小型智能控制系统设计

1、仅供个人参考电工电子课程设计大纲电工电子课程综合设计是根据教学计划和课程教学目标的要求，综合应用电路、模拟电子技术、数字电子技术、电工实习、传感器原理及接口技术、电力电子变流技术等课程知识而开设的实践性课程。以期对自动化专业学生进行电工电子类设计思想和设计方法的初步训练，使学生掌握基本电子线路的设计技能。1、 课程设计的目的通过课程设计的实际训练，加深学生对相关课程基础知识与基本理论的理解，培养学生综合运用所学知识的应用能力，使其在理论分析、工程计算、制图标准与规范、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到初步训练，促进学生养成严谨求实的科学学风，激发学生自主创新的精神。2、 课程设计的

2、基本内容1、指导教师拟定题目难易适当的课程设计任务书，既保证大多数学生得到基本训练，通过查阅资料、手册、分析、计算能顺利完成设计任务，又能使学习优秀的学生充分发挥创新思维，激发探索科技知识的积极性。2、设计开始前，指导教师讲解有关设计的目的、要求及注意事项，介绍设计原则、方法和范例，增补学生在过去的学习阶段尚未涉猎的相关知识。3、设计期间，指导教师对学生遇到的问题及时解答，并对课程设计的内容组织质疑和答辩。4、每个学生在设计结束时要提交一份按统一格式要求书写的课程设计说明书。说明书中要求有设计方案选择，绘制方框图、电原理图，阐述电路工作原理,元器件参数计算、设计电路的性能指标等。三、设计时间2

3、周四、其他1、课程设计说明书封面由教务处统一印制。2、课程设计报告除教学管理部门要求必须用手写的内容外，一律打印上交。3、学生课程设计成绩由指导教师通过质疑和答辩，结合设计过程中的学习态度、设计思想、设计成果综合评定。不得用于商业用途课程设计任务书学生姓名：张恒专业班级：自动化0802指导教师：田宇学 院：自动化学院题目：小型智能控制系统设计1有害气体检测与抽排电路设计任务：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。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

4、命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。2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

5、中国计量出版社组编5 ）传感器及其应用电路何希才编电子工业出版社6 ）电力电子变流技术黄俊王兆安编机械工业出版社7 ）集成电路速查手册王新贤主编山东科学技术出版社8 ）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9 ）国内外晶体管对照手册各种版本皆可。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有方案比较论证、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

6、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28日7月9日）。6月28日上午，指导教师讲授课程设计的有关基本知识等；6月28日下午一一6月29日下午学生查阅资料、准备“80选2”问题解答；6月30日上午一一7月4日下午学生初步设计；7月5曰上午一一7月5日下午检查设计进度，答疑、质疑；7月6日上午一一7月8日下午学生完善设计，形成报告电子文档；7月9日课程设计报告打印、装订、提交。指导老师签名：2010年6月28日系主任（或负责教师）签名：2010年月日目录前言11有害气体检测报警及抽排电路设计11.1 意义与要求1111.2 设计总标方案11.2.1 方

7、案论证与比较11气敏传感部分2221.2.2 设计思路31.3 设计原理34455781.4 电路元件参数111.5 电路仿真121.6 总体设计方框图132机器人行走电路设计132.1 .意义与要求1414142.2 设立总林方案14142.2.2设计思路152.3 .设计原理图152.4 各部分电路原理1616172.4.3D触发器18192.5 电路工作流程202.6 电路元件参数202.7 电路仿真222.8 设计方框图233设计体会和小结24参考文献25、儿刖百1有害气体检测与抽排电路设计任务：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

8、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。2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：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。第一个设计均能为平时日常生活提供安全监控，能智能控制、自启动和自动关闭，第二个设计能在开启后能进行自动控制，为工业自动化的基础。二个设计要求综合运用所学电子电路的知识，是集模拟电子技

9、术和数字电子技术的综合运用，需要灵活运用所学知识，根据设计要求，来达到目的，分析原理、参数计算、元器件选用。这二个设计都以555定时器为核心，驱动各个部分电路工作，灵活运用555定时器组成的多谐振荡器、单稳态触发器和稳压电路原理1有害气体检测报警及抽排电路设计1.1 意义与要求日常生活中经常发生煤气泄漏或者其他有毒气体泄露对人们生命安全造成威胁威胁。因此，本人联系实际和运用所学的电子技术知识，设计出一套有毒气体的检测电路，并且可以在有毒气体超标时立即抽排出有害气体并且发出声光闪烁报警提醒，使人们的生命健康有一个保障同时也锻炼了自己的实践动手运用所学知识的能力，培养了对发明创造的兴趣，拓展了自己

10、的专业知识面。当检测到有毒气体意外排时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示，当有毒气体浓度超标时能自行启动抽排系统，排出有毒气体，更换空气以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。1.2 设计总体方案1.2.1 方案论证与比较该电路电机转动和警灯闪烁部分需要220V交流电压，气敏元件以及555实际电路部分需要直流电压。方案一：分开供电。用220V市电和由干电池组成的直流电源分别给所需电路供电。优点是直接供电，操作简单；缺点是电源需准备两种，等电路使用一定时间过后电池没电时不易发觉，容易出事故。方案二：用220V市电用变压器变压，然后整流、滤波，稳压电路之后维持输出直

