智能灯光控制系统

华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 1 卫生间智能灯光控制系统设计报告 目录 第一章 设计用途和功能 2 第二章 设计的作用 目的 2 第三章 总体设计 2 3 1 系统概述 2 3 2 各部分电路设计 4 3 2 1 电源电路 4 3 2 2 红外发射电路 5 3 2 3 红外接收电路 7 3 2 4 延时电路 10 3 2 5 自断断电电路 12 3 2 6 电灯控制电路 12 3 3 PCB 版制作电路 13 第四章 心得体会及建议 16 第五章 附录 17 第六章 参考文献 18 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 2 一 设计用途和功能 1 设计一个利用红外进行自动控制卫生间电灯的电路 要求当人推开门 时启动电源工作电路 既而启动红外接收电路和延时电路 当人离开红外探 测区域 延时电路停止 逻辑门控制电路停止工作 总电路总开关断开 要 求有人的时候自动开启开 没人的时候自动关闭 节省电力资源 更加环保 符合建设低碳社会的精神 2 设计产生一个 30kHz 的方波发生信号电路 并接受此方波信号的接收 电路 二 设计的作用 目的 1 该电路设计重在掌握电源稳压 应用 555 定时器设计电路发生 并接 收自动控制开关开关电路 2 掌握常用电子器件 稳压管 二极管 电容 电阻等器件 的应用 并进行设计和综合分析应用 3 通过课程设计 能够加深对电路理论知识的理解和掌握 更重要的是 学习和掌握科学实验研究方法 学会运用理论和实验两种方法 解决实际问 题 4 熟悉 Multisim 电路仿真 Protel PCB 制版为以后从事科研和工作打基 础 5 锻炼通过自学与自己探索的方式解决问题的能力 6 通过此次课程设计将单片机软硬件结合起来对程序进行编辑 校验 锻炼实践能力和理论联系实际的能力 7 锻炼团队分工合作与协调能力 三 总体设计 1 系统概述 1 系统总体结构 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 3 电灯控制电路 电源电路 自断电电路 门开关电路 红外发射电路红外接收电路延时电路 图 3 1 设计流程图 2 工作原理 当人推开卫生间门时 装在门沿上的开关通过继电器使电灯接通电源 电灯亮 当人进去卫生间后关上门 门沿上的开关接通自断电电路 使红外发射 接收电路开始工作 红外发射电路发射一个 30Khz 的脉冲波 红外接收系统 检测到信号时 红外接收系统接通另一个继电器 使电灯继续工作 当红外 接收电路检测不到信号时 接收电路会自动启动延时电路延时 15s 在这 15s 内如果一直检测不到有人在卫生间 经过逻辑或运算关系判断则自断电电路 会自动切断红外接收和发射电路 直到有人再次推动门而开始新的一次循环 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 4 2 各部分电路设计 1 电源电路 电源电路压器 整流 滤波和稳压 电网电压一般为交流 220V 要把 电网的交流电压变换成所需要的直流电压 首先要经过电源变压器降压 然 后通过整流电路将交流电变成脉动的直流电 由于整流后的电压还有较大的 交流成分 必须通过滤波电路加以滤除 从而得到比较平滑的直流电压 稳 压电路可以保持输出直流电压的稳定 使之不随电网电压 负载或温度的变 化而变化 本系统中电源电路的作用主要是为红外收发 延时等其它电路提 供稳定 5V 直流电源 如图 3 2 所示 图 3 2 电源电路 220V 50Hz 的市电经过变压器降压后输出为有效值约为 8 8V 的 50Hz 交 流信号 经桥式整流电路和滤波电路后成为小幅波动的直流信号 如图 3 3 所示 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 5 图 3 3 变压器和桥式电路的输出 滤波后的信号经集成稳压芯片 LM7805 处理后 输出为 5 0 03V 直流信 号 十分稳定 2 发射电路 发射电路使用 R1 R2 R5及 C1 C3 和 D1 D2 与 555 共同组成无稳态多谐 振荡器定时器 这个电路还有另外一个优点是输出电压的幅值 周期比及频 率受负载变化的影响极小 该电路产生一个 30kHz 点空比约为 1 3 的方波 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 