窗帘自动开关控制电路设计.docx
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窗帘自动开关控制电路设计
学号
学生姓名
专业班级
设计题目
窗帘自动开关控制电路设计
课程设计（论文）任务
设计任务：
利用光电传感器检测光照强度，当光照达到一定亮度时自动拉上窗帘，光照暗到一定程度时自动打开，可用两个继电器模拟窗帘开关电机工作。
传感器采用光明晶体管类传感器，设计相应的信号处理电路和控制电路，确定器件参数；进行电路仿真，或进行电路板焊接。
窗帘停止运动时采用行程开关使其停止。
技术要求:
环境温度：
-30～+40C；
控制电路可使用电池供电，电机可以采用继电器触点控制。
传感器（敏感元件）：
采用光敏晶体管
说明书要求:
1.格式规范，符合学校要求；
2.说明书中应有方法比较与方案论证，光电测量原理（公式）及具体的实现方案、电路器件型号、参数等；硬件电路应用protel绘制，并且焊接、调试；不能采用单片机设计。
3.按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，详细阐述系统的设计过程，字数应在4000字以上。
工作计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。
（2天）
2、选择相应传感器、设计硬件电路图。
（2天）
3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。
（3天）
4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。
（2天）
5、撰写、打印设计说明书、答辩。
（1天）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
指导教师签字：
总成绩：
年月日
注：
成绩：
平时40%论文质量40%答辩20%以百分制计算
摘要
在自动控制技术日益发展的今天，人们生活中的许多必需物都离不开自动控制，光控自动窗帘的设计是一项又简便又实用的设计。
光感自动窗帘系统在我国还刚刚兴起，随着房地产业的日益火爆，智能窗帘也成为一个能直接提高住宅档次的条件，必将吸引大批房地产商、装饰公司的关注，所以该产品将会有广阔的市场前景，推广和应用自动窗帘系统具有重要的现实意义。
解决每天手动拉开关闭窗帘的不便。
本文设计的光控自动窗帘硬件电路主要由电源电路、光敏传感器、二阶滤波放大电路和控制执行电路组成，光敏三极管实时采集室外环境光照度，经过滤波放大电路将测得的电流信号进行滤波并且放大，然后系统将通过继电器决定行程开关的工作，进而控制窗帘开关，达到自动控制的目的。
该设计采用目前广泛使用的模块化设计理念，成品具有体积小、可靠性高、易于安装检测维修等传统人为控制电动窗帘不可比拟的优点。
关键词：
光敏三极管；滤波放大电路；继电器；行程开关
第1章绪论
1.1国内外现状
在现代社会，对室内设计而言，窗帘不仅具有遮光作用，更具有美化功能，它不仅可以协调居室的色彩搭配，而且能够柔化空间造型的线条，营造温馨惬意的环境。
现在很多厂家生产的自动窗帘（含门帘）控制系统，都是各种传感器（红外线传感器、风雨信号传感器、温度传感器、烟雾传感器等）、各种报警终端（警灯、警笛、电话报警器、接警控制中心等）、遥控器以及一系列机械传动装置组成的一种具有智能化、人性化、网络化的高科技产品。
此论文讲述了利用光敏三极管采集光强并控制继电器从而控制窗帘开、闭。
该作品设计简单实用，能自动控制，一经安装，无需人工管理；此外，本产品成本低廉，适用性广，能在各种窗口场合使用，对不便人工作业的场合效果尤为显著，具有很大的市场推广空间和经济效益前景。
就目前而言，所设计产品虽适用范围广阔，但与当今普通手动窗帘相比造价相对要高，只适于部分场合的使用，其市场前景可能会随着社会的发展越来越好。
其主要意义在于达到了学以致用的目的；同时，具有一定的现实意义，经改进完善后能够进行生产，投入使用。
所以，国内外对该课题的研究并没有广泛开展。
但随着人们对居住环境的要求的提高，房地产业的日益火爆，传统窗帘将被代替，解决每天手动拉开关闭窗帘的不便。
随着智能窗帘也成为一个能直接提高住宅档次的条件，必将吸引大批房地产商、装饰公司的关注，所以该产品将会有广阔的市场前景。
1.2设计要求
设计任务：
利用光电传感器检测光照强度，当光照达到一定亮度时自动拉上窗帘，光照暗到一定程度时自动打开，可用两个继电器模拟窗帘开关电机工作。
传感器采用光明晶体管类传感器，设计相应的信号处理电路和控制电路，确定器件参数；进行电路仿真，或进行电路板焊接。
