简易窗帘自动开闭电路课程设计Word文件下载.docx

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5．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003

完成期限：

2012年12月31日

指导教师签章：

专业负责人签章：

2012年12月24日

简易窗帘自动开闭电路

摘要

本简易窗帘自动开闭电路由光信号处理电路、继电器控制电路和电机驱动电路组成。

光信号处理电路包括由光敏电阻组成的分压器和由555定时器组成的施密特触发器。

光敏电阻构成的分压器把把连续变化的光强度信号转换为连续变化的电压电信号，利用施密特触发器对阈值电压和分压器输入的电压进行比较，施密特触发器根据分压器电路输出电压的高低不同输出对应的高低电平。

光信号处理电路输出的高低电平根据BJT的开关特性控制继电器线圈回路的通断，继而控制继电器各触点的开闭。

当常闭触点闭合时直流电机实现正转，当常开触点闭合时电流从相反方向流入直流电机，电机反转。

同时配合限位开关实现窗帘接触到边沿时自动切断电源。

关键词电机光敏电阻分压器555定时器施密特触发器继电器限位开关

1概述

　窗帘的主要作用是与外界隔绝，保持居室的私密性，同时它又是不可或缺的装饰品。

基本功能

1、保护私隐。

　　对于一个家庭来说，谁都不喜欢自己的一举一动在别人的视野之内。

从这点来说，不同的室内区域，对于私隐的关注程度又有不同的标准。

客厅这类家庭成员公共活动区域，对于私隐的要求就较低，大部分的家庭客厅都是把窗帘拉开，大部分情况下处于装饰状态。

而对于卧室、洗手间等区域，人们不但要求看不到，而且要求连影子都看不到。

2、利用光线。

　　其实保护私隐的原理，还是从阻拦光线方面来处理的。

这里所说的利用光线，是指在保护私隐的情况下，有效地利用光线的问题。

3、装饰作用。

　　装饰墙面窗帘对于很多普通家庭来说，是墙面的最大装饰物。

犹其是对于一些"

四白落地"

的一些简装家庭来说，除了几幅画框，可能墙面上的东西就剩下窗帘了。

所以，窗帘的选择漂亮与否，可能往往有着举足轻重的作用。

4、吸音降噪。

　　我们知道声音的传播部分，高音是直线传播的，而窗户玻璃对于高音的反射率也是很高的。

所以，有适当厚度的窗帘，将可以改善室内音响的混响效果。

同样，厚窗帘也有利于吸收部分来自外面的噪音，改善室内的声音环境。

传统的窗帘需要人为每天早上打开窗帘晚上关闭窗帘，因此，早晚开闭窗帘就非常麻烦。

简易窗帘自动开闭电路从根本上解决了这一问题。

简易窗帘自动开闭电路能根据外部光线强度自动在早上光线强时打开窗帘，晚上外部光线弱时自动关闭窗帘。

它实现全自动控制，不用人参与。

并且此电路阈值电压可调，用以调节在什么亮度范围内窗帘打开，使此电路的应用更加灵活。

2系统方案设计

2.1系统组成框图

简易窗帘自动控制电路系统框图如图2-1

图2-1系统组成框图

此系统由光信号处理电路、继电器控制电路、直流电机驱动电路、电源电路和直流电机组成。

光信号处理电路主要由光敏电阻和由555定时器组成的施密特触发器构成。

利用光敏电阻阻值随光照强度的增强而减小的特性。

在光敏电阻阻值变化的同时影响由光敏电阻和电位器构成的分压器的电位大小。

把分压器得到的电压值输入555定时器，继而得到一个由光敏电阻控制的电平信号。

继电器控制电路根据555定时器输出的高低电平和BJT的开关特性控制继电器的开闭。

电机控制电路利用继电器的开闭和限位开关控制直流电机的正反转和停转。

2.2主要单元电路的设计及功能

如图2-2所示是电源电路

图2-2电源电路

此电源是一个220V工频电源。

它由变压器、整流桥、前级滤波、三端稳压器和后级滤波组成。

图示的变压器变比是220:

9，变压器把220V的交流电压变成9V的交流电压。

整流器的作用是将降低后的工频交流电压变换为直流电压。

在交流的正半周，变压器次级上正下负，电流从正极经D4、负载和D5流回变压器的负极，这样若忽略二极管的导通电压，在负载上得到一个大小与变压器次级相同的电压波形，极性为上正下负；

在交流的负半周，变压器次级上负下正，电流从正极经D6、负载和D3流回变压器的负极，这样在负载也得到一个大小与变压器次级相同的电压波形，极性与正半周一样,也为上正下负。

