红外线自动控制水龙头毕业设计(论文).doc

四川理工学院成人教育学院毕业设计（论文）

课 目 红外线自动控制水龙头

四川理工学院成人教育学院
毕业设计（论文）任务书
学生姓名

专业
机电一体化技术
班级

设计（论文）题目
红外线自动控制水龙头
任务从 2013年4月9日 至 2013年6月7日 结束
批准日期
2013年 4 月 9日
答辩委员会主任（签名）

接受任务日期
2013年4 月 9 日
完成任务日期
年 月
指导老师（签名）

指导教师单位
四川省盐业学校
设计（论文）内容目标
结合实际生活情况，和所学课程相关知识，了解此系统现生产的基本过程和主要设备的结构知识。通过对自动水龙头设计，进一步掌握机电设计的一般过程和方法，巩固加深和扩展有关电路设计的理论知识，提高对机电设计总则的认识，提高学生分析问题和解决问题的能力。

设计（论文）要求
1、 电路电源在36V以下
2、 感应距离达到5cm
3、 分析清楚各组成方框原理
4、 元件选择合理
5、 附设计电路总图
参考资料
郭维芹主编：《模拟电子技术》，北京，科学出版社，1993
徐惠民.数字电路与逻辑设计 [M].北京.人民邮电出版社, 1995
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曾兴雯.高频电路原理与分析 [M].西安.西安电子科技大学出版社, 2000
何希才.大规模集成电路设计 [M].北京.高等教育出版社, 2006
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李明生.电子测量与仪器.北京.高等教育出版社, 2004
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百度百科

目 录
摘要 1
第一章 绪论 错误！未定义书签。
1.1 世界水资源状况……… 3
1.2 水龙头……… 3
1.2.1. 普通水龙头特点……… 3
1.2.2. 红外全自动水龙头特点……… 3
1.3红外线简介及国内外发展方向及现状……… 4
第二章 红外线控制自动水龙头系统设计 5
2.1 构成及传感器控制……… 5
2.1.1 系统组成方框图…… 5
3. 元器件 6
3.1 电源…… 6
3.1.1 电源功能…… 6
3.1.2 电源的组成…… 6
3.1.3 电源变压器…… 6
3.2 电磁阀…… 7
3.2.1 直动式电磁阀…… 7
3.2.2 分布直动式电磁阀…… 7
3.2.3 先导式电磁阀…… 7
3.2.4 电磁阀的选用及其要求…… 7
4. 电路设计 8
4.1 电源电路…… 8
4.1.1 整流滤波电路…… 8
4.1.2 稳压电路…… 8
4.1.3 稳压电源技术指标…… 8
4.1.4 稳压电源的选用…… 9
4.2 红外发射、接收和放大电路…… 10
4.3 控制电路…… 12
4.3.1 译码电路设计——音频译码器LM567…… 12
4.3.2 延时电路设计——555元器件…… 14
4.3.3 驱动电路设计——固态继电器…… 18
4.3.4 红外线控制自动水龙头的工作原理…… 19
致 谢 21
参考文献 22

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 水龙头

第一章 绪论
1.1世界水资源状况
地球表面的72%被水覆盖，但淡水资源仅占所有水资源的0.5%，近70%的淡水固定在南极和格陵兰的冰层中，其余多为土壤水分或深层地下水，不能被人类利用。地球上只有不到1%的淡水或约0.007%的水可为人类直接利用，而中国人均淡水资源只占世界人均淡水资源的四分之一。

