基于有害气体检测与抽排电路设计和机器人行走电路课程设计

摘要无可置疑随着现代生活的迅猛发展电子技术以及集成电路已经深入我们的日常生活在我们的日常学习生活和工作中都起着无可替代的作用，日常生活中，我们因为煤气的泄露而引起伤亡事故；人们还希望机器人可以代替我们做事情避免一些劳苦级危险的侵害针对以上两种情况我们一发现有害气体为目标发出声光警报为提示设计了第一个声光报警电路。机器人电路要求是可以前后运动。这两个电路时模拟电路和数字电路的综合应用用到了555、电桥等工具本次用proteus元件来实现仿真，最终应用与实践。关键字：555定时器电机电桥proteus1有害气体检测与抽排意义与要求1.1.1意义运用电子技术及相关知识设计有害气体声光报警器，且具有自动抽排功能。运用相关元器件设计出电路图，并在相关仿真中观察效果。制作中要联系实际，同时锻炼自己的动手能力，加强自身的分析，综合能力。1.1.2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总体框架设计电机抽排系统有害气体检测系统电机抽排系统有害气体检测系统电源系统电源系统声光报警系统声光报警系统图1.1系统框架图开始开始电源电压经变压，整流，滤波，稳压供给后续模块电源电压经变压，整流，滤波，稳压供给后续模块否否气敏电阻检测气体是否超标气敏电阻检测气体是否超标是是声光报警，电机抽排有害气体声光报警，电机抽排有害气体结束工作结束工作图1.2系统流程图1.3气敏元件的选取气敏元件的参数主要有加热电压、电流，测量回路电压，灵敏度，响应时间，恢复时间，标定气体（0.1%丁烷气体）中电压，负载电阻值等。QM-N5型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、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4.5～5.5V、测量回路电压5～15V、负载电阻0.5～2.2K。下图为气敏元件的简单测试电路（组成传感器），电压表指针变化越大，灵敏度越高；只要加一简单电路可实现报警。常见的气敏元件还有MQ-31（专用于检测CO），QM-J1酒敏元件等。.图1.1总体设计图总体原理说明：电源由220v交流电压供电，为了器件能在正常电压下工作，则需外加变压器使之输出合适的电压值，再经过整流，滤波，稳压电路。最终输出恒定直流。本电路图中用滑动变阻器来代替了，因为在proteus中气敏元件不好设计。1.3.2电源电路如图，电源采用220v交流供电，模拟现实环境中的工作电压，因而要接变压器使之输出的电压在气敏电阻工作电压范围内，电源后接变压器使之电压降低。此时输出为交流电压，其它电路供电必须采用直流电压。经过由电桥构成的整流电路后，将交流电压转变为脉动直流电压，因为此时仍包含有纹波等杂波输出，再经过滤波电路后，输出为单一的直流电压，而此时电压仍会因为电网波动，负载与温度的影响产生波动，就必须再加稳压电路使之输出电压为恒定直流电压，驱动后面电路工作。排放电路图1.3有害气体检测与抽排电路图当工作环境中有害气体浓度不超标时，气敏电阻值很小（滑动变阻器代替），通过变压比较器输出的电压为低电平，继电器不工作，声光报警与电机电路不工作。当有害气体浓度过高时，气敏电阻QM-N5电阻值变小，电压比较器输出高电平，继电器内部开关闭合，启动声光报警与电机，对有害气体进行抽排。而为了能通过在不同有害气体浓度下工作，则可通过调节RV3的阻值来实现在不同浓度下工作。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。1.3.4声光报警电路图1.4声光报警电路图声光报警电路通过两个555定时器发出的方波信号驱动喇叭工作，而采用两个555定时器则可发出不同频率的方波，使得喇叭发出警笛声。实现警笛声音。当继电器内部闭合，为555定时器供电，使之发出方波信号，促使灯泡发光，喇叭报警。图中555定时器构成的多谐振荡器输出方波，其频率为f=1/(tPL+tPH)，近似可看成f=1.43/[(R1+R2)C]。其输出波形为图1.5555仿真图1.4.1总体原理说明外接的220v工作电压经变压器变压后，交流电压再由整流电路变为直流电压，因此时，电压中仍含纹波电压，则再必须经过滤波电路变为单一直流电压。由于在工作中，电压会受到电网电压波动，温度及负载的影响，难免会产生波动，因此电路中要新增稳压器使之电压恒定，不受外部因素干扰。对于有害气体检测，QM-N5通过感知有害气体浓度变化，来实现对抽排与报警电路控制。当气体浓度偏低时，其电阻很大，电压比较器输出低电平，继电器不闭合，报警与抽排电路不工作。当气体浓度升高时，气敏电阻值变小，电压比较器输出高电平，继电器开关闭合，驱动电机抽排并声光报警。为了能使系统能在不同浓度下工作，可调节滑动变阻器RV2,来实现这一功能。通过本次设计，对proteus这一软件的应用更加熟练了，并且对模拟电路和数字电路的知识有了更加深刻的认识，与此同时在不断的仿真修改电路、查阅资料的过程中对自动化这一专业了解更深刻了。同时自己的编程能力也有很大提高。