《电工电子综合》课程设计说明书小型智能控制系统设计

1、武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书目录任务书3摘要61有害气体检测与抽排电路设计71.1意义与设计要求71.1.1意义71.1.2设计任务及要求71.2总体设计方案81.2.1总体设计方案选择81.2.2系统设计原理91.3系统硬件设计111.3.1电源电路111.3.2气体浓度检测电路111.3.3声音报警电路121.3.4光报警和抽排系统131.3.5去耦滤波141.4系统仿真151.5所用部分元件原理说明161.5.1 qm-n5气敏传感器161.5. 2多谐振荡器162 机器人行走电路设计182.1设计任务182.2设计总体方案182.2.1设计思路182.2.2设计总体方案182

2、.3设计原理分析212.3.1单片机外围电路212.3.2开关功能控制222.3.3键盘输入及控制电路222.3.4显示模块232.3.5电机控制243附录26附录1 机器人行走系统程序26附录2 有害气体检测与抽排电路元件清单30附录3 机器人行走电路元件清单314 设计小结及心得体会32课程设计任务书学生姓名： * 专业班级： 自动化*班 指导教师： 周晓年 工作单位： 自动化学院 题 目: 小型智能控制系统设计 一、 有害气体检测与抽排电路设计任务：设计一个自动检测有害气体浓度，且当有害气体浓度超标时，能自动发出声光报警，自动抽排有害气体的控制电路。要求：当检测到有害气体意外排放超标时，

3、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。二、机器人行走电路设计任务：设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。要求：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。初始条件： 1. 实验室提供万用表、信号发生器、直流稳压电源、示波器等设备。2. 学生已学习了大学基础课程和电路、模拟电子技术、数字电子技术、电力电子变流技术等专业基础课程。3. 学生已参加过电工电子实习，掌握了用pr

4、otel绘制电路图的方法。4. 主要参考文献1) 新编电子电路大全 第1、2、3、4卷 中国计量出版社 组编2) 传感器及其应用电路 何希才 编著 电子工业出版社3) 电子线路综合设计 主编 谢自美 华中科技大学出版社4) 集成电路速查手册 王新贤 主编 山东科学技术出版社5) 电力电子电路设计 钟炎平 主编 华中科技大学出版社6) 电子技术工艺基础 王天曦 李鸿儒 编著 清华大学出版社。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、 课程设计结束时每个学生要提交一份按统一格式要求撰写的课程设计报告，并装订成册。2、 课程设计报告中要求绘制方框图、电原理图

5、，阐述电路工作原理、每个元器件的主要参数、设计电路的性能指标、设计心得体会等。3、 说明书中除个人签名外，其它文字、符号、图形或表格一律用计算机打印。4、 文字、符号、图形等必须符合国家标准。5、 独立完成设计任务，杜绝相互抄袭现象发生，避免剽窃。时间安排：二周（6月20日7月1日）。6月20日上午，指导教师讲授课程设计的有关基本知识，布置设计任务等；6月20日下午6月23日下午学生查阅资料；6月24日上午6月26日下午学生初步设计；6月27日上午6月29日下午检查设计进度，深化设计，答疑、质疑；6月30日上午6月30日下午进一步完善设计，形成设计报告电子文档；7月1日课程设计报告打印、装订、

6、提交。指导老师签名： 2011年6 月 17 日 系主任（或负责教师）签名： 2011年 月 日摘要有害气体检测与抽排系统采用逻辑电路，传感器输出模拟信号，当检测到气体浓度升高时，输出电压升高，比较器输出高电平驱动继电器，使报警电路和抽排电路开始工作，当浓度降低到安全规范围以内时停止工作。报警电路采用声光报警，通过555定时器输出方波脉冲使灯闪烁，为使报警的铃声更能起到警示作用，本设计采用两个555定时器输出不同频率的脉冲使喇叭发出两个高低不同的音调，并通过设计功率放大电路，达到报警的目的。机器人行走电路以89c51单片机作为主控芯片，单片机控制l298芯片来控制机器人是否行进及其方向；键盘控

7、制单片机相应i/o口的高低电平来控制机器人的行进时间，直接置数；单片机根据以上条件控制数码管显示和l298芯片in1、in2端的高低电平，继而控制机器人的前进和后退。电机电路运用桥式电路连接方法，改变输入端电平状态可以改变电机运转方向。关键字： 传感器 555定时器 89c51单片机 桥式电路前言随着社会进步，科学技术发展日新月异，尤其在工业生产上，要求我们用智慧去解决一些繁琐、周而复始的工作，减轻人的负担，而且使工作效率更高，效果更好。有害气体检测报警及抽排电路设计和机器人行走电路的设计就是两个很好的例子。通过智能控制，不仅减免了很多的体力劳动，还使得工作更好更快地完成。两个设计均能为平时日