图1 全球水资源分布图

地球的储水量是很丰富的，共有14.5亿立方千米之多。地球上的水，尽管数量巨大，而能直接被人们生产和生活利用的，却少得可怜。首先，海水又咸又苦，不能饮用，不能浇地，也难以用于工业。其次，地球的淡水资源仅占其总水量的2.5%，而在这极少的淡水资源中，又有70%以上被冻结在南极和北极的冰盖中，加上难以利用的高山冰川和永冻积雪，有87%的淡水资源难以利用。人类真正能够利用的淡水资源是江河湖泊和地下水中的一部分，约占地球总水量的0.26%。全球淡水资源不仅短缺而且地区分布极不平衡。按地区分布，巴西、俄罗斯、加拿大、中国、美国、印度尼西亚、印度、哥伦比亚和刚果等9个国家的淡水资源占了世界淡水资源的60%。约占世界人口总数40%的80个国家和地区约15亿人口淡水不足，其中26个国家约3亿人极度缺水。更可怕的是，预计到2025年，世界上将会有30亿人面临缺水，40个国家和地区淡水严重不足。
中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2300立方米，仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。 扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，我国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。到20世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。
长期以来，大多数人们普遍认为水是取之不尽，用之不竭的“聚宝盆”，使用中挥霍浪费，不知道自觉珍惜。其实，地球上水资源并不是用之不尽的，尤其是我国的人均水资源量并不丰富，地区分布也不均匀，而且年内变化莫测，年际差别很大，再加上污染严重，造成水资源更加紧缺的状况，黄河水多处多次断流就是生动体现。如果还不珍惜，最后一滴水将与血液等价（大自然的悲愤呼喊）
1.2水龙头
水龙头最早出现于16世纪，用青铜浇铸的，主要作用是用于控制水管出水开关和水流量的大小。水龙头出现以前，供水泉墙上镶嵌着一种兽头状的，通常用石头制成，少数由金属制成的“流水嘴”，从那里流出来的水一直是不加任何控制的长流水。为了避免浪费水和解决不断严重的水资源的供不应求，人们研制出水龙头。最初的水龙头是用青铜浇铸的，后来改用便宜些的黄铜。
1.2.1普通水龙头特点
按材料来分，分为SUS304不锈钢、铸铁、全塑、黄铜、锌合金材料水龙头，高分子复合材料水龙头等类别。按开启方式来分，分为螺旋式、扳手式、抬启式等。螺旋式手柄打开时，要旋转很多圈；扳手式手柄一般只需旋转90度；抬启式手柄只需往上一抬即可出水；另外，还有一种延时关闭的水龙头，关上开关后，水还会再流几秒钟才停，这样关水龙头时手上沾上的脏东西还可以再冲干净，但是存在浪费。
1.2.2红外线全自动水龙头特点
由于全自动感应水龙头有自动控制水龙头开闭的效果，它杜绝了水资源的浪费，避免了人们因为忘记关水龙头致使水白白流走的问题，伸手就来水，离开就关闭的功能，从而有效地节约用水60%以上，特别适合我国严重缺水的地区。目前全自动感应水龙头普遍应用在人流量密集的火车站、汽车站、飞机场、医院等公共场所伸手就来水，离开就关闭的功能，从而有效地节约用水60%以上，特别适合我国严重缺水的地区。

图2
目前全自动感应水龙头普遍应用在人流量密集的火车站、汽车站、飞机场、医院等公共场所。而在公共场所，由于人员流动性比较大，公共设施的卫生情况普遍比较恶劣，传统水龙头必须通过人手操作，很容易造成病菌的大规模传播，而它就避免了洗手后，再次触摸水龙头造成的细菌污染，开关水完全由感应器自动完成，无需接触水龙头，有效避免细菌及交叉感染。
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。红外线自动控制水龙头安装方便、灵敏度高、抗干扰能力强，使用寿命长，发出光均匀稳定。发出的红外光为不可见光，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、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。
1.3红外线简介及国内外发展方向及现状
红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由英国科学家赫歇尔于1800年发现， 太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为(0.75-1)～(2.5-3)μm之间；中红外线，波长为(2.5-3)～(25-40)μm之间；远红外线，波长为(25-40)～l000μm 之间。在光谱中波长自760nm至400μm的电磁波称为红外线，所有高于绝对零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。

图3 太阳光光谱
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2048×2048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步。如目前已能生产面积小于30um21000×1000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℃的温差，使对目标的识别达到更高的水平。

