3224.光电多路遥控开关 光电自动水龙头.doc

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1、课程设计说明书题目：光电多路遥控开关 光电自动水龙头目录 目录11 引言2 1.1 问题提出22 方案论证2 2.1 方案说明2 2.2方案原理23 电路的设计与分析2 3.1 装置原理框图3 3.2 单元电路的设计与分析34 相关计算及波形输出图18 4.1 单元模块波形输出图184.2 单元模块相关计算195 可行性分析21 5.1 经济性分析21 5.2可行性分析216 参考文献217 总结22 7.1 设计体会22 7.2特别鸣谢22 附录22一 光电多路遥控开关1 引言11问题的提出随着社会的发展，科技的进步，人们对于自动化的要求也越来越高，一些设置的人性化设计逐渐的再达到人性化的理

2、念。光电多路遥控开关，也是社会发展的一个必然。1.1.1 什么是光电多路遥控开关红外多路遥控开关，就是人能够用控制器在有效距离内对功能部分进行控制，是功能部分能够按照要求实现一定的功能。1.1.2 光电多路遥控开关随着以人为本的理念在社会上的发展，人类的需求也正朝着舒适化和自动化发展，于是光电多路遥控开关也在设计应用中。2 方案论证21方案说明本设计由发射电路和接收电路两部分组成，发射电路的发射信号与接收电路接收信号的频率相对应，从而实现发射电路对于接收电路的控制。调整发射电路的功率，使信号具有一定的强度，从而达到题目要求的距离。22方案原理当人通过人体感应开关时，感应开关输出高电平，该感应开

3、关带延时作用，能过通过感应部分的先后顺序驱动计数器进行加减法。同样通过74ls193芯片的转化和计数，将此处产生的高低电平转化为电压和后面开度传感器检测的新风阀的开度转化的电压进行比较，然后输出高低电压，驱动电动机正转发转，从而控制新风阀开度。3 电路的设计与分析31装置原理框图32单元电路的设计与分析321 人体感应部分的设计与分析在门口内外各装一个红外人体感应开关，该开关本身带有可调延时，而且输出高低电平。假设人进入室内的时间为1.5s，可以设置红外感应开关的延时位1.5s。322 LED数码管显示的设计与分析 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管

4、单元（多一个小数点显示）；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就会被点亮。该设计中选用的是七段数码管如图3-2所示，为共阴极的，用CD451译码驱动器进行驱动，当电路正常工作时，数码管上

5、会按照设计要求显示路灯持续工作的时间与工作的次数。 3_1 半导体数码管计数器用来产生十进制计数，其输出信号加在译码器输入端，经译码后可在输出端产生所需的控制信号。本电路中译码驱动器采用CD4511。CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流，可直接驱动LED显示器。CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。 Q9 h- | 0 T# c其功能介绍如下： 2 Z9 r( H4 u% BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不

6、管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。. & R/ A3 y! LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 : s7 M# B8 e$ $ B a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；

7、5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。CD4511引脚图如下： CD4511功能图如下：输 入 输 出 LEBILIDCBAabcdefg显示 XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐 01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000

8、701110001111111801110011110011901110100000000消隐 01110110000000消隐 01111000000000消隐 01111010000000消隐 01111100000000消隐 0111111000000消隐 111XXXX锁 存 锁存 图3-2计数电路设计323计数电路的设计与分析 如图所示采用74ls192芯片实现十进制加减计数器，因为室内最多人数为100人，所以可以采用三个芯片显示室内人数。该部分的电路图：图3-3 计数器电路图该单元电路原理：定义clr始终为低电平信号。当人从外面走进室内时，人体红外感应模块A触发，输出高电平，输入给

9、74ls192的cpd引脚，该传感器延时1.5s，再经过室内传感器B时，B上升沿触发，输入给74ls192的cpu引脚，然后74ls192进行加法计数。当位满十时，通过进位输出端CO向高一位进一，触发高一位74ls192芯片工作；当室内的人出去时，首先触发传感器B，使其输出高电平，输入给进位输入端cpu，然后出门后感应B感应模块，使其上升沿输出，然后进行减法计数。如果低位不满时，错位输出端BO触发向高一位减法端输入1，然后促使高一位74ls192做减法计数。74ls192芯片的工作原理:74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。(BCD,二进制)，下面我们介绍74ls192引脚图,74ls

