基于热释电传感器的感应水龙头设计论文.doc

密 级 公 开 学 号

衡水学院
毕业论文（设计）

基于热释电传感器的感应水龙头设计

论文作者
：

指导教师
：

系别
：：
物理与电子信息系
专业
电子信息工程
年级
：

提交日期
：
2017年4月18日
答辩日期
：
2017年5月05日

毕业论文（设计）学术承诺
本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不存在抄袭情况，论文（设计）中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。

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作者签名： 指导教师签名：

日 期： 日 期：

2013级电子信息工程专业毕业论文(设计)
论文题目：基于热释电传感器的感应水龙头设计
摘 要：本论文主要介绍的是用热释电传感器人体感应模块收集数据作为输入部分，把收集到的热量转化为电信号；控制部分选用AT89C51单片机，把电信号转换为控制水龙头的开关信号；采用直流电磁阀作为输出部分，控制水龙头的开关；开发的一种具有自动出水功能的热释电感应水龙头。文中对感应水龙头硬件设计、软件设计及系统各功能调试做了重点研究介绍。通过研究热释电传感器工作原理、单片机输出信号的特性的研究以及电磁阀工作的研究设计了最佳的控制方案。最后通过不断仿真调试，优化系统方案，实现自动感应出水的功能。

关键词：水龙头；热释电传感器；单片机；电磁阀
TITLE：DESIGN SENSOR FAUCET ON ACCOUNT OF PYROELECTRIC SENSOR
Abstract: This paper are mainly introduced in pyroelectric sensor with the body induction module to collect data as input, the collected heat is converted into electrical signals; AT89C51 single-chip microcomputer as the control part, convert electrical signals to control the tap switch signal; Using dc electromagnetic valve part as the output, control the switch of faucet; This is the one which has the function of automatic water heat release electric induction faucet. In this paper, the induction faucet hardware system design, software design and system function debugging to introduce the key research. By studying the working principle of the pyroelectric sensor, microcontroller study of the characteristics of the output signal and the electromagnetic valve work study design in optimal control scheme. Finally through continuous simulation debugging, optimize the system solutions, to achieve the function of automatic induction water.

Key words：Faucet；Pyroelectric Sensors；Microcontroller；Electromagnetism Valve
目 录
摘 要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 本课题研究的目的及意义 1
1.2 本课题的国内外研究现状 1
1.3 本课题拟解决的主要问题 1
2 总体方案设计 2
2.1 设计方案的论证 2
2.2 感应水龙头的系统总体设计方案 2
3 系统硬件设计 4
3.1 输入电路设计 4
3.1.1HC-SR501人体感应模块 4
3.1.2 HC-SR501工作原理 4
3.1.3 输入电路原理 4
3.2 控制电路设计 5
3.2.1单片机的选择 5
3.2.2时钟电路 7
3.2.3复位电路 7
3.3 输出电路设计 9
4 系统软件设计 10
4.1 Proteus仿真系统 10
4.2系统程序设计 10
5 仿真与调试 11
结语 12
参考文献 13
致谢 14

III
2013级电子信息工程专业毕业论文(设计)

