课程设计说明书：有害气体检测与抽排及机器人行走控制电路

1、课程设计任务书学生姓名：罗潇汝 专业班级： 自动化1007 指导教师： 田 宇 工作单位： 武汉理工大学 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：设计一个能够检测有害气体浓度和抽排的电路，当浓度高于正常值时候报警系统进行报警，同时抽排系统进行工作降低有害气体浓度直至恢复正常。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，停止，后退的机器人行走控制电路，并且其时间可以实时监测。要求：1、接通电源，机器人前

2、进，行走一段时间后，机器人停止一段时间，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，停止，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

3、) 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

4、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： 2012年 7月5日系主任（或负责教师）签名：2012年 7月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

5、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 l298,74hc192 及电机等元器件完成该设计。关键字：555 定时器 电机 电桥 L298 74HC192目录前言I1有害气体检测与抽排电路设计11.1设

6、计要求11.2 方案论证及选择11.3设计总体方案21.3.1 设计系统模块框图21.3.2 设计原理流程框图2设计原理图31.4 设计方案分析4电源电路模块4自动检测模块4排气电路模块5声光报警控制模块6工作原理说明81.4.6 QM-N5气敏传感器说明91.5仿真结果分析91.6元件列表112机器人行走电路设计122.1设计要求122.2方案选择与论证122.3设计总体方案132.3.1 设计系统模块框图132.3.2 设计原理流程框图132.3.3 设计原理图142.4 设计方案分析15时钟脉冲模块152.4.2 计数器和计数器显示模块152.4.3 机器人行走模块16定时模块182.4

7、.5 所用芯片及其他器件说明182.5仿真结果分析212.6 元件列表22小结与体会23致谢24参考文献25前言在日常生活中，我们经常听到某某因煤气中毒而失去宝贵的生命，这是一个家庭安 全隐患问题；除此之外人们还希望机器人能代替人类做事，这样可以节省很多劳力，并可 以避免很多危险的侵害。针对以上两种情况，我们这次主要设计的就是典型的家庭智能控 制系统，包括有害气体检测与抽排电路设计和机器人行走电路设计。 通过课程设计，加深学生对相关课程基础知识与基本理论的理解和掌握，培养学生综 合运用所学知识的能力，并增强解决实际问题的能力。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，

8、同时加强我们的计算机的应用能力。 两个设计要求综合运用所学电子电路的知识，是模拟电子技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。 这两个设计都以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 成的单稳态触发器和多谐振荡器。小型智能控制系统设计1有害气体检测与抽排电路设计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，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。1.2 方案论证及选择本次设计有两套方案可

9、供选择：方案一：是采用220v交流电源，经过变压、整流与稳压给各部分电路供电。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；方案二：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

10、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，稳定性高，从经济上看，方案一也更经济，故采用方案一。1.3设计总体方案1.3.1 设计系统模块框图电源模块 提供12V直流 自动检测模块提 检供声光报警 测 220V 模块信 交 号 流抽排模块图1.1模块方框图1.3.2 设计原理流程框图声光系统和排气系 统都不工作 返回自 毒气浓度 抽排后，毒 动检测 小于C 气浓度小于C有毒气体浓度开始自动检测 返回自 毒气浓度 动检测 大于C声光系统工作排气系统工作图1.2 设计原理系统框图注：其中浓度C为毒气超标浓度。设

11、计原理图图1.3 设计原理图1.4 设计方案分析1.4.1电源电路模块原理说明：电源电路由 220v交流电压，变压器，整流电路，及滤波稳压电路组成，实现交流电到直流电的转变，在供电给后续电路工作。见图1.4为电源电路模块。电源电路电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化。因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。稳压电路主

12、要由滤波电容和集成稳压电路组成。电容C6选择1000uf、击穿电压为320v的电容，C1选择1000uf、击穿电压为15v的电容，C2选择0.01uf、击穿电压为15v的电容。U1则是7812三脚集成稳压器。图1.4 电源电路1.4.2自动检测模块见图1.5自动检测模块。为当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，使两个电压比较器正相输入端的电压均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，多谐振荡输出脉冲与低电平进行与运算，输出低电平；如果空气中的有害气体浓度达到C时，传感器的电阻值变小，使下面的电压比较器正相输入端电压大于反向输入端电压，

