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基于基礎(chǔ)電路的簡(jiǎn)易智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2013-06-17  瀏覽次數(shù):959
核心提示:一、引言 在經(jīng)濟(jì)和知識(shí)迅速崛起的信息時(shí)代,人類已經(jīng)不滿足與一個(gè)簡(jiǎn)單的居住環(huán)境,對(duì)家居環(huán)境的要求越來(lái)越高。智能家居系統(tǒng)能夠
一、引言
在經(jīng)濟(jì)和知識(shí)迅速崛起的信息時(shí)代,人類已經(jīng)不滿足與一個(gè)簡(jiǎn)單的居住環(huán)境,對(duì)家居環(huán)境的要求越來(lái)越高。智能家居系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)家居的智能化管理,讓人與環(huán)境更統(tǒng)一和諧。智能家居只要是利用現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),電子技術(shù),自動(dòng)化控制技術(shù),綜合布線技術(shù)等,依照人體工程學(xué)原理,融合個(gè)性需求,構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗(yàn)。智能家居系統(tǒng)提供了高效、舒適的家居環(huán)境,確保住戶的生命財(cái)產(chǎn)安全;集中控制調(diào)節(jié)家居環(huán)境的溫度等,受到廣泛的關(guān)注,并具有良好的發(fā)展前景。
本文主要利用模擬電子電路與數(shù)字邏輯電路中的基礎(chǔ)電路,以紅外遙控開關(guān)電路為核心,加上傳感器電路,計(jì)數(shù)電路,觸發(fā)器電路,集成運(yùn)放電路,語(yǔ)音電路等,共同構(gòu)成簡(jiǎn)易小型的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為三大模塊,實(shí)現(xiàn)以下智能家居相關(guān)的功能:根據(jù)屋內(nèi)是否有人控制系統(tǒng)總電源的開關(guān);記錄并顯示當(dāng)前屋內(nèi)的人數(shù);進(jìn)門報(bào)警功能;遙控控制屋內(nèi)燈的開關(guān);遙控控制開關(guān)窗簾等。
二、系統(tǒng)原理與方案設(shè)計(jì)
(一)基本原理
基于基礎(chǔ)電路的智能家居系統(tǒng)由三部分組成,家居的總電源由熱釋傳感器組成的家居人數(shù)紀(jì)錄電路控制,熱釋傳感器電路可以判斷并紀(jì)錄人員的進(jìn)出,并將相應(yīng)信號(hào)傳給計(jì)數(shù)器紀(jì)錄當(dāng)前屋內(nèi)的人數(shù)并顯示,當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)為零時(shí)指示當(dāng)前屋內(nèi)無(wú)人,則后續(xù)電路斷電;當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)不為零時(shí)表示屋內(nèi)有人,則系統(tǒng)上電;且該模塊還可以實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)入時(shí)的報(bào)警,由語(yǔ)音電路完成。后續(xù)電路主要為紅外遙控收發(fā)電路,由一個(gè)紅外遙控發(fā)射電路控制電燈與窗簾的開關(guān)。紅外發(fā)射電路由電阻電容組成的振蕩電路構(gòu)成;紅外接收電路由紅外接收管經(jīng)晶體管組成的放大電路后將信號(hào)傳給觸發(fā)器電路構(gòu)成,觸發(fā)器的輸出控制電燈與窗簾的開關(guān)。
(二)模塊框圖
系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示。
(三)元件選擇
1.紅外對(duì)管
紅外對(duì)管是由紅外發(fā)射管與紅外接收管組成。紅外發(fā)射管也稱為紅外線發(fā)射二級(jí)管,當(dāng)外加正向偏壓注入電流時(shí)激發(fā)產(chǎn)生紅外光,并能將紅外光輻射出去。應(yīng)用于遙控發(fā)射電路中,作為遙控信號(hào)發(fā)射器,將外加電信號(hào)轉(zhuǎn)換成紅外信號(hào),并發(fā)送給接收電路。常用的紅外發(fā)射管外形和發(fā)光二極管相似,管壓降約為1.4v,工作電流一般小于20mA。紅外發(fā)射管發(fā)射紅外的控制距離與發(fā)射功率成正比,為使紅外線能控制更遠(yuǎn)的距離,需要使紅外發(fā)射管工作于脈沖狀態(tài),使紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生調(diào)制光。
紅外接收管也稱為紅外光敏二極管,它能將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),通常具有接收,放大,解調(diào)一體功能。當(dāng)紅外接受管接收到由發(fā)射管發(fā)射的紅外光輻射后,形成光電流,經(jīng)放大后輸出作為后續(xù)電路的控制信號(hào)。
2.熱釋電紅外傳感器
熱釋電傳感器又稱人體紅外傳感器,被廣泛應(yīng)用于防盜報(bào)警、來(lái)客告知及非接觸開關(guān)等紅外領(lǐng)域。
熱釋電紅外傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料,如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測(cè)元件。在每個(gè)探測(cè)器內(nèi)裝入一個(gè)或兩個(gè)探測(cè)元件,并將兩個(gè)探測(cè)元件以反極性串聯(lián),以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測(cè)元件將探測(cè)并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào),經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度以增大探測(cè)距離,一般在探測(cè)器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡人體都有恒定的體溫,一般在37度,所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10UM左右的紅外線,被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過(guò)菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件,這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡,向外釋放電荷,配合后續(xù)的放大電路,將釋放的電荷經(jīng)放大器可轉(zhuǎn)換為電壓輸出。這就是熱釋電傳感器的工作原理。熱釋電傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.74LS76觸發(fā)器
