电工电子综合课程设计-小型智能控制系统设计.doc

武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书附件1：学 号： 课 程 设 计题 目小型智能控制系统设计学 院自动化专 业电气卓越工程师班 级姓 名指导教师年月日目录摘要11 有害气体检测与抽排电路设计11.1 设计要求11.2 电路总体方案21.2.1 方案论证21.2.2 方案简要说明21.2.3 电路系统框图及总体原理图31.3 电路原理分析41.3.1 电源电路41.3.2第一级光报警电路41.3.3气敏传感器及抽排电路51.3.4第二级声报警电路61.3.5 整体工作电路71.3.6整体电路原理图81.3.7整体电路PCB图81.4 所用芯片及其他器件说明91.4.1 555定时器91.4.2 QM-N5气敏传感器101.4.3继电器101.5 附表一：有害气体检测与抽排电路所有元件101.6 方案优缺点111.6.1方案优点121.6.2方案缺点121.6.3方案改进思路122 机器人行走电路设计122.1 设计要求122.2电路总体方案122.2.1 方案论证122.2.2 方案简要说明132.2.3 电路系统框图及总体原理图1323电路原理分析142.3.1 555多谐振荡电路152.3.2 74LS161计数器和计数器显示电路152.3.3 JK触发换向电路162.3.4 电机控制电路182.3.5 整体工作电路182.4 所用芯片及其他器件说明192.4.1 JK触发器192.4.2 L29819表2.1202.5 附表2：机器人行走电路所用器件202.6 附图：机器人行走电路原理图及PCB图212.7电路优缺点222.7.1 优点232.7.2 缺点232.7.3改进思路23设计体会23参考文献24 小型智能控制系统设计摘要自动化控制是指机器设备、系统或过程在没有人或较少人的直接参与下实现预期的目标的过程。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，提高劳动生产率。 此篇报告包含两个设计：有害气体检测与抽排电路设计和机器人行走电路设计。1.有害气体检测与抽排电路设计。此电路利用了气敏传感器检测信号，并且利用此电压信号通过电压比较器等一些元器件和芯片分两级发出声光报警信号，通知用户检查有害气体产生的原因或撤离，同时控制电机来抽排气体。2.机器人行走电路。此电路可利用计数器与门电路提前预置时间，同时给电机触发控制信号，控制电机正转与反转从而操纵机器人的前进与后退。有害气体检测与抽排电路可以自启动和关闭，两级调节给用户以较高的安全性与可靠性；机器人行走电路可以实现机器人的前进与后退。两个电路的设计都需要比较扎实的专业知识，掌握proteus和AltiumDesigner等仿真软件的使用，并且学会在设计中调试和优化电路，对电路设计能力有很大的提高。关键词： 自动化 智能控制 分级报警 电路设计 电路仿真 1 有害气体检测与抽排电路设计1.1 设计要求运用所学的相关知识，设计有害气体检测与抽排电路。此电路可以自动检测有害气体的浓度，当浓度低于所设定的第一安全值时，电路不实施任何动作，这时电路处于A状态；当浓度高于所设定的第一安全值时，电路发出光报警信号提醒用户进行检查，这时电路处于B状态。当浓度高于设定的第二安全值时，电路发出警笛声且电动机带动风扇进行抽排，这时电路处于C状态。当有害气体浓度再度低于安全值时，声光报警器件以及电机停止工作，电路再度返回A状态并且继续进行检测工作。1.2 有害气体检测与抽排电路总体方案1.2.1 方案论证对于声报警电路，有两套方案可供选择。其一是通过555定时器产生的方波信号驱动光报警系统与声报警系统以及电机抽排系统同时工作，使其发出单频率报警声，报警灯闪烁且电机带动风扇转动；方案二是利用分级报警机制，利用两个电压比较器，通过对滑动变阻器的控制使系统。在有害气体刚刚产生，尚不构成危害时光报警系统工作，提醒安全人员进行检查，当有害气体浓度较大构成危害时使光报警系统与声报警系统以及电机抽排系统同时工作，且发出双频率警笛声。对比方案一和方案二，方案二分级报警更加合理，而且双频警笛声能起到更好的警示作用，故而选择方案二。1.2.2 方案简要说明在电路中，输入的交流电源通过变压、整流、滤波以及稳压输出5v的直流稳压源给电路供电。