窗帘自动开闭电路 课程设计

郑州轻工业学院

课 程 设 计

题目： 简易窗帘自动开闭电路

姓 名： 院 （系）： 电气信息工程学院 专业班级： 电气卓越12-01 学 号： 指导教师：

成 绩：

时间： 2014 年 02 月 17 日至 2014 年 02 月 21 日

郑州轻工业学院

课程设计任务书

题目 简易窗帘自动开闭电路

专业 电气卓越12-1 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：

主要内容

1．阅读相关科技文献。 2．学习电子制图软件的使用。 3．学会整理和总结设计文档报告。 4．学习如何查找器件手册及相关参数。 技术要求

1. 要求电路能够通过感应装置，检测到光线的强弱。 2. 要求电路根据光线的强弱，自动将窗帘打开和关闭。 3. 要求电路能够在窗帘接触到边沿时，自动切断电源。 主要参考资料

1．何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月

2．姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月 3．王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月 4．李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月 5．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003

完 成 期 限： 2014年2月21日 指导教师签章： 专业负责人签章：

2014 年 2月 15 日

简易窗帘自动开闭电路

摘 要

窗帘在人们的日常生活中有着不可替代的作用，窗帘在室内装修中，分别起着保护私隐、利用光线、装饰墙面、吸音隔噪的作用。到目前为止，窗帘已经发展到相当水平，其中布艺帘以它的独有的时代魅力深受人们欢迎。当窗户面积大、窗户高或安装厚重的窗帘布时，使用手动或拉绳都比较费力，并且容易导致帘布损坏，所以现在采用光控电动自动控制布帘的方式代表时代发展的潮流。由于其质量技术等各方面的全面改进，理所当然，光控自动窗帘成为科技不断进步，社会飞速发展的必然产物,该电路能够通过感应装置，检测到光线的强弱，并能够根据光线的强弱，自动将窗帘打开和关闭,同时能够在窗帘接触到边沿时，自动的切断电源。

关键词 窗帘/光控/自动控制/感应光线强弱

目 录

1 总体设计方案 ..................................................................................................................... 1

1.1 概述 ................................................................................................................................ 1 1.2 设计框图和设计原理 ................................................................................................ 1

2 元器件选择 ........................................................................................................................... 3

2.1 光敏电阻器 ................................................................................................................... 3 2.2 四运算放大器TL084 .................................................................................................. 3 2.3 碳膜电位器 ................................................................................................................... 5 2.4 稳压二极管 ................................................................................................................... 5 2.5 三极管 ............................................................................................................................ 6 2.6 直流电动机 ................................................................................................................... 7

3 电路组成 ................................................................................................................................ 8

3.1 电源电路分析 .............................................................................................................. 8 3.2 运算电路 ..................................................................................................................... 11 3.3 开关电路 ..................................................................................................................... 12

结束语......................................................................................................................................... 13 致 谢......................................................................................................................................... 14 参考文献 ................................................................................................................................... 15 附 录 1元器件清单 ....................................................................................................... 16 附 录 2原理图 .................................................................................................................. 17

简易窗帘自动开闭电路

1 总体设计方案

1.1 概述

该电路能够采用光敏电阻，检测到光线的强弱，并能够根据光线的强弱，改变阻值大小，改变分压大小，利用双集成运算放大器的电压比较作用，输出高低电平，利用稳压二极管的稳压和三极管的开关作用控制电机两端电位高低从而实现电机正反转的功能，从而自动将窗帘打开和关闭,同时设置简易开关能够在窗帘接触到边沿时，自动的切断电源。

1.2 设计框图和设计原理

1.2.1 系统组成框图

光照检测电路检测光照的强弱，通过放大器放大此信号，进而控制开关的开闭状态，开关影响驱动电路中电动机的转动方向，从而实现窗帘的自动关闭，电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源，总设计思路如图1-1所示：

光照检测 比较放大 图1-1系统框图

电源电路 三极管开关驱动电路

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1.2.2 设计原理

由光敏电阻器RG与运算放大器IC、电位器RPl、等组成控制电路。 如图1-2所示，在清晨，环境光线较强，光敏电阻器RG呈低阻值状态，使IC的2脚（放大器ICa的反相输人端）电压较3脚（放大器ICa的同相输入端）电压高，IC的5脚（放大器ICb的同相输人端）电压较6脚（放大器ICb的反相输入端）电压高，IC的1脚的低电平，7脚输出高电平，使晶体管V1一V3均导通，V4－V6截止，电动机M正转，驱动窗帘拉开。当窗帘拉开到位后，滑动触头开关（位置开关）S1被触动而接通，使V1的基极变为低电平，V1一V3均截止，电动机M停转。

