电工电子课程设计

1、武汉理工大学电工电子设计说明书武汉理工大学自动化学院自动化专业课程设计报告如需仿真或有疑问请咨询402423491题 目： 电子电工课程设计 专业名称： 自动化 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 周晓年 成 绩： 二九年七月前言此课程设计包括两个设计题目1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，能自动发出声光报警，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。2机器人行走电路设计任务：设计一

2、个能前进、后退的机器人行走控制电路。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。第一个设计均能为平时日常生活提供安全监控，能智能控制、自启动和自动关闭，第二个设计能在开启后能进行自动控制，为工业自动化的基础。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、单稳态触发器

3、和稳压电路原理。目录1 有害气体的检测、报警、抽排51.1意义与要求51.1.1意义51.1.2设计要求51.2设计总体方案51.2.1 方案论证与比较51.2.2 设计思路71.2.3 总体设计方框图71.2.4 总体设电路图（如图1.2）81.2.5 PCB制图（如图1.3）91.3设计原理分析91.3.1 电源变压稳压电路91.3.2 气敏传感器QM-N5工作原理101.3.3声光报警控制电路111.3.4 排气电路工作原理141.3.5 整体工作原理说明151.4 所用芯片及其他器件说明151.4.1 555定时器构成施密特触发器电路图（如图1.10）151.5 附表一：有害气体的检测

4、、报警、抽排电路所用元件（如表1.1）162.机器人行走电路182.1.意义与要求182.1.1意义182.1.2.设计要求182.2 设计总体方案182.2.1设计方案比较论证182.2.2 设计思路182.2.3总体设计方框图（图2.1）192.2.4 完整原理图192.2.5 PCB制图（如图2.3）212.3 设计原理分析212.3.1 多谐振荡电路分析212.3.2 74HC161计时器显示电路222.3.3 直流电机正反转驱动电路232.3.4 整体工作原理说明242.4 所用芯片及其它器件说明242.4.1 555芯片应用242.4.2 74HC161加计数器262.4.3 74

5、LS76 JK触发器272.5 附表二：机器人行走电路所用元件（如表2.3）283.设计体会和小结291 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泄漏或者其他有毒气体泄露对人们生命安全造成威胁威胁。因此，本人联系实际和运用所学的电子技术知识，设计出一套有毒气体的检测电路，并且可以在有毒气体超标时立即抽排出有害气体并且发出声光闪烁报警提醒，使人们的生命健康有一个保障同时也锻炼了自己的实践动手运用所学知识的能力，培养了对发明创造的兴趣，拓展了自己的专业知识面。1.1.2设计要求 当检测到有毒气体意外排时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示，当有毒气体浓

6、度超标时能自行启动抽排系统，排出有毒气体，更换空气以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。1.2设计总体方案1.2.1 方案论证与比较1.2.1.1电源供电部分 该电路电机转动和警灯闪烁部分需要220V交流电压，气敏元件以及555实际电路部分需要直流电压。方案一：分开供电。用220V市电和由干电池组成的直流电源分别给所需电路供电。优点是直接供电，操作简单；缺点是电源需准备两种，等电路使用一定时间过后电池没电时不易发觉，容易出事故。方案二：用220V市电用变压器变压，然后整流、滤波，稳压电路之后维持输出直流电压10V供电。经比较选用方案二，虽然繁杂一些，但是降低了出事故的

7、概率。1.2.1.2 气敏传感部分方案一：气敏元件1、2脚直接接入直流电源供电，3、5脚经过一个定制电阻接入直流电压源供电，由3、5脚间的电阻变化导致的电压变化输出气体检测信号到555施密特触发器。方案二：气敏元件1、2脚接上可调电阻再接入直流电压源，3、5脚接可调电阻再接入直流电压源，通过可调电阻的调节端的点位变化输出检测信号到555施密特触发器。经过比较选择第二种方案，方案二的可调电阻可以调节气敏元件的加热电压，也可以通过调节3、5脚接的电位器来调节电路对有毒气体的灵敏度。1.2.1.3声光报警部分方案一：用气敏传感器通过555施密特触发器输出的电压来控制晶闸管的导通和截止来控制LED以及