8、常生活提供方便，都能智能控制，能自启动和自动关闭，要求综合运用所学电子电路的知识，是集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。通过这两个设计可以锻炼我们的自主创新能力和自主学习能力，也可以巩固所学的知识，这两个设计都明显基于我们平时所学知识设计的，既可以复习以前的知识又可以再次基础之上提高，发掘潜能，拓展知识，丰富自己的知识面和复习自己所学知识，是一个提高能力的跳板。1 有害气体检测与抽排电路设计11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

9、，可以及时检测并抽排，保障人的生命安全。1.1.2设计任务及要求任务：设计一个自动检测有害气体浓度，且当有害气体浓度超标时，能自动发出声光报警，自动抽排有害气体的控制电路。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总体设计方案1.2.1总体设计方案选择方案一单片机控制系统将触发信号输入单片机，单片机根据触发信号，在指定引脚输出间隔双频率控制信号控制报警电路产生双音频报警声，输出一定频率的信号控制报警灯的闪烁，输出控制信号通过控制晶闸管来控制抽排电路的启动与停止。电路

10、简单，功能强大，比较灵活。不更改硬件电路，通过软件可对电路功能根据实际进行适行修改。方案二 逻辑电路系统双音调的报警信号，采用两个555制成的多谐振荡器，设置不同频率。运用计时电路控制双频率的信号交替出现，将触发信号作为计时电路的控制信号，间接控制声音报警电路；闪烁灯光报警将触发信号作为555多谐振荡器的控制信号，产生方波信号控制灯光闪烁。将触发信号作为抽排电路的控制信号，直接启动或停止抽排。电路原理简单，经济实用，但连接复杂，不易修改。单片机方案结构简单，但相对于本系统来说造价较高，且单片机的大部分功能闲置，造成资源浪费；使用555电路进行控制造价低廉，且资源利用率高。本实验方案选择逻辑电路

11、系统。1.2.2系统设计原理本设计采用逻辑电路，传感器采用的是qm-2气体浓度传感器，该传感器输出地是模拟信号，当检测到气体浓度升高时，其输出管脚的电压也随之升高，将其输出端接到比较器上设定阈值电压，当比较器输入端的电压高于阈值电压时，比较器输出高电平，驱动继电器，使报警电路和抽排电路开始工作，当气体浓度降低到安全规范围以内时，比较器输出低电平3报警电路和抽排电路停止工作。报警电路采用声光报警，通过555定时器输出方波脉冲使灯闪烁，为了使报警的铃声更能起到警示作用，本设计采用两个555定时器输出不同频率的脉冲使喇叭发出两个高低不同的音调，并通过设计输出双音频，达到报警的目的。 传感器 电压比较

12、器声光报警系统主控系统风扇抽排变压系统220v交流电压源系统框图1.3系统硬件设计1.3.1电源电路原理说明：电源电路由 220v交流电压，变压器，整流电路及滤波稳压电路组成，实现交流电到直流电的转变，在供电给后续电路工作。电源变压器是将交流电网220v的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化。因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。1.3.2气体浓

13、度检测电路在本设计中由于proteus库中没有qm-2器件，所以用电位器rv代替。当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，qm-2气敏传感器电阻值很大，使电压比较器正相输入端的电压均小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为“低电平”，继电器不工作，555定时器清零；如果空气中的有害气体浓度达到c1时，传感器的电阻值变小，使电压比较器正相输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，555定时器正常工作，输出方波信号，使得三极管导通，进一步使得继电器工作，从而驱动声光报警电路和抽排电路工作。1.3.3声音报警电路当电压比较器输出高电平时，使得555定时器3端口输出方波信号，高电平驱动灯泡发

14、光，低电平使得灯泡变暗，于是灯泡处于间歇的工作状态。其周期计算如下：t=0.7(r7+2r6)*c6.可知，适当改变c6,r7,r6值可以改变灯泡的工作频率。同理，同样通过555定时器发出的方波信号驱动喇叭工作，而采用两个555定时器发出不同频率的方波，使得喇叭发出警笛声。 报警电路的核心是由555定时器构成的多谐振荡器。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。本电路中输出的两个声频的频率一个为6.

