路

该电路主要由两部分构成：一是整流和滤波电路；二是由NE555集成电路构成的单稳态电路。前端电路的输出电压1V首先经过二极管2

D整流，再经过

D和3

电容5C滤波，则在NE555集成电路的TRIG端产生了触发电平信号。

当接收到红外线脉冲时，前端电路输出电压1V经由整流和滤波在TRIG端产生一个高电平信号，由NE555集成电路构成的单稳态电路特性可知，输出端Q输出低电平。当由于人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲时，前端电路没有输出电压1V，则TRIG端输入为零，单稳态电路接收到触发信号，输出端Q输出

为高电平并保持一段时间。延迟时间由可变电阻9R和电容6C的数值决定，通过调节可变电阻的大小，可以改变延迟时间的长短，以适合不同场合的应用。

时间延迟电路如图6所示：

图6 时间延迟电路

2.3.4 自动水龙头开关电路

由于电磁阀通过的是大电流、大功率，而直流电源一般无法提供很大的电流和功率，因此电磁阀需要交流供电，从而电路中的开关需要采用继电器电路。而一般NE555集成电路的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。

自动水龙头开关电路如图7所示：

图7 自动水龙头开关电路

该电路中的电流放大电路是由三极管T3构成的，这是一种比较典型和简单的电路。其中10

R为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。3T为共发射极电路，当输出端Q输出高电平时，三极管导通饱和，将输入电流放大β倍；当输出端Q 输出低电平时，三极管截止，无电流通过。继电器连接3T的集电极，当有电流驱动时，开关吸合，电磁阀通电，自来水流出；当无电流驱动时，开关断开，电磁

阀不通电，没有自来水流出，同时在继电器两端并联一个二极管实现保护。同时电路中加入发光二极管4

D作为显示电路，显示自来水是否流出。

2.3.5 电源电路

电源电路的设计可以采用两种方法来实现：第一种方法是采用电池供电，需要注意的问题是选择合适电池的指标参数与电路相匹配；第二种方法就是采用如图8所示的电源电路。

图8 电源电路

电路直接从电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中220V交流电转换为+12V直流电压。电路中的变压器采用常规的铁心变压器，整流电路采用二极管桥式整流电路，8C、9C、10

C完成滤波功能，稳

C和11

压电路采用三端稳压集成电路来实现。

3.用Multisim仿真

3.1 Multisim仿真软件简介

3.1.1 Multisim仿真软件概述

Multisim是一种专门用于电子电路仿真和设计的EDA工具软件，属于Electronics workbench系列软件的高版本。Electronics workbench (简称EWB)由加拿大Interactive Image Technologies公司（简称IIT公司）于1988年推出。IIT公司从EWB6.0版本开始，将电路图输入仿真与设计的模块更名为Multisim 。

3.1.2 Multisim软件的特点和结构

Multisim在保留了EWB原有优点的基础上，大大扩充了元件库中电路的数目，增强了软件的仿真测试和分析功能，可实现模拟/数字电路的Spice仿真、

VHDL/Verilog设计与仿真、RF电路仿真等。

Multisim软件具有以下一些特点：

⑴最突出的是软件中提供各种虚拟仪器。其控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实现虚拟实验。

⑵软件带有丰富的电路元件库，并提供多种电路分析方法。

⑶采用直观的电路图输入方式。绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从运行的窗口上选取。

⑷操作方便、易学易用，很适合电子类课程的教学和实验。

Multisim由五部分组成：输入模块、器件模型处理模块、分析模块、虚拟仪器模块、后续处理模块。各部分的功能大体如下。

输入模块：用户以图形方式输入电路图。

器件模型处理模块：Multisim提供了丰富的元件，并可对元件属性进行编辑，还可以创造新元件。

分析模块：Multisim的分析方法比较丰富，共有18种分析方法。除具有Spice 基本分析方法外，还有些独有的功能，例如零极点分析。

虚拟仪器模块：是Multisim最有特色的部分。与EWB相比，它种类更多，使用操作更方便。

后续处理模块：可进行电路分析结果的后续处理，包括与多种软件的转换。

其中分析模块与虚拟仪器模块构成了强大的分析与仿真功能。

3.1.3 Multisim的仿真特点

1．多种仿真引擎

Multisim提供了多种电路仿真引擎，包括XSpice、VHDL、Verilog以及这3种方式相结合的仿真引擎。对于设计制作PCB电路板的电路，比较适合使用XSpice 仿真引擎；对于使用可编程器件构造的数字电路，比较适合使用行为级描述语言进行输入和仿真分析，一般使用VHDL和Verilog仿真；对于复杂的数字器件，比如LSI或VLSI，属于晶体管--门级描述语言，一般用于VHDL和Verilog仿真。

2．交互式仿真

Multisim最独特的性能之一就是能对电路进行交互式仿真。可以通过改变电路中的元器件的参数（比如电源值的大小、电阻的阻值大小等），或者改变仿真仪器的参数，实时地观察电路性能的变化和仿真结果。

