简易窗帘自动开闭电路.docx
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简易窗帘自动开闭电路
1.设计概述
窗帘在人们的日常生活中有着不可替代的作用，窗帘在室内装修中，分别起着保护私隐、利用光线、装饰墙面、吸音降噪的作用。
到目前为止，窗帘已经发展到相当水平，其中布艺帘以它的独有的时代魅力深受人们欢迎。
当窗户面积大、窗户高或安装厚重的窗帘布时，使用手动或拉绳都比较费力，并且容易导致帘布损坏，所以现在采用光控电动自动控制布帘的方式代表时代发展的潮流。
由于其质量技术等各方面的全面改进，理所当然，光控自动窗帘成为科技不断进步，社会飞速发展的必然产物。
我精心设计了这个简易窗帘自动开闭电路，该电路能够通过光敏电阻组成的感应装置，检测到光线的强弱，并能够根据光线的强弱，自动将窗帘打开和关闭,同时能够在窗帘接触到边沿时，有单稳态触发器回到稳态致使电机处于制动状态停止下放或升起窗帘。
经理论推证，本系统能较好的完成任务书要求的各项功能。
2方案设计及工作原理
2.1系统组成框图
光照检测电路检测光照的强弱，通过积分电路处理此信号，进而触发控制开关的开闭状态，开关影响驱动电路中电动机的转动方向，从而实现窗帘的自动关闭，电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。
2.2工作原理
原理图如下：
（图中所标序号对应74lS00引脚号）
图2.2简易窗帘自动开闭电路原理图
当天气渐凉，光线变强时，光敏电阻RL阻值降低，与非门U1A的输入端为低电平，经与非门U1B、U1C整形后输出高电平，由电容C2两端电压不能突变的特性可知微分电路C2、R3不可能产生负脉冲而将产生正脉冲，使与非门U2A、U2B组成的单稳态触发电路仍维持高电平输出状态;同时与非门U1A输出的高电平经与非门U1D反向后输出低电平，微分电路R2、C3形成负脉冲，使与非门U2C、U2D组成的单稳态触发电路翻转输出低电平，于是，VT2、VT3导通，电机正传，窗帘打开。
当与非门U2C,U2D暂稳态结束后输出又反转为稳态高电平，VT2、VT3停止导通，电机停转。
夜幕降临，光线变暗，光敏电阻RL阻值变大，使与非门U1A的输入端变为高电平，经与非门U1B、U1C整形后输出低电平，与非门U2A、U2B组成的单稳态触发电路翻转输出低电平；同时，与非门U1A输出的低电平经与非门U1D反向后输出高电平，与非门U2C、U2D组成的单稳态触发电路维持稳态输出高电平,于是VT1、VT4导通，电机反转，窗帘关闭！
（对应IC74LS00引脚连接图见附录2）
3.单元电路设计及元件选型
3.1电源电路分析
在本设计中可以用两种方法实现电源：
一是采用电池供电；二是直接从电网供电，考虑到电池易损耗，不易达到电路的要求，而经电网变压实现的+5V直流电压则相对稳定，所以在本设计中我采用了后者，见图3.1电源电路。
该电路由电源变压器、整流、滤波、和稳压电路等四部分构成。
电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压，再通过桥式整流电路将变压器输出的符合电压要求的交流电变换为直流电。
常用的整流电路主要有：
半波整流、全波整流及桥式整流等。
相对于半波整流相，全波整流二极管交替导通，其输出电压纹波明显减小；而桥式整流电路是全波整流电路的一个变形，其输出电压波形与全波整流电路相同，但加在变压器次级线圈上的电流变为了极性正负交替的脉冲电流，其性能更加优越。
本设计中采用性能优越的桥式整流电路。
接着是滤波电路，滤波电路用于滤去整流输出电压中的波纹，一般由电抗和电容元件组成，使交流电在经过二极管整流后获得的有杂波的直流电，变成波形较为平滑的直流电。
本次实验我们使用滤波电容C1、C2、C3和C4实现滤波。
最后是稳压电路，在本设计中采用三端稳压电路来实现。
本设计所用集成稳压器为三端固定正稳压器W7805，在使用时必须注意：
（VI）和（Vo）之间的关系，该三端稳压器的固定输出电压是5V，而输入电压至少大于8V，这样输入/输出之间有3V的压差。
使调整管保证工作在放大区。
但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以，两者应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不致于功耗偏大，本设计采用10V。
其中整流部分采用有四个二级管组成的桥式整流成品型号为2W06。
滤波电容C1，C2一般选取几百—几千微法，当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C3（数值为0.33uF），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。
输出端电容C49（0.1uF）用以滤出输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。
3.1.1W7805选型依据
7805系列为3端正稳压电路,TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。
内含过流、过热和过载保护电路。
带散热片时，输出电流可达1A。
虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。
78系列三端集成稳压器内部电路框图：
图3.27805内部框图
三端集成稳压器的典型应用：
在使用时必须注意：
（VI）和（Vo）之间的关系，以W7805为例，该三端稳压器的固定输出电压是5V，而输入电压至少大于8V，这样输入/输出之间有3V的压差。
使调整管保证工作在放大区。
但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以，两者应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不致于功耗偏大.本设计采用10V.