第二章 红外线控制自动水龙头系统设计
2.1构成及传感器控制
本设计采用反射式红外传感器。红外线的发射和接收使用红外发光二极管和红外接收管来完成。（如图4）

图4

2.1.1系统组成方框图
红外线自动控制水龙头整个控制过程分7个模块，（如图5）当人或物体接近自动水龙头时，红外发射二极管的红外线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，驱动电路断电电磁阀电源，从而关闭水源，达到自动控制的目的。

图5 系统的基本组成

根据框图，红外线自动水龙头控制器是由发射、接收与放大、译码、控制几部分组成。本设计中光敏传感器采用红外发光二极管、接受与放大用SFH506-38， LM567设计译码器；延时用555单稳态触发器；可控功率驱动元件采用固态继电器SP110等。其中SFH506-38新型红外遥控接收模块是将红外接收管、前置放大、解调等电路集成在同一基片上的功能模块。它具有体积小，无外部元件，抗干扰力强，接收角度宽，性价比高等优点。其次固体继电器具有高稳定、高可靠、无触点及寿命长等优点。

第三章 元器件
3.1电源
3.1.1 电源功能
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构成的单稳态触发器延时电路，其工作电压为4.5－18V，作为接收与放大电路使用的SFH506-38其工作电压为5V左右，阀门开关控制电路是由LM567音频译码器和晶体管组成，其工作电压为4.5V－17V,电磁阀5V－12V，由此可知，电源电压应为6V使电路正常工作。
3.1.2电源的组成
由变压器，整流桥，滤波器，稳压器组成。变压器把220V交流电（市电）变为稳压所需的低压交流电；整流器把低压交流电变为直流电；整流后的直流电中仍会含有交流成分，可以通过滤波电路将交流成分滤除；经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
3.1.3电源变压器
将220V 50Hz交流电变成整流滤波所需的交流电压。本设计需要把220V交流电变为6V 交流电，变压器匝数比：
n=原边匝数/副边匝数≈25

3.2 电磁阀
追朔电磁阀的发展史，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、分步童先导式)，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类(直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构)。
3.2.1直通式电磁阀
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：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。
3.2.2分布直动式电磁阀
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。特点：在零压差或真空、高压时亦能可靠动作，但功率较大，要求必须水平安装。
3.2.3先导式电磁阀
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，流体压力推。
3.2.4电磁阀的选用及其要求
1、适用性
管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致。流体的温度必须小于选用电磁阀的标定温度。电磁阀允许液体粘度一般在20CST以下，大于20CST应注明，工作压差：管路最高压差在小于0.04MPa时应选用如ZS,2W,ZQDF,ZCM系列等直动式和分步直动式；最低工作压差大于0.04MPa时可选用先导式（压差式）电磁阀；最高工作压差应小于电磁阀的最大标定压力；一般电磁阀都是单向工作，因此要注意是否有反压差，如有安装止回阀。流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤器，一般电磁阀对介质要求清洁度要好。 注意流量孔径和接管口径；电磁阀一般只有开关两位控制；条件允许请安装旁路管，便于维修；有水锤现象时要定制电磁阀的开闭时间调节。注意环境温度对电磁阀的影响，电源电流和消耗功率应根据输出容量选取，电源电压一般允许±10%左右，必须注意交流起动时VA值较高。
2、可靠性
电磁阀分为常闭和常开二种；一般选用常闭型，通电打开，断电关闭；但在开启时间很长关闭时很短时要选用常开型了。寿命试验，工厂一般属于形式试验项目，确切地说我国还没有电磁阀的专业标准，因此选用电磁阀厂家时慎重。动作时间很短频率较高时一般选取直动式，大口径选用快速系列。
3、安全性
一般电磁阀不防水，在条件不允许时请选用防水型，工厂可以定做。电磁阀的最高标定公称压力一定要超过管路内的最高压力，否则使用寿命会缩短或产生其它意外情况。有腐蚀性液体的应选用全不锈钢型，强腐蚀性流体宜选用塑料王（SLF）电磁阀。爆炸性环境必须选用相应的防爆产品。
4、经济性
有很多电磁阀可以通用，但在能满足以上三点的基础上应选用最经济的产品。
经上述分析，本设计采用市售12V常闭型直通式直流塑料电磁阀。

