智能晾衣架控制电路设计--毕业设计

信息职业技术学院

毕业设计说明书(论文) 设计(论文)题目: 智能晾衣架控制电路设计

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学号: 23

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指导教师:

二00九年十二月十日

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摘要................................................. 错误!未定义书签。第1章绪论............................................ 错误!未定义书签。

晾衣架概述........................................ 错误!未定义书签。

设计目的与意义.................................... 错误!未定义书签。

设计要求及内容.................................... 错误!未定义书签。第2章系统方案........................................ 错误!未定义书签。

电源设计方案...................................... 错误!未定义书签。

收衣晾衣方案...................................... 错误!未定义书签。

方案的确定........................................ 错误!未定义书签。第3章单元电路设计.................................... 错误!未定义书签。

电源电路的设计.................................... 错误!未定义书签。

收衣晾衣传感器及信号处理电路的设计................ 错误!未定义书签。

单稳态触发电路的设计.............................. 错误!未定义书签。

555定时器 .................................... 错误!未定义书签。

单稳态延时电路原理图.......................... 错误!未定义书签。

单稳态延时电路工作过程........................ 错误!未定义书签。

正反转驱动控制电路的设计.......................... 错误!未定义书签。第4章电路的仿真...................................... 错误!未定义书签。

雨天收衣电路的仿真................................ 错误!未定义书签。

晴天晾衣电路的仿真................................ 错误!未定义书签。总结................................................. 错误!未定义书签。参考文献............................................ 错误!未定义书签。附录1 雨天智能晾衣架电路原理图 ........................ 错误!未定义书签。附录2 晴天智能晾衣架电路原理图 ........................ 错误!未定义书签。

摘要

本设计介绍了一种能够识别晴雨天气，自动实现收晾衣服功能的智能晾衣架。该智能晾衣架能有效的避免在下雨时衣服无人收起而被雨淋湿；或在阳光强烈时，衣架能自动伸出接受阳光的充分照射。电路部分通过传感器获得感应信号，控制触点开关的闭合或断开，进而控制电机的正反转，起到自动收晾衣服的作用。该智能晾衣架设计简单，在电路设计上很有创新意义，制作成本较低，实用价值较高，且使用方便，性能可靠。

关键词晾衣架；智能；自动收回；自动伸出

第1章绪论

晾衣架概述

“晾衣架”一般指“升降晾衣架”，分手动、电动两种。手动（手摇）较为普及。电动之所以未能普及推广，这是由于整个行业技术上的不成熟以及售后服务的局限——毕竟是镶在天花板上，不像小家电一样容易搬移去维修保养。因而目前，还是手动（手摇）为市场的主导。“晾衣架”是中国一大特色产品，该行业形成至今也就近十年时间，从开创至今技术不断改进和变革，其基本组成为：手摇器（负责升降、自锁），钢丝，转向器，顶座，晾杆，衣架。手摇器是晾衣架的核心部件，相当于汽车的发动机，由最初“恋衣”的塑料手摇器，到“好太太”的“全金属”手摇器，材料、结构、款式的不断推陈出新，但质量依旧没有大的突破，晾衣架维修率依然集中在手摇器这个关键部件。手摇器质量依旧是行业最关注的焦点。直至2007年“居博士”首家推出一款质量保用五年的手摇器，给行业一颗定心丸。该款手摇器具备行业前所未有的六大特点，因质量稳定，其结构开始被行业众多厂家纷纷效仿，成为典范！

晾衣架不仅仅是一个装饰品，更是一个功能性的产品。目前晾衣架的“功能”已经普遍得到消费者的认可，已经形成一个“行业”。如果说“恋衣”是这个行业的开创者将行业开端，“好太太”是成功的包装营销商将行业推开，那么“居博士”则独竖一帜：回归产品本身——走质量、特色路线：不断改良、创新，引领行业重新重视质量。实用的产品，质量才是永恒的。只有质量被大众接收，行业才可持续健康发展。换言之，只要功能、质量普遍被认可，晾衣架将会成为居民生活一个必需品。

随着社会的发展，科学的进步，以上所述的传统的升降晾衣架已经不能满足人们的需求。假如住户是双职工，或者住户有事在外，那么如果下雨或者夜晚，传统升降晾衣架就做不到使晾晒在室外的衣物避雨、避露水的功能。每当下雨的时候，恰好不在家，衣服却晾在阳台上，这时候，假如有一台智能型的晾衣架，它能够自动识别晴天和雨天，太阳出来时为我们自动晾衣服，下雨时自动为我们收衣服，一切都智能为我们服务，那我们是不是省去了很多工夫呢

