電子電工課程設計 -有害氣體的檢測報警及抽排電路設計

1、武漢理工大學電工電子課程設計說明書 目錄摘要I1 有害氣體的檢測報警及抽排電路設計11.1 各功能模塊電路的選擇1 1.1.1 降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路1 1.1.2 氣體檢測電路1 1.1.3 警笛聲報警電路1 1.1.4 警燈閃爍電路1 1.1.5 排氣扇驅動電路11.2 總體框架說明21.3 設計原理圖3 1.3.1Prote原理圖3 1.3.2各模塊單元電路圖及工作原理 3 1.3.2.1降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓模塊電路 3 1.3.2.2氣體檢測模塊電路 4 1.3.2.3警笛聲報警模塊電路 5 1.3.2.4警燈閃爍模塊電路 6 1.3.2.5排氣扇模塊電路 6 1.3.3系統(tǒng)仿真

2、截圖 7 1.3.4原理圖總體說明 81.4 元件列表 92機器人行走電路設計 10 2.1各功能模塊電路的選擇 10 2.1.1電機驅動電路 10 2.1.2時間控制電路 10 2.1.3電源電路 102.2總體框架說明 102.3設計原理 11 2.3.1 Protel原理圖11 2.3.2各部分電路原理 11 2.3.2.1電機驅動模塊電路原理 11 2.3.2.2時間控制模塊電路原理 12 2.3.2.3 計時模塊電路原理13 2.3.2.4 系統(tǒng)仿真截圖 14 2.3.3原理圖總體說明 142.4元件列表 153 所用電子元器件說明16 3.1 半導體二極管類 16 3.1.1 普通

3、半導體二極管 16 3.1.2 整流橋 16 3.2 半導體三極管 16 3.3 電阻和電容 16 3.4 555定時器 17 3.5 三端集成穩(wěn)壓器7805 18 3.6 QM-N5氣敏傳感器 183.7 電壓比較器 193.8 揚聲器 193.9 反相器 203.10警示燈 203.11 排氣扇 203.12 小車電機 204.設計小結及心得體會20參考文獻 21成績評定表 22 摘要此有害氣體檢測報警及抽排電路以氣體檢測傳感器QM-N5為中心，利用其氣敏的特性來控制次級電路。當有害氣體濃度到達一定值時，通過電路的設計，利用一個555定時器構成的多諧振蕩器控制燈泡閃爍發(fā)光，同時利用此555

4、定時器和另外一個555定時器構成的多諧振蕩器一起控制喇叭發(fā)出警笛聲來報警。同時排氣扇開始工作，以保證人的安全。當有害氣體的濃度恢復到正常情況時，燈泡及喇叭的報警停止，排氣扇不工作，電路恢復到正常檢測狀態(tài)。此機器人行走電路基本分為兩個模塊。其一為電機驅動部分，由PWM型逆變電路組成的H橋電路構成；其二為時間控制模塊，由555定時器組成的多諧振蕩器構成。555定時器的外圍接一個滑動變阻器來調節(jié)機器人前進和后退的時間。機器人動力使用干電池。當接通電源的時候，機器人開始前進，達到設定的時間時自動減速至零，然后開始后退，再次到達設定的后退時間時又重新前進，如此循環(huán)往復。運用學習過的知識，自己動手設計可行

5、動的機器人，具有十分重要的意義，不僅可以激發(fā)我們在機器人領域探索的興趣，而且能夠鍛煉我們的創(chuàng)造思維、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。關鍵字：氣敏傳感器、報警電路、智能控制、555定時器I1有害氣體檢測與抽排電路設計 1.1各功能模塊電路的選擇1.1.1 降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路 此部分電路可使用變壓器進行降壓，一個單相整流橋BRIGE電路進行整流，濾波電容進行濾波和三端集成穩(wěn)壓器78L12進行穩(wěn)壓輸出。1.1.2 氣體檢測電路氣體檢測電路主要使用QM-N5氣敏傳感器構成。根據(jù)半導體氣敏傳感器的表面氧化物一旦吸附某些氣體時，其導電率將會隨之發(fā)生變化這一性質進行電路的設計。MQ-N5為氣敏傳感器，它有6個