8、喇叭报警。方案二：用气敏传感器通过555施密特触发器使出电压控制晶闸管的导通来触发喇叭多音频报警部分再由喇叭两端的电压变化经过升压后控制灯泡闪烁报警部分经过比较选用第二种方案，第二种方案的灯光报警更亮一些，可以起到更好的报警作用。1.2.1.4气体抽拍部分方案一：通过555施密特触发器提供的电压经过变压提供给低压直流电机抽排气体。方案二：通过555施密特触发器提供的电压使得继电器工作，吸合由220V交流电压供电的换气扇抽排电路经比较选择方案二，因为方案二的换气扇功率比较大气体抽排效果好，起到了更好的保护作用。1.2.2 设计思路 利用QMN5气敏传感器检测有毒气体，根据其检测到有毒气体时电阻变

9、化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、555触发器开关电路、声光报警电路、气体抽排电路构成。当有害气体浓度在安全浓度标准以下时，QMN5检测到，但是元件两端的电阻变化所造成的555触发器输入电压高于1/3Vcc，触发器输出低电平，电路不报警，也不进行排气。当有害气体达到一定浓度时，QMN5检测到有毒气体，元件两极电阻变小，此时555时基电路输入电压小于1/3Vcc，输出高电平，驱动报警电路工作，使发光二极管间歇发光，蜂鸣器发出多音频报警信号；同时继电器吸合换气扇开关，驱动排气系统工作。当气体被排出，浓度低于安全标准时，555时基电路输入端电压高于2/3Vcc，输出低电平，电路

10、停止工作回复到自动检测状态。此设计中可通过调节电位器RP2来实现控制有毒气体检测灵敏度。1.2.3 总体设计方框图声光报警系统和气体抽排系统都不工作如图（1.1）返回自 毒气浓动检测 度小于C1 有毒气体浓度自动检测返回自动 毒气浓度大于C检测状态 声光系统和排气系统停止工作声光报警系统和气体抽排系统工作毒气浓度小于C图1.1 总体设计方框图注：其中，C为毒气超标浓度。1.2.4 总体设电路图（如图1.2）图1.2 总体设计电路图1.2.5 PCB制图（如图1.3）图1.3 PCB制图1.3设计原理分析1.3.1 电源变压稳压电路电路图（如图1.4）图1.4 电压变压稳压电路分析：SOURCE

11、 VOLTAGE提供220V交流电压，T1变压器把交流电压从220V降压为12V。然后由D1、D2、D3、D4组成的整流桥整流为直流电压，经过C1、C2、R1、Q1、D5滤波稳压为电路提供10V的直流电压。1.3.2 气敏传感器QM-N5工作原理电路图（如图1.5）图1.5 气敏传感器工作电路图分析： 气敏管处于检测状态后，若无可燃气体泄漏，3、5间电阻不变，电路不报警；当有害气体达到一定浓度时，元件两极电阻变的小，此时555时基电路输入端从RP2分压小于1/3Vcc时， 555芯片3脚输出高电平。当有害气体浓度在安全浓度以下时3、5间电阻增大，555输入端输入电压高于2/3Vcc,555芯片

12、3脚输出低电平。检测灵敏度由RP2调节确定。RP1调节QM-N5的工作电压。1.3.3声光报警控制电路设计方案方框图（如图1.6）毒气浓度大大于C U1的3脚输出高电平晶闸管Q2导通为多音频发生电路供电多音频发生电路工作，发出声音报警 喇叭两端电压变化光报警电路发出闪烁灯光报警 图1.6 设计方案方框图总体电路图如下（如图1.7）图1.7 总体电路图分析：其中222V灯泡（LAMP）左端接220电压源。晶闸管Q2在前一级电路的555芯片3脚高电平下导通，左端接直流电源，为多音频报警电路提供直流源。由555和R6、R7、D8、D9、C6等组成一个无稳态多谐振荡器，多谐振荡器的控制端5脚加了一个随

