1、武漢理工大學電工電子綜合課程設計說明書目錄任務書3摘要61有害氣體檢測與抽排電路設計71.1意義與設計要求71.1.1意義71.1.2設計任務及要求71.2總體設計方案81.2.1總體設計方案選擇81.2.2系統設計原理91.3系統硬件設計111.3.1電源電路111.3.2氣體濃度檢測電路111.3.3聲音報警電路121.3.4光報警和抽排系統131.3.5去耦濾波141.4系統仿真151.5所用部分元件原理說明161.5.1 qm-n5氣敏傳感器161.5. 2多諧振蕩器162 機器人行走電路設計182.1設計任務182.2設計總體方案182.2.1設計思路182.2.2設計總體方案182

2、.3設計原理分析212.3.1單片機外圍電路212.3.2開關功能控制222.3.3鍵盤輸入及控制電路222.3.4顯示模塊232.3.5電機控制243附錄26附錄1 機器人行走系統程序26附錄2 有害氣體檢測與抽排電路元件清單30附錄3 機器人行走電路元件清單314 設計小結及心得體會32課程設計任務書學生姓名： * 專業班級： 自動化*班 指導教師： 周曉年 工作單位： 自動化學院 題 目: 小型智能控制系統設計 一、 有害氣體檢測與抽排電路設計任務：設計一個自動檢測有害氣體濃度，且當有害氣體濃度超標時，能自動發出聲光報警，自動抽排有害氣體的控制電路。要求：當檢測到有害氣體意外排放超標時，

3、發出警笛報警聲和燈光間歇閃爍的光報警提示，同時自行啟動抽排系統，以保障人們的生命財產安全。抽排完畢后，系統自動回到實時檢測狀態。二、機器人行走電路設計任務：設計一個能前進、后退的機器人行走控制電路。要求：1、接通電源，機器人前進，行走一段時間后，機器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復始。 2、機器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源。 3、機器人前進、后退時間可調。初始條件： 1. 實驗室提供萬用表、信號發生器、直流穩壓電源、示波器等設備。2. 學生已學習了大學基礎課程和電路、模擬電子技術、數字電子技術、電力電子變流技術等專業基礎課程。3. 學生已參加過電工電子實習，掌握了用pr

4、otel繪制電路圖的方法。4. 主要參考文獻1) 新編電子電路大全 第1、2、3、4卷 中國計量出版社 組編2) 傳感器及其應用電路 何希才 編著 電子工業出版社3) 電子線路綜合設計 主編 謝自美 華中科技大學出版社4) 集成電路速查手冊 王新賢 主編 山東科學技術出版社5) 電力電子電路設計 鐘炎平 主編 華中科技大學出版社6) 電子技術工藝基礎 王天曦 李鴻儒 編著 清華大學出版社。要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、 課程設計結束時每個學生要提交一份按統一格式要求撰寫的課程設計報告，并裝訂成冊。2、 課程設計報告中要求繪制方框圖、電原理圖

5、，闡述電路工作原理、每個元器件的主要參數、設計電路的性能指標、設計心得體會等。3、 說明書中除個人簽名外，其它文字、符號、圖形或表格一律用計算機打印。4、 文字、符號、圖形等必須符合國家標準。5、 獨立完成設計任務，杜絕相互抄襲現象發生，避免剽竊。時間安排：二周（6月20日7月1日）。6月20日上午，指導教師講授課程設計的有關基本知識，布置設計任務等；6月20日下午6月23日下午學生查閱資料；6月24日上午6月26日下午學生初步設計；6月27日上午6月29日下午檢查設計進度，深化設計，答疑、質疑；6月30日上午6月30日下午進一步完善設計，形成設計報告電子文檔；7月1日課程設計報告打印、裝訂、

6、提交。指導老師簽名： 2011年6 月 17 日 系主任（或負責教師）簽名： 2011年 月 日摘要有害氣體檢測與抽排系統采用邏輯電路，傳感器輸出模擬信號，當檢測到氣體濃度升高時，輸出電壓升高，比較器輸出高電平驅動繼電器，使報警電路和抽排電路開始工作，當濃度降低到安全規范圍以內時停止工作。報警電路采用聲光報警，通過555定時器輸出方波脈沖使燈閃爍，為使報警的鈴聲更能起到警示作用，本設計采用兩個555定時器輸出不同頻率的脈沖使喇叭發出兩個高低不同的音調，并通過設計功率放大電路，達到報警的目的。機器人行走電路以89c51單片機作為主控芯片，單片機控制l298芯片來控制機器人是否行進及其方向；鍵盤控

