小型智能控制系统课程设计

1、小型智能控制系统课程设计小型智能控制系统课程设计前言 此课程设计包括两个设计主题，一为有毒气体的检测和抽排，二为机器人行走。当有毒气体泄漏时电路可以自动监测由并报警，然后抽排系统检测到并及时进行抽排换上新鲜空气。抽排完后，回复实时检测状态。机器人行走设计则能自动前进一段时间后又后退等长时间，然后又前进，周而复始。二个设计均能为人们的日常生活提供极大的方便，并且都具有智能控制、自启动和自动关闭功能。二个设计要求能够灵活地综合运用所学的电子电路、模拟 电子技术和数字电子技术，根据设计要求，分析原理，计算 参数，选用合适的元器件，以达到题目的要求。这二个设计都以 555定时器为核心，驱动各个部分电路

2、工作，因此需要灵活运用 555定时器组成的多谐振荡器以及 触发器和稳压电路原理。通过这两个设计不仅可以巩固所学的知识，更重要的是 能锻炼同学们的自主创新能力和自主学习能力。这两个设计都基于所学知识设计的，可以在复习以前的知 识的基础之上提高，发掘潜能，拓展知识，丰富自己的知识 面，是实现能力提高的一个跳板。目录1.有害气体的检测、报警、抽排5 1.1意义与要求51.1.1意义5 1.1.2设计要求5 1.2设计总体方案5 1.2.1设计 思路5 1.2.2总体设计方框图 6 1.2.3完整原理图6 1.2.4 PCB 制图8 1.3设计原理分析8 1.3.1气敏传感器工作原理 8 1.3.2

3、声光报警控制电路 9 1.3.3排气电路工作原理11 1.3.4整体 工作原理说明 12 1.4所用芯片及其他器件说明12 1.4.1IC555定时器构成多谐振荡电路图 12 1.5附表一：有害气体的检测、报警、抽排电路所用元件14 2.机器人行走 电路15 2.1意义与要求15 2.1.1意义15 2.1.2设计要求162.2设计总体方案16 2.2.1设计思路16 2.2.2总体设计方框 图16 2.2.3完整原理图17 2.2.4 PCB制图19 2.3设计原理分 析20 2.3.1多谐振荡电路分析 20 2.3.2 74161加计数器构成 十进制计数器显示电路21 2.3.3直流电机正

4、反转驱动电路22 2.3.4整体工作原理说明23 2.4所用芯片及其它器件说明 23 2.4.1 555 定时器 23 2.4.2 74HC161 加计数器 25 2.4.3 74HC112双JK触发器27 2.5附表二：机器人行走电路所用元件28 3.设计体会和小结29课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：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：设计一个能自动检测有害气体浓度，且当有害气体浓度超标 时，能自动发生声光报警，能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，发生警笛报警声和灯光 间歇闪烁的光报警提示，同时自行

5、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 PROTEL绘制 电路图的方法。4 .主要参考文献

6、 1）新编电子电路大全第1、2、3、4卷 中国计量由版社 组编2）传感器及其应用电路何希才编著电子工业生版社 3）电力电子变流技术 黄俊 王兆安编机械工业由版社 4）集成电路速查手册 王新 贤主编山东科学技术生版社 5）集成电路速查大全尹雪飞 陈克安 编 西安电子科技大学生版社 6）国内外晶体 管对照手册 各种版本皆可。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有方案比较论证、绘制方框图、 电原理图，阐述电路工作原理、每个元器件的主要参数、设 计电路

7、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28日7月9日）。6月28日上午，指导教师讲授课程设计的有关基本知识等；6月28日下午一一6月29日下午学生查阅资料、准备 “8眦2”问题解答；6月30日上午一一7月4日下午学生初 步设计；7月5日上午一一7月5日下午检查设计进度，答 疑、质疑；7月6日上午一一7月8日下午学生完善设计， 形成报告电子文档；7月9日课程设计报告打印、装订、提交。指导老师签名：2010年7月9日系主任

