2023年12月15日发(作者：防爆除湿机)
辽 宁 工 业 大 学
信号变换综合设计 课程设计（论文）
题目：公厕自动冲水控制装置设计
院（系）：
专业班级：
学 号：
学生姓名：
指导教师：
起止时间：
课程设计（论文）任务及评语
院（系）： 教研室：
学生姓学 号 专业班级
名
设计题公厕自动冲水控制装置设计
目
设计任务：设计一个公厕自动冲水控制系统，可在人方便后离开时自动冲水。传感器采用红外发射、接收传感器（如TLN103接收管和TLN发射管）；延时电路采用555芯片制作，开关采用继电器或双向交流继电器等，水阀门采用电磁阀。进行电路仿真，或进行电路板焊接。
课程设计（论文）任务
技术要求:
环境温度：-30～+40C；
控制电路可使用电源供电，采用较小电流继电器可以驱动发光二极管即可。
传感器（敏感元件）：自行选择传感器类型，自己设计放大电路
说明书要求:
1.格式规范，符合学校要求；
2.说明书中应有方法比较与方案论证，光电测量原理（公式）及具体的实现方案、电路器件型号、参数等；硬件电路应用protel绘制，并且进行电路板焊接、调试；不能采用单片机设计。
3.按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，详细阐述系统的设计过程，字数应在4000字以上。
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。（2天）
工作计划2、选择相应传感器、设计硬件电路图。（2天）
3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。（3天）
4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。（2天）
5、撰写、打印设计说明书、答辩。（1天）
指导教师评语及成绩
平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字：
总成绩： 年 月 日
注：成绩：平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算
摘 要
随着社会的发展，水资源紧缺的问题日益凸显。保护水资源成为可持续发展战略的一部分，因此在生产生活中节约水资源是尤为重要的。
本文采用红外光电传感器、555定时器组成的延时电路、继电器以及电磁阀构成了一个公厕自动冲水控制装置。当有人遮挡红外光电传感器时，红外对管将产生一个低电平并保持，当人离开时，对管将由低电平变为高电平，经过与非门组成的单稳态电路后，形成555定时器电路的触发脉冲，定时器输出高电平，并发出打开电磁阀指令，开始冲水约10秒钟，定时器回到稳态，即输出低电平，电磁阀关闭。通过固态继电器构成控制电磁阀的开关，能够以弱控强。
关键词：自动冲水系统；节水；红外光电传感器；555定时器
目 录
第1章 绪论1
第2章 总体方案设计2
2.1
任务分析2
2.2
总体设计框2
2.3
结构电路的选择3
第3章 电路设计4
3.1
电源电路设计4
3.2
光电传感器检测电路设计5
3.3
555定时器触发电路设计7
3.4
555定时器延时设计7
3.5
控制电路设计9
3.6
总体电路9
第4章 仿真与数据分析11
4.1
仿真概述11
4.2
仿真内容及结果11
第5章 课程设计总结14
参考文献15
附录Ⅰ16
附录Ⅱ17
第1章 绪 论
随着全球经济社会的不断发展，资源的过度开发利用，导致了许多资源的紧缺。尤其对于解决淡水资源极度紧缺的问题来讲，更是值得引起人们关注的。现阶段的发展，对水资源紧缺的问题的解决方案一共有两种，一种是尽量节约水资源，另一种是海水淡化和污水处理后重新利用。其中海水淡化的成本非常高，因此现阶段没有大规模采用，而污水处理再利用也只能针对于生活用水，达不到饮用水的标准。因此现阶段唯一解决淡水资源紧缺的手段就是节约用水。
目前，节约环保已然成为世界的主题，而在我国建设节约型社会更是成为近期发展的重要目标之一。水，作为人类生命之源，一直以来倍受人们的关注，使得在生产生活的各个方面采取节水措施的重要性突出出来。