7、制單片機相應i/o口的高低電平來控制機器人的行進時間，直接置數；單片機根據以上條件控制數碼管顯示和l298芯片in1、in2端的高低電平，繼而控制機器人的前進和后退。電機電路運用橋式電路連接方法，改變輸入端電平狀態可以改變電機運轉方向。關鍵字： 傳感器 555定時器 89c51單片機 橋式電路前言隨著社會進步，科學技術發展日新月異，尤其在工業生產上，要求我們用智慧去解決一些繁瑣、周而復始的工作，減輕人的負擔，而且使工作效率更高，效果更好。有害氣體檢測報警及抽排電路設計和機器人行走電路的設計就是兩個很好的例子。通過智能控制，不僅減免了很多的體力勞動，還使得工作更好更快地完成。兩個設計均能為平時日

8、常生活提供方便，都能智能控制，能自啟動和自動關閉，要求綜合運用所學電子電路的知識，是集模擬電子技術和數字電子技術的綜合運用，需要靈活運用所學知識，根據設計要求，來達到目的，分析原理、參數計算、元器件選用。通過這兩個設計可以鍛煉我們的自主創新能力和自主學習能力，也可以鞏固所學的知識，這兩個設計都明顯基于我們平時所學知識設計的，既可以復習以前的知識又可以再次基礎之上提高，發掘潛能，拓展知識，豐富自己的知識面和復習自己所學知識，是一個提高能力的跳板。1 有害氣體檢測與抽排電路設計11意義與設計要求1.1.1意義聯系實際與所學知識，設計次有害氣體監測系統。將此裝置安放在家中或公共場所，當有害氣體泄漏時

9、，可以及時檢測并抽排，保障人的生命安全。1.1.2設計任務及要求任務：設計一個自動檢測有害氣體濃度，且當有害氣體濃度超標時，能自動發出聲光報警，自動抽排有害氣體的控制電路。要求：當檢測到有害氣體意外排放超標時，發出警笛報警聲和燈光間歇閃爍的光報警提示，同時自行啟動抽排系統，以保障人們的生命財產安全。抽排完畢后，系統自動回到實時檢測狀態。1.2總體設計方案1.2.1總體設計方案選擇方案一單片機控制系統將觸發信號輸入單片機，單片機根據觸發信號，在指定引腳輸出間隔雙頻率控制信號控制報警電路產生雙音頻報警聲，輸出一定頻率的信號控制報警燈的閃爍，輸出控制信號通過控制晶閘管來控制抽排電路的啟動與停止。電路

10、簡單，功能強大，比較靈活。不更改硬件電路，通過軟件可對電路功能根據實際進行適行修改。方案二 邏輯電路系統雙音調的報警信號，采用兩個555制成的多諧振蕩器，設置不同頻率。運用計時電路控制雙頻率的信號交替出現，將觸發信號作為計時電路的控制信號，間接控制聲音報警電路；閃爍燈光報警將觸發信號作為555多諧振蕩器的控制信號，產生方波信號控制燈光閃爍。將觸發信號作為抽排電路的控制信號，直接啟動或停止抽排。電路原理簡單，經濟實用，但連接復雜，不易修改。單片機方案結構簡單，但相對于本系統來說造價較高，且單片機的大部分功能閑置，造成資源浪費；使用555電路進行控制造價低廉，且資源利用率高。本實驗方案選擇邏輯電路

11、系統。1.2.2系統設計原理本設計采用邏輯電路，傳感器采用的是qm-2氣體濃度傳感器，該傳感器輸出地是模擬信號，當檢測到氣體濃度升高時，其輸出管腳的電壓也隨之升高，將其輸出端接到比較器上設定閾值電壓，當比較器輸入端的電壓高于閾值電壓時，比較器輸出高電平，驅動繼電器，使報警電路和抽排電路開始工作，當氣體濃度降低到安全規范圍以內時，比較器輸出低電平3報警電路和抽排電路停止工作。報警電路采用聲光報警，通過555定時器輸出方波脈沖使燈閃爍，為了使報警的鈴聲更能起到警示作用，本設計采用兩個555定時器輸出不同頻率的脈沖使喇叭發出兩個高低不同的音調，并通過設計輸出雙音頻，達到報警的目的。 傳感器 電壓比較

