智能晾衣架控制电路设计毕业设计

信息职业技术学院 毕业设计说明书 论文 设计 论文 题目 智能晾衣架控制电路设计 专 业 班 级 班 学 号 23 姓 名 指导教师 二 00 九年十二月十日 信息职业技术学院毕业设计 论文 任务书信息职业技术学院毕业设计 论文 任务书 学 生 姓 名 学 号 3班级 应电 07 2 专业应用电子技术 设计 或论文 题目智能晾衣架控制电路设计 指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注 讲师无 高级工 程师 无 设计 论文 内容 注意 选题要结合实际 设计 论文 内容要详细写明具体步骤 学生在该设计中具体 完成的工作 结果 1 电源电路设计 2 雨滴感知电路及光敏传感器电路的设计 3 自动收衣晾衣电路设计 进度安排 要有较为详细的时间安排 时间具体到周 第 3 5 周 资料收集 第 6 7 周 论文初稿 第 8 11 周 电路设计 仿真或实物 第 12 14 周 论文定稿 第 15 16 周 论文答辩 主要参考文献 资料 写清楚参考文献名称 作者 出版单位 1 王一群 电子技术及制作 福建 福建科技出版社 2 张中洲 电路技术基础 北京 电子工业出版社 3 任为民 电子技术基础课程设计指导 中央广播电视大学出版社 1986 4 贾更新主编 电子技术基础实验 设计与仿真 郑州大学出版社 2006 5 康华光主编 电子技术基础模拟部分 北京 高等教育出版社 2006 6 朱定华主编 电子技术基础课程设计 科技大学出版社 2009 审 批 意 见 教研室负责人 年 月 日 备注 任务书由指导教师填写 一式二份 其中学生一份 指导教师一份 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 目 录 摘 要 1 第 1 章 绪论 2 1 1 晾衣架概述 2 1 2 设计目的与意义 3 1 3 设计要求及内容 3 第 2 章 系统方案 4 2 1 电源设计方案 4 2 2 收衣晾衣方案 5 2 3 方案的确定 5 第 3 章 单元电路设计 7 3 1 电源电路的设计 7 3 2 收衣晾衣传感器及信号处理电路的设计 8 3 3 单稳态触发电路的设计 8 3 3 1 555 定时器 9 3 3 2 单稳态延时电路原理图 10 3 3 3 单稳态延时电路工作过程 11 3 4 正反转驱动控制电路的设计 11 第 4 章 电路的仿真 13 4 1 雨天收衣电路的仿真 13 4 2 晴天晾衣电路的仿真 14 总 结 15 参 考 文 献 16 附录 1 雨天智能晾衣架电路原理图 17 附录 2 晴天智能晾衣架电路原理图 18 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 0 页 摘 要 本设计介绍了一种能够识别晴雨天气 自动实现收晾衣服功能的智能晾衣架 该智能晾衣架能有效的避免在下雨时衣服无人收起而被雨淋湿 或在阳光强烈时 衣架能自动伸出接受阳光的充分照射 电路部分通过传感器获得感应信号 控制触 点开关的闭合或断开 进而控制电机的正反转 起到自动收晾衣服的作用 该智能 晾衣架设计简单 在电路设计上很有创新意义 制作成本较低 实用价值较高 且 使用方便 性能可靠 关键词关键词 晾衣架 智能 自动收回 自动伸出 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 1 页 第 1 章 绪论 1 1 晾衣架概述 晾衣架 一般指 升降晾衣架 分手动 电动两种 手动 手摇 较为普及 电动之所以未能普及推广 这是由于整个行业技术上的不成熟以及售后服务的局限 毕竟是镶在天花板上 不像小家电一样容易搬移去维修保养 因而目前 还是 手动 手摇 为市场的主导 晾衣架 是中国一大特色产品 该行业形成至今也就 近十年时间 从开创至今技术不断改进和变革 其基本组成为 手摇器 负责升降 自锁 钢丝 转向器 顶座 晾杆 衣架 手摇器是晾衣架的核心部件 相当于汽 车的发动机 由最初 恋衣 的塑料手摇器 到 好太太 的 全金属 手摇器 材 料 结构 款式的不断推陈出新 