小型智能控制系统设计 自动化论文.doc

武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书学号电工电子综合课程设计题 目 有害气体检测与抽排电路设计机器人行走电路设计学院（系）： 自动化 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 周晓年 2013 年 7 月 5日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师：周晓年 工作单位：自动化学院 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：设计一个自动检测有害气体浓度，且当有害气体浓度超标时，能自动发出声光报警，自动抽排有害气体的控制电路。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、后退的机器人行走控制电路。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。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。2、 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、课程设计感言等。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24日7月5日）。6月24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24日下午6月26日下午学生查阅资料；6月27日上午6月30日下午学生初步设计；7月1日上午7月1日上午检查设计进度；7月1日下午7月3上午深化设计；7月3日下午7月4日上午答疑、质疑；7月4日下午7月4日下午进一步完善设计，形成设计报告电子文档；7月5日课程设计报告打印、装订、提交。指导老师签名： 2013年6 月 17 日 系主任（或负责教师）签名： 2013年 月 日目 录摘要61有害气体检测与抽排电路设计71.1设计任务及要求71.1.1任务71.1.2要求71.2设计方框图81.3设计原理及分析101.3.1总设计原理图101.3.2整流稳压电路111.3.3有害气体检测电路121.3.4抽排气体电路121.3.5声光报警电路131.4元器件说明141.4.1 qm-n5气敏传感器141.4.3继电器151.4.3 555定时器构成的多谐振荡器161.4.4电路元件参数162机器人行走电路设计172.1设计任务及要求172.1.1任务172.1.2要求172.2设计方框图172.3设计原理及分析182.3.1总原理电路图182.3.2多谐振荡器182.3.2计时器电路192.3.3 d触发器202.3.4直流电机正反转电路212.4元器件说明222.4.1 74hc161222.4.2 机器人行走电路所用元件23结束语24参考文献24摘 要现代社会，电子技术日益发展，很大的程度上为人类提供了方便，节省了人力。此报告内包含两个设计：有害气体检测与抽排电路设计和机器人行走电路设计。有害气体检测与抽排电路设计利用了气敏传感器检测信号，利用此信号通过一些元器件和芯片来操控电机转动以抽排出有害气体，并且同时发出声光报警信号，通知用户。机器人行走电路利用各种芯片产生提前设定的信号，同时传递给电机，操纵机器人的前进与后退，完成所需设定的功能。两个设计都为我们提供了方便，智能控制，自启动和自动关闭，大大节约了人力资源。设计要求综合运用我们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，并且要求我们能够使用protel来将自己设计的电路展示出来，结合了理论知识和动手能力，为以后更加深入地学习，实践本专业的知识做好了铺垫。关键字：气敏传感器 智能控制 555定时器 protel1有害气体检测与抽排电路设计1.1设计任务及要求1.1.1任务设计一个自动检测有害气体浓度，且当有害气体浓度超标时，能自动发出声光报警，自动抽排有害气体的控制电路。1.1.2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。1.2设计方框图电源系统稳压电路有毒气体自动监测系统有毒气体浓度超过标准值是否声光报警系统自动排气系统1.3设计原理及分析1.3.1总设计原理图 图1-1电源由220v交流电压供电，为了器件能在正常电压下工作，则需外加变压器使之输出合适的电压值，再经过整流，滤波，稳压电路。最终输出恒定直流。而气敏电阻能通过感知有害气体浓度变化来改变自身电阻，通过电压比较器来输出 高低电平，从而控制继电器工作与否，因而驱动电机与声光报警电路工作。（图1-1中由于气敏电阻在元件库中未找到，以滑动变阻器r2代替）1.3.2整流稳压电路 图1-2整流滤波电路实际生活中的电源为220v交流电源，所以要增加一个整流稳压电路，使其输出直流电源。整流电路常采用二极管单相全波整流电路，在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，选择电容滤波电路后，直流输出电压：uo1=(1.11.2)u2，直流输出电流 。然后经过稳压管7812，输出稳定的12v直流电。1.3.3有害气体检测电路图1-3有害气体检测电路本系统使用qm-n5气敏传感器（图1-3中，由于protel元件库中没有qm-n5，用滑动变阻器r2代替）检测有害气体。气敏传感器是一种基于声表面波器件波速和频率随外界环境的变化而发生漂移的原理制作而成的一种新型的传感器，qm-n5型气敏元件是以金属氧化物sno2为主体材料的n型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。当有毒气体浓度升高时，气敏传感器电阻降低，使滑动变阻器上电压值变大，通过电压比较器使双向金闸管导通，带动电机运转，抽排气体，另一方面使音频报警器报警，同时通过555组成的多谐振荡器使灯泡发出1hz的闪烁光，也起到了报警作用。当气体被排出，浓度达到标准时，电路回复到自动检测状态。1.3.4抽排气体电路 图1-4抽排气体电路当工作环境中有害气体浓度不超标时，气敏电阻值很小，通过变压比较器输出的电压为低电平，继电器不工作，声光报警与电机电路不工作。当有害气体浓度过高时，气敏电阻qm-n5电阻值变小，电压比较器输出高电平，继电器内部开关闭合，启动声光报警与电机，对有害气体进行抽排。1.3.5声光报警电路 图1-5声光报警电路声光报警电路通过两个555定时器发出的方波信号驱动喇叭工作，而采用两个555定时器则可发出不同频率的方波，使得喇叭发出警笛声。实现警笛声音。当继电器内部闭合，为555定时器供电，使之发出方波信号，促使灯泡发光，喇叭报警。图中555定时器构成的多谐振荡器输出方波，其频率为f=1/( tpl +tph)，近似可看成f=1.43/(r1+r2)c。