12、器聲光報警系統主控系統風扇抽排變壓系統220v交流電壓源系統框圖1.3系統硬件設計1.3.1電源電路原理說明：電源電路由 220v交流電壓，變壓器，整流電路及濾波穩壓電路組成，實現交流電到直流電的轉變，在供電給后續電路工作。電源變壓器是將交流電網220v的電壓變為所需要的電壓值，然后通過整流電路將交流電壓變為脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網電壓波動，負載和溫度的變化而變化。因而在整流，濾波電路之后，還需接穩壓電路。穩壓電路的作用是當電網電壓波動，負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩定。1.3.2氣體濃

13、度檢測電路在本設計中由于proteus庫中沒有qm-2器件，所以用電位器rv代替。當空氣中的有害氣體濃度未達到一定值時，qm-2氣敏傳感器電阻值很大，使電壓比較器正相輸入端的電壓均小于反相輸入端的電壓，電壓比較器的輸出端為“低電平”，繼電器不工作，555定時器清零；如果空氣中的有害氣體濃度達到c1時，傳感器的電阻值變小，使電壓比較器正相輸入端電壓大于反向輸入端電壓，比較器輸出“高電平”，555定時器正常工作，輸出方波信號，使得三極管導通，進一步使得繼電器工作，從而驅動聲光報警電路和抽排電路工作。1.3.3聲音報警電路當電壓比較器輸出高電平時，使得555定時器3端口輸出方波信號，高電平驅動燈泡發

14、光，低電平使得燈泡變暗，于是燈泡處于間歇的工作狀態。其周期計算如下：t=0.7(r7+2r6)*c6.可知，適當改變c6,r7,r6值可以改變燈泡的工作頻率。同理，同樣通過555定時器發出的方波信號驅動喇叭工作，而采用兩個555定時器發出不同頻率的方波，使得喇叭發出警笛聲。 報警電路的核心是由555定時器構成的多諧振蕩器。這樣，當檢測到有害氣體時，三極管集電極輸出低電平，通過反相器和運算放大器，給多諧振蕩器提供工作電壓使其輸出方波脈沖，從而使二極管閃爍，揚聲器間歇報警，達到聲光報警的效果。三極管輸出電壓經反相器后給換氣扇供電，使其工作，達到自動抽排的效果。本電路中輸出的兩個聲頻的頻率一個為6.

15、9mhz，占空比為76.8%；另一個為5mhz，占空比為66.7%。電路的音頻輸出端接乙類互補輸出電路，進行功率放大，增大輸出音頻聲音，利于實用。1.3.4光報警和抽排系統此系統中抽排系統由繼電器進行控制，當檢測到煙霧時電壓比較器輸出高電平，使繼電器閉合，繼而電機接入220v電源電路，開始進行排煙；當煙霧排盡或人為使煙霧濃度降低時，電壓比較器輸出低電平，電機與電源之間斷開，電機停止排氣。光報警則利用到555定時器構成的多謝振蕩器，輸出矩形脈沖，控制報警燈頻繁閃爍，進行燈光報警。1.3.5去耦濾波由于供電電源和配電系統不是理想的電壓源，對每個電路進行去耦濾波是有必要的，以減少通過電源系統耦合的噪

16、聲。阻容去耦網絡可以把供電電源與電路隔離開來，消除電路間的耦合，并避免電源噪聲進入電路。電源濾波使用的是大容量的電解電容，是用來去除直流電中工頻波形（50hz100hz）減小直流電的波動程度，即起平滑波形的作用；去耦電容的容量很小，通常為0.01-0.1uf，是用來濾除電路在工作時產生的高頻諧波成分。本電路中的去耦濾波電容包括c1，c6，c12，c10和電解電容c8。1.4 系統仿真系統仿真過程中經調整代替qm-2傳感器的滑動變阻器阻值，模擬傳感器檢測到煙霧的狀況，則可看到報警燈頻閃，電機啟動進行抽排，聲音報警的功放可正常發出兩個頻率的矩形波信號，提醒人們檢測到危險的煙霧。當增大滑動變阻阻值即

17、模擬傳感器檢測到煙霧濃度降低，可看到報警解除并且電機停止轉動。1.5所用部分元件原理說明1.5.1 qm-n5氣敏傳感器qm-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(sno2)。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。mq-2/mq-2s氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。1.5.2多諧振蕩器工作原理如下：接通電源后，電容c被充電，當vc上升到2/3vc