另一部分通过气敏传感器捕捉有害气体的浓度，气敏传感器电阻值随其浓度变化而变化，在B状态下通过电压比较器并利用二极管单向导通性，将二极管输出连接555定时器，控制其工作状态，从而控制报警灯的闪烁。在C状态下，通过电压比较器控制继电器的开和关，继电器输出接到555定时器，定时器产生脉冲电压使喇叭产生灯产生报警信号，同时电机开始工作。有害气体检测系统1.2.3 有害气体检测与抽排电路电路系统原理框图光报警系统电源降压稳压 系统声报警系统及电机抽排图1.1 有害气体检测与抽排电路系统原理框图1.3有害气体检测与抽排系统仿真电路各工作系统分析1.3.1 电源仿真电路图1.2 电源电路仿真图原理说明：电源电路由220v交流电压、变压电路、整流电路、滤波电路以及稳压电路组成的。输入220v的交流电压经过变压器变压至所需的电压值，再经过整流桥把交流电压转变为直流，然后通过电容滤波，去掉电压中的纹波，但是这是的电压会受到负载很大的影响，缺乏稳定性，所以再接7805稳压器进行稳压，这时候输出的电压就是相对稳定的5v直流电压了。1.3.2第一级光报警仿真电路图1.3第一级光报警电路仿真图通过调整RV4设定第一级传感器输出电压比较值，当传感器输出电压大于比较电压值时，电压比较器正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，电压比较器输出高电平，二极管导通，555定时器输入高电平，使555定时器输出方波信号。当555定时器输出高电平时，灯泡工作变亮，当555定时器输出低电平时，灯泡停止工作熄灭，于是灯光间歇闪烁报警。当传感器输出电压小于比较电压值时，电压比较器正向输入端输入的电压小于反向输入端的电压，电压比较器输出低电平，二极管截止，555定时器不工作，报警灯无电流通过，处于熄灭状态。其频率f=1.43/（R5+2RV3）C9，改变滑动变阻器RV3的阻值可以改变灯泡闪烁的频率。1.3.3气敏传感器及抽排仿真电路图1.4 气敏传感器及抽排电路仿真图由于protues缺少元件QM-N5，现用一个滑动变阻器RV1代替。当有害气体浓度低于第二级安全值时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，这时电压比较器正向输入端的电压小于反向输入端的第二级传感器输出电压比较值，电压比较器输出低电平，D2截止，继电器不工作，电机不转；当有害气体浓度增加至大于设定的第二级安全值时，QM-N5气敏传感器电阻值变小，使得电压比较器正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，电压比较器输出高电平，D2导通，使继电器工作，电机转动。改变滑动变阻器RV2的电阻值，可以改变电压比较器反向输入端的电压，从而适应不同浓度下的要求，可以自由设定安全浓度。1.3.4第二级声报警仿真电路图1.5第二级声报警电路仿真图当有害气体浓度大于第二级安全值时，继电器开关闭合，555定时器输入高电平，使555定时器输出方波信号。图中拟救护车声响的电路原理，图中U3、U4都接成自激多谐振荡器的工作方式。其中，U3输出的方波信号通过R6去控制U4的5脚电平。当U3输出高电平时，U4的振荡频率低；当U3输出低电平时，U4的振荡频率高。因此U4的振荡频率被U3的输出电压调制为两种音频频率，使扬声器发出类似警笛的滴、嘟、滴、嘟的双音声响。经仿真及计算，U3输出低电平时，U4的5脚最高电位约为2.5V,二脚最低电位约为1.25V。由于设计R3 =100欧，R2=150K欧，R3=0.2Po=2.8W，V(BR)CEO的绝对值大于2VCC=30V，ICM=VCC/RL=15/8=1.875A。经查阅三极管手册NPN管可采用C2594（40V、5A、10W），PNP管可采用B772（40V、5A、10W）1.3.5 有害气体检测与抽排电路仿真图图1.6有害气体检测与抽排仿真图1.3.6 有害气体检测与抽排电路仿真结果分析及附图在电路中，首先将电源220v交流电压通过变压、整流、滤波和稳压变成直流12v稳压源输出给气敏传感电路。气敏传感器检测有害气体浓度并且改变自己的电阻值，当有害气体浓度低于第一安全值时，即处于A状态时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，这时电压比较器正向输入端的电压小于反向输入端的电压，电压比较器输出低电平，继电器不工作，电机不转，且光报警电路与声报警电路均无输入电压，也不工作；仿真结果如图1.7.a到1.7.c所示图1.7.a 分析：由于QM-N5气敏传感器电阻与气体浓度成反比。