但质量依旧没有大的突破 晾衣架维修率依然集 中在手摇器这个关键部件 手摇器质量依旧是行业最关注的焦点 直至 2007 年 居 博士 首家推出一款质量保用五年的手摇器 给行业一颗定心丸 该款手摇器具备 行业前所未有的六大特点 因质量稳定 其结构开始被行业众多厂家纷纷效仿 成 为典范 晾衣架不仅仅是一个装饰品 更是一个功能性的产品 目前晾衣架的 功能 已经普遍得到消费者的认可 已经形成一个 行业 如果说 恋衣 是这个行业的 开创者将行业开端 好太太 是成功的包装营销商将行业推开 那么 居博士 则 独竖一帜 回归产品本身 走质量 特色路线 不断改良 创新 引领行业重新 重视质量 实用的产品 质量才是永恒的 只有质量被大众接收 行业才可持续健 康发展 换言之 只要功能 质量普遍被认可 晾衣架将会成为居民生活一个必需 品 随着社会的发展 科学的进步 以上所述的传统的升降晾衣架已经不能满足人 们的需求 假如住户是双职工 或者住户有事在外 那么如果下雨或者夜晚 传统 升降晾衣架就做不到使晾晒在室外的衣物避雨 避露水的功能 每当下雨的时候 恰好不在家 衣服却晾在阳台上 这时候 假如有一台智能型的晾衣架 它能够自 动识别晴天和雨天 太阳出来时为我们自动晾衣服 下雨时自动为我们收衣服 一 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 2 页 切都智能为我们服务 那我们是不是省去了很多工夫呢 1 2 设计目的与意义 1 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验 掌握模拟电路设计的基本方法 及设计步骤 培养综合设计能力 2 进一步了解智能晾衣架的组成框图和各个单元电路的工作原理及相互联系 3 掌握单稳态触发器的工作原理和各元器件的功能 4 锻炼自己对所学理论知识和技能的综合运用能力 5 本文设计的智能晾衣架解决了衣物晾在户外 遇下雨不能及时收进和天气转 晴不能自动晾出的后顾之忧 具有很高的实用价值 1 3 设计要求及内容 1 设计要求 1 电路要能够识别晴雨天气 自动完成收晾衣的目的 2 设计电路结构 画出电路的总体框图 选择电路中所需元件 画出实用整 机原理电路图 2 设计内容 主要设计一个智能晾衣架的内部电路 其设计内容主要包括一下几个部分 1 方案论证及系统框图 2 单元电路设计 3 电路仿真 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 3 页 第 2 章 系统方案 2 1 电源设计方案 1 电源方案一 图 2 1 电源方案一框图 该方案的设计方框图如上所示 将 220V 50Hz 变成整流滤波所需大小的交流电 然后再将交流电变成单项脉动直流电 再减小单项脉动直流电的脉动成分 最后得 到平滑滤波的直流电的纹波成分 使输出为 5V 平稳的直流电 但由于交流电网输 入电压的波动和电路负载的变化使直流电压不稳定 因此在本直流电源中增加稳压 电路以确保设备的正常工作 2 电源方案二 图 2 2 电源方案二框图 该方案的设计方框图如上所示 该设计与方案一的设计只有第二步不同 其余 步骤都相同 方案一中整流部分选用的是桥式全波整流 而该方案则选用半波整流 综上所述 两种方案比较 全波整流的输出是交流输入电压的 0 9 倍 效率高 直流电压平稳 能充分利用变压器的功率 半波整流虽然所需原器件较少 电路简 半 波 整 流 变 压 器 滤 波 分立稳压 Uo 220V 5V 桥式全波整流 变 压 器 滤 波 集成稳压 Uo 220V 5V 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 4 页 单 但输出是交流输入的 0 45 倍 效率低 使变压器的功率不能充分利用 故电源 部分的设计采用方案一 2 2 收衣晾衣方案 1 收衣晾衣方案一 图 2 3 收衣晾衣方案一框图 由雨滴传感器控制电路 光敏传感器控制电路经集成运放产生的数字信号 经 单片机的输入口输入给单片机 单片机经分析处理后所得到结果 从单片机输出引 脚输出相应的信号 从而控制电动机正反转 2 