《数字电子技术》课程设计-红外感应开关器

《数字电子技术》课程设计

课程设计题目： 红外感应开关器

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职 称：

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广东海洋大学寸金学院教务处制

广东海洋大学寸金学院数电课程设计论文

目 录

目 录 ........................................................................................................................................................ I

前 言 ...................................................................................................................................................... III

第1章 设计要求 ..................................................................................................................................... 4

1.1设计任务要求 ............................................................................................................................. 4

1.2 设计主要技术指标 .................................................................................................................... 4

1.3 红外控制和传统开关控制的比较 ............................................................................................. 4

第2章 设计思想以及设计流程 .............................................................................................................. 5

2.1 设计思想 .................................................................................................................................... 5

2.2总电路设计流程 ......................................................................................................................... 5

第3章 电路功能的实现方案 .................................................................................................................. 6

3.1芯片功能介绍 ............................................................................................................................. 6

3.1.1集成电路CD4093 ............................................................................................................. 6

3.1.2施密特触发器 .................................................................................................................. 7

第4章 电路设计的原理图以及总电路图 .............................................................................................. 8

4.1 工作原理 .................................................................................................................................... 8

4.2各模块设计方案及原理说明 ...................................................................................................... 9

4.2.1 电源电路 ......................................................................................................................... 9

4.2.2 红外感应电路 ................................................................................................................. 9

4.3.3 延时电路 ......................................................................................................................... 9

4.3.4 开关控制电路 ............................................................................................................... 10

4.3设计思路 ................................................................................................................................... 10

4.4总电路原理 ............................................................................................................................... 10

第5章 电路仿真 ................................................................................................................................... 11

红外感应开关电路 ................................................................................................................................. 11

第6章 收获、体会 ............................................................................................................................... 12

参考文献 ................................................................................................................................................. 12

致 谢 ..................................................................................................................................................... 12

I

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摘要

红外感应开关作为一种自动控制开关，通过感应外界散发的

红外热量实现其自动控制功能，能应用于感应水龙头、自动干手器

等设备上。从实际出发，利用数字电子技术改进。该红外感应开关

的设计利用Multisim11完成了原理图设计和电路仿真，具有延时功

能，应用效果良好。

关键词： 数字电子技术 红外感应开关 仿真

Abstract：

Infrared sensor switch as an automatic control switch, by sensing

infrared heat emitted outside achieve its automatic control functions,

can be applied to sensor faucets, automatic dry on hands and other

equipment. From reality, the use of digital electronic technology

improvements. The design uses an infrared sensor switch Multisim11

completed schematic design and circuit simulation, with delayed

functions, with good results

Key words: Infrared sensor switch ; digital electronic technology ;