3.2光照检测及处理电路
图3.4光照检测处理电路
当天渐凉，光线变强时，光敏电阻RL阻值降低，与非门U1A的输入端为低电平，经与非门U1B、U1C整形后输出高电平，由电容C2两端电压不能突变的特性可知微分电路C2、R3不可能产生负脉冲而将产生正脉冲，同时与非门U1A输出的高电平经与非门U1D反向后输出低电平，微分电路R2、C3形成负脉冲。
夜幕降临，光线变暗，光敏电阻RL阻值变大，使与非门U1A的输入端变为高电平，经与非门U1B、U1C整形后输出低电平，微分电路C2、R3产生负脉冲。
同时与非门U1A输出的低电平经与非门U1D反向后输出高电平，微分电路R2、C3不会形成负脉冲。
3.2.1光敏电阻器
光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏电阻器是利用半导体光电效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。
它的电阻能随着外界光照强弱变化而变化，当没有光照射时，呈高阻状态；有光照射时，其电阻值迅速减小。
它广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机的亮度自动调节、照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。
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。
3.3控制电路分析：
图3.5控制电路
用与非门或者或非门都可以组成单稳态触发器，这种单稳态触发器在电路中广泛地用于对脉冲信号的延时、展宽和整形等。
用门电路组成的单稳态触发器，它的主要原理是利用门电路输入端的阈值电平和加入门电路中的RC元件的充放电作用。
用与非门或者逻辑门逻辑门
都可以组成单稳态触发器，但它们各自的触发方式不同，输出的逻辑电平也不同。
如图所示为用与非门门电路组成的单稳态触发器电路。
该触发器稳态时输出高电平，暂稳态时输出低电平，触发方式为低电平触发。
1.单稳态触发器只有一个稳定状态，一个暂稳态。
2.在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。
3.由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。
本设计可以通过改变C4R4,C5R5的参数来改变暂稳态维持的时间从而改变电机旋转时间，继而控制窗帘下降和升起高度！
经计算暂稳态维持时间约为0.7R4*C4。
3.4H桥电机驱动电路
由两个三极管，一个可以对正极导通实现上拉，另一个可以对负极导通实现下拉。
由两套这样的电路，在同一个电路中，同时一个上拉，另一个下拉，或相反，两者总是保持相反的输出，这样可以在单电源的情况下使负载的极性倒过来。
由于这样的接法加上中间的负载画出来经常会像一个H的字样，故得名H桥。
图3.6中所示为一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：
图3.6及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。
在高位的晶体管必须是PNP型三极管或者P沟道场效应管；低位的晶体管必须是NPN型三极管或者N沟道型场效应管。
如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
图3.6H桥驱动电路
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。
例如，如图3.7所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
图3.7H桥电路驱动电机顺时针转动
图3.8所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。
当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
图3.8H桥驱动电机逆时针转动
驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。
基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
为了避免马达的反电动势的危害，我们仍然需要在晶体管两端接二极管，因为马达线圈在电路开闭瞬间产生的反向电动势通过会高过电源，这样对晶体管和电路会有很大的影响甚至烧毁零件。
本设计中四个晶体二极管正是用来泄放因电机线圈在开关转换时产生的反向电压，防止击穿三极管。
所用的二极管均为4148，其他参数见下图3.9。
图3.9H桥驱动电路
3.4.1三极管选型
三极管在饱和导通（发射结和集电结都是正偏置）时，其CE极间电压很小，比PN结的导通电压还要低（硅管在0.5V以下），CE极间相当“短路”，即相当于开关的“开”的状态。
图3.10NPN、PNP三极管
三极管在截止状态（发射结、集电结都是反偏置）时，其CE极间的电流极小（硅管基本上量不到），相当于“断开（即‘关’）”的状态。
三极管开关电路的特点是开关速度极快，远远比机械开关快；没有机械接点，不产生电火花；开关的控制灵敏，对控制信号的要求低；导通时开关的电压降比机械开关大，关断时开关的漏电流比机械开关大；不宜直接用于高电压、强电流的控制。
NPN型是串连在电机与地之间，其中C接正E接地。
这样接类似于一个开关。
当B极没有控制电压时，CE是断开的电机也是不转的，反之B极有控制电压时，CE是导通的，电机形成回路转动。
PNP型是反向导通的接法是E接正C接地。
（1）8050参数：