设计目的与意义

1．学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法及设计步骤，培养综合设计能力。

2．进一步了解智能晾衣架的组成框图和各个单元电路的工作原理及相互联系。

3．掌握单稳态触发器的工作原理和各元器件的功能。

4．锻炼自己对所学理论知识和技能的综合运用能力。

5．本文设计的智能晾衣架解决了衣物晾在户外，遇下雨不能及时收进和天气转晴不能自动晾出的后顾之忧，具有很高的实用价值。

设计要求及内容

1．设计要求

（1）电路要能够识别晴雨天气，自动完成收晾衣的目的。

（2）设计电路结构，画出电路的总体框图，选择电路中所需元件，画出实用整机原理电路图。

2．设计内容

主要设计一个智能晾衣架的内部电路，其设计内容主要包括一下几个部分：（1）方案论证及系统框图；

（2）单元电路设计；

（3）电路仿真。

第2章系统方案

电源设计方案

1．电源方案一：

图2-1 电源方案一框图

该方案的设计方框图如上所示，将220V/50Hz变成整流滤波所需大小的交流电，然后再将交流电变成单项脉动直流电，再减小单项脉动直流电的脉动成分，最后得到平滑滤波的直流电的纹波成分，使输出为+5V平稳的直流电。但由于交流电网输入电压的波动和电路负载的变化使直流电压不稳定，因此在本直流电源中增加稳压电路以确保设备的正常工作。

2．电源方案二：

图2-2 电源方案二框图

该方案的设计方框图如上所示，该设计与方案一的设计只有第二步不同，其余步骤都相同。方案一中整流部分选用的是桥式全波整流，而该方案则选用半波整流。

综上所述，两种方案比较，全波整流的输出是交流输入电压的倍，效率高，直流电压平稳，能充分利用变压器的功率。半波整流虽然所需原器件较少，电路简单，但输出是交流输入的倍，效率低，使变压器的功率不能充分利用，故电源部分的设计采

用方案一。

收衣晾衣方案

1．收衣晾衣方案一：

图2-3 收衣晾衣方案一框图

由雨滴传感器控制电路、光敏传感器控制电路经集成运放产生的数字信号，经单片机的输入口输入给单片机。单片机经分析处理后所得到结果，从单片机输出引脚输出相应的信号，从而控制电动机正反转。

2．收衣晾衣方案二：

图2-4 收衣晾衣方案二框图

由雨滴传感器控制电路、光敏传感器控制电路经集成运放产生的信号，经555单稳态触发器分析处理后，控制触点开关的闭合或断开，进而控制电机正转，自动实现收衣晾衣动作。

综上所述，两种方案比较，在功能方面两者都能实现电机正反转，从而实现收衣晾衣功能。方案一主要通过单片机硬件电路来实现，该方案的稳定性高，但是引脚繁多，过于复杂化。方案二通过555单稳态触发器来实现，元器件少，稳定性高，容易实现，故收衣晾衣部分的设计采用方案二。

方案的确定

通过分析论证，为了使该设计电路简单明了，功能可以得到更好的实现，电源部分的设计选则方案一，其效率高，直流电压平稳，能充分利用变压器的功率。而收衣晾衣部分的设计则选择方案二，其元器件少，且稳定性高，容易实现。该设计的整体设计框图如图2-5所示。

图2-5 整体框图

当雨天或晴天时，湿度传感器或光敏传感器获得信号，并将信号传送给运放，运放输出低电平，经过555单稳态触发器，输出高电平，高电平信号被送到驱动控制电路，从而控制电机正反转，使晾衣架自动伸缩，实现自动收衣晾衣功能。

第3章 单元电路设计

电源电路的设计

该直流稳压源电路实现的是+5V 的电压输出，原理图如下所示：

图3-1 直流稳压源电路图 交流电经过降压，整流，滤波可以得到比较平滑的直流电，但由于交流电网输入电压的波动和电路负载的变化使直流电压不稳定，因此在本直流电源中增加稳压电路以确保设备的正常工作。