图6 电磁阀电路

第四章 单元电路的设计
4.1电源电路
4.1.1 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。再经滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压。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。
4.1.2 稳压电路
经整流滤波输出的电压通常是不稳定的，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单片机系统所需的要求。 对任何稳压电路都应从两个方面考察其稳压特性，一是设电网电压波动，研究起输出电压是否稳定；二是设负载变化，研究其输出电压是否稳定。 直流稳压电路分为串联型稳压电路和开关型稳压电路，本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
4.1.3 稳压电源技术指标
稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电流及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、波纹电压及温度系数等。 对稳压电源的性能，主要有以下四个方面的要求：

稳定性好
当输入电压Usr(整流、滤波输出电压)在规定范围内变动时，输出电压Usc的变化一般要求很小。 由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，长用稳压系数S来表示：S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。通常S约为10-2～10-4。
输出电阻小
负载变化时（从空载到满载），输出电压Usr应基本保持不变，其这方面的性能可用输出电阻表征。输出电阻（又称等效内阻）用rn表示，他等于输出电压变化量和负载电流变化量之比，rn反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力,rn越小，则Ifz变化时输出电压的变化也越小。性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1Ω，甚至0.01Ω。
电压温度系数小
当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示。
输出电压纹波小
所谓纹波电压，是指输出电压中50Hz或100Hz的交流分量，通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S。
4.1.4 稳压电源的选用
本电路见图7，低压部分采用6v直流稳压电源供电，具体设计如下：
根据设计要求组成电路的主要部分有555构成的单稳态触发器延时电路，其工作电压为4.5－18V，作为接收与放大电路使用的SFH506-38其工作电压为5V左右，阀门开关控制电路是由LM567音频译码器和晶体管组成，其工作电压为4.5V－17V,电磁阀5V－12V，由此可知，电源电压应为6V使电路正常工作。

图7 电源电路

电源由变压器，整流桥，滤波器，稳压器组成。变压器把220V交流电（市电）变为稳压所需的低压交流电；整流器把低压交流电变为直流电；整流后的直流电中仍会含有交流成分，可以通过滤波电路将交流成分滤波；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。
（1）变压器将220V50HZ交流电变成整流滤波所需的交流电压。本设计是把 220V交流电变为9V交流电。
（2）整流电路将交流电压经过变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除比较大的波纹成分，输出波纹比较小的直流电压。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。本电源电路设计是采用全波整流滤波，是由VI~V4进行全波整流，再经过电容C1滤波获得比较平滑的直流电。
（3）经整流滤波输出的电压通常是不稳定的，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电路系统所需要的要求。本电路采用L7806稳压管进行稳压。LM7806外观图，见图8

图8 LM7806外观图

LM7806三端正电源电压调节器技术规格
产品名称：L7806三端正电源电压调节器（双极线性稳压集成电路）
封装形式：TO-220
特点概述：输出电流1.5A；输出电压6V
极限值：（Ta=25℃）
电特性：（0<Tj<125℃，IO=500mA, Vi=11V, Ci=0.33µF, Co=0.1µF, 除非另有规定）
4.2红外发射、接收和放大电路
本设计采用的是SFH506-38元器件， SFH506-38系列新型红外遥控接收模块是将红外接收管、前置放大、解调等电路集成在同一基片上的功能模块。它具有体积小，无外部元件，抗干扰力强，接收角度宽，性价比高等优点，它完全可取代电视、音响和其它电器设备中的常规红外遥控接收电路，且实践证明效果很好。
（1） 分类
SFH506-38红外遥控接收模块接收载波频率为38kHz，
SFH系列分为：30,33,36,40,56kHz。
（2） 外形及引脚功能
SFH506-38红外接收模块采用黑色环氧树脂封装形式。
引脚功能为：1脚公共端，2脚电源正端，3脚输出端，见图9

