用Multisim仿真红外自动水龙头

目录

前言

............................................................... 1

1.总体方案设计

.................................................... 1

1.1 设计任务和要求 .............................................. 1

1.1.1 设计任务 ............................................... 1

1.1.2 设计要求 ............................................... 1

1.2 系统组成框图 ................................................ 1

2.设计原理分析 ...........................................

2

2.1 电路主要芯片介绍 ............................................ 2

2.1.1 NE555时基电路简介 ..................................... 2

2.1.2 MC78L12CP简介 ......................................... 3

2.2 电路原理图 .................................................. 3

2.3 主要单元电路设计 ............................................ 4

2.3.1 红外线发射电路 ......................................... 4

2.3.2 红外线接收电路 ......................................... 4

2.3.3 时间延迟电路 ........................................... 5

2.3.4 自动水龙头开关电路 ..................................... 6

2.3.5 电源电路 ............................................... 7

3.用Multisim仿真 ........................................

7

用Multisim仿真红外自动水龙头

前言

红外自动水龙头电路依靠红外线控制水龙头自动瞬时来水，自动延时断水，

既使用方便，又节约用水。红外自动水龙头采用非接触的红外感应方式自动开关，

使用时手不接触水龙头，从而杜绝了细菌病毒的交叉感染，有效地预防了各种疾

病的传播。在医院、宾馆、饭店、学校、超市等公共场所及家庭中都得到了广泛

的应用。

1.总体方案设计

1.1 设计任务和要求

1.1.1 设计任务

设计一个红外自动水龙头开关控制电路。该电路能够在人们需要用水的时候，

通过感应装置自动打开自来水开关，并且在打开开关一段时间后，自动关断开关，

从而起到节约用水的目的。

1.1.2 设计要求

1.要求电路通过感应装置，在人们需要用水的时候，自动打开水龙头开关。

2.要求电路在打开水龙头开关一段时间后，自动关断开关。

3.要求电路能够调节自动水龙头开关打开的时间。

1.2 系统组成框图

红外自动水龙头开关控制电路的总体框图如图1所示：

1

图1 红外自动水龙头开关控制电路的总体框图

红外自动水龙头开关控制电路是由红外线发射电路、红外线接收电路、时间

延迟电路、自动水龙头开关电路和电源电路5部分构成的。

红外线发射电路的功能是利用红外线发光二极管发射光脉冲，从而实现电路

对人体或物体的感应。红外线接收电路功能是利用光敏元件接收发射出来的光脉

冲，并且将光脉冲信号转化为电信号，同时对其进行放大。时间延迟电路的功能

是利用单稳态电路的特性，实现对自动水龙头开关打开时间的控制。自动水龙头

开关电路的功能是利用电磁阀作为自动水龙头的开关，从而可以通过电信号对自

来水进行控制。电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。

2.设计原理分析

2.1 电路主要芯片介绍

2.1.1 NE555时基电路简介

NE555的内部电路结构图如图2所示：

图2 NE555内部电路结构图

NE555时基电路是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，它由比较器和

C

1

C

2

、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管三部分组成。

T

D

其内部电路结构：是比较器的输入端（也称阈值端，用标注），是



I1I2

C

1

TH



2

比较器的输入端（也称触发端，用）标注。和的参考电压（电压比较

CCC

212

TR

的基准）和由经三个5kΩ电阻分压给出。在控制电压输入端悬

VVVccVco

R1R2

空时，=(2/3), =(1/3)。如果外接固定电压，则=，

VVccVVccVcoVVco

R1R2R1

VVco

R2

=(1/2)。是置零输入端。只要在端加上低电平，输出端便立即

RR

DD



O

被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使处于高电平。

R

D

图中的数码1～8为器件引脚的编号。

2.1.2 MC78L12CP简介

MC78L12CP是一种三端小电流正稳压电源，它的最大输出电流是100mA。

2.2 电路原理图

红外自动水龙头开关控制电路的总电路图如图3所示：

图3 红外自动水龙头开关控制电路的总电路图

该电路由红外线发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路、自动水龙头开

关电路和电源电路5部分构成。

3

2.3 主要单元电路设计

2.3.1 红外线发射电路

该电路的核心器件是红外线发光二极管SE303。红外线发光二极管由GaAs的

PN结构成，其发光波段处于可见光波段之外，因此不能在显示中使用，一般仅作

为光信号传输之用。本电路的感应装置一般要求不可见，因此只能采用红外线发

光二极管作为感应装置。

红外线发射电路如图4所示：

图4 红外线发射电路

红外线发光二极管正向电流不能超出其最大额定值，而作为感应装置则要求

其具有较大的光输出。一般利用其响应速度快的特性，通过脉冲信号驱动来增大

光输出。因此电路前端需要一个脉冲信号电路，本电路采用的是由NE555集成电

路构成的多谐振荡器组成。其电路运行包括两个过程：一是利用直流电源经电阻

R

1

和对电容的充电过程；二是电容经电阻从NE555集成电路的DIS端的

RR

22

CC

11

放电过程。通过这两个过程的交替运行，就可以在NE555集成电路的输出端Q产

生出脉冲信号。其输出脉冲信号的频率f和占空比q为：

f=1/0.7(+2)C1=1/0.7(220kΩ+2×22kΩ)100µF≈541Hz (1)

R

1

R

2

q=R1/(+2)=220kΩ/(220kΩ+2×22kΩ)≈83.3﹪ (2)