13、比较器输出“高电平”，谐振荡输出脉冲与高电平进行与运算，输出方波信号，使得三极管导通，进一步使得继电器工作，从而驱动声光报警电路。同时，比较器输出“高电平”，会使得继电器工作，从而驱动风扇抽排电路。改变滑动变阻器RV2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。RV1为5k、额定功率为1/16W,RV2为2k、额定功率为1/16W。R1为4k，R2为2k，额定功率都为1/16W。注：此处由于在元件库中找不到QM-N5器件，故用滑动变阻器RV1代替。图1.5 气敏传感器工作原理图1.4.3排气电路

14、模块电压比较U2输出高电平三极管处于饱和导通状态电动机工作开始排气毒气浓度高于C图1.6 排气电路工作方框图见图1.6为排气电路模块。排气电路中，二极管和继电器为开关作用。当气体浓度大于C,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C时，电压比较器输出为低电平，使二极管截止，电机不能工作，停止排气。 电机的额定电压为12v，继电器RL1的额定电压为5v。三极管Q2作为RL1的开关，控制继电器的闭与合.图1.6 排气电路工作原理图1.4.4声光报警控制模块多谐振荡电路见图1.7为多谐振荡电路。555定时器组成的多谐振荡器工作原理

15、如下：接通电源后，电容C5被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，同时放电三极管T导通，此时Vo为低电压，电容C5通过R4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：555芯片的电源电压范围为4.5v16V，C4为0.01uf;C5为10uf，两者击穿电压都是15V。R3为6.5k电阻，R4为33k电阻，两者额定功率都为1/16W。图1.7 多谐振荡电路图声光报警电路见图1.8为声光报警电路。当电压比较器输出高电平时，使得U7端口输出方波信号，高电平驱动继电器，灯泡发光；低电平断开继电器，灯泡变暗。于是灯泡处于间歇的工

16、作状态。其周期计算如下：可知，适当改变C5,R3,R4值可以改变灯泡和喇叭的工作频率。U4:A与U7组成与门，输入端为555定时器3脚与运放输出端。白炽灯与喇叭的额定电压220V。继电器RL2额定电压为5V。三极管Q1作为RL2的开关，控制继电器的闭与合。图1.8 声光报警控制电路图工作原理说明电源变压器将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化。因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电

17、网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，使两个电压比较器正相输入端的电压均小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为“低电平”，U7输出低电平，灯泡与喇叭均不工作；如果空气中的有害气体浓度达到C时，传感器的电阻值变小，使下面的电压比较器正相输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，U7输出方波信号，使得灯泡闪烁，报警电路发出警笛报警声，同时使得二极管导通，继电器工作，从而驱动风扇抽排电路。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，使声光报警及风扇抽排电路可以在有害气体不同浓度下工作，

18、即用气敏传感器实现对有害气体不同浓度的测量。1.4.6QM-N5气敏传感器说明气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。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

19、.2K。* QM-N5传感器基本测试电路VC输出信号RLVRLVH图1.9传感器基本测试电路1.5仿真结果分析图1.10 RL2的控制脉冲波形图图1.11 声光报警系统和抽排系统仿真图见图1.9与图1.10，分别是继电器RL2的控制脉冲波形图和声光报警系统和抽排系统仿真图。RL2的控制脉冲由555定时器构成的多谐振电路产生的谐振脉冲和检测模块产生的检测信号进行与运算而来。当检测到煤气泄漏时，检测模块产生检测信号为“1”，然后与谐振脉冲与运算，由U7发出RL2的控制脉冲。其频率与谐振脉冲相同。控制脉冲为“1”时，RL2接通，报警灯和喇叭工作，相反，控制脉冲为“0”时，RL2连接另一端，报警灯和喇

20、叭不工作，因此报警灯与喇叭以2Hz产生闪烁报警。与此同时，由于检测信号直接传递给排气模块，三极管Q2接受检测信号后，连通继电器，RL1闭合，电机转动，开始排气。仿真效果与预想相同，只是在软件里无法找到交流电灯、交流喇叭及交流电机，故用直流电灯、直流喇叭和直流电机代替。1.6元件列表本设计使用的各个元件如下表。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双刀双掷继电器OMI-SH-205L1单刀双掷继电器OMIH-SH-105L1交流电动Motor1气敏传感器MQ-N51变压器220V/9V1整流桥QL400/1A1稳压器LM780121555定时器5551扬声器5W,81报警灯

21、220V,15W1三极管90132电阻各种阻值若干电容无极性电容与电解电容若干功率放大器EL21701排气扇220V，300W交流1与非门74HC001非门 74HC0412机器人行走电路设计2.1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。2.2方案选择与论证可采用两种方案供选择：方案一：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

22、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。方案二：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，由于我对单片机比较了解，手上又有现成的材料，因此采用方案二。2.3设计总体方案2.3.1 设计系统模块框图干电池构成的12V电源 提供电源 提供电源计数及显示模块机器人行走模块定时模块