因此在交流信号的正负半周的分别作用下，整流器均输出单极性的脉动电压，该输出的直流成份已大于零经整流后的电压有比较大的波纹。

前级滤波器由大电容C1和小电容C2并联组成，我们知道电容能够滤除交流信号，整流器输出的单极性脉动电压经过该滤波器后，就变成了直流信号了。

大电容C1的作用主要是交流成份和储存电能，小电容C2的作用是滤除高频干扰。

输出的直流电压是不稳定的，它的输出电压值会随着电网电压的波动和负载的轻重而变化，并不适合直接应用于计算机系统和电子电路，因此还必须进行稳压。

图2-3是三端稳压芯片7805的实物图。

图2-37805实物图

集成稳压器7805是一个固定5V输出的集成三端线性稳压器，是它的实物照片。

它内部有一个类似稳压管的电压基准源，且利用深度负反馈电路将输出稳定控制在5V，在一定范围内不受电网电压和负载轻重的影响。

它的最大输出电流为1A，最高输入电压为36V，输入管脚和输出管脚之间的最大压差为2.5V，最低输入电压为7.5V。

中后级滤波器由C3和C4构成，它的作用是进行进一步的滤波，为防止电源在稳压过程中和负载变化过程中所产生的直流输出电压波动。

如图2-4所示是光信号处理电路。

图2-4光信号处理电路

此电路由光敏电阻分压器和555定时器构成的施密特触发器组成。

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；

入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

光敏电阻R3和电位器R2组成分压器。

如图2-5所示是施密特触发器的符号及输入输出波形。

图2-5施密特触发器符号及输入输出波形

施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。

在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。

正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。

它是一种阈值开关电路，具有突变输入——输出特性的门电路。

这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。

利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。

输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。

此电路中所用施密特触发器由555定时器构成。

555定时器的内部构造和引脚如图2-6所示。

图2-6555定时器内部构造图和引脚分布图

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3555定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。

若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

图2-7为555定时器的主要引脚功能。

INPUTS

OUTPUTS

MR

ST

EO

DN

ＯＮ

０

１

×

ＬＡＴＣＨＥＤ

Ｚ

图2-7555定时器的主要引脚功能

图2-4所示电路中，夜晚来临光线由强变弱时，光敏电阻阻值增大，555定时器第2引脚和第6引脚电位升高，当电位大于

时555定时器的第3引脚输出高电平；

早上光线由弱变强时，光敏电阻阻值逐渐减小，555定时器第2引脚和第6引脚电位降低，当电位小于

时555定时器的第3引脚输出低电平。

由R5和R6组成的分压器可以调节施密特触发器的回差电压范围。

如图2-8所示是继电器控制电路。

图2-8继电器控制电路

继电器控制电路主要由两个开关二极管1N4148、两个电阻、一个NPN三极管和继电器的线圈组成。

其中Vo是555定时器的输出端第3引脚。

此电路实现的功能主要是通过555定时器的输出高低电平的不同状态对三极管Q1的影响，继而使得电磁线圈得电或者失电，影响继电器的动作。

当白天时555定时器的输出引脚输出低电平，此时三极管Q1处于截止状态，此时继电器线圈不通电，继电器的常闭触点闭合，常开触点断开。

当晚上时，555定时器第3引脚输出高电平，则三极管Q1处于饱和状态，此时继电器线圈通电，继电器的常闭触点断开，常开触点闭合。

此电路中的D1的作用是保证白天时Q1可靠截止，D2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，继电器控制电路可以使我们在天亮时常开触点断开，常闭触点接通；

晚上常开触点闭合，常闭触点断开。

继而为继电器的开关电路为控制电机的工作做准备。

电机驱动电路如图2-9所示。

图2-9电机驱动电路

该电路是由限位开关、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。

继电器是一种电控制器件。

如图2-10所示是继电器的内部构造图。

图2-10继电器内部构造图

它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。

通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

限位开关又称行程开关，可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。

如图2-11所示是限位开关内部构造图。

图2-11限位开关内部构造图

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。

限位开关可广泛应用于建筑、港口、矿山等行业的起重、传输机械的空间三坐标的控制和限位，限位开关由高精度的大传动比减速器和与其输出轴同步的机械记忆控制机构、传感器组成，因WTAU系列限位开关具有体积小、功能多、精度高、限位可调、通用性强及维护安装和使用调整方便等特点在工程机械中应该极其广泛。

