小型智能控制系統(tǒng)設(shè)計

1、武漢理工大學(xué)電工電子綜合課程設(shè)計說明書學(xué)號電工電子綜合課程設(shè)計題 目 有害氣體檢測與抽排電路設(shè)計機器人行走電路設(shè)計學(xué)院（系）： 自動化 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 周曉年 2013 年 7 月 5日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師：周曉年 工作單位：自動化學(xué)院 題 目: 小型智能控制系統(tǒng)設(shè)計 一、 有害氣體檢測與抽排電路設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個自動檢測有害氣體濃度，且當有害氣體濃度超標時，能自動發(fā)出聲光報警，自動抽排有害氣體的控制電路。要求：當檢測到有害氣體意外排放超標時，發(fā)出警笛報警聲和燈光間歇閃爍的光報警提示，同時自行啟動抽排系統(tǒng)，以保障人們的生命財產(chǎn)安全。抽排完畢后，系統(tǒng)

2、自動回到實時檢測狀態(tài)。二、機器人行走電路設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個能前進、后退的機器人行走控制電路。要求：1、接通電源，機器人前進，行走一段時間后，機器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復(fù)始。 2、機器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源。 3、機器人前進、后退時間可調(diào)。初始條件： 1. 實驗室提供萬用表、信號發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源、示波器等設(shè)備。2. 學(xué)生已學(xué)習了大學(xué)基礎(chǔ)課程和電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子變流技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程。3. 學(xué)生已參加過電工電子實習，掌握了用PROTEL繪制電路圖的方法。4. 主要參考文獻1) 新編電子電路大全 第1、2、3、4卷 中國計量出版社 組

3、編2) 傳感器及其應(yīng)用電路 何希才 編著 電子工業(yè)出版社3) 電子線路綜合設(shè)計 主編 謝自美 華中科技大學(xué)出版社4) 集成電路速查手冊 王新賢 主編 山東科學(xué)技術(shù)出版社5) 電力電子電路設(shè)計 鐘炎平 主編 華中科技大學(xué)出版社6) 電子技術(shù)工藝基礎(chǔ) 王天曦 李鴻儒 編著 清華大學(xué)出版社要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、 課程設(shè)計結(jié)束時每個學(xué)生要提交一份按統(tǒng)一格式要求撰寫的課程設(shè)計報告，并裝訂成冊。2、 課程設(shè)計報告中要求繪制方框圖、電原理圖，闡述電路工作原理、每個元器件的主要參數(shù)、設(shè)計電路的性能指標、課程設(shè)計感言等。3、 說明書中除個人簽名外，其

4、它文字、符號、圖形或表格一律用計算機打印。4、 文字、符號、圖形等必須符合國家標準。5、 獨立完成設(shè)計任務(wù)，杜絕相互抄襲現(xiàn)象發(fā)生，避免剽竊。時間安排：二周（6月24日7月5日）。6月24日上午，指導(dǎo)教師講授課程設(shè)計的有關(guān)基本知識，布置設(shè)計任務(wù)等；6月24日下午6月26日下午學(xué)生查閱資料；6月27日上午6月30日下午學(xué)生初步設(shè)計；7月1日上午7月1日上午檢查設(shè)計進度；7月1日下午7月3上午深化設(shè)計；7月3日下午7月4日上午答疑、質(zhì)疑；7月4日下午7月4日下午進一步完善設(shè)計，形成設(shè)計報告電子文檔；7月5日課程設(shè)計報告打印、裝訂、提交。指導(dǎo)老師簽名： 2013年6 月 17 日 系主任（或負責教師）

5、簽名： 2013年 月 日目 錄摘要61有害氣體檢測與抽排電路設(shè)計71.1設(shè)計任務(wù)及要求71.1.1任務(wù)71.1.2要求71.2設(shè)計方框圖81.3設(shè)計原理及分析101.3.1總設(shè)計原理圖101.3.2整流穩(wěn)壓電路111.3.3有害氣體檢測電路121.3.4抽排氣體電路121.3.5聲光報警電路131.4元器件說明141.4.1 QM-N5氣敏傳感器141.4.3繼電器151.4.3 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器161.4.4電路元件參數(shù)162機器人行走電路設(shè)計172.1設(shè)計任務(wù)及要求172.1.1任務(wù)172.1.2要求172.2設(shè)計方框圖172.3設(shè)計原理及分析182.3.1總原理電路圖182