在连接电路中，需要在变压器的副边接入保险丝FU ，以防电路短路损坏变压器或其它器件，其额定电流要略大于Iomax ，选FU 的熔断电流为1A 。整个电源电路结构形式为220V 电压经过9V 的变压器输入桥式整流电路中，使得我们的交流电变成了不稳定的直流电，后经几个极性电容滤波使不稳定的直流电变成比较稳定的直流电，在接入到三端稳压器LM7805输入端，稳压器内部含有过流、过热保护电路。并且LM7805输出固定的+5V 直流电压供后面的负载使用。其各部分波形图如图3-2所示；

图3-2 波形图

变压

整流

滤波

稳压

收衣晾衣传感器及信号处理电路的设计

雨天智能晾衣架电路中，传感器集成运放电路是由湿度传感器以及一个集成运算放大器构成，其中M代表湿度传感器，当下雨时，M遇水就导通，使运放U1输出低电平。电路图由图3-3所示。

图3-3 湿度传感器集成运放电路图

晴天智能晾衣架电路中，传感器集成运放电路是由光敏传感器以及一个集成运算放大器构成，其中R4为光敏传感器（光敏电阻），电位器RP2用于调节光敏电阻的灵敏度，当阳光充足时，光敏电阻阻值下降，使运放U3输出低电平。电路图如图3-4所示。

图3-4 光敏传感器集成运放电路图

单稳态触发电路的设计

单稳态触发电路由一个555芯片构成单稳态触发器来控制，单稳态触发器具有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。在外界触发脉冲作用下，它能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，在自动返回稳态；暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。由于单稳态触发器具有这些特点，常用来

产生具有固定宽度的脉冲信号。

按电路结构的不同，单稳态触发器可分为微分型和积分型两种，微分型单稳态触发器适用于窄脉冲触发，积分型适用于宽脉冲触发。无论是哪种电路结构，其单稳态的产生都源于电容的充放电原理。

用555定时器构成的单稳态触发器是负脉冲触发的单稳态触发器，其暂稳态维持时间为

T

=（3-1）

w

仅与电路本身的参数R、C有关。

555定时器

1.电路组成

555芯片的内部电路如图3-8所示，它由三个阻值为5KΩ的电阻组成的电阻分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、集电极开路的放电三极管VT以及缓冲器等组成。

a)555内部结构图 b)555管脚图

图3-5 555定时器

（1）电阻分压器由三个5KΩ的电阻R组成，为电压比较器C1和C2提供基准电压。

（2）电压比较器由C1和C2组成，当控制电压输入端CO悬空时，C1和C2的基准电压为别为2/3Vcc和1/3Vcc。

C

的反相输入端TH称为555的定时器高触发端，C2的同相输入端TR称为555定1

时器的低触发端。

（3）基本RS触发器

基本RS触发器由两个与非门G1和G2构成。比较器C1的输出作为置0输入端，若C

1

输出为0，则Q=0；比较器C2的输出作为置1输入端，若C2输出为0，则Q=1。

R是定时器的复位输入端，只要R=0，定时器的输出端OUT则为0，正常工作时，必须使R处于高点平。

（4）放电管VT

VT是集电极开路的三极管，VT的集电极作为定时器的引出端D。

（5）缓冲器

缓冲器由G

3和G

4

构成，用于提高电路的负载能力。

2.工作原理

R为置0输入端，当R=0时，定时器的输出OUT为0；当R=1时，555定时器具

有以下功能：

（1）当高触发端TH>2/3Vcc,且低触发端TR>1/3Vcc时,比较器C1输出低电平；C

1

输出的低电平将RS触发器置为0状态，即Q=0，使得定时器的输出OUT为0，同时放电管VT导通。

（2）当低触发端TR<1/3Vcc,且高触发端TH<2/3Vcc时，比较器C2输出为低电平；

C

2

输出的低电平将RS触发器置为1状态，即Q=1，使得定时器的输出OUT为1，同时放电管VT截止。

（3）当TH<2/3Vcc,TR>1/3Vcc时，定时器的输出OUT和放电管VT的状态保持不变。

根据以上分析，可以得出555定时器的功能表，见表3-1。

表3-1 555定时器的功能表

单稳态延时电路原理图

图3-6 单稳态延时电路原理图

图3-7 单稳态延时电路的工作波形

单稳态延时电路工作过程

当U i1的下降沿到来时，由于TR <1/3Vcc,而TH =Uc =0，从555定时器的功能表（3-1）不难看出，输出端Uo 的输出电平为高电平，电路进入延时状态，内部放电管VT 截止。由于放电管VT 截止，12/蓄电池通过6R 对5C 充电，当对TH 充电到TH >2/3Vcc 时，输出端Uo 的输出电平跳变为低电平，电路退出延时状态，此时内部放电管VT 导通。电路退出延时延时状态后，C 5通过导通的放电管VT 放电，使电路迅速恢复到初始状态。

