文章目录

一项目背景
二项目条件
三项目实现
- （一）总体思路
- （二）涉及知识点
- - 1.交流电
  - 2.交流电机
  - - 1）同步电机和异步电机
    - 2）单项电机和三项电机
  - 3.弱电与强电
  - 3.继电器的种类及其应用
  - - 1）概念
    - 2）分类
    - 3）作用
  - 4.工程师要求
  - 5.光电传感器
  - - 1）概念
    - 2）分类和工作方式
  - 6.DC-DC稳压
  - 7.浮地
  - 8.电气隔离
  - - 1）概念
  - 9.电容降压电路
  - - 1）电路
    - 2）电容降压电路的特点
  - 10.电压比较器
  - - 1）概念

一项目背景

项目用在碎纸机中
1）要求开机有电源指示灯
2）可以实现自动进纸功能
3）一次最多可以进5张纸，当用户放入6张及以上纸张的时候要实现自动退纸功能
4）当纸屑箱满后能够实现自动停机并有红LED指示。
5）当纸屑箱抽出后机器不能工作

二项目条件

1）输入电压：交流220AC；
2）单项交流异步电机 220AC 45W
3）继电器
4）直流电源系统：DC12V DC5V
5）比较器
6）光电传感器

三项目实现

（一）总体思路

对于碎纸机来说，电机是个很重要的因素。电机功率很大，如果选用直流电机，就需要运用整流电路将交流电转为直流电给电机供电。
滤波电路中的电容C，在工程上可以根据公式

      来估算，式中Iout是放电电流，△V 为纹波，f 为频率，交流电的频率为50Hz。
纹波在工程上可以根据公式求得。

      电容的耐压值一般根据公式来推算。

      根据已知条件我们可以得知，电容的耐压值需要大于330V，电流约为200mA，电容的容值约为220uF。电容，电流都很大，这会增加二极管和电容的成本，为了减少成本，我们选用交流电机而不是直流电机。

因为输入的电源是220V民用交流电，因此需要采用单项交流电机，单项异步交流电机比较便宜，而且常用作电动机，因此我们采用单项异步电机。

220V交流电属于强电，直接控制强电的开与关比较危险。弱电控制继电器，继电器通过断电和通电的方式，实现马达的正，反以及停止的功能比较安全。我们总功率大约100W，属于大功率，采用电磁式继电器。

继电器需要DC电源，通过变压器，整流桥，降压器件形成的直流电源成本太高，buck电路需要整流桥和集成电路模块，成本也不算太低。为了减少成本，这里我们选择电容降压电路，得到12V直流电压和5V直流电压。12V给继电器，5V给其他器件。

根据单项异步电机的特性，在检测到进纸的输入信号时，==把电容串联在主绕组上，把辅助绕组短路，开关闭合，马达正转。==当检测到纸满情况时，把开关断开。当塞入的纸超过5张时，把电容接在辅助绕组上，把主绕组短路，开关闭合，马达反转。

判断纸满与否可以依靠光电传感器来完成判断。

光电传感器分别为红外发射管，红外接收管。红外线接收管，接收到的红外光越强，阻值越小。当纸屑堆积到一定程度的时候，光发生反射，光敏三极管阻值变小。

（二）涉及知识点

1.交流电

单项电：就是我们一般说的民用电。以L表示相线(就是我们称的火线，用电笔测量氖泡会亮)，以N表示零线(正常情况下电笔测量不亮)。两者之间电压为220V，每一项之间相差120°
三项电：就是我们一般说的工业用电，一般以A、B、C(或者L1、L2、L3)，分别以黄、绿、红表示，不管哪个线都有电，3者之间任意2根电压为380V，每一项之间相差120°

2.交流电机

1）同步电机和异步电机

交流电机按转子速度是不是与定子旋转的磁场速度一致与否分为同步电机和异步电机。

异步电机的原理是切割旋转磁场线产生应力拖动电机，如果没有磁场速度差就没法切割磁场也就没有力矩了。因此转子的磁场速度必须与定子磁场的速度不同步，才能够形成电流，进而产生出转子磁场。再近一步形成综合的电机气隙磁场，作用在定子上，使电机运动。异步电机主要用作电动机。