13、时间变化的电压，使555内部的电压比较器的基准电压随5脚电压的变化而变化，产生出5003500Hz的变音频率，类似于警笛发生。LED（D6）是一个闪烁发光二极管，能间歇性的闪烁发光。在其下端电阻R4上产生一个周期性的脉冲电压，经过R5、D7、C5充放电网络后在C5上产生一个三角电压波，使555振荡器成为一个压控振荡器，使之在f。=1.44/（R6+R7）C6固有谐振频率（f。=815Hz）的基础上进行变化，产生变调信号。该信号驱动三极管Q4功率放大级，使喇叭发出变调的警笛音响。来自喇叭两端的音频电压由电位器RP3分压到音频变压器T2的初级，音频电压经T2升压后由次级加到双向晶闸管Q3的控制级与

14、第二阳极间。当音频电压较高时Q3开通，灯泡发光；当音频电压不足以触发Q3时灯泡不发亮。调节电位器RP3的阻值大小可以调节电路的灵敏度。1.3.4 排气电路工作原理排气控制电路原理图排气控制设计方框图（如图1.8） 继电器吸合风扇开关555芯片3脚输出高电平毒气浓度高于C电动机工作开始排气图1.8 排气控制设计方框图总体设计电路图如下（如图1.9）图1.9 总体设计电路图分析：排气电路中，开关K接220V交流电压源正极，换气扇的右端220V交流电压源负极。当555芯片3脚输出高电平的时候继电器吸合开关K，换气扇工作，开始抽排有毒气体。当3脚输出低电平的时候继电器释放开关断开，排气扇停止工作。1.

15、3.5 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3、5脚间的电阻随接触的有毒气体浓度不同而变化，在QMN5元件未接触有害气体时，555芯片输入端分压输入电压未低于1/3Vcc，电路不报警；当有害气体达到一定浓度时，元件两极电阻变小，此时555芯片输入端分压输入电压低于1/3Vcc，3脚输出高电平，使得晶闸管Q2工作驱动光报警电路工作再由喇叭两端的电压变化驱动光报警电路；同时3脚的高电平使继电器RELAY-SPST吸合开关K，使电风扇开始工作抽排气体，一段时间后，有害气体浓度减小，当有毒集体被抽排到标准浓度以下时，电路回复初始状态。为了加快气敏管的反应速度，需通过1、2脚间的

16、热丝对敏感元件进行加热，所以在对气敏自动换气装置进行电路调整时，须先通电预热一段时间，然后进行调整。改变变阻器RP2的阻值调节电路的对气体检测的灵敏度，调节RP1为电热丝提供正常电压。调节RP3调节光报警电路跟随喇叭电压变化的灵敏度。1.4 所用芯片及其他器件说明1.4.1 555定时器构成施密特触发器电路图（如图1.10）图1.10 施密特触发器电路图功能管脚图（如图1.11）图1.11 功能管脚图施密特触发器工作原理1. 当VI=0时，Vo1输出高电平。2. 当VI上升到2/3Vcc时，Vo1输出低电平，当VI由2/3Vcc继续上升，Vo1保持不变。3. 当VI下降到1/3Vcc时，电路输

17、出跳变为高电平，而且在VI继续下降到0V时，电路的这种状态不变。 555施密特触发器波形图（如图1.12）图1.12 施密特触发器波形图1.5 附表一：有害气体的检测、报警、抽排电路所用元件（如表1.1）表1.1 有害气体检测报警、抽排电路所用原件名称规格型号位号数量交直流变压器220v-12vT11个直流变压器0.5v-3vT21个二极管1N4148D1D4、D7D97个煤气-烟雾传感器QM-N5D61个电位器100、2k、5.1kRP1、RP2、RP3各1个瓷片电容0.01uf、4.7uf0.068ufC4,C5,C6,各1个极性电容220uf、100uf、47 ufC1、C2、C3各1个

18、电阻200、51、10、300、5.1k、13kR1-R713k2个，其余各1个交流电机220V、40WMG1个发光二极管BTS11405D61个555芯片CB7555U1、U22个继电器G5V-1-3VK1个单向晶闸管C106DSQ21个双向晶闸管MAC97A6Q3灯泡220V 60WDS1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，可以改进成小车，可以搬运一些轻便的货物以及其他东西，可以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，也发掘了自己的潜能和创新意识，锻炼了自己的能力和思维方式。2.1