当夜幕降临时，环境光线较弱，光敏电阻器RG的阻值变大，使IC的3脚电压高于2脚电压，1脚输出高电平，使晶体管V4一V6均导通，电动机M反转，驱动窗帘拉合。当窗帘拉合到位后，滑动触头开关S2被接通，使V4的基极变为低电平，V4一V6截止，电动机M停转。

调节电位器RP1、RP2的电阻值，改变IC的2脚电压和5脚电压的高低，使清晨时IC的7脚输出高电平，1脚输出低电平；而傍晚时IC的1脚输出高电平，7脚输出低电平即可。

。+12VR61K8675RP2RP14.7KVS1R11K24TL072V631R5VS3V4V5R12KRG1KR2S247KM+12VVS2R31KV2V1S1R41KV3。

图1-2简易光控自动窗帘原理图

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2 元器件选择

2.1 光敏电阻器

光敏电阻器是利用半导体光电效应制成的一种特殊电阻器，图2-2为光敏电阻符号，它对光线十分敏感，它的电阻能随着外界光照强弱变化而变化，当没有光照射时，呈高阻状态；有光照射时，其电阻值迅速减小，图2-1为验证光敏电阻性质的实验图。它广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机的亮度自动调节、照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。

图2-1 光敏电阻实验图 图2-2 光敏电阻符号

2.2 四运算放大器TL084

集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输入电阻的多级直接耦合放大电路，它的种类很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，如下图2-3表示集成运放的内部电路组成的原理框图：

差分输入级 电压放大级 输出级 偏置电流 图2-3集成运放的内部电路组成的原理框图

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其代表符号如图2-4所示：

图2-4代表符号

集成运放的输入级一般是由BIT、JFET等组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能。它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为个级提供合适的工作电流。

TL084是一款高输入电阻的四运放，精度不高。管脚信息如图2-5，1、2、3脚是通道1的输出端、反相输入端、同相输入端，5、6、7脚是通道2的同相输入端、反相输入端、输出端，8、9、10脚是通道3的输出端、反相输入端、同相输入端，12、13、14脚是通道4的同相输入端、反相输入端、输出端，4脚是正电源，11脚是负电源（或单电源使用时的电源地）。

TL084作为比较器时，运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出高电平。

图2-5 芯片管脚示意图

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2.3 碳膜电位器

碳膜电位器是在马蹄形的纸胶板上涂上一层碳膜制成。其阻值变化和中间触头位置的关系有直线式、对数式和指数式三种。碳膜电位器有大型、小型、微型几种，有的和开关一起组成带开关电位器。

电阻体是用经过研磨的碳黑，石墨，石英等材料涂敷于基体表面而成，该工艺简单，是目前应用最广泛的电位器。特点是分辨力高耐磨性好，寿命较长。缺点是有电流噪声，非线性大，耐潮性以及阻值稳定性差。

碳膜电位器阻值连续可变，因此它的分辨率很高，阻值范围很宽，易于制作出符合要求的阻值变化特性，工作频率范围较宽。它的缺点是额定功率较小，一般只能加工到2w，此外，膜片受湿度和温度影响较大，图2-6为电位器符号表示。

图2-6电位器符号

2.4 稳压二极管

稳压二极管又称齐纳二极管，是一种特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管，在直流稳压电源中获得广泛的应用。它具有一般二极管单向导电的特性，即二极管加正向电压，则导通，有较大的正向电流；加反向电压则截止，只有很小的反向电流；当反向电压大到一定程度，反向电流突然增大，这时二极管就进入了击穿区。进入此区后，反向电流在很大范围内变化时，二极管两端的反向电压能基本保持不变，如图2-7所示。当反向电流大到一定数值后，二极管就因彻底击穿而损坏了。一般二极管是不允许使用在击穿区的，而稳压管正是利用反向击穿后，在一定反向电流范围内反向电压不随反向电流变化这一特点进行稳压的。 其主要特性参数如下：

第一: 最大整流电流 是指二极管长期工作时，允许通过的最大的正向的电流 第二：反向击穿电压指管子反响击穿时的电压值。一般手册上给出的最高工

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作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行。

第三：反向电流指管子没被击穿时的工作电流，其值越小，管子的单向导电性能越好。

图2-7 稳压二极管伏安特性及符号

2.5 三极管

晶体三极管（简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管， 其符号如图2-8,2-9所示，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的。

图2-8 NPN型三极管符号 图2-9 PNP型三极管符号

对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c，如图2-10所示

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图2-10 内部结构图 图2-11 NPN型三极管电流方向