窗帘停止运动时采用行程开关使其停止。
技术要求:
环境温度：
-30～+40C；控制电路可使用电池供电，电机可以采用继电器触点控制。
传感器（敏感元件）：
采用光敏晶体管。
1.3设计内容
本文设计的光控自动窗帘硬件电路主要由电源电路、光敏传感器、二阶滤波放大电路和控制执行电路组成，光敏三极管实时采集室外环境光照度，经过滤波放大电路将测得的电流信号进行滤波并且放大，然后系统将通过继电器决定行程开关的工作，进而控制窗帘开关，达到自动控制的目的。
该设计采用目前广泛使用的模块化设计理念，成品具有体积小、可靠性高、易于安装检测维修等传统人为控制电动窗帘不可比拟的优点。
第2章方案论证
2.1任务分析
利用光电传感器检测光照强度，当光照达到一定亮度时自动拉上窗帘，光照暗到一定程度时自动打开，可用两个继电器模拟窗帘开关电机工作。
传感器采用光明晶体管类传感器，设计相应的信号处理电路和控制电路，确定器件参数；进行电路仿真，或进行电路板焊接。
窗帘停止运动时采用行程开关使其停止。
本文设计的光控自动窗帘硬件电路主要由电源电路、光敏传感器、二阶滤波放大电路和控制执行电路组成，光敏三极管实时采集室外环境光照度，经过滤波放大电路将测得的电流信号进行滤波并且放大，然后系统将通过继电器决定行程开关的工作，进而控制窗帘开关，达到自动控制的目的。
2.2方案比较
方案一如图2.1所示
图2.1方案一系统整体构成图
硬件电路主要由主机电路、数据采集电路和控制执行电路组成，数据采集使用一片光敏电阻，经模拟电路将光信号转换成电压信号，控制执行电路由单片机输出经步进电机驱动器来控制步进电机转动。
针对设计要求作如下设计，本装置设计以单片机为核心，通过单片机发送相应的信号，利用光耦的隔离作用，保证信号的稳定。
此方案测量控制精确，但成本大，操作复杂，设计繁琐故不用此方案。
方案二如图2.2所示
图2.2方案二系统整体构成图
就本系统来说，硬件电路主要由传感器、转换放大电路和控制执行电路组成。
光敏三极管实时采集室外环境光照度，经过转换电路将测得的电流信号转换为电压信号，并且放大。
然后系统将控制继电器中的触点的闭合，进而控制窗帘开关。
此方案操作简单、设计容易，而且无需消耗大量成本即可实现功能，因此选用此方案。
系统框图如图2.2所示。
2.3光信号采集方法
光敏传感器是将光信号转换为电信号的传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接引起光强度变化的非电量，也可用来检测能转换成光量变化的其它非电量。
光敏二极管是一种pn结型半导体元件，当光照射到pn结上时，半导体内电子受到激发，产生电子空穴对,在电场作用下产生电势，将光信号转换成电信号。
广泛用于各种遥控系统、光电开关、光探测器，以及以光电转换的各种自动控制仪器、触发器、光电耦合、过程控制、激光接收等方面。
在机电一体化时代，它成为必不可少的元件。
如图2.3为光敏二极管电路元件。
图2.3光敏二极管
光敏三极管也是靠光的照谢量来控制电流的器件。
它可等效看作一个光敏二极管与一只晶体三极管的结合，所以它具有放大作用。
其最常用的材料是硅，一般仅引出集电极和发射极，其外形与发光二极管一样（也有引出基极的光敏三极管，它常作温度补尝用）。
它的光谱范围与光敏二极管相同。
位置信息检出的受光器件，广泛用于光探测器、光电耦合、过程控制、激光接收、自动控制设备以及各种光电开关等方面。
在机电一体化时代，它成为必不可少的元件。
图2.4光敏三极管
光敏二极管的光电流小，输出特性线度好，响应时间快；而光敏三极管光电流大，输出特性线度差，响应时间慢。
一般要求灵敏度高，工作频率低的开关电路，可选用光敏三极管；要求光电流与照度成线性关系或要求工作频率高时，则采用光敏二极管。
一般光敏三极管的负债电阻为光敏二极管负载电阻的1/10。
光敏二极管或光敏三极管并非只对红外线敏感，所以在制作时要防止环境光（日光、灯光）过强而使放大电路输出饱和而失控，可加红色有机玻璃滤光，以减少环境的影响。
第3章硬件电路设计
3.1传感器的选择
光敏三极管是具有NPN或PNP结构的半导体管，他在结构上与普通半导体三极管类似，它的引出电极通常只有两个，也有三个的。
将光敏三极管接在如图3.3所示的电路中，光敏三极管的集电极接正电压，其发射极接负电压。
当无光照射时，流过光敏三极管的电流，就是正常情况下光敏三极管集电极的发射极之间的穿透电流
，它也是光敏三极管的暗电流，其大小为
（3-1）
式中：
——共发射极直流放大系数;
——集电极与基极间的反向饱和电流。
本设计采用了3DU31光敏三极管，其工作参数为3.3V，0.5mA，1.65mW
