课程设计说明书：有害气体检测与抽排及机器人行走控制电路

武汉理工大学电工电子课程设计说明书1课程设计任务书学生姓名： 罗潇汝 专业班级： 自动化 1007 指导教师： 田 宇 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 小型智能控制系统设计 一、 有害气体检测与抽排电路设计任务：设计一个能够检测有害气体浓度和抽排的电路，当浓度高于正常值时候报警系统进行报警，同时抽排系统进行工作降低有害气体浓度直至恢复正常。要求：当检测到有害气体意外排放超标时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示，同时自行启动抽排系统，以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。二、机器人行走电路设计任务：设计一个能前进，停止，后退的机器人行走控制电路，并且其时间可以实时监测。要求：1、接通电源，机器人前进，行走一段时间后，机器人停止一段时间，机器人自动后退，退行一段时间后自动前行，周而复始。2、机器人行走动力只能使用干电池，不能使用动力电源。3、机器人前进，停止，后退时间可调。初始条件： 1. 实验室提供万用表、信号发生器、直流稳压电源、示波器等设备。2. 学生已学习了大学基础课程和电路 、 模拟电子技术 、 数字电子技术 、电力电子变流技术等专业基础课程。3. 学生已参加过电工电子实习，掌握了用 PROTEL 绘制电路图的方法。4. 主要参考文献1) 新编电子电路大全 第 1、2、3、4 卷 中国计量出版社 组编2) 传感器及其应用电路 何希才 编著 电子工业出版社3) 电子线路综合设计 主编 谢自美 华中科技大学出版社4) 集成电路速查手册 王新贤 主编 山东科学技术出版社5) 电力电子电路设计 钟炎平 主编 华中科技大学出版社6) 电子技术工艺基础 王天曦 李鸿儒 编著 清华大学出版社。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计结束时每个学生要提交一份按统一格式要求撰写的课程设计报告，并装订成册。武汉理工大学电工电子课程设计说明书22、课程设计报告中要求绘制方框图、电原理图，阐述电路工作原理、每个元器件的主要参数、设计电路的性能指标、设计心得体会等。3、说明书中除个人签名外，其它文字、符号、图形或表格一律用计算机打印。4、文字、符号、图形等必须符合国家标准。5、独立完成设计任务，杜绝相互抄袭现象发生，避免剽窃。时间安排：二周（6 月 20 日7 月 1 日） 。6 月 20 日上午，指导教师讲授课程设计的有关基本知识，布置设计任务等；6 月 20 日下午6 月 23 日下午学生查阅资料；6 月 24 日上午6 月 26 日下午学生初步设计；6 月 27 日上午6 月 29 日下午检查设计进度，深化设计，答疑、质疑；6 月 30 日上午6 月 30 日下午进一步完善设计，形成设计报告电子文档；7 月 1 日课程设计报告打印、装订、提交。指导老师签名： 2012 年 7 月 5 日 系主任（或负责教师）签名： 2012 年 7 月 武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书I摘 要当代电子技术迅猛发展， 为人们的文化， 物质生活提供了良好的提供了良好的条件。 因而，加强大学生自身能力建设具有十分重要的意义。此设计报告是关于小型智能控制 系统的设计，包含以下两个设计题目：一是有害气体的检测、报警、抽排。当检测到有 害气体意外排放超标时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示，同时自行启动 抽排系统，以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态;二是机器人行走电路设计。机器人行走动力使用干电池，接通电源，机器人前进，行走一 段时间后，机器人自动后退，退行一段时间后自动前行，周而复始，并且前进和后退的 时间是可调的。本设计运用 555 定时器及 l298,74hc192 及电机等元器件完成该设计。关键字：555 定时器 电机 电桥 L298 74HC192目 录前 言 I武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书II1 有害气体检测与抽排电路设计 11.1 设计要求 .11.2 方案论证及选择 11.3 设计总体方案 .21.3.1 设计系统模块框图 .21.3.2 设计原理流程框图 .21.3.3 设计原理图 31.4 设计方案分析 41.4.1 电源电路模块 41.4.2 自动检测模块 41.4.3 排气电路模块 51.4.4 声光报警控制模块 61.4.5 工作原理说明 81.4.6 QM-N5 气敏传感器说明 91.5 仿真结果分析 .91.6 元件列表 112 机器人行走电路设计 .122.1 设计要求 122.2 方案选择与论证 122.3 