课程设计__有害气体检测与抽排电路设计__机器人行走电路设计终稿

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课程设计

题目小型智能控制系统设计

学院自动化

专业电气卓越工程师

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指导教师

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目录

摘要 (1)

1 有害气体检测与抽排电路设计 (2)

1.1 设计要求 (2)

1.2 电路总体方案 (2)

1.2.1 方案论证 (2)

1.2.2 方案简要说明 (2)

1.2.3 电路系统框图及总体原理图 (3)

1.3 电路原理分析 (3)

1.3.1 电源电路 (3)

1.3.2第一级光报警电路 (4)

1.3.3气敏传感器及抽排电路 (5)

1.3.4第二级声报警电路 (6)

1.3.5 整体工作电路 (8)

1.3.6整体电路原理图........................ 错误！未定义书签。

1.3.7整体电路PCB图........................ 错误！未定义书签。

1.4 所用芯片及其他器件说明 (18)

1.4.1 555定时器 (18)

1.4.2 QM-N5气敏传感器 (18)

1.4.3继电器 (18)

1.5 附表一：有害气体检测与抽排电路所有元件 (19)

1.6 方案优缺点 (20)

1.6.1方案优点 (20)

1.6.2方案缺点 (20)

1.6.3方案改进思路 (20)

2 机器人行走电路设计 (21)

2.1 设计要求 (21)

2.2电路总体方案 (21)

2.2.1 方案论证 (21)

2.2.2 方案简要说明 (21)

2.2.3 电路系统框图及总体原理图 (22)

2．3电路原理分析............................... 错误！未定义书签。

2.3.1 555多谐振荡电路...................... 错误！未定义书签。

2.3.2 74LS161计数器和计数器显示电路 (23)

2.3.3 JK触发换向电路 (24)

2.3.4 电机控制电路 (25)

2.3.5 整体工作电路 (27)

2.4 所用芯片及其他器件说明 (28)

2.4.1 JK触发器 (30)

2.4.2 L298 (30)

表2.1 ...................................... 错误！未定义书签。

2.5 附表2：机器人行走电路所用器件.............. 错误！未定义书签。

2.6 附图：机器人行走电路原理图及PCB图......... 错误！未定义书签。

2.7电路优缺点.................................. 错误！未定义书签。

2.7.1 优点 (32)

2.7.2 缺点 (33)

2.7.3改进思路 (32)

设计体会 (32)

参考文献 (35)

小型智能控制系统设计

摘要

自动化控制是指机器设备、系统或过程在没有人或较少人的直接参与下实现预期的目标的过程。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，提高劳动生产率。

此篇报告包含两个设计：有害气体检测与抽排电路设计和机器人行走电路设计。1.有害气体检测与抽排电路设计。此电路利用了气敏传感器检测信号，并且利用此电压信号通过电压比较器等一些元器件和芯片分两级发出声光报警信号，通知用户检查有害气体产生的原因或撤离，同时控制电机来抽排气体。2.机器人行走电路。此电路可利用计数器与门电路提前预置时间，同时给电机触发控制信号，控制电机正转与反转从而操纵机器人的前进与后退。

有害气体检测与抽排电路可以自启动和关闭，两级调节给用户以较高的安全性与可靠性；机器人行走电路可以实现机器人的前进与后退。两个电路的设计都需要比较扎实的专业知识，掌握proteus和AltiumDesigner等仿真软件的使用，并且学会在设计中调试和优化电路，对电路设计能力有很大的提高。

关键词：自动化智能控制分级报警电路设计电路仿真

1 有害气体检测与抽排电路设计

1.1 设计要求

运用所学的相关知识，设计有害气体检测与抽排电路。

此电路可以自动检测有害气体的浓度，当浓度低于所设定的第一安全值时，电路不实施任何动作，这时电路处于A状态；当浓度高于所设定的第一安全值时，电路发出光报警信号提醒用户进行检查，这时电路处于B状态。当浓度高于设定的第二安全值时，电路发出警笛声且电动机带动风扇进行抽排，这时电路处于C 状态。当有害气体浓度再度低于安全值时，声光报警器件以及电机停止工作，电路再度返回A状态并且继续进行检测工作。

1.2 有害气体检测与抽排电路总体方案

1.2.1 方案论证

对于声报警电路，有两套方案可供选择。其一是通过555定时器产生的方波信号驱动光报警系统与声报警系统以及电机抽排系统同时工作，使其发出单频率报警声，报警灯闪烁且电机带动风扇转动；方案二是利用分级报警机制，利用两个电压比较器，通过对滑动变阻器的控制使系统。在有害气体刚刚产生，尚不构成危害时光报警系统工作，提醒安全人员进行检查，当有害气体浓度较大构成危害时使光报警系统与声报警系统以及电机抽排系统同时工作，且发出双频率警笛声。对比方案一和方案二，方案二分级报警更加合理，而且双频警笛声能起到更好的警示作用，故而选择方案二。