由于proteus无QM-N5，故用滑变RV1进行仿真。a图表示有害气体浓度占QM-N5测量范围的14%，此时RV1=86%RV1max电压比较器U5正向输入端的电压约为5*14%=0.7V小于反向输入端的电压约为5*25%=1.25V，电压比较器输出低电平,U5输出端连接的灯报警系统不工作。图1.7.b分析：b图表示A状态下RV1=86%RV1max电压比较器U2正向输入端的电压约为5*14%=0.7V小于负输入端电压约为5*50%=2.5V，U2输出低电平，D2截止，继电器开关断开，抽排电机不转动，声报警系统不工作。图1.7.c分析：由a、b两图分析得U2、U5电压比较器均输出低电平，继电器不工作，电机不转，且光报警电路与声报警电路均无输入电压，也不工作。电路仿真结果如图1.8.c所示。当有害气体浓度增加至大于设定的第一安全值时，QM-N5气敏传感器电阻值变小，使得电压比较器U5正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，U5输出高电平，使警灯闪烁报警。U2正向输入端输入的电压仍小于于反向输入端的电压，抽排电机不转，声报警系统不工作。仿真结果如图1.7.a到1.7.c所示图1.8.a 分析：a图表示有害气体浓度占QM-N5测量范围的40%，此时RV1=60%RV1max电压比较器U5正向输入端的电压约为5*40%=2V大于反向输入端的电压约为5*25%=1.25V，电压比较器输出高电平,U5输出端连接的灯报警系统工作。通过555多谐振荡气候，警灯闪烁报警。图1.8.b分析： b图表示B状态下RV1=60%RV1max电压比较器U2正向输入端的电压约为5*40%=2V小于负输入端电压约为5*50%=2.5V，U2输出低电平，D2截止，继电器开关断开，抽排电机不转动，声报警系统不工作。图1.8.c分析：由a、b两图分析得U2电压比较器均输出低电平，继电器不工作，电机不转，且声报警电路无输入电压，不工作。U5电压比较器均输出高电平，D3导通，通过555多谐振荡气候，警灯闪烁报警。电路仿真结果如图1.9.c所示。当有害气体浓度增加至大于设定的第二安全值时，QM-N5气敏传感器电阻值继续变小，电路工作在C状态下，电压比较器U2正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，使继电器工作，电机转动，进行抽排气体，同时输入高电平给声报警电路，驱动声报警电路工作进行报警。电压比较器U5正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，输出高电平，使二极管导通，光报警电路工作进行光闪烁报警。仿真结果如图1.8.a到1.8.c所示图1.9.a分析：a图表示有害气体浓度占QM-N5测量范围的61%，此时RV1=39%RV1max电压比较器U5正向输入端的电压约为5*61%=3.05V大于反向输入端的电压约为5*25%=1.25V，电压比较器输出高电平,U5输出端连接的灯报警系统工作。通过555多谐振荡气候，警灯闪烁报警。图1.9.b分析：b图表示C状态下RV1=60%RV1max电压比较器U2正向输入端的电压约为5*61%=2V小于负输入端电压约为5*50%=2.5V，U2输出高电平，D2导通，继电器开关闭合，声报警系统输入高电平，通过两片555使喇叭发出双频叫声。同时，高电平驱动电机转动抽排气体。图1.9.c分析：由a、b两图分析得U2、 U5电压比较器均输出高电平，继电器工作，电机转动，且声报警电路工作发出双频率报警声。D3导通，通过555多谐振荡气候，警灯闪烁报警。电路仿真结果如图1.10.c所示。1.4附图：有害气体检测与抽排电路原理图及PCB图图1.10 有害气体检测与抽排电路原理图图1.11 有害气体检测与抽排电路电路PCB图1.5有害气体检测与抽排电路主要芯片及其他器件说明1.5.1 555定时器图1.12多谐振荡器电路图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（R1+2R2）C1.5.2 QM-N5气敏传感器时间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欧。 