有害气体检测与抽排电路及机器人行走电路设计

1、目录摘要.1有害气体检测与抽排电路设计. 1 1.1设计要求. 1 1.2设计总体方案. 1 1.2.1设计原理系统框图. 1 1.2.2设计原理图.1 1.3设计方案分析.2 1.3.1电源电路.2 1.3.2气敏传感器工作原理.2 1.3.3声光报警控制电路.3 1.3.4排气电路工作原理.3 1.3.5整体工作原理说明.4 1.4所用芯片及其他器件说明.5 1.4.1 555定时器构成的多谐振荡器工作原理.5 1.4.2 QM-N5气敏传感器.5 1.4.3继电器.62机器人行走电路设计.7 2.1设计要求.7 2.2设计总体方案.7 2.2.1设计原理系统框图7 2.2.2设计原理图8

2、 2.3设计方案分析.8 2.3.1多谐振荡电路分析8 2.3.2 74LS192计数器和计数器显示电路9 2.3.3 JK触发器实现信号翻转.9 2.3.4直流电机正反转电路.10 2.3.5整体工作原理说明.10 2.4所用芯片及其他器件说明.10 2.4.1 74LS192计数器.10 2.4.2 JK触发器.123附录.14 3.1附表一：有害气体检测与抽排电路设计所用器件143.2附表二：机器人行走电路所用器件.15小结与体会.16致谢.18参考文献.18摘要 随着科学技术的日益发展，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

3、率，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。二个设计均能为平时日常生活提供方便，都能智能控制，能自启动和自动关闭，二个设计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。这二个设计都以555定时器为核心，驱动各个部分电路工作，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

4、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。   关键字：气敏传感器、报警电路、智能控制、555定时器小型智能控制系统设计1有害气体检测与抽排电路设计1.1设计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设计总体方案1.2.1设计原理系统框图 声光系统和排气系 统都不工作 返回自 毒气浓度 动检测 小于C1 有毒气体浓度 自动检测 返回自动 毒气浓

5、度大于C1 检测状态 小于C2 声光系统和排气 声光系统工作 系统停止工作 排气系统停止 排气后，毒气 毒气浓度 浓度低于C1 大于C2 声光系统工作 排气系统工作图1.2.1 设计原理系统框图注：其中浓度C1为毒气泄漏浓度，C2为毒气超标浓度。1.2.2设计原理图图1.2.2 设计原理图1.3设计方案分析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

6、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。图1.3.1 电源电路1.3.2气敏传感器工作原理当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，使两个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，使下面的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

7、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。若浓度进一步增大，达到C2时，则上面的电压比较器正向输入端电压也大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，使得继电器工作，从而驱 图1.3.2 气敏传感器工作原理图 动风扇抽排电路。改变滑动变阻器的阻值，可以改变电压比较器的反相输入端的电压，使声光报警及风扇抽排电路可以在有害气体不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对有害气体不同浓度的测量。注：此处由于在元件库中找不到QM-N5器件，故用滑动变阻器代替。1.3.3排气电路工作原理 三极管处于饱和导通状态电动机工作开始排气电压比较U5:A输出高电平毒气浓度高于C2图1.

8、3.3 排气电路工作方框图排气电路中，二极管和继电器为开关作用。当气体浓度大于C2,气敏电阻阻值进一步减小，从而使电压比较器输出高电平，使二极管导通，继电器工作，电机工作，开始进行排气。当毒气浓度低于C2时，电压比较器输出为低电平，使二极管截止，电机工作电路不能导通，停止排气。1.3.4声光报警控制电路当下面的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，

9、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。 图1.3.4 声光报警控制电路1.3.5整机工作原理说明电源变压器将交流电网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。当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，使两个电压比较器正相输入端的电压均小于反相输入端的电

10、压，电压比较器的输出端为“低电平”，555定时器清零，灯泡与喇叭均不工作；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，使下面的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，使得灯泡闪烁，报警电路发出警笛报警声。若浓度进一步增大，达到C2时，则上面的电压比较器正向输入端电压也大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，使得二极管导通，继电器工作，从而驱动风扇抽排电路。改变滑动变阻器的阻值，可以改变电压比较器的反相输入端的电压，使声光报警及风扇抽排电路可以在有害气体不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对有害气体不同浓度的测量。1.4所