同步电机的原理是旋转磁场中气隙拖动转子磁场，你可以想象成定子的磁场一直在“吸引”转子，如果没有达到同步速，电机将一直加速直到同步。所以叫同步电机。同步电机的功率因素比较大，常常拿来做发电机用。。

2）单项电机和三项电机

交流电机按电源的不同分为单项电机和三项电机。

单相电机一般是指用单相交流电源（AC220V）供电的小功率单相异步电动机。这种电机通常在定子上有两相绕组，转子是普通鼠笼型的。两相绕组在定子上的分布以及供电情况的不同，可以产生不同的起动特性和运行特性。

单项电机的工作原理：当单相正弦电流通过定子绕组时，电机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电机无法旋转。

当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来。

要使单相电机能自动旋转起来，我们可在定子中加上一个辅助绕组，辅助绕组与主绕组在空间上相差90度，辅助绕组要串连一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度（提前了π/2，电路刚刚导通的时候，电容的容抗最小，近似短路，电流达到最大值），即所谓的分相原理。

这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场，在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将辅助绕组断开，正常工作时只有主绕组工作。因此，辅助绕组可以做成短时工作方式。但有很多时候，辅助绕组并不断开，要改变这种电机的转向，只要把辅助绕组的接线端头调换一下即可。（电容接在主绕组是反转，接辅助绕组是正转。）

三相电机，是指当电机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路）。

三相电机工作原理：载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

 参考：http://m.elecfans.com/article/515420.htmlhttps://www.zhihu.com/question/20634476/answer/15738378

3.弱电与强电

小于36V属于弱电，作为控制信号。

36V以上划定为强电

从速度，安全，工艺这三方面来分析强电和弱电。

速度方面：高压的传输速度很慢，低压的传输速度很快。

安全方面：电压如果很高，很容易产生高压电弧，元器件和元器件之间的距离就要很远。

工艺方面：电压如果很高，那么集成电路的脚与脚之间的安全距离需要很大，硅材料制作的器件的漏电流也会比较大。

3.继电器的种类及其应用

1）概念

继电器是控制系统中一种重要的元件，它的作用就是按照某种要求接通或断开控制系统中的电路。常用的继电器是有触点的，触点有通和断两种状态，状态的改变由某种机构带动。例如可以用一个电磁铁的吸合或断开控制触点状态，这样就组成一个电磁式继电器。因此，继电器就是根据某种物理量的变化来改变其触点状态的控制元件。

2）分类

根据动作原理不同，继电器可以分为两种：电磁式，固态式。最常用的是电磁式继电器，它是根据吸引线圈中的电流量大小来动作的。

固态继电器：利用的是电子开关，不会存在电弧，打火，弹片老化等情况。
      优点：1.高寿命，高可靠型，
                 2.电磁兼容性好（emc），抗干扰能力强，对外电磁辐射小。
                 3.响应时间快
      缺点：1.管压降大，继电器输出的电压小。
                 2损耗大，发热大，体积大，成本高
                 3.有漏电流，不能完全关死，功率不能过大。

根据控制电源的不同，继电器分为交流和直流两种，吸引线圈采用直流控制的叫直流继电器；吸引线圈采用交流控制的叫交流继电器。

根据控制功率的不同，继电器分为，微功率（0.1A ~ 0.2A），弱功率(0.5A~1A），中功率（2A ~ 5A），大功率（10A）。

3）作用

①传递信号
它用触点的转换，接通或断开电路以传递控制信号
②功率放大
使继电器动作的功率通常是很小的，而被其触点所控制电路的功率要大得多，从而达到功率放大的目的。

4.工程师要求

好的工程师要满足电磁兼容性要求和寿命要求（85度温度，95度湿度上完好运行1个月）

5.光电传感器

1）概念

实现将光年转化为电能的器件

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器由光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在接收器后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。

2）分类和工作方式

1.槽型光电传感器

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

2.对射型光电传感器

若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

3.反光板型光电开关

把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

4.扩散反射型光电开关

它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。
参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/41995095