收衣晾衣方案二 图 2 4 收衣晾衣方案二框图 由雨滴传感器控制电路 光敏传感器控制电路经集成运放产生的信号 经 555 单稳态触发器分析处理后 控制触点开关的闭合或断开 进而控制电机正转 自动 实现收衣晾衣动作 综上所述 两种方案比较 在功能方面两者都能实现电机正反转 从而实现收 衣晾衣功能 方案一主要通过单片机硬件电路来实现 该方案的稳定性高 但是引 脚繁多 过于复杂化 方案二通过 555 单稳态触发器来实现 元器件少 稳定性高 容易实现 故收衣晾衣部分的设计采用方案二 2 3 方案的确定 通过分析论证 为了使该设计电路简单明了 功能可以得到更好的实现 电源 部分的设计选则方案一 其效率高 直流电压平稳 能充分利用变压器的功率 而 收衣晾衣部分的设计则选择方案二 其元器件少 且稳定性高 容易实现 该设计 的整体设计框图如图 2 5 所示 传感器及信号 处理电路 555 单稳态触 发电路 驱动控制电路 传感器及信号 处理电路 单片机硬件电 路 驱动控制电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 5 页 图 2 5 整体框图 当雨天或晴天时 湿度传感器或光敏传感器获得信号 并将信号传送给运放 运放输出低电平 经过 555 单稳态触发器 输出高电平 高电平信号被送到驱动控 制电路 从而控制电机正反转 使晾衣架自动伸缩 实现自动收衣晾衣功能 传感器及信号 处理电路 555 单稳态 触发电路 驱动控制 电路 电源 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 6 页 第 3 章 单元电路设计 3 1 电源电路的设计 该直流稳压源电路实现的是 5V 的电压输出 原理图如下所示 图 3 1 直流稳压源电路图 交流电经过降压 整流 滤波可以得到比较平滑的直流电 但由于交流电网输 入电压的波动和电路负载的变化使直流电压不稳定 因此在本直流电源中增加稳压 电路以确保设备的正常工作 在连接电路中 需要在变压器的副边接入保险丝 FU 以防电路短路损坏变压器 或其它器件 其额定电流要略大于 Iomax 选 FU 的熔断电流为 1A 整个电源电路 结构形式为 220V 电压经过 9V 的变压器输入桥式整流电路中 使得我们的交流电变 成了不稳定的直流电 后经几个极性电容滤波使不稳定的直流电变成比较稳定的直 流电 在接入到三端稳压器 LM7805 输入端 稳压器内部含有过流 过热保护电路 并且 LM7805 输出固定的 5V 直流电压供后面的负载使用 其各部分波形图如图 3 2 所示 图 3 2 波形图 变压整流滤波稳压 5V D2 D4 D1 D3 C1 C3C4 C2 3 LS7805 1 2 DNG VinVout FU 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 7 页 3 2 收衣晾衣传感器及信号处理电路的设计 雨天智能晾衣架电路中 传感器集成运放电路是由湿度传感器以及一个集成运 算放大器构成 其中 M 代表湿度传感器 当下雨时 M 遇水就导通 使运放 U1 输 出低电平 电路图由图 3 3 所示 图 3 3 湿度传感器集成运放电路图 晴天智能晾衣架电路中 传感器集成运放电路是由光敏传感器以及一个集成运 算放大器构成 其中 R4 为光敏传感器 光敏电阻 电位器 RP2 用于调节光敏电阻 的灵敏度 当阳光充足时 光敏电阻阻值下降 使运放 U3 输出低电平 电路图如 图 3 4 所示 图 3 4 光敏传感器集成运放电路图 3 3 单稳态触发电路的设计 单稳态触发电路由一个 555 芯片构成单稳态触发器来控制 单稳态触发器具有 稳态和暂稳态两个不同的工作状态 在外界触发脉冲作用下 它能从稳态翻转到暂 稳态 在暂稳态维持一段时间以后 在自动返回稳态 暂稳态维持时间的长短取决 于电路本身的参数 与触发脉冲的宽度和幅度无关 由于单稳态触发器具有这些特 R1R1 R3 U1 M RP2 R5 R4R6 U2 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 8 页 点 