有害气体检测与抽排电路设计和机器人行走电路设计.doc

武汉理工大学电工电子课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 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、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： 年 月 日 系主任（或负责教师）签名： 年 月 23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l298,74hc161及电机等元器件完成该设计。关键字：555定时器 电机 电桥 L298 74HC161目录前言11有害气体检测与抽排21.1意义与要求21.1.1 意义21.1.2 要求21.2 总体框架设计2图1.2 系统流程图31.2.1 方案论证与选择41.2.2 气敏元件的选取41.3 设计原理图及分析51.3.1总体设计图51.3.2 电源电路61.3.3 有害气体检测与抽排电路71.3.4 声光报警电路81.4 系统仿真截图91.4.1 总体原理说明101.4.2设计心得与体会102机器人行走电路设计112.1 意义与要求112.1.1 意义112.1.2 要求112.2 总体框架设计112.2.1 原理方案与论证与选择132.3 设计原理图及分析142.3.1 总体设计图142.3.2 555控制器电路152.3.3 计时电路162.3.4 电机驱动电路172.4 系统仿真图192.4.2 小结与体会20附录21附录一 有害气体检测与抽排所用器件21附录二 机器人行走电路设计所用元件22参考文献：23前言20世纪中期以后，由于晶体管技术和半导体集成电路技术的飞速发展，电子技术已成为当今科学技术领域中最活跃、影响最广泛的学科之一。电子技术在促进国防建设、科学技术研究、工农业生产、第三产业发展，提高人类居住和生活质量等方面发挥了极其重要的作用。作为一名大学生，应努力学习文化知识，同时结合实际自己动手设计出符合一定要求的电子电路，锻炼自己的动手能力，以便将来更好的投入到这方面的工作当中。因此做了此份课程设计报告。在此设计过程中，要熟练掌握proteus等设计软件，独立设计出正确的控制电路。通过查阅相关技术资料，了解各种元器件的用法以及相关的参数，从而更好的了解设计的目的及提高设计的精准性。1有害气体检测与抽排1.1意义与要求1.1.1 意义运用电子技术及相关知识设计有害气体声光报警器，且具有自动抽排功能。运用相关元器件设计出电路图，并在相关仿真中观察效果。制作中要联系实际，同时锻炼自己的动手能力，加强自身的分析，综合能力。1.1.2 要求设计一个能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，能自动抽排有害气体的控制电路。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 总体框架设计 电机抽排系统有害气体检测系统电源系统声光报警系统图1.1 系统框架图开始电源电压经变压，整流，滤波，稳压供给后续模块否气敏电阻检测气体是否超标是声光报警，电机抽排有害气体结束工作图1.2 系统流程图1.2.1 方案论证与选择本次设计有两套方案可供选择：其一是采用220v交流电源，经过变压、整流与稳压喂各部分电路供电。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；其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。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。1.2.2 气敏元件的选取 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。该元件可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。它有四个引出电极：加热电极2和4脚，输出电极为1和3脚。加热电极2和4为高阻电热丝，通电即可加热。在加热的条件下，如果有可燃性气体充斥在1、3之间，则1、3之间的阻值将随气体浓度的增大而减小，把这一变化转化为电信号即可制成有害气体检测电路。1.3 设计原理图及分析1.3.1总体设计图图1.1 总体设计图 总体原理说明：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。1.3.2 电源电路图1.2电源电路图 如图，电源采用220v交流供电，模拟现实环境中的工作电压，因而要接变压器使之输出的电压在气敏电阻工作电压范围内，电源后接变压器使之电压降低。此时输出为交流电压，其它电路供电必须采用直流电压。经过由电桥构成的整流电路后，将交流电压转变为脉动直流电压，因为此时仍包含有纹波等杂波输出，再经过滤波电路后，输出为单一的直流电压，而此时电压仍会因为电网波动，负载与温度的影响产生波动，就必须再加稳压电路使之输出电压为恒定直流电压，驱动后面电路工作。1.3.3 有害气体检测与抽排电路图1.3 有害气体检测与抽排电路图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。而为了能通过在不同有害气体浓度下工作，则可通过调节RV3的阻值来实现在不同浓度下工作。注：此处由于在元件库中找不到QM-N5器件，故用滑动变阻器代替。1.3.4 声光报警电路图 1.4 声光报警电路图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。