simulation

II

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前 言

人体基于红外线技术的自动控制产品，当有人进入开关感应范

围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，自动输出高电平，

人不离开感应范围活动，将持续输出高电平；人离开后，开关延时

自动关闭负载，灵敏度高，可靠性高，管饭应用于各类自动感应电

器设备，企业、宾馆、商场及住宅的走廊、楼梯、电梯间、卫生间、

库房等处的自动开光起到“人来灯自亮，人走灯自灭”的作用，既

新颖方便，又节约用电，在某些场所还能起到威慑盗窃活动的防范

作用。本设计结构简单，本身步伐任何类型的辐射，器件功耗很小，

价格低廉，隐蔽性好，应用范围广，所以可以通过扩展而达到实际

的应用。

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第1章 设计要求

1.1设计任务要求

为了实现红外感应延时开关的功能。随着科技的发展，越来越多的电器不再需要人为

地去控制了，自动化控制成为趋势。本设计以楼梯感应灯为例，在白天时无论是否有声音，

小灯都不能被点亮，即白天时不需要光照，在夜晚当有声音产生时，小灯被点亮，且在声

音消失后，小灯能够维持一段时间亮度，即在夜晚有人经过的时候，灯被点亮，并有足够

的时间让人通过。

（1）设置一个灯利用红外感应自动控制亮灭，既方便又省电。

（2）电路具有延时功能，当人在感应范围内，开关被打开并延迟关闭，并且可以根据需要调节延

迟的时间。

1.2 设计主要技术指标

1 能实现判断前方是否有物体，从而控制开关动作

2 能实现可以调节每次动作后的延时时间

1.3 红外控制和传统开关控制的比较

随着人们生活水平的提高和电子技术的进步，原有的“机械开关”已经渐渐不能满足

现在人们对“节能”“方便”的理解，红外线感应开关正是为了解决这些问题而研制的。它

具有寿命长，速度快，精度高，抗干扰性强，节能等优点。在现在生活中已经渐渐取代了

机械开关。。现在建筑楼宇使用声控，光控，触摸开关控制走廊照明越来越普遍，其好处是

消灭了长明灯现象。但是它们各有缺陷。当你两手提着重物上楼时，就不易触摸开关；声

控开关当噪音够分贝量时，会误动作。红外感应开关电路就克服了上诉缺陷，不但能应用

于走廊、车库、地下室、消防通道等场合，还可以应用于家庭和宾馆卧室。做到了人进灯

亮或启动抽风扇工作，人离开则停止工作。针对以上开关的优点和缺点，我组设计的红外

线感应开关。此开关可以使我们的生活更加便利，能源消耗得更少。此开关使用方便。它

不依赖传统的手动控制进行开关用电器，而是借助红外线感应器，自动控制开关，使我们

不方便时也能随意控制电灯及用电器。

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第2章 设计思想以及设计流程

2.1 设计思想

经过对电路功能的分析，整个红外感应开关器可由电源、振荡器、继电器、各路门电

路构成。

2.2总电路设计流程

红外线发射红外线接收时间延迟电电灯开关电

电路 电路 路 路

电源电路

图 3-1总电路框图

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第3章 电路功能的实现方案

3.1芯片功能介绍

3.1.1集成电路CD4093

CD4093是CD系列数字集成电路中的一个型号，采用CMOS工艺制造。CD4093由四个2输

入端施密特触发器电路组成。每个电路均为在两个输入端具有施密特触发器功能的2输入

与非门。每个门在信号的上升和下降沿的不同点开，关。74系列数字集成电路中的74L132

可以代换CD4093.

其逻辑符号如下所示：

引脚功能图：

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A 数据输入端 E 数据输入端 J 数据输出端

B 数据输入端 F 数据输入端 K 数据输出端

C 数据输入端 G 数据输入端 L 数据输出端

D 数据输入端 H 数据输入端 M 数据输出端

VDD 正电源 VSS 地 - -

3.1.2施密特触发器

施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形

脉冲。

1．特点：（传输特性、如右图所示）

工作波形

⑴ 施密特触发器有两个稳定状态，其维持和转换完全取决于输入电压的大小。

⑵ 电压传输特性特殊，有两个不同的阈值电压（正向阈值电压 和负向阈值电压 ）

⑶ 状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。

2.功能

⑴波形变换

三角波、正弦波及其它不规则信号→矩形脉冲。

⑵脉冲整形

当传输的信号受到干扰而发生畸变时，可利用施密特触发器的回差特性，将受到干扰的信

号整形成较好的矩形脉冲

⑶脉冲幅度鉴别

如输入信号为一组幅度不等的脉冲，可将输入幅度大于 的脉冲信号选出来，而幅度小

于（正向阈值） 的脉冲信号则去掉了。利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作

用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要

幅度大于，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。

（4）脉冲延迟

即将脉冲延迟一定时间后输出。

（5）构成多谐振荡器

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幅值不同的信号在通过加上一个合适电容的施密特触发器后会产生矩形脉冲，矩形波脉冲