常用来产生具有固定宽度的脉冲信号 按电路结构的不同 单稳态触发器可分为微分型和积分型两种 微分型单稳态 触发器适用于窄脉冲触发 积分型适用于宽脉冲触发 无论是哪种电路结构 其单 稳态的产生都源于电容的充放电原理 用 555 定时器构成的单稳态触发器是负脉冲触发的单稳态触发器 其暂稳态维 持时间为 Tw 1 1RC 3 1 仅与电路本身的参数 R C 有关 3 3 1 555 定时器 1 电路组成 555 芯片的内部电路如图 3 8 所示 它由三个阻值为 5K 的电阻组成的电阻分 压器 两个电压比较器 C1和 C2 基本 RS 触发器 集电极开路的放电三极管 VT 以 及缓冲器等组成 a 555 内部结构图 b 555 管脚图 图 3 5 555 定时器 1 电阻分压器由三个 5K 的电阻 R 组成 为电压比较器 C1和 C2提供基准 电压 2 电压比较器由 C1和 C2组成 当控制电压输入端 CO 悬空时 C1和 C2的 基准电压为别为 2 3Vcc 和 1 3Vcc C1的反相输入端 TH 称为 555 的定时器高触发端 C2的同相输入端称为 555TR 定时器的低触发端 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 9 页 3 基本 RS 触发器 基本 RS 触发器由两个与非门 G1和 G2构成 比较器 C1的输出作为置 0 输入端 若 C1输出为 0 则 Q 0 比较器 C2的输出作为置 1 输入端 若 C2输出为 0 则 Q 1 是定时器的复位输入端 只要 0 定时器的输出端 OUT 则为 0 正常工作RR 时 必须使处于高点平 R 4 放电管 VT VT 是集电极开路的三极管 VT 的集电极作为定时器的引出端 D 5 缓冲器 缓冲器由 G3和 G4构成 用于提高电路的负载能力 2 工作原理 为置 0 输入端 当 0 时 定时器的输出 OUT 为 0 当 1 时 555 定时RRR 器具有以下功能 1 当高触发端 TH 2 3Vcc 且低触发端 1 3Vcc 时 比较器 C1输出低电平 TR C1输出的低电平将 RS 触发器置为 0 状态 即 Q 0 使得定时器的输出 OUT 为 0 同时放电管 VT 导通 2 当低触发端 1 3Vcc 且高触发端 TH 2 3Vcc 时 比较器 C2输出为低电TR 平 C2输出的低电平将 RS 触发器置为 1 状态 即 Q 1 使得定时器的输出 OUT 为 1 同时放电管 VT 截止 3 当 TH1 3Vcc 时 定时器的输出 OUT 和放电管 VT 的状态保TR 持不变 根据以上分析 可以得出 555 定时器的功能表 见表 3 1 表 3 1 555 定时器的功能表 输入输出 TH TRR OUTVT XX00导通 2 3Vcc 1 3Vcc10导通 1 3Vcc1不变不变 2 3Vcc 1 3Vcc11截止 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 10 页 3 3 2 单稳态延时电路原理图 图 3 6 单稳态延时电路原理图 图 3 7 单稳态延时电路的工作波形 3 3 3 单稳态延时电路工作过程 当 Ui1的下降沿到来时 由于2 3Vcc 时 输出端 Uo 的输出电平跳变为低电平 电路退出延时状态 此 时内部放电管 VT 导通 电路退出延时延时状态后 C5通过导通的放电管 VT 放电 使电路迅速恢复到初始状态 Tw 2 3Vcc Ui1 0 Uc t 0t t0 Uo Ui R3 1k MG45 GR 光敏电阻 C4 F1 F2 R5 10k R6 10k C5 2200Uf C6 100nf 8 3 RST DIS THR TRI COM VCC GND OUT 1 LM555CM Uo 12V 1 2Ah 蓄电池 Ui1 Uc 510p 4 7 6 2 5 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 11 页 根据该电路的工作波形可以算出该电路的延时时间 1 1 w T 6 R 5 C 3 4 正反转驱动控制电路的设计 当 555 