11、用芯片及其他器件说明1.4.1 555定时器构成的多谐振荡器工作原理555定时器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，同时发电BJT T导通，此时Vo为低电压，电容C图1.4.1 多谐振荡器电路 通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，VO翻转为高电平。输出端输出的方波信号周期T=0.7（R5+2R6）C21.4.2 QM-N5气敏传感器气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。 QM-N5型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷

12、类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，市场上应用广泛。QM-N5气敏元件参数如下：标定气体（0.1%丁烷气体，最佳工作条件）中电压2V，响应时间10S，恢复时间30S，最佳工作条件加热电压5V、测量回路电压10V、负载电阻RL为2K，允许工作条件加热电压4.55.5V、测量回路电压515V、负载电阻0.52.2K。1.4.3继电器继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调

13、节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”

14、。 选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。 查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品 2机器人行走电路设计2.1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

15、可调。2.2设计总体方案2.2.1设计原理系统框图555定时器构成多谐振荡电路计数器减到零时产生触发信号触发JK触发器74LS192计数器显示小车前进后退时间直流电机正反转，实现小车前进与后退触发器发出信号使直流电机两端电机两端电压发生跳变JK触发器在触发信号控制下输出发生高低电平跳变图2.2.1 设计原理系统框图2.2.2设计原理图图2.2.2 设计原理图2.3设计方案分析2.3.1多谐振荡电路分析图2.3.1 多谐振荡电路 接通电源后，电容C1被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，电容C1通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平

16、。使3端输出方波信号，此方波信号的周期T=0.7（R1+2RV2）C1，通过对RV2的调节可以改变3端输出的方波信号的周期T。2.3.2 74LS192计数器和计数器显示电路由多谐振荡器3端输出的方波信号接到第一片74LS192的“DN减计数”端，驱动74LS192进行减计数，然后将第一片的“TCD借位端”接到第二片74LS192的“DN减计数”端，再将两片74LS192的“TCD借位端”接到一个或门，使其相或，相或产生的信号接到两个芯片的“PL置数端”。这样，当第一个芯片减到零时，向高位产生一个借位信号，使高位减一，依次循环，知道两个芯片均减到零时，两个借位端相或产生的信号使得两个芯片的置数

17、端有效，使其指数，又回到起点。图2.3.2 74LS192计数器和七段共阴极数码管构成的计数器显示电路2.3.3 JK触发器实现信号翻转用两片74LS192的“TCD借位端”接或门产生的信号作为JK触发器的触发信号，于是，当计数完成一个周期时，JK触发器接受到一个触发信号，使得Q端输出翻转。还有，图中在JK触发器的Q输出端接一个反相器和一个单刀双掷开关，在机器人前进或后退的过程中，若将开关打到另一端，则可以实现机器人实时转向的功能。图2.3.3 JK触发器及翻转电路2.3.4直流电机正反转电路当JK触发器输出为高电平时，Q1,Q4导通，Q2,Q3截止，直流电机两端电势差为-4.0v,直流电机反

18、转，小车后退。当JK触发器输出为底电平时，Q1,Q4截止，Q2,Q3导通，直流电机两端电势差为4.0v，直流电机正转，小车前进。于是就实现了小车前进后退的要求。且时间相等。图2.3.4直流电机正反转电路2.3.5整体工作原理说明由前面的分析可知各部分的工作原理，当整体开始工作时，多谐振荡器产生的方波信号周期及计数周期均可由人为调节，故可以较精确地实现小车的前进后退且时间可调的功能。例如，当希望小车先前进9.5秒，然后后退9.5秒，如此循环，则可以调节RV2使得3端输出的方波信号的周期T=0.5秒，74LS192置“19”于是，小车前进及后退的时间均为0.5*19=9.5秒，便实现了以上要求的功