本电路中选用的是常闭限位开关。

当继电器线圈通电时，继电器常闭开关K2和K4断开，常开触点K1和K3闭合电流由限位开关流入电机，电机实现正转；

当继电器线圈没有电流通过时，继电器常闭触点K2和K4闭合，常开触点K1和K3，电机实现反转。

当窗帘到达任何一个边框时对应的限位开关断开，电机停止转动。

因此实现电机的正反转和到达边沿停止的目的。

3元器件选型

3.1变压器

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，是一种在电子电路，以及电力系统中非常常见的器件，小到收音机，大到我们日常生活中大型电网，用来升压降压的电力变压器等。

变压器的原理是电磁感应技术,变压器有两个分别独立的共用一个铁芯的线圈。

分别叫做变压器的次级线圈和初级线圈。

当一个交流电压（V1）供应至初级绕组的线圈时，由于交流电的强度和极性是不停地正、负交替变化，因此初级绕组的线圈所产生的磁力线数目也不停改变。

由于磁场强度的不断变化，促使缠绕在同一铁芯上的另一端线圈产生感应电动势V2

变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压,因为直流电流是不会变化的,电流通过变压器不会产生交变的磁场，所以次级线圈只能在直接接通的一瞬间产生一个瞬间电流和电压。

把直流电压强加于变压器上会有烧毁变压器的可能。

3.2整流桥堆

整流桥堆就是由两个或四个二极管组成的整流器件。

桥堆有半桥和全桥两种，半桥又有正半桥和负半桥两种，桥堆的文字符号为UR。

桥堆的基本组成：

全桥由四只二极管组成，有四个引出脚。

两只二极管负极的连接点是全桥直流输出端的“正极”，两只二极管正极的连接点是全桥直流输出端的“负极”。

基本原理：

整流桥堆产品是由四只整流硅芯片作桥式连接，外用绝缘朔料封装而成，大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封，增强散热。

整流桥品种多：

有扁形、圆形、方形、板凳形（分直插与贴片）等，有GPP与O/J结构之分。

最大整流电流从0.5A到100A，最高反向峰值电压从50V到1600V。

半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起,用两个半桥可组成一个桥式整流电路,一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全波整流电路,。

选择整流桥要考虑整流电路和工作电压.国内常用的有“广州国信电子”的G系列整流桥，进口品牌有ST、IR,台系的SEP、GD等。

整流桥堆一般用在全波整流电路中。

全桥是由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的。

全桥的正向电流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、35A、50A等多种规格，耐压值（最高反向电压）有25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多种规格。

该电路中使用的是全桥整流电路。

由于整流桥堆的内部是由二极管构成，因而在使用过程中必须防止其被击穿。

在本设计电路中，易知电源电路的最大瞬时电压的380V，因此为避免出现桥堆被击穿的情况，选用的桥堆的型号为KPB304（最大击穿电压为400V）。

3.3三端稳压器LM7805

该稳压器由启动电路，基准电压电路，取样比较放大电路，调整电路和保护电路等部分组成。

由于它只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端稳压器。

本电路中选用的稳压器型号为LM7805，它的输出电流高达1A，内部具有过热保护、短路保护、和对输出晶体管安全工作区的保护，并且同时具备很强的散热能力，大大提高了电源电路输出电压的稳定性。

3.4555定时器

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

本设计所采用的555定时器是TI（德州仪器）的CMOS器件。

3.5继电器

　　电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；

处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。

固态继电器（SSR）

固态继电器

固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。

固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。

按开关型式可分为常开型和常闭型。

按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。

热敏干簧继电器

热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。

它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。

热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。

恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。

磁簧继电器

磁簧继电器是以线圈产生磁场将磁簧管作动之继电器，为一种线圈传感装置。

因此磁簧继电器之特征、小型尺寸、轻量、反应速度快、短跳动时间等特性。

当整块铁磁金属或者其它导磁物质与之靠近的时候，发生动作，开通或者闭合电路。

由永久磁铁和干簧管组成。

永久磁铁、干簧管固定在一个不导磁也不带有磁性的支架上。

以永久磁铁的南北极的连线为轴线，这个轴线应该与干簧管的轴线重合或者基本重合。

由远及近的调整永久磁铁与干簧管之间的距离，当干簧管刚好发生动作（对于常开的干簧管，变为闭合；

对于常闭的干簧管，变为断开）时，将磁铁的位置固定下来。

这时，当有整块导磁材料，例如铁板同时靠近磁铁和干簧管时，干簧管会再次发生动作，恢复到没有磁场作用时的状态；

当该铁板离开时，干簧管即发生相反方向的动作。

磁簧继电器结构坚固，触点为密封状态，耐用性高，可以作为机械设备的位置限制开关，也可以用以探测铁制门、窗等是否在指定位置。

光继电器

光继电器为AC/DC并用的半导体继电器，指发光器件和受光器件一体化的器件。

输入侧和输出侧电气性绝缘，但信号可以通过光信号传输。

其特点为寿命为半永久性、微小电流驱动信号、高阻抗绝缘耐压、超小型、光传输、无接点…等。

主要应用于量测设备、通信设备、保全设备、医疗设备…等。

时间继电器

时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。

它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型等。

在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器，它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。