15、9mhz，占空比为76.8%；另一个为5mhz，占空比为66.7%。电路的音频输出端接乙类互补输出电路，进行功率放大，增大输出音频声音，利于实用。1.3.4光报警和抽排系统此系统中抽排系统由继电器进行控制，当检测到烟雾时电压比较器输出高电平，使继电器闭合，继而电机接入220v电源电路，开始进行排烟；当烟雾排尽或人为使烟雾浓度降低时，电压比较器输出低电平，电机与电源之间断开，电机停止排气。光报警则利用到555定时器构成的多谢振荡器，输出矩形脉冲，控制报警灯频繁闪烁，进行灯光报警。1.3.5去耦滤波由于供电电源和配电系统不是理想的电压源，对每个电路进行去耦滤波是有必要的，以减少通过电源系统耦合的噪

16、声。阻容去耦网络可以把供电电源与电路隔离开来，消除电路间的耦合，并避免电源噪声进入电路。电源滤波使用的是大容量的电解电容，是用来去除直流电中工频波形（50hz100hz）减小直流电的波动程度，即起平滑波形的作用；去耦电容的容量很小，通常为0.01-0.1uf，是用来滤除电路在工作时产生的高频谐波成分。本电路中的去耦滤波电容包括c1，c6，c12，c10和电解电容c8。1.4 系统仿真系统仿真过程中经调整代替qm-2传感器的滑动变阻器阻值，模拟传感器检测到烟雾的状况，则可看到报警灯频闪，电机启动进行抽排，声音报警的功放可正常发出两个频率的矩形波信号，提醒人们检测到危险的烟雾。当增大滑动变阻阻值即

17、模拟传感器检测到烟雾浓度降低，可看到报警解除并且电机停止转动。1.5所用部分元件原理说明1.5.1 qm-n5气敏传感器qm-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(sno2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。mq-2/mq-2s气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。1.5.2多谐振荡器工作原理如下：接通电源后，电容c被充电，当vc上升到2/3vc

18、c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/( tpl +tph) 可近似看成f=1.43/(r1+r

19、2)c2机器人行走电路设计2.1设计任务任务：设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。要求：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设计思路方案选择：方案一：使用74系列芯片进行计时并控制显示模块，用555芯片组成一秒的延时电路，输出脉冲控制74芯片，并用单刀双掷开关进行前进和后退的控制。适用本方案原理简单，但是不利于集成，且应用芯片较杂，并不是最佳选择。方案二：用89c51单片机作主控芯片，4个独立键盘作为控制端控制时间的输入，三

20、个普通开关来控制机器人是否启动、机器人急停、机器人进退选择，同时用两个七段数码管显示当前前进或后退状态下的剩余时间，数码管直接用单片机输出高低电平控制。直流电机用单片机控制，同时用h桥电路l298芯片作为电机的正反转控制电路。两相比较，方案二所用元件数目较少，计时稳定、精确，且仅需改变程序就可以改变电路相关参数，便于根据实际情况进行相应修改。故本电路采用方案二。程序部分根据以上思路编写。2.2.2设计总体方案实验电路图主要由四部分组成：89c51单片机，时间键盘控制，总开关，显示数码管，电机及其控制装置。电路工作原理由总开关控制单片机相应i/o口的高低电平，单片机控制l298芯片来控制机器人是

21、否行进及其方向；键盘控制单片机相应i/o口的高低电平，单片机控制机器人的行进时间，直接置数；单片机根据以上条件控制数码管显示和l298芯片in1、in2端的高低电平，继而控制机器人的前进和后退。电机电路运用桥式电路连接方法，改变输入端电平状态可以改变电机运转方向。键盘控制时间电路控制方框图机器人行进状态l298芯片89c51单片机数码管进行时间显示总开关控制行进状态2.3设计原理分析2.3.1 单片机外围电路如图所示电路是为单片机最小系统能够工作的基本电路：1电源 途中仿真过程中软件自动隐藏单片机的电源端和接地端，故不可见。2晶振 单片机使用片内时钟振荡方式时，需要在xtal1(19脚)和xt

22、al2(18脚)处外接时钟。时钟电路由石英晶体和振荡电容构成，振荡电容的值一般取10p30p，本电路中取为20pf；石英晶体振荡频率在11.0592mhz时可以每过110个时钟周期便计时1ms，便于单片机的精确计时，考虑到仿真软件的局限性，本电路中振荡频率取为12mhz。3复位电路 用以控制单片机从头开始执行程序2.3.2 开关功能控制如图所示电路中，三个开关分别接单片机的p12、p13、p11管脚，另外开关一端接电源，一端接地。单片机检测到低电平时分别控制机器人停止前进、急停（用于防止安全事故）以及前进后退之间的切换（检测到低电平时单片机控制l298芯片使机器人前进，高电平时机器人后退）。应

