电子电工课程设计 -有害气体的检测报警及抽排电路设计

1、武汉理工大学电工电子课程设计说明书 目录摘要I1 有害气体的检测报警及抽排电路设计11.1 各功能模块电路的选择1 1.1.1 降压、整流、滤波、稳压电路1 1.1.2 气体检测电路1 1.1.3 警笛声报警电路1 1.1.4 警灯闪烁电路1 1.1.5 排气扇驱动电路11.2 总体框架说明21.3 设计原理图3 1.3.1Prote原理图3 1.3.2各模块单元电路图及工作原理 3 1.3.2.1降压、整流、滤波、稳压模块电路 3 1.3.2.2气体检测模块电路 4 1.3.2.3警笛声报警模块电路 5 1.3.2.4警灯闪烁模块电路 6 1.3.2.5排气扇模块电路 6 1.3.3系统仿真

2、截图 7 1.3.4原理图总体说明 81.4 元件列表 92机器人行走电路设计 10 2.1各功能模块电路的选择 10 2.1.1电机驱动电路 10 2.1.2时间控制电路 10 2.1.3电源电路 102.2总体框架说明 102.3设计原理 11 2.3.1 Protel原理图11 2.3.2各部分电路原理 11 2.3.2.1电机驱动模块电路原理 11 2.3.2.2时间控制模块电路原理 12 2.3.2.3 计时模块电路原理13 2.3.2.4 系统仿真截图 14 2.3.3原理图总体说明 142.4元件列表 153 所用电子元器件说明16 3.1 半导体二极管类 16 3.1.1 普通

3、半导体二极管 16 3.1.2 整流桥 16 3.2 半导体三极管 16 3.3 电阻和电容 16 3.4 555定时器 17 3.5 三端集成稳压器7805 18 3.6 QM-N5气敏传感器 183.7 电压比较器 193.8 扬声器 193.9 反相器 203.10警示灯 203.11 排气扇 203.12 小车电机 204.设计小结及心得体会20参考文献 21成绩评定表 22 摘要此有害气体检测报警及抽排电路以气体检测传感器QM-N5为中心，利用其气敏的特性来控制次级电路。当有害气体浓度到达一定值时，通过电路的设计，利用一个555定时器构成的多谐振荡器控制灯泡闪烁发光，同时利用此555

4、定时器和另外一个555定时器构成的多谐振荡器一起控制喇叭发出警笛声来报警。同时排气扇开始工作，以保证人的安全。当有害气体的浓度恢复到正常情况时，灯泡及喇叭的报警停止，排气扇不工作，电路恢复到正常检测状态。此机器人行走电路基本分为两个模块。其一为电机驱动部分，由PWM型逆变电路组成的H桥电路构成；其二为时间控制模块，由555定时器组成的多谐振荡器构成。555定时器的外围接一个滑动变阻器来调节机器人前进和后退的时间。机器人动力使用干电池。当接通电源的时候，机器人开始前进，达到设定的时间时自动减速至零，然后开始后退，再次到达设定的后退时间时又重新前进，如此循环往复。运用学习过的知识，自己动手设计可行

5、动的机器人，具有十分重要的意义，不仅可以激发我们在机器人领域探索的兴趣，而且能够锻炼我们的创造思维、发现和解决问题的能力。关键字：气敏传感器、报警电路、智能控制、555定时器I1有害气体检测与抽排电路设计 1.1各功能模块电路的选择1.1.1 降压、整流、滤波、稳压电路 此部分电路可使用变压器进行降压，一个单相整流桥BRIGE电路进行整流，滤波电容进行滤波和三端集成稳压器78L12进行稳压输出。1.1.2 气体检测电路气体检测电路主要使用QM-N5气敏传感器构成。根据半导体气敏传感器的表面氧化物一旦吸附某些气体时，其导电率将会随之发生变化这一性质进行电路的设计。MQ-N5为气敏传感器，它有6个

6、引出电极：加热电极3、4脚和5、6脚，输出电极为1和2脚。加热电极3、4脚和5、6脚为高阻电热丝，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、2之间，则1、2之间的阻值将随气体浓度的增大而减小，只要把这一变化转化为电信号即可制成有害气体检测电路。1.1.3 警笛声报警电路 采用两片555定时器组合成电路来产生的双音频，模拟警笛声，驱动喇叭发声。此电路由两片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60010000Hz范围循环变化，类似警车的警笛声。1.1.4 警示灯闪烁电路 电路的主体由555定时器组成的多谐振荡器构成，同时使用双向可控硅来控制警灯的闪烁。5