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2K。由于Proteus中无此模型，本方案仿真中用滑动变阻器模拟。1.5.3继电器继电器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：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。1.6附表一：有害气体检测与抽排电路所有元件表1.1名称规格型号位号数量7805集成稳压器L7805U11交流电源VSINEV11变压器TRAN-2P2STR11整流桥BRIDGEBR11直流电机MOTORM11继电器RLY-DPNORL11电压比较器OPAMPU2、U52555定时器NE555U3、U4、U63灯泡LAMPL11喇叭SPEAKERLS11电阻100KR11电阻150KR21电阻100R31电阻10KR41电阻5KR51滑动变阻器1KRV1、RV2、RV42滑动变阻器100KRV31二极管1N4007D1、D2、D33三极管C2594（NPN）Q11三极管B772（PNP）Q21电容1000uFC11电容0.33FC21电容0.1uFC3、C71电容10uFC4、C52电容0.047uFC6、C82电容100uFC9、C1021.7方案优缺点1.7.1方案优点 优点：1.本方案所用元器件便宜且易购得，降低了制作成本。2.本方案采用分级报警机制，可以保证用户有充足的时间进行检查或撤离，用户安全得以保障。3.由于分级报警的设计，即使一级报警系统出现故障如光报警系统失灵无法报警，仍有第二级报警系统正常工作，增加了系统可靠性。1.7.2方案缺点 缺点：1.本方案由于未采用单片机等开发板电路，没法进行软件上修改，所以难以进行大规模升级改进。 2.电动机转速无法调节。1.7.3方案改进思路 改进思路：可以采用电机学知识增加一个励磁电路，通过滑变控制该电路电流与有害气体浓度成反比，从而有害气体浓度增大时，励磁电流减小，从励磁磁通减小，利用弱磁升速原理提高电机转速。2 机器人行走电路设计2.1 设计要求设计一个机器人行走电路，当接通电源后，机器人自动前进，一段时间后机器人自动后退，交替进行。并且机器人前进后退的时间可调。2.2电路总体方案2.2.1 方案论证 对于数码显示电路，可以使用两片74LS90二五十进制芯片和八个四个单刀双掷开关及部分门电路，控制两个七段数码管进行双管显示。也可以通过一片74LS161具有异步清零功能的十六进制计数器与四个单刀双掷开关及部分门电路控制一个七段数码管进行单管显示，为使显示部分更简洁，采用单数码管显示电路。对于电机驱动电路，有两套方案可供选择。方案一是通过四个三极管构成的H驱动电路，使输入高电平时，电机两端电压为正，驱动电机正转，输入低电平时，电机两端电压为负，电机反转；方案二利用了芯片L298控制电机，通过输入端IN1和IN2来控制电机的正反转。对比两个方案，方案一所需的器件多，参数设置比较麻烦，而方案二只需要一个芯片就可以控制电机，简便快捷，不易出错，因此选择方案二。2.2.2 方案简要说明机器人行走电路通过555定时器产生脉冲信号输入72LS161加计数端驱动74LS161进行加计数并且通过译码显示管显示出来。当加计数到与单刀双掷置开关所置的二进制数相同时，通过一个74LS86四异或门与一个4072四输入与门相连，产生一个由高电平变低电平的下降沿，一方面使计数端强制清零，另一方面使JK触发器完成信号的翻转，再通过电机控制电路控制电机的反转。前进与后退时间的控制可以通过滑动变阻器RV1改变555定时器的频率或者通过开关控制74LS161改变预置时间。2.2.3 机器人行走电路系统原理框图计数模块脉冲信号激发模块电机驱动模块数码管时间显示模块预置时间模块图2.1 机器人行走电路系统原理框图2.3机器人行走电路各工作系统分析2.3.1 555多谐振荡电路图2.2 多谐振荡电路原理同设计1中555定时器。若设置频率为1HZf=1.43/(RV1+2R1)C1计算得RV=4.3K欧时555产生频率为1HZ，周期1s的方波信号。也即计数器每次计数相隔1s。