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1、精选优质文档-倾情为你奉上HUBEI NORMAL UNIVERSITY嵌入式课程设计 -智能节水洁具系统设计报告成员姓名杜佳圆、徐泽敏、叶新义指导教师熊旭辉专业与班级物联网工程1304班完成时间2015.7.9湖北师范学院计算机科学与技术学院摘 要 水资源是不可缺少的，节约用水是一种美德。我们所见基本上是普通的水龙头，但是往往我们也可以发现，当我们因为急事而忘了关水龙头会使水一直流，从而浪费很多水。水是我们的生命之源，无论在干旱或者水米之乡。所以本设计是可以不浪费水，方便了我们，也为那些容易忘记关水的人使用。 本论文设计一种水龙头智能节水开关的设计。此电路兼具设计简单、操作性强等优点，传统水
2、龙头容易浪费水资源，违背了现代社会追求“绿色低碳”目标，在这基础上，设计了自动供水电路，不但可以节约用水，而且还降低了自然、社会、财富。此设计采用红外式自动控制水龙头，实现智能节水。红外式自动控制水龙头由红外发射电路、红外接收放大电路、控制电路、电磁阀、电源组成。当人或事物靠近时，自动产生控制信号继电器动作，使电磁阀得电吸合放水的功能。大大的扩展了原先水龙头的功能。因此，研究红外自动水龙头及扩大其应用，有着非常现实的意义。 关键字：传感器；红外线；自动控制 ；AbstractWater resources are indispensable, and water conservation is
3、 a virtue. We can see that we are basically ordinary tap water, but often we can also find that when we have to forget about the water because of a hurry to turn off the tap water, and thus waste a lot of water. Water is the source of our life, whether in drought or water meter. So this design is no
4、t a waste of water, convenient for us, but also for those who easily forget the use of water.The design of the intelligent water saving switch of the tap is designed in this paper. Both the circuit design is simple, operation is strong wait for an advantage, the traditional faucet easy to waste wate
5、r, contrary to the modern society the pursuit of green low carbon goal, on the basis of this, automatic water supply circuit design, not only can save water, but also reduced the natural, social, and wealth. This design uses infrared type automatic control tap, realizes the intelligent water saving.
6、 Infrared automatic control tap by infrared emission circuit, infrared receiver amplifier circuit, control circuit, solenoid valve, power supply. When people or things close, automatically generates a control signal relay, the solenoid valve is energized to pull in water function. Greatly expanded t
7、he function of the original faucet. Therefore, it is very realistic to study the infrared automatic tap and expand its application. Key words: sensor; infrared; automatic control目 录专心-专注-专业第一章 绪论1.1 智能节水的背景水资源虽然是可再生的但是我们如果不注意保护，肆意的浪费水资源，那么恐怕最后的结果真的会像是有些文章里面所说的地球上最后一滴水会是人类的眼泪。水资源是不可缺少的，没有水不管人或事物都不能存活
8、。节约用水是一种美德。普通水龙头当然也是一种选择，但是如果人们有急事却忘了关水会使水一直流，从而会浪费很多水。要是在干旱的地区水就犹如他们的生命。所以本设计一种可以不会浪费水，专门为那些容易忘记关水的人使用。节约水是一种美德，在提高人们意识的同时，在相关的硬件措施上也进行改进，基于此，就是课题的来源。1.2 智能节水的目的和意义 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。红外线安装方便、灵