7、55定时器构成的多谐振荡器的频率要低于1Hz。1.1.5 排气扇驱动电路电路主体采用双向可控硅控制电机的转动，双向可控硅的三脚接至QM-N5的输出端以检测电信号，当有害气体的浓度到达一定值，得到高电平信号，排气扇开始转动。 1.2总体框架说明 根据以上的设计，可以得到以下方框图模块。如图1-1所示。220v交流电源整流稳压电路 传感器检测有害气体电压比较电路声光报警电路电机转动、抽排气体 图1-1 有害气体检测、报警、抽排电路总体方框图1.3 设计原理图1.3.1 protel原理图 通过以上的方案论证选择合适的电路制图，使用protel99SE做出符合要求，正确的电路原理图，并且能够通过此电

8、路原理图进行PCB的生成。整体电路原理图如图1.3（1）所示。图1.3（1）电路原理图1.3.2 各模块单元电路图及工作原理1.3.2.1 降压、整流、滤波、稳压模块电路 此单元电路使用变压器进行降压，一个单相整流桥BRIGE电路进行整流，滤波电容进行滤波和三端集成稳压器7805进行稳压输出。 首先使用变压器把220V市电转变为所需使用的12V电压，再通过单相整流电路对其整流，电容C并联在整流电路之后用作滤波电路，滤去整流输出电压中的纹波。然后使用三端集成稳压器78L12对其进行稳压输出，得到5V的电压。模块电路如图1.3（2）。 图1.3（2）降压整流滤波稳压单元电路1.3.2.2 气体检测

9、模块电路 当有害气体的浓度很低时，QM-N5的级间（1脚和2脚）导电率低， 成高阻态，电压比较器正相输入端的电压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，不能驱动后级电路工作。因此排气扇不转动，警报灯不闪烁，喇叭也不发出警笛声。当有害气体到达一定的浓度时，QM-N5的级间电阻小，电压比较器正向输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，使得继电器工作，这样使后级电路驱动其他单元电路工作，使得排气扇开始转动，警报灯闪烁，喇叭发出警笛声报警，达到所需的目的。此部分单元电路 如图1.3（3）所示。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

10、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。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。 图1.3（3）气体检测单元电路 1.3.2.3 警笛声报警电路 由555定时器构成两级多谐振荡器，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。 图

11、1.3（4）模拟警笛声报警电路1.3.2.4 警灯闪烁模块电路 此模块电路的主要由555定时器组成的多谐振荡器构成，同时利用双向可控硅来控制警灯的闪烁。只要合理的调整555定时器的外接阻容值，便可以得到较好的闪烁的频率。同时双向可控硅的三脚可接至QM-N5的输出端，以检测电信号，当其为高电平时，警灯便开始闪烁。电路图如图1.3（5）所示。 图1.3（5）警示灯闪烁电路1.3.2.5 排气扇驱动单元电路 当气体浓度大于临界值时，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。当毒气浓度低于临界值时，电压比较器输出为低电平，使二极管截止，电机工作电路

12、不能导通，停止排气。图1.3（6）排气扇驱动单元电路1.3.3 系统仿真截图 图1.3（7）系统仿真截图1.3.4 原理图总体说明本系统使用QM-N5气敏传感器检测有害气体。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。工作原理：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

13、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。 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。当有毒气体浓度升高时，气敏传感器电阻降低，使电位器上电压值变大，通过电压比较器使双向晶闸管导通，带动电机运转，抽排气体，另一方面使双音频报警器报警，同时通过555组成的多谐振荡器是灯泡发出0.7Hz的闪烁光，也起到了报警作用！当气体被排出，浓度和付标准时，电路回复到自动检测状态。整个设计简单明了，声光报警双保险，排气扇自动工作，可作为家庭里CO的检测，以保证人身

14、安全。电路报警所用的555定时器的功能表如下表1-1 表1-1 555定时器功能表1.4 元件列表元件名称型号数量双向晶闸管MAC15A62警示灯220V,15W1电机MOTOR SERVO1气敏传感器QM-N51变压器220V/12V1整流桥18DB051稳压器78051555定时器NE5552扬声器5W,81三极管3DG6（NPN、PNP）共2个电阻各种阻值若干滑动变阻器20K1电容无极性电容与电解电容若干排气扇（电动机）220V，300W交流1保险丝FUSE1四针连接器JP11电压比较器OPAMP12机器人行走电路设计2.1 各功能模块电路的选择2.1.1 电机驱动电路 系统通过L298

15、来驱动电机转动。2.1.2 时间控制电路 采用555定时器时基电路，构成多谐振荡器。2.1.3 计时电路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。2.2 总体框架说明根据以上分析可到的以下总体方框图。555时间控制模块 计时模块 显示模块 电机驱动模块 2.3 设计原理2.3.1 protel原理图利用软件protel99SE设计出原理图如图2.3（1）所示。 图2.3（1）电路原理图 2.3.2 各部分原理2.3.2.1 电机驱动模块电路原理 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

16、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。 图2.3（2）电机驱动模块电路图2.3.2.2 时间控制模块电路原理 本模块由555定时器构成的多谐振荡器来具体完成，电路如图2.3（3）所示。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

