电工电子课程设计

1、 前言此设计为有害气体检测智能系统，包含气体检测，声光报警以及自动抽排三部分。当有害气体超过安全标准时，系统将自动触发声光报警系统，进行报警，并触发自动抽排系统。气体抽排完毕，系统又恢复到检测状态。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。此系统以气敏传感器为核心，通过其检测空气中有害气体浓度来驱动电路。用555定时器组成的多谐振荡器来驱动报警电路。 目录1 有害气体检测电路41.1 意义与设计要求41.1.1意义41.1.2设计要求41.2 设计总体方案41.2.1 设计思路41

2、.2.2 设计方框图51.2.3 电路原理图61.2.4 PCB制图71.3 设计原理分析81.3.1 整理稳压电路分析81.3.1.1 整流稳压电路图如下81.3.1.2 工作原理分析91.3.2 检测电路原理分析91.3.2.1 检测电路原理91.3.2.2 工作原理分析101.3.3 报警电路111.3.3.1 报警电路原理图111.3.3.2报警电路原理分析121.3.5 仿真电路图141.4 小结与体会151.5 附表一：有害气体检测电路使用元器件162机器人行走电路设计182.1 意义与要求182.1.1 意义1821.2 设计要求182.2 设计总体方案182.2.1 设计思路1

3、82.2.2 总体方框图192.2.3整体原理192.2.3.1 运用proteus软件绘制原理图192.2.3.2 PCB图212.3 原理分析222.3.1 多谐振荡器原理分析222.3.1.1 多谐振荡器原理图222.3.1.2工作原理232.3.2 计时器电路原理232.3.2.1计时器电路原理图232.3.2.2 计时器电路原理分析242.3.3.1 JK触发器电路原理图（图2-8）272.3.3.2 原理说明272.3.4.1 电动机原理图 （图2-9）282.3.4.2 电动机工作原理分析282.4 整体工作原理说明292.5 小结和体会292.6附表二 机器人行走所用元器件31

4、 1 有害气体检测电路1.1 意义与设计要求1.1.1意义联系实际与所学知识，设计次有害气体监测系统。将此装置安放在家中或公共场所，当有害气体泄漏时，可以及时检测并抽排，保障人的生命安全。1.1.2设计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。1.2 设计总体方案1.2.1 设计思路通过稳压电路将交流电转换成直流5v电源，直流电源向气敏传感器供电。气敏传感器通过检测空气气体浓度来控制输出电压，当输出为高电压时，换气扇以及由555定时器组成的多谐振荡器工作。多谢振荡器输出的脉

5、冲波驱动发光二极管闪烁和扬声器报警。1.2.2 设计方框图整流稳压电路检测电路抽排 报警放大器多谐振荡器 图1-1 有害气体检测电路方框图1.2.3 电路原理图运用proteus软件绘制如图1-2所示电路图图1-2 1.2.4 PCB制图运用proteus软件制作PCB图（图1-3） 图1-3 1.3 设计原理分析1.3.1 整理稳压电路分析1.3.1.1 整流稳压电路图如下（图1-4） 图1-4 1.3.1.2 工作原理分析考虑到此系统的现实工作条件，即使用交流电源，遂加一个整流稳压电路，使其输出直流电源。220v交流电源接一个整流桥和一个由电容构成的滤波电路，然后再通过稳压管使其输出5v直

6、流电压。供系统工作。1.3.2 检测电路原理分析1.3.2.1 检测电路原理图1-5 1.3.2.2 工作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。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度亦不同，即引起

7、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型元件是以金属氧化物的N型半导体气体元件，当原件接触还原性气体时，当有害气其导电率随气体浓度的升高而迅速增加。体浓度超过安全值时，传感器两端电阻下降，近似导通，使是电容c2充电，当电容电压达到一定值时，三极管导通，集电极输出低电平。当没有检测到有害气体时，三极管截止，集电极输出高电平。 1.3.3 报警电路1.3.3.1 报警电路原理图（图1-6） 图1-6 1.3.3.2报警电路原理分析报警电路的核心是由555定时器构成的多谐振荡器。多谐振荡器工作原理（如下图1-7）图1-7 555定时器组成的多谐振

8、荡器电路图接通电源后，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/

9、( tPL +tPH) 可近似看成f=1.43/(R1+R2)C这样，当检测到有害气体时，三极管集电极输出低电平，通过反相器和运算放大器，给多谐振荡器提供工作电压使其输出方波脉冲，从而使二极管闪烁，扬声器间歇报警，达到声光报警的效果。三极管输出电压经反相器后给换气扇供电，使其工作，达到自动抽排的效果。1.3.4 整体工作原理说明此系统工作于居室或公共场所，所以用交流电供电。而报警电路以及检测电路则工作与直流电压下，所以通过稳压电路实现交流电到直流电的转化。当检测到有害气体时，传感器两端电阻下降，近似导通，使电容c2充电，当电容电压达到一定值时，三极管导通，集电极输出低电平。低电平通过反相器后向

10、换气扇供电，使其工作，抽排气体。反相器输出电压经运放后供多谐振荡器工作，从而实现声光报警。当没有检测到有害气体时，三极管截止，集电极输出高电平，经反相器后，电路不工作。1.3.5 仿真电路图 （图1-8）说明:因为proteus元器库里没有气敏传感器，所以用滑动变器代替。 图1-8 1.4 小结与体会通过此系统的设计与制作，重新温习了模拟电子技术基础以及数字电子技术基础的知识，还有一些以前不知道或者是对工作原理和如何应用不是很清楚的元器件，也有了进一步的了解，尤其是555定时器的应用。不仅如此，这次制作还加强了自己独立完成任务和分析错误的能力。还有就是掌握了多款仿真软件的应用。1.5 附表一：