设计总体方案 132.3.1 设计系统模块框图 132.3.2 设计原理流程框图 132.3.3 设计原理图 142.4 设计方案分析 .152.4.1 时钟脉冲模块 .152.4.2 计数器和计数器显示模块 152.4.3 机器人行走模块 162.4.4 定时模块 .182.4.5 所用芯片及其他器件说明 18武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书III2.5 仿真结果分析 212.6 元件列表 .22小结与体会 .23致 谢 .24参考文献 .25武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书I前 言在日常生活中，我们经常听到某某因煤气中毒而失去宝贵的生命，这是一个家庭安 全隐患问题；除此之外人们还希望机器人能代替人类做事，这样可以节省很多劳力，并可 以避免很多危险的侵害。针对以上两种情况，我们这次主要设计的就是典型的家庭智能控 制系统，包括有害气体检测与抽排电路设计和机器人行走电路设计。 通过课程设计，加深学生对相关课程基础知识与基本理论的理解和掌握，培养学生综 合运用所学知识的能力，并增强解决实际问题的能力。增强理论分析、设计计算、制图标 准与规范、查阅设计手册与资料的能力，同时加强我们的计算机的应用能力。 两个设计要求综合运用所学电子电路的知识，是模拟电子技术和数字电子技术的综合 运用，需要灵活运用所学知识，根据设计要求，来达到目的，分析原理、参数计算、元器 件选用。 这两个设计都以 555 定时器为核心，驱动各个部分电路工作，灵活运用555 定时器组 成的单稳态触发器和多谐振荡器。武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书1小型智能控制系统设计1有害气体检测与抽排电路设计1.1设计要求1）检测到有害气体意外排放超标时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁报警，同时自行启动抽排系统，以保障人们的生命财产安全。2）抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。3）对设计电路进行仿真。1.2 方案论证及选择本次设计有两套方案可供选择：方案一：是采用 220v 交流电源，经过变压、整流与稳压给各部分电路供电。再利用继电器，电压比较器来感应气敏电阻值得变化。当有害气体浓度升高，通过气敏电阻值变化来控制继电器的闭合，从而来控制声光报警与电机驱动电路工作，对与声光报警电路采用 555 定时器，采用两片 555 时基集成电路组成的变调音频调制振荡器构成，它的输出音频频率从 4002500Hz 范围循环变化，类似公安警车的警笛声，驱动喇叭发声并且灯光报警；方案二：是对于声报警电路，可以采用 LC179 来驱动控制喇叭发声。同时将芯片的第三管脚借到气敏电阻一端，通过感知其输出电平高低来驱动喇叭发声，使之在有害气体浓度超标时出现声报警。而光报警电路中可以采用两级直接耦合晶体管放大器，构成了自激多谐振荡器，通过调节滑阻值来控制时间。综上所述：由方案对比可以看出，方案一简捷易于实现，稳定性高，从经济上看，方案一也更经济，故采用方案一。武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书21.3设计总体方案1.3.1 设计系统模块框图电源模块 提供 12V 直流 自动检测模块提 检供 声光报警 测220V 模块 信交 号流 抽排模块图 1.1模块方框图1.3.2 设计原理流程框图声光系统和排气系 统都不工作返回自 毒气浓度 抽排后，毒动检测 小于 C 气浓度小于C有毒气体浓度开始 自动检测返回自 毒气浓度动检测 大于 C声光系统工作 排气系统工作 图 1.2 设计原理系统框图注：其中浓度 C 为毒气超标浓度。武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书31.3.3设计原理图图 1.3 设计原理图武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书41.4 设计方案分析1.4.1电源电路模块原理说明：电源电路由 220v 交流电压，变压器，整流电路，及滤波稳压电路组成，实现交流电到直流电的转变，在供电给后续电路工作。见图 1.4 为电源电路模块。电源电路电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化。因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。稳压电路主要由滤波电容和集成稳压电路组成。电容 C6 选择 1000uf、击穿电压为 320v 的电容，C1 选择 1000uf、击穿电压为 15v 的电容，C2 选择 0.01uf、击穿电压为 15v 的电容。U1 则是 7812 三脚集成稳压器。