当B点电位高于E点电位零点七伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于B点电位几伏时，集电结处于反偏状态。

三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。

三极管在饱和导通(发射结和集电结都是正偏置)时，其CE极间电压很小，

比PN结的导通电压还要低(硅管在0.5V以下)，CE极间相当“短路”，即呈“开”的状态。

三极管在截止状态(发射结、集电结都是反偏置)时，其CE极间的电流极小(硅管基本上量不到)，相当于“断开(即‘关’)”的状态。

三极管开关电路的特点是开关速度极快，远远比机械开关快；没有机械接点，不产生电火花；开关的控制灵敏，对控制信号的要求低；导通时开关的电压降比机械开关大，关断时开关的漏电流比机械开关大；不宜直接用于高电压、强电流的控制。

NPN型是串连在电机与地之间，其中C接正E接地。这样接类似于一个开关。当B极没有控制电压时，CE是断开的电机也是不转的，反之B极有控制电压时，CE是导通的，电机形成回路转动。

PNP型是反向导通的接法是E接正C接地。

2.6 直流电动机

如果直流电机的转子不用原动机拖动，而把它的电刷A、B接在电压为U的直流电源上，电刷A是正电位，B是负电位，在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b，在S极范围内的导体cd中的电流是从c流向d。前面已经说过，

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载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab和cd两导体都要受到电磁力Fde的作用。根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab边受力的方向是向左，而cd边则是向右。由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以，ab边和cd边所受电磁力的大小相等。这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半州之后，虽然ab与cd的位置调换了，ab边转到S极范围内，cd边转到N极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到N极下的cd边中电流方向也变了，是从d流向c，在S极下的ab边中的电流则是从b流向a。因此，电磁力Fdc的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。可见，分别处在N、S极范围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不停的旋转了，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其它工作机械。

图2-10直流电动机运行原理

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3 电路组成

3.1 电源电路分析

在本设计中可以用两种方法实现电源：一是采用电池供电；二是直接从电网供电，电池易损耗，达不到电路的要求，而经电网变压实现的+12V直流电压则相对稳定，所以在本设计中我采用了后者,如3-1所示。

MC78L12CPDV112V1T220V12V42C1470μFC20.1μFGND1C347μF3C40.1μF23 图3-1 电源电路

该电路由电源变压器、整流、滤波、和稳压电路等四部分构成。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压，再通过桥式整流电路将变压器输出的符合电压要求的交流电变换为+12V的直流电。

3.1.1变压器

变压器是电力系统中非常常见的器件，小到收音机，大到我们日常生活中大型电网，用来升降压的电力变压器等，变压器的原理是电磁感应技术,变压器有两个分别独立的共用一个铁芯的线圈，分别叫作变压器的次级线圈和初级线圈。

电流的方向和大小随时间变化的，变压器初级通上交流电时，变压器的铁芯中产生了交变的磁场,接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。在次级就感应出频率相同的交流电压.变压器的初次级线圈的匝数比等于电压比。变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压,因为直流电流是不会变化的,电流通过变压器不会产生交变的磁场，所以次级线圈只能在直接接通的一瞬间产生一个瞬间电流和电压。

变压器的主要参数：

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电压比 n=U1/U2=N1/N2； 效 率 η=P2/P1*100%；

额定功率 P

本设计方案采用变压器的主要参数： 输入：220V 输出：12V

频率：50Hz

3.1.2 整流

常用的整流电路主要有：半波整流、全波整流及桥式整流等。相对于半波整流相，全波整流二极管交替导通，其输出电压纹波明显减小；而桥式整流电路是全波整流电路的一个变形，其输出电压波形与全波整流电路相同，但加在变压器次级线圈上的电流变为了极性正负交替的脉冲电流，其性能更加优越。本设计中采用性能优越的桥式整流电路，桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。

u2正半周时:D1、D3导通， D2、D4截止 u2负半周时：D2、D4 导通，D1、D3截止 主要参数：

输出电压平均值：UL=0.9u2

输出电流平均值:IL= UL/RL =0.9 u2 / RL 流过二极管的平均电流：ID=IL/2 二极管承受的最大反向电压：V=V2

桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成，大功率桥式整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。

3.1.3 滤波

接着是滤波电路，滤波电路用于滤去整流输出电压中的波纹，一般由电抗元件组成，使交流电在经过二极管整流后获得的有杂波的直流电，变成波形较为平

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滑的直流电。本次实验使用滤波电容C1、 C2 、 C3 和 C4实现滤波。

