红外感应烘手器的设计与制作

红外线感应烘手器的设计与制作

摘要：此设计主要由发射电路、红外接收电路、译码电路、触发和继电器控制风机电路组成。由多谐振荡器及红外发射二极管 SE303 组成红外光脉冲信号发射电路。红外接收二极管 PH302 及反相器 CD4069 和单稳态触发器组成红外光脉冲的接受、放大、整形及开关电路。当我们把手放在红外发射管上时，红外发射二极管SE303 发射出的红光脉冲信号经人手反射后，被红外接收管 PH302 拾取，通过电容的耦合，并通过 CD4069 进行放大，整形，然后输出高电频，通过单稳态触发器使继电器线圈通电，其常开触点闭合，控制负载工作，同时指示灯也发亮。

关键词：红外发射管、接收管；反相器 CD4069；NE555

目录

摘要 ................................................................ 1

1绪 论 ............................................................. 2

2 方案论证 ........................................................... 3

3 电路设计 ........................................................... 4

3.1 红外线的简介 ................................................... 4

3.2 红外辐射及近红外光波谱 ......................................... 5

3.3 红外光发射方式及红外发收系统的基本组成 ......................... 5

3.4 555 电路 ....................................................... 7

3.5 电路分析 ...................................................... 10

4 系统测试 .......................................................... 12

结 论 ............................................................. 13

谢 辞 ............................................................. 13

参考文献 ........................................................... 13

附录 A 整机原理图 ................................................... 14

附录 B 元件清单 ..................................................... 15

附录 C 硬件实物图（4 张） ........................................... 16

1绪 论

烘手器电路是由发射电路、红外接收电路、译码电路、触发和继电器控制风机电路组成。该产品可用于医院、食堂、公厕等公共场合。当有人洗手后，把手放在红外发射管前，发射出的红外脉冲信号通过人手反射，信号被红外接收管接收，该电路会自动开启。当然人手在红外发射管前离开后，电路会自动关闭。该设计使用安全可靠、清洁卫生。 烘手器主要的组成部分就是 555 定时器电路。根据 555 强大的功能可以制造出多种产品，烘手器只是其中的一种。 在《数字电子技术基础》之中我们已经学习了 555 定时器，但是只是限于理论知识，没有把它应用到实际之中，通过这次对烘手器的设计让我对 555 定时器又有了更新的认识，同时我也对红外线有了新的了解，知道了红外线遥控的大体内容和原理。 在许多

场所自动烘手器已经非常的常见，它的类型也有很多种，但是我们必须设计出最优的产品种使它的原理清晰，结构简单，所用器件最少，性价比最高。

2 方案论证

此设计要求红外控制因此提出以下三个方案进行比较论证并选定设计方案。

方案一：用单片机进行设计 该方案用单片机设计，能自动识别人手的伸进与离开，可自动计数，人手与烘手器间隔距离及烘干时间均可调节。当人手伸至烘手器下方可工作的范围内，烘手器工作，手离开，则立即停止工作。烘手机最多工作时间为 15S；烘手最长时间为 15 秒，可调节；人手与烘手器间隔距离小于 30cm。

方案二：运用 CA432 运放进行设计 该方案是运用于远红外线发射与接收原理，将发射具有固定频率的红外线通过手反射到红外线接收管，经放大控制电路控制加热丝加热，由风机将热风吹出。该电路用一块 CA342 运放完成信号的放大、选频、比较等功能，用定时器控制加热、风机。

方案三：用红外控制电路和 555 电路设计 该方案是全自动烘手器，由红外光控制电路、555 电路、电吹风机等几部分组成。红外光控制电路是其关键部件，只需花十几元钱便可做成。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。555 电路是一种将数字电路和模拟电路巧妙的结合在一起的集成电路。可用作振荡器、脉冲发生器、延时发生器、定时器、方波发生器。 图 2.1 方案三框图 方案选定:本设计要求红外线控制电路进行设计。方案一是用单片机进行设计，没有用红外线进行设计。方案二中虽然有红外线控制电路，但没有方案三中用 555 电路进行设计简单方便。所以最后选定方案三为本次设计方案。

