第一章 绪论

1.1世界水资源状况

地球表面的72%被水覆盖，但淡水资源仅占所有水资源的0.5%，近70%的淡水固定在南极和格陵兰的冰层中，其余多为土壤水分或深层地下水，不能被人类利用。地球上只有不到1%的淡水或约0.007%的水可为人类直接利用，而中国人均淡水资源只占世界人均淡水资源的四分之一。

图1 全球水资源分布图

地球的储水量是很丰富的，共有14.5亿立方千米之多。地球上的水，尽管数量巨大，而能直接被人们生产和生活利用的，却少得可怜。首先，海水又咸又苦，不能饮用，不能浇地，也难以用于工业。其次，地球的淡水资源仅占其总水量的2.5%，而在这极少的淡水资源中，又有70%以上被冻结在南极和北极的冰盖中，加上难以利用的高山冰川和永冻积雪，有87%的淡水资源难以利用。人类真正能够利用的淡水资源是江河湖泊和地下水中的一部分，约占地球总水量的0.26%。全球淡水资源不仅短缺而且地区分布极不平衡。按地区分布，巴西、俄罗斯、加拿大、中国、美国、印度尼西亚、印度、哥伦比亚和刚果等9个国家的淡水资源占了世界淡水资源的60%。约占世界人口总数40%的80个国家和地区约15亿人口淡水不足，其中26个国家约3亿人极度缺水。更可怕的是，预计到2025年，世界上将会有30亿人面临缺水，40个国家和地区淡水严重不足。

中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2300立方米，仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。 扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地

区的地下水资源后，我国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。到20世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。

长期以来，大多数人们普遍认为水是取之不尽，用之不竭的“聚宝盆”，使用中挥霍浪费，不知道自觉珍惜。其实，地球上水资源并不是用之不尽的，尤其是我国的人均水资源量并不丰富，地区分布也不均匀，而且年内变化莫测，年际差别很大，再加上污染严重，造成水资源更加紧缺的状况，黄河水多处多次断流就是生动体现。如果还不珍惜，最后一滴水将与血液等价（大自然的悲愤呼喊）

1.2水龙头

水龙头最早出现于16世纪，用青铜浇铸的，主要作用是用于控制水管出水开关和水流量的大小。水龙头出现以前，供水泉墙上镶嵌着一种兽头状的，通常用石头制成，少数由金属制成的“流水嘴”，从那里流出来的水一直是不加任何控制的长流水。为了避免浪费水和解决不断严重的水资源的供不应求，人们研制出水龙头。最初的水龙头是用青铜浇铸的，后来改用便宜些的黄铜。 1.2.1普通水龙头特点

按材料来分，分为SUS304不锈钢、铸铁、全塑、黄铜、锌合金材料水龙头，高分子复合材料水龙头等类别。按开启方式来分，分为螺旋式、扳手式、抬启式等。螺旋式手柄打开时，要旋转很多圈；扳手式手柄一般只需旋转90度；抬启式手柄只需往上一抬即可出水；另外，还有一种延时关闭的水龙头，关上开关后，水还会再流几秒钟才停，这样关水龙头时手上沾上的脏东西还可以再冲干净，但是存在浪费。

1.2.2红外线全自动水龙头特点

由于全自动感应水龙头有自动控制水龙头开闭的效果，它杜绝了水资源的浪费，避免了人们因为忘记关水龙头致使水白白流走的问题，伸手就来水，离开就关闭的功能，从而有效地节约用水60%以上，特别适合我国严重缺水的地区。目前全自动感应水龙头普遍应用在人流量密集的火车站、汽车站、飞机场、医院等公共场所伸手就来水，离开就关闭的功能，从而有效地节约用水60%以上，特别适合我国严重缺水的地区。

图2

目前全自动感应水龙头普遍应用在人流量密集的火车站、汽车站、飞机场、医院等公共场所。而在公共场所，由于人员流动性比较大，公共设施的卫生情况普遍比较恶劣，传统水龙头必须通过人手操作，很容易造成病菌的大规模传播，而它就避免了洗手后，再次触摸水龙头造成的细菌污染，开关水完全由感应器自动完成，无需接触水龙头，有效避免细菌及交叉感染。

随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积重量轻的方向发展。在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。红外线自动控制水龙头安装方便、灵敏度高、抗干扰能力强，使用寿命长，发出光均匀稳定。发出的红外光为不可见光，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。它可在强光下工作，给人们的生活带来了极大的方便，已成为人们日常生活中必不可少的必需品，其广泛用于家庭、商场、工厂、学校、餐厅等场所。而且大大地扩展了原先水龙头的功能。因此，研究红外线控制自动水龙头及其应用，有着非常重要的意义。

1.3红外线简介及国内外发展方向及现状

红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由英国科学家赫歇尔于1800年发现， 太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为(0.75-1)～(2.5-3)μm之间；中红外线，波长为(2.5-3)～(25-40)μm之间；远红外线，波长为(25-40)～l000μm 之间。在光谱中波长自760nm至400μm的电磁波称为红外线，所有高于绝对零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。

图3 太阳光光谱

随着红外技术的高速发展，红外焦平面阵列技术出现了，并且迅速得到发展。美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方发达国家都在竞相研制和生产先进的红外焦平面阵列摄像仪，其中美国在红外焦平面阵列传感器的发展水平方面处于遥遥领先地位，其焦平面阵列规模已达2048×2048元，已接近与可见光硅CCD摄像阵列的水平。日本在世界上最先实现了100万像元集成度的单片式红外焦平面阵列等种类产品推向市场，抢占商机，法国、荷兰、瑞典、英国、德国和意大利等在非制冷红外热摄像仪技术的发展方面，已显示出其处于前沿的竞争地位。 此外，加拿大、以色列、韩国、澳大利亚、波兰、新加坡的一些公司和机构都在尽力发展先进红外焦平面阵列热摄像仪技术，竞争已遍及全球几大洲。 近几年来，中国的红外成像技术得到突飞猛进的发展，与西方的差距正在逐步缩小，有些设备的先进性也同西方同步。如目前已能生产面积小于30um21000×1000像素的探测器阵列，由于采用了基于锑化铟的新器件，目前已达到了分辨率小于0.01℃的温差，使对目标的识别达到更高的水平。

第二章 红外线控制自动水龙头系统设计

2.1构成及传感器控制

本设计采用反射式红外传感器。红外线的发射和接收使用红外发光二极管和红外接收管来完成。（如图4）

图4

2.1.1系统组成方框图

红外线自动控制水龙头整个控制过程分7个模块，（如图5）当人或物体接近自动水龙头时，红外发射二极管的红外线经人和物体反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，从而关闭水源，达到自动控制的目的。