11、有害气体检测电路使用元器件 名称规格型号位号数量电阻5kR11电阻1kR21电阻1kR31电阻470kR41电阻470k R51电阻1kR61滑动变阻器 100kRV11 三极管 NPNQ11电容4.7uFC11电容1uFC21电容1uFC31电容0.01uFC41 整流桥DF01sBR11 稳压管5vD11发光二极管D21反相器74ls04U11555定时器U21电机MotorU31电压源ALTERNATORU41运放器OPAMPU51扬声器LS11 2机器人行走电路设计2.1 意义与要求2.1.1 意义随着信息技术的发展智能自动化系统的发展已取得非凡的成就，智能自动化系统已用于各种领域。机

12、器人的发展已取得很大的成就，并且应用于很多人类无法到达的领域，如深海探测，搜救等方面。联系实际与所学数字电子技术知识，设计此机器人行走电路。通过此次设计与制作，初步掌握机器人的原理。21.2 设计要求设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。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 设计总体方案2.2.1 设计思路运用555定时器构成多谐振荡器，向计数器（74ls90）提供时钟脉冲。计数器首先设置为九进制计数器，通过调节多谐振荡器的输出脉冲宽度来改变计

13、数器时间长短。计数器输出端通过门电路接到JK触发器的时钟信号端，计数器每计数一个周期时钟信号发生改变，触发JK触发器，改变输出状态从而改变电机运转方向。电机电路运用桥式电路连接方法，改变输入端点评状态可以改变电机运转方向。 2.2.2 总体方框图 （图2-1）多谐振荡器（控制正转时脉冲宽度）多谐振荡器（控制反转时脉冲宽度）计数器计数器门电路电动机 图2-12.2.3整体原理2.2.3.1 运用proteus软件绘制原理图（如图2-2）图2-22.2.3.2 PCB图 （图2-3） 图（2-3） 2.3 原理分析2.3.1 多谐振荡器原理分析2.3.1.1 多谐振荡器原理图 （图2-4） 图2-

14、4 2.3.1.2工作原理 由555定时器构成的多谐振荡器，输出方波脉冲，其输出频率为 f=1/( tPL +tPH) 可近似看成f=1.43/(R1+R2)C所以通过调节滑动变阻器的阻值可以改变脉冲宽度，从而改变计数器的时钟信号。2.3.2 计时器电路原理2.3.2.1计时器电路原理图 （图2-5）图2-5 2.3.2.2 计时器电路原理分析74LS90计数器是一种中规模二一五进制计数器，管脚引线如图2-7，功能表如表2-6所示。 表2-6 7490功能表复位输入输出R1 R2 S1 S2 QD QC QB QAH H L H H L H HX L LL L L L L L L L L LL

15、 L L LH L L H计 数计 数计 数计 数 A 将输出QA与输入B相接，构成8421BCD码计数器；B 将输出QD与输入A相接，构成5421BCD码计数器；C 表中H为高电平、L为低电平、为不定状态。74LS90逻辑电路图如图3.6-1所示，它由四个主从JK触发器和一些附加门电路组成，整个电路可分两部分，其中FA触发器构成一位二进制计数器；FD、FC、FB构成异步五进制计数器，在74LS90计数器电路中，设有专用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2。74LS90具有如下的五种基本工作方式：（1）五分频：即由FD、FC、和FB组成的异步五进制计数器工作方式。（2）十分频（8

16、421码）：将QA与CK2联接，可构成8421码十分频电路。（3）六分频：在十分频（8421码）的基础上，将QB端接R1，QC端接R2。其计数顺序为000101，当第六个脉冲作用后，出现状态QCQBQA=110，利用QBQC=11反馈到R1和R2的方式使电路置“0”。 1） 九分频：QAR1、QDR2，构成原理同六分频。5）十分频（5421码）：将五进制计数器的输出端QD接二进制计数器的脉冲输入端CK1，即可构成5421码十分频工作方式。 此外，据功能表可知，构成上述五种工作方式时，S1、S2端最少应有一端接地；构成五分频和十分频时，R1、R2端亦必须有一端接地。图2-7 管脚引线如图2.3.

17、3.1 JK触发器电路原理图（图2-8）图2-82.3.3.2 原理说明JK触发器的输出方程为 ，如图2-8所示，J=K=1，则此触发器的功能为 ：有触发信号后，输出状态发生改变。2.3.4 电动机原理2.3.4.1 电动机原理图 （图2-9） 图2-92.3.4.2 电动机工作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。当输入端口即1端口输入高电平时，三极管Q2和Q3 导通，从而实现电动机的正转；当接低电平时，三极管Q1和Q4导通，从而实现电动机的正转。2.4 整体工作原理说明 如前所述，此设计的计时器已事先设定为九进制，而机器人前进或后退的时间是通过调节555定时器构成的

18、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。因为已设定其为九进制，所以可用计数器的Q4端来控制JK触发器的时钟信号。这样，每当计时器完成一个周期的计数，JK触发器完成反转，实现电动机的正反转。此设计通过运用74系列的芯片，如与非门，或非门，或门，与门等，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JK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JK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。当电机反转时，通过门电路控制前几脉冲信号无效，实现后退。当完成计数一周期后控制JK触发器反转，实现电机的正转，同时前进的计数器清零，从新计数。这样就实现了机器人的前进和后退周而复始和时间的可调。2.5 小结和体会 通过两个星期的课程设计，让我受益匪浅。首先我学会很多新的东西,仿真软件的运用,课程设计论文的书写,计算机的一些应用软件的应用等等。其次,我对以前学的一些数电模电