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1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 信号变换综合设计信号变换综合设计 课程设计(论文)课程设计(论文) 题目:题目: 公厕自动冲水控制装置设计 院(系):院(系): 专业班级:专业班级: 学学 号:号: 学生姓名:学生姓名: 指导教师:指导教师: 起止时间:起止时间: 课程设计(论文)任务及评语课程设计(论文)任务及评语 院(系): 教研室: 注:成绩:平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算 学 号 学生姓名 专业班级 设计题目公厕自动冲水控制装置设计 课程设计(论文)任务 设计任务:设计任务:设计一个公厕自动冲水控制系统,可在人方便后离开时自动冲水。传 感器采用红外发射、接收传
2、感器(如 TLN103 接收管和 TLN 发射管) ;延时电路采用 555 芯片制作,开关采用继电器或双向交流继电器等,水阀门采用电磁阀。进行电路仿真, 或进行电路板焊接。 技术要求技术要求: : 环境温度:-30+40C; 控制电路可使用电源供电,采用较小电流继电器可以驱动发光二极管即可。 传感器(敏感元件):自行选择传感器类型,自己设计放大电路 说明书要求说明书要求: : 1.格式规范,符合学校要求; 2.说明书中应有方法比较与方案论证,光电测量原理(公式)及具体的实现方案、 电路器件型号、参数等;硬件电路应用 protel 绘制,并且进行电路板焊接、调试;不 能采用单片机设计。 3.按规
3、定格式,撰写、打印设计说明书一份,详细阐述系统的设计过程,字数应 在 4000 字以上。 工作计划 1、布置任务,查阅资料,理解掌握系统的设计要求。 (2 天) 2、选择相应传感器、设计硬件电路图。 (2 天) 3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。 (3 天) 4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。 (2 天) 5、撰写、打印设计说明书、答辩。 (1 天) 指导教师评语及成绩 平时: 论文质量: 答辩: 指导教师签字: 总成绩: 年 月 日 摘 要 随着社会的发展,水资源紧缺的问题日益凸显。保护水资源成为可持续发展 战略的一部分,因此在生产生活中节约水资源是尤为重要的。 本文采用红外光
4、电传感器、555 定时器组成的延时电路、继电器以及电磁阀 构成了一个公厕自动冲水控制装置。当有人遮挡红外光电传感器时,红外对管将 产生一个低电平并保持,当人离开时,对管将由低电平变为高电平,经过与非门 组成的单稳态电路后,形成 555 定时器电路的触发脉冲,定时器输出高电平,并 发出打开电磁阀指令,开始冲水约 10 秒钟,定时器回到稳态,即输出低电平, 电磁阀关闭。通过固态继电器构成控制电磁阀的开关,能够以弱控强。 关键词:自动冲水系统;节水;红外光电传感器;555 定时器 目 录 第 1 章 绪 论 .1 第 2 章 总体方案设计 2 2.1 任务分析 .2 2.2 总体设计框 .2 2.3
5、 结构电路的选择 .3 第 3 章 电路设计 4 3.1 电源电路设计 .4 3.2 光电传感器检测电路设计 .5 3.3 555 定时器触发电路设计 6 3.4 555 定时器延时设计 7 3.5 控制电路设计 .8 3.6 总体电路 .9 第 4 章 仿真与数据分析 .10 4.1 仿真概述 10 4.2 仿真内容及结果 10 第 5 章 课程设计总结 .12 参考文献 13 附录 14 附录 15 第 1 章 绪 论 随着全球经济社会的不断发展,资源的过度开发利用,导致了许多资源的紧 缺。尤其对于解决淡水资源极度紧缺的问题来讲,更是值得引起人们关注的。现 阶段的发展,对水资源紧缺的问题的