6、引出電極：加熱電極3、4腳和5、6腳，輸出電極為1和2腳。加熱電極3、4腳和5、6腳為高阻電熱絲，通電即可加熱。在加熱的條件下，如果有可燃性氣體充斥在1、2之間，則1、2之間的阻值將隨氣體濃度的增大而減小，只要把這一變化轉化為電信號即可制成有害氣體檢測電路。1.1.3 警笛聲報警電路 采用兩片555定時器組合成電路來產(chǎn)生的雙音頻，模擬警笛聲，驅動喇叭發(fā)聲。此電路由兩片555時基集成電路組成的變調音頻調制振蕩器構成，它的輸出音頻頻率從60010000Hz范圍循環(huán)變化，類似警車的警笛聲。1.1.4 警示燈閃爍電路 電路的主體由555定時器組成的多諧振蕩器構成，同時使用雙向可控硅來控制警燈的閃爍。5

7、55定時器構成的多諧振蕩器的頻率要低于1Hz。1.1.5 排氣扇驅動電路電路主體采用雙向可控硅控制電機的轉動，雙向可控硅的三腳接至QM-N5的輸出端以檢測電信號，當有害氣體的濃度到達一定值，得到高電平信號，排氣扇開始轉動。 1.2總體框架說明 根據(jù)以上的設計，可以得到以下方框圖模塊。如圖1-1所示。220v交流電源整流穩(wěn)壓電路 傳感器檢測有害氣體電壓比較電路聲光報警電路電機轉動、抽排氣體 圖1-1 有害氣體檢測、報警、抽排電路總體方框圖1.3 設計原理圖1.3.1 protel原理圖 通過以上的方案論證選擇合適的電路制圖，使用protel99SE做出符合要求，正確的電路原理圖，并且能夠通過此電

8、路原理圖進行PCB的生成。整體電路原理圖如圖1.3（1）所示。圖1.3（1）電路原理圖1.3.2 各模塊單元電路圖及工作原理1.3.2.1 降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓模塊電路 此單元電路使用變壓器進行降壓，一個單相整流橋BRIGE電路進行整流，濾波電容進行濾波和三端集成穩(wěn)壓器7805進行穩(wěn)壓輸出。 首先使用變壓器把220V市電轉變?yōu)樗枋褂玫?2V電壓，再通過單相整流電路對其整流，電容C并聯(lián)在整流電路之后用作濾波電路，濾去整流輸出電壓中的紋波。然后使用三端集成穩(wěn)壓器78L12對其進行穩(wěn)壓輸出，得到5V的電壓。模塊電路如圖1.3（2）。 圖1.3（2）降壓整流濾波穩(wěn)壓單元電路1.3.2.2 氣體檢測

9、模塊電路 當有害氣體的濃度很低時，QM-N5的級間（1腳和2腳）導電率低， 成高阻態(tài)，電壓比較器正相輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓，電壓比較器的輸出端為“低電平”，繼電器不工作，不能驅動后級電路工作。因此排氣扇不轉動，警報燈不閃爍，喇叭也不發(fā)出警笛聲。當有害氣體到達一定的濃度時，QM-N5的級間電阻小，電壓比較器正向輸入端電壓大于反向輸入端電壓，比較器輸出“高電平”，使得繼電器工作，這樣使后級電路驅動其他單元電路工作，使得排氣扇開始轉動，警報燈閃爍，喇叭發(fā)出警笛聲報警，達到所需的目的。此部分單元電路 如圖1.3（3）所示。改變滑動變阻器的阻值，可以改變電壓比較器的反相輸入端的電壓，使聲光報警

10、及風扇抽排電路可以在有害氣體不同濃度下工作，即用氣敏傳感器實現(xiàn)對有害氣體不同濃度的測量。注：此處由于在元件庫中找不到QM-N5器件，故用滑動變阻器代替。 圖1.3（3）氣體檢測單元電路 1.3.2.3 警笛聲報警電路 由555定時器構成兩級多諧振蕩器，聲光報警電路通過兩個555定時器發(fā)出的方波信號驅動喇叭工作，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。 圖

