一款適用于多媒體教室窗簾自動(dòng)控制電路

摘要：多媒體教室自然光對(duì)屏幕的影響，制約教學(xué)內(nèi)容的顯示效果。本電路設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)窗簾，使室內(nèi)進(jìn)光量保持在一個(gè)有限范圍。通過(guò)室外光采集、比較電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等控制窗簾電機(jī)，線性帶動(dòng)窗簾遮合或拉開(kāi)，保證進(jìn)入光線強(qiáng)度在這個(gè)范圍內(nèi)，既滿足多媒體顯示設(shè)備亮度和對(duì)比度顯示效果，又能保證室內(nèi)光強(qiáng)符合視力健康標(biāo)準(zhǔn)，解決了目前多媒體教室屏幕顯示效果深受室外光強(qiáng)弱影響問(wèn)題。由于插入手控電路，還可以通過(guò)按鍵手動(dòng)控制窗簾啟閉，也可以通過(guò)接入物聯(lián)網(wǎng)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：光電采集;電平門限;電機(jī)驅(qū)動(dòng);譯碼切換?

1問(wèn)題的提出

自然亮度有效控制，一直是制約多媒體教室投影顯示效果瓶頸。由于多媒體教室普遍使用投影及平板顯示方式，外部自然光線的干擾，特別是陽(yáng)面強(qiáng)烈光線對(duì)室內(nèi)屏幕顯示直射或衍射，大大降低顯示屏的相對(duì)亮度和對(duì)比度，造成顯示內(nèi)容清晰度下降。即使投影或其他平板顯示方式自帶亮度自動(dòng)控制電路，亮度在一定范圍內(nèi)調(diào)整，仍然無(wú)法消除強(qiáng)烈外部自然光線影響，同時(shí)，由于自動(dòng)亮度控制，造成投影燈泡和其他發(fā)光源過(guò)早老化，降低使用壽命。使用遮光窗簾是解決這一問(wèn)題的途徑，但是由于目前有關(guān)窗簾自動(dòng)控制電路，要么是全部關(guān)閉，要么全部打開(kāi)，不能跟蹤線性開(kāi)啟。遮蔽太少，達(dá)不到平衡外部自然光線作用，遮光太多，光線過(guò)暗，又影響教師授課和學(xué)生閱讀，不符合視力健康要求。也有些手動(dòng)按鈕電控，既不方便，也不能根據(jù)外界亮度變化隨機(jī)自動(dòng)調(diào)整控制。設(shè)計(jì)一種以室內(nèi)健康亮度為標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)管理控制開(kāi)啟幅度的窗簾控制電路和裝置，是解決目前多媒體教室外部光線影響的有效手段。

2設(shè)計(jì)思路

首先采用光敏電阻對(duì)進(jìn)入教室內(nèi)的自然光線進(jìn)行采樣，用窗口比較器對(duì)采樣電壓進(jìn)行分析比對(duì)，比較器設(shè)定電平門限，得出比對(duì)電平信號(hào)。其次利用帶邏輯輸入的直流電機(jī)控制芯片，用繼電器代替電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)和制動(dòng)開(kāi)關(guān)處理，繼而控制交流窗簾電機(jī)，達(dá)到外部光線強(qiáng)，窗簾自動(dòng)遮蔽，外部進(jìn)入光線弱，窗簾自動(dòng)線性拉開(kāi)，開(kāi)啟與關(guān)閉點(diǎn)由比較器門限值決定，遮蔽與拉開(kāi)幅度由室內(nèi)環(huán)境進(jìn)光強(qiáng)弱決定。同時(shí)允許光線強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)變化，窗簾不動(dòng)作，以保持控制機(jī)構(gòu)小范圍內(nèi)穩(wěn)定，避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)處在不停運(yùn)轉(zhuǎn)，增加控制噪聲，結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

3電路設(shè)計(jì)