6、解决方案一共有两种,一种是尽量节约水资 源,另一种是海水淡化和污水处理后重新利用。其中海水淡化的成本非常高,因 此现阶段没有大规模采用,而污水处理再利用也只能针对于生活用水,达不到饮 用水的标准。因此现阶段唯一解决淡水资源紧缺的手段就是节约用水。 目前,节约环保已然成为世界的主题,而在我国建设节约型社会更是成为近 期发展的重要目标之一。水,作为人类生命之源,一直以来倍受人们的关注,使 得在生产生活的各个方面采取节水措施的重要性突出出来。 针对国内外公共卫生场所的清洁冲水系统进行调查和检索后了解到,公共卫 生场所的清洁冲水装置发展至今大体可分为三个阶段:第一阶段,手动冲水装置, 原始的手动冲水装
7、置可以做到最“智能”的节水,但是也最大限度浪费了人力物 力;第二阶段,定时冲水装置,此种冲水方式做到了相对的智能,用定时器取代 了人工,使冲水装置实现了自动化,但是这种冲水方式的不足也很明显,即如若 定时间隔短,人少的时候甚至夜间就会造成大量水不必要的浪费,而如若定时间 隔长,人多的时候就起不到良好的清洁作用;第三阶段,感应冲水装置,现行的 感应式冲水装置用感应器完美的弥补了定时冲水器的不足,但是在改进的过程中, 却完全否定了定时器的价值,目前公共厕所感应式冲水装置为“有人即冲”式, 这样的感应方式存在相当大的弊端,根据实际调查发现,采用现有的感应方式, 仅在人流量较少的场所能起到较好的节水作
8、用,而在人流量较大的公共场所,这 种“有人即冲”的方式即变成了全时段冲水,这样做的确得到了最大限度的清洁, 但是造成的水资源浪费比老式的定时冲水系统还要大的多。 本项目课题希望通过设计和研究,采用简单的智能控制和定时、延时技术来 弥补目前感应式冲水系统的各种不足,研究一种简单实用且经济实惠的延时控制 式感应冲水系统。 第 2 章 总体方案设计 2.1 任务分析 本设计要求设计一个公厕自动冲水控制系统。通过光电传感器检测到有人遮 挡并离开后,通过 555 定时器构成的单稳态触发器进行延时冲水一段时间。555 定时器发出的信号要求给继电器开关电路,开关闭合后电磁阀打开,开始冲水。 冲水结束后,该控
9、制系统进行等待,等待下一次有人到来并离开。 该自动冲水系统要求应用于现实中,在-3040的环境温度下可以正常工 作,而且为了节约电能,要求采用较小的电流进行控制各个模块,因此低功耗也 成为本设计的一项任务。 2.2 总体设计框 图 2.1 系统总框图 本设计的总体框图如图 2.1 所示。电源电路为电路中所有器件提供电能。红 外传感器模块通过一个红外线发射管以及一个红外线接收装置构成。一旦红外传 感器产生高低电平变化,经单稳态电路触发 555 定时器后,系统向开关电路发出 指令打开电磁阀,打开时间由 555 定时器的延时时间决定,本设计延时时间确定 为 10 秒左右,达到延时时间以后,关闭电磁阀
10、,停止冲水,等待下一时刻冲水 红 外 传 感 器 与非门组成单 稳态电路作 555 时基电路 的触发 控制 电路 模块 系统电源电路 电 磁 阀 555 定 时 器组成 延时模 块 信号的到来。 2.3 结构电路的选择 2.3.1 电源稳压芯片的选择 采用LM2940芯片作为5V稳压输出,该芯片的压差是0.5V。输入电压范围在 5.5-20V之间,而且市场价格在3.5元左右,使用时可靠、方便。 本设计选用LM2940LD-5.0,该稳压管的工作温度范围为-40125,符合 实际工作环境的要求。 2.3.2 光电传感器的选择 采用红外光电传感器以及光电三极管接收管组成的电路进行识别。采用光电 管
11、最大的好处就是价格低廉,即便损坏也比较好维护、维修。而且检测手段简单, 外围电路简单,工作温度满足任务要求。 2.3.3 控制电路的选择 采用继电器作为本系统的开关。使用继电器的好处之一是器件可以直接使用, 不需要搭建过多的外围电路。而且最值得关注的是由于继电器本身具有大功率三 极管、功率场效应,可以完成以弱控强的功能,因此电磁阀就可以不用加复杂的 驱动电路了。这样大大减少了成本以及工作量。 第 3 章 电路设计 3.1 电源电路设计 3.1.1 外接电源的确定 由于本设计所有模块均采用 5V 电压供电,因此采用 220V,50Hz 市电供电, 经变压器变压、整流、滤波后输出直流电压,再经 L
