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大棚蔬菜的光照控制電路設計

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1  選題目的及意義
新技術革命的到來,世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中,首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息,而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。隨著人們生活水平的不斷提高,人們對蔬菜的需求越來越高,尤其是對于反季節的蔬菜更是熱衷,所以大棚蔬菜的培育就顯得尤為重要。本系統是一個基于光敏電阻的大棚蔬菜光照的控制,采用光敏電阻采集光照強度信息,可以自動檢測光照的強弱并顯示,讓人們知道此時光照的強弱。
  通過對這個課題的研究,可以加強對傳感器的學習和認識,正確運用所學的光敏傳感器理論知識,將理論與實際相結合,傳感器在我們的生活中得到越來越廣泛的應用,注定影響一個時代,只要存在計算機的地方就會有它的存在,學好傳感器對今后的學習與工作有很多益處。在現代工業生產尤其是自動化生產過程中,要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數,使設備工作在正常狀態或最佳狀態,并使產品達到最好的質量。因此可以說,沒有眾多的優良的傳感器,現代化生產也就失去了基礎。由此可見,傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方面的重要作用,是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發展。相信不久的將來,傳感器技術將會出現一個飛躍,達到與其重要地位相稱的新水平。
2 電路工作原理分析及設計
2.1 總體設計
大棚蔬菜培養者可以設定光照強度的范圍,一旦超出此范圍該系統可以發出警報通知或直接采取措施使光照強度在此范圍內,還可以通過看此裝置的顯示了解現在的光照狀態,做合理的光照調節。該設計可分為四部分:即光照檢測部分、信號處理部分、光強顯示部分和報警部分。對于光照檢測部分可利用光敏電阻傳感器作為檢測元件,它可以完成從光強到電阻值的信號轉換,再把電阻值轉換為電信號就可以作為系統的輸入信號。對輸入信號處理后,就可以用來顯示了。對于顯示部分可利用發光二極管來顯示,不同的光強對應于不同的發光二極管點亮,就能簡單的顯示出不同的光強了。最后加上用蜂鳴器為主體的報警部分,可以防止光照強度過大或者過小,保證蔬菜的快速生長。系統的基本框圖如圖2-1所示:



圖2-1 系統框圖
2.2組成單元電路分析
1.     設計時須對整個系統進行全面綜合考慮。以完成課題功能要求為前提,盡量使電路簡單清晰。首先應將系統分為四個模塊,其中測量顯示電路重點設計分析如下:
(1)電源部分:為了驅動比較器,電源電壓設置為5V
(2)分壓電路:為了便于分壓比較,另一分壓電阻均設為相同值
(3)比較電路:為了符合正常邏輯思維,應該設定光照越強,亮的發光管越多。所以才將光敏電阻分壓端接入比較器負比較端。光最強時,電阻最小,分壓最少,比較器負輸入端都小于正輸入端,比較器輸出都為正,三個發光管都亮。
(4)顯示電路:為了驅動發光管,應設置上拉電阻,為了保護發光管,應設置限流電阻。
(5)報警電路:應設置當光照過強時,使蜂鳴器響。僅當光照很強時,光敏電阻阻值才小于R3,蜂鳴器才響。其他狀態,蜂鳴器都不響。

2.     電路主要器件如下:
(1)  無源1206分體5.5歐蜂鳴器
(2)  LM339比較器



2-1 比較器LM339主要參數表
參數名稱
符號
數值
單位
電源電壓
VCC
±18或36
V
差模輸入電壓
VID
±36
V
共模輸入電壓
VI
-0.3~VCC
V
功耗
Pd
570
Mv
工作環境溫度
Topr
0 to  +70
儲存溫度
Tstg
-65  to 150
LM339的輸出部分是集電極開路,發射極接地的NPN輸出晶體管,可以用多集電極輸出提供或OR ing功能輸出負載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內的任何電源電壓上,不受Vcc端電壓值的限制此輸出能作為一個簡單的對地SPS開路(當不用負載電阻沒被運用),輸出部分的陷電流被可能得到的驅動和器件的β值所限制.當達到極限電流(16mA)時,輸出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升.輸出飽和電壓被輸出晶體管大約60ohm的γSAT限制。當負載電流很小時,輸出晶體管的低失調電壓(約1.0mV)允許輸出箝位在零電平。
(3)  發光二極管LED
(4)  發光三極管BJT
其主要參數如表2-2所示:
2-2 BJT主要參數表
  
電壓(Voltage): 30V;
  