8、（或负责教师）签名：年 月日1.有害气体的检测、报警、抽排 1.1意义与要求1.1.1 意义 日常生活中经常发生煤气或者其他有毒气体泄 漏的事故，给人们的生命财产安全带来了极大的危害。因此，及时检测由人们生活环境中存在的有害气体并将其 排除是保障人们正常生活的关键。本人运用所学的电子技术知识，联系实际，设计由一套有 毒气体的检测电路，可以在有毒气体超标时及时抽排由有害 气体，使人们的生命健康有一个保障。1.1.2 设计要求 当检测到有毒气体意外排时，发生警笛 报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示。当有毒气体浓度超标时能自行启动抽排系统，排生有毒气 体，更换空气以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，

9、系统自动回到实时检测状态。1.2设计总体方案1.2.1设计思路 利用QMN5气敏传感器检测有毒气体，根据其工作原理构成一种气敏控制自动 排气电路。电路由气体检测电路、电子开关电路、报警电路、和气体 排放电路构成。当有害气体达到一定浓度时，QM-N5检测到有毒气体，元件两极电阻变的很小，继电器开关闭合，使得 555芯片组 成的多谐电路产生方波信号，驱动发光二极管间歇发光；同 时LC179工作，驱使蜂鸣器间断发生声音；此时排气系统会开始抽排有毒气体。当气体被排由，浓度低于气敏传感器所能感应的范围时， 电路回复到自动检测状态。1.2.2 总体设计方框图 如图（1.1）声光系统和排气 系 统停止工作声

10、光系统、排气系统同时工作 有毒气体浓度 自动检测声光系统和排气系统都不工作 1.2.3完整原理图（如图 1.2） 图 1.2 1.2. 4 PCB 制图（如图 1.3） 图 1.3 1.3 设计原理分析1.3.1.气敏传感器工作原理 电路图（如图1.4） 图1.4分析：气敏管处于检测状态后，若无有害气体泄漏，气敏管阻值 很大，电路不报警；当有害气体达到一定浓度时，元件两极 电阻变的很小，此时开关K闭合，使得555芯片和LC179工作，驱动报警电路工作，同时使得继电器工作，电机开始 工作抽排，一段时间，有害气体浓度排尽。气敏管处于检测状态后，若无有害气体泄漏，气敏管阻值 变回很大，继电器 K仍处

11、于释放状态，不发生报警。1.2.3 声光报警控制电路 毒气浓度大于C 555多谐振荡电 路 工作，LC179工作 发光二极管和蜂鸣器工作 电路图如 下（如图1.6）图1.6分析：由555组成的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2/3VCC时，触 发器被复位，此时输由为低电压，电容 C通过R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） V

12、CC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，在输由端就得 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+2R2）C 在图中令 电阻 R5=50K,R6=40K , C6=22uF。代入上式可以算得：f=0.5Hz能够满足灯光报警的频率要求1.2.4 排气电路工作原理电路图如下（如图1.7）图1.7分 析：排气电路中，当气体浓度大于C2,气敏电阻阻值进一步减小，从而通过三极管使 K闭合，电机工作，开始进行排气。当毒气浓度低于 C时，输由为

13、低电平，使三极管Q1截止， 电机工作电路不能导通，停止排气。1.2.5 整体工作原理说明 气敏管QM 一 N5是一种N型半 导体气敏元件，其间的电阻随接触的有毒气体浓度不同而变 化，在QM N5元件未接触有害气体时， 元件的两端呈高阻 抗，电路不报警；当有害气体达到一定浓度时，元件两极电 阻变的很小，此时开关 K闭合，使得555多谐振荡电路和 LC179芯片工作，驱动报警电路工作电机开始工作抽排气体， 一段时间，有害气体浓度减小，当有毒集体被排尽时，电路 自动恢复正常状态。1.4所用芯片及其他器件说明1.4.1 IC555定时器构成多谐振荡电路图（如图1.8）图1.8功能管脚图（如图1.9）图