2机器人行走电路设计2.1意义与要求2.1.1意义运用自学的单片机设计简单的小车控制电路，把理论与实际相结合，能够更好的掌握单片机的应用，同时提高自己的动手能力。同时结合电子技术基础知识设计电路，提高自己的运用，思考能力。2.1.2要求接通电源，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。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、后退时间可调。2.2总体框架设计555定时器构成的脉冲激发模块555定时器构成的脉冲激发模块时间显示模块计数模块时间显示模块计数模块电机驱动模块电机驱动模块开始开始555定时器输出脉冲信号555定时器输出脉冲信号开始计数开始计数电机正转否否计数器归零计数器归零是是电机反转电机反转转向结束结束

2.3设计原理图及分析2.3.1总体设计图图2.3总体设计原理图总体原理说明：由555定时器构成的多谐振荡器产生方波脉冲信号，计数器开始计数，并且显示在7段数码显示屏上，当计数到设定时间时，产生触发信号来触发JK触发器，JK触发器是电机两端的电平发生逆转，从而反转，通过调节滑阻RV1来控制电机正反转时间。2.3.2555控制器电路与计时电路图2.4555控制器电路图如图所示，接通电源，由555构成的多谐振荡器产生发广播脉冲信号，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。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RV1的调节可以改变3端输出的方波信号的周期T，从而控制电机正反转时间。而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及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，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的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。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的输出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平。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输出下降沿信号触发。数码显示电路通过，74248驱动的七段共阴极数码管进行显示。对于74161芯片，其逻辑图为2.3.4电机驱动电路图2.7电机驱动电路图原理说明：系统通过L298来驱动电机转动，L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独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，本实验装置我们选用驱动一台电动机。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。2.4系统仿真图图2.9系系统仿真图·总体原理说明：有以上分析可得，通过调节滑动变阻器RV1，来控制多谐振荡器的周期，从而来控制小车前进与倒退的时间，因而可以较精确地实现小车的前进后退且时间可调的功能，当计数器加到设定的时间，会给JK触发器一个触发信号，使其Q端电压偏转，通过输入给L298使电机两端电压改变从而达到反转目的。2.4.2小结与体会通过此次课程设计学习，让我对一些电子电工设计软件也有了很大的提高，例如Proteus在此次设计中帮到很大忙，也在实践过程中更加熟练的运用了proteus。通过它们可以进行设计仿真，检验设计的正确性。在设计的过程中，我遇到了一些难题，例如仿真软件操作问题；通过上网查阅相关教程，锻炼了自身的自学能力，也同时与同学相互探讨，培养了自身的协作能力。要把理论转化为实践是必须的，学生必须尽力为自己寻找一些实验，动手的机会。课程设计为我们提供了这样的机会。课设过程中，大家自己独立思考，完成老师布置的题目，学习了很多东西，把自己所学用于实际，附录附录一有害气体检测与抽排所用器件元件型号参数数量交流电源vsine1电桥Bridge1变压器Tran-2p2s1普通电阻Res1K3滑动变阻器Pot-lin3二极管Diode1喇叭Speaker1灯泡Lamp1555定时器Ne5551电解电容Cap-elec2普通电容Cap4继电器Rly-dpno1直流电机motor17812集成稳压器Lm78121电压比较器Comp11附录二机器人行走电路设计所用元件元件型号参数数量电容Cap2555定时器Ne5551电机Motor2电阻Res1002发光二极管Led2参考文献：[1].新编实用电子电工手册编写组编.新编实用电子电工手册.北京：科学普及出版社，1991[2].吴钟珍.最新实用电子电工技术资料手册.香港：徐氏基金会出版社，不详[3].肖元恺