3 电路设计

3.1 红外线的简介

红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。本节重点在于对红外线的基本特征和其在应用电路中发射与接收的基本原理进行分析和介绍，掌握其发射方式和接收系统的基本组成，了解各个组成部分的功能，为以后在分析其他电路打下良好的基础。

3.2 红外辐射及近红外光波谱 红外辐射又称红外线或者红外光，它是一种人的眼睛根本看不见的光，属于电磁波的一种。 红外光是波长比红色光的波长（0.76μm）还长的光波。通常，将电磁波波谱中间为 0.76～1000μm 的波谱段成为红外光谱区。一般把红外光谱分为四个区域，即近红外（0.76～

3.0μm）、中红外（3.0～6.0μm）、中远红外（6.0～20μm）、和远红外（20～1000μm）区。 实际上，目前在工业或居民用的红外光探测/遥控中所使用的红外光主要集中在 0.76～1.60μm 的近红外区。 采用近红外光作为红外探测/遥控的光源，主要基于如下理由： 一般的接收用的光电二极管，光敏三极管大都采用硅（Si）半导体材料制作而成，这类管的接收峰值波长为 780～1550nm，即管子对波长为 780～1550nm 的红外光的探测灵敏度最高。 红外光发射器件，尤其是采用 GaAs、AlGaAs 或 GaInAsP 等半导体材料制作的红外发光二极管，其发射波长在 880～1700nm 范围内，这与硅光电接收器件（包括发光二极管、光敏三极管）的响应波长相匹配，使得探测灵敏度高，工作效率高。

3.3 红外光发射方式及红外发收系统的基本组成

使用红外发光二极管获得近红外光是相当简便的。红外发光二极管是一种由PN 结构成的注入电流型发光器件，在加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光。 除直流驱动外，发光二极管（LED）还有交流电流驱动方式和脉动电流驱动方式等。交流电流驱动方式主要用于红外测量、检测及较简单的红外通信等电路中。对红外光通信来势说，调制频率、调制带宽是重要的通信指标。 在红外探测/遥控系统中，对红外发光二极管采用脉动直流驱动方式，即脉冲式红外光发射方式，如图 1-1 所示。 图 3-1 红外光平均发射和脉冲式发射示意图 平均发射方式是指通过启动直流供电电源直接驱动发光二极管发出恒定的红外光。红外发光二极管的功率一般都比较小，而平均发射方式的功耗较大，而且抗干扰能力较差。为了提高红外探测/遥控系统的作用距离，而又不使红外发射管过载，一般不采用平均发射方式，而采用脉冲发射方式或调制载波脉冲发射方式。 红外探测/遥控系统的有效作用距离取决于发射二极管辐射的峰值功率，而峰值功率是由发光二极管的电流峰值功率所决定的。峰值功率越大，驱动电流的平均值越小则发光效率就越高。 脉冲发射方式或调制载波脉冲发射方式可使红外发射管的平均功率减小，提高系统的有效作用距离，而且大大提高了红外探测或遥控系统的抗干扰能力。 图 1-2 是红外光探测/遥控系统的基本组合框图。 图 3-2 红外光探测/遥控系统的基本组成 在图 1-2（a）中所示的红外光反射电路中，编码波形发生器产生一定占空的脉冲信号，经驱动级放大后驱动红外发光二极管，使其发射出一系列等幅的红外光脉冲信号。发射脉冲编码信号可降低功耗，提高发射效率。 图 1-2（b）所示电路为红外接收电路。光电探测器用来将接收到的红外脉冲信号转换成相应的电信号。接收光电管在没收到红外光信号时，光电管中流过的电流很小，即只有很小的“暗电流”，负载上无电脉冲信号输出；当有红外脉冲信号照射时，光电管的内阻急剧减小，电流增大，并在负载电阻上得到相应的电脉冲信号。由于检测出的信号微弱，粗要经过高增益电压放大器放大，然后经整流滤波电路后输出正极性脉冲信号，加至触发电路，使触发器可靠翻转，并输出规范的控制信号，驱动执行机件动作。

