【正文】 1KR5+5K2100R6100R7GND 圖 313 聲光報警模塊電路 聲光報警電路工作原理：為了使二極管和蜂鳴器 只有在有人闖入的情況下才會出現(xiàn)報警，所以此電路中引入了 PNP 型三極管 8550，即當接在單片機的 口輸出低電平時，電流經過 R5 電阻給三極管的基極加低電平，使得三極管導通，如此一來，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，但不能過大，因此本電路選用其與 100Ω的電阻串聯(lián)，這樣一來，二極管發(fā)光，同時蜂鳴器發(fā)聲，達到聲光報警的目的，其中按鍵開關 K2 為常閉開關，為了可以保證人為控制聲光報警電路的開關狀態(tài)，加入按鍵開關 K2。 不管是光敏電阻模塊還是溫度檢測模塊，還是智能家居的另一輔助功能（自動啟動電飯鍋，飲水機等），要想對其引起的變化做出相應的應對機制，必須有一個電路在接收對應的信號后做出相應的處理措施，接下來逐一介紹： 電飯鍋、飲水機、空調的應對啟動電路模塊 根據(jù)溫度檢測模塊傳來的溫度高低，系統(tǒng)應該智能的判斷是否符合主人所需的適宜溫度 ，并作出相應變化，決定是否啟動空調或在接收主人短信后是否啟動自動做飯開關，而這些開關的開合需要有專門的芯片進行驅動。這次我們選取了 ULN2021A芯片來實現(xiàn)應對電路的啟動。首先介紹 ULN2021A： ULN2021A 是一個 7 路反向器電路，即當輸入端為高電平時， ULN2021A 輸出端為低電平，當輸入端為低電平時， ULN2021A 輸出端為高電平。它是集成達林頓管 IC，內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅動繼電器。 圖 314 ULN2021A 實體圖 ULN2021A 的每 一對達林頓都串聯(lián)一個 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準邏輯緩沖器。它是高壓大電流達林頓晶體管陳列系列產品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等優(yōu)點，適應于各類要求高速大功率驅動的系統(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動繼電器的芯片，其芯片內部做了一個消線圈反電動勢的二極管。 ULN2021 的輸出端允許通過 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，故可以直接驅動繼電器或固體繼電器 (SSR)等外接控制器件，也可直接驅動低壓燈泡。 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空調插頭D12IN4148D11IN4148 圖 318 相關器件應對電路 ULN200A 帶動的繼電器應對電路工作原理：當單片機接到主人的短信提醒時，根據(jù)內部程序處理， ULN2021A 的 IN1 管腳與單片機的 口相接，從單片機輸出高電平，經過 ULN2021A 反向后，繼電器 1 所在電路形成通路 ，繼電器 1 中的線圈開始有電流流入，根據(jù)繼電器的特性，將繼電器 1 對應的開關從 的斷路吸合到 通路，使得電飯鍋所在電路形成通路，電飯鍋開始工作，完成做飯。同理，單片機在溫度檢測模塊檢測到溫度不適宜時，從 口輸出高電平，經 ULN2021A 反向后，使繼電器 2 導通，吸合開關，使得空調所在電路形成通路，空調開始啟動，完成溫度的調節(jié)。 窗簾開合模塊 窗簾的開合必須要通過電機的牽引，常選用電機有直流電機和步進電機。步進電機是數(shù)字式控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機 就會轉動一個角度，步進電機可實現(xiàn)精確定位控制，因此非常適合單片機控制。步進電 25 機可分為反應式步進電機（簡稱 VR）、永磁式步進電機（簡稱 PM）和混合式步進電機（簡稱 HB）。而直流電機雖然控制簡單，但是定位精度不高，由于只要達到馬達電流就會轉動，而且轉速和圈數(shù)都難以精確控制，因此綜合各方面因素，選用步進電機。 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉的越快。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速控制。但應注意的是：如果脈沖頻率的速度大于了步 進電機的反應速度，那么步進電機就會出現(xiàn)失步現(xiàn)象。 圖 319 六線式步進電機接線圖 與兩相四線步進電機相比，四相八線步進電機雖然步距腳由整步的 度變成了 度，步進更加精確，但是四相八線步進電機需要驅動器對四個繞組的八個繞組分別進行控制，電路的復雜性和成本都會增加。而且對窗簾的開合控制沒必要那樣精確，因此本設計采用兩相四線，控制四個繞組。因此，步進電機選用兩相四拍式步進電機。 表 33 兩相四拍步進電機工作模式時序表 步進電機 信號輸入 第一步 第二步 第三步 第四步 返回第一步 正轉 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 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，步進電機正傳，如果按照反序換相通電，則步進電機反轉。如：正轉通電順序為： ABA’ B’依次循環(huán)。則反轉的通電順序為：B’ A’ BA 依次 循環(huán)。 26 ? 