【正文】 1KR5+5K2100R6100R7GND 圖 313 聲光報(bào)警模塊電路 聲光報(bào)警電路工作原理：為了使二極管和蜂鳴器 只有在有人闖入的情況下才會(huì)出現(xiàn)報(bào)警，所以此電路中引入了 PNP 型三極管 8550，即當(dāng)接在單片機(jī)的 口輸出低電平時(shí)，電流經(jīng)過(guò) R5 電阻給三極管的基極加低電平，使得三極管導(dǎo)通，如此一來(lái)，蜂鳴器和發(fā)光二極管所在電路就形成了通路?？紤]到一般發(fā)光二極管最大允許電流為20mA，限壓值為 2~，知三極管的壓降 ，則二極管電阻約為 2/=100Ω，所以二極管所串電阻應(yīng)約為 100Ω。另一方面蜂鳴器選擇 KC1201， 5V 蜂鳴器，電流 22 十幾毫安就可以發(fā)聲，但不能過(guò)大，因此本電路選用其與 100Ω的電阻串聯(lián)，這樣一來(lái)，二極管發(fā)光，同時(shí)蜂鳴器發(fā)聲，達(dá)到聲光報(bào)警的目的，其中按鍵開(kāi)關(guān) K2 為常閉開(kāi)關(guān)，為了可以保證人為控制聲光報(bào)警電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，加入按鍵開(kāi)關(guān) K2。 不管是光敏電阻模塊還是溫度檢測(cè)模塊，還是智能家居的另一輔助功能（自動(dòng)啟動(dòng)電飯鍋，飲水機(jī)等），要想對(duì)其引起的變化做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)機(jī)制，必須有一個(gè)電路在接收對(duì)應(yīng)的信號(hào)后做出相應(yīng)的處理措施，接下來(lái)逐一介紹： 電飯鍋、飲水機(jī)、空調(diào)的應(yīng)對(duì)啟動(dòng)電路模塊 根據(jù)溫度檢測(cè)模塊傳來(lái)的溫度高低，系統(tǒng)應(yīng)該智能的判斷是否符合主人所需的適宜溫度 ，并作出相應(yīng)變化，決定是否啟動(dòng)空調(diào)或在接收主人短信后是否啟動(dòng)自動(dòng)做飯開(kāi)關(guān)，而這些開(kāi)關(guān)的開(kāi)合需要有專門的芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這次我們選取了 ULN2021A芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)電路的啟動(dòng)。首先介紹 ULN2021A： ULN2021A 是一個(gè) 7 路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時(shí)， ULN2021A 輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時(shí)， ULN2021A 輸出端為高電平。它是集成達(dá)林頓管 IC，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。 圖 314 ULN2021A 實(shí)體圖 ULN2021A 的每 一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 的基極電阻，在 5V 的工作電壓下能與 TTL 和 CMOS 電路直接連接，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。它是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陳列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。 23 圖 315 ULN2021A 邏輯圖 ? 基本參數(shù) 模塊配置 7 NPN 電壓 , Vceo:50V 集電極直流電流 :500mA 直流電流增益 hFE:1000 工作溫度范圍 :20176。 C to +85176。 C 引腳數(shù) :16 封裝類型 :DIP 晶體管數(shù) :7 最大連續(xù)電流 , Ic:500mA 輸入電壓最大 :30V 輸入類型 :5V TTL CMOS 輸出電壓最大 :50V 輸出電流最大 : 通道數(shù) :7 ULN2021A 在各種控制電路中常用它作為驅(qū)動(dòng)繼電器的芯片，其芯片內(nèi)部做了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管。 ULN2021 的輸出端允許通過(guò) IC 電流 200mA，飽和壓降VCE 約為 1V左右，耐壓 BVCEO 約為 36V。輸出電流大，故可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器 (SSR)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。 圖 316 最大集電極電流與占空比 24 圖 317 電壓傳播延時(shí)波形 IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77OUT116OUT314OUT413OUT512OUT611OUT710OUT215COM9GND8U1ULN2021A+521345繼電器 121345繼電器 2GND1 2P1 220V 電源接口1 2P2電飯鍋插頭1 2P4空調(diào)插頭D12IN4148D11IN4148 圖 318 相關(guān)器件應(yīng)對(duì)電路 ULN200A 帶動(dòng)的繼電器應(yīng)對(duì)電路工作原理：當(dāng)單片機(jī)接到主人的短信提醒時(shí)，根據(jù)內(nèi)部程序處理， ULN2021A 的 IN1 管腳與單片機(jī)的 口相接，從單片機(jī)輸出高電平，經(jīng)過(guò) ULN2021A 反向后，繼電器 1 所在電路形成通路 ，繼電器 1 中的線圈開(kāi)始有電流流入，根據(jù)繼電器的特性，將繼電器 1 對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)從 的斷路吸合到 通路，使得電飯鍋所在電路形成通路，電飯鍋開(kāi)始工作，完成做飯。