小型智能控制系统设计张恒

1、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。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。课程设计的基本内容1、

2、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 贝叽方法和范例，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。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，以保障人们的生命财产

4、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

5、卷 中国计量出版社 组编2）传感器及其应用电路 何希才编电子工业出版社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）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

6、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28日一7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日上午一一7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 21.1意义与要求 21.1.1 意义

7、2设计要求 21.2设计总体方案 21.2.1 方案论证与比较 21.2.1.1 电源供电部分 21.2.1.2 气敏传感部分 31.2.1.3 声光报警部分 31.2.1.4 气体抽排部分 3设计思路 41.3设计原理 4设计原理图 5各部分电路原理 6有害气体检测电路 7抽排气体电路 81.3.2.1 整流稳压电路 6报警装置电路 91.4电路元件参数 121.5电路仿真 131.6总体设计方框图 142机器人行走电路设计 142.1.意义与要求 152.1.1 意义 152.1.2.设计要求 152.2设计总体方案 152.2.1 设计方案比较论证 15设计思路 162.3.设计原理图

8、162.4各部分电路原理 17多谐振荡器 17计时器电路 182.4.3 D触发器 19电动机装置电路 202.5电路工作流程 212.6电路元件参数 212.7电路仿真 232.8设计方框图 243设计体会和小结 25参考文献 26、八刖言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

9、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

10、稳压电路原理1有害气体检测报警及抽排电路设计1.1意义与要求意义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，拓展了自己的专业知识面。设计要求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

11、测状态。1.2设计总体方案1.2.1 方案论证与比较电源供电部分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。121.2 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

12、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。声光报警部分方案一：用气敏传感器通过555施密特触发器输出的电压来控制晶闸管的导 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晶闸管的导通来 触发喇叭多音频报警部分再由喇叭两端的电

13、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。气体抽排部分方案一：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。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

14、准以下时， QM N5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，QM 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设计原理设计原理图1,1-1

15、 !-;图1-1电路原理图132各部分电路原理整流稳压电路图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。1.322有害气体检测电路图1-3有害气体检测电路图原理分析：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，QM-N饉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

16、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，带动电机运转，

17、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。1.323抽排气体电路MOTORAC图1 4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从未导通变为导通，这个正向电压使金闸管 Q5 导通，从而使电机MG转动，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。1.324报警装置电路1声音报警图1 5声音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，

18、使滑动变阻器上的电压 值变大，原来电压比较器OPAM从未导通变为导通，通过三极管Q使蜂鸣器发出 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从未导通变为导通，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BJT T导通，此时Vo为低电压，电容C通过R和T放电，使VC

19、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=RCIn2 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=（Ri+R）CIn2可近似看成 t ph=0.7（Ri+F2）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/（ t pl+tp可近似看成f=1.43/（R计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

20、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AC MOTORMG1个双向晶闸管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个电解电容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

21、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，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，QM 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，电路停止工作回 复到自动

22、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.意义与要求意义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。设计要求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

23、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设计总体方案设计方案比较论证方案一：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

24、出来，成本低廉也不复杂。222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L I I T I I I一- 图2 1机器人电路原理图2.4各部分电路原理241多谐振荡器图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

25、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=RCIn2 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=（R+R）CI n2。可近似看成t ph=0.7（R 1+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/（ t

26、pl +t ph）可近似看成f=1.43/（R 1+RQC。根据仿真 可得：调节滑动变阻器，可以使频率在 1Hz到7Hz可变。242计时器电路74HC161计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和四个数据输入端P0P3清零/MR使能CEP CET置数PE 数据输 出端Q0Q3以及进位输出TC.工作原理：当清零端CR“0”，计数器输出Q3 Q2 Q1 Q0立即为全“ 0”， 这个时候为异步复位功能。当CR=“T且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后， 74LS161输出端Q3 Q2 Q1 Q0的状态分

27、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=E“M”、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243 D 触发器原理分析原理分析：D触发器的输出方程为Qn

28、+仁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。244电动机装置电路原理分析：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导通，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

29、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进制，而机器人前进或后退的 时间是通过调节555定时器构成的多谐振荡器的滑动变阻器调节脉冲宽度来实 现的，若要减少时间，则只要调节电阻值，使其频率变大，即可实现时间的变短； 同理，若要延长时间，只需减小频率即可。这样就实现了前进或后退的时间可调。因为已设定其为十六进制，所以可用计数器的Q0,Q1,Q2,Q3端通过一个与非 门来控制D触发器的时钟信号。这样，每当计时器完成一个周期的计数，D触发器完成反转，实现

30、电动机的正反转。此设计通过运用74系列的芯片，如与非门， 非门等，实现前进与后退的时间均可调，当前进时，通过门电路使控制后退的触 发脉冲无效，这样D触发器的时钟脉冲只受前进脉冲控制。 当计数器计数完成一 周期时，控制D触发器反转，是电机反转，同时控制使控制后退的计数器置零， 实现从零计数。本电路主要由四部分构成，分别是由555定时器构成的多谐振荡 电路、161计数器、D触发器和直流电动机转动控制电路部分。要实现直流电动 机的正反转，就必须为直流电动机提供可以循环翻转的信号。 多谐振荡器持续产 生交替变换的高低电平，作为161计数器的时钟脉冲。161实现十六进制循环计 数，每当计数十六次就向D触

31、发器发出一个低电平脉冲。通过调节多谐振荡器的 滑动变阻器，可以调节其输出脉冲的频率，进而影响到电动机的翻转时间，从而 达到前进、后退时间可调的目的。2.6电路元件参数表2-1机器人行走电路所用元件元件名称型号位号数量555定时器555U11个计数器74HC161U21个D触发器74LS74U61个与非门74HC03U41个非门74LS04U5,U32个电阻2KR11个电阻1KR3,R4,R5,R64个滑动变阻器6KR21个电容0.01 uFC11个电容100 uFC21个三极管NPN3904Q1,Q22个三极管PNP3906Q3,Q42个电动机MOTOR SERVOMG1个二极管IN4001D1,D22个2