圖2為作者根據(jù)以上思路設(shè)計(jì)的多媒體教室窗簾自動(dòng)控制電路。電路分三部分，一是由光敏電阻和比較器組成的光電采集和控制比較信號(hào)處理電路，二是以L298N為核心的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，三是為了便于特定光線控制，中間插接了切換器，用于自動(dòng)或手動(dòng)切換。電路設(shè)計(jì)實(shí)用、可靠、簡(jiǎn)潔，成本低廉，便于制作生產(chǎn)。

3.1光控信號(hào)電路

以光敏電阻RL1及LM293雙比較器組成光控信號(hào)采集及比較處理電路。R1與光敏電阻RL1組成光信號(hào)采集電路，R2、R3、RP1、R4、RP2組成比較器分壓門限電路，LM293和R5、R6組成電壓比較電路，R7、R8及ZD1、ZD2完成比較電壓限位。

雙比較器和從光敏電阻與分壓電阻之間取出光感應(yīng)端電壓Vin，輸入到由LM293組成的窗口比較器進(jìn)行比較處理。兩個(gè)比較器組成的窗口比較器分別設(shè)立了兩個(gè)不同門限值（閾值）Vrh和Vrl，由R2、R3、R4、RP1、RP2組成分壓器獲得，分別對(duì)應(yīng)根據(jù)教室亮度標(biāo)準(zhǔn)，最低不低于150LUX（桌面亮度最低標(biāo)準(zhǔn)），最高不大于300LUX（黑板亮度最低標(biāo)準(zhǔn)）。考慮到投影幕布的亮度和對(duì)比度，使顯示內(nèi)容比較清楚，選取照度規(guī)范下沿范圍。當(dāng)室外光大量進(jìn)入教室，光敏電阻阻值變小，端電壓Vin變低，當(dāng)?shù)陀贗C2同相端閾值（也肯定低于IC1反相輸入端閾值Vrh），則IC1輸出低電平，IC2輸出高電平;當(dāng)室外光進(jìn)光變少或窗簾遮合過(guò)多，光敏電阻阻值變大，感應(yīng)端端電壓Vin變高，當(dāng)高于IC1反相端閾值Vrh時(shí)（Vin肯定也高于IC2的同相輸入端閾值Vrl），這時(shí)IC1輸出高電平，IC2輸出低電平;當(dāng)光照度處在150-300LUX照度范圍內(nèi)，也就是我們?cè)O(shè)定的比較器窗口內(nèi)時(shí)，光敏電阻感應(yīng)端電壓低于IC1反相端，高于IC2同相端，兩個(gè)比較器都輸出低電平^[1]，其真值表見(jiàn)表1。

由于比較器輸出高電平接近電源電壓，而后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路輸入端為TTL電路，其高電平為+5V，因此設(shè)計(jì)了電平變換電路，由R7、R8、ZD1、ZD2組成鉗位電路，使輸出邏輯高電平為5V，和驅(qū)動(dòng)輸入端接駁。

從真值表可以看出，從兩個(gè)比較器輸出端取出三種狀態(tài)，而不是使用窗口終端比較結(jié)果，通過(guò)L298N內(nèi)部譯碼、推動(dòng)，即可分別控制窗簾電機(jī)的三種模式。

3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

由直流電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)電路L298N、J1-J4常開(kāi)繼電器、D5-D8譯碼二極管、LED1-LED4發(fā)光管等組成窗簾交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

L298N是15腳小型直流電機(jī)專用功率驅(qū)動(dòng)集成電路，內(nèi)部設(shè)有A、B兩路完全相同直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，每路分為兩個(gè)部分，前邊部分是數(shù)字邏輯電路，與單板機(jī)等輸出邏輯電路對(duì)接。通過(guò)每路兩個(gè)輸入端在內(nèi)部進(jìn)行譯碼，控制內(nèi)部a、b兩個(gè)功率輸出器組成的H橋，這個(gè)H橋在輸入控制信號(hào)下分別形成a輸出高b輸出低、a輸出低b輸出高和a、b同電位狀態(tài)功率輸出，完成直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)^[2]。

