自动光控窗帘

1、模拟电子技术基础课程设计报告题 目室内环境亮度监控装置设计授课教师 张秀梅 指导教师学生姓名 訾安琪、张娜、孙圆芳学 号200900802038、200900802041、200900802079 专 业电子信息工程本科 教学单位 物理系 完成时间2011年7月1日目录摘要.011课程设计任务021.1功能要求022整体方案设计022.1设计思路及框图023主要单元电路及其原理043.1光照采集模块硬件电路043.2信号放大电路053.3 A/D转换模块硬件电路.063.4窗帘开关电路073.5自动断电电路094控制软件设计104.1光照采集模块软件设计104.2 A/D转换模块软件设计105

2、整体设计方案115.5总电路图.116系统调试.116.1 光照采集模块调试.116.2 A/D转换模块调试及问题.117整体设计方案.127.1总硬件电路图128课程小结及心得.13参考文献.14摘 要为了让室内居住、工作或者学习的人拥有一个更舒适的环境，我们根据课程设计要求设计了一个自动光控窗帘的系统，它能够感应周围环境的光照强度，当光照低于某一数值时窗帘会自动收起，等到光照又回到某一数值时窗帘又会自动地放下。本电路选用单片机AT89S51作为系统的核心控制器件，通过光电传感器采集数据（光的强度）。因为该信号十分微弱，故电路采用双三极管构成的放大电路以获得合适的电信号，并通过反馈电阻和滤波

3、电容以获得一个稳定的输出电压。由ADC0809将模拟信号转换为数字信号，之后将信号送入感应电路中进行控制。感应电路产生的电压输入由两片NE555组成的单稳态电路，由单稳态电路的特性，在输入端输入高低电平时输出端会产生相应的低高电平，该电平可用于决定两个与电源相连的三极管T1与T2的导通与截止，而三极管的导通与截止将最终决定电路中小电机的正转与反转，将小电机与窗帘相连就可以实现窗帘的自动打开和关闭。电路的自动断电由单稳态电路的延时特性来完成。通过对相关电容和电阻的参数进行设置，就可以确定单稳态电路输出的高电平时间，也就是小电机的转动时间，从而实现自动切断电源。【关键词】自动光控窗帘ADC0809

4、NE555室内环境亮度监控装置设计自动光控窗帘1 课程设计任务1.1功能要求本课题设计的自动光控窗帘可以通过周围环境的光照变化来控制电压变化，从而控制直流电机的正转和反转。当周围光照上升到某一数值时，电机开始正转，数秒后停止。此时电机处于停止状态。当周围光照降低到某一数值时，电机开始反转，数秒后停止。这一个来回的过程就达到了自动光控窗帘的效果了。2 整体设计方案2.1 设计思路及框图 方案1选用硅光电池2CR21作为光线的感应电路4，硅光电池可以根据光线强度的不同产生与之相对应强弱的电信号。由于该信号十分微弱，故电路采用双三极管构成的放大电路以获得合适的电信号，并通过反馈电阻和滤波电容以获得一

5、个稳定的输出电压。当光照强度改变时，硅光电池产生的电压也会改变，由此构成了变化的输入电压信号。信号经ADC0809进行A/D转换，将信号送入单片机89C51中，用来控制2个输出端的电平高低，这2个输出端与芯片L298N的输入相连，用于控制电机的正反转，这就实现了自动光控窗帘的效果了。系统硬件总体框图如图1所示：图1 方案一系统硬件电路设计方案2设计思路是由光敏电阻与一个电阻串联构成分压电路，当光照强度改变时，光敏电阻电阻值改变，电压也会改变，数据采集使用的是一片CdS光敏电阻PGM2005，经过放大电路，模拟电路将光信号转换成电压信号。信号经ADC0809进行A/D转换，将信号送入两片NE55

6、5中1，用来控制2个输出端的电平高低，这2个输出端与决定两个与电源相连的三极管T1与T2的导通与截止，而三极管的导通与截止将最终决定电路中小电机的正转与反转，将小电机与窗帘相连就可以实现窗帘的自动打开和关闭。它的系统硬件总体框图如图2所示：总体框图：图2 方案二系统硬件电路设计虽然方案一中，单片机89C51工作使用效率高，但是总的来说还是存在原件成本高且不易采集，再加上电路复杂，操作起来相对起来较麻烦等缺点。对比发现方案二则系统操作简便，自动化程度高，相对比较完善，所以优先采用方案二。3主要单元电路及其原理就本系统来说，需要通过光敏电阻实时感应室外环境的光的照度，经过A/D转换器转换为数字信号