其输出波形为 图1.5 555仿真图1.4 系统仿真截图 图 1.6 系统仿真截图1.4.1 总体原理说明外接的220v工作电压经变压器变压后，交流电压再由整流电路变为直流电压，因此时，电压中仍含纹波电压，则再必须经过滤波电路变为单一直流电压。由于在工作中，电压会受到电网电压波动，温度及负载的影响，难免会产生波动，因此电路中要新增稳压器使之电压恒定，不受外部因素干扰。对于有害气体检测，QM-N5通过感知有害气体浓度变化，来实现对抽排与报警电路控制。当气体浓度偏低时，其电阻很大，电压比较器输出低电平，继电器不闭合，报警与抽排电路不工作。当气体浓度升高时，气敏电阻值变小，电压比较器输出高电平，继电器开关闭合，驱动电机抽排并声光报警。 为了能使系统能在不同浓度下工作，可调节滑动变阻器RV2,来实现这一功能。1.4.2设计心得与体会通过本次设计，了解对有害气体抽排的具体要求与原来，学习了设计一般系统的方法。弥补了自己在这方面的空白，运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程，我们通过亲自动手，学到了很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际结合是很重要的，将课本上的知识与实际生活中的应用结合起来。我选择了555定时器构成的多谐振荡器与QM-N5，然后就开始着手查阅资料，根据选择的课题的方向，我们分工去查找资料，然后汇总，最后得出了这份课程设计，同时在实践当中，我认识到书本上的知识是多么的薄弱，基础不扎实，导致实际动手去完成一个任务的时候遇到了很多困难，以后我会更觉注重课本上的知识学习，然后和实际操作互相联系起来。另外，对仿真软件proteus及绘图技能的训练也让我将课本上的只是灵活运用到了实际当中来，培养了自己分析与解决问题的能力，特别是在元器件的选取与功能的实现上，通过查阅相关的资料，也拓宽了知识视野。2机器人行走电路设计2.1 意义与要求2.1.1 意义运用自学的单片机设计简单的小车控制电路，把理论与实际相结合，能够更好的掌握单片机的应用，同时提高自己的动手能力。同时结合电子技术基础知识设计电路，提高自己的运用，思考能力。2.1.2 要求接通电源，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。机器人行走动力只能使用干电池，不能使用动力电源。机器人前进、后退时间可调。2.2 总体框架设计555定时器构成的脉冲激发模块时间显示模块计数模块电机驱动模块图2.1系统框架图开始 555定时器输出脉冲信号开始计数电机正转否计数器归零是电机反转转向结束图2.2系统流程图2.2.1 原理方案与论证与选择可采用两种方案，第一是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。第二种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，方案二更加复杂，不易于上手操作，因此采用方案一2.3 设计原理图及分析2.3.1 总体设计图图 2.3 总体设计原理图总体原理说明：由555定时器构成的多谐振荡器产生方波脉冲信号，使有161与248构成的计数器开始计数，并且显示在7段数码显示屏上，当计数到设定时间时，产生触发信号来触发JK触发器，JK触发器是电机两端的电平发生逆转，从而反转，通过调节滑阻RV1来控制电机正反转时间。2.3.2 555控制器电路图2.4 555控制器电路图如图所示，接通电源，由555构成的多谐振荡器产生发广播脉冲信号，电容C1被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，电容C1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T=0.7（R1+2RV2）C1，通过对RV1的调节可以改变3端输出的方波信号的周期T，从而控制电机正反转时间。而555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。2.3.3 计时电路图2.5 计时电路图原理说明：多谐振荡电路产生方波信号接入到74161时钟端，驱动74161进行加计数。图中74161接成了10进制加计数器，计数满十时通过7403与非门接入到清零端进行清零。由于计数到10时，便会立刻清零，不会在数码管上显示，所以此时信号很弱，不可以作为触发信号驱动JK触发器，JK触发器触发信号是计数到9时，通过7403输出下降沿信号触发。数码显示电路通过，74248驱动的七段共阴极数码管进行显示。对于74161芯片，其逻辑图为图2.6 74HC161逻辑图2.3.4 电机驱动电路图2.7 电机驱动电路图原理说明：系统通过L298来驱动电机转动，L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。其功能逻辑图为图 2.8 L298逻辑图EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。当计时电路完成一个周期时，JK触发器得到一个触发信号，时的输出端Q发生偏转。从而控制电机两端电压逆转，电机反转。2.4 系统仿真图图2.9 系系统仿真图总体原理说明：有以上分析可得，通过调节滑动变阻器RV1，来控制多谐振荡器的周期，从而来控制小车前进与倒退的时间，因而可以较精确地实现小车的前进后退且时间可调的功能，当计数器加到设定的时间，会给JK触发器一个触发信号，使其Q端电压偏转，通过输入给L298使电机两端电压改变从而达到反转目的。2.4.2 小结与体会通过此次课程设计学习，让我对一些电子电工设计软件也有了很大的提高，例如Multisim 和Proteus等在此次设计中帮到很大忙。通过它们可以进行设计仿真，检验设计的正确性。