6.DC-DC稳压

1）线性降压（LDO），只能用在小功率，若用在大功率，效率低于百分之50。
2）开关电源（BUCK），用在大功率，效率在90%

7.浮地

市电是一个正弦波，一个周期会有两次过零点，在全桥整流电路中，直流部分电压是恒定的，当交流电压小于直流电压时，交流部分无法给直流充电，直流部分由电解电容放电来维持直流电压恒定（此时直流电压肯定会被拉低，至于被拉低多少，就与后面负载所需的能量有关），此时，交流和直流是没有任何联系的，此时直流部分的参考地是处于漂浮状态的，我们管这种参考地称之为“浮地”；

半桥整流电路中最后直流电路的参考地或VDD肯定会与L或N的其中一条线相连，他们并没有完全失去联系，所以半桥就不会出现浮地

参考：https://zhidao.baidu.com/question/1301992370060421219.html

8.电气隔离

1）概念

所谓电气隔离，就是将电源与用电回路作电气上的隔离，即将用电的分支电路与整个电气系统隔离，使之成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全系统，以防止在裸露导体故障带电情况下发生间接触电危险。

9.电容降压电路

1）电路

电容和负载串联，电容的电流可以给负载提供电流。交流电路中电容是有容抗的。

电容容抗的公式Zc=1/(2π*fc)，电容越大，流过的电流越大。电阻上的电压远远小于电容上的电压，电容的电压近似等于220V，I=220/Zc(估算值）。负载上的电阻大概只有几百欧。假设电容的容值为0.33uf，流过的电流为22mA。

在电容降压电路中，全波整流是浮地的，而且安全性差，一般不用全波整流进行降压。半波整流的公式：I=0.44（全波是0.89）*V/Zc=30000C。电容耐压要足够大，至少400V。

220VAC的正半周期时，电流方向从L到N，副半周期时，电流方向从N到L。利用二极管的单向导通特性，组成半桥整流电路，阻止从N到L的电流。

若按照上图搭建电路，在电路刚刚导通的时候，电源在正半周期对电容进行充电，在电源电压达到最高点时，电容的电压达到220V（左正右负），电源由正半周期最高点向下运动时，电容已经充满电了，电路中没有电流流过。电源进入负周期时，电路截止，没有电流流过，电容保持220V电压。电源再次踏入正半周期时，电容仍充满了电，电路上没有电流流过。

因此电源在负周期时要对电容进行放电，且不能经过D1，同时在电容充电的时候，电流不能通过放电支路，所以在D1前面加上了一个二极管，形成了放电回路。当电容两端电压相等，电容自身压降为0，电容放电完成。因电容降压电路的特性，我们最好选用无极性的电容。

修改后的电路在电源的正半周期时，电容充电，在充满之前，电容上一直有电容流过。电容上的电充满的时候，电容上没有电流流过。在电源的负半周期时，电容通过放电回路进行放电。

当开关突然断开时，电容仍然是带电的，因此需要将一个电阻并联在电容两端，达到两端电压的平衡。电阻的阻值一般为几百k。

为了使输出的电压更加稳定，需要在电路中增加稳压二极管，同时稳压二极管又能充当电压在负半周期时的放电回路，因此我们用稳压二极管替换普通二极管作为电容放电回路的器件。

2）电容降压电路的特点

成本低，电流小，非隔离（两端的电压差是一个低压，但是一端的电压值是高压）。

电容和电阻等效为恒流源，因此电容降压电路不怕负载短路，因为电流恒定不变，所以不会烧毁元器件。但电容降压电路怕负载断路，因为某些元器件会因为电流过大而毁坏（比如稳压管）。我们在稳压二极管前串联一个电阻加以保护，只起限流作用。

10.电压比较器

1）概念

电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路，电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。

电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：
当”+”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平；
当”+”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平；

电压比较器的输出为集电极开路输出（OC输出），就是集电极C一端什么都不接，直接作为输出端口，它外部需要接一个上拉电阻或者直接驱动不同电源电压的负载。

参考：https://blog.csdn.net/phenixyf/article/details/8574342
https://blog.csdn.net/u012604283/article/details/84647237

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二项目条件

三项目实现

（一）总体思路