19、能。2.4所用芯片及其他器件说明2.4.1 74LS192计数器74LS192真值表：图2.4.1 74LS192真值表74LS192管脚图：图2.4.2 74LS192管脚图74LS192逻辑图：图2.4.3 74LS192逻辑图74LS192具体功能：1 异步清零： 当MR=1时，计数器输出将直接清零，与其他输入端的状态无关，这就是异步清零。2 加、减计数功能： 当MR=0,PL=1,CPD=1时，CPU端接脉冲信号，就实现了加计数功能；相反，当MR=0,PL=1,CPU=1时，CPD端接脉冲信号，就实现了减计数功能。3 置数功能： 当MR=0，PL=0时，计数器输出端与输入端相同，即实现

20、置数功能。2.4.2 JK触发器JK触发器真值表：故当JK触发器的J、K端均接高电平时，每来一个触发信号便使得其发生一次翻转，于是就实现了小车前进与后退的功能要求。图2.4.4 JK触发器真值表JK触发器逻辑图：图2.4.5 JK触发器逻辑图JK触发器功能说明：本电路中，欲将JK触发器接成T触发器，应使J、K均接高电平。于是便能实现翻转功能。3附录3.1附表一：有害气体检测与抽排电路设计所用器件 名称规格型号位号数量7812集成稳压器LM7812U1、U22交流电源VSINEV11变压器TRAN-2P2STR11整流桥BRIDGEBR11直流电机MOTORM11继电器G2RL-1A-CF-DC

21、12RL11电压比较器1458U5:A、U5:B2555定时器NE555U6、U72灯泡LAMPL11喇叭SPEAKERLS11电阻1KR11电阻2KR6、R72电阻10KR2、R3、R4、R8、R95滑动变阻器1KRV1、RV32滑动变阻器130KRV21二极管DIODED11三极管NPNQ11电容33pFC3、C42电容220uFC21电容0.01uFC51电容1nFC81电容10uFC61直流电源+6VV213.2附表二：机器人行走电路所用器件名称规格型号位号数量555定时器NE555U11计数器74LS192U2、U32JK触发器74LS76U4A1七段数码显示管7SEG-BCD-GR

22、NU6、U72直流电机MOTORM11非门74HC04U5A、U6A2或门74LS32U8A1电阻1KR1、R2、R3、R4、R55滑动电阻器10KRV21开关SW-SPDTSW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8、SW99电容100uFC1、C22二极管DIODED1、D22三极管NPNQ1、Q22三极管PNPQ3、Q42直流源+5VU1小结与体会为期两个星期的课程设计即将结束，经过两个星期的摸索、询问、查找资料、翻阅文献，由失败、沮丧、烦躁，渐渐转而兴奋、激动、狂喜。虽然是短短的两周时间，但可以说是五味杂陈啊。此刻面对自己的设计成果很感动，为自己的努力感动，也为自己最

23、后的成绩感动。不管结果如何，至少自己尝试了，努力了。由于是第一次做课程设计，再加上正逢考试周，所以刚听说要课程设计的时候是既担心又害怕。在经过一上午的动员会后，听了老师细心地讲解，虽然对课程设计有了初步的了解，但脑子仍是一片迷茫，不知所措。第一天的时候，就是盯着屏幕拼命地想啊想，虽然能想到大概分那几步，或者说脑中知道要用到哪方面的知识，但毕竟以前都是书面上的理论知识，真正要拿到实际中来，我一时不知道该怎么把学的知识串联起来。于是前几天就是上网查，上图书馆查，看别人做的类似的设计，看别人是怎样通过不同的电路实现各种功能的，然后也差了一些常用的电工电子设计电路。在有了一定的电路图形积累之后，我再回到这两个题目上，就感觉明朗多了。首先是做第一个有害气体检测与抽排电路设计的时候，我先想到了用一个电压比较器来作为灯泡、喇叭及直流电机的控制信号，但是如果一到指定浓度就灯亮，喇叭响，电机启动排气的话，显得有点不够人性化，而且这个一定浓度的标准不可调，在实际应用中会带来诸多不便。于是我想到了用两个电压比较器，以及在电压比较器负端前接一个滑动变阻器，这样就可以通过调节滑动变阻器的大小来改变指定浓度的标准值。还有在警笛报警装置的设计上，我最初只用了一个555定时器，由于只产生一个脉冲，所以发不出警笛声，