11、1.3（4）模擬警笛聲報警電路1.3.2.4 警燈閃爍模塊電路 此模塊電路的主要由555定時器組成的多諧振蕩器構成，同時利用雙向可控硅來控制警燈的閃爍。只要合理的調整555定時器的外接阻容值，便可以得到較好的閃爍的頻率。同時雙向可控硅的三腳可接至QM-N5的輸出端，以檢測電信號，當其為高電平時，警燈便開始閃爍。電路圖如圖1.3（5）所示。 圖1.3（5）警示燈閃爍電路1.3.2.5 排氣扇驅動單元電路 當氣體濃度大于臨界值時，氣敏電阻阻值減小，從而使電壓比較器輸出高電平，使二極管導通，繼電器工作，電機工作，開始進行排氣。當毒氣濃度低于臨界值時，電壓比較器輸出為低電平，使二極管截止，電機工作電路

12、不能導通，停止排氣。圖1.3（6）排氣扇驅動單元電路1.3.3 系統(tǒng)仿真截圖 圖1.3（7）系統(tǒng)仿真截圖1.3.4 原理圖總體說明本系統(tǒng)使用QM-N5氣敏傳感器檢測有害氣體。氣敏傳感器是一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。工作原理：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（化學作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質量和導電率發(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，膜層質量和導電率變化程

13、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化就可以準確的反應氣體濃度的變化。 QM-N5型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導體氣敏元件，當元件接觸還原性氣體時，其電導率隨氣體濃度的增加而迅速升高。當有毒氣體濃度升高時，氣敏傳感器電阻降低，使電位器上電壓值變大，通過電壓比較器使雙向晶閘管導通，帶動電機運轉，抽排氣體，另一方面使雙音頻報警器報警，同時通過555組成的多諧振蕩器是燈泡發(fā)出0.7Hz的閃爍光，也起到了報警作用！當氣體被排出，濃度和付標準時，電路回復到自動檢測狀態(tài)。整個設計簡單明了，聲光報警雙保險，排氣扇自動工作，可作為家庭里CO的檢測，以保證人身

14、安全。電路報警所用的555定時器的功能表如下表1-1 表1-1 555定時器功能表1.4 元件列表元件名稱型號數(shù)量雙向晶閘管MAC15A62警示燈220V,15W1電機MOTOR SERVO1氣敏傳感器QM-N51變壓器220V/12V1整流橋18DB051穩(wěn)壓器78051555定時器NE5552揚聲器5W,81三極管3DG6（NPN、PNP）共2個電阻各種阻值若干滑動變阻器20K1電容無極性電容與電解電容若干排氣扇（電動機）220V，300W交流1保險絲FUSE1四針連接器JP11電壓比較器OPAMP12機器人行走電路設計2.1 各功能模塊電路的選擇2.1.1 電機驅動電路 系統(tǒng)通過L298

15、來驅動電機轉動。2.1.2 時間控制電路 采用555定時器時基電路，構成多諧振蕩器。2.1.3 計時電路多諧振蕩電路產(chǎn)生方波信號接入到74161時鐘端，驅動74161進行加計數(shù)。2.2 總體框架說明根據(jù)以上分析可到的以下總體方框圖。555時間控制模塊 計時模塊 顯示模塊 電機驅動模塊 2.3 設計原理2.3.1 protel原理圖利用軟件protel99SE設計出原理圖如圖2.3（1）所示。 圖2.3（1）電路原理圖 2.3.2 各部分原理2.3.2.1 電機驅動模塊電路原理 系統(tǒng)通過L298來驅動電機轉動，L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源

16、電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V。輸出電流可達25 A，可驅動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅動一臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉。 圖2.3（2）電機驅動模塊電路圖2.3.2.2 時間控制模塊電路原理 本模塊由555定時器構成的多諧振蕩器來具體完成，電路如圖2.3（3）所示。接通電源后，電容C被充電，當VC上升到2/3VCC時，觸發(fā)器被復位，同時發(fā)電BJT