7、，送入特定单元，从而控制电机的正反转，最终实现窗帘的自动光控效果。硬件电路主要由主机电路、光照采集电路和控制执行电路组成。3.1 光照采集模块硬件电路由光敏电阻阻值的改变来实现输入电压的变化。本课题中采集光照数据使用的是一片CdS光敏电阻PGM2005。工作原理：光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子

8、激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。a、工作电路图：图3 光敏电阻工作电路图b、设计原理：由光敏电阻和一个普通电阻串联构成分压电路，当周围环境的光照强度改变时光敏电阻阻值改变，从而改变了输入电压。3.2 信号放大电路由于光敏电阻PGM2005输出的是一个十分微弱的信号，为了使后续电路能够对光强信号进行处理，因此需要加入信号放大电路2。图4为信号放大电路。该电路是由电阻R9 R10 R11 R12,三极管T3,T4和电容C5 C6构成，电路中采用了双三极管构成的

9、放大电路，这样就可以使得电路的放大倍数比单管放大电路放大倍数增大倍，从而就可以得到更适合的信号。R10和R11为放大电路的集电极偏置电阻，C5和C6为放大电路的滤波电容。R9为放大电路的反馈电阻。其功能是保证放大电路有一个稳定的静态工作点和稳定的输出电压。图4 信号放大器电路图3.3A/D转换模块硬件电路将光敏电阻与普通电阻分压进来的电压转换成所需要的数字信号。课题中将模拟信号转换为数字信号使用的是ADC08091。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图5所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组

10、成。图5ADC0809内部电路及管脚图a、 电路图：ADC0809工作电路图如图6所示：图6 ADC0809工作电路图b、 设计原理：将采集的电压信号送入芯片ADC0809中，由芯片内部对数据进行锁存、译码、转换、比较等步骤，从而得到所需要的信号。3.4 窗帘开关电路窗帘开闭电路主要是利用NE555组成的单稳态电路构成的。NE555定时器组成的单稳态电路的输出电压会随着触发输入端输入的电压不同而不同：当输入的电压为高电平时，输出为低电平，而当输入为低电平时输出为高电平。此电路就是根据单稳态触发器这一特性对电路进行控制的。此电路中电路的通电与截止是由一只NPN型和一只PNP型三极管完成的，两个单

11、稳态电路的输出电压输出到两只三极管的基极上，而根据基极电压和集电极电压以及发射极电压的大小关系不同，三极管也会做出相应的导通或者截止的变化，从而最终决定了电路的导通或者断电。图7 NPN型三极管本设计中窗帘自动开闭电路包含两个部分，一部分是窗帘在光线较暗时自动打开电路，如图8所示。另一部分是自动闭合电路如图9所示。图8 窗帘自动打开电路图9窗帘自动闭合电路窗帘自动打开电路的工作原理为：当光线较暗时，硅光电池产生的电信号较微弱，经过两级放大电路之后产生的电压依然较小，故此时输出电压Vi可视为低电平。由单稳态电路的特性可知：当输入为低电平时，NE555的输出端Q端将会输出一段时间的高电平，该高电平

12、可以使图8中的三极管T1导通一段时间，三极管导通时+12V的电源电压加在小电机上，可使其正转一段时间从而将窗帘打开。而硅光电池产生的低电平对9自动闭合电路却不会产生影响，因为硅光电池产生的低电平经过一个比较器后才输入U2，比较器的功能如下图所示：图10 LM107比较器当输入电压ViVr时，Vi1=-12V 即为低电平。当输入电压ViVr时，Vi1=+12V 即为高电平。当Vi为低电平时，ViVr则Vi1=+12V.为高电平，即单稳态电路U2的输入为高电平。由NE555的特性可知，此时U2的输出端Q输出为低电平，三极管T2依然截止。也就是说当光线较暗时只有T1导通使电机正转打开窗帘。窗帘的自动