图 1.4 电源电路1.4.2自动检测模块 见图 1.5 自动检测模块。为当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N5 气敏传感器电阻值很大，使两个电压比较器正相输入端的电压均小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为“低电平”，继电器不工作，多谐振荡输出脉冲与低电平进行与运算，输出低电平；如果空气中的有害气体浓度达到 C 时，传感器的电阻值变小，使下面的电压比较器正相输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，谐振荡输武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书5出脉冲与高电平进行与运算，输出方波信号，使得三极管导通，进一步使得继电器工作，从而驱动声光报警电路。同时，比较器输出“高电平”，会使得继电器工作，从而驱动风扇抽排电路。 改变滑动变阻器 RV2 的阻值，可以改变电压比较器的反相输入端的电压，使声光报警及风扇抽排电路可以在有害气体不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对有害气体不同浓度的测量。RV1 为 5k 、额定功率为 1/16W,RV2 为 2k 、额定功率为 1/16W。R1 为 4k ，R2 为2k ，额定功率都为 1/16W。注：此处由于在元件库中找不到 QM-N5 器件，故用滑动变阻器 RV1 代替。图 1.5 气敏传感器工作原理图1.4.3排气电路模块图 1.6 排气电路工作方框图见图 1.6 为排气电路模块。排气电路中，二极管和继电器为开关作用。当气体浓度大于 C,气敏电阻阻值减小，从而使电压比较器输出高电平，使二极管导通，继电器工作，电机工作，开始进行排气。当毒气浓度低于 C 时，电压比较器输出为低电平，使二极管毒气浓度高于 C电压比较 U2输出高电平三极管处于饱和导通状态电动机工作开始排气武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书6截止，电机不能工作，停止排气。电机的额定电压为 12v，继电器 RL1 的额定电压为 5v。三极管 Q2 作为 RL1 的开关，控制继电器的闭与合.图 1.6 排气电路工作原理图1.4.4声光报警控制模块多谐振荡电路见图 1.7 为多谐振荡电路。555 定时器组成的多谐振荡器工作原理如下：接通电源后，电容 C5 被充电，当 Vc 上升到 2/3Vcc 时，触发器被复位，同时放电三极管 T 导通，此时 Vo 为低电压，电容 C5 通过 R4 和 T 放电，使 Vc 下降。当 Vc 下降到 1/3Vcc 时，触发器又被置位，V O翻转为高电平。输出端输出的方波信号周期： 345=0.7(R+2)C555 芯片的电源电压范围为 4.5v16V，C4 为 0.01uf;C5 为 10uf，两者击穿电压都是 15V。R3 为6.5k 电阻，R4 为 33k 电阻，两者额定功率都为 1/16W。武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书7图 1.7 多谐振荡电路图声光报警电路见图 1.8 为声光报警电路。当电压比较器输出高电平时，使得 U7 端口输出方波信号，高电平驱动继电器，灯泡发光；低电平断开继电器，灯泡变暗。于是灯泡处于间歇的工作状态。其周期计算如下： 345T=0.7(R+2)C可知，适当改变 C5,R3,R4 值可以改变灯泡和喇叭的工作频率。 U4:A 与 U7 组成与门，输入端为 555 定时器 3 脚与运放输出端。白炽灯与喇叭的额定电压 220V。继电器 RL2 额定电压为 5V。三极管 Q1 作为 RL2 的开关，控制继电器的闭与合。武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书8图 1.8 声光报警控制电路图1.4.5工作原理说明电源变压器将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化。因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N5 气敏传感器电阻值很大，使两个电压比较器正相输入端的电压均小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为“低电平”，U7 输出低电平，灯泡与喇叭均不工作；如果空气中的有害气体浓度达到 C 时，传感器的电阻值变小，使下面的电压比较器正相输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，U7 输出方波信号，使得灯泡闪烁，报警电路发出警笛报警声，同时使得二极管导通，继电器工作，从而驱动风扇抽排电路。