3.4 555 电路

555 电路是一种将数字电路和模拟电路巧妙的结合在一起的集成电路。555大量应用于电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、音响报警、电子玩具等诸多方面。可用作振荡器、脉冲发生器、延时发生器、定时器、方波发生器等等。本章将简单的介绍一下 555 的结构和基本原理，掌握 555 电路的一些基本知识，了解 555 的一些参数特性和特点。 555 定时器中的“555” ，不是普通的数字，它是有具体内涵的，这是因为在该集成片上的基准电压电路是由三个误差极小的 5KΩ电阻组成的，分压精度极高。 图 2-1 是 555 定时器的基本结构。 图 3-3 555 等效功能电路图 TR C1 TH 是比较器 C1 的输入端， 是比较器 C2 的

输入端。 和 C2 的参考电压 VR1和 VR2 由 VCC 经三个 5KΩ电阻分压给出。在控制电压输入端 VCO（CO 端）悬空时， 2 1 1VR1 VCC ， VR 2 VCC 。如果 VCO 外接固定电压，则 VR1 VCO ， VR 2 VCO 。 3 3 2 RD 是置零输入端。 只要在 RD 端加上低电平，输出端 OUT 便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时 RD 处于高电平。 由图 2-1 可知，当 VTHgtVR1，VTRgtVR2 时，比较器 C1 的输出 VC10比较器 C2 的输出电压 VC21，SR 锁存器被置 0，TD 导通，同时 OUT 为低电平。 当 VTHltVR1，VTRgtVR2 时，VC11，VC21，锁存器的状态保持不变，因而 TD 和输出的状态也不改变。 当 VTHltVR1，VTRltVR2 时，VC11，VC20，故锁存器被置 1，OUT 为高电平，同时 TD截止。 当 VTHgtVR1，VTRltVR2 时VC10VC20锁存器处于 QQˊ1 的状态，OUT 处于高电平，同时 TD 截止。 表 2-1 555 的功能表 输入 输出 RD VTH VTR OUT TD 状态 0 × × 低 导通 1 2 1 低 导通 gt VCC gt VCC 3 3 1 2 1 不变 不变 lt VCC gt VCC 3 3 1 2 1 高 截止 lt VCC lt VCC 3 3 1 2 1 高 截止 gt VCC lt VCC 3 3 根据上面的功能表可以把 555 应用于各种的器件中去，使得器件简单、方便。 555 的功能非常强大可以和不同的元件组成多种电路。下面我们就简单的了解一下我们在后面将要用到的多谐振荡器和单稳态触发器，也为后面的工作打好基础。 如图 2-2 所示，将 555 与两个电阻和一个电容如图连接起来就可以组成一个多谐振荡器。 图 3-4 用 555 定时器接成的多谐振荡器 2 1 经过推证可知，电容上的电压 VC 将在 VCC 和 VCC 之间往复振动，又经计算 3 3可知： 1 VCC VCC T1 R1 R2 C ln 3 2 VCC VCC 3 R1 R2 C ln 2 2 0 VCC T2 R2 C ln 3 1 0 VCC 3 R2 C ln 2∴ 振荡周期为： T T1 T2 R1 2 R2 C ln 2∴ 振荡频率为： 1 1 f T R1 2 R2 C ln 2 如图 2-3 所示，将 555 与一个电阻和电容如图连接起来就可以组成一个单稳态触发器。 图 3-5 用 555 接成的单稳态触发器 根据验证看出单稳态触发器可以一系列稳定的脉冲，假设脉冲宽度为 tw，再 2经过证明可知电容在充电过程中从 0 上升到 VCC 所需要的时间也为 tW，计算后可 3以得出： VCC 0 t w RC ln 2 VCC VCC 3 RC ln 3 1.1RC3.5 电路分析 图 3-1 为电源电路。为减少电网串入的干扰耦合，电源变压器中间屏蔽层接地，在整流二级管输出端及 7812 稳压器的①、③脚都接电容。 图 3-6 供电电源 红外发射电路如图 3-2 所示，它以 555 为核心而组成 555、R1、R2、R3、C1、 1C2 组成一个无稳态多谐振荡器，其振荡频率为 f 0 。 R1 2 R 2C1ln 2 经过计算可知图示参数的振荡频率大约为 1000Hz。555 振荡方波经 VT1 放大后驱动红外发光二极管 VD1 发出 1000Hz 的红外调制光。 图 3-7 红外发射电路 红外线控制电路是此设计的关键部分，图 3-3 示出了一个由六位反相器CD4069 组成的红外光控制电路。红外接收二极管 PH302 及后续电路组成红外光脉冲信号的接收、放大、整形、及开关电路。当人手靠近红外发射管 SE303 时，从发射管发射出的红外光脉冲信号经人手反射后，被红外接收管 PH302 拾取，并将其转变为脉冲信号电压，通过电容 C3 耦合，并通过反相器 D1、D2、D3 对接收到的脉冲信号进行放大。放大后的脉冲信号由反相器 D4、D5 进行整形，并输出高电平，启动 NE555，三极管 VD5 被导通，使继电器 KT 线圈通电，其常开触点闭合，接通负载工作。 图 3-8 红外控制电路