13、闭合由电路9来完成。其工作原理为：当光线较强时硅光电池产生较强的电信号。经过两级放大电路的放大之后可以输出一个较高的电压Vi，即为高电平。由单稳态电路的特性可知，U1的输入端为高电平时，其输出端Q为低电平，三极管T1截止，则+12V电源不起作用。而此时在U2输入端的高电平Vi经过一个比较器后，输出Vi1成为低电平，则由单稳态电路的特性，U2的输出端Q为高电平。在此高电平的作用下T2导通，则在-12V的电源电压下，电机反转，从而将窗帘关闭。3.5 自动断电电路此电路的自动断电主要根据单稳态电路的延时特性来完成。由NE555构成的单稳态触发器1的工作波形如下图所示：ttViVo图11单稳态电路输入

14、输出波形图由其输入与输出的波形可知：当输入端输入一个低电平脉冲后，其输出端可以输出一段高电平脉冲。也就是三极管导通的时间，即小电机的转动时间，其高电平脉冲宽度t=RCln3=1.1RC 由于这种单稳态电路产生的脉冲宽度可以从几个微秒到几分钟，而且具有较高的精度，可以达到0.1%可以根据窗户的高度以及电机的转速来计算出窗户完全打开或关闭所需要的时间，再根据式t=RCln3=1.1RC来设置相应的电容和电阻的参数，就可以设置电机转动的时间，从而实现当窗帘接触到窗户边沿时电路自动切断电源。4 控制软件设计4.1 光照采集模块软件设计a、功能：用光敏电阻和一个普通电阻构成分压电路，当光照强度改变时光敏

15、电阻阻值改变，电压改变，从而改变输入电压的大小。b、流程图：图11 光照采集流程图4.2 A/D转换模块软件设计a、功能：电压输入信号送入芯片ADC0809后进行转换，将采集信号转换成所需的信号1。b、流程图：图12A/D转换流程图5 电源电路设计电源电路的设计方法是采用直接从交流电网供电。通过变压器电路，整流电路，滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成12V的直流电压。电路中变压器采用常规的铁芯变压器，由于电路中采用了+12V和-12V的双电源，变压器中间需要加抽头；整流电路采用二极管桥式整流电路；C1-C6完成滤波功能。由于电路采用了+12V和-12V双电源，因此稳压电路采用两个

16、三端稳压集成电路来分别实现输出+12V和-12V电压5。6 系统调试6.1 光照采集模块调试调试方法：改变光照强度，测分压电阻上的电压是否变化，并记录光照最强时的电压值和光照最弱时的电压值，用于芯片ADC0809的转换。6.2 A/D转换模块调试及问题调试方法：连接A/D电路，用8个发光二极管连接芯片ADC0809的8个输出端，用于观察A/D转换后的信号输出情况。经查阅资料发现ADC0809的晶振工作频率为600kHz，最大频率为1.28MHz，而单片机89C51ALE端口输出的频率为2MHz，大于ADC0809的最大频率，所以两者无法同时正常工作，因此我们在ADC0809ALE端口和89C5

17、1ALE端口之间加上一个CD4013，进行4分频，从而将89C51的工作频率与ADC0809的工作频率保持相近，这样两者就能够同时正常工作了。7 整体设计方案7.1总硬件电路图8课程小结及心得在这个课程设计中我们了解到了本课程设计的核心原件NA555的原理和使用，以及三极管的相关性质及应用。经过ADC0809进行A/D转换等一系列的控制，得到了许多意想不到的收获。刚开始觉得有些无所适从，这种茫然持续了很长时间，后来我们前往图书馆寻找资料，并借阅了部分书籍，同时上午搜寻了需要的材料，下载了Multisim.V.仿真软件，在multisim10仿真环境下，学习画仿真电路图。随着我多方翻看资料，与人讨论，在老师的指点下思路才开始渐渐明晰，从而一步步完成。虽然实验的成果未必有多完美，但却见证了我们的努力，我们从中也学到了不少东西，将理论知识与实践紧密的结合了起来，加深了知识的掌握程度。当然，另一方面，我们也看到了自己在课程设计中所体现出来的不足：知识面的狭窄，实践经验的匮乏，都是我的设计与实验中必须努