23、用开关进行功能间的控制和切换，实现简单，便于使用者理解使用。2.3.3键盘输入及控制电路 本电路中的输入时间由四个独立键盘进行控制，键盘一端接地，另一端接单片机p0脚进行控制。其中，p0脚为双向8位三态i/o口，每个口可独立控制。51单片机p0口内部没有上拉电阻，为高阻状态，所以不能正常输出高/低电平，因此该组i/o口使用时要外接上拉电阻，本方案选择了9脚的10k的上拉电阻。如图所示键盘按下则单片机相应管脚为低电平，单片机检测到低电平后进行10ms延迟进行去抖操作，若继续检测到低电平则：1号键盘在按下时功能为时间+10，2号键盘按下时时间+1,3号键盘按下时时间-10,4号键盘按下时时间-1。

24、如上所述，通过键盘操作可以很好的对时间进行控制。2.3.4显示模块单片机p2、p3脚分别接一个数码管，用于显示时间的十位和个位。其中p3脚显示时间的十位，p2脚显示时间的个位。数码管选用7-seg-com-cathode，该数码管是共阴极数码管，可以通过控制阴极来进行位选，但本方案中两个数码管一直显示，且用两组i/o口进行控制，则共阴极直接接地。单片机i/o口在未进行控制时输出高电平，通过程序赋值在某个管脚输出低电平时，相应二极管灭，则可通过程序中定义一个显示数组来控制显示的数字。2.3.5电机控制工作原理说明：芯片l298是恒压恒流桥式2a驱动芯片，内部是由两块h桥电路封装而成。in1,in

25、2,ena是一部分，in2,in3,enb是一部分，其中ena，enb是使能控制端。 表一： l298功能模块enain1 in2运转状态0任意任意停止11 0正转101 反转1 11急停100停止 由表一l298功能模块可以看出电机的工作状况，由单片机控制in1,in2的输入，从而很好的控制电机的正转、反转、急停或停止，达到设计目的。由于本电路中芯片一直处于正常使用状态，所以ena端直接接地。正转电机效果反转电机效果3附录附录1 机器人行走系统程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit in1=p16;

26、 /*in1、in2是l298芯片受51单片机控制端，进而控制机器人的前进后退和停止*/sbit in2=p17;sbit zkg=p12; /*总开关的特殊功能位声明*/sbit jtkg=p13; /*急停开关，防止机器人行进过程中出现意外*/sbit b1=p00; /*b1-b8是对控制键盘的输入检测*/sbit b2=p01;sbit b3=p02;sbit b4=p03;sbit jtkz=p11; /*进退开关，用以控制机器人的行进方向*/uint qj=60,ht=60; /*全局变量，分别代表前进和后退时间*/void delayms(uint xms) /*可定义的延时子程

27、序*/uint i,j;for(i=xms;i0;i-)for(j=110;j0;j-);uchar code table= /*共阴极数码管的0-f现时代码*/0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x39,0x5e,0x79,0x71;uint matrixkeyscan()/*键盘检测控制输入并将结果赋给全局变量qj，ht*/static uint a;if(b1=0)delayms(50);if(b1=0)a+=10;while(b1!=1)delayms(10);if(b2=0)delayms(50)

28、;if(b2=0)a+=1;while(b2!=1)delayms(10);if(b3=0)delayms(50);if(b3=0)a-=10;while(b3!=1)delayms(10);if(b4=0)delayms(50);if(b4=0)a-=1;return a;void xianshi()/*时间的显示*/ if(jtkz=0)p3=0x00;p2=0x00;delayms(5);p3=tableqj/10;p2=tableqj%10;if(jtkz=1)p3=0x00;p2=0x00;delayms(5);p3=tableht/10;p2=tableht%10;main() /

29、*while(1）循环控制使机器人循环前进后退运动*/while(1)if(zkg=1) /*机器人停止前进*/in1=0;in2=0;break;if(jtkg=0) /*机器人急停*/in1=1;in2=1;break;if(qj0|ht0;qj-) delayms(1000);qj+=matrixkeyscan();in1=1;in2=0;xianshi();if(zkg=1) in1=0;in2=0;break;if(jtkg=0)in1=1;in2=1;break;if(qj0|ht0;ht-) delayms(1000);ht+=matrixkeyscan();in1=0;in2=

30、1;xianshi();if(zkg=1) in1=0;in2=0;break;if(jtkg=0)in1=1;in2=1;break;if(qj0|ht0) in1=1;in2=1; if (jtkz=0)in1=1;in2=1;break;附录2 有害气体检测与抽排电路元件清单名称位号型号数量电压源v1vsine1变压器tr1tran-2p2s1整流桥br1bridge1电容c1、c30.1u2电容c2、c710u2电容c41u1电容c5、c6200u2电容c11、c120.33u2电解电容c9、c10、c111u3电阻r1、r2、r3、r510k4电阻r4、r6、r71k3电阻r8、r9、r101003滑动变阻rv1