一款适用于多媒体教室窗帘自动控制电路

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　　摘要：多媒体教室自然光对屏幕的影响，制约教学内容的显示效果。本电路设计能够自动调节电动窗帘，使室内进光量保持在一个有限范围。通过室外光采集、比较电路、电机驱动电路等控制窗帘电机，线性带动窗帘遮合或拉开，保证进入光线强度在这个范围内，既满足多媒体显示设备亮度和对比度显示效果，又能保证室内光强符合视力健康标准，解决了目前多媒体教室屏幕显示效果深受室外光强弱影响问题。由于插入手控电路，还可以通过按键手动控制窗帘启闭，也可以通过接入物联网控制信号实现远程控制。
　　关键词：光电采集;电平门限;电机驱动;译码切换?
　　1问题的提出
　　自然亮度有效控制，一直是制约多媒体教室投影显示效果瓶颈。由于多媒体教室普遍使用投影及平板显示方式，外部自然光线的干扰，特别是阳面强烈光线对室内屏幕显示直射或衍射，大大降低显示屏的相对亮度和对比度，造成显示内容清晰度下降。即使投影或其他平板显示方式自带亮度自动控制电路，亮度在一定范围内调整，仍然无法消除强烈外部自然光线影响，同时，由于自动亮度控制，造成投影灯泡和其他发光源过早老化，降低使用寿命。使用遮光窗帘是解决这一问题的途径，但是由于目前有关窗帘自动控制电路，要么是全部关闭，要么全部打开，不能跟踪线性开启。遮蔽太少，达不到平衡外部自然光线作用，遮光太多，光线过暗，又影响教师授课和学生阅读，不符合视力健康要求。也有些手动按钮电控，既不方便，也不能根据外界亮度变化随机自动调整控制。设计一种以室内健康亮度为标准，自动管理控制开启幅度的窗帘控制电路和装置，是解决目前多媒体教室外部光线影响的有效手段。
　　2设计思路
　　首先采用光敏电阻对进入教室内的自然光线进行采样，用窗口比较器对采样电压进行分析比对，比较器设定电平门限，得出比对电平信号。其次利用带逻辑输入的直流电机控制芯片，用继电器代替电机进行正反转和制动开关处理，继而控制交流窗帘电机，达到外部光线强，窗帘自动遮蔽，外部进入光线弱，窗帘自动线性拉开，开启与关闭点由比较器门限值决定，遮蔽与拉开幅度由室内环境进光强弱决定。同时允许光线强度在一定范围内变化，窗帘不动作，以保持控制机构小范围内稳定，避免执行机构处在不停运转，增加控制噪声，结构图见图1。
　　3电路设计
　　图2为作者根据以上思路设计的多媒体教室窗帘自动控制电路。电路分三部分，一是由光敏电阻和比较器组成的光电采集和控制比较信号处理电路，二是以L298N为核心的电机驱动电路，三是为了便于特定光线控制，中间插接了切换器，用于自动或手动切换。电路设计实用、可靠、简洁，成本低廉，便于制作生产。
　　3.1光控信号电路
　　以光敏电阻RL1及LM293双比较器组成光控信号采集及比较处理电路。R1与光敏电阻RL1组成光信号采集电路，R2、R3、RP1、R4、RP2组成比较器分压门限电路，LM293和R5、R6组成电压比较电路，R7、R8及ZD1、ZD2完成比较电压限位。
　　双比较器和从光敏电阻与分压电阻之间取出光感应端电压Vin，输入到由LM293组成的窗口比较器进行比较处理。两个比较器组成的窗口比较器分别设立了两个不同门限值（阈值）Vrh和Vrl，由R2、R3、R4、RP1、RP2组成分压器获得，分别对应根据教室亮度标准，最低不低于150LUX（桌面亮度最低标准），最高不大于300LUX（黑板亮度最低标准）。考虑到投影幕布的亮度和对比度，使显示内容比较清楚，选取照度规范下沿范围。当室外光大量进入教室，光敏电阻阻值变小，端電压Vin变低，当低于IC2同相端阈值（也肯定低于IC1反相输入端阈值Vrh），则IC1输出低电平，IC2输出高电平;当室外光进光变少或窗帘遮合过多，光敏电阻阻值变大，感应端端电压Vin变高，当高于IC1反相端阈值Vrh时（Vin肯定也高于IC2的同相输入端阈值Vrl），这时IC1输出高电平，IC2输出低电平;当光照度处在150-300LUX照度范围内，也就是我们设定的比较器窗口内时，光敏电阻感应端电压低于IC1反相端，高于IC2同相端，两个比较器都输出低电平[1]，其真值表见表1。
　　由于比较器输出高电平接近电源电压，而后级驱动电路输入端为TTL电路，其高电平为+5V，因此设计了电平变换电路，由R7、R8、ZD1、ZD2组成钳位电路，使输出逻辑高电平为5V，和驱动输入端接驳。
　　从真值表可以看出，从两个比较器输出端取出三种状态，而不是使用窗口终端比较结果，通过L298N内部译码、推动，即可分别控制窗帘电机的三种模式。
　　3.2电机驱动电路
　　由直流电机专用驱动电路L298N、J1-J4常开继电器、D5-D8译码二极管、LED1-LED4发光管等组成窗帘交流电机驱动电路。
　　L298N是15脚小型直流电机专用功率驱动集成电路，内部设有A、B两路完全相同直流电机驱动电路，每路分为两个部分，前边部分是数字逻辑电路，与单板机等输出逻辑电路对接。通过每路两个输入端在内部进行译码，控制内部a、b两个功率输出器组成的H桥，这个H桥在输入控制信号下分别形成a输出高b输出低、a输出低b输出高和a、b同电位状态功率输出，完成直流电机的正转、反转和制动[2]。