從L298N第5、7、10、12腳輸入邏輯控制信號(hào)，在其內(nèi)部控制兩組功率驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的功率信號(hào)從第2、3、13、14輸出。6（ENA）和11（ENB）腳為兩路功率通道開(kāi)啟端，在步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)下也是調(diào)速控制端，該端設(shè)置為高電平（+5）電壓才能工作。排阻RN103是為了泄放由于增加D3-D6產(chǎn)生的輸入端感應(yīng)電荷，并拉低感應(yīng)電壓。L298N工作電壓+5V-35V，最大驅(qū)動(dòng)電流2A，耗散功率20W，足夠用來(lái)驅(qū)動(dòng)20W以下的模型用直流電機(jī)^[3]，本設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)小型繼電器，進(jìn)而同步控制兩個(gè)窗簾電機(jī)。LED1-LED4為兩通道正反轉(zhuǎn)發(fā)光指示管，兼作繼電器反峰吸收，當(dāng)J1、J3吸合時(shí)，LED1、LED3導(dǎo)通發(fā)光，當(dāng)J2、J4吸合時(shí)，LED2、LED4導(dǎo)通發(fā)光，當(dāng)靜止時(shí)兩管因無(wú)壓差不發(fā)光。

J1-J4為窗簾交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換繼電器，當(dāng)OUT1、OUT3為高，OUT2、OUT4為低時(shí)，D5、D7導(dǎo)通，J1、J3吸合，電機(jī)M1、M2正轉(zhuǎn)，窗簾遮合;反之D6、D8導(dǎo)通，J2、J4吸合，電機(jī)反轉(zhuǎn)，窗簾拉開(kāi)。D6-D8在這里起到簡(jiǎn)單譯碼作用。L298N驅(qū)動(dòng)集成電路輸入輸出及交流電機(jī)狀態(tài)見(jiàn)表2。

3.3切換電路

在比較器輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間，插入由K1、K2、K3組成的切換電路，目的是使窗簾控制多樣化，以適應(yīng)不同采光要求。K1是手動(dòng)自動(dòng)自鎖開(kāi)關(guān)，按下自鎖開(kāi)關(guān)接通，比較器比較信號(hào)通過(guò)K2、K3復(fù)位開(kāi)關(guān)接通到L298N輸入端，進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài);再按抬起斷開(kāi)，此時(shí)比較器信號(hào)被切斷，為手動(dòng)控制模式。在手動(dòng)端留有外部邏輯接口，可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制。K2、K3是非自鎖開(kāi)關(guān)，按下接通，抬起斷開(kāi)，當(dāng)K2、K3分別按下時(shí)，是在取消自動(dòng)控制狀態(tài)下，手動(dòng)控制窗簾開(kāi)啟或關(guān)閉操作，以適應(yīng)其他用光模式。當(dāng)K2持續(xù)按下時(shí)，IN1、IN3接低電平，IN2、IN4接高電平，窗簾電機(jī)正轉(zhuǎn)，窗簾遮合;當(dāng)K3持續(xù)按下時(shí)，IN1、IN3接高電平，IN2、IN4接低電平，窗簾電機(jī)反轉(zhuǎn)，窗簾拉開(kāi)。K2、K3同時(shí)按下或同時(shí)放開(kāi)，窗簾電機(jī)處在制動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)。

4電路制作說(shuō)明

4.1工作電壓選取

光敏電阻及比較器、L293選擇12V為宜。過(guò)小，光敏及分壓電阻串聯(lián)后電流過(guò)小，輸出的分壓電流扇出能力變小，同時(shí)串聯(lián)分壓器分割范圍將變小，穩(wěn)定度將受到影響。L298N前級(jí)部分因?yàn)槭褂肐TT結(jié)構(gòu)，電壓只能是5V，這個(gè)可以從12V接穩(wěn)壓器獲得;窗口比較器輸出端串聯(lián)電阻加穩(wěn)壓管嵌位使之高電平為5V。至于窗簾電機(jī)，使用220V市電即可，只是正反轉(zhuǎn)繼電器要考慮觸點(diǎn)電流和間距?？刂撇糠质褂?0W開(kāi)關(guān)電源供電。