17、 T導通，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翻轉為高電平。 圖2.3（3）時間控制模塊電路2.3.2.3 計時模塊電路原理 多諧振蕩電路產(chǎn)生方波信號接入到74161時鐘端，驅動74161進行加計數(shù)。圖中74161接成了10進制加計數(shù)器，計數(shù)滿十時通過7403與非門接入到清零端進行清零。由于計數(shù)到10時，便會立刻清零，不會在數(shù)碼管上顯示，所以此時信號很弱，不可以作為觸發(fā)信號驅動JK觸發(fā)器，JK觸發(fā)器觸發(fā)信號是計數(shù)到9時，通過7403輸出下降沿信號觸發(fā)。數(shù)碼顯示電路通過，74248驅動的七段共陰極數(shù)碼管進行顯示。 圖2.3（4

18、） 計時模塊電路原理2.3.2.4系統(tǒng)仿真截圖 圖2.3（5） 系統(tǒng)仿真截圖2.3.3 原理圖總體說明 有以上分析可得，通過調節(jié)滑動變阻器RV1，來控制多諧振蕩器的周期，從而來控制小車前進與倒退的時間，因而可以較精確地實現(xiàn)小車的前進后退且時間可調的功能，當計數(shù)器加到設定的時間，會給JK觸發(fā)器一個觸發(fā)信號，使其Q端電壓偏轉，通過輸入給L298使電機兩端電壓改變從而達到反轉目的。2.4 元件列表 此設計使用的元件如下表。 表2 機器人行走電路元件列表元件名稱型號數(shù)量二極管IN40016三極管NPN，PNP4，2電源5號干電池3開關單刀單擲1滑動變阻器220K2反相器74LS041電阻各種阻值若干電

19、容無極性電容和電解電容若干電動機3V，10W13 所用電子元器件說明 3.1半導體二極管類 3.1.1 普通半導體二極管此設計的普通二極管全部采用硅整流二極管IN4001型，參數(shù)如下：附表1.1 此設計使用二極管參數(shù)型號名稱最高工作頻率Fm(kHz)反向擊穿電壓VBR（V）最大整流電流IF（mA）正向壓降VF(V)反向電流Is（uA）IN4001硅整流二極管3501000A15 3.1.2 整流橋 整流橋為四個二極管封裝而成。下表是本設計所用整流橋參數(shù)值。附表1.3 此設計使用整流橋主要參數(shù)型號正向平均電流/A反向重復峰值電壓/V正向電壓降/V正向重復峰值電流/A18DB05/1A1.8500

20、5018 附圖1.2 雙向晶閘管型號類型正向平均電流/A重復峰值電壓/V控制級觸發(fā)電壓/V控制級觸發(fā)電流/mAMAC15A6雙向15A400V1.6V75mA3.2 半導體三極管 此設計使用了TIP102型三極管，TIP102是NPN型，在電機驅動電路中，使用了TIP127三極管PNP,參數(shù)與TIP102大同小異，故此處只列出了TIP102的參數(shù)。附表1.4 三極管TIP102主要參數(shù)值型號反向電壓電壓功率管子類型TIP102100V8A2WNPN3.3 電阻和電容電阻和電容的選擇，只需參數(shù)符合，市售的一些基本元件即可滿足要求。3.4 555定時器555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)

21、模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖 2.1 和圖 2.2 所示。它

22、內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3 555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 A1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，A2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 A2 的輸出為 1，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 A1 的

23、輸出為 1，A2 的輸出為 0，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。附圖2.1 555內(nèi)部結構圖 附圖2.2 555外部管腳圖兩個比較器 C1和 C2各有一個輸入端連接到三個電阻R組成的分壓器上，比較器的輸出接到RS觸發(fā)器上。此外還有輸出級和放電管。輸出級的驅動電流可達200mA。比較器C1和C2的參考電壓分別為UA和UB，根據(jù)C1和C2的另一個輸入端觸發(fā)輸入和閾值輸入，可判斷出RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。當復位端為低電平時，RS觸發(fā)器被強制復位。若無需復位操作，復位端應接高電平。555的應用：（1）構成施密特觸發(fā)器，用于TTL系統(tǒng)的接口，整形電路或脈沖鑒幅等；（2）構成多諧振蕩器，組成信

