一款適用于多媒體教室窗簾自動控制電路

摘要：多媒體教室自然光對屏幕的影響，制約教學內容的顯示效果。本電路設計能夠自動調節電動窗簾，使室內進光量保持在一個有限范圍。通過室外光采集、比較電路、電機驅動電路等控制窗簾電機，線性帶動窗簾遮合或拉開，保證進入光線強度在這個范圍內，既滿足多媒體顯示設備亮度和對比度顯示效果，又能保證室內光強符合視力健康標準，解決了目前多媒體教室屏幕顯示效果深受室外光強弱影響問題。由于插入手控電路，還可以通過按鍵手動控制窗簾啟閉，也可以通過接入物聯網控制信號實現遠程控制。

關鍵詞：光電采集;電平門限;電機驅動;譯碼切換?

1問題的提出

自然亮度有效控制，一直是制約多媒體教室投影顯示效果瓶頸。由于多媒體教室普遍使用投影及平板顯示方式，外部自然光線的干擾，特別是陽面強烈光線對室內屏幕顯示直射或衍射，大大降低顯示屏的相對亮度和對比度，造成顯示內容清晰度下降。即使投影或其他平板顯示方式自帶亮度自動控制電路，亮度在一定范圍內調整，仍然無法消除強烈外部自然光線影響，同時，由于自動亮度控制，造成投影燈泡和其他發光源過早老化，降低使用壽命。使用遮光窗簾是解決這一問題的途徑，但是由于目前有關窗簾自動控制電路，要么是全部關閉，要么全部打開，不能跟蹤線性開啟。遮蔽太少，達不到平衡外部自然光線作用，遮光太多，光線過暗，又影響教師授課和學生閱讀，不符合視力健康要求。也有些手動按鈕電控，既不方便，也不能根據外界亮度變化隨機自動調整控制。設計一種以室內健康亮度為標準，自動管理控制開啟幅度的窗簾控制電路和裝置，是解決目前多媒體教室外部光線影響的有效手段。

2設計思路

首先采用光敏電阻對進入教室內的自然光線進行采樣，用窗口比較器對采樣電壓進行分析比對，比較器設定電平門限，得出比對電平信號。其次利用帶邏輯輸入的直流電機控制芯片，用繼電器代替電機進行正反轉和制動開關處理，繼而控制交流窗簾電機，達到外部光線強，窗簾自動遮蔽，外部進入光線弱，窗簾自動線性拉開，開啟與關閉點由比較器門限值決定，遮蔽與拉開幅度由室內環境進光強弱決定。同時允許光線強度在一定范圍內變化，窗簾不動作，以保持控制機構小范圍內穩定，避免執行機構處在不停運轉，增加控制噪聲，結構圖見圖1。

3電路設計

圖2為作者根據以上思路設計的多媒體教室窗簾自動控制電路。電路分三部分，一是由光敏電阻和比較器組成的光電采集和控制比較信號處理電路，二是以L298N為核心的電機驅動電路，三是為了便于特定光線控制，中間插接了切換器，用于自動或手動切換。電路設計實用、可靠、簡潔，成本低廉，便于制作生產。

3.1光控信號電路

以光敏電阻RL1及LM293雙比較器組成光控信號采集及比較處理電路。R1與光敏電阻RL1組成光信號采集電路，R2、R3、RP1、R4、RP2組成比較器分壓門限電路，LM293和R5、R6組成電壓比較電路，R7、R8及ZD1、ZD2完成比較電壓限位。