10、192功能表。 CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。 LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。 CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出， BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。74ls192引脚图:3-3 74ls192引脚图74ls192功能表：该部分电路的性能，当人体走进红外人体感应模块A的范围内时，A输出高电平。324 数/模转换电路的设计与分析该部分主要将前面的数字信号转化为模拟电压，以便于后面比较电路进行比较。该部分的电路原理图：3-4 数/模转换电路图该电路的功能：该电路首先连接两个十六进制计数器，对于室内人员的进出进行十六进制

11、计数，然后将转化为的二进制码输入给DAC0832芯片，然后将该数字信号转化为模拟电压，最后输出电压端Vo输出。当二进制变化的过程中，V0的输出范围为99.96V，成线性变化。DAC0832芯片引脚及其功能：DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。图1-1和图1-2分别为DAC0832的引脚图和内部结构图。其主要参数如下：分辨率为8位，转换时间为1s，满量程误差为1LSB，参考电压为(+10?/span-10)V，供电电源为(+5+12)V，逻辑电平输入与TTL兼容。从图1-1中可见，在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的

12、允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号/XFER。3-5 DAC0832芯片引脚图图中，当ILE为高电平，片选信号/CS和写信号/WR1为低电平时，输入寄存器控制信号为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当/WR1由低电平变高时，控制信号成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。对第二级锁存来说，传送控制信号/XFER和写信号/WR2同时为低电平时，二级锁存控制信号为高电平，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化，此后，当/WR2由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器

13、的信息锁存到DAC寄存器中。图1-1中其余各引脚的功能定义如下：(1)、DI7DI0：8位的数据输入端，DI7为最高位。(2)、IOUT1：模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。(3)、IOUT2：模拟电流输出端2，IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1IOUT2常数。(4)、RFB：反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。(5)、VREF：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决

14、定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。(6)、Vcc：芯片供电电压，范围为(+5 12)V。(7)、AGND：模拟量地，即模拟电路接地端。(8)、DGND：数字量地。 325 开度传感器检测与电流/电压转换模块的设计与分析该部分的主要功能是通过开度传感器对新风阀的阀门开度进行检测，并且把阀门开度通过电流的形式输出，范围为416mA，成线性变化。然后再通过一个电流电压转化模块将开度传感器产生的电流转化为电压，且此处的电压与前面数/模转换模块转换而来的电压规格一致。即其范围应该为15V。为比较器的比较做准备。该部

15、分的原理图：3-6 I/V转换电路原理图电压/电流转换器的原理：电路中A/V转换器是电压输出可调式，调节使其的范围输出为1-5V对应于开度传感器的输出电流4-16mA成线性变化。开度传感器的电流是新风阀当前开度的显示输出。I/V转换器的原理是由一个可调的集成运算放大器组成。 开度传感器的使用说明：概述：ZKC-3型闸门开度传感器是针对闸门测量的特点，采用光电式或接触式绝对编码器，在内部配以精密的变速机构制造而成。其输出信号有并行格雷码、串行RS485、4-20mA标准模拟量以及SSI同步串行信号等多种方式供用户选择。该传感器安装方便，适应性强，稳定可靠，集检测与A/D转换为一体，具有断电记忆跟

16、踪功能。适合对各类闸门（平板门、弧形门、人字门、门机、桥机等）的起吊高度进行测量。其功能、特点，可靠性等深受广大水利水电工程技术人员的信赖和好评。 主要技术指标：该传感器的技术指标主要取决于所配编码器，可选配的编码器有：1、 光电系列 GD-1024、GD-16384/64、GD-32768/64、GD-65536/642、 接触系列 JZB-512、JZB-1024、JZB-8192/64、JZB-16384/64(具体技术指标详见编码器说明书)测量范围 5m、10m、20m、40m、80m、160m 精 度 0.1%量程1分 辨 率 与所配编码器有关，如配编码器GD-32768/64，则每