步進電機重要參數(shù)： 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)用 n 表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即 ABBCCDDAAB，四相八拍運行方式即 AABBBCCCDDDAA。 步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ =360 度（轉子齒數(shù) J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉子齒為 50 齒電機為例。四拍運行時步距角為θ =360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ =360 度 /（ 50*8） =度（俗 稱半步）。 定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。 靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。 （ a） （ b） （ c） （ d） 圖 320 步進電機內部構造圖 在前文中已經提到，亮度檢測模塊檢測室內的光線強度，如果亮度過高，則應啟動步進電機牽引窗簾關閉，相反，如果亮度過低，啟動啟動步進電機反轉牽引窗簾打開。因此，步進電機的驅動電路也是一個非常重要的環(huán)節(jié)。 ULN2021A 能驅動步進電機，但需要將單片機輸出的 TTL 信號放到可以驅動步進電機馬達轉動的電流強度才行，而這個放大倍數(shù)不好控制，而 L298N 是內含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅 27 動器，可以直接用單片機的 I/O 提供信號，而且電路簡單，使用方便。介紹完步進電機，接下來介紹一下 L298N 芯片： L298N 是 SGS 公司的產品 ,其內部包含 4 通道邏輯驅動電路 ,即內含二個 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器 ,接收標準 TTL 邏輯電平信號 ,可驅動 46V、 2A 以下的電機。由 L298N 構成的 PWM 功率放大器的工作形式為單極可逆模式 ,2 個 H 橋的下側橋晶體管發(fā)射極連在一起 ,其引腳排列如下圖所示 ,1 腳和 15 腳可單獨引出連接電流采樣電阻器 ,形成電流傳號。該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機。需要特別注意的是， L298N 需要從外部接兩個電壓，一個是L298N 芯片的，另一個是給電機的。 IN15OUT12OUT23Vs4ISEN A1EN A6IN27GND8Vss9IN310EN B11IN412OUT313OUT414ISEN B15*1L298N 圖 321 L298N 管腳圖 L298N 是 SGS 公司的產品，比較常見的是 15 腳的 Multiwatt 封裝，內部同樣包含 4 通道邏輯驅動電路?？梢苑奖愕尿寗觾蓚€直流電機，或一個兩相步進電機。 L298N可接受標準 TTL 邏輯電平信號 VSS， VSS 可接 4． 5～ 7V 電壓。其中， ENA， ENB接控制使能端，控制電機的停轉。 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，高電平時有效。 4 腳 VS 接電源電壓， VS 電壓范圍 VIH 為 +～ 46V。輸出電流 可達 2A，可驅動電感性負載。 1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間可分別接電動機。 L298N 的 5， 7， 10， 12 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。 對于步進電機的調速，我們采用 PWM 調速的方法。其原理就是開關在一個周期內的導通時間為 t，周期為 T，則電機兩端的平均電壓 U=Vcc*（ t/T） =αVcc。其中，α=t/T（占空比）， Vcc 是電源電壓。電機的轉速與電機兩端的電壓成比例關系，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正 比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉的越快。在硬件電路的連接上，我們將單片機的 ~ 口分別連接 28 到 L298N 的 IN1~IN4 上，通過改變 ~ 口上的高低電平變化以控制 L298N 的輸出，進而控制電機的正反轉，通過改變 ~ 口上的高低電平的占空比以控制電機的轉速。 PWM 配合橋式驅動電路 L298N，實現(xiàn)步進電機的調速，非常簡單，由于窗簾的開合對電機速度的要求不是很高，因此，對 PWM 步進電機調速的要求也就沒那么嚴格了。 IN15OUT12OUT23Vs4ISEN A1EN A6IN27GND8Vss9IN310EN B11IN412OUT313OUT414ISEN B15*1L298NMB1Motor StepD2IN4148D5IN4148D3IN4148D4IN4148D10IN4148D7IN4148D8IN4148D9IN4148GND100uFC20C21GND GND+5100uFC18C19GND+12VGND 圖 322 L298N 與步進電機電路 接線圖 L298N 驅動步進電機工作原理：在圖中， 5V 電源給 L298N 芯片供電， 12V 電源給步進電機供電，但是兩個電源都應接在 L298N 芯片上。為了防止電源的電壓對芯片和電機構成干擾，在兩個電源的上并聯(lián)了兩個磁片電容，已達到濾波的目的，保證電源的穩(wěn)定輸出。如上圖所示， IN1~IN4 分別接到單片機的 4 個端口， ENA 和 E