雙比較器和從光敏電阻與分壓電阻之間取出光感應端電壓Vin，輸入到由LM293組成的窗口比較器進行比較處理。兩個比較器組成的窗口比較器分別設立了兩個不同門限值（閾值）Vrh和Vrl，由R2、R3、R4、RP1、RP2組成分壓器獲得，分別對應根據教室亮度標準，最低不低于150LUX（桌面亮度最低標準），最高不大于300LUX（黑板亮度最低標準）?？紤]到投影幕布的亮度和對比度，使顯示內容比較清楚，選取照度規范下沿范圍。當室外光大量進入教室，光敏電阻阻值變小，端電壓Vin變低，當低于IC2同相端閾值（也肯定低于IC1反相輸入端閾值Vrh），則IC1輸出低電平，IC2輸出高電平;當室外光進光變少或窗簾遮合過多，光敏電阻阻值變大，感應端端電壓Vin變高，當高于IC1反相端閾值Vrh時（Vin肯定也高于IC2的同相輸入端閾值Vrl），這時IC1輸出高電平，IC2輸出低電平;當光照度處在150-300LUX照度范圍內，也就是我們設定的比較器窗口內時，光敏電阻感應端電壓低于IC1反相端，高于IC2同相端，兩個比較器都輸出低電平^[1]，其真值表見表1。

由于比較器輸出高電平接近電源電壓，而后級驅動電路輸入端為TTL電路，其高電平為+5V，因此設計了電平變換電路，由R7、R8、ZD1、ZD2組成鉗位電路，使輸出邏輯高電平為5V，和驅動輸入端接駁。

從真值表可以看出，從兩個比較器輸出端取出三種狀態，而不是使用窗口終端比較結果，通過L298N內部譯碼、推動，即可分別控制窗簾電機的三種模式。

3.2電機驅動電路

由直流電機專用驅動電路L298N、J1-J4常開繼電器、D5-D8譯碼二極管、LED1-LED4發光管等組成窗簾交流電機驅動電路。

L298N是15腳小型直流電機專用功率驅動集成電路，內部設有A、B兩路完全相同直流電機驅動電路，每路分為兩個部分，前邊部分是數字邏輯電路，與單板機等輸出邏輯電路對接。通過每路兩個輸入端在內部進行譯碼，控制內部a、b兩個功率輸出器組成的H橋，這個H橋在輸入控制信號下分別形成a輸出高b輸出低、a輸出低b輸出高和a、b同電位狀態功率輸出，完成直流電機的正轉、反轉和制動^[2]。

從L298N第5、7、10、12腳輸入邏輯控制信號，在其內部控制兩組功率驅動電路，驅動直流電機的功率信號從第2、3、13、14輸出。6（ENA）和11（ENB）腳為兩路功率通道開啟端，在步進電機狀態下也是調速控制端，該端設置為高電平（+5）電壓才能工作。排阻RN103是為了泄放由于增加D3-D6產生的輸入端感應電荷，并拉低感應電壓。L298N工作電壓+5V-35V，最大驅動電流2A，耗散功率20W，足夠用來驅動20W以下的模型用直流電機^[3]，本設計用于驅動小型繼電器，進而同步控制兩個窗簾電機。LED1-LED4為兩通道正反轉發光指示管，兼作繼電器反峰吸收，當J1、J3吸合時，LED1、LED3導通發光，當J2、J4吸合時，LED2、LED4導通發光，當靜止時兩管因無壓差不發光。

J1-J4為窗簾交流電機正反轉切換繼電器，當OUT1、OUT3為高，OUT2、OUT4為低時，D5、D7導通，J1、J3吸合，電機M1、M2正轉，窗簾遮合;反之D6、D8導通，J2、J4吸合，電機反轉，窗簾拉開。D6-D8在這里起到簡單譯碼作用。L298N驅動集成電路輸入輸出及交流電機狀態見表2。