17、周分辨率512码，连续转64圈。 工作电压 DC12-24DC5V-30V输出信号 基本型：并行格雷码（B）智能型：RS485串行通讯接口（C）、4-20mA标准模拟量（A）SSI同步串行接口（S）测量误差 1cm、1mm 传输距离基本型：传输最大距离400m（小于400KHz），智能型：传输最大距离：2Km环境参数 温度 -25+60 相对湿度95%(RH 40) 闸门开度传感器安装方法：前言：在安装闸门开度传感器之前首先要确定：开度传感器的安装位置，只有确定好安装位置后才能确定具体采用以下哪种方式进行连接。 安装示意图如下: 1、直接连接法：（弹性联轴器式样、偏心联轴器、十字联轴器等）图1

18、 偏心联轴器联接2、齿轮连接法：图2 齿轮连接方式图3齿轮连接方式其它应用领域：各种阀门开度、提升机吊车定位、炼钢氧枪定位、转炉定位、煤气柜高程测量、自动仓储、造纸纺织卷料定长、机械、电力、汽车工业等各行业的高精度，长距离的位移，角度（多转）的测量定位。此处选择图3指示的安装模式。326 电压比较器及其电机驱动模块的设计与分析 该部分的功能是，将前面数/模转换模块以及电流电压转化模块转化而来的电压进行比较，别且输出高低电平。再将输出的高低电平输入直流电机，通过高低电平来驱动电机的正转和反转，达到控制新风阀开度的目的。比较器部分电路图，采用四片LM324级联3-7 比较器部分电路图比较器的原理：

19、比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。 图4(a)由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：Vout=(1+RF/R1)R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，则Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短路)，R3=RF=(相当于R3、RF开路)

20、时，Vout=。增益成为无穷大，其电路图就形成图4(b)的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。 从图4中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。 同相放大器电路如图5所示。如果图5中RF=，R1=0时，它就变成与图3(b)一样的比较器电路了。图5中的Vin相当于图3(b)中的VA。驱动电机模块电路图：3-8 电机驱动电路P20,P21分别接到比较器的两输出端，当P20为高电平，P21为低电平时直流电动机正转，新风阀的开度变大。当P20输出为低

21、电平，P21输出为高电平时，直流电动机反转，新风阀开度变小。327 电源块的设计与分析设计要求给出了220V的交流电，而且也是我们在生活中的用电，而题目要求是用5V或者12V的直流电，所以要用到电压转换模块，该部分的作用就是将220V交流电转化为5V或者12V的直流电。采用cmj03模块，该模块的电路图：3-9 电源转换模块该模块的功能就是，输入端输入220V的交流电压，而输出端可以转化为3-18V的交流电压，而且是可调的，所以此模块可以保证该设计的直流用电。4 相关计算及其波形输出图4.1波形输出图 4.1.1 人体红外感应模块的波形输出图红外人体传感器A,B的延时均为2s，人通过门口的时间

22、需要1s，则当人进入门口时A,B的波形图如下：4-1.进入时红外人体感应模块的波形当人出门时,其波形图为：4-2 人出门时红外人体感应模块的波形4.1.2 比较器部分的波形输出图用两个输入电压分别模拟人员进出转化的电压和开度传感器检测到的电压，其波形图如下： 4-3 模拟的两个输入电压波形进行比较后，比较器的两输出输出电压，其波形如下：4-4 Out1与out2的输出波形4.1.3 I/V转换电路模块的电压波形输出4-5 I/V转换电路的波形输出图4.2 电路设计中的相关计算4.2.1 集成数/模转换器的计算集成电路数模转换器都是二进制输入的，而用运放构成的数模转换器则不受数制和位数的限制。它

23、运用了运放的反相加法器原理，如图1所示。当运放的增益足够高时，其反相输入端为虚地，其输出电压V0由下式决定:V0=-V(1+2+4+8)，构成的是二进制数模转换器。当然，电阻个数还可增加，以构成更多位的转换(10+20+40+80)，便可构成两位十进制BCD码数模转换器。其实，用电阻并联的方法分析，也可得出上述结论。依据上述原理构成的数模转换器的具体电路如图2、图3所示。考虑到运放输出电压范围的限制，在保持上述比例关系不变的前提下，对电阻取值进行了适当处理，其中反馈电阻R的取值可以变化，因为它并不影响转换中相互比例关系，而只影响输出电压的大小。4-5 集成数/模的内部原理图V0=-V(1+2+