图9 SFH506-38封装及内部结构

（3） 电气参数
SFH系列红外接收模块的典型电气参数，见表4-1。
参数名称
符号
SFH系列典型值
单位
电源电压
Vcc
4.5~5.5
V
静态电流
Icc
3(无光照及无信号输入)
mA
峰值波长
λp
0.94u
Fm
接收距离
L
8～15
m
水平接收角
△θ
33
度
垂直接收角
△θ
14
度
工作温度
Topr
-25～+75
℃
接收载波频率
fo
38或30.3,32.8,36,36.7,40,56,9
kHz
表4-1 SFH系列红外接收模块的典型电气参数

（4） 应用
SFH506-38红外遥控接收模块能直接与红外遥控专用解码电路配合使用，因此完全可取代常用的红外遥控接收头，且使用简单方便，性能稳定。由于此系列模块应用类似于一只红外接收管，所以具体应用电路就不再陈述,使用时仅需注意其具体电气参数即可，图中部分电路见图10。LM567芯片5脚输出的振荡信号经三极管功率放大后，推动红外发射二极管VD向外发射红外线。

图10 红外发射、接收放大电路

A1为红外接收放大电路SFH506-38，A2为锁相环音频译码器 LM567，A2与R3、C6组成振荡器，R3、C6决定A2内部压控振荡器的中心频率，LM567的3脚为信号输入端，8脚为逻辑输出端。LM567芯片5脚输出的振荡信号经三极管功率放大后，推动红外发射二极管VD向外发射红外线。没有人洗手时，红外接收电路A1接收不到VD向外发射的红外线，A2的3脚无信号输入。当人手放到水龙头下时，A1接收到人手反射的红外线并经A1放大后，输入到A2的3脚，由A2内部处理后使A2的8脚输出低电平，然后把信号输入NE555地2脚。
4.3控制电路
4.3.1译码电路设计——音频译码器LM567
锁相环(PLL)解码器LM567是美国国家半导体公司（NSC)产品，同类产品有美国西格奈蒂克斯公司的NE567,新日本无线电公司的NJM567等。该解码器具有高嗓声抑制、窄通频带、不受假信号干扰、稳定的中心频率和通带中心频率可调等特点。因此在音频、亚音频、单音解码中得到广泛应用。在性能、体积、速率、造价等方面显示出无法比拟的优点。而且SFH506-38接收的电信号需要进一步分析，所以此时需要译码。此设计中采用了LM567。
音频译码器采用LM567锁相环电路，其作用是将接收到的信号转换为电平控制信号。锁相环内则包含一个电压控制振荡器（VCO）、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。当输入信号于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。主要用于振荡、调制、解调和遥控编、译码电路。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。而其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。

图11 LM567内部原理图

LM567为通用音调译码器，它由相位比较器、压控振荡器、正交相位检波器、逻辑输出放大器等几部分组成。
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。
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脚为接地端，8脚为输出端。LM567的引脚功能图，见图12。

图12 LM567管脚排列图

LM567 是一片锁相环电路，采用8 脚双列直插塑封。其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。其①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。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。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。LM567 的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当LM567 的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。其工作波形，见图13