针对国内外公共卫生场所的清洁冲水系统进行调查和检索后了解到，公共卫生场所的清洁冲水装置发展至今大体可分为三个阶段：第一阶段，手动冲水装置，原始的手动冲水装置可以做到最“智能”的节水，但是也最大限度浪费了人力物力；第二阶段，定时冲水装置，此种冲水方式做到了相对的智能，用定时器取代了人工，使冲水装置实现了自动化，但是这种冲水方式的不足也很明显，即如若定时间隔短，人少的时候甚至夜间就会造成大量水不必要的浪费，而如若定时间隔长，人多的时候就起不到良好的清洁作用；第三阶段，感应冲水装置，现行的感应式冲水装置用感应器完美的弥补了定时冲水器的不足，但是在改进的过程中，却完全否定了定时器的价值，目前公共厕所感应式冲水装置为“有人即冲”式，这样的感应方式存在相当大的弊端，根据实际调查发现，采用现有的感应方式，仅在人流量较少的场所能起到较好的节水作用，而在人流量较大的公共场所，这种“有人即冲”的方式即变成了全时段冲水，这样做的确得到了最大限度的清洁，但是造成的水资源浪费比老式的定时冲水系统还要大的多。
本项目课题希望通过设计和研究，采用简单的智能控制和定时、延时技术来弥补目前感应式冲水系统的各种不足，研究一种
简单实用且经济实惠的延时控制式感应冲水系统。
第2章 总体方案设计
2.1 任务分析
本设计要求设计一个公厕自动冲水控制系统。通过光电传感器检测到有人遮挡并离开后，通过555定时器构成的单稳态触发器进行延时冲水一段时间。555定时器发出的信号要求给继电器开关电路，开关闭合后电磁阀打开，开始冲水。冲水结束后，该控制系统进行等待，等待下一次有人到来并离开。
该自动冲水系统要求应用于现实中，在-30℃~40℃的环境温度下可以正常工作，而且为了节约电能，要求采用较小的电流进行控制各个模块，因此低功耗也成为本设计的一项任务。
2.2 总体设计框
红
外
传
感
器
系统电源电路
与非门组成单稳态电路作555时基电路的触发
555定时
器组成
延时模块
控制
电路
模块
电
磁
阀
图2.1 系统总框图
本设计的总体框图如图2.1所示。电源电路为电路中所有器
件提供电能。红外传感器模块通过一个红外线发射管以及一个红外线接收装置构成。一旦红外传感器产生高低电平变化，经单稳态电路触发555定时器后，系统向开关电路发出指令打开电磁阀，打开时间由555定时器的延时时间决定，本设计延时时间确定为10秒左右，达到延时时间以后，关闭电磁阀，停止冲水，等待下一时刻冲水信号的到来。
2.3 结构电路的选择
2.3.1
电源稳压芯片的选择
采用LM2940芯片作为5V稳压输出，该芯片的压差是0.5V。输入电压范围在5.5-20V之间，而且市场价格在3.5元左右，使用时可靠、方便。
本设计选用LM2940LD-5.0，该稳压管的工作温度范围为-40℃—125℃，符合实际工作环境的要求。
2.3.2
光电传感器的选择
采用红外光电传感器以及光电三极管接收管组成的电路进行识别。采用光电管最大的好处就是价格低廉，即便损坏也比较好维护、维修。而且检测手段简单，外围电路简单，工作温度满足任务要求。
2.3.3
控制电路的选择
采用继电器作为本系统的开关。使用继电器的好处之一是器件可以直接使用，不需要搭建过多的外围电路。而且最值得关注的是由于继电器本身具有大功率三极管、功率场效应，可以完成以弱控强的功能，因此电磁阀就可以不用加复杂的驱动电路了。这样大大减少了成本以及工作量。
第3章 电路设计
3.1 电源电路设计
3.1.1
外接电源的确定
由于本设计所有模块均采用5V电压供电，因此采用220V，50Hz市电供电，经变压器变压、整流、滤波后输出直流电压，再经LM2940稳压输出5V电压。
3.1.2
电源电路整体设计
图3.1 电源电路整体电路图
如图3.1所示为电源电路整体电路图。该电源电路包括降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成。
1.降压电路
交流市电的降压电路通过降压变压器或者电容来实现，本设计是采用电源变压器进行交流降压。降压变压器匝数选择为原边比副边等于25：1，即降压后的电压为8.8V。
2.整流电路
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用。因此二极管是构成整流电路的关
键元件。在小功率（1kW以下）整流电路中，常见的集中整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。
桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。
3.滤波电路
滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路（本设计中采用电容滤波电路，不考虑电感以及电容电感复合整流电路）。