因为最大电流0.7mA，为了想要得到3V电压，电阻取值为4.7K
图3.1PNP光敏三极管的电路
3.2滤波电路的设计
滤波电路是一种能使有用频率通过，同时抑制无用成分的电路。
滤波电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。
有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，有一定的放大能力和带负载能力。
由于受到集成运算放大器特性的限制，有源滤波器主要用于低频场合。
有源滤波器有低通、高通、带通和阻带等电路。
低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能够通过的电路，高频滤波电路则与低频滤波电路相反，带通滤波电路是指某一段的信号能通过而该频段之外的信号不能通过的电路，带阻滤波器和带通滤波器相反，即在规定的频带内，信号不能通过（或受到很大衰减或抑制），而在其余频率范围，信号则能顺利通过。
如图4.1所示，此电路的传递函数为
（3-2）
不妨令
可得
（3-3）
（3-4）
（3-5）
按课题要求：
确定参数：
值不宜太大，即
，
选在
范围内
综合以上要求，选择
，则
为了减少偏置电流和漂移取
，则
、
、
必须选择精密电阻。
图3.2二阶滤波电路
3.3控制执行电路的设计
行程开关又称限位开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制命令的主令电器。
用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置的一种自动控制器。
其触点动作，可实现电路的切换。
因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。
在本设计中用于窗帘的行程大小的行程控制。
当窗帘运动到预定位置时，行程开关通过机械可动部分的动作，将机械信号转换为电信号，以实现对窗帘的控制，限制它的位置。
本设计采用型号为sod200-m18n-c1-po的行程开关，其工作电压:
10-30V输出电流:
200mA
为通过继电器控制行程开关MG1来控制控制窗帘的开关。
当Ui足够大时K1吸合,这时有电流通过从而使MG1正常运转关闭窗帘；当Ui不足以使K1拨到另一边，此时K1,断开，窗帘保持不动，如图3.3所示。
图3.3继电器的控制图
3.4电源电路的设计
LM7805器件的压差为2.5V时，才能稳压出5V。
即在三端稳压器件的输入端的电压必须高于7.5V。
将220V经过降压变压器降压到11V，即采用原边比副边等于20:
1的匝数比；由于整流桥采用4个1N4007；电容C2作用是滤波；电容C3和C4是滤高次谐波的作用，可以防止LM7805自激振荡；电容C5的作用是储能，防止负载突变使电路电压被拉低，影响系统供电，如图3.4所示。
图3.4电源电路图
第4章设计总结
本次设计介绍了窗帘自动开关电路的设计，在总体方案中一光敏三极管作为传送信号的传感器，用滤波放大电路将电流信号转换为与之成线性关系的输出电压信号，行程开关用于控制窗帘的运动方向、速度、行程大小或位置，用D5B继电器模拟窗帘开关电机工作，设计了相应的信号处理电路和控制电路，并确定器件参数。
控制电路可使用电池供电，电机采用继电器触点控制。
该电路使用元件少，可靠性高，操作方便，只用一只按钮就可控制窗帘的开闭。
在环境温度为-30～+40C时，利用光电传感器检测光照强度，当光照达到一定亮度时自动拉上窗帘，光照暗到一定程度时自动打开，可用两个继电器模拟窗帘开关电机工作。
传感器采用光明晶体管类传感器，设计相应的信号处理电路和控制电路，确定器件参数；进行电路仿真，或进行电路板焊接。
窗帘停止运动时采用行程开关使其停止。
环境温度：
-30～+40C；控制电路可使用电池供电，电机可以采用继电器触点控制。
传感器（敏感元件）：
采用光敏晶体管。
可以实现利用光电传感器检测光照强度，当光照达到一定亮度时自动拉上窗帘，光照暗到一定程度时自动打开，但综合考虑天气和时间因素，系统还存在不足之处，如外界阴天及其他干扰因素会使窗帘不能正常打开，另外还需加入红外遥控系统使人们可通过遥控器控制窗帘闭合。
参考文献
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46-50
附录
总体电路图
附录Ⅱ器件清单
器件名称
型号
个数
电阻
51K
1
5.1K
2
1K
5
4.7K
4
10K
2
继电器
D5B
1
光敏三极管
3DU31
1
放大器
1uF
1
行程开关
SOD200-M18N-C1-PO
2
升级会员 