14、 1.9多谐振荡器工作原理 （如下图1.10）图1.10 555定时器 组成的多谐振荡器电路图接通电源后，电容 C被充电，当VC上升到2/3VCC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)

15、C 而当 VC 上升到(2/3) VCC时，触发器又周而复始，在输由端就得 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+R2)C 555 定时器 功能表1.5附表一：有害气体的检测、报警、抽排电路所用元件 名称 规格型号 位号数量7805集成稳压器 LM7805 7805 1个变压器 220v-10v TR1 1 个 整流桥 BRIDGE1 BRIDGE1 1 个气敏传 感器 QM-N5 QM-N5 1个电位器 2K R3 1个驱动电源 220V V 1个 三极管 2N1893 Q 1个 极性电容 470uf 0.33uf 等Ci参照原理图 电

16、阻50K, 40K等Ri参照原理图 交流 电动机 MOTOR AC MG 1 个 二极管 100HF100PV D1 1 个 双晶闸管 MAC15A6 Q1,Q2各1个达林顿管 NPN DAR Q3 1 个 555 555 Q4 1 个 LC179 LC179 Q5 1 个单晶闸管 10RIA10 D2 1个继电器 RELAY-SPST K 1个2.机器人行走 电路2.1.意义与要求 2.1.1意义 通过所学电子电工知识设 计一个可以自行行走的机器人，能够自行前进与后退，并且 可以改进成小车来搬运一些轻便的货物，给日常生活的人们 带来方便，同时也让电子科技更加接近人们的生活，也提高 了自己的创

17、新意识和思维能力。2.1.2.设计要求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 通过分析设计要求， 要实现机器人的行走需要有驱动电路，驱动小车行走，同时 要有直流电机正反转电路，控制小车前进与后退。其中驱动电路，由555构成多谐振荡电路产生的方波驱动 74161计数器进行显示，计数满后驱动JK触发器，产生规则 的、周期可调的方波驱动信号；而直流电机正反转电路则是 由驱动信号驱动三极管构成的开关电路，通过三极管的导通 与截

18、止来控制直流电动机的正反转，从而实现小车的前进与 后退。2.2.2总体设计方框图 74284控制7段共阴极数码管显示 电路显示74161加计数器构成十进制计数器显示小车前进 后退时间555构成多谐振荡电路计数器计数满产生触发 信号触发JK触发器JK触发器在触发信号的作用下输生发 生高低电平跳变 触发器发生信号驱动直流电机两端压差发生正负跳变 直流电机正反转，实现小车前进与后退2.2.3完整原理图分析：555构成的多谐振荡电路产生方波信号接到74161时钟端触发74161加计数器计数，并通过 74248驱动七段共阴极数码 管显示计数。加计数器计数满十，通过 7403与非门产生下降沿信号驱 动JK

19、触发器使JK触发器构成的T触发器输由取非，从而 驱动三极管构成的开关电路，通过各个三极管的导通与截止 来实现直流电机两端的压差的正负跳变，驱动直流电动机的 正反转，实现小车的前进与后退。其中，通过调节电位器 RV1可以改变多谐电路输由方波周 期，来调节小车的前进与后退的时间。整体原理图如下：（如图2.1） 图2.1 2.2.4 PCB制图（如图2.2） 图2.2 2.3设 计原理分析2.3.1多谐振荡电路分析 原理图（如下图2.3） 图2.3注：通过调节 RV1改变多谐电路输由方波的周期 T=ln2*（R1+2RV1）*C2 （RV1 为接入电路部分）原理图如下：（如图2.4）图2.4 555

20、定时器组成的多谐振荡电路多谐振荡电路工作原理：接通电源后，电容C被充电，当VC上升到2/3VCC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