74ls76是帶預(yù)置端和清除端的雙觸發(fā)器。當(dāng)CP信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)觸發(fā),實(shí)現(xiàn)JK觸發(fā)器的功能,如圖3、4所示。
4.74lS192計(jì)數(shù)器
74LS192是同步十進(jìn)制可逆雙向計(jì)數(shù)器。當(dāng)有上升脈沖沿輸入到CPu時(shí),計(jì)數(shù)器進(jìn)行加操作,當(dāng)有上升脈沖沿輸入到CPd時(shí),計(jì)數(shù)器進(jìn)行減操作。
當(dāng)置數(shù)端為低電平時(shí),計(jì)數(shù)器置數(shù)為P0、P1、P2、P3輸入的數(shù),為高時(shí)為正常計(jì)數(shù)狀態(tài)。圖5是74LS192芯片引腳圖,圖6是74LS192功能表
5.音樂(lè)芯片KD253B
圖7是音樂(lè)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu),在輸出端串連一個(gè)電位器可改善電路對(duì)上級(jí)電路的影響。聲音可通過(guò)外接電阻電容調(diào)整。
三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.方向識(shí)別及電源總控模塊
該電路的硬件方框圖如圖8。方向識(shí)別及電源總控模塊主要由信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)判別、延時(shí)模塊、語(yǔ)言發(fā)生電路、數(shù)字顯示電路和繼電器總控制模塊組成。
(1)信號(hào)產(chǎn)生模塊
在面包板頭部安裝了兩個(gè)方向相反的熱釋電紅外傳感器A、B,靠人發(fā)出的紅外線識(shí)別。當(dāng)有人從傳感器A走向傳感器B時(shí),傳感器A將產(chǎn)生正半周信號(hào),B產(chǎn)生負(fù)半周信號(hào)。當(dāng)從B走向A時(shí),則和上述相反。其后由兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成2級(jí)放大電路,對(duì)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)起放大作用。傳感器產(chǎn)生的正半周信號(hào)達(dá)到一定幅度后將給后續(xù)電路提供觸發(fā)信號(hào)。
(2)信號(hào)判斷、延時(shí)模塊
信號(hào)判別模塊兩個(gè)和比較器四個(gè)或非門組成。A傳感器產(chǎn)生正半周信號(hào)時(shí),判斷電路判別此時(shí)有人進(jìn)入,經(jīng)延時(shí)模塊延時(shí),將產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間為3—5s的高電平信號(hào),即語(yǔ)音發(fā)聲信號(hào),當(dāng)B傳感器產(chǎn)生正半周信號(hào)時(shí)則相反。信號(hào)延時(shí)時(shí)間由電容和電阻組成并決定。
(3)語(yǔ)音發(fā)生模塊
由語(yǔ)音芯片SD8917及揚(yáng)聲器組成。當(dāng)有正信號(hào)出發(fā)語(yǔ)音電路時(shí),語(yǔ)音芯片產(chǎn)生音樂(lè)提醒并通過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)出。
(4)數(shù)字顯示模塊
由可逆計(jì)數(shù)器74LS192、七段譯碼器74LS248及數(shù)碼管組成。利用信號(hào)延時(shí)模塊產(chǎn)生高電平作為可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入,控制可逆計(jì)數(shù)器加、減,并通過(guò)譯碼電路和數(shù)碼管顯示家里的總?cè)藬?shù)。
(5)繼電器總控制模塊
由繼電器及4輸入或門組成。將計(jì)數(shù)器的輸出端作為或門的輸入,當(dāng)家里人數(shù)部位零,即輸入不為0時(shí),或門輸出為1,電流觸發(fā)使繼電器吸合打開整個(gè)家居的總開關(guān)。而當(dāng)家里沒(méi)人時(shí)計(jì)數(shù)器輸出0,或門輸出也為0,繼電器斷開,整個(gè)家居將不能工作,能節(jié)省耗電量。
該模塊的原理圖如圖9所示。
2.紅外遙控收發(fā)電路
(1)紅外遙控發(fā)射電路
紅外遙控發(fā)射電路采用由三極管V1、V2,電容C1、C2與電阻R1、R2等基本元件組成的多諧振蕩電路作為觸發(fā)紅外發(fā)射管的脈沖信號(hào)構(gòu)成。當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)使得V2的基極與集電極之間的電壓Vbe<0.7v,則V2截止;同理當(dāng)V2導(dǎo)通時(shí)使得V1的基極與集電極之間的電壓Vbe<0.7v,則V1截止.這樣振蕩器就有兩種暫穩(wěn)態(tài),并通過(guò)電容C1、C2的充放電進(jìn)行兩種暫穩(wěn)態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。每按下按鍵A1時(shí),電源接通振蕩器開始工作,產(chǎn)生矩形脈沖,并經(jīng)紅外發(fā)射管調(diào)制后以紅外光的形式輸出。紅外遙控發(fā)射電路原理圖如圖10所示。
(2)紅外遙控接收電路
紅外遙控接收電路由紅外接收管,集成雙電壓比較器LM393等組成,如圖11所示。調(diào)整電位器R2,使得正常情況下(發(fā)射電路按鍵未按下)紅外接收管上的電壓V1大于電位器可調(diào)端輸出電壓即電壓比較器輸出為高電平;當(dāng)按下紅外遙控發(fā)射電路的按鍵時(shí),紅外發(fā)射管即發(fā)出紅外信號(hào),被紅外接收管接收將V1拉底使得V1
 
 
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