简易自动窗帘系统设计学士学位论文.doc

简易窗帘自动开闭电路摘要窗帘自动开闭电路的设计包括光信号获取及转换为电信号，利用电信号实现控制， 以及各种控制状态的自动转换。通过光敏电阻转换为电位信号，继而利用5G1555构成的施密特触发器进行电位比较，根据情况不同输出高低电平。利用电平高低以及BJT特性实现继电器开关的开断，同时配合限位开关继而控制电机的正反转及停转。关键字：光敏电阻 5G1555触发器 继电器 电机第一章 简易自动开闭窗帘功能要求功能：设计一个简易窗帘自动开闭电路。该电路能够检测到光线的强弱，同时根据光线的强弱，自动将窗帘打开和关闭。要求： 要求电路能够通过感应装置，检测到光线的强弱。 要求电路根据光线的强弱，自动将窗帘打开和关闭。 要求电路能够在窗帘接触到边沿时，自动切断电源。 根据上述要求选定设计方案，画出系统框图，写出详细的设计过程。第二章 自动开闭窗帘的基本组成及工作原理第一节 系统组成框图简易自动窗帘开闭电路的总体框图如图1所示。它是由光强监测电路、光强信号处理电路、控制电路、电机开关电路、电源电路五部分组成。电机开关电路控制电路光强信号处理电路光强监测电 路电源电路图1 简易自动窗帘开闭电路总体框图光强检测电路的功能是利用光敏电阻的特性，即入射光强时，电阻减小，入射光弱时电阻增大，在光敏电阻的阻值变化的同时影响与其并联的支路电压，进而将光信号转换为电信号。光强信号处理电路的功能是将光强监测电路输出的电信号输入555集成电路，继而得到一个电平信号，为控制电路作准备。控制电路的功能是将得到的电平信号送至BJT，由BJT的导通与截止控制继电器开关的开断。电机开关电路的功能是利用继电器开关的开断控制电机正反向运行与停止，进而使窗帘运动或静止。电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。第二节 主要单元电路设计 图2 光强检测和光信号处理电路（1） 光强监测电路和光强信号处理电路如图2所示，光强监测电路实际上就是一个光敏电阻，即当光敏电阻RD接收到的入射光强时，电阻减小，入射光弱时，电阻增大，在光敏电阻的阻值变化的同时影响与其并联的支路电压，进而将光信号转换为电信号。图中所示光强信号处理电路是主要由5G1555定时器以及分压电阻和电容组成的。光敏电阻阻值的改变要想被电路所识别，就要让其通过改变电位或者电流来实现。本电路让光敏电阻与W1、W2串联之后再与5G1555定时器并联。W1、W2在此起分压作用，并且根据光敏电阻阻值变化范围的不同可调节W1、W2与之相适应。5G1555定时器在此相当于施密特触发器，通过比较W1的滑动触头端的电位与5G1555定时器“2/3VCC”与“1/3VCC”处电位的不同使之输出相应的高低电平。然而在此不采用较为简单的运算放大器作为比较电路的原因是：（1）555定时器本身具有被比较电位，即由3个相同阻值的电阻分压构成的“2/3VCC”电位点与“1/3VCC”电位点。（2）5G1555定时器本身输出的高电平与它的电源输入电压相等，这就为以后控制电路BJT的使用提供了方便。（3）555定时器应用广泛，封装完善，用户不必了解内部构造只需知道管脚的作用即可。为了能够更好的分析光强监测电路和光强信号处理电路的运行原理，下面我们将555定时器的内部构造给出作为参考，并将光强监测电路与之相连，给出简单分析。如图三所示。图3 555定时器构造图 图中VCC即为电源电路输出的电压，大约为6.8V左右。（4）端为复位端，本电路不需要复位，所以直接接电源。（8）端为电源端，（1）端为接地端，（3）为输出端，（5）为控制电压端，（7）为放电端本电路不需使用。（6）端为阈值输入端，（2）端为触发输入端，本电路将（2）（6）短路然后与光敏电阻阻值改变形成的电位相连。