1 绪论
1.1 本课题研究的目的及意义
社会不断进步，科技也随之发展。与此同时，水资源跟着生产力的提升也在大量被使用，但可供使用的淡水也越来越少，而水资源又是生命生存必不可少的，因此节约水资源是当务之急。普通的水龙头可以起到一定的节水功能，但是忘关的现象很常见，因此造成了大量水资源的浪费。同时，目前大多数公共场所，如：汽车站、火车站、医院、学校等，使用的都是手动开关水龙头，这种水龙头不仅容易损坏，而且极易造成疾病的传播。因此，为了方便节约水资源，同时公共场所避免疾病的传播，设计热释红外电传感器感应水龙头意义重大。
1.2 本课题的国内外研究现状
在现代生产生活中，自动化技术在各个领域的作用越来越重要，而且随着生产水平的提升和科学技术的发展，自动化水平也在提高。因为国外自动化技术水平较高，而我国总体智能化、自动化技术水平的相对落后，国产水龙头在各个方面与国际水平存在着一定差距，主要表现在水龙头的性能、耐用度、环保等方面。但因为大家对生活的要求越来越高，对水资源的需求也在增长，而且水龙头技术的日渐成熟，感应水龙头已遍及到服务范围，水龙头的不断改善正改善着人们的生活质量。
随着电子技术的快速发展，电子元件的价格大幅下降，运用红外线感应控制的水龙头正在进入人们的生活。红外线感应水龙头具有节约水、干净，产品品质、功能更加稳定的优点。随着人们环保意识的不断提升，人们对感应水龙头的接受程度将大幅提升，感应水龙头必将主导市场。在用水的便捷和节省程度上，感应水龙头比一般水龙头更占上风，但是目前价格偏高，普通家庭难以普及到。然而一些发达国家，比如美国，感应水龙头已经普及到社会和各个家庭中。如今，我国已经基本掌握了感应水龙头的相关软、硬件技术，正在为感应水龙头普及到千家万户做出努力。
1.3 本课题拟解决的主要问题
(1)感应水龙头既能节约用水、避免浪费，又能实现无接触、更加卫生。
(2)当使用者的手靠近感应水龙头的出水口一定距离之内时，水龙头自动出水。
(3)延时约3s后，水龙头自动断水，采用延时功能实现。
2 总体方案设计
2.1 设计方案的论证
在此次设计中，首先认识选题的任务和要求，经过查阅有关的文献，对热释电传感器感应水龙头控制系统的设计和功能的实现的知识有了一定的认识，然后经过仿真和调试，最终确定了系统方案。
用热释电传感器人体感应模块作为输入，用单片机对数据处理。单片机具有可靠性高、抗干扰能力强、更人性化的特点，因此作为控制部分非常合适。电源由外部电源产生12V的直流电提供给电磁阀，可直接实现对电磁阀进行控制。由外部电源产生5V的直流电给单片机以及热释电传感器。输入部分，当有人接近且进入该范围内时，人体发射的辐射温度被菲涅尔透镜汇聚到热电传感器的探测元上，传感器把热量转化为电压信号，通过过红外感应模块把电信号送入单片机，单片机对数据进行处理，把电信号转化为控制水龙头的信号，达到自动控制水龙头开关的目的。当人离开并移至其检测范围之外时，水龙头自动关闭。其结构示意如图2-1所示。

图2-1 热释电红外传感器结构示意图
热释电传感器是用热电系数较高原料做成的探测装置。其利用场效应晶体管实现阻抗变换。热释电传感器由三部分构成，分别是干涉滤光片、传感探测元和场效应管匹配器。这种传感器把两个特性相同、极性相反的探测元串连，是为了避免外界和自身带来的干扰。热释电红外探测元是有一种探测波长宽度为0.2-20μm的高热电原料制成。此传感器加装了干涉滤波片，目的是为了提升对某一波长宽度的辐射的敏感程度。
2.2 感应水龙头的系统总体设计方案
在人靠近该装置时，人体发射出的热量，首先经过热释电人体感应模块，把热量转换为电信号，传递到单片机，然后电信号通过单片机的分析加工，变为控制信号，使电磁阀的接通或断开。依据设计要求，感应水龙头总体方案框图如图2-2所示。

图2-2系统总体方案框图
3 系统硬件设计
3.1 输入电路设计
输入电路是这个系统的构成部分之一，完成红外线的接收与放大的功能。选用HC-SR501热释电红外感应模块。
3.1.1HC-SR501人体感应模块
HC-SR501是基于热电元件的自动化模块，利用LHI778探头和BISS0001信号处理芯片，LHI778探头具有灵敏度高、可靠性强、工作电压低等特点。其技术参数如下：
工作电压：DC 5～20 V；静态功耗：65μA；电平输出：高3.3V，低0V；延时时间：可调(0. 3～18 s)；封锁时间：0.2 s；触发方式：L不可重复，H可重复，默认值为H；感应范围：小于120“锥角”，7m以内；工作温度：-15～+70℃。
HC-SR501的优点：
(1)全自动感应。（2）能实现光敏控制（可选，出厂时未设置）。（3）具有感应封锁时间（默认设置：2.5s）。（4）工作电压范围宽:默认工作电压为DC 5～20 V。（5）功耗小：静态状态的是电流65μA。（6）输出高电位：与各类电路连接非常便捷。
3.1.2 HC-SR501工作原理
人的体温是恒定的，体温在37℃左右，因此人能产生波长为10μm左右的红外线。该模块利用LHI1778探测元件探测发设出的红外线，通过菲涅尔滤光片加强人产生的红外线，加强后的红外线被汇聚到红外探测源上。一般都是利用热电元件作为红外感应装置，当检测到的人发射的温度发生变动时，热电元件内部的电荷失去平衡，从而产生电信号。
3.1.3 输入电路原理
输入电路选用选用HC-SR501热释电红外感应模块，其1、3端分别接电源和地，2端则是高电平输出端，2端的输出信号经过三极管放大后输出到单片机的P2.5端，然后单片机对输入的电信号进行处理。输入电路原理图如图3-1所示。