8050是非常常见的NPN型晶体三极管，在各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，主要用于高频放大。
管脚图如下：
图3.118050管脚图
类型:
开关型;
极性:
NPN;
材料:
硅;
最大集存器电流（A）:
0.5A;
直流电增益:
10到60;
功耗:
625mW;
最大集存器发射电（VCEO）:
25;
频率:
150MHz
（2）8550参数
三极管8550是一种常用的普通三极管。
它是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管。
8550三极管（TO-92封装）管脚图如图：
其中1为发射极，2为基极，3为集电极。
图3.128550管脚图
类型:
开关型;
极性:
PNP;
材料:
硅;
最大集电极电流（A）:
0.5A;
直流电增益:
10to60;
功耗:
625mW;
最大集电极发射电压（VCEO）:
25;
频率:
150MHz
3.4.2二极管选型
半导体二极管导通时相当于开关闭合（电路接通），截止时相当于开关打开（电路切断），所以二极管可作开关用，常用型号为1N4148。
由于半导体二极管具有单向导电的特性，在正偏压下PN结导通，在导通状态下的电阻很小，约为几十至几百欧；在反向偏压下，则呈截止状态，其电阻很大，一般硅二极管在10ΜΩ以上，锗管也有几十千欧至几百千欧。
利用这一特性，二极管将在电路中起到控制电流接通或关断的作用，成为一个理想的电子开关。
IN4148是一种小型的高速开关二极管，开关比较迅速，广泛用于信号频率较高的电路进行单向导通隔离,通讯、电脑板、电视机电路及工业控制电路中常用它.
IN4148特点：
高频信号高速开关，最大反向恢复时间小，高可靠性ABA玻璃封装，高电导，备有通孔和表面。
（1）4148参数：
类型：
高频小信号
电流：
正常正向电流If:
150mA；最大正向电流Imax:
500mA；最大重复峰值电流Ifs:
450mA
电压：
最大重复峰值电压Umax:
100V；
最大连续反向电压Urrm:
75V；
最大正向电压Uf:
1V
时间：
最大反向恢复时间:
4ns
功率：
最大功耗Ptot:
500mW
封装：
玻璃封装:
SOD-27（DO-35）
针脚数:
2
外径：
1.85mm
外部长度（高度）：
4.25mm
结温：
最高结温:
200℃
表面安装器件：
轴向引线
3.5直流电动机
直流电机，如图11-1所示，是一种以输入为直流电能的旋转电机。
它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。
当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
图3.13直流电机
直流电机接线简单，只有正负极，只需交换正负极就可以调节正反转；通过电压的调节，可以小范围的调节电机的转速；随着电压的降低，电机转速降低，但是转矩降低不大，可以带动较重负载，堪称是它的一大亮色。
而且直流电机的控制很简单，性能出众，直流电源也容易实现。
直流电机经常被用在以下场合：
音频和视频消费电气；剃须刀、玩具及电供电的电动玩具；汽车的门窗控制；电动汽车、电车和自动驾驶装置；工厂自动化和数控机床等。
3.5.1直流电机的基本工作原理
图3.14是一台直流电机的最简单模型。
N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。
磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。
铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片（换向片）上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。
图3.14直流电动机工作原理示意图
将外部直流电源加于电刷A（正极）和B（负极）上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。
导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。
用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。
这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图3.14（a）所示。
当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图3.14（b）所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。
由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。
这就是直流电动机的基本工作原理。
实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。
4.备注
本电路安装好后并不能立即工作，应该先测出窗帘拉开和关闭，电机运转分别所需的时间，然后进性调试，调节RP2和RP3分别可改变电机正传和反转时间，进而使窗帘拉开或关闭到边沿时，电机顺利停转。
5.结论
本方案所设计的窗帘自动开闭电路，主要是由与非门构成的单稳态触发器和H桥驱动电路构成，具有电路简单，成本低廉的特点，较好的实现了任务书所要求的各种功能。
6.总结
本次课程设计给我最大的教训就是：
说永远比做容易，永远不要眼高手低。
一开始，我认为拿到的题很简单，再加上又要准备期末考试，便想当然认为没必要下手那么早。
所以一直拖到了周六才动手…
一动手才知道，虽然大方向有，原理也清晰，但是一旦具体到一些细节便遇到了很多困难。
