自動光控窗簾

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目室內(nèi)環(huán)境亮度監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)授課教師 張秀梅 指導(dǎo)教師學(xué)生姓名 訾安琪、張娜、孫圓芳學(xué) 號200900802038、200900802041、200900802079 專 業(yè)電子信息工程本科 教學(xué)單位 物理系 完成時(shí)間2011年7月1日目錄摘要.011課程設(shè)計(jì)任務(wù)021.1功能要求022整體方案設(shè)計(jì)022.1設(shè)計(jì)思路及框圖023主要單元電路及其原理043.1光照采集模塊硬件電路043.2信號放大電路053.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊硬件電路.063.4窗簾開關(guān)電路073.5自動斷電電路094控制軟件設(shè)計(jì)104.1光照采集模塊軟件設(shè)計(jì)104.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計(jì)105

2、整體設(shè)計(jì)方案115.5總電路圖.116系統(tǒng)調(diào)試.116.1 光照采集模塊調(diào)試.116.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊調(diào)試及問題.117整體設(shè)計(jì)方案.127.1總硬件電路圖128課程小結(jié)及心得.13參考文獻(xiàn).14摘 要為了讓室內(nèi)居住、工作或者學(xué)習(xí)的人擁有一個(gè)更舒適的環(huán)境，我們根據(jù)課程設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了一個(gè)自動光控窗簾的系統(tǒng)，它能夠感應(yīng)周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度，當(dāng)光照低于某一數(shù)值時(shí)窗簾會自動收起，等到光照又回到某一數(shù)值時(shí)窗簾又會自動地放下。本電路選用單片機(jī)AT89S51作為系統(tǒng)的核心控制器件，通過光電傳感器采集數(shù)據(jù)（光的強(qiáng)度）。因?yàn)樵撔盘柺治⑷?，故電路采用雙三極管構(gòu)成的放大電路以獲得合適的電信號，并通過反饋電阻和濾波

3、電容以獲得一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。由ADC0809將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，之后將信號送入感應(yīng)電路中進(jìn)行控制。感應(yīng)電路產(chǎn)生的電壓輸入由兩片NE555組成的單穩(wěn)態(tài)電路，由單穩(wěn)態(tài)電路的特性，在輸入端輸入高低電平時(shí)輸出端會產(chǎn)生相應(yīng)的低高電平，該電平可用于決定兩個(gè)與電源相連的三極管T1與T2的導(dǎo)通與截止，而三極管的導(dǎo)通與截止將最終決定電路中小電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，將小電機(jī)與窗簾相連就可以實(shí)現(xiàn)窗簾的自動打開和關(guān)閉。電路的自動斷電由單穩(wěn)態(tài)電路的延時(shí)特性來完成。通過對相關(guān)電容和電阻的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，就可以確定單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高電平時(shí)間，也就是小電機(jī)的轉(zhuǎn)動時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)自動切斷電源?！娟P(guān)鍵詞】自動光控窗簾ADC0809

4、NE555室內(nèi)環(huán)境亮度監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)自動光控窗簾1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)1.1功能要求本課題設(shè)計(jì)的自動光控窗簾可以通過周圍環(huán)境的光照變化來控制電壓變化，從而控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。當(dāng)周圍光照上升到某一數(shù)值時(shí)，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，數(shù)秒后停止。此時(shí)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)周圍光照降低到某一數(shù)值時(shí)，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，數(shù)秒后停止。這一個(gè)來回的過程就達(dá)到了自動光控窗簾的效果了。2 整體設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)思路及框圖 方案1選用硅光電池2CR21作為光線的感應(yīng)電路4，硅光電池可以根據(jù)光線強(qiáng)度的不同產(chǎn)生與之相對應(yīng)強(qiáng)弱的電信號。由于該信號十分微弱，故電路采用雙三極管構(gòu)成的放大電路以獲得合適的電信號，并通過反饋電阻和濾波電容以獲得一