比较器C1和C2的比较电压分别为2/3VCC与1/3VCC。555定时器功能可由图推出：即当VI12/3VCC,VI22/3VCC，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器被置零0，VO输出为低电平。当VI12/3VCC,VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器置1，输出端VO为高电平。当VI11/3VCC时，基本RS触发器处于保持状态，电路亦保持原状态不变。当白天时，光强逐渐增大，光敏电阻阻值逐渐减小，（6）端电位持续升高，当升至2/3VCC时，电路处于状态，VO输出为低电平。之后只要光强不是太弱，即（6）端电位不小于1/3VCC，则电路将一直维持在或者状态，即VO为低电平。当晚上来临时，光强逐渐减弱，光敏电阻阻值逐渐增大，（6）端电位持续降低，当降至1/3VCC时，电路处于状态，即VO为低电平，之后只要光强不是太强，即（6）端电位不高于2/3VCC，则电路将一直维持在或者状态，即VO为高电平。在此就相当于施密特触发器，如波形图所示。图4 施密特触发器波形图这样，光信号处理电路就可以在白天时为控制电路提供一个低电平，在晚上提供一个高电平，为控制电路作准备。（2） 控制电路 如图4所示，本电路主要由1个PNP管、两个NPN管、二极管、电阻与继电器构成。VI为5G1555定时器的（3）端，即输出端，VCC为电源电路提供大约为6.8V。下面简要分析其工作原理。图5 控制电路如图4，此电路实现的功能主要是通过VI电平的不同对于BG1、BG2、BG3状态的影响，继而使得J1、J2的电磁线圈得电或者失电，影响继电器的动作。当白天时，VI为低电平，设其很小约为0V，则BG1（NPN）的B1为0V，C1约为6.8V，E1经继电器线圈接地约为0V，则BG1处于截止状态，此时BG2（PNP）的B2约为0V，E2约为6.8V，BG2呈现饱和状态，在此情况下BG3(NPN)将处于放大状态，即发射结正偏，集电结反偏，由此BG3的B3将被钳制在0.7V左右。此时即BG1截止，BG2、BG3导通，J1失电，J2得电。D1在此作用为保证BG1的可靠截止。当晚上时，VI为高电平，因为5G1555的特性，VI大概为6.8V左右。则BG1的B1经二极管恒压降后电压约为6.1V。此时BG1发射结正偏集电结反偏，BG1导通。BG2的B2约为6.8V，E2约为6.8V，VBE2=0V，即BG2处于截止状态，由此BG3的B3也约为0V，VBE3=0V，即BG3也处于截止状态。此时即BG1导通，BG2、BG3截止，J1得电，J2失电。在此电路图中需要注意D2、D3的作用是为了保护继电器。继电器线圈在通电时储存能量，当继电器突然断电时，线圈两端会产生很大的电压，这样可能会使线圈损坏，线圈串联的元件受到冲击，这时只要在线圈两端加上二极管，便可以使它产生一个回路，使得线圈储存能量放完。这个二极管在此起续流作用，因此通常称它为续流二极管。由此，控制电路可以使我们在天亮时接通J2,断开J1,天黑时接通J1,断开J2。继而为继电器的开关电路为控制电机的工作做准备。(3) 电机开关电路 图6 电机开关电路如图所示，该电路是由独立电源DC、限位开关、继电器开关、电机与电容组成。此电路利用限位开关以及继电器开关的开断来完成电机的正转倒转以及停转。在此应特别注意限位开关的作用。限位开关又称行程开关,可以安装在相对静止的物体上或者运动的物体上。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。在此规定使电机正转的电压方向为正方向。