6、.3.2多諧振蕩器182.3.2計時器電路192.3.3 D觸發(fā)器202.3.4直流電機正反轉(zhuǎn)電路212.4元器件說明222.4.1 74HC161222.4.2 機器人行走電路所用元件23結(jié)束語24參考文獻24摘 要現(xiàn)代社會，電子技術(shù)日益發(fā)展，很大的程度上為人類提供了方便，節(jié)省了人力。此報告內(nèi)包含兩個設(shè)計：有害氣體檢測與抽排電路設(shè)計和機器人行走電路設(shè)計。有害氣體檢測與抽排電路設(shè)計利用了氣敏傳感器檢測信號，利用此信號通過一些元器件和芯片來操控電機轉(zhuǎn)動以抽排出有害氣體，并且同時發(fā)出聲光報警信號，通知用戶。機器人行走電路利用各種芯片產(chǎn)生提前設(shè)定的信號，同時傳遞給電機，操縱機器人的前進與后退，完成所

7、需設(shè)定的功能。兩個設(shè)計都為我們提供了方便，智能控制，自啟動和自動關(guān)閉，大大節(jié)約了人力資源。設(shè)計要求綜合運用我們所學(xué)電子電路的知識，是模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的綜合運用，需要靈活運用所學(xué)知識，并且要求我們能夠使用protel來將自己設(shè)計的電路展示出來，結(jié)合了理論知識和動手能力，為以后更加深入地學(xué)習，實踐本專業(yè)的知識做好了鋪墊。關(guān)鍵字：氣敏傳感器 智能控制 555定時器 protel1有害氣體檢測與抽排電路設(shè)計1.1設(shè)計任務(wù)及要求1.1.1任務(wù)設(shè)計一個自動檢測有害氣體濃度，且當有害氣體濃度超標時，能自動發(fā)出聲光報警，自動抽排有害氣體的控制電路。1.1.2要求當檢測到有害氣體意外排放超標時，發(fā)出警

8、笛報警聲和燈光間歇閃爍的光報警提示，同時自行啟動抽排系統(tǒng)，以保障人們的生命財產(chǎn)安全。抽排完畢后，系統(tǒng)自動回到實時檢測狀態(tài)。1.2設(shè)計方框圖電源系統(tǒng)穩(wěn)壓電路有毒氣體自動監(jiān)測系統(tǒng)有毒氣體濃度超過標準值是否聲光報警系統(tǒng)自動排氣系統(tǒng)1.3設(shè)計原理及分析1.3.1總設(shè)計原理圖 圖1-1電源由220v交流電壓供電，為了器件能在正常電壓下工作，則需外加變壓器使之輸出合適的電壓值，再經(jīng)過整流，濾波，穩(wěn)壓電路。最終輸出恒定直流。而氣敏電阻能通過感知有害氣體濃度變化來改變自身電阻，通過電壓比較器來輸出 高低電平，從而控制繼電器工作與否，因而驅(qū)動電機與聲光報警電路工作。（圖1-1中由于氣敏電阻在元件庫中未找到，以滑

9、動變阻器R2代替）1.3.2整流穩(wěn)壓電路 圖1-2整流濾波電路實際生活中的電源為220V交流電源，所以要增加一個整流穩(wěn)壓電路，使其輸出直流電源。整流電路常采用二極管單相全波整流電路，在橋式整流電路中，每個二極管都只在半個周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半，選擇電容濾波電路后，直流輸出電壓：Uo1=(1.11.2)U2，直流輸出電流 。然后經(jīng)過穩(wěn)壓管7812，輸出穩(wěn)定的12V直流電。1.3.3有害氣體檢測電路圖1-3有害氣體檢測電路本系統(tǒng)使用QM-N5氣敏傳感器（圖1-3中，由于protel元件庫中沒有QM-N5，用滑動變阻器R2代替）檢測有害氣體。氣敏傳感器是一

10、種基于聲表面波器件波速和頻率隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移的原理制作而成的一種新型的傳感器，QM-N5型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當元件接觸還原性氣體時，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變

11、化就可以準確的反應(yīng)氣體濃度的變化。當有毒氣體濃度升高時，氣敏傳感器電阻降低，使滑動變阻器上電壓值變大，通過電壓比較器使雙向金閘管導(dǎo)通，帶動電機運轉(zhuǎn)，抽排氣體，另一方面使音頻報警器報警，同時通過555組成的多諧振蕩器使燈泡發(fā)出1Hz的閃爍光，也起到了報警作用。當氣體被排出，濃度達到標準時，電路回復(fù)到自動檢測狀態(tài)。1.3.4抽排氣體電路 圖1-4抽排氣體電路當工作環(huán)境中有害氣體濃度不超標時，氣敏電阻值很小，通過變壓比較器輸出的電壓為低電平，繼電器不工作，聲光報警與電機電路不工作。當有害氣體濃度過高時，氣敏電阻QM-N5電阻值變小，電壓比較器輸出高電平，繼電器內(nèi)部開關(guān)閉合，啟動聲光報警與電機，對有害