5、個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。當(dāng)光照強(qiáng)度改變時(shí)，硅光電池產(chǎn)生的電壓也會改變，由此構(gòu)成了變化的輸入電壓信號。信號經(jīng)ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將信號送入單片機(jī)89C51中，用來控制2個(gè)輸出端的電平高低，這2個(gè)輸出端與芯片L298N的輸入相連，用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，這就實(shí)現(xiàn)了自動光控窗簾的效果了。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖1所示：圖1 方案一系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案2設(shè)計(jì)思路是由光敏電阻與一個(gè)電阻串聯(lián)構(gòu)成分壓電路，當(dāng)光照強(qiáng)度改變時(shí)，光敏電阻電阻值改變，電壓也會改變，數(shù)據(jù)采集使用的是一片CdS光敏電阻PGM2005，經(jīng)過放大電路，模擬電路將光信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。信號經(jīng)ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將信號送入兩片NE55

6、5中1，用來控制2個(gè)輸出端的電平高低，這2個(gè)輸出端與決定兩個(gè)與電源相連的三極管T1與T2的導(dǎo)通與截止，而三極管的導(dǎo)通與截止將最終決定電路中小電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，將小電機(jī)與窗簾相連就可以實(shí)現(xiàn)窗簾的自動打開和關(guān)閉。它的系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2所示：總體框圖：圖2 方案二系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)雖然方案一中，單片機(jī)89C51工作使用效率高，但是總的來說還是存在原件成本高且不易采集，再加上電路復(fù)雜，操作起來相對起來較麻煩等缺點(diǎn)。對比發(fā)現(xiàn)方案二則系統(tǒng)操作簡便，自動化程度高，相對比較完善，所以優(yōu)先采用方案二。3主要單元電路及其原理就本系統(tǒng)來說，需要通過光敏電阻實(shí)時(shí)感應(yīng)室外環(huán)境的光的照度，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號

7、，送入特定單元，從而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)窗簾的自動光控效果。硬件電路主要由主機(jī)電路、光照采集電路和控制執(zhí)行電路組成。3.1 光照采集模塊硬件電路由光敏電阻阻值的改變來實(shí)現(xiàn)輸入電壓的變化。本課題中采集光照數(shù)據(jù)使用的是一片CdS光敏電阻PGM2005。工作原理：光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子

8、激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時(shí)，電流就會隨光強(qiáng)的而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。a、工作電路圖：圖3 光敏電阻工作電路圖b、設(shè)計(jì)原理：由光敏電阻和一個(gè)普通電阻串聯(lián)構(gòu)成分壓電路，當(dāng)周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度改變時(shí)光敏電阻阻值改變，從而改變了輸入電壓。3.2 信號放大電路由于光敏電阻PGM2005輸出的是一個(gè)十分微弱的信號，為了使后續(xù)電路能夠?qū)鈴?qiáng)信號進(jìn)行處理，因此需要加入信號放大電路2。圖4為信號放大電路。該電路是由電阻R9 R10 R11 R12,三極管T3,T4和電容C5 C6構(gòu)成，電路中采用了雙三極管構(gòu)成的

9、放大電路，這樣就可以使得電路的放大倍數(shù)比單管放大電路放大倍數(shù)增大倍，從而就可以得到更適合的信號。R10和R11為放大電路的集電極偏置電阻，C5和C6為放大電路的濾波電容。R9為放大電路的反饋電阻。其功能是保證放大電路有一個(gè)穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)定的輸出電壓。圖4 信號放大器電路圖3.3A/D轉(zhuǎn)換模塊硬件電路將光敏電阻與普通電阻分壓進(jìn)來的電壓轉(zhuǎn)換成所需要的數(shù)字信號。課題中將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號使用的是ADC08091。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組

10、成。圖5ADC0809內(nèi)部電路及管腳圖a、 電路圖：ADC0809工作電路圖如圖6所示：圖6 ADC0809工作電路圖b、 設(shè)計(jì)原理：將采集的電壓信號送入芯片ADC0809中，由芯片內(nèi)部對數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存、譯碼、轉(zhuǎn)換、比較等步驟，從而得到所需要的信號。3.4 窗簾開關(guān)電路窗簾開閉電路主要是利用NE555組成的單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成的。NE555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)電路的輸出電壓會隨著觸發(fā)輸入端輸入的電壓不同而不同：當(dāng)輸入的電壓為高電平時(shí)，輸出為低電平，而當(dāng)輸入為低電平時(shí)輸出為高電平。此電路就是根據(jù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器這一特性對電路進(jìn)行控制的。此電路中電路的通電與截止是由一只NPN型和一只PNP型三極管完成的，兩個(gè)單

