毕业设计 基于光控自动窗帘课程设计.doc

光电检测技术与应用课程设计报告题 目: 光控自动窗帘课程设计 姓 名： 张仕伟 亓勇 夏克刚 罗增生 专 业： 电子科学与技术 班 级： 12级2班 学 号： 1886120234 1886120217 1886120228 1886120214 任课老师： 何恩节 摘要 本文设计一款结构简单的光控自动窗帘，它是根据周围环境的亮度来实现窗帘的自动开、关的，它包括光感应电路，电机正、反转电路，自动停转电路。 光感应电路是由一个光敏电阻组成，由于绘制电路图的软件Multisim10没有光敏元件，电路图的光敏电阻是用可变电阻R3组成的，将R3阻值调到5%代表光电阻约为25k，调到100%代表暗电阻约为500k（真正的暗电阻一般在几M）。其中R4为室外光敏电阻用来与R3形成对比，来调节光亮度从而控制窗帘的关开时间。控制电机正反转的控制电路由两片电压比较放大器LM339N集成运放组成的。一. 题目要求与方法论证1.1设计题题目 光控自动窗帘 生活在提高,时代在进步,人类在向文明迈进,不同的时代对居住空间、环境有不同的要求,这是社会的必然潮流。单片机控制的自动窗帘系统,既能解决每天手拉开和关上窗帘的不便,又显示出了生活的档次,同时还可以根据光线的明暗来自动控制窗帘的开关,以调节室内的光线,更进一步地满足了人们的享受要求。所以该产品能形成大规模生产,很快会普及全国市场,产生巨大的经济效益；另外，除了广大市民住宅使用外,该光控窗帘系统还可以广泛应用于别墅、公寓、宾馆、饭店、写字楼、歌舞厅、影剧院、会议厅、银行、学校、医院等各种公共场所,因此该产品具有广阔的市场前景。1.2题目要求 设计电路控制发动机正转和反转，实现当光强较强（早上）时窗帘自动开启，光强较弱（傍晚）时，窗帘自动关闭。发动机的运转时间可调节。同时窗帘可以根据用户需求进行手动控制。1.3 方案论证 .设计分析 要实现白天拉开，晚上拉合，需要一只光敏电阻与两片集成电压比较器配合使用。另外，要实现手动控制功能，可以设置两只电阻，一只与光敏电阻的光电阻阻值相近，另一只与光敏电阻的暗电阻阻值相近。.总体框图自动停转电路电机反转电路电机正转电路光感应电路 电源电路 图1.简易窗帘自动开闭电路的总体框图.感光电路 该电路中感光电路主要由一个光敏电阻组成。光敏电阻与碳膜电阻和金属膜电阻不同，它对光的变化非常敏感，在光的照射下，阻值会明显变小，所以脚它光电导器件。制作光敏电阻的半导体材料有硅、锗、硫化镉等，常见的对可见光敏感的是硫化镉光敏电阻。光敏电阻的结构简单，它是在陶瓷基片上积淀一层光敏半导体，再接上两根引出电极组成的。 该电路中的 R3选用硫化镉光敏电阻（电路图中用可变电阻代替）。图2.感光电路.控制电路控制电路由两片电压运算放大器LM339N组成，电路如下：图3.控制电路当Va= Vb时，Vc，电机不工作。当Va> Vb时，Vc>，电机正转，窗帘拉合。当Va<Vb时，Vc<，电机反转，窗帘拉开。.手动控制电路图4.手动控制电路如图4断开开关J4可以关闭自动开合功能，这时闭合J3相当于光敏电阻处于光电阻状态，窗帘拉开;闭合开关J5相当于光敏电阻处于暗电阻状态，窗帘拉合。二 电子线路设计与实现2.1 Multisim仿真电路设计图 图5.光控自动窗帘的总电路设计2.2 光控自动窗帘的电路工作原理 如图5所示，该光控自动窗帘电路采用两片LM339N集成块作为主要控制元件，R6与R7为其上拉电阻。光敏电阻器R3与R1、R2、R4构成光感应电路。J1与J2为自动停转开关。首先可以调节R4来调整光照强度临界点，在临界点下a、b两点的电位相等从而使c、d两点的电位相等电机M不工作。在清晨，环境光线较强，光敏电阻器R3呈低阻值状态，使a点电平比b点电位低，使U1A输出低电平，U2A输出高电平，即Vc<，电动机M正转，驱动窗帘拉合。当窗帘拉合到位后，滑动触头开关J2被触动而接通，使Vc，电动机M停转。当夜幕降临时环境光线较弱，光敏电阻器R的阻值变大，Vc>d，电机M反转，驱动窗帘拉开。当窗帘拉和到位后，滑动触头来关J1被接通，使Vc=d=0，电动机M停转。2.3仿真与调试本次设计是利用Multisim10中的数字万用表测量不同光照下电机两端的电压进而判断电机的工作情况来进行仿真的。调节可变电阻R3的阻值来模仿光敏电阻在不同光照情况下的阻值。.在光照强度临界点下的仿真（使R3=R4），在此情况下电机两端的电压很小，电流接近于0，电机不工作。如下图所示：图6.光照临界点情况.在光照较强时的仿真（将R3调为5%），在此情况下电机正转。如下图所示：图7.光照情况下.在光弱时的仿真（将R3调为100%），再次情况下电机反转。如下图所示:图8.光弱情况下由于Multism中的电机为虚拟的，在实际情况下可以在电机两端各接入一个相应集成运放以及改变LM339的上拉电阻来得到我们想要的的电压，在这里只是对电机两端的电压及经过其的电流进行分析以此来判断电机的工作情况。三 元器件基本原理3.1光敏电阻器 光敏电阻器又称光导管，特性是在特定光的照射下，其阻值迅速减小，可用于检测可见光。 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）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和 “位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。3.2 LM339N集成块LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器特点是：.失调电压小，典型值为2mV；.电源电压范围宽，单电源为236V，双电源电压为±1V±18V；.对比较信号源的内阻限制较宽；.共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；.差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；.输出端电位可灵活方便地选用。 LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。 图9.LM399引脚图LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。 四 总结与体会 有了大一大二做的课程设计及数字电路知识基础，这次开放性实验没有想象中的那么艰难。 这次实验从器材到方案完全自己完成，所以对我来说是个不小的挑战。确定方案之后，通过计算，器件的参数确定。但对于器件选择来说，并不是电阻阻值、电容容量那么简单，必须考虑器件材料、工作电流额定电压等很多方面，让我受益匪浅。设计的电路原理比较简单，相对麻烦的就是确定方案后布线并测验的过程。在面包板上布线，让我学会了细心与谨慎。由于实验时间比自由，让我们有更充分的时间准备，但这同时也暴露了同学们的很大的一个缺点，就是自主性不够。总是觉得时间充裕，想把事情留到明天，最后还是急急忙忙手工。我认为这是一个非常不好的习惯，在今后的学习或工作过程中，我会努力克制。总之，这次独立的实验在对所学知识的应用中锻炼了我们动手、解决问题的能力，让我受益颇深。参考文献1 杨帮文.新编传感器实用宝典.北京:机械工业出版社,2005.2 杜文洁.电路基础.科学出版社,2007.3 俞志根.传感器与检测技术.科学出版社,2007.4 于安红.简明电子元器件手册.上海交通大学出版社,2005.5 何立民.单片机应用系统设计.北京：航天航空大学出版社.2001年.