4 系统测试

根据方案设计的要求，电路按模块调试，先通过观察法，检查元件安装有无问题，看个模块上的硬件有无损坏，如无损坏再各模块逐个调试通过之后再联调。 给电路通上电，查看电源指示灯是否亮起，如果不亮应切断电源，检查电路是否短路。在正常通电情况下，听继电器是否跳起，如果继电器没有跳起，那么外接复杂就不会正常工作。然后用数字万用表测量 555 接电源脚的电压是否正常，发现不正常可以增减电阻进行调试。用示波器观察红外发射

管发射的信号波形和红外接收管接收的波形是否一致，波形为方波。如不一致，检查接收信号部分电路。 调试过程循序渐进直到各项符合设计要求即可。 表 4.1 测试仪器 序号 名称、型号、规格 数量 备注

1 双踪示波器-DF4320 1 宁波中策电子有限公司

2 数字万用表-VC9806 1 深圳市胜高电子科技有限公司

3 变压器 1 自备 以下两图是用示波器测量的红外发射管发射的信号波形和接收管接收的信号波形： 红外发射管发射的信号波形 红外接收管接收的信号波形 从测量的结果看，虽然红外接收管接收到的信号比发射管发射的信号有所减小，但还属于正常工作状态，并不影响此设计的完成。

结 论

本设计主要研究了自动红外线感应烘手器的原理和结构。通过对这次对红外烘手器的设计研究我感觉自己的收获非常大。在这次设计中我不但学会了自己如何查阅资料学习知识的能力，而且还从中学会和提高了很多在课堂上所学不到的知识和能力。 这次设计主要让我对红外传感自动烘手器的工作过程有深入的了解，并且能亲自动手制作红外线感应烘手器。进行此次设计也是为了考验我们这三年来所学习的专业知识水平。从而也让自己了解自己的专业知识水平到底有多少。此次设计主要应用的红外传感技术，而且也要必须实现电路自动运行。 在这次设计中，我发现了自己理论知识的不足，所以我查阅了大量的书籍资料，也为我的理论知识的学习提供了一个很好的锻炼的机会；所以通过此次设计，让我们能够充分发挥理论与实际操作相结合的能力。

谢 辞

在设计过程中，我们得到了指导老师XXX的大力支持和帮助，他对学生认真负责的精神和严格治学的态度，给我们留下了深刻的印象；他为学校教育事业的兴旺、学生能力的提高鞠躬尽瘁的精神，是我们全院师生学习的榜样！在整个过程中，XXX老师也倾注了大量的心血，给我们提供了诸多的帮助，在此一同表示衷心的感谢！

参考文献

1 陈永甫.红外探测与控制电路.北京.人民邮电出版社.2004.5

2 陈永甫.电子电路智能化设计实例与应用.北京.电子工业出版社.2004.8

3 陈永甫.新编 555 集成电路应用 800 例.北京.电子工业出版社.2000.2

4 赵家贵.电子电路设计.北京.中国计量出版社.2005.8

5 叶建波.余志强.EDA技术.北京.清华大学出版社.2005.4

6 郑国钦.集成传感器应用入门.浙江科学技术出版社.2003.1

7 张玉莲.传感器与自动检测技术.机械工业出版社.2007.9 T 220V 1 VD5-VD8 .

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kmq4.html