有害气体声光报警器机器人行走控制电路

1、精品文档精品文档PAGEPAGE33精品文档PAGE武汉理工大学电子电工课程设计说明书序言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，能自动发出声光报警，能自动抽排有害气体的控制电路。本设计运用555准时器，气敏电阻来主控电路，实现要求的功能。设计一个能前进、退后的机器人行走控制电路。行走一段时间后，机器人自动退后，退行一段时间后自动前行，循环往复；机器人行走动力只能使用干电池，不能使用动力电源；机器人前进、退后时间可调。本设计以单片机为中心，控制机器人的行走1武汉理工大学电子电工课程设计说明书目录一有害气体声光报警器31.1意义与要求31.2设计总体方案31.2.1设计思路31.

2、2.2总体方框图41.2.3完整原理图41.2.4PCB制图61.3设计原理解析61.3.1声光报警及抽排电路61.3.2气敏传感器部分的电路71.3.3电源电路81.3.4整体工作原理说明91.4所用芯片及其他器件说明111.4.1555准时器111.4.2QM-N5气敏传感器111.4.3继电器12附表一：声光报警器设计所用器件13二机器人行走控制电路142.1意义与要求142.2设计总体方案142.2.1设计思路142.2.2总体方框图152.2.3完整原理图152.2.4PCB制图172.3设计原理解析182.3.1单片机外围电路182.3.2电机控制电路192.3.3键盘输入及控制电

3、路202.3.4显示控制电路212.3.5整体工作原理说明212.4程序222.4.1程序设计思路222.4.2整体程序及说明232.5主要器件说明242.5.1驱动芯片L298N24附表二：机器人设计所用器件25三设计意会及小结262武汉理工大学电子电工课程设计说明书一有害气体声光报警器1.1意义与要求意义：运用电子技术及有关知识设计有害气体声光报警器，且拥有自动抽排功能。掌握传感器等一些器件的运用，设计简单的有害气体检测电路，联系实际，同时提高着手，思考能力。要求：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，能自动发出声光报警，能自动抽排有害气体的控制电路。当检测到有害气体意外

4、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。抽排完成后，系统自动回到实时检测状态。1.2设计总体方案1.2.1设计思路气敏传感器是利用物质效应和化学效应付气体中的某些成分进行检测的器件，譬如半导体气敏传感器主假如利用半导体与某些气体接触时，其特性将发生变化这一现象来检测气体的成分或浓度。故可利用这一特性，来设计电路。QM-N5气敏传感器可用于检测一些可燃性气体，如家用煤气，液化石油气等气体。当看可燃气体浓度增大，气敏传感器QM-N5的等效电阻降低，用电压比较器作为控制部分，当输入电压大小反过来时，输出就会有高低电平的变化，就利用这高低电

5、平的变化来控制声光报警及有害气体的抽排。声光报警电路可用555组成的多谐振荡电路来控制，555组成的电路输出方波信号，驱动扬声器发出报警声音，驱动灯来获得闪烁的警灯本设计电路要用到继电器，来作为声光报警器的工作控制电路。3武汉理工大学电子电工课程设计说明书1.2.2总体方框图电源电路QM-N5气敏传感器否是有害气体浓度是否达到一定值？电压比较器输出低电平，继电器不闭合，声光报警器不工作，电压比较器输出高电平，继电器工作，使声光报警器及抽排电路工作图2-1：声光报警器原理方框图1.2.3完整原理图用protues软件绘制成如下系统原理图4武汉理工大学电子电工课程设计说明书图2-2：系统原理图5武

6、汉理工大学电子电工课程设计说明书1.2.4PCB制图图2-3：PCB制图1.3设计原理解析1.3.1声光报警及抽排电路图3-1：声光报警及抽排电路6武汉理工大学电子电工课程设计说明书原理说明：图3-1中用继电器控制声光报警及电扇抽排电路。如上图中的注明所示，继电器的电感线圈的一端与电压比较器输出端相连。当电压比较器输出“低电平”时，继电器内部的“开关”翻开，声光报警电路及电扇抽排电路不工作；当电压比较器输出“高电平”时，继电器内部“开封闭合，声光报警电路及电扇抽排电路在电源的供电下开始工作。多谐振荡器输出端为个周期性的方波，其频次为：f=1/(tPL+tPH)，可近似看作f=1.43/(R1+

7、R2)C本设计中R1=22k,R2=11k,C=33uf,可算得f约为1hz,即555多谐振荡器会产生一秒的连续脉冲。至于555多谐振荡器的详尽原理说明见1.4节。下面一副截图为555准时电路在正常工作下时所输出的波形图3-2：555准时电路输出波形1.3.2气敏传感器部分的电路图3-3：气敏传感器部分电路7武汉理工大学电子电工课程设计说明书原理说明：关于图3-3当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N气敏传感器电阻值很大，使电压比较器正相输入端的电压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：如果空气中的有害气体浓度达到一定值时，传感器的电阻值变小，使电压比较器