18、c時，觸發器被復位，同時發電bjt t導通，此時vo為低電壓，電容c通過r2和t放電，使vc下降。當vc下降到（1/3）vcc時，觸發器又被置位，vo翻轉為高電平。電容器c放電所需的時間為： tpl=r2cln2 可近似看成tpl=0.7r2c當c放電結束時，t截止，vcc將通過r1、r2向電容器c充電，vc由（1/3）vcc上升到（2/3）vcc所需的時間為： tph=(r1+r2)cln2 可近似看成tph=0.7(r1+r2)c而當vc上升到（2/3）vcc時，觸發器又周而復始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為： f=1/( tpl +tph) 可近似看成f=1.43/(r1+r

19、2)c2機器人行走電路設計2.1設計任務任務：設計一個能前進、后退的機器人行走控制電路。要求：1、接通電源，機器人前進，行走一段時間后，機器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復始。2、機器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源。3、機器人前進、后退時間可調。2.2設計總體方案2.2.1設計思路方案選擇：方案一：使用74系列芯片進行計時并控制顯示模塊，用555芯片組成一秒的延時電路，輸出脈沖控制74芯片，并用單刀雙擲開關進行前進和后退的控制。適用本方案原理簡單，但是不利于集成，且應用芯片較雜，并不是最佳選擇。方案二：用89c51單片機作主控芯片，4個獨立鍵盤作為控制端控制時間的輸入，三

20、個普通開關來控制機器人是否啟動、機器人急停、機器人進退選擇，同時用兩個七段數碼管顯示當前前進或后退狀態下的剩余時間，數碼管直接用單片機輸出高低電平控制。直流電機用單片機控制，同時用h橋電路l298芯片作為電機的正反轉控制電路。兩相比較，方案二所用元件數目較少，計時穩定、精確，且僅需改變程序就可以改變電路相關參數，便于根據實際情況進行相應修改。故本電路采用方案二。程序部分根據以上思路編寫。2.2.2設計總體方案實驗電路圖主要由四部分組成：89c51單片機，時間鍵盤控制，總開關，顯示數碼管，電機及其控制裝置。電路工作原理由總開關控制單片機相應i/o口的高低電平，單片機控制l298芯片來控制機器人是

21、否行進及其方向；鍵盤控制單片機相應i/o口的高低電平，單片機控制機器人的行進時間，直接置數；單片機根據以上條件控制數碼管顯示和l298芯片in1、in2端的高低電平，繼而控制機器人的前進和后退。電機電路運用橋式電路連接方法，改變輸入端電平狀態可以改變電機運轉方向。鍵盤控制時間電路控制方框圖機器人行進狀態l298芯片89c51單片機數碼管進行時間顯示總開關控制行進狀態2.3設計原理分析2.3.1 單片機外圍電路如圖所示電路是為單片機最小系統能夠工作的基本電路：1電源 途中仿真過程中軟件自動隱藏單片機的電源端和接地端，故不可見。2晶振 單片機使用片內時鐘振蕩方式時，需要在xtal1(19腳)和xt

22、al2(18腳)處外接時鐘。時鐘電路由石英晶體和振蕩電容構成，振蕩電容的值一般取10p30p，本電路中取為20pf；石英晶體振蕩頻率在11.0592mhz時可以每過110個時鐘周期便計時1ms，便于單片機的精確計時，考慮到仿真軟件的局限性，本電路中振蕩頻率取為12mhz。3復位電路 用以控制單片機從頭開始執行程序2.3.2 開關功能控制如圖所示電路中，三個開關分別接單片機的p12、p13、p11管腳，另外開關一端接電源，一端接地。單片機檢測到低電平時分別控制機器人停止前進、急停（用于防止安全事故）以及前進后退之間的切換（檢測到低電平時單片機控制l298芯片使機器人前進，高電平時機器人后退）。應

23、用開關進行功能間的控制和切換，實現簡單，便于使用者理解使用。2.3.3鍵盤輸入及控制電路 本電路中的輸入時間由四個獨立鍵盤進行控制，鍵盤一端接地，另一端接單片機p0腳進行控制。其中，p0腳為雙向8位三態i/o口，每個口可獨立控制。51單片機p0口內部沒有上拉電阻，為高阻狀態，所以不能正常輸出高/低電平，因此該組i/o口使用時要外接上拉電阻，本方案選擇了9腳的10k的上拉電阻。如圖所示鍵盤按下則單片機相應管腳為低電平，單片機檢測到低電平后進行10ms延遲進行去抖操作，若繼續檢測到低電平則：1號鍵盤在按下時功能為時間+10，2號鍵盤按下時時間+1,3號鍵盤按下時時間-10,4號鍵盤按下時時間-1。

