感应水龙头

传感器课程设计

课题： 感应水龙头的设计

学校： 新 乡 学 院

院系： 物理与电子工程学院

专业： 电子信息科学与技术二班

姓名： 薛 玉 茹

学号：

指导老师: 李 栋

目录

一、引言

...................................................... 3

二、系统的基本组成

.......................................... 4

2.1“感应式水龙头”的正视图和侧视图 ......................... 4

2.2水龙头的构成及红外传感器控制............................. 5

2.3系统组成方框图........................................... 5

三、系统的工作原理

.......................................... 6

3.1 红外线水龙头控制电路系统的组成 .......................... 6

3.2 红外线水龙头控制电路工作原理 ............................ 6

四、单元电路设计

............................................. 7

4.1 +5V稳压电源的设计....................................... 7

4.2红外接收控制电路的设计................................... 7

4.3压放大电路的设计......................................... 8

4.4音频译码器的设计........................................ 10

4.5三端稳压器.............................................. 11

4.6 LM567芯片使用.......................................... 12

4.7元件选取................................................ 13

五、结束语

................................................... 14

参考文献

..................................................... 14

一、引言

许多人在日常生活中有这样的体验，每当在厨房中做饭，双手总会沾满油脂，

想用油油的双手开启水龙头冲洗，又担心会将油脂留在水龙头的开关上，造成日

后的清洗不便。而对于公用场所的水龙头，随着接触的人多了，上面就会有很多

细菌，每次接触就会带上细菌，危害人体健康。特别是医用水龙头，在避免细菌

交叉感染方面更加需要注意。而对于普通的水龙头来说，它无法避免这些麻烦，

但感应式节水水龙头就完全可以帮你解决这些问题。它无需接触龙头任何部位，

出水及关水由感应器自动完成，可有效避免细菌交叉感染，同时在感应范围内自

动出水，用完自动关水特点也起到了节约水资源的作用。

我们所设计得是一种以红外控制出水关水的水龙头。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，使电磁阀得电吸合放水的功能。它安装方便、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。并且它可在强光下工作，可

应用范围极其广泛，如家庭、车站、工厂、学校、餐厅、医院等场所都可使用。

它满足了人们对物质的需求，又提高了科学性。以适应当今品种多批量小的

电子市场的需求，大大提高了产品的市场竞争力。

二、系统的基本组成

2.1“感应式水龙头”的正视图和侧视图

2.2水龙头的构成及红外传感器控制

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二极管来完成。当有物体靠近时，一部分红外被发射到接收

管。反射式红外传感器（见图2-1）。

物体

图2-1 反射式红外传感器

红外水龙头控制过程是，当人或物体接近自动水龙头时，红外发射光电管发

出的红外经人和物体发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。

2.3系统组成方框图

红外线自动控制水龙头整个控制过程分5个模块。系统组成方框图（见图

2-2）。

多谐振荡器红外接收 电压放大

调幅红外光 （LM741）

电磁阀动作 音频译码

（LM567）

图2-2 系统组成方框图

三、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级管；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：电路原理如附录所示。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A3内部处理后使A3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，指示洗手器正工作

于放水状态。洗涤完毕，人手离开水龙头后，A3延时几秒钟后复位，使水龙头

停止放水。

四、单元电路设计

4.1 +5V稳压电源的设计

电路为输出电压+5V，输出电流1.5A稳压电源。它的电压变压B，桥式整流

电路D1～D4，虑泼电容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D1～D4

和滤泼电容C1的整流和滤泼，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。稳压电源电路（见图4-1）。

图4-1 稳压电源电路

4.2红外接收控制电路的设计

采用1片小型一体化红外接收/解调块接受头SFM506-38和1片锁相环电路

LM567、开关放大电路LM741、固态继电器TAC08、电磁阀构成控制电路。其中

SFM506-38是将红外接受管、前置放大、带通滤波器、解调电路等集成在同一基

片上，采用黑色环氧树脂封装（SFM506-38的内部框图如图4-2）。它具有体积

小，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。

输入 控制电路 VCC

解OUT

调

器

ACC 普通滤波

GND

PIN

图4-2 SFM506-38的内部框图

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。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4．75～9V，工作频率0．1Hz～500kHz，