21、周而复始，在输由端就得 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+R2）C 2.3.2 74161 加计数器构成十进制计数器显示电路原理图（截图如下图2.5）图2.5原理说明：多谐振荡电路产生方波信号接入到74161时钟端，驱动74161进行加计数。图中74161接成了 10进制加计数器，计数满十时通过7403 与非门接入到清零端进行清零。由于计数到10时，便会立刻清零，不会在数码管上显示， 所以此时信号很弱，不可以作为触发信号驱动JK触发器，JK触发器触发信号是计数到9时，通过7403输由下降沿信号触发。数码显示电路通过，74248驱动的七

22、段共阴极数码管进行显示。2.3.3 直流电机正反转驱动电路原理图(截图如下图2.6)图2.6原理说明：当输入为高电平时， Q1,Q4导通，Q2,Q3截止，A点为底电 平，B点为高电平，通过仿真 U(AB)=-4.93v,直流电机反转， 小车后退。当输入为底电平时，Q1,Q4截止，Q2,Q3导通，A点为高 电平，B点为低电平，通过仿真 U(AB)=4.95v ,直流电机正 转，小车前进。2.3.4 整体工作原理说明由多谐振荡器产生周期不同的方波信号，调节滑动变阻器来改变周期的长短。然后通过74161加计数器来进一步准确控制时间，产生占 空比为50%的方波信号，后接一个显示器来显示时间，控制 为前

23、进10秒，后退10秒，再由双JK触发器接受触发信号，JK触发器为负沿触发，改变电动机的正传于与反转经过驱动电路驱动电机工作，实现机器人前进与后退的功能。2.4所用芯片及其它器件说明2.4.1 555定时器(如图2.7)图2.7 555定时器引脚图 图2.8 555定时器电路图及波 形图555定时器功能表 555定时器的电源电压范围宽，可 在4.5V-16V工作，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管 T及功率输由级。它提供两个基准电压 VCC /3和2VCC /3555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输由电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地

24、之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为2VCC /3 , A2的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR的电压小于VCC /3 ,则比较器 A2的输由为1,可使RS触发器置1,使输由端 OUT=1 o如果阈值输入端 TH的电压大于 2VCC/3,同时TR端的电压大于VCC /3,则A1的输由为1, A2的输由为0,可将RS触发器置0,使输由为0电平。2.4.2 74HC161加计数器74161加计数器真值表：清零预置 使能 时钟 预置数据输入 输 出RD LD EP ET CP AB C D QA QB QC QD L x x x x x x x XL L

25、L L H LxC D A B C D H H L 迎 xx x x保持 H H XL xxxx x保持H H H H fxxxx计数图2.9 74161管脚图 图2.1074161的逻辑图 具体功能如下：1.异步清零当RD=0时，不管其他输入端的状态如何（包 括时钟信号CP ），计数器输由将被直接置零， 称为异步清零。2 .同步并行预置数 在RD=1的条件下，当LD=0、且有时钟脉冲CP的上升沿作用时，A、B、C、D输入端的数据将分别被QAQD所接收。由于这个置数操作要与 CP上升沿同步，且AD的数据同时置入计数器，所以称为同步并行置数。3 .保持在RD=LD=1的条件下，当ET?EP=0,

26、即两个计数 使能端中有0时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原 有状态不变（停止计数）。需要说明的是，当 EP=0,ET=1时，进位输由 RCO也保持 不变；而当ET=0时，不管EP状态如何，进位输由RCO=0 o4 .计数当RD=LD=EP=ET=1 时,74161处于计数状态 2.4.3 74HC112双JK触发器74HC112为负沿双JK触发器， 器件图如下：图2.11 74112双JK触发器器件图 图2.12 74112双JK触发 器真值表 本设计中用到一个 JK触发器，由于，要想将其接 成T'触发器，就要使 J=K=1,即J,K端都接高电平。5 .5附表二：机器人行走电路所用元件名称 规格型号 位号 数量 电阻1K R1 1个 电阻1K R2 1个 电阻10K R3 1个 电阻1K R4 1个电阻1K R5 1个 电阻1K R6 1个 电容10uF C1 1个 电容1