首先是采集光信号，这个问题还不大，可以用光敏电阻，光电二极管等，最终我选用了光敏电阻。
接着便遇到了第一个难题，当光信号经采集被送到74LS00组成的单稳态触发器输入端后，怎么让这个触发信号尽快消失？
也就是说单稳态触发器的触发脉冲宽度不能大于它的输出脉冲宽度，不然单稳态触发器将不能正常工作。
具体到这个电路中就是说不能让采集到的有效光信号一直输出到单稳触发器的输入端。
怎么解决这个问题？
周六一上午几乎都在想这个问题了，多方查找资料后，突然想起了数电课本上好像介绍过类似的问题。
果不其然，就是在数电讲基本门电路组成触发器那一章提到了一个宽脉冲触发单稳电路，嗯，就是它！
在单稳态触发器输入端加一个微分电路便完美的解决了第一个难题！
信号采集到了，也由74LS00构成的单稳态触发器处理好了，接下来便遇到了第二个难题：
驱动电机。
一开始我想用74LS00组成的单稳态触发器直接驱动电机。
但是很快又否决了这个方案，因为74LS00的输出电流太小不能直接驱动电机。
后来查找资料从网上借鉴了别人的思想，采用H桥来驱动电机正反转。
但是很不幸，网上的好多讲H桥的材料几乎全都相同，而且都和我与同学讨论而得出的结论不符，我也不知道是自己错了还是网上的材料错了。
后来，我坚持了自己的想法，先按自己的想法连接了电路。
周日上午我特意跑到图书馆查阅了相关纸质资料后得知，网上的那个讲H桥的材料就是错了！
这让我明白了互联网上有很多学术性的东西也都是网友自己总结的，也不是全对，还是纸质资料最靠谱！
如此一番波折，第二个难题也顺利解决！
这三天以来，我在寝室对着电脑查资料，画电路图，再查资料，再修改，一步一个脚印，遇到的难题当然不止以上两个，一些细节参数的计算也是难题。
每当解决一个难题，心中都会涌起一股快意！
最后悔的就是由于自己的眼高手低，动手晚，造成了时间仓促，可能会有一些细节做得不够好。
通过这次课程设计，我掌握了电子电路的一般设计方法和思路，而且基本上能够运用电子基础设计中所学的理论知识来完成设计和分析电路。
通过互联网及图书馆查阅手册和文献资料，拓宽知识面的同时，也让我能够独立分析问题和解决实际问题。
最大的感触就是我身边有很多资源供我学习，换句话说，在大学里我至少得养成一种良好的习惯——自学！
这次课程设计真的让我受益匪浅，最后，真诚地感谢学校和老师为我们提供了这此学习的机会。
参考文献
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［2］康华光，电子技术基础数字部分，高教出版社，1998
［3］何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
［4］姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月
［5］王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月
［6］李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月
［7］童诗白，模拟电子技术基础，高教出版社，1988
［8］沈尚贤，电子技术导论下册，高教出版社，1986
附录1
74LS00参数：
74LS00功能：
四2输入与非门Kig838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸
真值表：
Inputs输入
输出
A
B
Y
L
L
H
L
H
H
H
L
H
H
H
L
Kig838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸
Kig838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸
图174LS00引脚图Kig838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸
AbsoluteMaximumRatings绝对最大额定值
SupplyVoltage电源电压
7V
InputVoltage输入电压
7V
OperatingFreeAirTemperatureRange自由空气温度范围
0℃to+70℃
StorageTemperatureRange储存温度范围
-65℃to+150℃
Kig838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸
RecommendedOperatingConditions建议操作条件
Symbol符号
Parameter参数
最小
典型
最大
UNIT单位
VCC
SupplyVoltage电源电压
4.75
5
5.25
V
VIH
HighLevelInputVoltage输入高电平电压
2
-
-
V
VIL
LOWLevelInputVoltage输入低电平电压
-
-
0.8
V
IOH
HIGHLevelOutputCurrent高电平输出电流
-
-
-0.4
mA
IOL
LOWLevelOutputCurrent低电平输出电流
-
-
8
mA
TA
FreeAirOperatingTemperature工作温度
0
-
70
℃
Kig838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸
DCSPECIFICATIONS直流电气规格：
Symbol符号
Parameter参数
Conditions条件
最小
典型
最大
UNIT单位
VI
InputClampVoltage输入钳位电压
VCC=最小,II=-18mA
-
-
-1.5
V
VOH
HIGHLevelOutpu
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