11、穩(wěn)態(tài)電路的輸出電壓輸出到兩只三極管的基極上，而根據(jù)基極電壓和集電極電壓以及發(fā)射極電壓的大小關(guān)系不同，三極管也會做出相應(yīng)的導(dǎo)通或者截止的變化，從而最終決定了電路的導(dǎo)通或者斷電。圖7 NPN型三極管本設(shè)計(jì)中窗簾自動開閉電路包含兩個(gè)部分，一部分是窗簾在光線較暗時(shí)自動打開電路，如圖8所示。另一部分是自動閉合電路如圖9所示。圖8 窗簾自動打開電路圖9窗簾自動閉合電路窗簾自動打開電路的工作原理為：當(dāng)光線較暗時(shí)，硅光電池產(chǎn)生的電信號較微弱，經(jīng)過兩級放大電路之后產(chǎn)生的電壓依然較小，故此時(shí)輸出電壓Vi可視為低電平。由單穩(wěn)態(tài)電路的特性可知：當(dāng)輸入為低電平時(shí)，NE555的輸出端Q端將會輸出一段時(shí)間的高電平，該高電平

12、可以使圖8中的三極管T1導(dǎo)通一段時(shí)間，三極管導(dǎo)通時(shí)+12V的電源電壓加在小電機(jī)上，可使其正轉(zhuǎn)一段時(shí)間從而將窗簾打開。而硅光電池產(chǎn)生的低電平對9自動閉合電路卻不會產(chǎn)生影響，因?yàn)楣韫怆姵禺a(chǎn)生的低電平經(jīng)過一個(gè)比較器后才輸入U(xiǎn)2，比較器的功能如下圖所示：圖10 LM107比較器當(dāng)輸入電壓ViVr時(shí)，Vi1=-12V 即為低電平。當(dāng)輸入電壓ViVr時(shí)，Vi1=+12V 即為高電平。當(dāng)Vi為低電平時(shí)，ViVr則Vi1=+12V.為高電平，即單穩(wěn)態(tài)電路U2的輸入為高電平。由NE555的特性可知，此時(shí)U2的輸出端Q輸出為低電平，三極管T2依然截止。也就是說當(dāng)光線較暗時(shí)只有T1導(dǎo)通使電機(jī)正轉(zhuǎn)打開窗簾。窗簾的自動

13、閉合由電路9來完成。其工作原理為：當(dāng)光線較強(qiáng)時(shí)硅光電池產(chǎn)生較強(qiáng)的電信號。經(jīng)過兩級放大電路的放大之后可以輸出一個(gè)較高的電壓Vi，即為高電平。由單穩(wěn)態(tài)電路的特性可知，U1的輸入端為高電平時(shí)，其輸出端Q為低電平，三極管T1截止，則+12V電源不起作用。而此時(shí)在U2輸入端的高電平Vi經(jīng)過一個(gè)比較器后，輸出Vi1成為低電平，則由單穩(wěn)態(tài)電路的特性，U2的輸出端Q為高電平。在此高電平的作用下T2導(dǎo)通，則在-12V的電源電壓下，電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而將窗簾關(guān)閉。3.5 自動斷電電路此電路的自動斷電主要根據(jù)單穩(wěn)態(tài)電路的延時(shí)特性來完成。由NE555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1的工作波形如下圖所示：ttViVo圖11單穩(wěn)態(tài)電路輸入