它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。

时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。

空气阻尼型时间继电器的延时范围大（有0.4～60s和0.4～180s两种），它结构简单，但准确度较低。

当线圈通电（电压规格有ac380v、ac220v或dc220v、dc24v等）时，衔铁及托板被铁心吸引而瞬时下移，使瞬时动作触点接通或断开。

但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落，因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜，当活塞杆在释放弹簧的作用下开始向下运动时，橡皮膜随之向下凹，上面空气室的空气变得稀薄而使活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。

经过一定时间，活塞杆下降到一定位置，便通过杠杆推动延时触点动作，使动断触点断开，动合触点闭合。

从线圈通电到延时触点完成动作，这段时间就是继电器的延时时间。

延时时间的长短可以用螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。

吸引线圈断电后，继电器依靠恢复弹簧的作用而复原。

空气经出气孔被迅速排出。

本设计所选用继电器型号为国产的前继JQC-3F（T73）-12VDC,它具有如下特性：

1.15A触点切换能力

2.具有一组常开、常闭触点形式

3.超小型、标准印制板引出脚

4.塑封型和防焊剂型可供选择

5.环保产品（符合RoHs）

4结论

本次课程设计作品是我在收集了大量的资料后反复计算分析后的设计。

为了验证我的设计的正确性我做出了实物。

如图4-1所示是我用电子设计自动化软件AltiumDesigner画的单面PCB图。

图4-1实物电路的单面PCB图

如图4-2所示是做出的实物电路图。

图5-2实物电路图

经试验验证，此电路能实现以下功能：

（1）电路能够通过感应装置，检测到光线的强弱。

（2）电路根据光线的强弱，自动将窗帘打开和关闭。

（3）电路能够在窗帘接触到边沿时，自动切断电源。

所以，此简易窗帘自动开闭电路设计方案是正确的，符合预期要求和任务目标。

5总结

为期一周的电子技术课程设计快要结束了，在这次课程设计中我收获颇丰。

拿到课程设计任务书后我仔细阅读了任务书的内容，在此基础上搜集和查阅了大量资料，并请教了高年级的学长。

在查阅资料的时候我发现很多设计采用的是用两个输出相反电平的单稳态电路驱动电机实现正反转的设计方案。

此方案的一大问题是无法准确设定单稳态电路的RC时间常数，此参数需要根据窗户的宽度反复修改，使用起来不但麻烦而且精确度不高。

在综合分析了各种电路的优缺点后，我摈弃了采用单稳态电路的设计方案，我决定采用用施密特触发器控制继电器的设计方案。

确定设计方案后我进行了一定的计算，以便确定电路中各器件的参数。

最后我用AltiumDesigner画出了单面PCB板，并用热转印法腐蚀出了实物电路板。

在焊接上全部元器件后我对电路进行了调试。

但是我发现通电后电路不工作。

电机一直工作在继电器常闭状态下，无论怎么调节施密特触发器的阈值电压或遮挡光敏电阻的光线，电机都不反向转动。

排查问题时我用数字示波器测量了施密特触发器输出电压，测试结果证明施密特触发器工作正常。

进一步测量发现由三极管构成的继电器控制电路也正常工作。

这证明主要问题出现在继电器电路。

在反复测量实验后我终于发现了电路存在的问题：

继电器线圈正负极接反了。

由于AltiumDesigner里自带的封装库和原理图库里的器件引脚顺序不一致，导致画PCB图时继电器线内圈输入输出接反，无论线圈有无电流通过继电器均处于常闭触点闭合、常开触点断开的状态。

所以电机不会反向转动。

在找出问题后，我在原电路基础上修改了电路。

通电后再次实验，电路正常工作，能实现任务书中要求的全部功能。

这次课程设计之前我已经做过一些小东西，所以对此次课程设计我抱有很大的信心，但设计制作过程中依然出现了一些问题。

对其中一些问题我做了一下总结。