同理，單片機(jī)在溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)到溫度不適宜時(shí)，從 口輸出高電平，經(jīng) ULN2021A 反向后，使繼電器 2 導(dǎo)通，吸合開(kāi)關(guān)，使得空調(diào)所在電路形成通路，空調(diào)開(kāi)始啟動(dòng)，完成溫度的調(diào)節(jié)。 窗簾開(kāi)合模塊 窗簾的開(kāi)合必須要通過(guò)電機(jī)的牽引，常選用電機(jī)有直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字式控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī) 就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，步進(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)精確定位控制，因此非常適合單片機(jī)控制。步進(jìn)電 25 機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 HB）。而直流電機(jī)雖然控制簡(jiǎn)單，但是定位精度不高，由于只要達(dá)到馬達(dá)電流就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且轉(zhuǎn)速和圈數(shù)都難以精確控制，因此綜合各方面因素，選用步進(jìn)電機(jī)。 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)的越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。但應(yīng)注意的是：如果脈沖頻率的速度大于了步 進(jìn)電機(jī)的反應(yīng)速度，那么步進(jìn)電機(jī)就會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象。 圖 319 六線式步進(jìn)電機(jī)接線圖 與兩相四線步進(jìn)電機(jī)相比，四相八線步進(jìn)電機(jī)雖然步距腳由整步的 度變成了 度，步進(jìn)更加精確，但是四相八線步進(jìn)電機(jī)需要驅(qū)動(dòng)器對(duì)四個(gè)繞組的八個(gè)繞組分別進(jìn)行控制，電路的復(fù)雜性和成本都會(huì)增加。而且對(duì)窗簾的開(kāi)合控制沒(méi)必要那樣精確，因此本設(shè)計(jì)采用兩相四線，控制四個(gè)繞組。因此，步進(jìn)電機(jī)選用兩相四拍式步進(jìn)電機(jī)。 表 33 兩相四拍步進(jìn)電機(jī)工作模式時(shí)序表 步進(jìn)電機(jī) 信號(hào)輸入 第一步 第二步 第三步 第四步 返回第一步 正轉(zhuǎn) IN1 0 1 1 1 返回 IN2 1 0 1 1 返回 IN3 1 1 0 1 返回 IN4 1 1 1 0 返回 反轉(zhuǎn) IN1 1 1 1 0 返回 IN2 1 1 0 1 返回 IN3 1 0 1 1 返回 IN4 0 1 1 1 返回 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正傳，如果按照反序換相通電，則步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。如：正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋?ABA’ B’依次循環(huán)。則反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋築’ A’ BA 依次 循環(huán)。 26 ? 步進(jìn)電機(jī)重要參數(shù)： 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即 ABBCCDDAAB，四相八拍運(yùn)行方式即 AABBBCCCDDDAA。 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。θ =360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ =360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ =360 度 /（ 50*8） =度（俗 稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）。 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。 （ a） （ b） （ c） （ d） 圖 320 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造圖 在前文中已經(jīng)提到，亮度檢測(cè)模塊檢測(cè)室內(nèi)的光線強(qiáng)度，如果亮度過(guò)高，則應(yīng)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)牽引窗簾關(guān)閉，相反，如果亮度過(guò)低，啟動(dòng)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)牽引窗簾打開(kāi)。因此，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路也是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。 