有害氣體聲光警報(bào)器和機(jī)器人行走控制電路

1、 、 . 我們打敗了敵人。 我們把敵人打敗了。前言設(shè)計(jì)一個(gè)能自動檢測有害氣體濃度，且當(dāng)有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，能自動發(fā)出聲光報(bào)警，能自動抽排有害氣體的控制電路。本設(shè)計(jì)運(yùn)用555定時(shí)器，氣敏電阻來主控電路，實(shí)現(xiàn)要求的功能。設(shè)計(jì)一個(gè)能前進(jìn)、后退的機(jī)器人行走控制電路。行走一段時(shí)間后，機(jī)器人自動后退，退行一段時(shí)間后自動前行，周而復(fù)始 ；機(jī)器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源；機(jī)器人前進(jìn)、后退時(shí)間可調(diào)。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為中心，控制機(jī)器人的行走目錄一有害氣體聲光報(bào)警器31.1意義與要求31.2設(shè)計(jì)總體方案31.2.1設(shè)計(jì)思路31.2.2總體方框圖41.2.3完整原理圖41.2.4 PCB制圖61.3設(shè)計(jì)

2、原理分析61.3.1聲光報(bào)警與抽排電路61.3.2氣敏傳感器部分的電路71.3.3電源電路81.3.4整體工作原理說明91.4所用芯片與其他器件說明111.4.1 555定時(shí)器111.4.2 QM-N5氣敏傳感器111.4.3繼電器12附表一：聲光報(bào)警器設(shè)計(jì)所用器件13二機(jī)器人行走控制電路142.1意義與要求142.2設(shè)計(jì)總體方案142.2.1設(shè)計(jì)思路142.2.2總體方框圖152.2.3 完整原理圖152.2.4 PCB制圖172.3設(shè)計(jì)原理分析182.3.1 單片機(jī)外圍電路182.3.2電機(jī)控制電路192.3.3鍵盤輸入與控制電路202.3.4顯示控制電路212.3.5整體工作原理說明21

3、2.4程序222.4.1程序設(shè)計(jì)思路222.4.2整體程序與說明232.5主要器件說明242.5.1驅(qū)動芯片L298N24附表二：機(jī)器人設(shè)計(jì)所用器件25三設(shè)計(jì)體會與小結(jié)26一有害氣體聲光報(bào)警器1.1意義與要求意義：運(yùn)用電子技術(shù)與相關(guān)知識設(shè)計(jì)有害氣體聲光報(bào)警器，且具有自動抽排功能。掌握傳感器等一些器件的運(yùn)用，設(shè)計(jì)簡單的有害氣體檢測電路，聯(lián)系實(shí)際，同時(shí)提高動手，思考能力。要求：設(shè)計(jì)一個(gè)能自動檢測有害氣體濃度，且當(dāng)有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，能自動發(fā)出聲光報(bào)警，能自動抽排有害氣體的控制電路。當(dāng)檢測到有害氣體意外排放超標(biāo)時(shí)，發(fā)出警笛報(bào)警聲和燈光間歇閃爍的光報(bào)警提示，同時(shí)自行啟動抽排系統(tǒng)，以保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安

4、全。抽排完畢后，系統(tǒng)自動回到實(shí)時(shí)檢測狀態(tài)。1.2設(shè)計(jì)總體方案1.2.1設(shè)計(jì)思路氣敏傳感器是利用物質(zhì)效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)對氣體中的某些成分進(jìn)行檢測的器件，譬如半導(dǎo)體氣敏傳感器主要是利用半導(dǎo)體與某些氣體接觸時(shí)，其特性將發(fā)生變化這一現(xiàn)象來檢測氣體的成分或濃度。故可利用這一特性，來設(shè)計(jì)電路。QM-N5氣敏傳感器可用于檢測一些可燃性氣體，如家用煤氣，液化石油氣等氣體。當(dāng)看可燃?xì)怏w濃度增大，氣敏傳感器QM-N5的等效電阻降低，用電壓比較器作為控制部分，當(dāng)輸入電壓大小反過來時(shí)，輸出就會有高低電平的變化，就利用這高低電平的變化來控制聲光報(bào)警與有害氣體的抽排。聲光報(bào)警電路可用555組成的多諧振蕩電路來控制，555組成