19、.2.设计要求现实生活中人们有时要从事危险工作或需要大量的人力，所以希望机器人能代替人类做事，这样可以节省很多劳动，也可以避免出现人员伤亡事件。针对这种情况我们设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。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。2.2 设计总体方案2.2.1设计方案比较论证方案一：通过运用单片机控制，编程控制直流电动机正反转以及正反转时间方案二：通过555多谐振荡器产生一定频率的方波给计数器，然后用计数器输出来驱动时间显示部分，用计数器的输出信号来控制直流电机正反转控制部分经比较用第二种方案，因为第一种方案首先单片还没有学习，基础知

20、识为零，实际运用起来还需要学习单片机，耗时较长而且成本较贵，然而方案二为运用已学知识，并且可以调节时间长短并且显示出来，成本低廉也不复杂。2.2.2 设计思路分析设计要求，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。多谐振荡器（控制反转时脉冲宽度）2.2.3总体设计方框图（图

21、2.1）多谐振荡器（控制正转时脉冲宽度）七段共阴极数码显示管计数器门电路，触发器电动机图2.1 总体设计方框图2.2.4 完整原理图分析：555时基电路构成的多谐振荡器产生方波信号接到74HC161时钟端，触发74HC161加计数器计数，并通过74248驱动七段共阴极数码管DPY_7-SEG显示计数。加计数器计数满十，通过与非门74HC03产生下降沿信号驱动JK触发器，使JK触发器构成的T触发器输出取非，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RP1可以改变多谐电路输出方波周期

22、，来调节小车的前进与后退的时间。整体设计电路图如下（如图2.2）图2.2 整体设计电路图2.2.5 PCB制图（如图2.3）图2.3 PCB制图2.3 设计原理分析2.3.1 多谐振荡电路分析电路原理图（如下图2.4）图2.4 电路原理图多谐振荡电路工作原理：由555定时器构成的多谐振荡器，接通电源后，电容C2被充电，当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，VO为低电平，电容C2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=RP1Cln2 可近似看成tPL=0.7R2C当C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、RP1向

23、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+RP1)Cln2 可近似看成tPH=0.7(R1+RP1)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+RP1)C2.3.2 74HC161计时器显示电路 计时器计数显示电路原理图（如下2.5）图2.5 计时器计数显示电路原理图原理说明：多谐振荡电路产生方波信号接入到74HC161时钟端，驱动741HC61进行加计数。图中74HC161接成了10进制加计数器，计数满十时通过74HC00与非门接入

24、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74HC00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。2.3.3 直流电机正反转驱动电路电机正反转驱动电路图（如图2.6）图2.6 电机正反装驱动电路图原理说明：当U7左端输入为低电平时，Q1,Q4截止，Q2,Q3导通，直流电动机左端为高电平右端为低电平，仿真可知电势差U=4.95v，直流电机正转，小车前进。当U7左端输入为高电平时，Q1,Q4导通，Q2,Q3截止，直流电动机左端为低电平右端为高电平，仿

25、真可知电势差U=-4.93v,直流电机反转，小车后退。2.3.4 整体工作原理说明 机器人前进或后退的时间通过调节555定时器构成的多谐振荡器的滑动变阻器RP1调节脉冲宽度来实现的，若要减少时间，则只要调节电阻值，使其频率变大，即可实现时间的变短；同理，若要延长时间，只需减小频率即可。这样就实现了前进或后退的时间可调。可用计数器的Q0和Q3端通过一个与非门来控制JK触发器的时钟信号。这样，每当计时器完成一个周期的计数，JK触发器完成反转，实现电动机的正反转。2.4 所用芯片及其它器件说明2.4.1 555芯片应用555芯片引脚图（如图2.7）图2.7 555芯片引脚图555时基电路图以及波形图

26、（如图2.8） 图2.8 555时基电路图及波形图555定时器功能表（如表2.1）表2.1 555定时器功能表 555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 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

27、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。2.4.2 74HC161加计数器真值表（如表2.2）表2.2 74161加计数器真值表引脚图（如图2.9）图2.9 74161管脚图具体功能如下：从74HC161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。2.4.3 74LS76 JK触发器管脚图（如图2.10） 图2.10 74LS76管脚图真值表（如表2.3） 表2.3 74LS76 JK触发器真值表JK触发器，因为，因为需要将其接成T触发