6 如图 3 4 所示 经西门子 SFH415 红外发射管 发射波长 950nm 进行发射 图 3 4 NE555 波形发生器 在实际仿真中为了确定 555 定时器相关的电阻和电容的参数 开始是根 据 数字电子技术基础 第五版 阎石主编 一书中的多谐振荡公式来计 算 周期 T1 0 7 R1 R2 C T2 0 7 R2 C T T1 T2 R1 R2 C ln2 占空比为 q R1 R1 R2 但在实际仿真中发现 利用该公式不管如何调整R1R2及C的值 在仿真中 都无法得到理论频率及占空比 经过约三天左右的时间我们才找到问题的根 源 由于R1阻值的不同导致放电管的饱和程度不同 进而影响了放电管的电 阻大小 使得输出信号的实测值与理论值有较大误差 参考了 555定时器 应用中的问题探讨 一文 见附录 最后 我们适当调整了 R 及 C 的值 最终使输出能保持在 30 0 1kHz 占空比约为 1 3 由于使用的红外接收管在该范围内能保证较高的敏感性 且本系统中的红外信号本身无须传递数字信息 该输出频率和占空比已经能 满足要求 输出仿真如图 3 5 所示 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 7 图 3 5 红外发射电路输出仿真 3 红外接收电路 使用 30kHz 的方波发射可有效提升红外信号传输距离 同时抑制环境中 其它红外信号 如人体辐射的红外等 的干扰 使用占空比 1 3 的方波 一 是可以省电 二是使发射管不至于因为过热而影响发射信号的稳定性 红外接收电路中使用西门子 SFH506 30 红外接收管 该管接收波长与红 外发射管 SFH415 的发射波长一致 同时自带解调及放大功能 输出信号接在 电压比较器 U3A 的一个输入端 接收电路中有两个电阻对电源进行分压 其分压输出到时电压比较器 U3A 的另一端 当一定范围内无人时 接收管接收到的反射红外信号很弱 其输 出为高电平 比电阻分压要高 电压比较器输出低电平 当一定范围内有人 时 接收管接收到的反射信号很强 其输出为低电平 低于电阻分压 电压 比较器输出高电平 原理图如图 3 6 所示 仿真如图 3 7 和图 3 8 所示 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 8 图 3 6 接收电路原理图 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 9 图 3 7 有人时接收电路的输出 图 3 8 无人时接收电路的输出 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 10 说明 在制作电压跟随器的时候 发现直接使用课本上将集成运放 输出接回输入的方法得不到电压跟随效果 大量查阅资料后找到原因 运算放大器理想的运行状态是输出电压和输入电压为同相 即 当 负输入端的所加电压引起输出增大时 运算放大器能够相应地使增加的 电压降低 不过 运算放大器的输入端和输出端的相位总有差异 当输 出和输出之间的相位相差 180 时 负输入与正输入正好相同 原本应该 减少的输出却得到了增强 成为正反馈的状态 如果在特定频段陷入 这一状态 并且仍然保持原有振幅 那么该输出频率和振荡状态将一直 持续下去 我们参考相关资料后改进了电压跟随器电路 如图 3 9 所示 图 3 9 改进型电压跟随器 4 延时电路 当发射电路输出的信号为低电平时 输出信号经反向器反向为高电平并 启动延时电路 这是由一个由 555 时基电路构成的单稳态延时电路 当延时 电路开始工作 管脚 DIS 和 TRI 低电平 输出为 OUT 管脚是高电平 延时 15 秒结束后电路反转工作 OUT 管脚输出低电平 原理图如 3 10 所示 该电路图仿真延时时间约为 14 982s 如图 3 11 所示 误差在允许范围 内 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 11 图 3 10 延时电路原理图 图 3 11 延时时间仿真结果 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 12 5 自断电电路 当门开时 S1 见原理图 接 11 口 直接接通继电器 K2 从而使电灯正 常工作 同时红外收发及延时电路均不工作 当门关上时 S1 接 13 口 由 U2A 和 