9、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，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。1.3 国内外发展方向及现状1.3.1国外的发展现状(1)节约工业
10、用水是节水的重点城市中工业用水量的比重逐年增加。2000年世界各国的工业需水量约占世界总需水量的25%。为了解决水资源不足的问题，许多国家和城市把节约用水作为节水的重点。主要措施是重复利用工业内部已使用过的水，即一水多用。美国制造工业的水重复利用次数，1985年为8.63次，2000年达到17.08次4。因此到2000年美国制造工业的需水量不但不增加，反而比1978年的需水量减少45%。而美国工业总需水量由1975年2033亿m3降至2000年的1528亿m3。（2） 重复利用污、废水已成为替代水源的一个重要途径。目前，国外有不少城市把处理过的城市污水和废水回用到各个方面，已成为替代水源的一个
11、重要途径。城市污水经二级或三级处理净化后进行回收利用，例如用于冲厕所、浇灌绿化带，作为工业和商业设施的冷却水，也可作为人工补给地下水的水源5。（3） 采用节水型家用设备是城市节约用水的重点从一些国家的家庭用水调查来看，洗衣、冲洗厕所、洗澡等用水占家庭用水的80%左右。改进卫生设施，采用节水型家用设备是城市节约用水的重点。节水产品的使用是非常有效的节水措施，既节约了用水又减少了用水费用的开支。（4） 加强管道检漏工作，避免城市供水的不必要损失节水的前提是防止漏损，最大的漏损途径是管道。自来水管道漏损率一般都在10%左右。根据美国东部、拉丁美洲、欧洲和亚洲等许多城市的统计，供水管路的漏水量占供水量
12、的25%以上。因此把降低供水管网系统的漏损水量作为供水企业的主要任务之一来对待。（5） 采取经济措施来促进节约用水当今世界各国已颁布了许多法规，严格实行限制供水，对违者进行不同程度的罚款处理。许多城市通过制订水价政策来促进高效率用水，偿还工程投资和支付维护管理费用。国外比较流行的是采用累进制水价和高峰用水价。（6） 依靠科技进步是城市节水工作的根本途径国外很重视关键的节水技术、设备的开发、节水器具的改进、提高、旧设备、旧工艺的改造等方面的科学技术的应用研究，依靠科技进步进一步提升城市节水工作。1.3.2 国内的发展现状国内的节水运动始于20世纪80年代初期，经过近20年的努力，取得了较大进展。
13、（1）设置了一些相关法规（2）设置了相关的主管机构国务院城市建设行政主管部门主管全国城市供水工作和主管全国的城市节约用水工作。（3）国内工业节水技术鉴于大量工业废水除少数污染很严重外，大部分经简单处理后可重复使用，因此工业节水也是国内城市节水的重点。1990年我国城市工业万元产值取水量为245m3/万元，2004年已降至196m3/万元，但从整体来看，工业用水水平还比较低，同发达国家的2030m3/万元相比差距很大。在具体节水技术中，国内主要注重重复用水技术，包括冷却水的循环节水、一般循环水节水（指循序用水、闭路用水等）和工艺节水（包括冷却工艺改革、无水少水工艺等），这些技术在火电、钢铁、石化
14、、化工、印染、造纸等行业都有成功应用的范例。 （4）国内生活用水节水目前国内主要节水措施有：水表安装与计量。采用节水型器具，包括节水型水嘴、节水型便器、节水型便器系统、节水型便器冲洗阀、节水型淋浴器、节水型洗衣机等。城市节水灌溉。随着人民生活水平的提高，城市绿化面积不断增加，城市灌溉用水量逐年增长。目前我国着重推广喷灌、微喷灌和滴灌等新技术，比原来的地面灌节水30%50%，同时节省了大量劳力。城市污水回用技术（中水技术）。通过污水回用，可以在现有供水量不变的情况下，使城镇的可用水量增加50以上。国内外的实践经验表明，城市污水的再生利用是开源节流、减轻水体污染、改善生态环境、解决城市缺水的有效途
15、径之一，不仅技术可行，而且经济合理。减少管网的漏损率。供水管网的漏损是城市供水过程中水损失的一个重要方面，由于城市管网老旧，漏损严重，既会造成水的损失，同时有可能会对地质环境造成安全事故。利用价格杠杆，调整水价，促进节水工作。根据城市供水价格管理办法和有关规定，合理调整城市供水价格，在满足居民的基本用水要求的前提下超定额用水实行累进加价，鼓励居民选用节水器具、废水再利用的自觉性8。第二章 系统的基本组成2.1 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2-1所
16、示。图2-1 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
17、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。2.2 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2-2所示。 图2-2 系统组成方框图第三章 系统的工作原理3. 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. 2 红外线水龙头控制电路工作原理工作原理：发射电路中，多谐振荡器由IC（555）和R0.R1和C7等组成。其振荡频率
18、为f=1.44/（R0+2R1）C7，振荡输出信号驱动TLN104型的LED1LED3工作，从而产生红外脉冲调制波。接收电路中红外接受头D1.D2与发射中的发射管相匹配，采用TLN104型。红外脉冲调制经D1.D2接收管转换成电信号，经C1藕合至LM741，再经C2输入到LM567的第3管脚，经识别译码，使得中心频率f=1/1.1R6C3与红外调制频率40KHZ一致，使第8管脚输出为低电平，又经反相后，驱动VT2导通，继电器因控制有信号触发而有交流输出。当有人洗手将红外光束遮挡时，相应的D1.D2因接收到光信号而进行光电转换，从而使LM567因有信号输入而在第8脚输出为低点平，经反相VT2导通