12、氣體進行抽排。1.3.5聲光報警電路 圖1-5聲光報警電路聲光報警電路通過兩個555定時器發(fā)出的方波信號驅(qū)動喇叭工作，而采用兩個555定時器則可發(fā)出不同頻率的方波，使得喇叭發(fā)出警笛聲。實現(xiàn)警笛聲音。當繼電器內(nèi)部閉合，為555定時器供電，使之發(fā)出方波信號，促使燈泡發(fā)光，喇叭報警。圖中555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器輸出方波，其頻率為f=1/( tPL +tPH)，近似可看成f=1.43/(R1+R2)C。1.4元器件說明1.4.1 QM-N5氣敏傳感器QM-N5型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當元件接觸還原性氣體時，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。特點：用于可燃性

13、氣體的檢測（CH4、C4H10、H2等），靈敏度高，響應(yīng)速度快，輸出信號大，壽命長，工作穩(wěn)定可靠。 技術(shù)指標： 加熱電壓（Vh） AC或DC 5±0.2V響應(yīng)時間(trec)10S回路電壓（Vc）最大DC 24V恢復(fù)時間(trec)30S 負載電陰（Rl）2K元件功耗0.7W清潔空氣中電阻 （Ra） 2000 K檢測范圍5010000ppm靈敏度（S=Ra/Rdg）4(在1000ppmC4H10中)使用壽命2年VC輸出信號RLVRLVH基本測試電路使用方法及注意事項1.元件開始通電工作時,沒有接觸可燃性氣體,其電導(dǎo)率也急劇增加1分鐘后達到穩(wěn)定,這時方可正常使用,這段變化在設(shè)計電路時可

14、采用延時處理解決.2.加熱電壓的改變會直接影響元件的性能,所以在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)使用為佳.3.元件在接觸標定氣體1000ppm C4H10后10秒以內(nèi)負載電阻兩端的電壓可達到(Vdg- Va)差值的80%(即響應(yīng)時間);脫離標定氣體1000ppm C4 H1030秒鐘以內(nèi)負載電阻兩端的電壓下降到(Vdg- Va)差值的80%(即恢復(fù)時間).符號說明檢測氣體中電阻- Rdg 檢測氣體中電壓- VdgRdg 與Vdg的關(guān)系: Rdg=RL(VC/Vdg-1)負載電阻可根據(jù)需要適當改動,不影響元件靈敏度.使用條件:溫度-1535;相對濕度4575%RH;大氣壓力80106KPa環(huán)境溫濕度的變化會給元

15、件電阻帶來小的影響,當元件在精密儀器上使用時,應(yīng)進行溫濕度補償,最簡便的方法是采用熱敏電阻補償之.1.4.3繼電器繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。電磁繼電器的工作原理和特性 電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電

16、后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。 選用繼電器時，一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據(jù)。控制電路應(yīng)能給繼電器提供足夠的工作電流，否則繼電器吸合是不穩(wěn)定的。 查閱有關(guān)資料確定使用條件后，可查找相關(guān)資料，找出需要的繼電器的型號和規(guī)格號。若手頭已有繼電器，可依據(jù)資料核對是否可以利用。最后考慮尺寸是否合適。若是用于一般用電器，除考慮機

17、箱容積外，小型繼電器主要考慮電路板安裝布局。對于小型電器，如玩具、遙控裝置則應(yīng)選用超小型繼電器產(chǎn)品1.4.3 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器555定時器組成的多諧振蕩器工作原理如下：接通電源后，電容C被充電，當Vc上升到2/3Vcc時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時發(fā)電BJT T導(dǎo)通，此時Vo為低電壓，電容C圖1.4.1 多諧振蕩器電路 通過R2和T放電，使Vc下降。當Vc下降到1/3Vcc時，觸發(fā)器又被置位，VO翻轉(zhuǎn)為高電平。輸出端輸出的方波信號周期T=0.7（R5+2R6）C21.4.4電路元件參數(shù)表1-1 有害氣體的檢測與抽排電路的元件列表元件名稱規(guī)格型號數(shù)量交流電壓源220V1個氣敏傳感器MQ-N5

