毕业设计（论文）
《基于单片机红外线自动控制水龙头的设计与实
现》
专业（系）电气工程系
班级车辆电子111班
学生姓名钟宇轩
指导老师谢永超
完成日期2013年11月
毕业设计任务书
一、设计课题：红外线控制自动水龙头的设计与制作
设计并制作一个红外线控制自动水龙头，实现对水龙头的自动控制。
二、指导老师：谢永超
三、要求
1．基本要求
（1）用红外线检测，当有人靠近（10CM）水龙头时，自动出水；
（2）人远离水龙头时，停在出水；
（3）水龙头采用电子阀门控制的水龙头；
（4）画出完整的电路原理图并制作实物。
2、设计内容与要求
⑴绘制系统组成框图，确定设计方案；
⑵了解电路所需集成芯片的功能，参数和工作原理；
⑶绘制整机电路图；
⑷制作实物并完成软、硬件调试；
⑸提交毕业设计论文。
四、设计参考书
《模拟电子技术》、《高频电子技术》、《电子设计自动化技术》、《数字电路设计方法》、《电子装置的设计》、《单片机原理及应用》、《传感器与检测技术》五、设计说明书要求
封面：包括设计题目，班级，姓名，指导老师，完成时间
目录：根据说明书的内容决定，一般采用2~3级。
设计任务书：包括课题名称、目的、用途、主要技术性能指标(参照教材目录编排)。
中文题目、摘要、关键词；英文题目、摘要、关键词。
正文：设计方案框图及电路工作原理：包括系统方框图，电气原理图，各单元电路的设计，简述主要部件（包括主要集成电路）的工作原理、工作条件、给定参数、理论公式及详细的计算步骤、计算结果。这是说明书的主要部分。
元件参数表：包括所选用的元器件名称、参数、型号。
调试方案：包括调试的条件、方法、使用仪器设备的型号，并对测试数据进行分析。
设计心得：包括对本课程设计的客观评价、设计特点、存在的问题以及改进意见等。
参考文献：包括作者、署名、出版地、出版年等
六、设计进程安排
第1周：资料准备与借阅，了解课题思路。
第2-3周：设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿。
第4-6周：进行毕业设计，完成说明书初稿。
第7周：第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。
第8周：毕业答辩与综合成绩评定。
七、毕业设计答辩及论文要求
1.毕业设计答辩要求
答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。
学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。
答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。
2．毕业设计论文要求
文字要求：说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。
图纸要求：按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。
曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。
目录
第一章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 国内外发展方向及现状 (1)
1.3 背景及意义 (2)
第二章方案论证与设计 (4)
2.1 传感器 (4)
2.1.1 方案一CCD图像传感器 (4)
2.1.2 方案二电容式传感器 (4)
2.1.3 方案三超声波传感器 (5)
2.1.4 方案四光电传感器 (5)
2.2电源的选择 (6)
2.2.1方案一电池供电 (6)
2.2.2方案二电源变压器供电 (7)
2.3继电器的选择 (7)
2.3.1DC-5V方案一电磁式继电器 (7)
2.3.2DC-12V方案二电磁式继电器 (7)
2.4方案确定 (7)
第三章红外线控制水龙头电路设计 (8)
3.1变压器 (8)
3.1.1简介 (8)
3.1.2基本构成 (9)
3.2串联型直流稳压电源 (10)
3.2.1串联型直流稳压电源电路原理图 (10)
3.3单片机最小系统 (15)
3.3.1概述 (15)
3.3.2主要性能参数 (15)
3.3.3管脚功能说明 (16)
3.3.4单片机外围接口电路 (18)
3.4继电器电路 (19)
3.4.1概述 (19)
3.4.2电磁式继电器的介绍 (19)
3.4.3继电器电路原理图 (20)
3.5光电传感器 (20)
3.6电路硬件框图 (23)
第四章软件设计 (24)
4.1 软件程序 (24)
4.2软件流程图 (25)
第五章硬件电路调试 (26)
5.1使用器材 (26)
5.2调试结果 (26)
5.3误差分析 (26)
第六章使用说明 (27)
6.1实物使用说明 (27)
第七章心得体会 (28)
参考文献 (29)
摘要
本文介绍的全自动感应水龙头基于红外线反射原理，由红外发射电路、红外接收放大电路、控制电路、电磁阀、电源等组成。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打开水源；反之则自动关闭水源。与传统供水设施相比，能够提高水资源的使用效率。使用方便，且由于不需要用手接触水龙头，避免了病菌的传播。系统电路设计简单实用，可以广泛用于商场、学校、办公大楼等人员密集场所。
【关键词】传感器；红外线；自动控制
Abstract
The fully-automatic faucet described in this paper is fabricated based on the application of infrared reflectance technology, it is consist of infrared emission circuit, infrared receiving, amplifier circuit, control circuit, solenoid valve, power supply, etc. When people or things are around, control signal will be generated automatically, then the relay operates, energizing the solenoid valve to pull in and start to supply water; otherwise water will be shut off. It is simple in design and easy to use. Comparing with traditional faucets, it is also water-saving. Fully-automatic tap is more convenient and artistic, and it enables the users to wash their hands directly without touching the tap, avoiding the transmission of germs. It can be widely used into people-intensive sites such as shopping malls, schools and office blocks.