ULN2021A 能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，但需要將單片機(jī)輸出的 TTL 信號(hào)放到可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的電流強(qiáng)度才行，而這個(gè)放大倍數(shù)不好控制，而 L298N 是內(nèi)含兩個(gè) H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū) 27 動(dòng)器，可以直接用單片機(jī)的 I/O 提供信號(hào)，而且電路簡(jiǎn)單，使用方便。介紹完步進(jìn)電機(jī)，接下來(lái)介紹一下 L298N 芯片： L298N 是 SGS 公司的產(chǎn)品 ,其內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路 ,即內(nèi)含二個(gè) H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器 ,接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào) ,可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A 以下的電機(jī)。由 L298N 構(gòu)成的 PWM 功率放大器的工作形式為單極可逆模式 ,2 個(gè) H 橋的下側(cè)橋晶體管發(fā)射極連在一起 ,其引腳排列如下圖所示 ,1 腳和 15 腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器 ,形成電流傳號(hào)。該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。需要特別注意的是， L298N 需要從外部接兩個(gè)電壓，一個(gè)是L298N 芯片的，另一個(gè)是給電機(jī)的。 IN15OUT12OUT23Vs4ISEN A1EN A6IN27GND8Vss9IN310EN B11IN412OUT313OUT414ISEN B15*1L298N 圖 321 L298N 管腳圖 L298N 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)的是 15 腳的 Multiwatt 封裝，內(nèi)部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。 L298N可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào) VSS， VSS 可接 4． 5～ 7V 電壓。其中， ENA， ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。 ENA 控制 IN1 和 IN2 腳， ENB 控制 IN3 和 IN4，使能端 ENA 和 ENB 兩路控制電路， TTL 電平輸入，高電平時(shí)有效。 4 腳 VS 接電源電壓， VS 電壓范圍 VIH 為 +～ 46V。輸出電流 可達(dá) 2A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。 1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間可分別接電動(dòng)機(jī)。 L298N 的 5， 7， 10， 12 腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，我們采用 PWM 調(diào)速的方法。其原理就是開(kāi)關(guān)在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為 t，周期為 T，則電機(jī)兩端的平均電壓 U=Vcc*（ t/T） =αVcc。其中，α=t/T（占空比）， Vcc 是電源電壓。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例關(guān)系，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正 比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)的越快。在硬件電路的連接上，我們將單片機(jī)的 ~ 口分別連接 28 到 L298N 的 IN1~IN4 上，通過(guò)改變 ~ 口上的高低電平變化以控制 L298N 的輸出，進(jìn)而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過(guò)改變 ~ 口上的高低電平的占空比以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 PWM 配合橋式驅(qū)動(dòng)電路 L298N，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，非常簡(jiǎn)單，由于窗簾的開(kāi)合對(duì)電機(jī)速度的要求不是很高，因此，對(duì) PWM 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的要求也就沒(méi)那么嚴(yán)格了。 IN15OUT12OUT23Vs4ISEN A1EN A6IN27GND8Vss9IN310EN B11IN412OUT313OUT414ISEN B15*1L298NMB1Motor StepD2IN4148D5IN4148D3IN4148D4IN4148D10IN4148D7IN4148D8IN4148D9IN4148GND100uFC20C21GND GND+5100uFC18C19GND+12VGND 圖 322 L298N 與步進(jìn)電機(jī)電路 接線圖 L298N 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作原理：在圖中， 5V 電源給 L298N 芯片供電， 12V 電源給步進(jìn)電機(jī)供電，但是兩個(gè)電源都應(yīng)接在 L298N 芯片上。為了防止電源的電壓對(duì)芯片和電機(jī)構(gòu)成干擾，在兩個(gè)電源的上并聯(lián)了兩個(gè)磁片電容，已達(dá)到濾波的目的，保證電源的穩(wěn)定輸出。如上圖所示， IN1~IN4 分別接到單片機(jī)的 4 個(gè)端口， ENA 和 E