11、流电压10V供电。经比较选用方案二，虽然繁杂一些，但是降低了出事故的概率。气敏传感部分方案一：气敏元件1、2脚直接接入直流电源供电，3、5脚经过一个定制电阻接入直流电压源供电，由3、5脚间的电阻变化导致的电压变化输出气体检测信号到555施密特触发器。方案二：气敏元件1、2脚接上可调电阻再接入直流电压源，3、5脚接可调电阻再接入直流电压源，通过可调电阻的调节端的点位变化输出检测信号到555施密特触发器。经过比较选择第二种方案，方案二的可调电阻可以调节气敏元件的加热电压，也可以通过调节3、5脚接的电位器来调节电路对有毒气体的灵敏度。方案一：用气敏传感器通过555施密特触发器输出的电压来控制品闸管的

12、导通和截止来控制LED以及喇叭报警。方案二：用气敏传感器通过555施密特触发器使出电压控制品闸管的导通来触发喇叭多音频报警部分再由喇叭两端的电压变化经过升压后控制灯泡闪烁报警部分经过比较选用第二种方案，第二种方案的灯光报警更亮一些，可以起到更好的报警作用。方案一：通过555施密特触发器提供的电压经过变压提供给低压直流电机抽排气体。方案二：通过555施密特触发器提供的电压使得双向金闸管导通，由220V交流电压供电的换气扇抽排电路经比较选择方案二，因为方案二的换气扇功率比较大气体抽排效果好，起到了更好的保护作用。1.2.2 设计思路利用QM-N5气敏传感器检测有毒气体，根据其检测到有毒气体时电阻变

13、化原理构成一种气敏控制自动排气电路，电路由气体检测电路、555触发器开关电路、声光报警电路、气体抽排电路构成。当有害气体浓度在安全浓度标准以下时，QMN5检测到，但是元件两端的电阻变化所造成的555触发器输入电压高于1/3Vcc,触发器输出低电平，电路不报警，也不进行排气。当有害气体达到一定浓度时，QIM-N5检测到有毒气体，元件两极电阻变小，此时555时基电路输入电压小于1/3Vcc,输出高电平，驱动报警电路工作，使发光二极管间歇发光，蜂鸣器发出多音频报警信号；同时双向金闸管导通，驱动排气系统工作。当气体被排出，浓度低于安全标准时，555时基电路输入端电压高于2/3Vcc,输出低电平，电路停

14、止工作回复到自动检测状态。此设计中可通过调节电位器RP1来实现控制有毒气体检测灵敏度。1.3设计原理图1-1电路原理图图1-2整流稳压电路图原理分析：为了贴近实际，使用了220V交流电源，所以加了一个整流稳压电路，使其输出直流电源。整流稳压电路是将220V交流电源接一个变压器、一个整流桥、一个由电容构成的滤波电路，最后通过稳压管使其输出5V直流电压，使系统正常工作。图1-3有害气体检测电路图原理分析：本系统使用QM-N武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，QM-N卵气敏元件是以金属氧化物SnO如主体材料的N

15、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

16、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。图14抽排气体电路图原理分析：当有毒气浓度升高时，气敏传感器中的电阻值降低，使滑动变阻器上的电压值变大，原来电压比较器OPAM以未导通变为导通，这个正向电压使金闸管Q5导通，从而使电机MG专动，抽排气体。一段时间，有害气体浓度减小，当有毒集体被排尽时，电路自动恢复正常状态。1声音报警原理分析：当有毒气浓度升高时，气敏传感器中的电阻值降低，使滑动变阻器上的电压值变大，原来电压比较器OPAMP未导通变为导通，通过三极管Q使蜂鸣器发出

17、声音，进行报警。2灯光报警图1-6灯光报警电路图原理分析：当有毒气浓度升高时，气敏传感器中的电阻值降低，使滑动变阻器上的电压值变大，原来电压比较器OPAM耿未导通变为导通，通过555多谐震荡器产生1Hz的矩形脉冲电压信号，使金闸管Q6导通，从而使电灯亮，进行报警。由于脉冲电压的作用，灯泡会进行闪烁。3多谐震荡器图1-7555多谐震荡器电路图原理分析：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BJTT导通，此时Vo为低电压，电容C通过R和T放电，使VC下降。当VC下降到(1/3)Vx时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。电容器C放电所需的时问为：tPL=RCln

18、2可近似看成tPL=0.7R2c当C放电结束时，T截止，VCC条通过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=(R+R)Cln2可近似看成tph=0.7(Ri+R)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/(Ri+R)C由公式计算得f=1.43/(10k+4k)*100uF=1Hz。1.4 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位号数量交流电压源220VT1个气敏传感器MQ-N5T11个三极管NPN9014Q1

