有害气体的检测与抽排电路设计和机器人行走电路设计_课程设计.docx

武汉理工大学小型智能控制系统设计课程设计说明书目录1 有害气体的检测与抽排电路设计.61.1 设计要求及意义.61.1.1 设计要求.61.1.2 设计意义.61.2 设计方案论证及选择.61.3 设计方案.71.3.1 设计系统模块图.71.3.2 设计原理流程图.81.3.3 设计原理图.91.4 设计方案分析.101.4.1 供电模块分析.101.4.2 检测模块分析.101.4.3 触发抽排模块分析.111.4.4 报警模块分析.121.5 所用芯片及原理说明.121.5.1 555定时器.131.5.2 QM-N5气敏传感器.131.5.3 继电器.141.6 PCB封装.151.7 电路仿真.161.8 原件列表.162 机器人行走电路设计.182.1 设计要求及意义.182.1.1 设计要求.182.1.2 设计意义.182.2 设计方案论证及选择.182.3 设计方案.192.3.1 设计系统模块图.182.3.2 设计原理流程图.192.3.3 设计原理图.202.4 设计方案分析.212.4.1 脉冲信号模块分析.212.4.2 计时显示模块分析.222.4.3 电机正反转模块分析.232.5 所用芯片及原理说明.232.5.1 555定时器.232.5.2 74LS192计数器.242.5.3 JK触发器.262.6 PCB封装.262.7 电路仿真.272.8 原件列表.273 心得体会.284 参考文献.29前言此课题包含两个设计题目，有害气体的检测与抽排电路设计和机器人行走电路设计。第一个设计的题目为有害气体的检测与抽排电路设计，在我们日常生活中应用很广，可以运用在矿井以及家庭中，检测各种有害气体，及时进行报警，告知有关人员进行相应的撤离。同时也能完成有毒气体的抽排，确保人等生命的安全。第二个设计题目是机器人行走电路设计，当今社会科技日益发展，机器人代替人类进行各种作业，辅助人类完成一些简单的任务已经可以实现。这样的设计可以大大节约人力资源的使用，通过机器人来完成一些简单的动作。两个设计都可以用我们已经学习过的有关知识进行设计，仿真。在两个设计实验中都以555芯片为设计核心，驱动各个单元进行工作。实验主要以Altium Designer及PROTEUS两个软件作为技术支持，来实现原理图的绘制，PCB的封装设计以及电路的仿真。通过这两个设计不仅可以巩固所学的知识，很好的对课本知识运用于实践，同时也可以激发学生学习于专业相关的一些知识，从而扩大自己知识面的广度，更重要的是能锻炼同学们的自主创新能力和自主学习能力，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。课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 1. 题目：有害气体检测与抽排电路设计应用气体传感器，检测到煤气泄漏或其他有害气体意外排放时，自动启动抽排系统，以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统回到实时检测状态。2.题目：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。 4）对设计电路进行仿真 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. 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) 电力电子变流技术 黄俊 王兆安 编 机械工业出版社4) 集成电路速查手册 王新贤 主编 山东科学技术出版社5) 集成电路速查大全 尹雪飞 陈克安 编 西安电子科技大学出版社6) 晶体二极管手册 各种版本皆可7) 晶体三极管手册 各种版本皆可要求完成的主要任务：1、 课程设计结束时每个学生要交一份按统一格式要求撰写的课程设计说明书，并装订成册。2、 课程设计说明书中每个题目要求有方案比较、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。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等；6月24日下午7月1日学生设计；7月2日7月3日教师质疑，学生答辩；7月4日7月5日课程设计打印装订。指导老师签名： 年 月 日 系主任（或负责教师）签名： 年 月 日1 有害气体检测与抽排电路设计1.1设计要求及意义1.1.1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，排出有毒气体，更换空气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。1.1.2设计意义厂矿工作和日常生活中经常发生煤气或者其他有毒气体泄漏的事故，给人们的生命财产安全带来了极大的危害。因此，及时检测出人们生活环境中存在的有害气体并将其排除是保障人们正常生活的关键。本人运用所学的电子技术知识，联系实际，设计出一套有毒气体的检测电路，可以在有毒气体超标时及时抽排出有害气体，使人们的生命健康有一个保障。1.2设计方案论证及选择本次设计有两套方案可供选择。第一种是采用220v交流电源，经过变压、整流与稳压为各部分电路供电。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，通过555定时器连接SPEAKER和LAMP灯进行声光报警。第二种是对于声报警电路，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。从经济上看，方案一也更经济，故采用方案一1.3设计方案降压、整流、滤波、稳压1.3.1设计系统模块图检测模块220V交流电源报警模块抽排模块图1.1设计系统模块图1.3.2设计原理流程图降压整流滤波稳压220V交流电源驱动检测电路驱动报警模块工作触发555芯片产生频率信号图1.2设计原理流程图1.3.3设计原理图图1.3设计原理图1.4设计方案分析1.4.1供电模块分析图1.4供电模块图如图1.4所示，直流电源电路采用220v交流电压供电，由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路、稳压电路等四部分组成。电源变压器将交流网220v电压变化后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还还有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但是这样的电压还随着电网电压波动（一般有10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后还要接一个稳压电路在电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流的稳定。1.4.2检测模块分析图1.5检测模块图如图1.5所示，我们已经知道气敏传感器的特性是通过某气体浓度的改变来改变本身电阻，为了方便我们用滑动变阻器RV1来等效代替气敏传感器，当空气中的有害气体浓度不大时，RV1的阻值很大，使得比较器正向输入的电压小于负向输入电压，由于默认负向电压为零，运放输出的为“低电平”，继电器不工作。