静态工作电流为8mA。当无人洗手时，IC1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。

4.3压放大电路的设计

电压放大电路采用LM741集成运算放大器。LM741是高性能内补偿运算放大

器，低功耗，无需外部频率补偿，具有短路保护和失调电压调零能力。此电路（见

图4-3）。

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（见图4-4），内部原理图（见图4-5）。

图4-3 LM741集成运放大器

OFFSET NULL 1 5 NC

INVCRTING INPUT V+

NCN_INVCRTING INPUT OUTPUT

V-

2 6

3 7

4 8

OFFSET NJLL

图4-4 LM741集成运放大器

图4-5 uA741内部原理图

4.4音频译码器的设计

音频译码器采用LM567锁相环电路，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光接通。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。

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4-6）。

LM567的内部原理图（见图4-7）。

输出滤波1

I鉴相器

8输出

7接地

VCO

回路滤波2

输入3

电源4

Q滤波器

6定时电容

5定时电阻

图4-6 LM567的引脚功能图

图4-7 LM567的内部原理图

4.5三端稳压器

三端稳压器是一种标准化，系列化的通用线性的文雅电源集成电路，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下：原理框图（图4-8）可见，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，去控制调整管的工作状态，从而稳定输出电压。

Vi T

输

入 恒流电源 调整管安全

工作区保护

调

整

管

RSC

启基误短路保护

动础差

电电放过热保护

路 压 大

RA

RB

Vo

输

出

地

图4-8 三端稳压器原理框图

4.6 LM567芯片使用

LM567为通用音调译码器，主要外接电阻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、对假信号抗干扰；4、高稳定的中心频率；5、中心

频率调节从0.01Hz到500Hz；6、电源电压5v—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决定震荡频

率，一般C1为104电容，R1为10K—200K。电源电压为8v。电路（见图4-9）。

图4-9 LM567通用音频译码器集成电路

4.7元件选取

序号 名称 符型号和件数

号 规格

1 电容 C0 0.1uf 1个

2 电容 C1 0.22uf 1个

3 电容 C2 0.1uf 1个

4 电容 C3 0.01uf 1个

5 电容 C4 2.2uf 1个

6 电容 C5 1.0uf 1个

7 电容 C6 47uf 1个

8 电阻 R0 9.1K 1个

9 电阻 R1 13K 1个

10 电阻 R2 6.2K 1个

11 电阻 R3 100K 1个

12 电阻 R4 1K 1个

13 电阻 R5 100K 1个

14 电阻 R6 12K 1个

15 电阻 R7 1K 1个

16 电阻 R8 10K 1个

17 晶体三极VT2 9013 1个

管

18 发光二极 LED 3个

管

19 红外接头 D 2个

20 芯片 LM5 1个

67

21 集成运算LM7 1个

放大器 41

五、结束语

本次传感器大作业我们做的是红外反射式感应水龙头。传感器这门课是我们

这届计算机专业新开的一门课程。日常生活中我们也经常听到某某传感器，但由

于这门课是自动化专业的，因此对我们来说还比较陌生。

通过一学期的学习，我们系统地了解了生产生活中常见的各种传感器以及相

应的原理。这次我们做的感应水龙头就是我们生活中经常能看到用到的，存在于

各种公共场所，甚至是有些家庭、医院、学校。一开始拿到题目，虽然较其他组

而言“感应水龙头”不那么陌生。从查找资料到整理归纳，在整个过程中我们收

获很多。不仅对感应水龙头的原理有了详细了解，同时对一些电子器件也有了一

些了解，如运算放大器（LM741）、音频译码器（LM567）等。

总的来说，通过老师、同学的帮助和我们的共同努力，顺利的完成了这次大

作业。

参考文献

[1] 宋家友 《电子爱好者集成电子线路设计手册》[M].福建科技出版社，

2002

[2] 傅劲松 《电子制作实例集锦》 [M].福建科技出版社，2006

[3] 金发庆 《传感技术与应用》[M].机械工业出版社，2002

[4] 廖先芸 《电子技术实践与训练》[M].高等教育出版社，2000

[5] 孙梅生 《电子技术基础课程设计》[M].高等教育出版社，2003

[6] 杨崇志，康博南[M].福建科技出版 《电子爱好者之使用技术手册》

社，2002。