1.2.2 方案简要说明

在电路中，输入的交流电源通过变压、整流、滤波以及稳压输出5v的直流稳压源给电路供电。另一部分通过气敏传感器捕捉有害气体的浓度，气敏传感器

电阻值随其浓度变化而变化，在B 状态下通过电压比较器并利用二极管单向导通性，将二极管输出连接555定时器，控制其工作状态，从而控制报警灯的闪烁。在C 状态下，通过电压比较器控制继电器的开和关，继电器输出接到555定时器，定时器产生脉冲电压使喇叭产生灯产生报警信号，同时电机开始工作。

1.2.3 有害气体检测与抽排电路电路系统原理框图

图1.1 有害气体检测与抽排电路系统原理框图

1.3有害气体检测与抽排系统仿真电路各工作系统分析

1.3.1 电源仿真电路

图1.2 电源电路仿真图

原理说明：电源电路由220v 交流电压、变压电路、整流电路、滤波电路以

及稳压电路组成的。

输入220v的交流电压经过变压器变压至所需的电压值，再经过整流桥把交流电压转变为直流，然后通过电容滤波，去掉电压中的纹波，但是这是的电压会受到负载很大的影响，缺乏稳定性，所以再接7805稳压器进行稳压，这时候输出的电压就是相对稳定的5v直流电压了。

1.3.2第一级光报警仿真电路

图1.3第一级光报警电路仿真图

通过调整RV4设定第一级传感器输出电压比较值，当传感器输出电压大于比较电压值时，电压比较器正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，电压比较器输出高电平，二极管导通，555定时器输入高电平，使555定时器输出方波信号。当555定时器输出高电平时，灯泡工作变亮，当555定时器输出低电平时，灯泡停止工作熄灭，于是灯光间歇闪烁报警。当传感器输出电压小于比较电压值时，电压比较器正向输入端输入的电压小于反向输入端的电压，电压比较器输出低电平，二极管截止，555定时器不工作，报警灯无电流通过，处于熄灭状态。

其频率f=1.43/[（R5+2RV3）C9]，改变滑动变阻器RV3的阻值可以改变灯泡闪烁的频率。

1.3.3气敏传感器及抽排仿真电路

图1.4 气敏传感器及抽排电路仿真图

由于protues缺少元件QM-N5，现用一个滑动变阻器RV1代替。当有害气体浓度低于第二级安全值时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，这时电压比较器正向输入端的电压小于反向输入端的第二级传感器输出电压比较值，电压比较器输出低电平，D2截止，继电器不工作，电机不转；当有害气体浓度增加至大于设定的第二级安全值时，QM-N5气敏传感器电阻值变小，使得电压比较器正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，电压比较器输出高电平，D2导通，使继电器工作，电机转动。

改变滑动变阻器RV2的电阻值，可以改变电压比较器反向输入端的电压，从而适应不同浓度下的要求，可以自由设定安全浓度。

1.3.4第二级声报警仿真电路

图1.5第二级声报警电路仿真图

当有害气体浓度大于第二级安全值时，继电器开关闭合，555定时器输入高电平，使555定时器输出方波信号。图中拟救护车声响的电路原理，图中U3、U4都接成自激多谐振荡器的工作方式。其中，U3输出的方波信号通过R6去控制U4的5脚电平。当U3输出高电平时，U4的振荡频率低；当U3输出低电平时，U4的振荡频率高。因此U4的振荡频率被U3的输出电压调制为两种音频频率，使扬声器发出类似警笛的"滴、嘟、滴、嘟…"的双音声响。

经仿真及计算，U3输出低电平时，U4的5脚最高电位约为2.5V,二脚最低电位约为1.25V。由于设计R3 =100欧，R2=150K欧，R3<

充电时间计算

V 5=V

CC

+(V

2

- V

CC

)e-t/[(R3+R2)C7]

代入数据2.5=5+（1.25-5）e-t/[150*10^3*0.1*10^(-6)]，由此算出t=0.006s

由于q约为0.5，T=2t，所以f=1/(2*0.006)=83.33HZ；U3输出高电平时，U4的5脚最高约为3.73V，2脚最低约为1.9V，同理计算得f=1/(2*0.01335)=37.45HZ。即喇叭会发出83.33HZ与37.45HZ两种频率的声音。

在U4输出端后加一个双电源乙类功率放大器可以起到放大声音的效果。经计算当双电源为正负15V时，由于图中喇叭内阻8欧姆，忽略饱和管压降V

CES

，

最大功率为

P o =0.5*VCC^2/R L =0.5*15^2/8=14.06W 效率约为π/4=78.5%.