U1B 构成的逻辑或运算器输出高电平 使继电器 K1 导通 从而使红外 收发电路接通电源 开始工作 在红外接收电路检测到有人时 其输出为高 电平 维持继电器 K1 导通 使红外收发系统正常工作 当红外接收电路因 检测不到人而输出低电平时 反向器 U1A 输出高电平 使延时电路开始工作 并输出高电平继续维持 K1 导通 延时系统延时 15 秒后输出低电平 若在这 15 秒中依旧检测不到信号 则 K1 断开 红外收发系统关闭 如图 3 12 所 示 图 3 12 逻辑或运算控制 6 电灯控制电路 三个继电器 K2 K3 K4 并联 并与灯泡一起串联在 220V 市电网络中 只 要有其中一个继电器能接通 则电灯工作 如图 3 13 所示 图 3 13 电灯控制电路 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 13 3 PCB 版电路制作 本次制 PCB 版使用 Altium Designer Summer 09 Protel 系列软件最新版 1 原理图绘制 图 3 14 总原理图 2 导入元件 并手动布局 在板的四个角放置安装孔 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 14 图 3 15 手动布局 3 自动布线 成功 图 3 16 自动布线 4 顶层和底层敷铜 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 15 图 3 17 顶层敷铜 图 3 18 底层敷铜 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 16 四 心得体会及建议 课程设计是培养学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决实际问题 锻 炼实践能力的重要环节 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程 随着科 学技术发展的日新日异 加深了对理论知识的理解在这次课程设计中 我就 是按照实验指导的思想来完成 加深了理解电路知识的的理解 经过四个礼 拜的课程设计 在老师的指导下 我们组创新的设计了一个红外发射接收自 动控制电路实验 应用电源稳压电路 电压比较器等模拟电子基础知识 以 及 555 定时器的应用 反相器等数字电子元器件来成功设计此电路实验 只有把所学的理论知识与实践相结合起来 从理论中得出结论 才能真正 为社会服务 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力 在设计的过 程中遇到问题 可以说得是困难重重 这毕竟第一次做的 难免会遇到过各 种各样的问题 同时在设计的过程中发现了自己的不足之处 对以前所学过 的知识理解得不够深刻 掌握得不够牢固 在实训的过程中我们是更重视严 谨 认真设计 查阅相关资料 这些良好品德因为有时候你一下子不认真就 会给整个电路带来巨大隐患也更明白只有学会团结合作才能更好的完成整个 设计 通过这次设计我们组巩固和加深了对模拟电子元器件的应用锻炼了我 们分析和解决实际问题的能力 同时我们还发现课本理论只是有时与实际模 拟不相符 更加深对理论基础的理解与应用 为我们以后工作集科研锻炼良 好基础 通过这次课程设计之后 一定把以前所学过的知识重新温故 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 17 五 附录 1 元件明细表 序号分类型号个数 1555 定时器NE5552 2集成运放LM339AD1 3红外发射管SFH4151 4红外接收管SFH5061 5变压器TRANS 25 11 6电桥3N2591 7稳压管LM78051 8MC74H02AD1 9 CMOS 门电路 MC74HC04AD1 10继电器EMR031A034 111N49331 12 二极管 1N41482 13100pF2 141nF1 1510nF2 16370uF2 17 电容 1mF1 1850k1 1920k2 2016k1 2113 7k1 228k1 231 2k1 241k6 253301 26 电阻 1002 27开关单刀双掷开关1 2 电路原理图 见附图 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 18 六 参考文献 1 阎石 数