当空气中有害气体的浓度达到一定值时，RV1变小使得运放正向输入大于负向输入，运放输出“高电平”，继电器开始工作。图中的RV2为可调的，这使得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。1.4.3触发抽排模块分析当空气中有害气体浓度达到一定值的时候，继电器工作，使得风扇电路接通，进行气体抽排。当风扇工作到一定程度，使得抽排后空气中有害气体的浓度小于临界值，继电器不工作，风扇电路断开，风扇不工作。1.4.4报警模块分析图1.6声光报警模块图如图1.6所示，当继电器工作时，555定时器输入“高电平”开始工作产生连续的脉冲频率为f=1.43/(R1+2R2)C，此时当脉冲为“高电平”时LAMP灯开始工作，扬声器开始工作。当脉冲为“低电平”时LAMP灯和扬声器都不工作。由于脉冲是连续的，这样就产生了频响的声报警信号和频闪的光报警信号。1.5 所用芯片及原理说明1.5.1555定时器图1.7555计时器图如图1.7所示是由555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（1/3）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+2R2)C1.5.2 QM-N5气敏传感器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、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，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。1.5.3继电器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1.6PCB封装PCB封装用软件Altium Dsigner制作。图1.8PCB封装图1.7电路仿真电路仿真用软件PROTEUS制作。图1.9电路仿真图1.8原件列表表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交流电动Motor1气敏传感器MQ-N51变压器220V/12V1整流桥QL400/1A1稳压器74L121555定时器5551扬声器5W,81报警灯LED1三极管2N30191电阻各种阻值若干电容无极性电容若干电压比较器COMPI1排气扇220V，300W交流1仿真结果分析：由于在实际应用中普通LAMP灯接到直流弱电中无法达到警报的作用，且由于人眼和耳接受的频率有所差别，所以用同一个555无法达到要求，应该将灯接到交流强电中，并用可控硅经过参数调节后进行开关控制。在实验中可以在灯前面的三极管后接放大器以加大电流强度。也可以用两个555芯片分别控制LAMP和SPEAKER。2 机器人行走电路设计2.1设计要求及意义2.1.1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。2.1.2设计意义当今社会科技日益发展，机器人代替人类进行各种作业，辅助人类完成一些简单的任务已经可以实现。这样的设计可以大大节约人力资源的使用，通过机器人来完成一些简单的动作。2.2设计方案论证及选择根据对实验任务以及要求的分析，电路应该由脉冲信号产生电路、计时电路、直流电机正反转驱动电路三部分组成。方案一：通过555组成的多谐振荡电路产生脉冲信号驱动74LS192开始减计数并通过数码显示电路显示时间，当计数器计数到零后通过置数端进行置数从而设定计数器计数时间。同时借位端产生信号使JK触发器构成的T触发器触发信号产生翻转，从而控制直流电机的正反转实现小车的前进与后退。方案二：通过改变555构成的多谐振荡电路的电阻从而改变输出脉冲信号接到由74LS192构成的减计数器控制小车前进、后退的时间，其他部分同方案一。综合分析方案二改变电阻来控制时间要用单刀多置开关接很多固定电阻，而且所调整的时间很不灵活且无法通过显示管显示确切的时间，而方案一通过给计数器置数控制时间更加灵活方便，故选用方案一来进行试验设计。2.3设计方案稳压器2.3.1设计系统模块图6节干电池供电置数模块显示模块JK触发器取反电机正反转模块图2.1设计系统模块图2.3.2设计原理流程图计数显示模块稳压器稳至5V干电池供电JK触发器取反并保持控制电机正反转图2.2设计原理流程图2.3.3设计原理图图2.3设计原理图2.4设计方案分析2.4.1脉冲显示计数模块分析图2.4脉冲信号模块图由555定时器组成的多谐振荡器如图2.4所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到时，输出由翻转为，这时，触发顺保持状态不变。所以0t期间，定时器输出为高电平。时刻，上升到，比较器的输出由变为，这时，触发器复定时器输出。当下降到，定时器输出。充电时间放电时间 其震荡频率为f=1/(0.7*C*（+2）2.4.2计时显示模块分析图2.5计时模块图如图2.5所示，由74LS192功能表知道，此芯片为十进制置数器，计数功能开启时输出与四个输入端无关，所以接地置低电平，5端接555提供的方波脉冲，每次脉冲计数一次，当计数到9时TCU端输出一个低电平，经过U3非门转换为高电平输入MR端清零，重新从零开始计数。2.4.3电机正反转模块分析图2.6电机正反转模块图如图2.6所示，JK触发器将J与K端都置1时有取反功能，由TCU端输出的信号进入CLK端，被取反并保持状态至下一次脉冲到来，设首次进入信号带动的电机转动为正转，当JK触发器再次取反时带动的转动即为翻转。2.5所用芯片及原理说明2.5.1555定时器图2.7555芯片图如图2.7所示是由555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（1/3）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+2R2)C2.5.2 74LS192计数器74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，引脚排列及逻辑符号如下(a)、（b）所示：图2.874LS192引脚图图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。其功能表如下：输入输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000dcbadcba011加计数011减计数0111保持 图2.974LS192逻辑图2.5.3 JK触发器图2.10 JK触发器原理图 JK触发器的特性方程为,由特性方程可以看出，当J=1，K=0时，触发器的下一状态被置为1;当J=0，K=1时，被置为0；当J=K=0时触发器保持不变，J=K=1时，触发器发生翻转。在所有类型的触发器中，JK触发器具有最强的逻辑功能，它能执行置1、置0、保持和翻转四种操作，并可以见简单的附加电路转换为其他功能的触发器。2.6PCB封装图2.12PCB封装图2.7电路仿真图2.13电路仿真图2.8原件列表表2.1 机器人行走控制电路元件列表元件名称型号数量555定时器NE5551计数器74LS1