24、4+8)，构成的是二进制数模转换器。当然，电阻个数还可增加，以构成更多位的转换器。(10+20+40+80)，便可构成两位十进制BCD码数模转换器。其实，用电阻并联的方法分析，也可得出上述结论。 4.2.2 I/V转换器的相关计算例如测量到的数据为：零点电流=4.25mA，满度电流=20.5mA。然后，根据最大输入电流的实际数值来求出最大输入电压：20.5mA时R10上的电压就是：20.525=512.5mV，其次求出零点电压：4.2525=106.25mV。 完成上面的简单计算后，接着，对电路的参数进行调整，零点的时候调整R15，满度的时候调整R01。按照说明提到过得，ICD的同相输入电压等

25、于零点时R10上的电压，可以求出：R15=(2500-106.25)(106.25100)=2.25K。R01=5000(512.5-106.25)-11=11.3l等于(5000是满度输出电压，512.5是满度输入电压，106.25是零点输入电压，-1是因为同相放大器会自然+1，-1是因为R02=1K)。 验算一下： 零点电流输入时，输入电压为：4.2525=(2.5100)(225+100)，结果：106.25=106.4，误差：0.0014。满度电流输入时的满度输出电压：(20.525-106.4)(1 1.311+1)=4999.09，误差：0.00018。 上面的计算和对电阻的取值都

26、省略了小数点后多于3位的数字，因为实用中已经不够现实了。就目前的数值而言，在实际应用中也可以满足许多较高精度测量的要求了。4.2.3 比较器放大倍数计算4-6电压比较器的原理图如上图所示Ui1=0.1711.05V（开度传感器输出电压），Ui2=03.9V（D/A转换输出电压），则Uo=Ui2-Ui1=0.177.04V（Ui1-Ua）/R1=（Ua-Uo）/R1，则Ua=1/2（Ui1+Uo）且Ua=Ub=Ui2/2，即Ui2/2=1/2（Ui1+Uo）故Uo= Ui2-Ui1对于放大器，有Uo=1+R2/R1。5. 可行性分析5.1经济性分析各种芯片的价格：人体红外感应模块（带延时，输出高

27、低电平）：6.3元/只；74ls192芯片：2元/片；74ls193芯片：2元/片；7448芯片：2元/片；BS201A芯片：3元/片；DAC0832芯片：3元/片；LM324芯片：2元/片；直流电机驱动芯片：5元/片；直流电机：15元/只；开度传感器：15元/只，A/V转换模块：10元每只；cmj03电源转化模块：20元/只。总价格估算：6.3*2+2*3+2+2*3+3*3+3+2+2*4+5+15+15+10+20=111.6元。所以该方案耗资低，可以进行批量生产。5.2可行性分析该方案主要运用了模拟电子技术和数字电子技术的原理和芯片进行设计，通过芯片功能分析和计算得知，该方案行。6参考

28、文献1. 杨素行.模拟电子技术.第二版.北京：高等教育出版社，19982. 阎石主编：数字电子技术.第四版.北京：高等教育出版社，19993. 潘松、黄继业.EDA技术.第二版.北京：科学出版社，20044. 潘银松.电子电路CAD.第一版.重庆：重庆大学出版社，20045. 相关网站：7.总结71设计体会这次设计我感触很深，以前的设计开始总是没有头绪，也不注重进度，导致前松后紧，设计质量不高，自己也没有多少提高。而这次设计，自己一心一意的想，一个又一个的方案被老师和自己否定掉，最后终于有了自己的思路，想出了一个可行的方案，然后以自己的方案为雏形，和同学们展开了广泛的讨论，争取了广泛的意见，最后终于制成了。此次设计是对大学以来所学电类学科的综合，运用到了多种知识，自己在设计过程中不断的温习以前学到的知识，并且不断的学习新知识，提高自己知识的综合性，同时也提高了自己根据所学知识解决实际问题的能力。此次设计，自己加深了喝同学之间的交流，增强了自己的团队意识，以及同学之间的合作意识了，取长补短，认识不足，学习先进。7.2 特别鸣谢此次设计中，指导教师扶新老师给予了很多改进意见，同时同学龚天诚，同学谢磊，同学王文浩在方案和电路的改进上提供了很多资料和帮助，在此，给予特别鸣谢！附录：电路设计的总电路图