3.1.4 稳压

最后是稳压电路，在本设计中采用三端稳压电路来实现三端稳压。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78 ×× 系列和负电压输出的lm79××系列。，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有lm9013样子的TO-92封装。

用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。最大输出电流1.5A，LM78XX系列输出电压分别为5V；6V；8V；9V；10V；12V；15V；18V；24V。

3.2 运算电路

如3-2所示，当环境的光线较强时，光敏电阻器RG呈现低阻值状态，使IC的2脚（放大器ICa的反相输人端）电压较3脚（放大器ICa的同相输入端）电压高，IC的5脚（放大器ICb的同相输人端）电压较6脚（放大器ICb的反相

输入端）电压高，IC的1脚输出低电平，7脚输出高电平,进一步控制开关电路。

+12VR12K675RG8312RP24TL072RP14.7KVS147K 图3-2 运算电路

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利用此过程来控制下面二极管的开闭，从而达到控制整个电路的目的。

另外，可以改变两个划线变阻器的阻值的大小来控制两个放大器输入端的电压的大小，为了适应不同的情况下的电压变化，所以能够实现不同情况下的控制问题。

3.3 开关电路

如3-3所示当V1的基极是高电平时，由NPN型三极管的工作原理，V1导通，则V1集电极即V2

的基极为低电平，由PNP型三极管的工作原理则V2导通； V1发射极即V3的基极为高电平，V3也导

通；V1，V2的导通相当于开关的接通状态，为后续的驱动电路提供条件。

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图3-3 开关电路

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结束语

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，自动控制在生活中可以说是无处不在，而对于电子技术专业的我们来说掌握自动控制的应用技术是十分重要的。

通过本次设计，在一定程度上，巩固和加强了“模拟电子技术”、“数字电子技术”课程中所学的理论知识。以前学习模电的时候，不知道学有何用，这次的实践让我感觉到自己其实什么都不懂，学校里面开设的课程都有一定理由的，我一定得有个正确的方向，方案必须站在一定高度看问题，得从整体着眼，然后分模块来实现整体设计。我掌握了电子电路的一般设计方法和思路，而且基本上能够运用电子基础设计中所学的理论知识来完成设计和分析电路。通过互联网及图书馆查阅手册和文献资料，拓宽知识面的同时，也让我能够独立分析问题和解决实际问题。最大的感触就是我队友的帮助，让我真正体会到了团结就是力量，这次设计的成功队友的互助也是决定性的作用。

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致 谢

第一次的课程设计终于完成，通过本次设计，我开始接触并学会使用了Altium Designer软件，在设计的过程中运用数字电路和模拟电路基础设计中所学的理论知识来完成设计和分析电路，这也使我对所学知识加深了了解，同时也培养了我独立思考的能力，当然在学习过程中也得到了许多同学和老师的帮助，感谢老师为我解答设计电路过程中遇到的困难，对我设计电路提出的修改意见和建议，感谢同学利用他们宝贵的学习时间认真教我使用Altium Designer，感谢他们在制作实物中帮我收集元器件。

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参考文献

[1] 何小艇．电子系统设计．浙江大学出版社，2001年6月．

[2] 姚福安．电子电路设计与实践．山东科学技术出版社，2001年10月． [3] 王澄非．电路与数字逻辑设计实践．东南大学出版社，1999年10月． [4] 李银华．电子线路设计指导．北京航空航天大学出版社，2005年6月． [5] 康华光．电子技术基础．高教出版社，2003．

[6] 张庆双．电子元器件的选用与检测．机械工业出版社，2002年8月． [7] 陈明义．电子技术课程设计实用教程．中南大学出版社，2002年． [8] 孟贵华．电子元器件选用入门．机械工业出版社，2004年6月．

[9] 崔 玮． Protel99SE电路原理图于电路板设计教程．海洋出版社，2005年1月． [10] 石 磊．Altium Designer电路设计．清华大学出版社，2009年11月．

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附 录

附录1 元器件清单

类别 R1—R7 RG RP1、RP2 VS1 VS2、VS3 V1、V4 V2、V5 V3、V6 IC M 类别及阻值 1/4W碳膜电阻1K 硫化锡光敏电阻器 小型膜式线性电位器 1/2W、3.6V稳压二极管 1/2W、3V稳压二极管 S9013型硅NPN型晶体管 S8050型硅PNP型晶体管 S8050型硅NPN型晶体管 TL084型双集成运算放大器 电压为9V、最大电流为500mA的直流电动机 数目 7 1 2 1 2 2 2 2 1 1

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附录2 原理图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4ir6.html