在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足dRLC，电容滤波电路的负载电压VL与V2的关系约为VL(1.1~1.2)V2（式中V2为降压后的电压值）。
4.稳压电路
稳压电路的作用是将输入电压稳定为5V输出为整个系统供电。稳压电路通过LM2940三端稳压芯片及其外围电路组成，将输入的电压转换成5V。
3.2 光电传感器检测电路设计
3.2.1
红外技术的介绍
红外技术的内容包含四个主要部分：红外辐射的性质， 其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性：反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。把各种红外元件、部件构成系统的光学、电子学和精密机械的组成部分。红外技术在军事上和国民经济中有着广泛的应用。
本设计采用一个红外发射管以及一个接收管作为光电传感器，在无遮挡的情况下，接收管能够接收到来自发射管发射出的红外信息，输出高电平。一旦发射管被遮挡，接收管就接收不到信号，输出低电平。
3.2.2
红外传感器工作原理
如图3.2所示为红外检测电路图，该电路通过一个发射管红外二极管X1发射红外信息，接收管X2接受发射信息。当无人站立时，X2能接到红外信息，X2导通，输出为‘1’；当有人时红外线被遮挡，X2接收不到红外线，导致X2截止，输出为‘0’，此时系统由高电平变为低电平；当人离开后，X2再次接收到红外信息，X2导通，输出为‘1’。
图3.2 红外检测电路图
3.2.3
红外传感器的选型
红外传感器在实际中分为三类：漫反射型（检测距离70米）、反馈反射型（检测距离5米）、对射型（检测距离10米）。由于本设计针对于厕所，因此选择对射型最为恰当，并且检测距离10米符合设计要求。
具体选择的型号为对射型NPN，ZYE30-D102NA/D3，直流5~30V供电，响应时间小于2ms，指向角3°~10°，可以检测透明与不透明的物体，工作环境温度-25℃~+55℃，外壳材料为塑料、金属。以上参数完全符合设计需求。
3.3 555定时器触发电路设计
图3.3555定时器触发电路图
如图3.3所示，555定时器触发电路实际为“与非”门74LS00D组成的单稳态电路，其接收来至红外检测电路输出的高低电平，做出相应变化。
结合实际情况分析：当无人的时，红外检测电路、触发电路均输出高电平；当有人遮挡时，红外检测电路输出低电平、但触发电路输出仍为高电平；人离开时，红外检测电路输出马上恢复高电平，由于电容的充放电过程，触发电路形成一个短暂的低平脉冲（低平脉冲遇到上升沿即发生），这样555定时器就可以被触发，开始冲水。
3.4 555定时器延时设计
555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，若以555定时器的V2端作为触发信号的输入端，并有三极管和R组成的反相器输出电压接至V1端，同时在此端接入电容C，就构成了单稳态触发器。图3.4画出了在触发信号作用下VC和Vo相应的波形。
图3.4 单稳态触发器的工作波形
如图3.5 所示为由555定时器组成的单稳态触发器，延时时间计算如下：
tw1.1RC
根据电路图设计，电阻R4选择2MΩ，电容C3=4.7uF，计算后时间约为10秒。即系统持续冲水10秒。本设计采用的NE555芯片，电源电压最大值16V，最小值为4.5V。因此采用5V电压为555定时器供电。
图3.5 延时电路模块
3.5 控制电路设计
图3.6控制电路模块
继电器是根据某种输入信号来接通或断开小电流控制电路，以实现远距离控制和保护的自动控制电气。其输入量可以是电流、电压等电量，也可以是温度、时间、速度、压力等非电量；而输出量则是出头的动作或者电路参数的变化。
由于555定时器的输出并不能直接驱动继电器，可以将定时器的输出接三极管的基级或晶闸管的门级，这里采用连接三极管的方法，如图3.6所示，当555定时器输出为高电平时，三极管导通，继电器工作，开关导通，电磁阀发挥作用完成冲水。
3.6 总体电路
将各部分电路连接起来得到总体电路如3.7图所示。
图3.7总体电路
第4章 仿真与数据分析
4.1 仿真概述
本设计利用MULTISIM软件模拟仿真：