24、如上所述，通過鍵盤操作可以很好的對時間進行控制。2.3.4顯示模塊單片機p2、p3腳分別接一個數碼管，用于顯示時間的十位和個位。其中p3腳顯示時間的十位，p2腳顯示時間的個位。數碼管選用7-seg-com-cathode，該數碼管是共陰極數碼管，可以通過控制陰極來進行位選，但本方案中兩個數碼管一直顯示，且用兩組i/o口進行控制，則共陰極直接接地。單片機i/o口在未進行控制時輸出高電平，通過程序賦值在某個管腳輸出低電平時，相應二極管滅，則可通過程序中定義一個顯示數組來控制顯示的數字。2.3.5電機控制工作原理說明：芯片l298是恒壓恒流橋式2a驅動芯片，內部是由兩塊h橋電路封裝而成。in1,in

25、2,ena是一部分，in2,in3,enb是一部分，其中ena，enb是使能控制端。 表一： l298功能模塊enain1 in2運轉狀態0任意任意停止11 0正轉101 反轉1 11急停100停止 由表一l298功能模塊可以看出電機的工作狀況，由單片機控制in1,in2的輸入，從而很好的控制電機的正轉、反轉、急停或停止，達到設計目的。由于本電路中芯片一直處于正常使用狀態，所以ena端直接接地。正轉電機效果反轉電機效果3附錄附錄1 機器人行走系統程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit in1=p16;

26、 /*in1、in2是l298芯片受51單片機控制端，進而控制機器人的前進后退和停止*/sbit in2=p17;sbit zkg=p12; /*總開關的特殊功能位聲明*/sbit jtkg=p13; /*急停開關，防止機器人行進過程中出現意外*/sbit b1=p00; /*b1-b8是對控制鍵盤的輸入檢測*/sbit b2=p01;sbit b3=p02;sbit b4=p03;sbit jtkz=p11; /*進退開關，用以控制機器人的行進方向*/uint qj=60,ht=60; /*全局變量，分別代表前進和后退時間*/void delayms(uint xms) /*可定義的延時子程

27、序*/uint i,j;for(i=xms;i0;i-)for(j=110;j0;j-);uchar code table= /*共陰極數碼管的0-f現時代碼*/0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x39,0x5e,0x79,0x71;uint matrixkeyscan()/*鍵盤檢測控制輸入并將結果賦給全局變量qj，ht*/static uint a;if(b1=0)delayms(50);if(b1=0)a+=10;while(b1!=1)delayms(10);if(b2=0)delayms(50)

28、;if(b2=0)a+=1;while(b2!=1)delayms(10);if(b3=0)delayms(50);if(b3=0)a-=10;while(b3!=1)delayms(10);if(b4=0)delayms(50);if(b4=0)a-=1;return a;void xianshi()/*時間的顯示*/ if(jtkz=0)p3=0x00;p2=0x00;delayms(5);p3=tableqj/10;p2=tableqj%10;if(jtkz=1)p3=0x00;p2=0x00;delayms(5);p3=tableht/10;p2=tableht%10;main() /

29、*while(1）循環控制使機器人循環前進后退運動*/while(1)if(zkg=1) /*機器人停止前進*/in1=0;in2=0;break;if(jtkg=0) /*機器人急停*/in1=1;in2=1;break;if(qj0|ht0;qj-) delayms(1000);qj+=matrixkeyscan();in1=1;in2=0;xianshi();if(zkg=1) in1=0;in2=0;break;if(jtkg=0)in1=1;in2=1;break;if(qj0|ht0;ht-) delayms(1000);ht+=matrixkeyscan();in1=0;in2=

30、1;xianshi();if(zkg=1) in1=0;in2=0;break;if(jtkg=0)in1=1;in2=1;break;if(qj0|ht0) in1=1;in2=1; if (jtkz=0)in1=1;in2=1;break;附錄2 有害氣體檢測與抽排電路元件清單名稱位號型號數量電壓源v1vsine1變壓器tr1tran-2p2s1整流橋br1bridge1電容c1、c30.1u2電容c2、c710u2電容c41u1電容c5、c6200u2電容c11、c120.33u2電解電容c9、c10、c111u3電阻r1、r2、r3、r510k4電阻r4、r6、r71k3電阻r8、r9、r101003滑動變阻rv1