Q1,Q2参数为：每只BJT 的P TM >=0.2P o =2.8W ，V (BR)CEO 的绝对值大于2VCC=30V ，I CM >=VCC/R L =15/8=1.875A 。经查阅三极管手册NPN 管可采用C2594（40V 、5A 、10W ），PNP 管可采用B772（40V 、5A 、10W ）

1.3.5 有害气体检测与抽排电路仿真图

图1.6有害气体检测与抽排仿真图

1.3.6 有害气体检测与抽排电路仿真结果分析及附图

在电路中，首先将电源220v交流电压通过变压、整流、滤波和稳压变成直流12v稳压源输出给气敏传感电路。气敏传感器检测有害气体浓度并且改变自己的电阻值，当有害气体浓度低于第一安全值时，即处于A状态时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，这时电压比较器正向输入端的电压小于反向输入端的电压，电压比较器输出低电平，继电器不工作，电机不转，且光报警电路与声报警电路均无输入电压，也不工作；仿真结果如图1.7.a到1.7.c所示

图1.7.a

分析：由于QM-N5气敏传感器电阻与气体浓度成反比。由于proteus无QM-N5，故用滑变RV1进行仿真。a图表示有害气体浓度占QM-N5测量范围的14%，此时电压比较器U5正向输入端的电压约为5*14%=0.7V小于反向输入端RV1=86%RV1

max

的电压约为5*25%=1.25V，电压比较器输出低电平,U5输出端连接的灯报警系统不工作。

图1.7.b

电压比较器U2正向输入端的电压约分析：b图表示A状态下RV1=86%RV1

max

为5*14%=0.7V小于负输入端电压约为5*50%=2.5V，U2输出低电平，D2截止，继电器开关断开，抽排电机不转动，声报警系统不工作。

图1.7.c

分析：由a、b两图分析得U2、U5电压比较器均输出低电平，继电器不工作，电机不转，且光报警电路与声报警电路均无输入电压，也不工作。电路仿真结果如图1.8.c所示。

当有害气体浓度增加至大于设定的第一安全值时，QM-N5气敏传感器电阻值变小，使得电压比较器U5正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，U5输出高电平，使警灯闪烁报警。U2正向输入端输入的电压仍小于于反向输入端的电压，抽排电机不转，声报警系统不工作。仿真结果如图1.7.a到1.7.c所示

图1.8.a

分析：a图表示有害气体浓度占QM-N5测量范围的40%，此时RV1=60%RV1

max 电压比较器U5正向输入端的电压约为5*40%=2V大于反向输入端的电压约为5*25%=1.25V，电压比较器输出高电平,U5输出端连接的灯报警系统工作。通过

555多谐振荡气候，警灯闪烁报警。

图1.8.b

电压比较器U2正向输入端的电压约分析： b图表示B状态下RV1=60%RV1

max

为5*40%=2V小于负输入端电压约为5*50%=2.5V，U2输出低电平，D2截止，继电器开关断开，抽排电机不转动，声报警系统不工作。

图1.8.c

分析：由a、b两图分析得U2电压比较器均输出低电平，继电器不工作，电机不转，且声报警电路无输入电压，不工作。U5电压比较器均输出高电平，D3导通，通过555多谐振荡气候，警灯闪烁报警。电路仿真结果如图1.9.c所示。

当有害气体浓度增加至大于设定的第二安全值时，QM-N5气敏传感器电阻值继续变小，电路工作在C状态下，电压比较器U2正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，使继电器工作，电机转动，进行抽排气体，同时输入高电平给声报警电路，驱动声报警电路工作进行报警。电压比较器U5正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，输出高电平，使二极管导通，光报警电路工作进行光闪烁报警。仿真结果如图1.8.a到1.8.c所示

图1.9.a

分析：a图表示有害气体浓度占QM-N5测量范围的61%，此时RV1=39%RV1max

电压比较器U5正向输入端的电压约为5*61%=3.05V大于反向输入端的电压约为5*25%=1.25V，电压比较器输出高电平,U5输出端连接的灯报警系统工作。通过555多谐振荡气候，警灯闪烁报警。

图1.9.b

电压比较器U2正向输入端的电压约分析：b图表示C状态下RV1=60%RV1

max

为5*61%=2V小于负输入端电压约为5*50%=2.5V，U2输出高电平，D2导通，继电器开关闭合，声报警系统输入高电平，通过两片555使喇叭发出双频叫声。同时，高电平驱动电机转动抽排气体。

图1.9.c

分析：由a、b两图分析得U2、 U5电压比较器均输出高电平，继电器工作，电机转动，且声报警电路工作发出双频率报警声。D3导通，通过555多谐振荡气候，警灯闪烁报警。电路仿真结果如图1.10.c所示。

1.4附图：有害气体检测与抽排电路原理图及PCB图

图1.10 有害气体检测与抽排电路原理图

图1.11 有害气体检测与抽排电路电路PCB图