3．支持网表仿真

Multisim可以不在电路中进行仿真，只需在Multisim中输入电路的网表，用户通过从命令行输入命令，即可对电路进行仿真。通过执行View→Show XSopice Command Line Interface菜单命令，可以打开仿真命令窗口。用户可以直接在该窗口中输入各种仿真命令。

4．电路一致性检查

当用户开始对电路进行仿真分析时，Multisim首先对电路进行一致性检查，以便发现电路的连接是否符合设计规则，比如是否存在开路、短路，是否接地等，同时把检查的错误内容写入错误日志中。注意，Multisim在进行电路一致性检查时，仅仅对可能导致仿真错误的问题进行检查，并不对电路的功能和性能等进行检查。

3.2 用Multisim软件仿真的结果

1.红外线发射电路的工作状态仿真如图9所示：

图9 红外线发射电路的工作状态仿真图

由于条件有限，用发光二极管和灯泡的亮、灭来代替电路是否能够正常工作，能正常工作则发光二极管和灯就亮，不能正常工作则发光二极管和灯就灭。

由图9可知，红外线发射电路可以正常工作。

2. 红外线发射、接收电路的工作状态仿真，1V处输出的电压波形仿真分别

如图10、图11所示：

图10 红外线发射、接收电路的工作状态仿真图

图11 1V处输出的电压仿真波形图

由图10、图11可知，通过红外线发射电路和接收电路，在1V处可以输出稳定的电压，从而保证时间延迟电路、自动水龙头开关电路的正常工作。

3．红外自动水龙头开关断开、吸合的工作状态仿真分别如图12、图13所示：

图12 红外自动水龙头开关断开的工作状态仿真图

图13 红外自动水龙头开关吸合的工作状态仿真图

由图12、图13可知，当由于人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲时，前端电路没有输出电压1V，则NE555的TRIG端输入为零，单稳态电路接收到触发信号，输出端输出为高电平并保持一段时间，使自动水龙头开关电路有电流流过，当有电流驱动时，开关吸合，电磁阀通电，自来水流出；当没有人体或者物体的阻隔时，NE555的TRIG端输入为1，单稳态电路的输出端输出低电平，自动水龙头开关电路中没有电流流过，无电流驱动，则开关断开，电磁阀不通电，没有自来水流出。电路中加入发光二极管LED2和灯泡X2作为显示电路，显示自来水是否流出；发光二极管LED2和灯泡X2亮则自来水流出，不亮则不流。

结论

NE555属于CMOS工艺制造，使用NE555时基电路等器件设计红外线自动水龙头，可实现专用芯片TL5108的功能，而且设计简单、实用。NE555时基电路巧妙地将模拟电路和数字电路结合在一起，在很多电路设计中都有广泛的应用。同时，在整个毕业设计过程中，我加深了对NE555时基电路以及其它器件的理解和认识，锻炼了我的设计能力。

以上所设计的用Multisim仿真红外自动水龙头经过了多次的修改和整理，可以满足人们的基本要求，但因为水平有限，电路中也存在一定的问题，但可以通过增加电路来解决。

通过这段时间的学习，我感觉收获很大：首先，通过学习使自己可以把课本上的知识应用于实际，使理论与实际相结合，加深了自己对课本知识的理解，也锻炼了我个人的动手能力，同时通过查阅资料还学会了许多课本以外的知识。

参考文献

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[4]秉时.一种红外全自动水龙头的制作.红外,2003(02):48-49.

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[6]阎光明.基于EM78P156E的自动红外控制系统设计.国外电子元器件,2001(05):51-52.

[7]阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社,2004,3:348-349.

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[12]姚福安.电子电路设计与实践.济南:山东科学技术出版社,2002,6:114-115.

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[14]周凯.EWB虚拟电子实验室.北京:电子工业出版社,2005,6:121-123.

[15]路而红.虚拟电子实验室.北京:人民邮电出版社,2005,5:150-152.

致谢

在我的课题设计过程中，牛慧娟老师给了我很大的帮助,她多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。在她的精心指导下，让我顺利完成了用Multisim仿真红外自动水龙头的电路设计。在此我衷心的感谢牛老师对我孜孜不倦的指导和帮助。牛老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，将使我终生受益。

大学四年的学习以今天的毕业论文画了一个句号。感谢大学四年，各位老师对我的教诲，很幸运，在我大学的最后一次作业的完成中，能得到牛慧娟老师的指导与帮助，有了一次跟牛老师接触的机会，她知识渊博，品德高尚，平易近人。对我的论文写作过程的各个环节，都给予了悉心的指导。经过最近这段时间的学习，我对数字电路的相关知识有了进一步的理解和掌握，数字电路是与社会实际结合比较密切的一门专业课，通过学习使我更加理解我们所学的专业，感到学有所用，从而更加热爱我所选择的专业。这些将使我终生受益，我希望借此机会向牛老师表示最衷心的感谢！

感谢我的同学四年来对我学习、生活的关心和帮助。

最后，向我的父亲、母亲致谢，感谢他们对我的理解与支持。