由于本设计核心元件为光电传感器和555定时器，而且为了简化实际电路的设计，因此只对红外光电传感器以及555定时器进行完整设计，而220V50Hz交流输入的电源电路简化成用7.2V电源经LM2940稳压管输出5V电压为整个系统供电；电磁阀则简化为一个电阻及其外围电路，即通过测量电阻两端的电压来判断水阀的开和关。
系统实现的功能是：当正常照射时，电磁阀电压为零，代表水阀关闭，不进行冲水；当接收被遮挡后复位，电磁阀两端有电压并且持续10秒左右（根据上一章555定时器设计的延时时间确定），代表水阀打开，开始持续冲水10秒。10秒过后，电压为零，代表冲水完毕。
4.2 仿真内容及结果
1. 对555定时器触发电路（图3.3）进行模拟：
将50Hz、占空比80%、幅值8V的矩形波作为输入接入555定时器触发电路得到输入-输出信号波形如图4.1所示。
图4.1触发电路仿真结果
分析：触发电路遇到上升沿输出低平脉冲，符合设计要求。
2.将触发电路与延时电路连接得图4.2 ，利用开关键“A”控制电路接入的电平高低，模拟红外检测输出信号。观察双踪示波器得仿真结果如图4.3 。
图4.2 触发及延时电路
图4.3 触发并延时电路仿真
分析仿真结果：无人时开关应J1是常闭的，检测电路保持高电平，555定时器输出低电平；有人停留时，开关J1断开，检测电路输出低电平，555定时器依旧输出低电平；只有当人离开，即开关闭合，检测电路输出呈现上升沿时，555定时器才会工作，输出一段高电平后恢复低电平，这一段时间完成冲水。
结论：仿真结果与理论计算一致，设计方案可行。
第5章 课程设计总结
本设计采用直流稳压电源、与非门和电容组成的单稳态电路、555定时器构成的单稳态触发器延时电路、固态继电器以及电磁阀构成以一个公厕自动冲水系统。该系统的工作方式为：当有人上完厕所离开时，可以自动冲水，这样可以为保洁人员节省精力，并且有效节约了水资源。本设计理论上实现了人走后再次冲水，保证了卫生。
但是本系统的还有一些细节需要优化。比如可以在人离开时并不马上冲水，而是等上厕所的人达到一定数值再冲水，这样更加节省了水资源。这时需要一些外部电路或者逻辑器件进行修正和优化。此时可以通过计数模块的电路设计实现（例如采用74LS160四位二进制计数器）。通过记录一定人数间隔后进行冲水。但是这种设计方案仅用于人员出入比较频繁的场合，并不适用于人比较少的公厕，否则长时间未达到计数值则不会冲水，这样环境卫生就遭到了破坏。也可以用单片机实现该功能。
因此在不同的场合可以设计不同的方案，而不是像本设计单一的自动冲水方案。
在实物的设计过程中，应用了简化问题的方法，大大节省了时间以及成本，并且达到了实验目的。但是也存在一些不足，比如一些器件的选择和调整可能比较笼统，没有完美地体现出设计思想。并且系统存在一些误差，主要来自于器件。为了更好地解决此类误差，可以通过硬件补偿的方法。
通过本设计，证明了此系统可以应用于实际，可以广泛应用于火车站、旅游景点、学校甚至家庭，因此该设计具有良好的发展空间和发展未来，会为当今社会的节能减排做出一部分贡献，也会适当缓解水资源缺乏的问题。
参考文献
[1] 宋文绪，杨帆.传感器与检测技术.高等教育出版社，2010年:234-243
[2] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京航空航天大学出版社，2011年:14-24
[3] 康华光.电子技术基础.高等教育出版社，2006年:355-360
[4] 阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社，2005年:489-495
[5] 何希才.新型集成电路应用300例.中国电力出版社，2009年:120-128
附录Ⅰ
元器件名称
对射型NPN
ZYE30-D102NA/D3
74LS00D
C1、C3
C2
电解电容C4
电解电容C5
C6、C7
电解电容C8
R1
R2
R3
R4
R5
继电器
LM555CM
三极管2N1711
整流电桥D
LM2940 T-5
变压器
参数
4.7uF
0.01uF
1000uF
47uF
01uF
470uF
10k
27k
1k
2M
250
变比=25:1
个数
1
1
1
2
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
附录Ⅱ
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