室内环境亮度监测.doc

室内环境亮度监控装置设计
摘要 本设计的主要目的是利用光敏电阻特性检测室内光强并根据监测结果自动开合双层窗帘，使生活更加简洁，自动化。本系统主要由稳压直流电源、光敏电阻、电压比较器、触摸延时开关、电机正反转电路等部分组成。利用光敏电阻受光照表现出的电阻变化特性，产生高低电平，送到电压比较器产生信号脉冲，利用两个电压比较器控制电动机的正转与反转带动内层窗帘的开合。另外由手动触摸开关打开外层窗帘。
关键词 双层窗帘；稳压直流电源；光敏电阻；电压比较器；触摸延时开关；电机正反转
1 设计要求
该系统能够对室内环境亮度进行检测指示和控制。
2 设计分析及方案论证
2.1 设计分析
首先，电路要求有装置能够对室内环境亮度进行检测。这就要求电路中必须有一个感光电路，在电路中我们选用光敏电阻作为感光电路。它对光的变化非常敏感，在光的照射下，阻值会明显变小。利用这一特性可进一步设计下面的检测电路。
其次，电路要求能够控制室内环境的亮度。这是本次设计的主要部分，即控制电路。由光敏电阻的特性可知，光照会引起它的阻值的变化，而阻值的变化又会引起电路中电压或电流的变化。因此控制电路器件可选用压控或流控的器件，在电路中我们选用了电压比较器和晶体管来构成主控电路。首先比较器输入电位的高低可控制输出电平的高低，比较器的输出连接着电机正反转电路。
最后，就是制动电路。根据要求窗帘接触到边沿时，电动机停止转动。当窗帘拉开或关闭到位时，将会接触到开关，使得开关闭合，那么将电动机短路，电机将停止工作。这就达到了控制窗帘到位后电动机停止转动的要求。
2.2 设计方案论证
（1） 方案选择
方案一：遥控窗帘
利用红外遥控器发出正反转和停止信号，作用于窗帘上的红外感应接收器接收到信号后根据遥控命令控制马达的运行状态，从而达到远距离对窗帘的控制。
方案二：光控自动窗帘
采用集成运放电路制作的光控自动窗帘电路，它是利用环境光线的照射来实现窗帘的自动开合（窗帘在清晨能自动拉开，在傍晚能自动关闭）。
方案三：触摸延时窗帘
由触摸延时开关手动控制窗帘的开合，从而控制室内环境的亮度。
综合上面三种方案，遥控器的设计需要专用芯片，价格较高，故放弃方案一，
而光敏电阻功能稳定，性价比高，触摸开关也是生活中比较常用的开关，完全符合我们的要求，我们选择方案一和方案三结合来控制室内双层窗帘。
（2）方案总体方框图

图2.2.1 系统总体框图
3系统硬件设计
3.1系统各模块硬件设计
（1）电源模块
为了使系统有一个稳定的工作环境，且各组件都正常的工作，我们特别制作了±12V和+5V直流稳压电源。本电路的特点是：电源输出稳定，具有较好的抗干扰能力。输出标准的±12V和+5V直流电源。电源电路如图3.1.1所示：

 图3.3.1 直流稳压电源
（2）光敏电阻模块
下面为光敏电阻感光模块电路图，因为Multisim10中没有光敏电阻元件，所以我们选用两个电阻模拟光强和光弱时光敏电阻的阻值大小。光强时光敏电阻的阻值接近3KΩ,光弱时接近40KΩ。如图3.3.2所示：

图3.3.2 光敏电阻模块
（3）电压比较器模块
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块采用C-14型封装，外型及管脚排列如图3.3.3所示。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3.3.3 LM339引脚排列图
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负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。 　　

图3.3.4 电压比较器模块电路图
上图中电容为滤波电容，滤除电源杂波。因比较器和外围器件对电源的消耗使输出电压为10V左右，不利于后续处理，所以在输出端加了一个稳压管，是输出的电压稳定可控。光线较弱时，输入电压高于基准电压，输出高电平；光线较强时，输入电压低于基准电压，输出低电平。
（4）电机控制模块
通过室内环境光线强弱的变化使光敏电阻两端输出高低电平，并输入到电压比较器模块，由电压比较器输出的高低电平控制电机的正反转。由电压比较器模块知，光线较弱时，电压比较器输出高电平，电动机正转；光线较强时，电压比较器输出低电平，电动机反转。因在软件Multisim10中未找到电机元件图，故我们选用两个发光二极管代表电机这一元件。发光二极管亮则表示电动机正转，反之，则表示电动机反转。下图即为光线强、弱时电动机正反转的模块电路图。

图3.3.5 光线强弱处理模块电路图
（5）触摸延时开关模块
触摸式开启：利用触摸开关，只要用手轻轻触摸一下，电动机就转起来。

图3.3.6 触摸延时开关电路图
按键J2按下模拟人体感应电动势输入，由LED灯模拟电动机的转动，灯亮代表着电动机转动。按下键J2，这时模拟结果是LED1会亮一段时间，通过调节R2的大小可以调节延时时间 ，即调节电动机转动的时间。
3.2 系统总体电路图

4 软件仿真
在Multisim10仿真环境下，画仿真电路图。

图4.1 光线较弱仿真（LED1亮模拟电机正转）

图4.2 光线较强仿真（LED2亮模拟电机反转）
5 结论
该电路结构清晰，容易制作，灵敏度较高，能够基本实现通过检测室内环境的亮度变化来控制直流电机的正、反转功能。另外还有触摸开光的手动控制，两个控制电路结合实现对室内双层窗帘的控制。室内亮度较强时通过触摸开光打开外层窗帘，室内两度较弱时，则由光控电路来控制内层窗帘的开合。在此控制电路基础上，如果加上相应机械传动装置，即可广泛运用于生活中的自动控制场合。
经过一学期的学习，我们大体上明白了设计一个电子线路的思路和方法，以及一个电子线路从构思到分析再到设计完成是多么的不易。在这期间我们明白了自己学习的不足，需要更好的掌握各种数电以及模电的元器件原理性能参数，应提高自己查阅资料以及使用软件Multisim10的能力。通过这次设计也使我们得到了极大的锻炼。
参考文献
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