19、，继电器吸合，交流电压被接通，从而使水龙头的电池阀动作，水源打开。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
20、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3-1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13是非线性的如图3-2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。 图3-1 红外发射接收原理图 图3-2 光强度相应曲线图第四章 电源电路的设计4.1电源的功能电源的功能就是为各元器件的正常工作提供直流电源。根据设计要求组成电路的主要部分有555构成的多谐振荡器，其工作电压为4.5V-18
21、V，放大电路与红外发射管相匹配的光敏二极管PH302接收，其工作电压为4.5V-18V，阀门开关控制电路是由NE576音频译码器15和晶体管组成，其工作电压为4.5V-17V，电池阀9V-12V，由此可知，电源电压应为9V使电路正常工作。4. 2 电源的组成电源由变压器、整流桥、滤波器和稳压器组成。变压器把220V交流电压(市电)变为稳压所需的低压交流电；整流器把低压交流成分滤除；在经过滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。4.2.1 变压器变压器的作用是将220V 50HZ交流电变为整流滤波所需的交流电压。在该设计中，需要把220V的交流电变为9V交流电，变压器匝数比n=
22、原边匝数/副边匝数=25。.4.2.2 整流滤波电路整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经过滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹成分较小的直流电压。整流通常有半波整流和全波整流。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。4.2.3 稳压电路 经整流滤波输出的电压通常不稳定的，不能直接对系统供电，因此需要经过稳压电路将电压稳定到系统所需要的要求。 对稳压电路都应从两个方面考察其稳定特性，一是设电网电压波动，研究起输出电压是否稳压；二是设负载变化，研究输出电压是否稳定。 直流稳压电路分为串联型稳压电路和开关型稳压电路，该设计采用串联型稳压电路。稳压器一般包括单管稳压器和集成稳压器。常
23、用的集成稳压器有固定式三端稳压器和可调式三端稳压器。4.3 电路分析电路为输出电压+5V，输出电流1.5A稳压电源。它的电压变压器B，桥式整流电路D1D4，滤波电容C1.C3，防止自激电路C2、C3和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便的搭成。200v交流电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1D4 和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形式一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。此直流电压经过LM7805的稳压22和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生精度高，稳定性好的直流输出电压。
24、稳压电源电路（如图4-1所示）。图4-1 稳压电源电路第五章 红外发射和振荡器电路的设计5.1红外发射电路的原理 图5-1 红外线发射电路原理图 555内部原理图红外线发射电路的功能:NE555组成的多谐振荡电路驱动红外发射管向外发射红外线。 红外线发射器是由NE555电路组成的多谐振荡器，其振荡频率由R1、R2、C1决定，我们可以通过调节R1、R2、C1的大小来调节出所需的频率。由多谐振荡器产生的脉冲信号由3脚输出，通过红外线发射管SE303向外发射红外线，从而产生红外线信号。 上表是NE555的极限参数，不同的封装形式及不同的生产厂商的器件这些参数不同，极限参数是指在不损坏器件的情况下，厂
25、商保证 的界限，并非可以工作的条件，如果超过某一环境下使用，安全性不被保障。5.2振荡器电路的设计振荡电路是一种不需要外接输入信号就能将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出的电路（如图5-2所示）。（a）电路图 （b）工作波形图5-2 由定时器构成的多谐振荡器由于555内部比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，这时振荡频率受电源的温度变化的影响较小。故只需通过调节R1的阻值来改变f来使其为1Hz的秒脉冲信号，作为闸门信号。第六章 红外接收控制及放大电路的设计6.1红外接收控制的原理该电路是用小型一体化红外接收/解调块接受头SFM506-38和锁相环电路。它具有体积小，