8、正相输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，继电器工作，进而驱动声光报警及电扇抽排电路。改变RV2滑动变阻器的阻值，能够改变电压比较器的反相输入端的电压，使声光报警及电扇抽排电路能够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。1.3.3电源电路图3-4：电源部分电路8武汉理工大学电子电工课程设计说明书原理说明：图3-4电路由家用220v电压，变压器，整流电路，及滤波稳压电路组成，实现沟通电到直流电的转变，在供电给后续电路工作。电源变压器是将沟通电网220V的电压变为所需要的电压值，然后经过整流电路将沟通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

9、的纹波，必须经过滤波电路加以滤波，进而获得平滑的直流电压。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。1.3.4整体工作原理说明由220V的沟通电压经电源变压器，整流电路，滤波和稳压电路等四部分后变为直流电压，供气敏传感器及声光报警电路工作，而电扇是由220V的沟通电驱动。当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N气敏传感器电阻值很大，使电压比较器正相输入端的电压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：如果空气中的有害气体浓度达到一定值时

10、，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”，继电器工作，进而驱动声光报警及电扇抽排电路。当室内有害气体的体积分数降到某一预定值时，该控制器会自动切断排电扇和声、光报警电路的工作电源，使其停止工作，进而达到了自动控制室内有害气体的目的。下列图（图3-5）中用滑动变阻器RV1代替气敏电阻，当滑动变阻器阻值变小时，电压比较器正相端电压变大，大于反相端电压时输出为高电平，使继电器共作，声光报警电路工作;反之不工作。9武汉理工大学电子电工课程设计说明书图3-5：整体电路10武汉理工大学电子电工课程设计说明书1.4所用芯片及其他器件说明1.4.1555准时器图

11、4-1：555准时器组成的多谐振荡器电路图如图4-1所示：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上涨到2/3VCC时，触发器被复位，同时发电BJTT导通，此时VO为低电压，电容C经过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，可近似看作tPL=0.7R2C当C放电结束时，T截止，VCC将经过R1、R2向电容器C充电，VC由（1/3）VCC上涨到（2/3）VCC所需的时间为：tPH=(R1+R2)Cln2，可近似看作tPH=0.7(R1+R2)C而当VC上涨到（2/3）

12、VCC时，触发器又循环往复，在输出端就获得一个周期性的方波，其频次为：f=1/(tPL+t)，可近似看作f=1.43/(R+R)CPH121.4.2QM-N5气敏传感器气体与人类的平时生活亲密有关，对气体的检测已经是保护和改良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型气敏元件合用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、11武汉理工大学电子电工课程设计说明书乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。敏捷度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，市场上应用宽泛。QM-N5气敏元件参数如下：标定气体（0.1%丁烷气体，最正确工作条件）中电压2V，响应时间10

13、S，恢复时间30S，最正确工作条件加热电压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，它拥有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），平时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节、安全保护、变换电路等作用。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。只需在线圈两头加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，进而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下战胜返回弹簧的

14、拉力吸向铁芯，进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使劲返回原来的地点，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，进而达到了在电路中的导通、切断的目的。关于继电器的“常开、常闭”触点，能够这样来划分：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”。采用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为采用的依据。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，可查找有关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料查

15、对是否能够利用。最后考虑尺寸是否合适。假如用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。关于小型电器，如玩具、遥控装置则应采用超小型继电器产品12武汉理工大学电子电工课程设计说明书附表一：声光报警器设计所用器件名称型号规格位号数量电原220V，50hzV1一个变压器TRAN-2P2STR1一个电桥电路DF02MBR1一个电扇无无一个555芯片NE555U1一个报警灯LED-REDD6一个报警喇叭SpeakerLS1一个继电器无无一个电压比较器COMPIU2一个稳压管BZX85C12RD1一个气敏传感器QM-N5无一个三极管2N3019Q2一个二极管UF5404D2一个滑动

16、变阻器10KRV1,RV2两个电解电容500ufC1,C2两个电容33ufC3一个电容0.01ufC4一个电阻240R1一个电阻510R2，R3两个电阻470R4一个电阻30R5一个电阻22KR6一个电阻11KR7一个电阻1KR8，R9一个13武汉理工大学电子电工课程设计说明书二机器人行走控制电路2.1意义与要求意义：运用自学的单片机设计简单的小车控制电路，把理论与实际相联合，能够更好的掌握单片机的应用，同时提高自己的着手能力。同时联合电子技术基础知识设计电路，提高自己的运用，思考能力。要求：设计一个能前进、退后的机器人行走控制电路。当接通电源，机器人前进，行走一段时间后，机器人自动退后，退行