改变滑动变阻器的阻值，可以改变电压比较器的反相输入端的电压，使声光报警及风扇抽排电路可以在有害气体不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对有害气体不同浓度的测量。武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书91.4.6 QM-N5气敏传感器说明气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。QM-N5 型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体等的检测，属于 N 型半导体元件。灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，市场上应用广泛。QM-N5 气敏元件参数如下：标定气体（0.1%丁烷气体，最佳工作条件）中电压2V，响应时间10S，恢复时间30S，最佳工作条件加热电压 5V、测量回路电压10V、负载电阻 RL 为 2K，允许工作条件加热电压 4.55.5V、测量回路电压 515V、负载电阻 0.52.2K。* QM-N5 传感器基本测试电路图 1.9传感器基本测试电路1.5仿真结果分析图 1.10 RL2的控制脉冲波形图VC输出信号RL VRLVH武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书10图 1.11 声光报警系统和抽排系统仿真图见图 1.9 与图 1.10，分别是继电器 RL2 的控制脉冲波形图和声光报警系统和抽排系统仿真图。RL2 的控制脉冲由 555 定时器构成的多谐振电路产生的谐振脉冲和检测模块产生的检测信号进行与运算而来。当检测到煤气泄漏时，检测模块产生检测信号为“1” ，然后与谐振脉冲与运算，由 U7 发出 RL2 的控制脉冲。其频率与谐振脉冲相同 。=1/T2Hzf控制脉冲为“1”时，RL2 接通，报警灯和喇叭工作，相反，控制脉冲为“0”时，RL2 连接另一端，报警灯和喇叭不工作，因此报警灯与喇叭以 2Hz 产生闪烁报警。与此同时，由于检测信号直接传递给排气模块，三极管 Q2 接受检测信号后，连通继电器， RL1 闭合，电机转动，开始排气。仿真效果与预想相同，只是在软件里无法找到交流电灯、交流喇叭及交流电机，故用直流电灯、直流喇叭和直流电机代替。武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书111.6元件列表本设计使用的各个元件如下表。表 1.1 有害气体检测报警及抽排电路元件列表元件名称 型号 数量双刀双掷继电器 OMI-SH-205L 1单刀双掷继电器 OMIH-SH-105L 1交流电动 Motor 1气敏传感器 MQ-N5 1变压器 220V/9V 1整流桥 QL400/1A 1稳压器 LM78012 1555 定时器 555 1扬声器 5W,8 1报警灯 220V,15W 1三极管 9013 2电阻 各种阻值 若干电容 无极性电容与电解电容 若干功率放大器 EL2170 1排气扇 220V，300W 交流 1与非门 74HC00 1非门 74HC04 1武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书122机器人行走电路设计2.1设计要求1、接通电源，机器人前进，行走一段时间后，机器人自动后退，退行一段时间后自动前行，周而复始。2、机器人行走动力只能使用干电池，不能使用动力电源。3、机器人前进、后退时间可调。2.2方案选择与论证可采用两种方案供选择：方案一：是 555 定时器产生脉冲信号，来激发 161 及 248 组成的电路进行计时，同时驱动电机旋转，当计数到设定时间时，产生触发信号，触发 JK 触发器，JK 触发器在触发信号控制下输出发生高低电平跳变触发器发出信号使直流电机两端电机两端电压发生跳变直流电机正反转，实现小车前进与后退。方案二：则是通过单片机的某一输入端口来实现时间的设定，单片机内部电路实现计时功能，并通过引脚输出电压的转换产生正转和反转的控制信号，通过驱动电路来实现机器人的前进和后退。单片机控制可根据需要调整设置时间的范围，不需要更改电路，并且可通过编程实现其他一些复杂的功能。通过比较不难发现，方案一易于操作，更简捷方便，经济性高，由于我对单片机比较了解，手上又有现成的材料，因此采用方案二。武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书132.3设计总体方案2.3.1 设计系统模块框图提供电源 提供电源设置时间时钟脉冲计时信号图 2.1 模块方框图2.3.2 设计原理流程框图图 2.2 设计原理系统框图直流电机两端电压发生跳变计数器减到零时产生触发信号触发 D 触发器干电池构成的 12V 电源直流电机正反转D 触发器发生高低电平跳变显示电路显示小车前进后退时间多谐振荡电路定时模块时钟脉冲模块 计数及显示模块机器人行走模块武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书142.3.3 设计原理图图 2.3 设计原理图武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书152.4 设计方案分析2.4.1时钟脉冲模块 图 2.4 多谐振荡电路如上图 2.4,555 定时器构成的多谐振电路做时钟脉冲发生模块。