R

1

R

2

这样输出端Q输出脉冲信号来控制红外线发光二极管发射光脉冲，二极管D1

起保护红外线发光二极管的作用。

2.3.2 红外线接收电路及信号放大电路

该电路包含两个部分：一是红外线接收电路；二是信号放大电路。红外线接

4

收电路实际上就是一个硅光电池2CR21。硅光电池是一种直接把光能转换成电能

的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，在光照条件下

PN结两端能产生电动势，接上负载后就形成电流。硅光电池的原理是通过硅PN

结的光伏效应，使其具有按照光信号的强度产生出对应电信号的特性，这称为光

敏器件。硅光电池的输出特性分为恒流区和恒压区，即其短路电流与光强度成正

比，其开路电压随光强度按指数规律变化，由于其电流和光强度是线性关系，一

般采用产生短路电流的方式来接收光信号。

红外线接收电路及信号放大电路如图5所示：

图5 红外线接收电路及信号放大电路

硅光电池2CR21的输出信号是一个十分微弱的信号，为了使后续电路能够对

光强信号进行处理，因此需要加入信号放大电路。其信号放大电路是由电阻～

R

4

RCC

734

、、和、构成，电路中采用了双三极管构成放大电路，这样就可以

T

1

T

2

使得电路的放大倍数比单管放大电路的倍数增加β倍从而得到更合适的信号。

R

5

和为放大电路集电极偏置电阻，和为放大电路的滤波电容。为放大电

RCC

634

R

4

路的反馈电阻，其功能是保证放大电路有一个稳定的静态工作点和稳定的输出电

压。

V

1

2.3.3 时间延迟电路

该电路主要由两部分构成：一是整流和滤波电路；二是由NE555集成电路构

成的单稳态电路。前端电路的输出电压首先经过二极管和整流，再经过

VD

13

D

2

电容滤波，则在NE555集成电路的TRIG端产生了触发电平信号。

C

5

当接收到红外线脉冲时，前端电路输出电压经由整流和滤波在TRIG端产生

V

1

5

一个高电平信号，由NE555集成电路构成的单稳态电路特性可知，输出端Q输出

低电平。当由于人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲时，前端电路没有

输出电压，则TRIG端输入为零，单稳态电路接收到触发信号，输出端Q输出

V

1

为高电平并保持一段时间。延迟时间由可变电阻和电容的数值决定，通过调

RC

96

节可变电阻的大小，可以改变延迟时间的长短，以适合不同场合的应用。

时间延迟电路如图6所示：

图6 时间延迟电路

2.3.4 自动水龙头开关电路

由于电磁阀通过的是大电流、大功率，而直流电源一般无法提供很大的电流

和功率，因此电磁阀需要交流供电，从而电路中的开关需要采用继电器电路。而

一般NE555集成电路的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。

自动水龙头开关电路如图7所示：

图7 自动水龙头开关电路

该电路中的电流放大电路是由三极管T3构成的，这是一种比较典型和简单的

电路。其中为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。为共发射极电路，

RT

103

6

当输出端Q输出高电平时，三极管导通饱和，将输入电流放大β倍；当输出端Q

输出低电平时，三极管截止，无电流通过。继电器连接的集电极，当有电流驱

T

3

动时，开关吸合，电磁阀通电，自来水流出；当无电流驱动时，开关断开，电磁

阀不通电，没有自来水流出，同时在继电器两端并联一个二极管实现保护。同时

电路中加入发光二极管作为显示电路，显示自来水是否流出。

D

4

2.3.5 电源电路

电源电路的设计可以采用两种方法来实现：第一种方法是采用电池供电，需

要注意的问题是选择合适电池的指标参数与电路相匹配；第二种方法就是采用如

图8所示的电源电路。

图8 电源电路

电路直接从电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将

电网中220V交流电转换为+12V直流电压。电路中的变压器采用常规的铁心变压

器，整流电路采用二极管桥式整流电路，、、和完成滤波功能，稳

CCCC

891011

压电路采用三端稳压集成电路来实现。

3.用Multisim仿真

3.1 Multisim仿真软件简介

3.1.1 Multisim仿真软件概述

Multisim是一种专门用于电子电路仿真和设计的EDA工具软件，属于

Electronics workbench系列软件的高版本。Electronics workbench (简称EWB)