23、时钟脉冲模块设置时间 时钟脉冲计时信号图2.1 模块方框图2.3.2 设计原理流程框图计数器减到零时产生触发信号触发D触发器显示电路显示小车前进后退时间多谐振荡电路直流电机两端电压发生跳变D触发器发生高低电平跳变直流电机正反转图2.2 设计原理系统框图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时钟脉冲模块图2.4 多谐振荡电路如上图2.4,555定时器构成的多谐振电路做时钟脉冲发生模块。接通电源后，电容C2被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，电容C2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

24、方波信号，此方波信号的周期：通过对SW1开关的操作可以选择3端输出的方波信号的周期T为1s或者0.5s。R1:A、R1:B及R2分别为78.2k、6.1k及33k，它们的额定电压均可为1/16W。C1与C2分别为0.01uf与10uf，其击穿电压均为15V。2.4.2 计数器和计数器显示模块如下图2.5。由多谐振荡器3端输出的方波信号接到U2的“DN减计数”端，驱动74HC192进行减计数，然后将U2的“TCD借位端”接到第U3的“DN减计数”端，再将两片74HC192的所有输入端取非后接到一个八输入与非门，产生的信号通过继电器接到两个芯片的“PL置数端”。这样，当第一个芯片减到零时，向高位产

25、生一个借位信号，使高位减一，依次循环，知道两个芯片均减到零时，两个借位端相或产生的信号使得两个芯片的置数端有效，使其指数，又回到起点。同时八个输出端分别接入七段数码管做显示。芯片均为cmos芯片，电源电压为3V18V。图2.5 74HC192计数器和七段数码管构成的计数器显示电路2.4.3 机器人行走模块D触发器实现信号翻转如下图2.6。用与非门产生的信号作为D触发器的触发信号，于是，当计数完成一个周期时，D触发器接受到一个触发信号，使得Q端输出翻转。图2.6 D触发器及翻转电路直流电机正反转电路如下图2.7。当D触发器输出为高电平时，Q1,Q4导通，Q2,Q3截止，直流电机两端电势差为-6.

26、0v,直流电机反转，机器人后退。当D触发器输出为底电平时，Q1,Q4截止，Q2,Q3导通，直流电机两端电势差为6.0v，直流电机正转，机器人前进。于是就实现了机器人前进后退的要求。且时间相等。R3、R4、R5及R6均为800，额定电压为0.25W。Q4与Q2为PNP三极管，Q1与Q3为NPN三极管图2.7 直流电机正反转电路2.4.4定时模块 如下图2.8。当SW2接地时，计时模块的两个计时器处于预置状态，此时按一下“个位定时”按钮，U2便会预置“0001”，按两下，U2便预置“0010”，以此类推，“各位按钮”可使U2预置“0000”至“1001”，同理，“十位按钮”对U3有相同功能。设定成

27、功后，将SW2接回与非门输出端。计数器便以设定的时间进行反复减计数。其可设定的范围为199个时钟脉冲周期。图2.8 定时模块电路图所用芯片及其他器件说明74HC192计数器图2.9 74HC192真值表74HC192管脚图：图2.10 74HC192管脚图74HC192具体功能：1 异步清零：当MR=1时，计数器输出将直接清零，与其他输入端的状态无关，这就是异步清零2 加、减计数功能：当MR=0,PL=1,CPD=1时，CPU端接脉冲信号，就实现了加计数功能；当MR=0,PL=1,CPU=1时，CPD端接脉冲信号，就实现了减计数功能。3 置数功能：当MR=0，PL=0时，计数器输出端与输入端相

28、同，即实现置数功能。D触发器JK触发器真值表：图2.11 D触发器真值表故当JK触发器的J、K端均接高电平时，每来一个触发信号便使得其发生一次翻转，于是就实现了小车前进与后退的功能要求。图2.12 74HC175引脚图D触发器功能说明：本电路中，欲将D触发器接成T触发器，应使D接。于是便能实现翻转功能。2.5仿真结果分析图2.13 机器人行走仿真图如上图2.13为预置15秒的机器人来回行走仿真图。SW2接地，将“个位按钮”按五次，“十位按钮”按一次，七段数码管分别显示“1”“5”，再将SW2接与非门输出端，计数器开始减记数，D触发器Q输出“0”，机器人前进。当计数器减记数到“0000”“0001”，及数码管显示“0”“1”时，D触发器输出“1”，机器人后退。如此一直反复。另当SW3置下端