26、无需外部元件、抗光电干扰性能好，接受角度宽、功耗低、灵敏度高等优点。LM567、开关放大电路VT9013、固态继电器TAC08、电磁阀构成控制电路。图6-1 接收解调控制电路LM567是1片锁相环音频解码电路，采用8脚双列直插塑封，3脚为信号输入端，其工作频率由5、6脚上的阻容元件决定，8脚为逻辑输出端28。IC2与R7、C12组成振荡器，R7、C12决定IC2内部压控振荡器的中心频率，LM567的3脚为信号端，8脚为逻辑输出端，该输出是1个集电极开路的晶体管输出，最大灌电流为100mA，LM567的工作电压为4759V，工作频率01Hz500kHz，静态工作电流为8mA。当无人洗手时，IC1
27、接受到发射电路的红外脉冲经放大输出到IC2的3脚后，IC2的8脚就会输出低电平，三极管VT1截止，继电器K断电处于释放状态，电磁阀Y不动作，水龙头无自来水放出。当手放到水龙头下时，IC1不能接受红外线，IC2的3脚无信号输入，8脚输出高电平，使得VT1导通，继电器K吸合，使其常开触点闭合，接通电磁阀Y的220VAC，Y开始动作，使水龙头放出自来水，同时LED发出绿光，指示水龙头正工作于放水状态。洗涤完毕，手离开水龙头后，停止放水。SFM506-38地内部原理图如图6-2所示。图6-2 SFM506-38的内部原理图6.2放大电路的设计电压放大电路采用LM741集成运算放大器，（如图3-5所示）
28、。LM741是高性能内补偿运算放大器，功耗低，无需外部频率补偿，具有短路保护和失调电压调零能力。6.2.1 LM741的管脚功能LM741的管脚功能是：1脚为调零端，2脚为反相输入端，3脚为同相输入端，4脚为负电源端，5脚为调零端，6脚为输出端，7脚为正电源端，8脚为空脚端。此引脚图如图6-3所示，内部原理图如图6-4所示。图6-3 LM741集成运算放大器图6-4 LM741引脚功能图图6-5 内部原理图6.2.2 红外线放大器工作原理图6-6 放大器的工作原理 红外线放大器由红外线接收器PN302和晶体管VT1、VT2组成的电压放大器。红外线接收器将接收到的信号通过C3耦合到放大电路的第一
29、级，VT1与R1组成电压负反馈放大电路，由VT1放大后的信号通过C4O耦合到VT2作为进一步放大。第七章 单元电路的设计7.1音调译码器的设计音调译码器采用LM576SUO锁相环电路，锁相环内则包含一个电流控制振荡器(CCO)、一个鉴相器和一个反馈滤波器，此音调解码块包含一个稳定的锁相环路和一个晶体管开关，当在此集成块的输入端加上所先定的音频时，即可产生一个接地方波。当输入信号与通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。7.1.1 音调译码器的用途主要是用于振荡、调制、解调和遥控编、译码电路。
30、如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。LM567的基本工作状况有如一个低压电源开关，当其接收到一个位于所选定的窄频带内的输入音调时，开关就接通。通用的LM567还可以用做可变波形发生器或通用锁相环电路。当其用作音调控制开关时，所检测的中心频率可以设定于0.1至500KHz内的任何值，检测带宽可以设定在中心频率14%内的任何值。而且，输出开关延迟可以通过选择外电阻和电容在一个宽时间范围内改变。7.1.2 LM567的管脚功能LM567的管脚功能是：1脚为输出滤波，2脚为回路滤波，3脚为输入端，4脚为正电源端（电压值需最小为4.75V，最大为9V），5脚为定时电阻端，6脚为定时电容端，7脚为
31、接地端，8脚为输出端。LM567的引脚功能图如图7-1所示。LM567的内部原理图如图7-2所示。 图7-1 LM567的引脚功能图图7-2 LM567的内部电路图7.1.3 LM576芯片的使用 LM576为通用音调译码器，主用外接电阻20比1范围，逻辑兼容输出具有吸收100mA电流吸收能力。它的技术指标：1.可调带宽从0%至14%；2.宽信号输出与噪声的高抑制；3.对假信号的抗干扰；4.高稳定的中心频率；5.中心频率调节从0.01Hz到500kHz；6.电源电压5-15V，推荐使用8V。应用举例：输入端接104电容，输出端接上拉电阻10K，C1、C2为1uF。R1、C1决定振荡频率，一般C
32、1为104电容，R1为10K-200K。电源电压为8V图7-3 音频译码器7.1.4 LM567调制传感器LM567是一种比较廉价的音频锁相环集成电路，利用它可以构造性能较好的反射式光电传感器如图7-4所示。图7-4 LM567传感器原理图（一）由LM567的内部振荡器提供方波信号，点亮探头的LED，由探头的光敏管接收反射光。经三极管放大，转换成电压信号后送到LM567的内部鉴相器2同步调解，然后由LM567内部的比较器转换为数字输出并联负反馈放大电路有若稳定的增益和低的输入阻抗，能消除光敏管电容的影响，获得良好的高频特性。这个电路的缺点是当多个探头同时使用时因为频率接近，一旦相邻单元的光斑出
33、现部分重合就会有干扰造成输出抖动，另外567输出鉴相器参考信号是从振荡电容端引出的，与发射和接收信号几乎是正交的，解调效率非常低，前级需要高倍放大。为了解决上述多个探头临近的问题，在使用多组传感器时，做了以下改动，如图7-5所示：单独用一个单元（图中右边的567）作振荡，给其余四个单元（图中只画了一个）提供同步的时钟信号，消除了差拍问题。而且时钟信号既接到振荡电容端又用来控制输出放大管点亮探头照明的LED，使得参考信号与发射和接收信号的相差非常小，调节效率大大提高，最大探测距离有所增加。7-6 LM567传感器原理图（二）7.2 三端稳压器三端稳压器是一种标准化，系列化的通用线性的稳压电源集成