图3-1 输入电路原理图
3.2 控制电路设计
控制电路的作用是数据处理、信号转换和逻辑控制。控制电路主要包括：单片机的选择、时钟电路以及复位电路。
3.2.1单片机的选择
51系列单片机是最受开发者欢迎的八位单片机，本设计选用的也是AT89C51单片机，其外形及引脚排列如图3-2所示。
各引脚功能说明如表3-1。

图3-2 AT89C51外形及引脚排列图
表3-1 AT89C51单片机各个引脚功能
编号
符号
引脚说明
1
XTAL1
XTAL1：接外部晶体的一个引脚
2
XTAL2
XTAL2：接外部晶体和微调电容的另一端
3
RST
RST：复位信号输入端，只有高电平时，输出才有效
4
PSEN
PSEN：外部程序存储器读选通信号输出端
5
ALE
ALE：地址所存允许信号，用作片外存储器访问时，低字节地址锁存
6
EA
EA：此引脚在低电平时，使用外部程序存储器，在高电平时；使用内部程序存储器
7
P0
P0：8位漏极开路的I/O口
8
P1
P1：内部有上拉的8位准双向I/O口，作为一般I/O口
9
P2
P2：内部有上拉的8位I/O口。一般作为I/O口使用，是准双向I/O口
10
P3
P3：内部有上拉的8位I/O口
P3口：还是一个双功能口。各引脚第二功能如表3-2所示。
表3-2 P3口各引脚第二功能
编号
符号
引脚说明
1
P3.0
RXD：串行输入口
2
P3.1
TXD：串行输出口
3
P3.2
INT0：外部中断0请求输入
4
P3.3
INT1：外部中断1请求输入
5
P3.4
T0：定时器/计数器0
6
P3.5
T1：定时器/计数器1
7
P3.6
WR：片外数据存储器写控制
8
P3.7
RD：片外数据存储器读控制
地址总线（AB)：是专门来传送地址的，地址总线宽度为16位，寻址范围为64KB。
数据总线（DB）：是双向三态形式的总线，P0口直接提供数据总线D0--D7，与读写控制信号相配合完成数据传输。
控制总线（CB）：对单片机读写操作有直接作用的控制信号主要有：ALE、PSEN、WR、RD和EA这5个信号。
3.2.2时钟电路
单片机内有放大电路，用来产生振荡信号，能够以两种方式产生时钟信号，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。
内部时钟方式：利用片内的振荡器，外接晶振、电容构成的振荡电路。单片机片内有一个振荡器，振荡器的输入端和输出端分别是XTAL1口和 XTAL2口，两端接晶振和两个22pF的电容，如图3-4所示，这样可稳定频率而且对频率有微调作用。
外部时钟方式：利用外部的振荡脉冲，接到XTAL1或XTAL2引脚上，提供基本时钟信号给单片机。

图3-4 时钟电路
3.2.3复位电路
51单片机有一个复位引脚RST，只有高电平，才能有效输出。时钟电路工作以后，当外部电路使RST端出现两个机器周期以上的高电平时，系统内部复位；复位有两种方式：上电自动复位和手动复位。
上电复位是通过电容充电来完成的，当给电的瞬间，电容C通过电阻R充电，RST端变为高电平而完成复位。上电复位原理图如图3-5所示。