5、的電路輸出方波信號，驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲音，驅(qū)動燈來得到閃爍的警燈本設(shè)計(jì)電路要用到繼電器，來作為聲光報(bào)警器的工作控制電路。1.2.2總體方框圖 有害氣體濃度是否達(dá)到一定值？電壓比較器輸出低電平，繼電器不閉合，聲光報(bào)警器不工作，電壓比較器輸出高電平，繼電器工作，使聲光報(bào)警器與抽排電路工作是否 QM-N5氣敏傳感器電源電路圖2-1：聲光報(bào)警器原理方框圖 1.2.3完整原理圖用protues軟件繪制成如下系統(tǒng)原理圖 圖2-2：系統(tǒng)原理圖1.2.4 PCB制圖 圖2-3：PCB制圖1.3設(shè)計(jì)原理分析1.3.1聲光報(bào)警與抽排電路 圖3-1：聲光報(bào)警與抽排電路原理說明：圖3-1中用繼電器控制聲光報(bào)警與風(fēng)扇

6、抽排電路。如上圖中的標(biāo)注所示，繼電器的電感線圈的一端與電壓比較器輸出端相連。當(dāng)電壓比較器輸出“低電平”時(shí)，繼電器部的“開關(guān)”打開，聲光報(bào)警電路與風(fēng)扇抽排電路不工作；當(dāng)電壓比較器輸出“高電平”時(shí)，繼電器部“開關(guān)閉合，聲光報(bào)警電路與風(fēng)扇抽排電路在電源的供電下開始工作。555多諧振蕩器輸出端為個(gè)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本設(shè)計(jì)中R1=22k,R2=11k,C=33uf,可算得f約為1hz,即555多諧振蕩器會產(chǎn)生一秒的連續(xù)脈沖。至于555多諧振蕩器的詳細(xì)原理說明見1.4節(jié)。下面一副截圖為555定時(shí)電路在正常工作下時(shí)所輸出的波形

7、圖3-2：555定時(shí)電路輸出波形1.3.2氣敏傳感器部分的電路圖3-3：氣敏傳感器部分電路原理說明：對于圖3-3當(dāng)空氣中的有害氣體濃度未達(dá)到一定值時(shí)，QM-N氣敏傳感器電阻值很大，使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：如果空氣中的有害氣體濃度達(dá)到一定值時(shí)，傳感器的電阻值變小，使電壓比較器正相輸入端電壓大于反向輸入端電壓，比較器輸出“高電平”，繼電器工作，從而驅(qū)動聲光報(bào)警與風(fēng)扇抽排電路。 改變RV2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(bào)警與風(fēng)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(shí)現(xiàn)對有害氣體不同

8、濃度的測量。1.3.3電源電路 圖3-4：電源部分電路 原理說明：圖3-4電路由家用220v電壓，變壓器，整流電路，與濾波穩(wěn)壓電路組成，實(shí)現(xiàn)交流電到直流電的轉(zhuǎn)變，在供電給后續(xù)電路工作。 電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動，負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流，濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動，負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。1.3.4整體工作原理說明由220V的交流電壓經(jīng)電源變

9、壓器，整流電路，濾波和穩(wěn)壓電路等四部分后變?yōu)橹绷麟妷?，供氣敏傳感器與聲光報(bào)警電路工作，而風(fēng)扇是由220V的交流電驅(qū)動。當(dāng)空氣中的有害氣體濃度未達(dá)到一定值時(shí)，QM-N氣敏傳感器電阻值很大，使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：如果空氣中的有害氣體濃度達(dá)到一定值時(shí)，傳感器的電阻值變小，使電壓比較器正相輸入端電壓大于反向輸入端電壓，比較器輸出“高電平”，繼電器工作，從而驅(qū)動聲光報(bào)警與風(fēng)扇抽排電路。當(dāng)室有害氣體的體積分?jǐn)?shù)降到某一預(yù)定值時(shí)，該控制器會自動切斷排風(fēng)扇和聲、光報(bào)警電路的工作電源，使其停止工作，從而達(dá)到了自動控制室有害氣體的目的。下圖（

10、圖3-5）中用滑動變阻器RV1代替氣敏電阻，當(dāng)滑動變阻器阻值變小時(shí)，電壓比較器正相端電壓變大，大于反相端電壓時(shí)輸出為高電平，使繼電器共作，聲光報(bào)警電路工作;反之不工作。 圖3-5：整體電路1.4所用芯片與其他器件說明1.4.1 555定時(shí)器圖4-1：555定時(shí)器組成的多諧振蕩器電路圖如圖4-1所示：由555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(dāng)VC上升到2/3VCC時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)發(fā)電BJT T導(dǎo)通，此時(shí)VO為低電壓，電容C通過R2和T放電，使VC下降。當(dāng)VC下降到（1/3）VCC時(shí)，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(shí)間為：tPL=R2Cln2，可