2.3.2 74LS161计数器和计数器显示电路图2.3 74LS192计数器和计数器显示电路图由多谐振荡器3端输出的方波信号接到一片74LS161的时间脉冲信号端CLK，在脉冲信号下，驱动74LS161进行加计数，然后将Q3到Q0端分别接到SW4到SW1单刀双掷开关的一端，同时接到7448七段共阴极数码管译码器输入端D到A。一方面驱动译码器译码并使数码管显示，另一方面当计数到与预置计数次数相同时，预置时间电路会通过一个74LS86四异或门与一个4072四输入与门与74LS161异步清零端MR相连并产生从高电位向低电位的变化从而进行清零并重新计数。2.3.3 JK触发换向电路 图2.4 JK触发换向电路将JK触发器J、K、S、R端同时接高电平，形成T触发器。特性方程为Qn+1=Qn*。从或门输出的信号控制JK触发器，当计数完成一个周期时，JK触发器接受到一个下降沿触发信号，使得Q端输出翻转。并且输出给电机控制电路。图中的单刀双掷开关另一端连接一反相器，当开关打到这一端时，原本与门在计数过程中保持高信号输出，接入非门使信号立刻翻转，产生下降沿实现了即时控制的功能。2.3.4 电机控制电路图2.5 电机控制电路芯片L298接受JK触发器的信号，IN1和IN2接两个相反的信号，当JK触发器输出的信号翻转时，电机也随之向反方向转动。2.3.5 机器人行走电路仿真图图2.6机器人行走电路仿真图2.3.6 机器人行走电路仿真结果分析及附图机器人行走电路主要是利用集成芯片完成需要设定的功能。通过555定时器组成的多谐振荡器输出脉冲电压操纵芯片74LS61完成加计数，当74LS161加计数一轮完成后输出下降沿信号给JK触发器，使 JK触发器的输出信号翻转，从而电机也随之翻转。而74LS192又通过置数端从新进行减计数，周而复始。图2.7 机器人行走电路仿真图2.4 附图：机器人行走电路原理图及PCB图 图2.8 机器人行走电路原理图图2.9 机器人行走电路PCB图2.5主要芯片及其他器件说明2.5.1 JK触发器JK触发器特征表J K QnQn+1功能0 0 00 0 100Qn+1= Qn保持0 1 00 1 101Qn+1= 0置01 0 01 0 111Qn+1= 1置11 1 01 1 110Qn+1翻转本电路JK触发器功能说明：本电路中，欲将JK触发器接成T触发器，应使J、K均接高电平。于是便能实现翻转功能，实现了机器人前进与后退的功能要求。2.5.2 L298直流电机驱动芯片引脚符号功能115SENSING ASENSING B 此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号。23OUT 1OUT 2 此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载4VS电机驱动电源输入端57IN1IN2 输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A的开关611ENBLE AENBLE B使能控制端，输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作。8GND接地端，芯片本身的散热片与8脚相通9VSS逻辑控制部分的电源输入端口1012IN3IN4 输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关1314OUT3OUT4 此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载2.6 附表2：机器人行走电路所用元器件名称规格型号位号数量555定时器NE555U11计数器74LS161U21JK触发器74HC76U6:A1数码显示管7SEG-DIGITALU81直流电机MOTORM11非门74LS04U8:A1或门4072U3:A1电阻5KR11滑动电阻器100KRV11开关SW-SPDTSW1、SW2、SW3、SW4、SW55电容100uFC11电容0.047ufC21电机控制芯片L298U71直流源+5VU1、U2、U6：A32.7电路优缺点2.7.1 优点1.本方案简洁明了，多用集成芯片，成本低廉，易于实际制作。2.本方案有预置时间功能，可根据用户需求自行设定时间。3.本方案有即时控制电机功能，可及时控制机器人前进或后退，从而避免撞损机器人。2.7.2 缺点1本方案设计的功能过于简单。2. 机器人前进与后退之间电机正转与反转瞬时转换，没考虑电机惯性问题。2. 本方案由于未采用单片机等开发