17、 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。 图2.3（3）时间控制模块电路2.3.2.3 计时模块电路原理 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。 图2.3（4

18、） 计时模块电路原理2.3.2.4系统仿真截图 图2.3（5） 系统仿真截图2.3.3 原理图总体说明 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 元件列表 此设计使用的元件如下表。 表2 机器人行走电路元件列表元件名称型号数量二极管IN40016三极管NPN，PNP4，2电源5号干电池3开关单刀单掷1滑动变阻器220K2反相器74LS041电阻各种阻值若干电

19、容无极性电容和电解电容若干电动机3V，10W13 所用电子元器件说明 3.1半导体二极管类 3.1.1 普通半导体二极管此设计的普通二极管全部采用硅整流二极管IN4001型，参数如下：附表1.1 此设计使用二极管参数型号名称最高工作频率Fm(kHz)反向击穿电压VBR（V）最大整流电流IF（mA）正向压降VF(V)反向电流Is（uA）IN4001硅整流二极管3501000A15 3.1.2 整流桥 整流桥为四个二极管封装而成。下表是本设计所用整流桥参数值。附表1.3 此设计使用整流桥主要参数型号正向平均电流/A反向重复峰值电压/V正向电压降/V正向重复峰值电流/A18DB05/1A1.8500

20、5018 附图1.2 双向晶闸管型号类型正向平均电流/A重复峰值电压/V控制级触发电压/V控制级触发电流/mAMAC15A6双向15A400V1.6V75mA3.2 半导体三极管 此设计使用了TIP102型三极管，TIP102是NPN型，在电机驱动电路中，使用了TIP127三极管PNP,参数与TIP102大同小异，故此处只列出了TIP102的参数。附表1.4 三极管TIP102主要参数值型号反向电压电压功率管子类型TIP102100V8A2WNPN3.3 电阻和电容电阻和电容的选择，只需参数符合，市售的一些基本元件即可满足要求。3.4 555定时器555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规

21、模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.1 和图 2.2 所示。它

22、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

23、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。附图2.1 555内部结构图 附图2.2 555外部管脚图两个比较器 C1和 C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流可达200mA。比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平。555的应用：（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；（2）构成多谐振荡器，组成信

24、号产生电路；（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。3.5 三端集成稳压器7805使用三端集成稳压器7805组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。封装形式如附图2.3所示。将图中的三个脚依次设为，引脚为最高电位，脚为最低电位，脚居中。从图中可以看出，不论正压还是负压，脚均为输出端。对于78*正压系列，

25、输入是最高电位，自然是脚，地端为最低电位，即脚，对与79*负压系列，输入为最低电位，自然是脚，而地端为最高电位，即脚。附图2.3 7805的封装3.6 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。特点如下：1、 用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）；2、 灵敏度高；3、 响应速度快；4、 输出信号大；5、 寿命长，工作稳定可靠。技术指标：附表3.1 加热电压 AC或DC 5±0.2V响应时间10S回路电压最大DC 24V恢复时间30S 负载电阴2K元件功耗0.

26、7W清洁空气中电阻 2000 K检测范围5010000ppm灵敏度4（1000ppmC4H10中)使用寿命2年VC输出信号RLVRLVH基本测试电路如附图3.1所示。附图3.1使用方法及注意事项：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。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。3.7 电压比较器电压比较器主要是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高，那一个电压低；并以输出高电平或低电平以显示比较的结果 如图4比较器符号所示。它有两个输入端：同相输入端Va（“+”）

27、，及反相输入端Vb（“-”），输出端Vout，输出端是输出；两个输入端比较的结果的电平信号。另外有电源V+及地（这是个单电源比较器）。比较器输入和输出的比较关系：当Vb为低电平，Va为高电平时，Vout为高电平输出当Vb为高电平，Va为低电平时，Vout为低电平输出                            

28、;        参数参数名称符号数值单位电源电压VCC±18或36V差模输入电压VID±36V共模输入电压VI-0.3VCCV功耗PD570mW工作环境温度TOPR0+70贮存温度TSTG-651503.8扬声器本设计中使用的是5W,8的小型扬声器。3.9 反相器74LS04芯片3.10 警示灯220V，45W的白炽灯即可。3.11 排气扇220V，300W的交流电机即可3.12小车电机3V，10W的直流电机即可。       

29、60;                      设计小结及心得体会由于学校把我们的课设安排在考试周，所以最近很疲惫，一边复习，一边搞课设。不过经过两个星期的努力,我终于完成了这次课程设计。此次两个电路图的设计制作，的确是让我受益匪浅。从刚开始的什么都不懂，只知道理论知识的计算而对于实际设计电路一无所知，到现在的懂得课程设计的一般步骤、方法，能根据要求设计出比较符合的电路图，我真的学到不少东西。首先就是把自己所学的理论