由加拿大Interactive Image Technologies公司（简称IIT公司）于1988年推

出。IIT公司从EWB6.0版本开始，将电路图输入仿真与设计的模块更名为

Multisim 。

7

3.1.2 Multisim软件的特点和结构

Multisim在保留了EWB原有优点的基础上，大大扩充了元件库中电路的数目，

增强了软件的仿真测试和分析功能，可实现模拟/数字电路的Spice仿真、

VHDL/Verilog设计与仿真、RF电路仿真等。

Multisim软件具有以下一些特点：

⑴ 最突出的是软件中提供各种虚拟仪器。其控制面板外形和操作方式都与实

物相似，可以实现虚拟实验。

⑵ 软件带有丰富的电路元件库，并提供多种电路分析方法。

⑶ 采用直观的电路图输入方式。绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的

测试仪器均可直接从运行的窗口上选取。

⑷ 操作方便、易学易用，很适合电子类课程的教学和实验。

Multisim由五部分组成：输入模块、器件模型处理模块、分析模块、虚拟仪

器模块、后续处理模块。各部分的功能大体如下。

输入模块：用户以图形方式输入电路图。

器件模型处理模块：Multisim提供了丰富的元件，并可对元件属性进行编辑，

还可以创造新元件。

分析模块：Multisim的分析方法比较丰富，共有18种分析方法。除具有Spice

基本分析方法外，还有些独有的功能，例如零极点分析。

虚拟仪器模块：是Multisim最有特色的部分。与EWB相比，它种类更多，使

用操作更方便。

后续处理模块：可进行电路分析结果的后续处理，包括与多种软件的转换。

其中分析模块与虚拟仪器模块构成了强大的分析与仿真功能。

3.1.3 Multisim的仿真特点

1．多种仿真引擎

Multisim提供了多种电路仿真引擎，包括XSpice、VHDL、Verilog以及这3

种方式相结合的仿真引擎。对于设计制作PCB电路板的电路，比较适合使用XSpice

仿真引擎；对于使用可编程器件构造的数字电路，比较适合使用行为级描述语言

进行输入和仿真分析，一般使用VHDL和Verilog仿真；对于复杂的数字器件，比

如LSI或VLSI，属于晶体管--门级描述语言，一般用于VHDL和Verilog仿真。

2．交互式仿真

8

Multisim最独特的性能之一就是能对电路进行交互式仿真。可以通过改变电

路中的元器件的参数（比如电源值的大小、电阻的阻值大小等），或者改变仿真仪

器的参数，实时地观察电路性能的变化和仿真结果。

3．支持网表仿真

Multisim可以不在电路中进行仿真，只需在Multisim中输入电路的网表，

用户通过从命令行输入命令，即可对电路进行仿真。通过执行View→Show

XSopice Command Line Interface菜单命令，可以打开仿真命令窗口。用户可以

直接在该窗口中输入各种仿真命令。

4．电路一致性检查

当用户开始对电路进行仿真分析时，Multisim首先对电路进行一致性检查，

以便发现电路的连接是否符合设计规则，比如是否存在开路、短路，是否接地等，

同时把检查的错误内容写入错误日志中。注意，Multisim在进行电路一致性检查

时，仅仅对可能导致仿真错误的问题进行检查，并不对电路的功能和性能等进行

检查。

3.2 用Multisim软件仿真的结果

1.红外线发射电路的工作状态仿真如图9所示：

图9 红外线发射电路的工作状态仿真图

由于条件有限，用发光二极管和灯泡的亮、灭来代替电路是否能够正常工作，

能正常工作则发光二极管和灯就亮，不能正常工作则发光二极管和灯就灭。

9

由图9可知，红外线发射电路可以正常工作。

2. 红外线发射、接收电路的工作状态仿真，处输出的电压波形仿真分别

V

1

如图10、图11所示：