3.3切換電路

在比較器輸出到電機驅動電路之間，插入由K1、K2、K3組成的切換電路，目的是使窗簾控制多樣化，以適應不同采光要求。K1是手動自動自鎖開關，按下自鎖開關接通，比較器比較信號通過K2、K3復位開關接通到L298N輸入端，進入自動控制狀態;再按抬起斷開，此時比較器信號被切斷，為手動控制模式。在手動端留有外部邏輯接口，可以實現物聯網控制。K2、K3是非自鎖開關，按下接通，抬起斷開，當K2、K3分別按下時，是在取消自動控制狀態下，手動控制窗簾開啟或關閉操作，以適應其他用光模式。當K2持續按下時，IN1、IN3接低電平，IN2、IN4接高電平，窗簾電機正轉，窗簾遮合;當K3持續按下時，IN1、IN3接高電平，IN2、IN4接低電平，窗簾電機反轉，窗簾拉開。K2、K3同時按下或同時放開，窗簾電機處在制動停止狀態。

4電路制作說明

4.1工作電壓選取

光敏電阻及比較器、L293選擇12V為宜。過小，光敏及分壓電阻串聯后電流過小，輸出的分壓電流扇出能力變小，同時串聯分壓器分割范圍將變小，穩定度將受到影響。L298N前級部分因為使用ITT結構，電壓只能是5V，這個可以從12V接穩壓器獲得;窗口比較器輸出端串聯電阻加穩壓管嵌位使之高電平為5V。至于窗簾電機，使用220V市電即可，只是正反轉繼電器要考慮觸點電流和間距?？刂撇糠质褂?0W開關電源供電。

4.2關于光敏電阻的選取

光敏電阻選取應當充分考慮暗電阻、亮電阻、電流和耗散功率，也盡可能考慮其線性。使得在正常強光下與R1分壓值低于窗口低閥值Vrl，在正常暗光線下，分壓值高于窗口閥值Vrh。選取R1，要充分考慮光敏電阻以上參數，還要考慮與光敏電阻串聯后，最大最小電流，以保證輸出電壓變化對比較器輸入端的扇出能力。比如用5506光敏，亮電阻為2K-5K，暗電阻為200K，R1與光敏分壓后滿足低于低閥值，其取值應該在10K-25K之間。假如光敏亮、暗電阻范圍是2K-200K，供電電壓為12V，分壓電阻R1為10K，則端電壓分壓值將在2.4V-11.4V之間變化。

4.3關于分壓器

R3和RP1取值不大，壓降也不大，主要是使窗口在較小可控范圍內，并由可變電阻RP1細調窗口大小。窗口大，也就是在比較器同時輸出低電平允許較大光電電壓范圍，換句話說光線變化較大窗簾也不會執行動作，避免了窗簾處在較頻繁的指令自動執行中，但這樣也使得窗簾跟蹤外部光線變化變得遲鈍一些;窗口小，比較器輸出低電平的壓差范圍小，使得窗簾執行機構較好的跟蹤室外光線變化，但執行機構變得動作頻繁。比較器上下兩個閥值選取決定了窗簾開啟或關閉的起止轉折點，可通過測光儀對RP2調整確定。

5電路新穎點

根據引入光線自動跟蹤調節窗簾電機是這個功能設計的新穎點。用窗口比較器兩個輸出端子V01和V02狀態電平恰好對接L298N邏輯輸入，以及用L298N直流電機驅動電路加二極管譯碼驅動繼電器，實現光控元件通過窗口比較器、直流電機驅動芯片推動繼電器完成正反轉和停止三個狀態的轉換，實現窗簾線性啟閉，兩環節完美結合，是這個控制電路的新穎點。

參考文獻

[1]劉加松，宋玉宏，周捷信.基于改進型窗口比較器的多級輸入狀態檢測與邏輯判斷電路設計[J].通信電源技術，2019（4）：64-68+70.

[2]張天鵬，徐磊.L298N控制直流電機正反轉[J].工業設計，2011（3）：94-95.

[3]雷紅淼，程耀瑜.基于L298N 的直流電機驅動電路優化設計[J].數字技術與應用，2012（2）：124+126.

收稿日期：20202-02-12

作者簡介：劉立權（1962—），男，山東泰安人，本科，工程師，研究方向：多媒體應用技術。

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