图13 LM567工作波形

LM567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。他的技术指标：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5V—15V。
LM567设计译码器的工作原理：A2为锁相环音频译码器 LM567，A2与R3、C6组成振荡器，R3、C6决定A2内部压控振荡器的中心频率，LM567的3脚为信号输入端，8脚为逻辑输出端，该输出是一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4.75V～9V，工作频率可从零点几赫兹到500kHz，，静态工作电流为 8mA。
LM567芯片5脚输出的振荡信号经三极管功率放大后，推动红外发射二极管VD向外发射红外线。没有人洗手时，红外接收电路A1接收不到VD向外发射的红外线，A2的3脚无信号输入，8脚为高电平。当人手放到水龙头下时，A1接收到人手反射的红外线并经A1放大后，输入到A2的3脚，由A2内部处理后使A2的8脚输出低电平。LM567的8脚信号给NE555的2脚进行进一步处理。
4.3.2延时电路设计——555元器件
当人在水龙头出洗手时，不可能一下子就能洗好的，总会有一段时间。为了在人手偶尔偏离了红外线的探测范围时，能保证水龙头的正常出水。因此我们还需要设计一个具有一定延时的电路。
NE555只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。它的操作电源电压范围极大，可与TTL，COMS等逻辑电路配合。也就是它的输出准位及输出触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。静态电流最大值VCC=5V，RL=∞=6mA VCC=15V，RL=∞=15mA。
参数功能特性：
1、供应电压4.5~18V
2、供应电 3~6mA
3、输出电 225mA（max）
4、上升/下 时间100ns
图14是NE555的引脚分布图，图15是它的内部功能原理框图。

图14 NE555引脚分布图

图15 NE555内部功能原理框图

外引脚的功能分别如下所述：
1端为接地端。
8端为电源端。
3端为输出端。
4端为复位端。此端输入低电平可使输出端为低电平。正常工作时应接高电平。
5端为电压控制端。此端外接一个参考电源时，可以改变上、下两个比较器的参考电平的值，无端输入时，UCO=2/3VCC。
2端为低触发端。当CO端不外接参考电源时，此端电平低于VCC/3，电压比较器C1输出低电平，反之输出高电平。
6端为高出发端。当CO不外接参考电源时，此端电平高于2/3VCC，电压比较器C1输出低电平，反之输出高电平。
7端为放电端。当V导通时，外电路电容上的的电荷可以通过它释放，7端也可以作为集电极开路输出端,见表4-2
输入
输出
UTH
UTR
RD
OUT
V
x
x
0
0
导通

1
0
导通

1
保持不变
保持不变

1
1
截止
表4-2 555定时器的逻辑功能表

555单稳态触发器延时电路：单稳态触发器只有一个稳态状态。在未加触发信号之前，触发器处于稳定状态，经触发后，触发器由稳定状态翻转为暂稳状态，暂稳状态保持一段时间后，又会自动翻转回原来的稳定状态。单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。单稳态触发器电路的构成形式很多。图3-11所示为用555定时器构成的单稳态触发器，R、C为外接元件，触发脉冲u1由2端输入。5端不用时一般通过0.01uF电容接地，以防干扰。下面对照图16进行分析。 　　

图16 单稳态触发器与波形图

输出脉冲宽度是等于暂稳态时间的，也就是定时电容C的充电时间得公式：
Tw=RCln【(Vcc-0)/1/3Vcc】=RCln3=1.1RC
由上式可知：
改变R、C的值，可改变输出脉冲宽度，从而可以用于定时控制。在R、C的值一定时，输出脉冲的幅度和宽度是一定的，利用这一特性可对边沿不陡、幅度不齐的波形进行整形。