34、电路，以其体积小成本低性能好，工作可靠性高等特点，成为目前稳压电源中应用最广泛的一种单片式集成稳压器件。三端稳压器的工作原理如图7-7所示。原它与一般分立元件组成的串联式的稳压电路基本相似的.不同的是增加了启动电路,保护电路和恒流源。启动电路是为恒流源建立工作点而设置的.恒流源设置在基准电压形成和误差放大器电路中，是为了使稳压器能够在比较大的电压变化范围内正常可靠的工作。在芯片内设置了两种较为完善的保护电路：一是过流保护，一是过热保护Rsc是过流保护的取样电阻。Ri，Rb 为输出采样电阻。Rb 两端上的电压（反映输出电压的大小的采样电压）与基准电压在误差放大器中进行比较和放大，产生误差电压，去
35、控制调整管的工作状态，从而稳定输出电压。图7-7 三端稳压器框图7.3电磁阀追溯电磁阀的发展史，到目前为止，国内外的电磁阀从原理上分为三大类(即直动式、分步直动式、先导式)，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又为6个分支小类(直动膜片结构、分布重片结构、先导模式结构、直动活塞结构、分布直动活塞结构、先导活塞结构)41。电磁阀的工作原理：电磁阀里有密闭的腔，在不同的位置开有通孔，每一个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸
36、的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动42。7.3.1 电磁阀的分类(1)直动式电磁阀它的原理是：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点是：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm(2)分布直动式电磁阀它的原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升。上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导
37、阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。其特点是在零压差或真空、高压时也能可靠动作，但功率较大，要求必须水平安装。(3)先导式电磁阀： 它的原理是：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，推动关闭件向下 ，关闭阀门。其特点：流体压力范围上限很高，但必须满足流体压差条件。7.3.2 电磁阀门控制电路工作原理 图7-8 电磁阀门控制电路的框图IC2作为电磁水阀门的控制电路，它是由音译译码器LM576组成的。在这里用作选频
38、电路，将电压放大器输出的信号脉冲进行选频，一排除信号中的干扰信号，防止电路被误触发。IC2的选频频率由RP决定，可通过调节RP的大小来调节IC2的选频频率，当其输入脉冲频率与其选频频率相等时，其输出端8输出低电平，否则输出高电平。7.4 元器件的选取方案7.4.1 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。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，大；4.响应速度
39、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C
40、CD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.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A，式中为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,为两电极之间的距离。、A、 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
41、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。3.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
42、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。4. 光电传感器光电传感器是
43、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
44、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
45、见的，便于对检测物体的位置进行调整。因此,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。7.4. 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
46、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
47、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）砷化镓红外高，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高，30%氮化镓从纯绿到紫外高，20%7.4.3 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