　　从L298N第5、7、10、12脚输入逻辑控制信号，在其内部控制两组功率驱动电路，驱动直流电机的功率信号从第2、3、13、14输出。6（ENA）和11（ENB）脚为两路功率通道开启端，在步进电机状态下也是调速控制端，该端设置为高电平（+5）电压才能工作。排阻RN103是为了泄放由于增加D3-D6产生的输入端感应电荷，并拉低感应电压。L298N工作电压+5V-35V，最大驱动电流2A，耗散功率20W，足够用来驱动20W以下的模型用直流电机[3]，本设计用于驱动小型继电器，进而同步控制两个窗帘电机。LED1-LED4为两通道正反转发光指示管，兼作继电器反峰吸收，当J1、J3吸合时，LED1、LED3导通发光，当J2、J4吸合时，LED2、LED4导通发光，当静止时两管因无压差不发光。 　　J1-J4为窗帘交流电机正反转切换继电器，当OUT1、OUT3为高，OUT2、OUT4为低时，D5、D7导通，J1、J3吸合，电机M1、M2正转，窗帘遮合;反之D6、D8导通，J2、J4吸合，电机反转，窗帘拉开。D6-D8在这里起到简单译码作用。L298N驱动集成电路输入输出及交流电机状态见表2。
　　3.3切换电路
　　在比较器输出到电机驱动电路之间，插入由K1、K2、K3组成的切换电路，目的是使窗帘控制多样化，以适应不同采光要求。K1是手动自动自锁开关，按下自锁开关接通，比较器比较信号通过K2、K3复位开关接通到L298N输入端，进入自动控制状态;再按抬起断开，此时比较器信号被切断，为手动控制模式。在手动端留有外部逻辑接口，可以实现物联网控制。K2、K3是非自锁开关，按下接通，抬起断开，当K2、K3分别按下时，是在取消自动控制状态下，手动控制窗帘开启或关闭操作，以适应其他用光模式。当K2持续按下时，IN1、IN3接低电平，IN2、IN4接高电平，窗帘电机正转，窗帘遮合;当K3持续按下时，IN1、IN3接高电平，IN2、IN4接低电平，窗帘电机反转，窗帘拉开。K2、K3同时按下或同时放开，窗帘电机处在制动停止状态。
　　4电路制作说明
　　4.1工作电压选取
　　光敏电阻及比较器、L293选择12V为宜。过小，光敏及分压电阻串联后电流过小，输出的分压电流扇出能力变小，同时串联分压器分割范围将变小，稳定度将受到影响。L298N前级部分因为使用ITT结构，电压只能是5V，这个可以从12V接稳压器获得;窗口比较器输出端串联电阻加稳压管嵌位使之高电平为5V。至于窗帘电机，使用220V市电即可，只是正反转继电器要考虑触点电流和间距。控制部分使用20W开关电源供电。
　　4.2关于光敏电阻的选取
　　光敏电阻选取应当充分考虑暗电阻、亮电阻、电流和耗散功率，也尽可能考虑其线性。使得在正常强光下与R1分压值低于窗口低阀值Vrl，在正常暗光线下，分压值高于窗口阀值Vrh。选取R1，要充分考虑光敏电阻以上参数，还要考虑与光敏电阻串联后，最大最小电流，以保证输出电压变化对比较器输入端的扇出能力。比如用5506光敏，亮电阻为2K-5K，暗电阻为200K，R1与光敏分压后满足低于低阀值，其取值应该在10K-25K之间。假如光敏亮、暗电阻范围是2K-200K，供电电压为12V，分压电阻R1为10K，则端电压分压值将在2.4V-11.4V之间变化。
　　4.3关于分压器
　　R3和RP1取值不大，压降也不大，主要是使窗口在较小可控范围内，并由可变电阻RP1细调窗口大小。窗口大，也就是在比较器同时输出低电平允许较大光电电压范围，换句话说光线变化较大窗帘也不会执行动作，避免了窗帘处在较频繁的指令自动执行中，但这样也使得窗帘跟踪外部光线变化变得迟钝一些;窗口小，比较器输出低电平的压差范围小，使得窗帘执行机构较好的跟踪室外光线变化，但执行机构变得动作频繁。比较器上下两个阀值选取决定了窗帘开启或关闭的起止转折点，可通过测光仪对RP2调整确定。
　　5电路新颖点
　　根据引入光线自动跟踪调节窗帘电机是这个功能设计的新颖点。用窗口比较器两个输出端子V01和V02状态电平恰好对接L298N逻辑输入，以及用L298N直流电机驱动电路加二极管译码驱动继电器，实现光控元件通过窗口比较器、直流电机驱动芯片推动继电器完成正反转和停止三个状态的转换，实现窗帘线性启闭，两环节完美结合，是这个控制电路的新颖点。
　　参考文献
　　[1]刘加松，宋玉宏，周捷信.基于改进型窗口比较器的多级输入状态检测与逻辑判断电路设计[J].通信电源技术，2019（4）：64-68+70.
　　[2]张天鹏，徐磊.L298N控制直流电机正反转[J].工业设计，2011（3）：94-95.
　　[3]雷红淼，程耀瑜.基于L298N 的直流电机驱动电路优化设计[J].数字技术与应用，2012（2）：124+126.
　　收稿日期：20202-02-12
　　作者簡介：刘立权（1962—），男，山东泰安人，本科，工程师，研究方向：多媒体应用技术。
　　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
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