当白天来临时，J1不动作,J2动作，使得J2-1、J2-2吸合，J1-1,J1-2断开，电机两端电压处于正方向，电机开始正转，此时限位开关bc处于闭合状态，当窗帘到达边沿时，碰断限位开关bc接点，电源被切断，则电机停转。当夜晚来临时，J1动作，J2不动作，使得J1-1、J1-2吸合，J2-1、J2-2断开，电机两端电压处于负方向，电机开始逆转，此时限位开关ab处于闭合状态，当窗帘到达合拢位置时，碰断限位开关ab接点，电源被切断，则电机停转。在此注意到有很多种方式可以实现电机在窗帘到达指定状态以后自动切断电源停转的要求。但经过比较发现还是此种方法更适合设计要求。另一种方法可利用单稳态触发器来实现要求。即在暂稳态内电动机转动，暂稳态结束后电机停转。此种方法固然可行，但是需要根据窗帘边沿间距以及电机的转速来具体调整暂稳态持续的时间。如果安装不当会导致在窗帘未到达指定状态时电机就停转的情况。对比起来，显然采用限位开关更适于设计要求中关于窗帘到达边沿后即自动切断电源的要求。故本设计采用此种方案。（4）电源电路 图7 电源电路如图6所示，电源电路是由220V工频电源，RC滤波电路，变压器，桥式整流电路，NPN管，稳压管，滤波电容组成。电源电路本可以采用两种方法实现，第一种方法是通过电池供电，但是考虑到需要选择合适电池的指标参数与电路相匹配，故不如利用现成的电网供电更方便。如图采用220V电网电源，先经过熔断器以防止电路出现短路对其他元件造成损害。然后与一个RC滤波电路相连进行第一次滤波。这是考虑到电网电压中实际上含有一定成分的高次谐波，因此先行滤波再用变压器变压。变压后经过桥式整流电路，C5电容滤波后电压相对稳定。此时经过7.5V稳压管分压，BG4的B4为7.5V，C极为12V，由此可推出BG4导通，E极为6.8V。再经过C3、C4的滤波，最终给其他电路输出一个6.8V的直流电源。第三节 电路原理图简易窗帘自动开闭电路的总电路如图7所示，该电路由光强监测电路、光强信号处理电路、控制电路、电机开关电路、电源电路五部分组成。总电路图中需要注意的是各个单元电路之间的连接一定要准确，同时各部分的布局要合理。 图8 简易窗帘自动开闭电路总电路图16第三章 元器件清单简易窗帘自动开闭电路中所有使用的电子元器件如表9所示。 表9 简易窗帘自动开闭电路电路元器件清单符号类别数目BG1、BG33DG122BG23CG141BG43DG12B1D1D32CP3D4D72CP144DW2CW22C/100mA/7.5V1W1、W2100K1RD625型光敏电阻1R1、R23K2R31.5K1R4150K1C120uF/25V1C20.01uF1C3、C5100uF/25V2C40.1uF15G15555G15551限位开关限位开关1M小型电动机1J1、J2继电器2第四章 设计体会经过一个星期的学习，我大体上明白了设计一个电子线路的思路和方法，以及一个电子线路从构思到分析再到设计完成是多么的不易。在这期间我明白了自己学习的不足，需要更好的掌握各种数电以及模电的元器件原理性能参数，应提高自己查阅资料以及使用PROTEL的能力。通过这次设计也使我得到了极大的锻炼。 在设计的过程中遇到了不少问题，虽然整体思路上时没有错误的，但是在细节方面把握不足，而设计一个电路重要的一面就是对细节的把握，只要有一处出错，那么很有可能导致整个电路的错误。通过与老师交流也明白了以前学习中的疏漏。参考文献1.康华光：电子技术基础，高教出版社，20032.李银华：电子线路设计指导，北京航天航空大学出版社，2005年6月3.何书森：使用电子线路设计速成，福建科学技术出版社，2004年8月4.臧春华：电子线路设计与应用，高等教育出版社，2004年9月5.Alan B. Marcovitz:逻辑电路设计基础，国外电子与通信教材基础，2002年5月