定时器的输出端为高电平时 继电器就开始工作 从而控制二通电磁阀 的导通 其原理图如图 3 10 所示 图 3 8 驱动控制电路原理图 这次设计用的继电器是 5V 的电压控制继电器 有常闭和常开两种状态 当定 时器输出为高电平时 继电器的输入端加上了驱动电压 使继电器为常闭状态 既 而使二通电磁阀加上 220V 的交流电压 电机转动智能晾衣架实现伸缩 当定时器 的输出为低电平时继电器的输入没有驱动电压 使继电器进入常开状态 此时电磁 阀不工作 定时器的 输出 电池阀 D5 R7 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 12 页 第 4 章 电路的仿真 此次电路仿真运用的 EWB 仿真软件 在仿真过程中也遇到少许问题 例如 EWB 元器件库中没有传感器之类的元器件而只能用开关代替 而且在仿真电路时不 能改变元器件库里面设置好的元件参数 但是 通过努力 最终仿真还是比较成功 对于雨天和晴天的电路都通过了仿真 4 1 雨天收衣电路的仿真 C1 100uF C2 10nF A1 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI D1 1N1202C R5 100 V1 12 V X1 12V 10W VCC 5V 5 2 R7 100k R8 100k R9 470k J1 Key A R1 500k R2 100k U2 LM207D 3 2 4 7 6 6 J2 10mA 0mA R4 5k Key B 50 1 9 VCC 4 10 8 0 3 7 图 4 1 雨天收衣的仿真图 如图 当下雨时 湿度传感器得到信号 J1 导通 运放 U2 输出低电平 通过 A1 555 集成电路 单稳态触发电路 输出高电平 使继电器 J2 得电 控制电机正 转 晾衣架收回 仿真图中的现象为灯泡发光 当经过定时时间 T 1 1R4C1后 灯 泡熄灭 完成收衣动作 电路处于正常状态 仿真图中 R4 用于调节定时时间 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 13 页 4 2 晴天晾衣电路的仿真 C1 100uF C2 10nF A1 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI D1 1N1202C R5 100 V1 12 V X1 12V 10W VCC 5V 52 U1A LM1458H 3 2 4 8 1 R7 100k R8 100k R4 1M Key S 70 R6 1M Key A 50 7 R1 500k R3 5k Key B 50 J2 20mA 0mA 4 10 R9 100k 83 0 12 9 VCC 1 图 4 2 晴天晾衣的仿真图 如图所示 当天晴时 R4 电位器代表光敏传感器 光敏电阻 R6 用于调节光 敏电阻的灵敏度 当阳光充足时 光敏电阻阻值逐渐下降 使运放 U1A 输出低电平 该低电平信号通过 A1 555 集成电路 单稳态触发电路 输出高电平 使继电器 J2 得电 控制电机的反转 晾衣架伸出 仿真图中的现象为灯泡发光 当经过定时时 间 T 1 1R3C2后 灯泡熄灭 完成晾衣动作 电路处于正常状态 仿真图中 R3 用于 调节定时时间 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 14 页 总 结 通过本次毕业设计 使我受到了一次应用所学的专业知识 专业技能分析和解 决问题的全面系统的锻炼 刚开始着手于毕业设计时什么都不明白 也不知何从下 手 但经过两个月的学习使我学到了不少新的知识 也复习了很多忘记了的旧知识 这次设计使我在综合知识的选用方面 产品开发的基本思想 方法方面 以及常用 电路分析思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步 为日后成为合格的应用型人才 打下良好的基础 在搞设计的过程中会碰到很多我们不太熟悉的元件和不太了解的电路 也就是 通过对这些实际问题的解决来提高我们分析问题和