电子设计仿真与虚拟实验课程设计

1/14成都理工大学电子设计仿真与虚拟实验课程设计题目名称：红外自动洗手器的设计学院名称：信息技术与科技学院所属专业：信息工程学生姓名：**学号：2012130102**班级：信息工程2班是否选课：已选课（但名单上没名字）邮箱：*********@qq.com日期：2014-4-202/14一、设计的题目及其要求（1）设计题目红外自动洗手器的设计（2）课程设计的目标、基本要求及其功能：1、设计一个用于控制水龙头自动出水的装置；2、当有人洗手时，装置能自动出水，若手稍微偏离水龙头时（偏离时间2S以内），水龙头也能自动出水；3、工作电源为交流220V；4、灵敏度可调；二、设计方案根据设计要求，其可分为四部分：第一部分：电源，电源有变压器，桥式整流器，稳压器，滤波电容组成；第二部分：红外发射与接收电路；第三部分：由LM567组成的锁相环音频译码器；第四部分：单稳态延时NE555。系统总框图：三、各功能模块设计1、电源辅助材料的设计3/141）工作原理图2）功能描述及工作原理220V交流电路经变压器T降压，变为10V交流电，再由D1-D4桥式整流，电解电容C1滤波，三端稳压集成电路7805稳压，得到5V直流电供给控制电路工作，LED1为电源指示灯。其波形图如下：3）集成电路的封装二极管的封装：DIODE0.3A电解电容的封装：RB.2/.4电容的封装：CAP0.2A电阻的封装：AXIAL0.37805的封装：78XXLED的封装：LEDD1400710VacF12AC11000UF/25VC2100UF/25VD34007D44007D24007LED1R11K123IC17805VinVin220Vac4/142、红外发射与接收电路的设计1）工作原理图2）功能描述（1）、LM358内部结构及特性LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。特性(Features):内部频率补偿直流电压增益高(约100dB)单位增益频带宽(约1MHz)电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5一±15V)T19013LED2RW15K10KR720032485LM35810K10K10K10K10KLED0.01UF1UF+5红外发射电路红外接收电路5/14低功耗电流，适合于电池供电低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)（2）、LM358的内部结构及引角功能如图所示3）工作原理红外线发射电路，由三极管VT1、红外线发射管LDE2及电位器RW1及R2组成，锁相电路LM567的振荡信号经电阻R2耦合到三极管VT1放大，推动红外线控射管发出方波信号。红外线接收电路由集成电路LM358、红外线接受管LED以及其外围元件组成，红外线接收管把接收到的红外线信号转变为本身阻值的变化。引起在电阻10K上分压的变化经电阻10K和电容0.01uf耦合到放大器进行放大，为降低电源交流波纹的影响，接收电路中加入一级R、C滤波电路。4）集成电路的封装LM358芯片的封装：DIP8电容的封装：CAP0.2ALED的封装：LED6/14电阻的封装：AXIAL0.3NPN三极管的封装：9013B电解电容的封装：RB.1/.2电位器的封装：VR3、由LM567组成的锁相环音频译码器的设计1）工作原理图2）功能描述（1）、LM567的结构1脚输出滤波,2脚环路滤波(②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。)③脚是输入端，要求输入信号≥25mV;4脚接Vcc,7脚接地;⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC;⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。C3104C62200pfR210KR691KRW250K+C42.2uf+C51uf红外接收IC2SFH506-38OUTA01Lfil2IN3V+4OUT8Ct6Rt5GND7LM567IC3+5V7/14（2）、LM567的原理与应用①、逻辑输出具有高达100mA的吸收电流；②、、锁定带宽范围从0%③、到14%中心频率；④、噪声抑制能力强；⑤、抗假信号干扰能力强；⑥、中心频率稳定度高；⑦、中心频率从0.01Hz到500KHz可调。（3）、LM567的内部结构及引脚3）工作原理（1）、电路工作时，输入信号与压控振荡器VCO的振荡信号在鉴相器Ｑ（双平衡模拟乘法器）中鉴相，相差信号经环路低通滤波后，形成与相差成一定比例的电压信号，用于控制VCO输入频率跟踪输入信号的相位变化，若输入信号频率落在锁相环路的捕捉范围内，则环路锁定，VCO的频率与输入信号的频率一致。（2）、鉴相器Ｉ（双平衡模拟乘法器）与鉴相器Ｑ工作方式略有不同，它是利用压控振荡器的输出信号经90度移相后与输入信号鉴相，因而鉴相器Ｉ的输出电压达到输出范围的最大值，经运放后反相输出，其输出是集电极开路方式，采用该方式方便输出信号与TTL或CMOS电路匹配，且可直接驱动继电器等小功率负载。（3）、中心频率为f=1/1.1RC；捕捉的带宽为BW=1070sqrt(Vin/fC2)其中25mVVin200mV，Vin为有效值，）（4）、LM567的工作频率范围为0.01HZ~500kHZ，而且工作频率十分稳定。最大锁范围为14%f0，电源电压为4.75V~9V，输入电阻为20千欧，典型工作电流为7mA，主要用于单音解码（5）、LM567，其与R3、C6组成振荡7，R3、C6决定其内部压控振荡的中心频率LM567的3脚为信号出入端，8脚为逻辑输出端，该输出是一个集成开路的晶体管输出，最大灌电流为100mA。