24、號產(chǎn)生電路；（3）構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，用于定時延時整形及一些定時開關中。555應用電路采用這3種方式中的1種或多種組合起來可以組成各種實用的電子電路，如定時器、分頻器、脈沖信號發(fā)生器、元件參數(shù)和電路檢測電路、玩具游戲機電路、音響告警電路、電源交換電路、頻率變換電路、自動控制電路等。3.5 三端集成穩(wěn)壓器7805使用三端集成穩(wěn)壓器7805組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。封裝形式如附圖2.3所示。將圖中的三個腳依次設為，引腳為最高電位，腳為最低電位，腳居中。從圖中可以看出，不論正壓還是負壓，腳均為輸出端。對于78*正壓系列，

25、輸入是最高電位，自然是腳，地端為最低電位，即腳，對與79*負壓系列，輸入為最低電位，自然是腳，而地端為最高電位，即腳。附圖2.3 7805的封裝3.6 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型半導體氣敏元件，當元件接觸還原性氣體時，其電導率隨氣體濃度的增加而迅速升高。特點如下：1、 用于可燃性氣體的檢測（CH4、C4H10、H2等）；2、 靈敏度高；3、 響應速度快；4、 輸出信號大；5、 壽命長，工作穩(wěn)定可靠。技術指標：附表3.1 加熱電壓 AC或DC 5±0.2V響應時間10S回路電壓最大DC 24V恢復時間30S 負載電陰2K元件功耗0.

26、7W清潔空氣中電阻 2000 K檢測范圍5010000ppm靈敏度4（1000ppmC4H10中)使用壽命2年VC輸出信號RLVRLVH基本測試電路如附圖3.1所示。附圖3.1使用方法及注意事項：元件開始通電工作時,沒有接觸可燃性氣體,其電導率也急劇增加1分鐘后達到穩(wěn)定,這時方可正常使用,這段變化在設計電路時可采用延時處理解決。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。3.7 電壓比較器電壓比較器主要是對兩個模擬電壓比較其大小，并判斷出其中哪一個電壓高，那一個電壓低；并以輸出高電平或低電平以顯示比較的結果 如圖4比較器符號所示。它有兩個輸入端：同相輸入端Va（“+”）

27、，及反相輸入端Vb（“-”），輸出端Vout，輸出端是輸出；兩個輸入端比較的結果的電平信號。另外有電源V+及地（這是個單電源比較器）。比較器輸入和輸出的比較關系：當Vb為低電平，Va為高電平時，Vout為高電平輸出當Vb為高電平，Va為低電平時，Vout為低電平輸出                            

28、;        參數(shù)參數(shù)名稱符號數(shù)值單位電源電壓VCC±18或36V差模輸入電壓VID±36V共模輸入電壓VI-0.3VCCV功耗PD570mW工作環(huán)境溫度TOPR0+70貯存溫度TSTG-651503.8揚聲器本設計中使用的是5W,8的小型揚聲器。3.9 反相器74LS04芯片3.10 警示燈220V，45W的白熾燈即可。3.11 排氣扇220V，300W的交流電機即可3.12小車電機3V，10W的直流電機即可。       

29、60;                      設計小結及心得體會由于學校把我們的課設安排在考試周，所以最近很疲憊，一邊復習，一邊搞課設。不過經(jīng)過兩個星期的努力,我終于完成了這次課程設計。此次兩個電路圖的設計制作，的確是讓我受益匪淺。從剛開始的什么都不懂，只知道理論知識的計算而對于實際設計電路一無所知，到現(xiàn)在的懂得課程設計的一般步驟、方法，能根據(jù)要求設計出比較符合的電路圖，我真的學到不少東西。首先就是把自己所學的理論