18、1個功率放大器OPAMP1個555定時器5552個燈泡LAMP1個揚聲器SPEAKER1個電動機ACMOTOR1個雙向晶閘管TRIAC1個三端穩(wěn)壓器78121個變壓器TRANS1個滑動變阻器4.7K，100K各1個電阻箱2K1個整流橋BRAIGE11個電容0.33uF1個電容470uF2個電容100uF1個電解電容10uF，100 uF各1個電阻1K2個電阻2K1個電阻40K2個電阻 6.8K1個電阻100K1個2機器人行走電路設(shè)計2.1設(shè)計任務(wù)及要求2.1.1任務(wù)設(shè)計一個能前進、后退的機器人行走控制電路。2.1.2要求1、接通電源，機器人前進，行走一段時間后，機器人自動后退，退行一段時間后自

19、動前行，周而復(fù)始。2、機器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源。3、機器人前進、后退時間可調(diào)2.2設(shè)計方框圖555定時器構(gòu)成多諧振蕩電路計數(shù)器電路，提供觸發(fā)信號直流電機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)小車前進與后退D觸發(fā)器及門電路（提供前進、后退信號）2.3設(shè)計原理及分析2.3.1總原理電路圖 圖2-12.3.2多諧振蕩器圖2-2 555多諧震蕩器由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，接通電源后，電容C被充電，當VC上升到2/3VCC時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時發(fā)電BJT T導(dǎo)通，此時VO為低電壓，電容C通過R2和T放電，使VC下降。當VC下降到（1/3）VCC時，觸發(fā)器又被置位，VO翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時

20、間為：tPL=R2Cln2 可近似看成tPL=0.7R2C當C放電結(jié)束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C充電，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的時間為：tPH=(R1+R2)Cln2 ?？山瓶闯蓆PH=0.7(R1+R2)C。而當VC上升到（2/3）VCC時，觸發(fā)器又周而復(fù)始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為：f=1/( tPL +tPH)可近似看成f=1.43/(R1+R2)C。2.3.2計時器電路 圖2-3計時器電路多諧振蕩器輸出的脈沖信號接入161計數(shù)器的時鐘信號輸入端，作為時鐘信號。將D0、D1、D2、D3都接地，Q0,Q1，Q2,Q3接到一個四輸入

21、與非門然后接到計數(shù)器的清零端，實現(xiàn)從0到15并自動清零的循環(huán)十進制計數(shù)器。當計數(shù)到15，即二進制1111時，四輸入與非門U3產(chǎn)生低電平，下一個周期到來時，低電平變?yōu)楦唠娖剑笵觸發(fā)器觸發(fā)，使電機反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了機器人的前進和后退。2.3.3 D觸發(fā)器 圖2-4 D觸發(fā)器D觸發(fā)器的輸出方程為Qn+1=D 如圖2-4所示，D等于Q非，則此觸發(fā)器的功能為：有觸發(fā)信號后，輸出狀態(tài)發(fā)生改變，D接高電平，CD接低電平，D與Q非連接在一起，當時鐘觸發(fā)時，Q的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，同時使另外兩個三極管導(dǎo)通，原來的三極管截至，使電機反轉(zhuǎn)。2.3.4直流電機正反轉(zhuǎn)電路 圖2-5直流電機正反轉(zhuǎn)電路此設(shè)計采用H橋電路連接電動機，

22、當輸入端口輸入高電平時，左邊兩個三極管導(dǎo)通，從而實現(xiàn)電動機的正轉(zhuǎn)；當接低電平時，右邊兩個三極管導(dǎo)通，從而實現(xiàn)電動機的反轉(zhuǎn).當非門左端輸入為低電平時，右上和左下三極管截止，右下和左上三極管導(dǎo)通，直流電動機左端為高電平右端為低電平，仿真可知電勢差U=4.95v，直流電機正轉(zhuǎn)，小車前進。當非門左端輸入為高電平時，右上和左下三極管導(dǎo)通，右下和左上三極管截止，直流電動機左端為低電平右端為高電平，直流電機反轉(zhuǎn)，小車后退。2.4元器件說明2.4.1 74HC16174HC161計數(shù)器是常用的四位二進制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器，他可以靈活的運用在各種數(shù)字電路，以及單片機系統(tǒng)種實現(xiàn)分頻器等很多重要的功能管腳圖介紹：時鐘CP和四個數(shù)據(jù)輸入端P0P3清零/MR使能CEP，CET 圖2-6 74HC161引腳圖 置數(shù)PE 數(shù)據(jù)輸出端Q0Q3以及進位輸出TC. (TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)2.4.2 機器人行走電路所用元件表2-1 機器人行走電路所用元件元件名稱型號數(shù)量555定時器5551個計數(shù)器74HC1611個D觸發(fā)器74LS