5脚输出的振荡信号经三极管功率放大后，推动红外发射向外发射红外线。4）集成电路的封装LM567芯片的封装：DIP8电阻的封装：AXIAL0.3电解电容的封装：RB.1/.2电位器的封装：VR电容的封装：CAP0.2A4、延时电路NE555的设计鉴相器I鉴相器Q压控振荡器放大器12345678输出滤波环路滤波信号输入VccGND输出定时电容定时电阻8/141）工作原理图C8104DISTHRTRIGGNDCVoltQVCCR555IC4R45.1KR51KT29013LED3D54007J1R3470kC72.2UFOut+5v+12v123456782）功能描述及工作原理（1）、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，能保证洗手器的正常出水。当没有人洗手时，红外线接收电路接收不到LED2向外发射的红外线，LM567的3脚无信号输入，8脚为高电平，NE555的3脚为低电平，三极管VT2截止，继电器K断电处于释放状态，电磁阀Y不动作，洗手器无自来水放出。当人手放到洗手器下时红外接收到人手反射的红外线并经LM358电路放大后，输人到LM567的3脚，由LM567内部处理后使LM567的8脚输出低电平，从而使NE555的低触发端2脚变为低电位导致NE555的3脚输出高电平，三极管VT2导通，继电器K吸合，使其常开触点闭合，接通电磁阀Y的22Ov交流电源，Y开始动作，使洗手器放出自来水，供人们洗涤之用，同时发光二极管LED3发出绿光，指示洗手器正工作于放水状态。洗涤完毕，人手离开洗手器后，A3延时2秒钟后复位，使洗手器停止放水。9/14（2）、NE555引脚图功能的介绍1地GND2触发3输出4复位5控制电压6门限(阈值）7放电8电源电压Vc（此芯片的内部中心电路是2个晶体三极管加正反馈组成的RS触发器。NE555输入控制端有直接复位Reset端，通过比较器A1，复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。输出端为F，还有集电极开路的放电管DIS。它们控制的优先权是R、T、TH）3）集成电路的封装NE555芯片的封装：DIP8，电阻的封装：AXIAL0.3，电容的封装：CAP0.2A，LED的封装：LED，二极管的封装：DIODE0.3A。5、系统原理图10/14四、硬件调试要点1）、初判断要点1、仔细检查PCB板是否出错，元器件是否焊错，器件参数是否弄错；2、不接芯片，测试电源是否正常；3、电源正常后，插上芯片，用示波器测LM567的5或6脚对地波形，调整RW2(选用电位器，阻值和C6的容量自行考虑）阻值使其频率为10kHz以下,以便提高接收灵敏度,若频率过高,可能因运放带宽不足而无法对红外信号进行有效的放大；4、注意红外接收管的方向不能弄错；5、测试LM567能否收到反射信号，并调节灵敏度；6、调试555芯片构成的单稳态电路R3=2M，C7=0.1uf。（Tw=1.1RC)。2）、检查红外发射接收、发射管在红外线收、发管的前方，用手由远到近靠近洗手器，当手离洗手器lO～l5厘米时，洗11/14手器的状态应发生转变。（1)、手需要靠的很近，洗手器的状态才能变化。这说明洗手器的灵敏度低，可通过减小电阻R1的阻值，增大发射功率来解决对于灵敏度高的情况，可增大电阻R1的阻值解决。(2)、手靠近洗手器很近，洗手器的状态也不发生变化，说明洗手器不能工作(红外线接收管不能有过强的光线直射强光直射会使其饱和)用万用表的直流电压挡测红外接收管LED的两端电压(最好用数字万用表，其输入阻抗大)，在手靠近时电压要变低，否则，红外线收、发管有问题。调试结果:U/VU/mV00t/ust/us150150300300LM5675脚输出波形红外发射T1基极波形2.04-2.0490-90U/V0150330t/usLM3851脚输出波形1503002.51503000.72-0.72U/VLM5676脚对地波形t/us所以，从LM567的5脚输出的信号的频率为f=1/0.00015=6.7kHz.满足小于10kHz的要求。五、结果分析结果1：当通电后，电源指示灯亮（红色发光二极管发光）而且继电器线圈吸合，继电器工作指示灯（即绿色发光二极管发光）亮，过了大约1秒，继电器线圈松开，指示灯灭了。分析：因为在通电瞬间，LM567内部输出一个低电平，输入到NE555，使得NE555的3脚输出一个高电平，从而是三极管工作在饱和导通状态，所以继电器线圈会吸合。而12/14且，NE555为定时电路，延时约1秒，故1秒后，继电器线圈又释放。结果2：当人手靠近红外发射和红外接收时，继电器线圈吸合，继电器工作指示灯（即绿色发光二极管发光）亮，当人手离开后，过了大约1秒，继电器线圈松开，指示灯灭了。分析：当人手伸至红外线控制范围内时，由于人手的反射，使红外接收管收到红外发射管发出的红外线信号，该信号通过LM567的3脚输入，经LM567的选频，从8脚输出低电平输入到NE555，使得NE555的3脚输出一个高电平，从而是三极管工作在饱和导通状态，所以继电器线圈会吸合。而且，NE555为定时电路，延时约两秒，故两秒后，继电器线圈又释放，指示灯灭。六、改进思路1、决定NE555延时的电阻R3可以用电位器代替，这样延时时间可以根据自己的需要，通过调节该电位器来决定。2、PCB电路图可以更整齐，更小巧，用8*10的铜板做就会更美观。七、设计工作总结（1）、在整个设计过程中，更加了解并熟悉了LM358，LM567等芯片的功能及管角的功能，学会了如何做印刷板，还重温了下protel99SE，更熟练画设计原理图和PCB板。（2）、制板的过程，注意万用表的正确使用，来判断发射管的极性等。（3）、在调试过程中，注意电源线的正确接法，以避免电源线和地线的接触发生短路，造成元件烧坏，还应注意调节电位器时应