4.2關(guān)于光敏電阻的選取

光敏電阻選取應(yīng)當(dāng)充分考慮暗電阻、亮電阻、電流和耗散功率，也盡可能考慮其線性。使得在正常強(qiáng)光下與R1分壓值低于窗口低閥值Vrl，在正常暗光線下，分壓值高于窗口閥值Vrh。選取R1，要充分考慮光敏電阻以上參數(shù)，還要考慮與光敏電阻串聯(lián)后，最大最小電流，以保證輸出電壓變化對(duì)比較器輸入端的扇出能力。比如用5506光敏，亮電阻為2K-5K，暗電阻為200K，R1與光敏分壓后滿足低于低閥值，其取值應(yīng)該在10K-25K之間。假如光敏亮、暗電阻范圍是2K-200K，供電電壓為12V，分壓電阻R1為10K，則端電壓分壓值將在2.4V-11.4V之間變化。

4.3關(guān)于分壓器

R3和RP1取值不大，壓降也不大，主要是使窗口在較小可控范圍內(nèi)，并由可變電阻RP1細(xì)調(diào)窗口大小。窗口大，也就是在比較器同時(shí)輸出低電平允許較大光電電壓范圍，換句話說(shuō)光線變化較大窗簾也不會(huì)執(zhí)行動(dòng)作，避免了窗簾處在較頻繁的指令自動(dòng)執(zhí)行中，但這樣也使得窗簾跟蹤外部光線變化變得遲鈍一些;窗口小，比較器輸出低電平的壓差范圍小，使得窗簾執(zhí)行機(jī)構(gòu)較好的跟蹤室外光線變化，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)變得動(dòng)作頻繁。比較器上下兩個(gè)閥值選取決定了窗簾開(kāi)啟或關(guān)閉的起止轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可通過(guò)測(cè)光儀對(duì)RP2調(diào)整確定。

5電路新穎點(diǎn)

根據(jù)引入光線自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)窗簾電機(jī)是這個(gè)功能設(shè)計(jì)的新穎點(diǎn)。用窗口比較器兩個(gè)輸出端子V01和V02狀態(tài)電平恰好對(duì)接L298N邏輯輸入，以及用L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路加二極管譯碼驅(qū)動(dòng)繼電器，實(shí)現(xiàn)光控元件通過(guò)窗口比較器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片推動(dòng)繼電器完成正反轉(zhuǎn)和停止三個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)窗簾線性啟閉，兩環(huán)節(jié)完美結(jié)合，是這個(gè)控制電路的新穎點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：20202-02-12

作者簡(jiǎn)介：劉立權(quán)（1962—），男，山東泰安人，本科，工程師，研究方向：多媒體應(yīng)用技術(shù)。

A Curtain Automatic Control Circuit for Multimedia Classroom

LIU Li-quan

（Shandong Agricultural University，Tai'anShandong271018）

Abstract：The influence of natural light on the screen of multimedia classroom restricts the display effect of teaching content. The circuit design can automatically adjust the electric curtain， so as to keep the indoor light in a limited range. The curtain motor is controlled by outdoor light collection circuit， comparison circuit and motor drive circuit， which can drive the curtain to close or open linearly to ensure the light intensity within this range. It can not only meet the brightness and contrast display effect of multimedia display equipment， but also ensure that the indoor light intensity meets the vision health standard， which solves the problem that the screen display effect of multimedia classroom is deeply influenced by the outdoor light intensity Ring the question. As a result of inserting the manual control circuit， the curtain can also be opened and closed manually by pressing the key， or remote control can be realized by accessing the control signal of the Internet of things.

Key words：photoelectric acquisition;level threshold;motor drive;decoding switch