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1、创造学结课论文班级：10通信工程2班姓名:蒋余成学号：1067119211光电水龙1.1引言随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积重量轻的方向 发展。在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的 发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节 奏也越来越快。它安装方便、灵敏度高、抗干扰能力强，使用寿命长，发出光均匀稳定。发出的二极管 光为不可见光，当发出光被某一信号调制后，只有专门的解调电路才能收到。它可在强光下 工作，给人们的生活带来了极大的方便，已成为人们日常生活中必不可少的必需品，其广泛 用于家庭、
2、商场、工厂、学校、餐厅等场所。而且大大地扩展了原先水龙头的功能。因此， 研究红外线控制自动水龙头及其应用，有着非常重要的意义。本论文设计的是一种以红外线自动控制的水龙头。采用了反射式红外传感器，这种传感 器的发射与接收是一体化的。当人或事物靠近时，自动产生控制信号继电器动作，使电磁阀 得电吸合从而自动放水。本设计满足了人们对物质的需求，又提高了科学性。以适应当今品种多批量小的电子市 场的需求，大大提高了产品的市场竞争力。1.2国内外发展方向及现状随着红外技术的高速发展，红外焦平面阵列技术出现了，并且迅速得到发展。美、英、 法、德、日、加拿大、以色列等西方发达国家都在竞相研制和生产先进的红外焦平
3、面阵列摄 像仪，其中美国在红外焦平面阵列传感器的发展水平方面处于遥遥领先地位，其焦平面阵列 规模已达2048X2048元，已接近与可见光硅CCD摄像阵列的水平。日本在世界上最先实现 了 100万像元集成度的单片式红外焦平面阵列等种类产品推向市场，抢占商机，法国、荷兰、 瑞典、英国、德国和意大利等在非制冷红外热摄像仪技术的发展方面，已显示出其处于前沿 的竞争地位。此外，加拿大、以色列、韩国、澳大利亚、波兰、新加坡的一些公司和机构都在尽力发 展先进红外焦平面阵列热摄像仪技术，竞争已遍及全球几大洲。近几年来，中国的红外成像技术得到突飞猛进的发展，与西方的差距正在逐步缩小，有 些设备的先进性也同西方同
4、步。如目前已能生产面积小于30um21000X1000像素的探测器 阵列，由于采用了基于锑化铟的新器件，目前已达到了分辨率小于0.01 r的温差，使对目标 的识别达到更高的水平。第二章元器件方案2.1传感器根据我对市场的调查了解，目前传感器有CCD图像传感器、电容式传感器、超声波传 感器、光电传感器四种。2.1.1 CCD图像传感器这种传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理 和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳 定，寿命长；3灵敏度高，噪声低，动态范围大；4响应速度快，有自扫描功能，图像畸变 小，无残像；5.应用超
5、大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生 产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极 分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定， 结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏 区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫 描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小， 不能处理复杂的图像。面阵CCD的结构要复杂得多，它由
6、很多光敏区排列成一个方阵，并 以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。2.1.2光电传感器光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可 见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和 一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。标准的光电传感器可以分为漫反射型、反射型、对射型、槽型、光纤传感器、色标传感 器、光通讯、激光测距、光栅、防爆/隔爆型等十种。它的特长有以下七点：（1）检测距离长如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法离检测。（2）对检测物体的限制少由于
7、以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定 在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。（3）响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响 应时间非常短。（4）分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实 现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。（5）可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因 此，传感器能长期使用。（6）可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的