19、个功率放大器OPAMPAR11个555定时器555LM555CM2个灯泡LAMP11个蜂鸣器SPEAKER11个电动机AG-MOTORMG1个双向品闸管TRIACQ5,Q6各1个三端稳压器7812U11个电位器2KRP11个整流桥BRAIGE1D11个电容0.33uFC11个电容0.1uFC21个电容0.047uFC4,C62个电容100uFC51个电角单电容10uFC31个电阻10R11个电阻220R2,R31个电阻10kR41个电阻2kR51个电阻30kR61个电阻15kR71个电容2uFC71个1.5 电路仿真图1-8电路仿真图原理分析：在仿真中气体检测装置用R2代替，默认此时气体超标，

20、打开电源进行仿真，电动机转动进行排气，灯闪亮，进行灯光报警，喇叭发出声音也进行报警，整个电路按照要求进行正常工作。工作原理：当有害气体达到一定浓度时，QMHN5检测到有毒气体，元件两极电阻变小，此时555时基电路输入电压小于1/3Vcc,输出高电平，驱动报警电路工作，使发光二极管间歇发光，蜂鸣器发出多音频报警信号；同时双向金闸管导通，驱动排气系统工作。当气体被排出，浓度低于安全标准时，555时基电路输入端电压高于2/3Vcc,输出低电平，电路停止工作回复到自动检测状态。1.6 总体设计方框图声光报警系统和气体抽排系统都不工作返回自动检 测毒气浓度超标 时毒气浓度正常时返回自动检测声光系统和排气

21、系统停止工作毒气浓度达到正常值时声光报警系统和气体抽排系统工作图1-9总体方框设计图2机器人行走电路设计2.1 .意义与要求通过所学电子电工知识设计一个可以自行行走的机器人，能够自行前进与后退，可以改进成小车，可以搬运一些轻便的货物以及其他东西，可以给日常生活的人们带来方便，同时也让电子科技更加接近人们的生活，也发掘了自己的潜能和创新意识，锻炼了自己的能力和思维方式。现实生活中人们有时要从事危险工作或需要大量的人力，所以希望机器人能代替人类做事，这样可以节省很多劳动，也可以避免出现人员伤亡事件。针对这种情况我们设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。接通电源，机器人前进，行走一段时间后，机器

22、人自动后退，退行一段时间后自动前行，周而复始。2.2 设计总体方案方案一：通过运用单片机控制，编程控制直流电动机正反转以及正反转时间方案二：通过555多谐振荡器产生一定频率的方波给计数器，用计数器的输出信号来控制直流电机正反转控制部分经比较用第二种方案，因为第一种方案首先单片还没有学习，基础知识为零,实际运用起来还需要学习单片机，耗时较长而且成本较贵，然而方案二为运用已学知识，并且可以调节时间长短并且显示出来，成本低廉也不复杂。2.2.2设计思路分析设计要求，要实现机器人的行走需要有驱动电路，驱动小车行走，同时要有直流电机正反转电路，控制小车前进与后退。其中驱动电路，由555构成多谐振荡电路产

23、生的方波驱动74161计数器，计数满后驱动D触发器，产生规则的、周期可调的方波驱动信号；而直流电机正反转电路则是由驱动信号驱动三极管构成的开关电路，通过三极管的导通与截止来控制直流电动机的正反转，从而实现小车的前进与后退。2.3 .设计原理图图21机器人电路原理图2.4 各部分电路原理图2-2555多谐震荡器原理分析：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2/3Vc川，触发器被复位，同时发电BJTT导通，止匕时VO为低电压，电容C通过R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=RCl

24、n2可近似看成tPL=0.7R2c当C放电结束时，T截止，VCC条通过R1、R2向电容器C充电，VC由(1/3)Vcc上升到(2/3)VJ1WM、0tt：tpH=(R+R)Cln2。可近似看成tph=0.7(Ri+R)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/(Ri+R)c。根据仿真可得：调节滑动变阻器，可以使频率在1Hz到7Hz可变。仅供个人参考74HC16价数器是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它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。时钟CP

25、和四个数据输入端P0P3清零/MR使能CEPCET置数PE数据输出端Q0Q姒及进位输出TC.工作原理：当清零端CR=0，计数器输出Q3Q2QtQ0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=1”且LD=0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3Q2Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3,D2,D1,D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=1、CP脉冲上升沿作用后，计数器实行加计数。原理分析: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P0、P1、P2、P3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

26、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，74LS20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不得用于商业用途仅供个人参考2.4.3 D触发器原理分析原理分析：D触发器的输出方程为Qn+1=D,D等于Qn非，则此触发器的功能为：有触发信号后，输出状态发生改变，。PRECLR接高电平，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。2.4.4 电动机装置电路74HC04图2-5电动机正反装控制电路图原理分析：此设计采用桥式电路连接电动机，实现电动机的正反转功能。当输入端口输入高电平时,三极管Q1和Q3导通，从而实现电动机的正转；当接低电平时，三极管Q2和Q4#通，从而实现电动机的反转.当非门左端输入为低电平时，Q1,Q4截止，Q2,Q3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，Q1,Q4导通，Q2,Q3截止，直流电动机左端为低电平右端为高电平，仿真可知电势差U=-4.93v,直流电机反转，小车后退。2.5 电路工作流程如前所述，此设计的计时器已事先设定为十六