14、輸出波形圖由其輸入與輸出的波形可知：當(dāng)輸入端輸入一個(gè)低電平脈沖后，其輸出端可以輸出一段高電平脈沖。也就是三極管導(dǎo)通的時(shí)間，即小電機(jī)的轉(zhuǎn)動時(shí)間，其高電平脈沖寬度t=RCln3=1.1RC 由于這種單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生的脈沖寬度可以從幾個(gè)微秒到幾分鐘，而且具有較高的精度，可以達(dá)到0.1%可以根據(jù)窗戶的高度以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速來計(jì)算出窗戶完全打開或關(guān)閉所需要的時(shí)間，再根據(jù)式t=RCln3=1.1RC來設(shè)置相應(yīng)的電容和電阻的參數(shù)，就可以設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)窗簾接觸到窗戶邊沿時(shí)電路自動切斷電源。4 控制軟件設(shè)計(jì)4.1 光照采集模塊軟件設(shè)計(jì)a、功能：用光敏電阻和一個(gè)普通電阻構(gòu)成分壓電路，當(dāng)光照強(qiáng)度改變時(shí)光敏

15、電阻阻值改變，電壓改變，從而改變輸入電壓的大小。b、流程圖：圖11 光照采集流程圖4.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計(jì)a、功能：電壓輸入信號送入芯片ADC0809后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將采集信號轉(zhuǎn)換成所需的信號1。b、流程圖：圖12A/D轉(zhuǎn)換流程圖5 電源電路設(shè)計(jì)電源電路的設(shè)計(jì)方法是采用直接從交流電網(wǎng)供電。通過變壓器電路，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路將電網(wǎng)中的220V交流電轉(zhuǎn)換成12V的直流電壓。電路中變壓器采用常規(guī)的鐵芯變壓器，由于電路中采用了+12V和-12V的雙電源，變壓器中間需要加抽頭；整流電路采用二極管橋式整流電路；C1-C6完成濾波功能。由于電路采用了+12V和-12V雙電源，因此穩(wěn)壓電路采用兩個(gè)

16、三端穩(wěn)壓集成電路來分別實(shí)現(xiàn)輸出+12V和-12V電壓5。6 系統(tǒng)調(diào)試6.1 光照采集模塊調(diào)試調(diào)試方法：改變光照強(qiáng)度，測分壓電阻上的電壓是否變化，并記錄光照最強(qiáng)時(shí)的電壓值和光照最弱時(shí)的電壓值，用于芯片ADC0809的轉(zhuǎn)換。6.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊調(diào)試及問題調(diào)試方法：連接A/D電路，用8個(gè)發(fā)光二極管連接芯片ADC0809的8個(gè)輸出端，用于觀察A/D轉(zhuǎn)換后的信號輸出情況。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)ADC0809的晶振工作頻率為600kHz，最大頻率為1.28MHz，而單片機(jī)89C51ALE端口輸出的頻率為2MHz，大于ADC0809的最大頻率，所以兩者無法同時(shí)正常工作，因此我們在ADC0809ALE端口和89C5

17、1ALE端口之間加上一個(gè)CD4013，進(jìn)行4分頻，從而將89C51的工作頻率與ADC0809的工作頻率保持相近，這樣兩者就能夠同時(shí)正常工作了。7 整體設(shè)計(jì)方案7.1總硬件電路圖8課程小結(jié)及心得在這個(gè)課程設(shè)計(jì)中我們了解到了本課程設(shè)計(jì)的核心原件NA555的原理和使用，以及三極管的相關(guān)性質(zhì)及應(yīng)用。經(jīng)過ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換等一系列的控制，得到了許多意想不到的收獲。剛開始覺得有些無所適從，這種茫然持續(xù)了很長時(shí)間，后來我們前往圖書館尋找資料，并借閱了部分書籍，同時(shí)上午搜尋了需要的材料，下載了Multisim.V.仿真軟件，在multisim10仿真環(huán)境下，學(xué)習(xí)畫仿真電路圖。隨著我多方翻看資料，與人討論，在老師的指點(diǎn)下思路才開始漸漸明晰，從而一步步完成。雖然實(shí)驗(yàn)的成果未必有多完美，但卻見證了我們的努力，我們從中也學(xué)到了不少東西，將理論知識與實(shí)踐緊密的結(jié)合了起來，加深了知識的掌握程度。當(dāng)然，另一方面，我們也看到了自己在課程設(shè)計(jì)中所體現(xiàn)出來的不足：知識面的狹窄，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的匱乏，都是我的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)中必須努