图17 555单稳态触发器延时电路

当LM567的8脚输出低电平的时候，定时器电路中555的3脚输出高电平，发光二极管正向导通，发出绿光，此时三极管导通，继电器吸合，会驱动水龙头出水。电源通过R5对电容C7充电，使555的6脚电压升高，当6脚电压大于2/3Vcc时，3脚输出低电平，三极管截止，水龙头不出水。这样就起到了延时作用。延时时间由R5和C7来调整。本设计的电路中延时时间为 tw=1.1RC=1.1*470000*0.00005=5.17s,见图17
4.3.3驱动电路设计——固态继电器
为了达到设计的目地，译码出来的信号，要达到控制水阀的目地，所以此电路还需要驱动电路。这里我选用固态继电器。
继电器额定工作电压是继电器最主要的一项技术参数。在使用继电器时，应该首先考虑所在电路(即继电器线圈所在的电路)的工作电压，继电器的额定工作电压应等于所在电路的工作电压。一般所在电路的工作电压是继电器额定工作电压的0.86。注意所在电路的工件电压千万不能超过继电器额定工作电压，否则继电器线圈容易烧毁。NE555电路是可以直接驱动继电器工作的，而有些集成电路，例如COMS电路输出电流小，需要加一级晶体管放大电路方可驱动继电器，这就应考虑晶体管输出电流应大于继电器的额定工作电流。根据本设计继电器应选9V直流电压继电器。
固体继电器（Solid State Relay SSR）是利用现代微电子技术与电力电子技术相结合而发展起来的一种新型无触点电子开关器件。它可以实现用微弱的控制信导(几毫安到几十毫安)控制0．1A直至几百A电流负载，进行无触点接通或分断。固体继电器是一种四端器件，两个输入端，两个输出端。输入端接控制信号，输出端与负载、电源串联，SSR实际是一个受控的电力电子开关，其等效电路，见图18

图18 SSR 电子开关等效电路图

由于固体继电器具有高稳定、高可靠、无触点及寿命长等优点，广泛应用在电动机调速、正反转控制、调光、家用电器、烘箱烘道加温控温、送变电电网的建设与改造、电力拖动、印染、塑科加工、煤矿、钢铁、化工和军用等方面。
固体继电路工作原理：固体继电器与通常的电磁继电器不同：无触点、输入电路与输出电路之间光(电)隔离、由分立元件．半导体微电子电路芯片和电力电子器件组装而成，以阻燃型环氧树脂为原料，采用灌封技术持其封闭在外壳中、使与外界隔离，具有良好的耐压、防腐、防潮抗震动性能。
固体继电器由输入电路、驱动电路和输出电路三部分组成。
这里仅以应用较多的交流过零型固体继电器为例，介绍其工作原理。该电路采用了过零触发技术，具有电压过零时开启，负裁电流过零时关断的特性，在负载上可以得到一个完整的正弦波形，因此电路的射频干扰很小。
在此电路中我们用的是SP110型继电器，SP110型继电器是一个由发光二极管及两个反向接光电可控硅组成的四端器件。这两部分分别在焊在陶瓷基片上，用导光胶进行光路耦合，外部用密封材料固封。见图19

图19 SP110型继电器内部原理图

4.3.4红外线控制自动水龙头的工作原理
总电路原理（见图20）220V交流电路经变压器T降压，变为9V交流电，再由桥式整流，C1滤波，三端稳压集成电路7806稳压，得到 6V直流电供给控制电路工作。LED1为红色发光二极管，用作水龙头的电源指示。A1为红外接收放大电路SFH506-38，A2为锁相环音频译码器 LM567，A2与R3、C6组成振荡器，R3、C6决定A2内部压控振荡器的中心频率，LM567的3脚为信号输入端，8脚为逻辑输出端，该输出是一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4.75V～9V，工作频率可从零点几赫兹到500kHz，，静态工作电流为 8mA。A3为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，能保证水龙头的正常出水。
LM567芯片5脚输出的振荡信号经三极管功率放大后，推动红外发射二极管VD向外发射红外线。没有人洗手时，红外接收电路A1接收不到VD向外发射的红外线，A2的3脚无信号输入，8脚为高电平，A3的3脚为低电平，三极管截止，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。当人手放到水龙头下时，A1接收到人手反射的红外线并经A1放大后，输入到A2的3脚，由A2内部处理后使A2的8脚输出低电平，从而使A3的低触发端2脚变为低电位，导致A3的3脚输出高电平，三极管导通，继电器K吸合，使其常开触点闭合，接通电磁阀Y的220V交流电源，Y开始动作，使水龙头放出自来水，供人们洗涤之用，同时发光二极管LED2发出绿光，指示洗手器正