11、近似看成tPL=0.7R2C當(dāng)C放電結(jié)束時(shí)，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(shí)間為： tPH=(R1+R2)Cln2，可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C而當(dāng)VC上升到（2/3）VCC時(shí)，觸發(fā)器又周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期性的方波，其頻率為： f=1/( tPL +tPH)，可近似看成f=1.43/(R1+R2)C1.4.2 QM-N5氣敏傳感器氣體與人類的日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。QM-N5型氣敏元件適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣

12、體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，屬于N型半導(dǎo)體元件。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短，市場上應(yīng)用廣泛。QM-N5氣敏元件參數(shù)如下：標(biāo)定氣體（0.1%丁烷氣體，最佳工作條件）中電壓2V，響應(yīng)時(shí)間10S，恢復(fù)時(shí)間30S，最佳工作條件加熱電壓5V、測量回路電壓10V、負(fù)載電阻RL為2K，允許工作條件加熱電壓4.55.5V、測量回路電壓515V、負(fù)載電阻0.52.2K。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(shí)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(hù)、

13、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(diǎn)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(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，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(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)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(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。 選用繼電器

14、時(shí)，一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據(jù)?？刂齐娐窇?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(jī)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)品附表一：聲光報(bào)警器設(shè)計(jì)所用器件名稱型號規(guī)格位號數(shù)量電原220V，50hzV1一個(gè)變壓器TRAN-2P2STR1一個(gè)電橋電路DF02MBR1一個(gè)風(fēng)扇無無一個(gè)555芯片NE555U1一個(gè)報(bào)警燈LED-REDD6一個(gè)報(bào)警喇叭

15、SpeakerLS1一個(gè)繼電器無 無一個(gè)電壓比較器COMPIU2一個(gè)穩(wěn)壓管BZX85C12RD1一個(gè)氣敏傳感器QM-N5無一個(gè)三極管2N3019Q2一個(gè)二極管UF5404D2一個(gè)滑動變阻器10KRV1,RV2兩個(gè)電解電容500ufC1,C2兩個(gè)電容33ufC3一個(gè)電容0.01ufC4一個(gè)電阻240R1 一個(gè)電阻510R2，R3兩個(gè)電阻470R4一個(gè)電阻30R5一個(gè)電阻22KR6一個(gè)電阻11KR7一個(gè)電阻1KR8，R9一個(gè)二機(jī)器人行走控制電路2.1意義與要求意義：運(yùn)用自學(xué)的單片機(jī)設(shè)計(jì)簡單的小車控制電路，把理論與實(shí)際相結(jié)合，能夠更好的掌握單片機(jī)的應(yīng)用，同時(shí)提高自己的動手能力。同時(shí)結(jié)合電子技術(shù)基礎(chǔ)知

16、識設(shè)計(jì)電路，提高自己的運(yùn)用，思考能力。要求：設(shè)計(jì)一個(gè)能前進(jìn)、后退的機(jī)器人行走控制電路。當(dāng)接通電源，機(jī)器人前進(jìn)，行走一段時(shí)間后，機(jī)器人自動后退，退行一段時(shí)間后自動前行，周而復(fù)始；機(jī)器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源；機(jī)器人前進(jìn)、后退時(shí)間可調(diào)。2.2設(shè)計(jì)總體方案2.2.1設(shè)計(jì)思路用單片機(jī)作主控芯片，用數(shù)字鍵盤作為輸入部分，控制時(shí)間的輸入，同時(shí)用七段數(shù)碼管顯示（用七段顯示譯碼器驅(qū)動顯示）。直流電機(jī)用單片機(jī)控制，同時(shí)用H橋電路作為電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路。 程序部分根據(jù)以上思路編寫。2.2.2總體方框圖單片機(jī)鍵盤輸入電路顯示電路電機(jī)控制電路圖2-1：機(jī)器人行走控制原理方框圖2.2.3 完整原理圖

17、用protues軟件繪制成如下系統(tǒng)原理圖（圖2-2） 圖2-2整體原理圖2.2.4 PCB制圖 圖2-3：PCB制圖2.3設(shè)計(jì)原理分析2.3.1 單片機(jī)外圍電路 圖3-1：單片機(jī)外圍電路說明：圖3-1是單片機(jī)外圍基本電路。只有具備這些基本外圍電路，單片機(jī)才能正常工作（注意：其中單片機(jī)電源，接地端被隱藏） 外圍基本電路有時(shí)鐘產(chǎn)生電路（本電路用部產(chǎn)生方式），復(fù)位電路（本電路帶有手動復(fù)位，便于控制單片機(jī)的復(fù)位2.3.2電機(jī)控制電路 圖3-2：電機(jī)控制電路工作原理說明：芯片L298是恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片，部是由兩塊H橋電路封裝而成。IN1,IN2,ENA是一部分，IN2,IN3,ENB是一部分，其