图3-5 上电复位电路
手动复位，也就是利用按键进入复位状态。如图3-6所示的电路具有手动复位和上电复位两种功能。很明显，当按键未按下时C、R2两部分与图3-5一致，都具有上电复位功能；按下按键后，两个电阻组成分压电路，能够给引脚RST提供高电平来完成复位。

图3-6 手动复位电路
3.3 输出电路设计
输出电路则是由三极管和12V直流电磁阀组成，也是整个输出电路的“动作元件”，由于单片机无法直接驱动电磁阀，所以在单片机输出连接三极管来使电磁阀工作。其驱动电路原理图如图3-7所示。
电磁阀利用电磁控制设备，是用于控制流体的自动化的设备。电磁阀能够在不同的电路来完成控制效果，在本设计中选用的是直流电磁阀。电磁阀有两种工作状态:断开与闭合。通电时关闭件被线圈产生电磁力提起，使阀门开启；断开电源时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，使阀门关闭，这就是电磁阀的工作原理。

图3-7 电磁阀驱动电路
4 系统软件设计
4.1 Proteus仿真系统
Proteus ISIS是英国Labcenter公司研发的多功能的EDA软件，能够在Windows操作系统上运行，能仿真、分析各类模拟器件和集成电路。Proteus软件有着庞大的元件库；其电路仿真功能可以和Multisim相媲美；其具有Multisim及其他仿真软件都不具有的单片机仿真功能；其PCB电路制版功能可以和Protel相媲美，它的软件调试功能和强大的原理图绘制功能，深受广大电子设计爱好者的喜爱。
4.2系统程序设计
根据软件设计原则，采用模块化编程。首先系统进入主函数，进行初始化，然后接受工作指令，进行功能选择，根据选择进行电磁阀开关的操作，设计采用C语言编程，程序流程图如图4-1所示。

图4-1 系统程序流程图

5 仿真与调试
程序编写采用C语言，用C语言编程相比与汇编语言简单的多，特别是在相对复杂的程序编写上。而且使用C语言编程能轻松地实现较为复杂的数值运算，借助函数库，可以完成各类复杂的数据运算。用C语言编程也能使程序更加短小精悍，容易阅读及维护，可以实现模块化开发，程序的可移植性强。用Keil作为单片机开发的C语言编译器，使用相对方便，它集成了文件编辑处理、项目管理、编译链接、软件仿真调试等多种功能于一身，是强大的C51开发工具。
建立项目，编写程序，调试运行后生成HEX文件。通过Proteus软件进行模拟调试。调试成功后把编号的程序录到单片机中。观察水龙头运行状况，改进程序直至实现相应的功能。
系统总体仿真如图5-1所示。

图5-1 系统总体仿真图
结语
本次设计主要采用仿真软件Proteus，简单介绍了系统的目的意义，硬件设计思路，硬件介绍，从理论和仿真上都验证了热释电传感器水龙头的研究及设计的可行性。通过了解单片机的原理及C语言编程的基本指令，理解C语言编程的主体设计思想及实现方法，为自动出水软件设计提供了可行的设计方案。设计中主要在水龙头硬件搭建完毕的基础上设计了自动水龙头的总体程序，使水龙头能够实现自动出水等功能。通过此次毕业设计更加深刻的认识了热释电传感器、51系列单片机、C语言编程及仿真和编译。
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参考文献
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致谢
首先感谢我的指导老师侯晓云。从论文的选题、论文内容、结构布局直至最终定稿的全过程都是在侯老师的指导、严格要求和亲切关怀下完成的。侯老师深厚的理论素养以及丰富的实践知识，让我在各方面得到了提升。老师的平易近人、工作严谨、积极进取的态度也深深地影响了我。
从入学到现在论文即将结束，四年的时光飞逝，感谢陪了我四年的同学以及电信学院的每一位老师。这四年不仅仅是学知识的四年，而且还是学着为人处世的四年，你们教会了我许多，我相信这四年的经历一定会激励着我不断前行，积极进取。在此，我再次感谢我的指导老师侯晓云，以及电信学院的每一位老师、同学。
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