【Key words】 sensor, infrared, automatic control
第一章绪论
1.1 引言
我们知道21世纪电子技术发展的非常迅猛，尤其是数字系统正朝着速度快、容量大、体积重量轻的方向发展。在数字系统的推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，在生活中也是随处可见。比如手机、电脑、和摄像机等，实在是太多了。电子产品提高我们的生活节奏，提高工作效率，给我们带来了很多娱乐活动，给我们带来了欢笑，也给我们带来了快乐。
其不但使用非常的方便，而且测试非常精准。又有较强的抗干扰性和使用寿命。它也可在强光下工作，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、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。
本论文设计为《红外线自动控制水龙头》。采用的是漫反射红外传感器，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
红外技术已广泛应用于陆、海、空各军兵种，其中红外成像精确制导是各国红外技术应用的主流方向之一。红外成像制导技术是由美国人从60年代初开始研创。有资料统计，在过去的20年里，世界范围内多次的局部战争和有限军事冲突中，被导弹击中的飞机中有90%是被红外制导导弹击落的, 有85%的地面和海上目标是被有红外制导能力的武器系统所击中。
红外制导技术的扩展应用领域相当宽广，大量装备的还有阵地型、机载型、舰载型和星载型制导火控系统和预告警系统。这些地面系统由于基本不受体积、
重量、造型和时效性的严格限制，又有人工参与进行维护和参数的现场设置。
在欧、美发达国家，非消耗性红外成像制导（指挥、预警和火控）系统的列装率较高，几乎军用（警用）舰船上、飞机上、战车上和重要的地面阵地都装备了大量的红外成像设备，并发挥了相当重要的作用。
单兵武器更是一个广大的市场，目前全球军队数量约为2000万人，如果10%的军队按每个士兵配备具红外热像仪，每具红外热像仪按2000美元（目前售价约为1万美元）计算，全球单兵军用红外热像仪市场需求总量即可达40亿美元。
根据国际光学学会（SPIE）估计，目前全球军用红外热像仪的实际年需求至少为30 亿美元。
根据美国Maxtech International 发布的红外市场报告， 2006年全球民用红外热像仪的销售额为16.3亿美元，几年来，全球民用红外热像仪市场需求年均增长率已超过了15%，预计2010 年全球民用红外热像仪市场供给将达到28亿美元。
全球民用红外热像仪市场的供给和需求趋势
由于红外技术具有很高的军用和民用价值，近年来国外主要厂家纷纷在核心器件及系统产品的产业化进程中加大投入和研发的力度。
FLIR 公司、L-3 公司、FLUKE 公司、SOFRADIR/ULIS 公司、NEC 公司是民用热像仪领域较强的竞争者。
FLIR 公司是民用领域竞争实力最强的红外热像仪公司，2006年，FILR公司取得了宝马汽车公司为其新款7系列轿车配备的红外热像仪订单，并获得了美国政府35万台的出口许可申请，该公司的vo2非制冷红外成像器在国内市场占有很大份额。
1.3 背景及意义
许多人把地球想象为一个蔚蓝色的星球，其72%的表面积覆盖水。其实，地球上97.5%的水是咸水，只有2.5%是淡水。而在淡水中，将近70%冻结在南极和格陵兰的冰盖中，其余的大部分是土壤中的水分或是深层地下水，难以供人类开采使用。江河、湖泊、水库及浅层地下水等来源的水较易于开采供人类直接使用，但其数量不足世界淡水的1%，约占地球上全部水的0.007%。全球每年水资源降落在大陆上的降水量约为110万亿立方米，扣除大气蒸发和被植物吸收的水量，世界上江河径流量约为42.7万亿立方米，按1995年的世界人口计算，每人每年可获得的平均水量为7300立方米。
由于世界人口不断增加，这一平均数已较1970年下降了37%。 80年代后期全球淡水实际利用的数量大约每年3000亿立方米，占可利用总量的1-3%，但是随着人口的增长及人均收入的增加，人们对水资源的消耗量也以亿合计数增长。我们要加强保护水资源意识，不要让最后一滴水成为我们的眼泪！
可见节约用水是多么的重要，本设计在一定的意义上就可以起到节约用水的作用。当然它也为我们的生活带来了更大的方便。
第二章方案论证与设计
2.1 传感器
根据我的所学以及对从网上查阅的资料，对于红外线传感器主要分为有以下4种方案：
方案一、CCD图像传感器。
方案二、电容式传感器。
方案三、超声波传感器。
方案四、光电传感器。
2.1.1 方案一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 方案二电容式传感器
它是一种把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA／
δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高,过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。
2.1.3 方案三超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。
2.1.4 方案四光电传感器
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。
2.2电源的选择
方案一：采用电池供电。