根据该电路的工作波形可以算出该电路的延时时间w T ≈6R 5C

正反转驱动控制电路的设计

当555定时器的输出端为高电平时，继电器就开始工作，从而控制二通电磁阀的导通，其原理图如图3-10所示：

U i1Uc t

t

t

R31k GR 光敏电阻

图3-8 驱动控制电路原理图

这次设计用的继电器是+5V的电压控制继电器，有常闭和常开两种状态，当定时器输出为高电平时，继电器的输入端加上了驱动电压，使继电器为常闭状态，既而使二通电磁阀加上220V的交流电压，电机转动智能晾衣架实现伸缩。当定时器的输出为低电平时继电器的输入没有驱动电压，使继电器进入常开状态，此时电磁阀不工作。

第4章电路的仿真

此次电路仿真运用的EWB仿真软件，在仿真过程中也遇到少许问题，例如EWB 元器件库中没有传感器之类的元器件而只能用开关代替。而且在仿真电路时不能改变元器件库里面设置好的元件参数。但是，通过努力，最终仿真还是比较成功。对于雨天和晴天的电路都通过了仿真。

雨天收衣电路的仿真

图4-1 雨天收衣的仿真图

如图，当下雨时，湿度传感器得到信号，J1导通，运放U2输出低电平，通过A1（555集成电路）单稳态触发电路，输出高电平，使继电器J2得电，控制电机正转，晾衣架收回，仿真图中的现象为灯泡发光。当经过定时时间T=后，灯泡熄灭，完成收衣动作，电路处于正常状态。仿真图中R4用于调节定时时间。

晴天晾衣电路的仿真

图4-2 晴天晾衣的仿真图

如图所示，当天晴时，R4电位器代表光敏传感器（光敏电阻），R6用于调节光敏电阻的灵敏度，当阳光充足时，光敏电阻阻值逐渐下降，使运放U1A输出低电平，该低电平信号通过A1（555集成电路）单稳态触发电路，输出高电平，使继电器J2得电，控制电机的反转，晾衣架伸出，仿真图中的现象为灯泡发光。当经过定时时间T=后，灯泡熄灭，完成晾衣动作，电路处于正常状态。仿真图中R3用于调节定时时间。

总结

通过本次毕业设计，使我受到了一次应用所学的专业知识、专业技能分析和解决问题的全面系统的锻炼。刚开始着手于毕业设计时什么都不明白，也不知何从下手，但经过两个月的学习使我学到了不少新的知识，也复习了很多忘记了的旧知识。这次设计使我在综合知识的选用方面，产品开发的基本思想、方法方面，以及常用电路分析思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。

在搞设计的过程中会碰到很多我们不太熟悉的元件和不太了解的电路，也就是通过对这些实际问题的解决来提高我们分析问题和处理问题的能力，同时也在无形中使我们养成了认真和善于思考的良好习惯。这也是我们做毕业设计的目的之所在，把所学的专业知识运用到实际的电路中来，并在此基础上发现一些实际的问题并解决它，由此不仅提高了我们的动手能里，也使我们所学的专业知识在实际中升华。

本次设计在指导老师以及同学的帮助下，基本实现了设计的目的，软件仿真得到了实现。但是，在仿真过程中也遇到少许问题，例如EWB元器件库中没有传感器之类的元器件而只能用开关或者电阻代替。而且在仿真电路时不能改变元器件库里面设置好的元件参数。

总之此次毕业设计的完成对我无论是知识的拓展还是思考问题的全面性都有很大的提高。

参考文献

[1] 王一群．电子技术及制作．福建：福建科技出版社

[2] 张中洲．电路技术基础．北京：电子工业出版社

[3] 任为民．电子技术基础课程设计指导．中央广播电视大学出版社，1986

[4] 贾更新．电子技术基础实验、设计与仿真．郑州大学出版社，2006

[5] 康华光．电子技术基础模拟部分．北京：高等教育出版社，2006

[6] 朱定华．电子技术基础课程设计．科技大学出版社，2009

附录1 雨天智能晾衣架电路原理图

附录2 晴天智能晾衣架电路原理图