8、颜色组 合而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。（7）便于调整在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。因此，光电式传感器在检测和控制中得到广泛的应用。通过几种传感器的辩证比较，我 选择了第四种光电传感器，并采用其中的反射式光电传感器来作为我设计的核心元件。 2.2发光二极管（LED）做传感器的LED要求亮度高，颜色合适，光斑形状合适。为了防止LED损坏，应该注 意：（1） LED的伏安特性曲线很陡，测试和使用时一定要串联电阻限制电流。（2）氮化镓 材料的高亮度LED容易被反向电压、静电或电源尖峰击穿损坏，电源电压较高时不可反馈。不同的管子允许的
9、工作电流不同，红外的平均电流最大可以用到100毫安，用作调制时 几十微妙的窄脉冲峰值甚至可以接近1安。3毫米的白色高亮度管子持续最大电流20毫安, 一般低亮度的管子要小一些，工作电流的限制一是发热限制平均电流，二是高电流下亮度饱 和限制峰值电流，有些管子电流大了之后还会变色。常用的LED有红外，红，橙，黄，黄绿，纯绿，蓝，紫，白等颜色，作为成品销售的 “变色LED”是在一个管壳里封装了多个不同颜色的LED,红，绿，蓝三色的LED非常适 合作颜色传感器的照明。红外线LED配合红外接收管抗干扰能力强，但是不适合用于识别 颜色，因为物体在可见光下的颜色不能很好的代表它对于红外线的反射率。LED发光的
10、原理是半导体PN结中的电子与空穴复合时产生光子，不同的材料由于能带 宽度不同，导致发光颜色和导通电压不同。另外，不同材料的发光效率（一般以量子效率衡 量，量子效率=发射的光子数/流过的电子数）也有较大的差别（见表2-1）。表2-1常用LED的参数比较材料发光颜色量子效率（与工艺有关）砷化镓红外咼，30%磷砷化镓红中，10%磷化镓（摻杂氮）黄绿低，不到1%磷化镓（摻杂氧化锌）红到黄中低铝砷化镓鲜红中高铝镓铟磷橙红咼，30%氮化镓从纯绿到紫外咼，20%2.3接收管常用的接收管有硅光电二极管，硅光电三极管，光敏电阻三种。光电二极管产生的电流 小，需要高倍放大，但是速度很高，可以高频调制，在遮光状态下
11、的特性类似普通二极管， 使用时加反向电压，输出与光照强度近似成正比的光电流。光电三极管一般基极不引出，只 有两根管脚，购买的时候叫作光敏管。光电三极管产生的电流较大，无需前置高倍放大，但 是速度较低，调制频率低于lOOKHz。遮光状态下正反向电阻都很大，用强光照射，可以测 出一个方向的电阻明显变小，这个方向是正向，使用时加正向电压 IV，输出与光照强度 近似成正比的光电流。这些光电接收管的外壳有无色透明和黑色两种，黑色管壳几乎只透过红外光，与红外发 光管配套使用。光敏电阻的电特性是电阻而不是恒流，受到光照后电阻值大幅度减小，输出电流也较大， 数量级类似光电三极管。工作频率一般较低，但也有高的。
12、在使用上最重要的区别于光敏电 阻接收光照的是一个平面，没有管壳聚光，方向性差，一般用在不区分光照方向或者要降低 成本的电路里。接收管的光谱特性：光电二极管，光电三极管都是半导体PN结光电元件，靠内光电效应接收光线，因此入 射光子能量超过材料能带宽度才能接收，表现在它的光谱。灵敏度特性在长波方向有一个陡 的截止。在短波方向如果波长太短，灵敏度也会下降。一般的硅管最适合用在红外到红黄光 范围内，但是可以一直用到近紫外。另类的应用，用发光二极管当充电二极管，它的材料能带较宽，只接收短波的可见光。 理论上可以用于识别颜色。某些光敏电阻对于可见光中间部分的灵敏度较高。加装滤色片可以方便的改变管子的光 谱
13、特性，以制造各种颜色传感器。第三章红外线控制自动水龙头设计3.1水龙头的构成及传感器控制水龙头采用了反射式红外传感器。红外线的发射和接收一般使用红外发光二极管和红外 接收管来完成。当有物体靠近时，一部份红外光被发射到接收管。反射式红外传感器（如图 3-1所示）。物体图3-1反射式红外传感器反射式光电传感器可以用来检测地面明暗和颜色的变化，也可以探测有无接近的物体。 我设计的红外线控制自动水龙头就运用了它这个特点。光谱范围，灵敏度，抗干扰能力，输 出特性等都是反射式光电传感器的重要参数。这种光电传感器的基本原理是，当人或有物体 接近时，遮挡了红外光，光敏元件接收到光信号，从而进行光电转换，电磁阀
14、作用，使水源 打开。红外线控制自动水龙头的控制过程是：当人或物体靠近自动水龙头时，红外发射光电 管发出的红外经人和物体反射到红外接收光电管。接收光电管接收到的反射光信号自动转换 为电信号，经过后续电路进一步放大、整形、译码，最后驱动电路控制电磁阀动作打开水源。 当人手或物体离开自动水龙头时，接收光电管接收不到反射光信号，驱动电路断开电磁阀电 源，从而关闭水源。3.2系统组成方框图红外线自动控制水龙头整个控制过程分为5个部分。系统组成方框图如图3-2所示。图3-2系统组成方框图3.3红外反射式光电传感器特性与工作原理反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激 光
15、发光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率比较集 中，传感器只结合搜很窄的频率范围信号，不容易被干扰，但价格较贵。理论上光电传感器 只要位于被测区域反射表面可受到光源照射，同时又能被接收管接收到的范围进行检测，然 而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光 洁度、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量，将会因为干扰而产生错误信号。采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强 法的测量原理是将发射信号经调制后送给红外管发射，光敏管接收调制的红外信号（如图 3-3所示）。反射光强度的输出信号电压（VOut ）是反射面与传感器之间的距离（X）的函数，设反 射面物质为同种物质时，X与VOut的响应曲线是非线性的（如图3-4所示）。设定出电压达 到某一阀值时作为目标，不同的目标距离阀值，电压是不同的。反 射 表 面图3-3红外发射接收原理图3.4红外线控制自动水龙头的工作原理3.4.1红外线水龙头控制电路系统的组成红外线水龙头控制电路包括发射电路和接收译码控制电路。其中发射电路由多谐振荡器 和红外发射二极管；接收电路包括红外接收管D1和D2、运算放大器（LM741）、音频译码 器（LM567）、继电器K、电源电路等组成。3.4.2红外线水龙头控制电路工作原理工作原