图10 红外线发射、接收电路的工作状态仿真图

10

图11 处输出的电压仿真波形图

V

1

由图10、图11可知，通过红外线发射电路和接收电路，在处可以输出稳

V

1

定的电压，从而保证时间延迟电路、自动水龙头开关电路的正常工作。

3．红外自动水龙头开关断开、吸合的工作状态仿真分别如图12、图13所示：

图12 红外自动水龙头开关断开的工作状态仿真图

11

图13 红外自动水龙头开关吸合的工作状态仿真图

由图12、图13可知，当由于人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲

时，前端电路没有输出电压，则NE555的TRIG端输入为零，单稳态电路接收

V

1

到触发信号，输出端输出为高电平并保持一段时间，使自动水龙头开关电路有电

流流过，当有电流驱动时，开关吸合，电磁阀通电，自来水流出；当没有人体或

者物体的阻隔时，NE555的TRIG端输入为1，单稳态电路的输出端输出低电平，

自动水龙头开关电路中没有电流流过，无电流驱动，则开关断开，电磁阀不通电，

没有自来水流出。电路中加入发光二极管LED2和灯泡X2作为显示电路，显示自

来水是否流出；发光二极管LED2和灯泡X2亮则自来水流出，不亮则不流。

结论

NE555属于CMOS工艺制造，使用NE555时基电路等器件设计红外线自动水龙

头，可实现专用芯片TL5108的功能，而且设计简单、实用。NE555时基电路巧妙

地将模拟电路和数字电路结合在一起，在很多电路设计中都有广泛的应用。同时，

在整个毕业设计过程中，我加深了对NE555时基电路以及其它器件的理解和认识，

锻炼了我的设计能力。

12

以上所设计的用Multisim仿真红外自动水龙头经过了多次的修改和整理，可

以满足人们的基本要求，但因为水平有限，电路中也存在一定的问题，但可以通

过增加电路来解决。

通过这段时间的学习，我感觉收获很大：首先，通过学习使自己可以把课本

上的知识应用于实际，使理论与实际相结合，加深了自己对课本知识的理解，也

锻炼了我个人的动手能力，同时通过查阅资料还学会了许多课本以外的知识。

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13

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[15]路而红.虚拟电子实验室.北京:人民邮电出版社,2005,5:150-152.

致谢

在我的课题设计过程中，牛慧娟老师给了我很大的帮助,她多次询问研究进

程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。在她的精心

指导下，让我顺利完成了用Multisim仿真红外自动水龙头的电路设计。在此我衷

心的感谢牛老师对我孜孜不倦的指导和帮助。牛老师一丝不苟的作风，严谨求实

的态度，踏踏实实的精神，将使我终生受益。

大学四年的学习以今天的毕业论文画了一个句号。感谢大学四年，各位老师

对我的教诲，很幸运，在我大学的最后一次作业的完成中，能得到牛慧娟老师的

指导与帮助，有了一次跟牛老师接触的机会，她知识渊博，品德高尚，平易近人。

对我的论文写作过程的各个环节，都给予了悉心的指导。经过最近这段时间的学

习，我对数字电路的相关知识有了进一步的理解和掌握，数字电路是与社会实际

结合比较密切的一门专业课，通过学习使我更加理解我们所学的专业，感到学有

所用，从而更加热爱我所选择的专业。这些将使我终生受益，我希望借此机会向

牛老师表示最衷心的感谢！

感谢我的同学四年来对我学习、生活的关心和帮助。

最后，向我的父亲、母亲致谢，感谢他们对我的理解与支持。

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