17、一段时间后自动前行，循环往复；机器人行走动力只能使用干电池，不能使用动力电源；机器人前进、退后时间可调。2.2设计总体方案2.2.1设计思路用单片机作主控芯片，用数字键盘作为输入部分，控制时间的输入，同时用七段数码管显示（用七段显示译码器驱动显示）。直流电机用单片机控制，同时用H桥电路作为电机的正反转控制电路。程序部分根据以上思路编写。14武汉理工大学电子电工课程设计说明书2.2.2总体方框图键盘输入电路单片显示电路机电机控制电路图2-1：机器人行走控制原理方框图2.2.3完整原理图用protues软件绘制成如下系统原理图（图2-2）15武汉理工大学电子电工课程设计说明书图2-2整体原理图16

18、武汉理工大学电子电工课程设计说明书2.2.4PCB制图图2-3：PCB制图17武汉理工大学电子电工课程设计说明书2.3设计原理解析2.3.1单片机外围电路图3-1：单片机外围电路说明：图3-1是单片机外围基本电路。只有具备这些基本外围电路，单片机才能正常工作（注意：其中单片机电源，接地端被隐藏）外围基本电路有时钟产生电路（本电路用内部产生方式），复位电路（本电路带有手动复位，便于控制单片机的复位18武汉理工大学电子电工课程设计说明书2.3.2电机控制电路图3-2：电机控制电路工作原理说明：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,IN2,ENA是一部分，IN

19、2,IN3,ENB是一部分，其中ENA，ENB是使能控制端。表一：L298功能模块ENAIN1IN2运转状态0随意随意停止110正转101反转111制停100停止由表一L298功能模块能够看出电机的工作状况，由单片机控制IN1,IN2的输入，进而很好的控制电机的正转反转，达到设计目的。恒压恒流桥式2A驱动芯片L298的详尽介绍见2.5节。19武汉理工大学电子电工课程设计说明书2.3.3键盘输入及控制电路图3-3：键盘输入及控制电路原理说明：图中的MM74C922为键盘控制芯片。MM74C922与数字键盘的对应关系如下面的表格所示，并在上图中表上了各键的代表数字。没有键按下时，MM74C922中

20、的OA=0，当有键按下时OA=1，经反相器，使输出时能端“OE非”（即十三脚）为0，此时键值（二进制）由A,B,C,D输出，把A，B，C，D相应的输入单片机，单片机便可得到相应的值，再经数码管显示出来即可，同时能够控制机器人的前进，退后时间。表二：MM74C922与数字键盘的对应关系开0123456789101112131415关位Y1,Y1,Y1,Y1,Y2,XY2,Y2,Y2,Y3,Y3,Y3,Y3,Y4,Y4,Y4,Y4,置X1X2X3X41X2X3X4X1X2X3X4X1X2X3X4A0101010101010101B0011001100110011C0000111100001111D

21、000000001111111120武汉理工大学电子电工课程设计说明书2.3.4显示控制电路图3-4：显示控制电路原理说明：七段显示译码器74LS47为输出低电平有效，用以驱动共阳极显示器，它把由ABCD输入的二进制译码后，显示在数码管上，直观的显示了时间。74LS47的详尽说明见2.5节2.3.5整体工作原理说明当数字键盘有键按下时，经MM74C922键盘控制芯片，使输出相应的二进制，此二进制输入单片机，单片机“记着“输入的数据，再由程序控制，输出并显示在数码管上：同时控制电机的正转，反转时间，实现整个电路的正常运行。21武汉理工大学电子电工课程设计说明书.程序2.4.1程序设计思路开始数字

22、键盘有键按下，输入中进退时间控制开关翻开存储键入的存储键入的值于值于中并显示中并显示程序控制键翻开，即电机控制，包括时间，循环进行结束图4-1程序设计思路22武汉理工大学电子电工课程设计说明书2.4.2整体程序及说明#includereg51.hsbitin1=P35;sbitin2=P36;sbitda=P30;sbitkts=P31;/跳出显示程序控制端sbitkqbh=P32;/显示控制端chara2=0;voiddelay1s(void)/1秒延时程序unsignedchari,j,k;for(k=100;k0;k-)for(j=20;j0;j-)for(i=248;i0;i-);vo

23、idmain()while(1)if(da=1)if(kqbh=1)a0=P0;P1=a0;/存储前进显示时间于a0中elsea1=P0;P2=a1;/存储退后显示时间于a1中if(kts=0)break;while(1)in1=1;in2=0;for(;P10;P1-)/前进显示程序delay1s();delay1s();P1=a0;in1=0;in2=1;for(;P20;P2-)/退后显示程序delay1s();delay1s();P2=a1;23武汉理工大学电子电工课程设计说明书2.5主要器件说明.驱动芯片L298NL298是SGS企业的产品，比较常有的是15脚Multiwatt封装的

24、L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。能够方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546V。输出电流可达25A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别独自引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们采用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。表1是L298N功能逻辑图。In3，In4的逻辑图与表1相同。由表1可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。24武汉理工大学电子电工课程设计说明书附表二：