1.4元器件说明1.4.1 qm-n5气敏传感器qm-n5型气敏元件是以金属氧化物sno2为主体材料的n型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。特点：用于可燃性气体的检测（ch4、c4h10、h2等），灵敏度高，响应速度快，输出信号大，寿命长，工作稳定可靠。 技术指标： 加热电压（vh） ac或dc 50.2v响应时间(trec)10s回路电压（vc）最大dc 24v恢复时间(trec)30s 负载电阴（rl）2k元件功耗0.7w清洁空气中电阻 （ra） 2000 k检测范围5010000ppm灵敏度（s=ra/rdg）4(在1000ppmc4h10中)使用寿命2年vc输出信号rlvrlvh基本测试电路使用方法及注意事项1.元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟后达到稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决.2.加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用为佳.3.元件在接触标定气体1000ppm c4h10后10秒以内负载电阻两端的电压可达到(vdg- va)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppm c4 h1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(vdg- va)差值的80%(即恢复时间).符号说明检测气体中电阻- rdg 检测气体中电压- vdgrdg 与vdg的关系: rdg=rl(vc/vdg-1)负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度.使用条件:温度-1535;相对湿度4575%rh;大气压力80106kpa环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之.1.4.3继电器继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。 查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品1.4.3 555定时器构成的多谐振荡器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c被充电，当vc上升到2/3vcc时，触发器被复位，同时发电bjt t导通，此时vo为低电压，电容c图1.4.1 多谐振荡器电路 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。输出端输出的方波信号周期t=0.7（r5+2r6）c21.4.4电路元件参数表1-1 有害气体的检测与抽排电路的元件列表元件名称规格型号数量交流电压源220v1个气敏传感器mq-n51个功率放大器opamp1个555定时器5552个灯泡lamp1个扬声器speaker1个电动机acmotor1个双向晶闸管triac1个三端稳压器78121个变压器trans1个滑动变阻器4.7k，100k各1个电阻箱2k1个整流桥braige11个电容0.33uf1个电容470uf2个电容100uf1个电解电容10uf，100 uf各1个电阻1k2个电阻2k1个电阻40k2个电阻 6.8k1个电阻100k1个2机器人行走电路设计2.1设计任务及要求2.1.1任务设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。2.1.2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设计方框图555定时器构成多谐振荡电路计数器电路，提供触发信号直流电机正反转，实现小车前进与后退d触发器及门电路（提供前进、后退信号）2.3设计原理及分析2.3.1总原理电路图 图2-12.3.2多谐振荡器图2-2 555多谐震荡器由555定时器构成的多谐振荡器，接通电源后，电容c被充电，当vc上升到2/3vcc时，触发器被复位，同时发电bjt t导通，此时vo为低电压，电容c通过r2和t放电，使vc下降。当vc下降到（1/3）vcc时，触发器又被置位，vo翻转为高电平。电容器c放电所需的时间为：tpl=r2cln2 可近似看成tpl=0.7r2c当c放电结束时，t截止，vcc将通过r1、r2向电容器c充电，vc由（1/3）vcc上升到（2/3）vcc所需的时间为：tph=(r1+r2)cln2 。可近似看成tph=0.7(r1+r2)c。而当vc上升到（2/3）vcc时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：f=1/( tpl +tph)可近似看成f=1.43/(r1+r2)c。2.3.2计时器电路 图2-3计时器电路多谐振荡器输出的脉冲信号接入161计数器的时钟信号输入端，作为时钟信号。将d0、d1、d2、d3都接地，q0,q1，q2,q3接到一个四输入与非门然后接到计数器的清零端，实现从0到15并自动清零的循环十进制计数器。当计数到15，即二进制1111时，四输入与非门u3产生低电平，下一个周期到来时，低电平变为高电平，使d触发器触发，使电机反转，从而实现了机器人的前进和后退。2.3.3 d触发器 图2-4 d触发器d触发器的输出方程为qn+1=d 如图2-4所示，d等于q非，则此触发器的功能为：有触发信号后，输出状态发生改变，d接高电平，cd接低电平，d与q非连接在一起，当时钟触发时，q的状态翻转，同时使另外两个三极管导通，原来的三极管截至，使电机反转。2.3.4直流电机正反转电路 图2-5直流电机正反转电路此设计采用h桥电路连接电动机，当输入端口输入高电平时，左边两个三极管导通，从而实现电动机的正转；当接低电平时，右边两个三极管导通，从而实现电动机的反转.当非门左端输入为低电平时，右上和左下三极管截止，右下和左上三极管导通，直流电动机左端为高电平右端为低电平，仿真可知电势差u=4.95v，直流电机正转，小车前进。当非门左端输入为高电平时，右上和左下三极管导通，右下和左上三极管截止，直流电动机左端为低电平右端为高电平，直流电机反转，小车后退。2.4元器件说明2.4.1 74hc16174hc161计数器是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能管脚图介绍：时钟cp和四个数据输入端p0p3清零/mr使能cep，cet 图2-6 74hc161引脚图 置数pe 数据输出端q0q3以及进位输出tc. (tc=q0q1q2q3cet)2.4.2 机器人行走电路所用元件表2-1 机器人行走电路所用元件元件名称型号数量555定时器5551个计数器74hc1611个d触发器74ls741