信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。

第4章 电路设计的原理图以及总电路图

4.1 工作原理

电路原理：U1A的1脚由于R3的下拉作用保持低电平，无论U1A的2脚电平为高或为低

U1A的3脚得到的信号都是高电平,经R4到D7，由于二极管的单向导电性，U1D的12脚、

13脚保持高电平不变，U1D的11脚为低电平不变，同理由于二极管的单向导电性，U1C

的8脚、9脚保持低电平不变，U1C的10脚为高电平不变，三极管Q4截止继电器不动作。

当有物体靠近发射接收头前方时红外线接收电路接收到信号，U1A的1脚和U1A的2脚的

电平信号同时为高时， U1A的3脚得到低电平信号，经R4到D7，由于二极管的单向导电

性，电容C3迅速放电，U1D的11脚、12脚同时变为低电平，U1D的13脚为翻转为高电

平，信号经R10到D3，同理由于二极管的单向导电性，U1C的8脚、9脚变为高电平， U1C

的10脚翻转为低电平，三极管Q4导通继电器动作。

当物体离开靠近的发射接收头前方时，红外线接收电路接收不到信号，U1A的1脚由于R3

的下拉作用保持低电平，无论U1A的2脚电平为高或为低U1A的3脚得到的信号都是高电

平，由于二极管的单向导电性，U1D的12脚、13脚保持高电平不变，U1D的11脚为低电

平不变，同理由于二极管的单向导电性，继电器不动作。二极管D4在这里作为续流二极管。

工作原理图：

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4.2各模块设计方案及原理说明

4.2.1 电源电路

J2输入12V电源，电阻D5可防止电源极性接反，R7为限流电阻（1W），C2、C4构成滤波

器（利用电容隔直流，通交流的特性），目的为后续电路提供纯直流电源。

4.2.2 红外感应电路

由一级比较器U1C、R10、R11、D6、C5构成振荡器，从U1的10脚输出脉冲信号，经Q4

放大后驱动红外发射管D2向空间发射红外信号。光电二极管受到触发时，输出0.1-10Hz

幅度不超过1MV的超低频脉冲，两个低通放大器组成低频带通放大器，其带宽为相端，使

一级单稳态延时器U1D输出低电平，此信号如果没有被障碍物挡住，红外接收管D1无法

接收到信号，故后续电路不工作；当D2前面有障碍物时（如人手在D2前面晃动），发射

的红外信号被障碍物反射回来，就会被D1接收到，接收的信号经Q1、Q2放大，最后在

R3端输出放大的红外信号，再由一级低通同相放大器U1A进行选频放大，然后反相后从

U1的3脚输出，U1D进行整形(利用施密特触发器的回差特性，将受到干扰的信号整形成

较好的矩形脉冲)最后在U1的11脚输出。

4.3.3 延时电路

R5、VR1、C3组成延时电路（利用电容充电放电），当传感器输出信号消失后，U1C的

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输出脚恢复高电平，电源通过VR1向C3充电，充电过程使继电器保持吸合一段时间，直至

充电电压大于比较电压，调节VR1可改变继电器工作时间。本电路设计延时时间在0~40S

范围内可调。

4.3.4 开关控制电路

Q3、Q5、K1构成开关控制电路。若D1接收到信号后，最后会在U1的4脚输出经延

时后的低电平控制信号，使Q3、Q5导通，K1吸合。D3为继电器工作状态指示灯。

4.3设计思路

本课题是设计一个红外线感应开关控制系统控制系统，通过本设计了解红外线感应开

关控制系统的工作原理，进而研究红外线感应控制系统的设计方法。

4.4总电路原理

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第5章 电路仿真

红外感应开关电路

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第6章 收获、体会

这次课程设计的电路是比较复杂的。但所需要的知识教科书上都有，做好这个课程设

计不仅需要一定的电工基础。还要掌握对电路的检测，例如电源接触不良或者电路短路，

必须找到问题并且解决它。一开始的时候失败了两次，快接近放弃的时候，经过查找资料，

验证，最终找到是光线短路的问题。有些理论知识虽然掌握了，但在实践运用的时候还需

要有经验才能融会贯通。

参考文献

[1]《数字电子技术基础》 唐治德 科技出版社 2012，第五版

[2]《数字电路逻辑设计（第三版）》 王毓银 高等教育出版社 2005

[3]《数字电路实验基础》 崔葛瑾 同济大学出版社 2005

致 谢

成绩：

评阅老师： 日期：

12