電流(Current): 800mA ;
功率(Power): 800mW;
材料(Material):硅Silicon;
極性(Poarity): NPN型;
結構(Craf): NPN硅外延平面高頻小功率開關晶體管;
頻率類型(Frequency): fT(MHz) ≥250;
特點(Feature):該產品采用外延平面工藝結構,工作頻率高、金屬封裝、體積小、重量輕、安裝方便;
放大倍數(Enlargement factor):  35-300;
使用范圍(Using):產品可用于高頻震蕩、高頻小信號放大、小功率電源調整電路。
3 電路原理圖設計
  (1)光照強度的信號采集部分
       采用光敏電阻作為信號采集器件。光敏電阻是基于光電導效應的一種光電器件,無光照時,光敏電阻值(暗電阻)很大,電路中電流(暗電流)很小;當受到光照時,半導體材料電導率增加,電阻減小。其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻作為光電式傳感器的一種,它具有靈敏度高、光譜響應范圍寬;體積小、重量輕、機械強度高、耐沖擊、耐震動、抗過載能力強和壽命長等特點。所以選擇光敏電阻采集光照信號,并把不同的光照強度轉化為不同的電阻值。把光敏電阻串聯在直流電路中即可把不同的電阻值轉化為不同的電壓值,電路如原理圖所示。于是,就把對光照信號的處理轉化為對電壓信號V的處理。
      (2)信號處理部分
      采用集成電壓比較器LM339N作為信號處理的核心元件,電路連接如原理圖所示。光強、適宜、黑暗三種光照狀態轉換為三個電壓值V1, V2,V3作為比較器的輸入電壓;兩個比較器設置兩個參考電壓Vrefl, Vref2。 工作過程分析如下:光照較強時V1> Vrefl>Vref2,兩個比較器的輸出電壓分別為(5V, 0V); 光照適宜時Vrefl>V2> Vref2兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V,0V);光照黑暗時V3< Vref2 < Vrefl兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V, 5V)。 這樣就完成了從模擬信號到數字信號的轉換,顯示部分就變得容易了。
    (3)光強顯示部分
    采用發光二極管顯示不同的光強狀態。由于比較器的驅動能力有限,所以在輸出端加一個上拉電阻提高其驅動能力。電路連接如原理圖所示,分析如下:當光照較強時,兩個比較器的輸出電壓分別為(5V, 0V), LED1點亮;光照適宜時,兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V, 0), LED2被點亮;光照黑暗時, 兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V, 5V), LED2、LED3被點亮。這樣三種狀態就顯示出來。
      (4)光強報警部分
      采用有源蜂鳴器作為報警器件。電路連接如原理圖所示,用兩個NPN型BJT三極管的導通來控制報警電路的導通,三極管的導通又受發光二極管導通與否的控制,發光二極管的導通受光照的控制。所以光強就可以控制報警器了,設計方案采用了當光照較強或較暗時報警。工作過程分析如下:當光照較強時,兩個比較器的輸出電壓分別為(5V, 0V),LED1亮,三極管BJT1被導通,報警電路被導通,蜂鳴器報警;光照適宜時,兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V, 0),LED2被點亮,三極管BJT1截止,報警電路也截止;光照黑暗時,兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V, 5V), LED2、LED3被點亮,BJT2被導通,報警電路也被導通,蜂鳴器報警。
原理圖如圖3-1所示:

3-1 原理圖
4 原理圖仿真
4.1給出仿真步驟及仿真圖
1.     信號采集:光敏電阻處于被測環境感光,會有一個感光阻值,這樣就把被測光信號轉化為電信號。
2.     信號測量:為了知道光敏電阻的阻值在所分的哪檔之間,需要進行測量比較。分壓電路和比較電路就是完成此功能。光敏電阻和基準電阻分別分壓接入比較器兩端(實際上是被測信號與基準信號比較)。由于另一分壓電阻相同,電阻大的分壓就多。比較結果反映在比較器的輸出端。采用了三個比較電路比較,就可以確定光敏電阻在四檔的哪一檔。
3.     信號表達:通過比較器出來的是電壓信號,為了使人能直接感知,接上發光二級管。高電壓即點亮發光二級管。


4-1 原理圖仿真
4.2 仿真結果
運行仿真圖得到結果圖如圖4-2所示:

圖4-2 仿真結果圖
光照大小不同,則二極管亮的個數不同。利用此電路可有效控制大棚蔬菜的生長,保證蔬菜以最快最安全的速度茁壯成長。




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