方案二：电源变压器供电。
2.2.1方案一电池供电
本设计为《基于单片机红外线自动控制水龙头的设计与实现》。根据实物设计要提供两个电源，一个5V直流电源和一个12V的直流电源。5V提供给单片机供电，12V提供给光电开关供电。如果我们选用电池供电，也就是说要选用两个电源。5V的电池我们还好解决，但是12V的电池就比较难找到了，除非提供一个12V的直流移动电源。这样的话经济上面就不划算了。并且用电池供电还要考虑电池的电量，当电量过低时，就要及时更换。当然它也有方便携带的优点。
2.2.2方案二电源变压器供电
采用电源变压器供电，无疑对于我们的设计是非常有好处的。前面就提到过本设计需要两个电源，我们只需要接一个12V交流变压器，将220V的电压降低到12V。然后再接一个串联型直流稳压电路，就可以得到一个12V的直流电。最后再接一个7805稳压管就可以得到5V的直流电，这样我们就解决了需要两个电源供电的问题。
2.3继电器的选择
方案一DC-5V电磁式继电器
方案二DC-12V电磁式继电器
2.3.1DC-5V方案一电磁式继电器
DC-5V电磁式继电器，可以直接连接在单片机上。因为只需要一个5V的直流电压就可以使其工作，并且可以用单片机控制。
2.3.2DC-12V方案二电磁式继电器
根据我们的实物设计我们拥有两个电源，一个为12V的直流电源，还有一个是5V的直流电源。当然我们可以用12V的直流电源给DC-12V电磁式继电器供电，但是却不能被单片机控制。并且价格比DC-5V电磁式继电器昂贵，耗能也高。所以我们选择的是DC-5V的电磁式继电器。
2.4方案确定
在传感器的方面由上可知,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，我选择了第四种方案——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。在电源电路的选择上，比较以上两个方案可以明显看到方案二的优点，所以我选择了第二种方案。在电磁式继电器的选择上，因为经济和耗能因素，所以我选择第一种方案。
第三章红外线控制水龙头电路设计
本设计为《红外线自动控制水龙头的设计与实现》。我们主要运用到五个方面：（1）、变压器。（2）、串联型直流稳压电源。（3）、单片机最小系统。（4）、继电器电路。（5）、漫反射红外线传感器。
3.1变压器
3.1.1简介
变压器在电器设备和无线电路中，变压器常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。变压器的最基本形式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。随着变压器行业的不断发展，越来越多的企业进入变压器行业，也有很多企业脱颖而出，例如鸣远变压器始创于21世纪初由合资股份组建一家专业致力变压器、电抗器、滤波器等研发、生产厂家，经过近十年发展现已成为行业为数不多先进技术引领者和开拓者。主要产品有：变压器系列（单相、三相电源变压器、单相及三相自耦变压器，机床控制变压器，启动自耦变压器，节能变压器，斯考特变压器，三相变单相，单相变三相，UPS变压器等非标变压器）、电抗器系列（变频器用输入、输出电抗器、直流平波电抗器、串并联电抗器，滤波电抗器，空心电抗器等）、滤波器系列（变频器专用输入滤波器、输出滤波器，正弦波滤波器）产品广泛用电力，冶金，纺织，机械，风电，钢铁等行业，深受客户好评。当一交流电流（具有某一已知频率）流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。一般指连接交流电源的线圈称之为一次线圈；而跨于此线圈的电压称之为一次电压。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈间的匝数比所决定的。因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。我们在这里用到的是降压变压器。
3.1.2基本构成
一个变压器通常包括：两组或以上的线圈：以输入交流电电流与输出感应电流。一圈金属芯：它把互感的磁场与线圈耦合在一起。
变压器一般运行在低频、导线围绕铁芯缠绕成绕组。虽然铁芯会造成一部分能量的损失，但这有助于将磁场限定在变压器内部，并提高效率。电力变压器按照铁芯和绕组的结构分为芯式结构和壳式结构，以及按照磁通的分支数目（三相变压器有3，4或5个分支）分类。它们的性能各不相同。
变压器通常采用硅钢材料的铁芯作为主磁路。这样可以使线圈中磁场更加集中，变压器更加紧凑。电力变压器的铁芯在设计的时候必须保防止达到磁路饱和，有时需要在磁路中设计一些气隙减少饱和。实际使用的变压器铁芯采用非常薄，电阻较大的硅钢片叠压而成。这样可以减少每层涡流带来的损耗和产生的热量。电力变压器和音频电路有相似之处。典型分层铁芯一般为E和I字母的形状，称作“EI变压器”。这种铁芯的一个问题就是当断电之后铁芯中会保持剩磁。当再次加电后，剩磁会造成铁芯暂时饱和。对于一些容量超过数百瓦的变压器会造成的严重后果，如果没有采用限流电路，涌流可造成主熔断器熔断。更严重的是，对于大型电力变压器，涌流可造成主绕组变形、损害。
在如开关电源之类的高频电路中，有时使用具有较高的磁导率和电阻率的铁磁材料粉末铁芯。在更高的频率下，需要使用绝缘体导磁材料，常见的有各种称作铁素体的陶瓷材料。在一些调频无线电电路中的一些变压器铁芯采用可调铁芯，来配合耦合电路达到谐振。
线圈线圈由电磁线所构成，用于环绕铁蕊，藉以通电产生磁场，或是经由磁场产生感应电流。