18、中ENA，ENB是使能控制端。表一： L298功能模塊ENAIN1 IN2運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 0任意 任意停止 1 1 0正轉(zhuǎn) 1 01 反轉(zhuǎn) 1 11制停 1 0 0 停止 由表一L298功能模塊可以看出電機(jī)的工作狀況，由單片機(jī)控制IN1,IN2的輸入，從而很好的控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片L298的具體介紹見2.5節(jié)。2.3.3鍵盤輸入與控制電路 圖3-3：鍵盤輸入與控制電路原理說明：圖中的MM74C922為鍵盤控制芯片。MM74C922與數(shù)字鍵盤的對應(yīng)關(guān)系如下面的表格所示，并在上圖中表上了各鍵的代表數(shù)字。沒有鍵按下時(shí)，MM74C922中的OA=0，當(dāng)有鍵按下時(shí)OA=1

19、，經(jīng)反相器，使輸出時(shí)能端“OE非”（即十三腳）為0，此時(shí)鍵值（二進(jìn)制）由A,B,C,D輸出，把A，B，C，D相應(yīng)的輸入單片機(jī)，單片機(jī)就可得到相應(yīng)的值，再經(jīng)數(shù)碼管顯示出來即可，同時(shí)可以控制機(jī)器人的前進(jìn)，后退時(shí)間。表二：MM74C922與數(shù)字鍵盤的對應(yīng)關(guān)系開關(guān)位置0Y1,X11Y1,X22Y1,X33Y1,X44Y2,X15Y2,X26Y2,X37Y2,X48Y3,X19Y3,X210Y3,X311Y3,X412Y4,X113Y4,X214Y4,X315Y4,X4A0101010101010101B0011001100110011C0000111100001111D0000000011111111

20、2.3.4顯示控制電路 圖3-4：顯示控制電路原理說明：七段顯示譯碼器74LS47為輸出低電平有效，用以驅(qū)動共陽極顯示器，它把由ABCD輸入的二進(jìn)制譯碼后，顯示在數(shù)碼管上，直觀的顯示了時(shí)間。74LS47的具體說明見2.5節(jié)2.3.5整體工作原理說明當(dāng)數(shù)字鍵盤有鍵按下時(shí)，經(jīng)MM74C922鍵盤控制芯片，使輸出相應(yīng)的二進(jìn)制，此二進(jìn)制輸入單片機(jī)，單片機(jī)“記住“輸入的數(shù)據(jù)，再由程序控制，輸出并顯示在數(shù)碼管上：同時(shí)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的正常運(yùn)行。.程序2.4.1程序設(shè)計(jì)思路數(shù)字鍵盤有鍵按下，輸入中進(jìn)退時(shí)間控制開關(guān)打開程序控制鍵打開，即電機(jī)控制，包括時(shí)間，循環(huán)進(jìn)行結(jié)束存儲鍵入的值于中并顯

21、示存儲鍵入的值于中并顯示開始 圖4-1程序設(shè)計(jì)思路2.4.2整體程序與說明#include "reg51.h" sbit in1=P35; sbit in2=P36; sbit da=P30;sbit kts=P31; /跳出'顯示'程序控制端sbit kqbh=P32; / 顯示控制端char a2=0;void delay1s(void)/1秒延時(shí)程序 unsigned char i,j,k;for(k=100;k>0;k-)for(j=20;j>0;j-)for(i=248;i>0;i-);void main() while(1) i

22、f(da=1)if (kqbh=1) a0=P0;P1=a0; /存儲前進(jìn)顯示時(shí)間于a0中 else a1=P0;P2=a1; /存儲'后退'顯示時(shí)間于a1中 if(kts=0)break; while(1) in1=1; in2=0; for(;P1>0;P1-) /'前進(jìn)'顯示程序 delay1s(); delay1s(); P1=a0;in1=0; in2=1; for(;P2>0;P2-) /'后退'顯示程序 delay1s(); delay1s(); P2=a1; 2.5主要器件說明.驅(qū)動芯片L298NL298是SGS公司的

23、產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路。可以方便的驅(qū)動兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓圍VIH為2546 V。輸出電流可達(dá)25 A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個(gè)電動機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。表1是L298N功能邏輯圖。In3，In4的邏輯圖與表1一樣。由表1可知EnA為低電平時(shí)，輸入電平對電機(jī)控制起作用，當(dāng)EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎停。附表二：機(jī)器人設(shè)計(jì)所用器件名稱規(guī)格型號位號數(shù)量單片