12、M2940 稳压输出 5V 电压。 3.1.2 电源电路整体设计 图 3.1 电源电路整体电路图 如图 3.1 所示为电源电路整体电路图。该电源电路包括降压电路、整流电路、 滤波电路、稳压电路四部分组成。 1.降压电路 交流市电的降压电路通过降压变压器或者电容来实现,本设计是采用电源变 压器进行交流降压。降压变压器匝数选择为原边比副边等于 25:1,即降压后的 电压为 8.8V。 2.整流电路 整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的 单向导电作用。因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率(1kW 以下) 整流电路中,常见的集中整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压
13、整流电路。 桥式整流电路的优点是输出电压高,纹波电压小,管子所承受的最大反向电 压较低,同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载,电源变压器得到 了充分的利用,效率较高。因此,这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛 的应用。 3.滤波电路 滤波电路用于滤去输出电压中的纹波,一般由电抗元件组成,如在负载电阻 两端并联电容器 C,或在整流电路输出端与负载间串联电感器 L,以及由电容、 电感组合而成的各种复式滤波电路(本设计中采用电容滤波电路,不考虑电感以 及电容电感复合整流电路) 。 在整流电路的内阻不太大(几欧)和放电时间常数满足,电容滤波CRL d 电路的负载电压与的关系约为(式中为降
14、压后的电压值) 。 L V 2 V 2 )2 . 11 . 1 (VVL 2 V 4.稳压电路 稳压电路的作用是将输入电压稳定为 5V 输出为整个系统供电。稳压电路通 过 LM2940 三端稳压芯片及其外围电路组成,将输入的电压转换成 5V。 3.2 光电传感器检测电路设计 3.2.1 红外技术的介绍 红外技术的内容包含四个主要部分:红外辐射的性质, 其中有受热物体所 发射的辐射在光谱、强度和方向的分布;辐射在媒质中的传播特性:反射、折射、 衍射和散射;热电效应和光电效应等。红外元件、部件的研制,包括辐射源、微 型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。把各种红外元件、部件构成系统的光学、 电子学和精
15、密机械的组成部分。红外技术在军事上和国民经济中有着广泛的应用。 本设计采用一个红外发射管以及一个接收管作为光电传感器,在无遮挡的情 况下,接收管能够接收到来自发射管发射出的红外信息,输出高电平。一旦发射 管被遮挡,接收管就接收不到信号,输出低电平。 3.2.2 红外传感器工作原理 如图 3.2 所示为红外检测电路图,该电路通过一个发射管红外二极管X1发 射红外信息,接收管X2接受发射信息。当无人站立时,X2能接到红外信息,X2 导通,输出为1;当有人时红外线被遮挡,X2接收不到红外线,导致X2截止, 输出为0,此时系统由高电平变为低电平;当人离开后,X2再次接收到红外 信息,X2导通,输出为1
16、。 图3.2 红外检测电路图 3.2.3 红外传感器的选型 红外传感器在实际中分为三类:漫反射型(检测距离 70 米)、反馈反射型 (检测距离 5 米)、对射型(检测距离 10 米)。由于本设计针对于厕所,因此 选择对射型最为恰当,并且检测距离 10 米符合设计要求。 具体选择的型号为对射型 NPN,ZYE30-D102NA/D3,直流 530V 供电,响 应时间小于 2ms,指向角 310,可以检测透明与不透明的物体,工作环境温度- 25+55,外壳材料为塑料、金属。以上参数完全符合设计需求。 3.3 555 定时器触发电路设计 图 3.3 555 定时器触发电路图 如图 3.3 所示,555 定时