接通电源后，电容C2 被充电，当 Vc 上升到 2/3Vcc 时，触发器被复位，电容 C2 通过 R2 和 T 放电，使 Vc 下降。当 Vc 下降到 1/3Vcc 时，触发器又被置位，Vo 翻转为高电平。使 3 端输出方波信号，此方波信号的周期： 12T=0.7(R+)C通过对 SW1 开关的操作可以选择 3 端输出的方波信号的周期 T 为 1s 或者 0.5s。R1:A、R1:B 及 R2 分别为 78.2k 、6.1k 及 33k ，它们的额定电压均可为 1/16W。C1与 C2 分别为 0.01uf 与 10uf，其击穿电压均为 15V。2.4.2 计数器和计数器显示模块如下图 2.5。由多谐振荡器 3 端输出的方波信号接到 U2 的“DN 减计数”端，驱动74HC192 进行减计数，然后将 U2 的“TCD 借位端”接到第 U3 的“DN 减计数”端，再将两武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书16片 74HC192 的所有输入端取非后接到一个八输入与非门，产生的信号通过继电器接到两个芯片的“PL 置数端” 。这样，当第一个芯片减到零时，向高位产生一个借位信号，使高位减一，依次循环，知道两个芯片均减到零时，两个借位端相或产生的信号使得两个芯片的置数端有效，使其指数，又回到起点。同时八个输出端分别接入七段数码管做显示。芯片均为 cmos 芯片，电源电压为 3V18V。图 2.5 74HC192计数器和七段数码管构成的计数器显示电路2.4.3 机器人行走模块D触发器实现信号翻转如下图 2.6。用与非门产生的信号作为 D 触发器的触发信号，于是，当计数完成一个周期时，D 触发器接受到一个触发信号，使得 Q 端输出翻转。武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书17图 2.6 D触发器及翻转电路直流电机正反转电路如下图 2.7。当 D 触发器输出为高电平时，Q1,Q4 导通，Q2,Q3 截止，直流电机两端电势差为-6.0v,直流电机反转，机器人后退。当 D 触发器输出为底电平时，Q1,Q4 截止，Q2,Q3 导通，直流电机两端电势差为6.0v，直流电机正转，机器人前进。于是就实现了机器人前进后退的要求。且时间相等。R3、R4、R5 及 R6 均为 800 ，额定电压为 0.25W。Q4 与 Q2 为 PNP 三极管，Q1 与 Q3 为NPN 三极管图 2.7 直流电机正反转电路武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书182.4.4定时模块如下图 2.8。当 SW2 接地时，计时模块的两个计时器处于预置状态，此时按一下“个位定时”按钮，U2 便会预置“0001” ，按两下，U2 便预置“0010” ，以此类推， “各位按钮”可使 U2 预置“0000”至“1001” ，同理， “十位按钮”对 U3 有相同功能。设定成功后，将 SW2 接回与非门输出端。计数器便以设定的时间进行反复减计数。其可设定的范围为 199 个时钟脉冲周期。图 2.8 定时模块电路图2.4.5 所用芯片及其他器件说明74HC192计数器武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书19图 2.9 74HC192真值表74HC192 管脚图：图 2.10 74HC192管脚图74HC192 具体功能：1异步清零：当 MR=1 时，计数器输出将直接清零，与其他输入端的状态无关，这就是异步清零2加、减计数功能：当 MR=0,PL=1,CPD=1 时，CPU 端接脉冲信号，就实现了加计数功能；当 MR=0,PL=1,CPU=1 时，CPD 端接脉冲信号，就实现了减计数功能。 3置数功能：当 MR=0，PL=0 时，计数器输出端与输入端相同，即实现置数功能。武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书20D触发器JK 触发器真值表：图 2.11 D触发器真值表故当 JK 触发器的 J、K 端均接高电平时，每来一个触发信号便使得其发生一次翻转，于是就实现了小车前进与后退的功能要求。图 2.12 74HC175引脚图D 触发器功能说明：本电路中，欲将 D 触发器接成 T触发器，应使 D 接 。于是便能实Q现翻转功能。武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书212.5仿真结果分析图 2.13 机器人行走仿真图如上图 2.13 为预置 15 秒的机器人来回行走仿真图。SW2 接地，将“个位按钮”按五