电工电子课程设计l.docx
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电工电子课程设计l
课设设计任务书………………………………………………………………2
内容提要………………………………………………………………………4
1有害气体的检测报警及抽排电路设计…………………………………………5
1.1设计总体方案…………………………………………………………………5
1.1.1方案论证及选择…………………………………………………………5
1.1.1.1降压、整流、滤波、稳压电路………………………………5
1.1.1.2气体检测电路……………………………………………………5
1.1.1.3警笛声报警电路…………………………………………………6
1.1.1.4警灯闪烁电路……………………………………………………6
1.1.1.5排气扇驱动电路………………………………………………7
1.1.2设计思路………………………………………………………………8
1.1.3总体框架说明……………………………………………………………8
1.1.4总体设计图………………………………………………………………9
1.2设计原理分析…………………………………………………………………9
1.2.1各模块单元电路图及工作原理………………………………………10
1.2.1.1降压、整流、滤波、稳压模块电路…………………………10
1.2.1.2气体检测模块电路…………………………………………11
1.2.1.3警笛声报警模块电路…………………………………………11
1.2.1.4警灯闪烁模块电路…………………………………………12
1.2.1.5排气扇模块电路……………………………………………12
1.2.2总体原理说明…………………………………………………………13
1.2.3参数分析与调整…………………………………………………………13
1.3元件列表………………………………………………………………………14
1.4机器人行走电路设计…………………………………………………………15
1.5设计总体方案…………………………………………………………………15
1.5.1方案论证及选择…………………………………………………………16
1.5.1.1电机驱动电路…………………………………………………16
1.5.1.2时间控制电路…………………………………………………16
1.5.1.3电源电路………………………………………………………17
1.5.2设计思路………………………………………………………………18
1.5.3总体框架说明…………………………………………………………18
1.5.4总体设计原理图………………………………………………………19
1.6设计总体原理分析……………………………………………………………20
1.6.1各模块电路原理分析…………………………………………………21
1.6.1.1电机驱动模块电路原理………………………………………21
1.6.1.2时间控制模块电路原理………………………………………25
1.6.2原理图总体说明………………………………………………………26
1.6.3参数分析与调整………………………………………………………27
1.7元件列表………………………………………………………………………27
3设计小结及心得体会…………………………………………………………………28
4附录所用工具及集成芯片……………………………………………………………30
5参考文献…………………………………………………………………………………31
6本科生课程设计评定表……………………………………………………………………32
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
自动化
指导教师：
周晓年工作单位：
自动化学院
题目:
小型智能控制系统设计
一、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。
二、机器人行走电路设计
任务：
设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。
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、后退时间可调。
初始条件：
1.实验室提供万用表、信号发生器、直流稳压电源、示波器等设备。
2.学生已学习了大学基础课程和《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电力电子变流技术》等专业基础课程。
3.学生已参加过电工电子实习，掌握了用PROTEL绘制电路图的方法。
4.主要参考文献
1）《新编电子电路大全》第1、2、3、4卷中国计量出版社组编
2）《传感器及其应用电路》何希才编著电子工业出版社
3）《电力电子变流技术》黄俊王兆安编机械工业出版社
4）《集成电路速查手册》王新贤主编山东科学技术出版社
5）《集成电路速查大全》尹雪飞陈克安编西安电子科技大学出版社
6）《国内外晶体管对照手册》各种版本皆可。
要求完成的主要任务：
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计结束时每个学生要提交一份按统一格式要求撰写的课程设计报告，并装订成册。
2、课程设计报告中要求有方案比较论证、绘制方框图、电原理图，阐述电路工作原理、每个元器件的主要参数、设计电路的性能指标、设计心得体会等。
3、说明书中除个人签名外，其它文字、符号、图形或表格一律用计算机打印。
4、文字、符号、图形等必须符合国家标准。
5、独立完成设计任务，杜绝相互抄袭现象发生，避免剽窃。
时间安排：
二周（6月28日—7月9日）。
6月28日上午，指导教师讲授课程设计的有关基本知识等；
6月28日下午——6月29日下午学生查阅资料、准备“80选2”问题解答；
6月30日上午——7月4日下午学生初步设计；
7月5日上午——7月5日下午检查设计进度，答疑、质疑；
7月6日上午——7月8日下午学生完善设计，形成报告电子文档；
7月9日课程设计报告打印、装订、提交。
指导老师签名：
2010年6月28日
系主任（或负责教师）签名：
2010年月日
内容提要
此设计报告是关于小型智能控制系统的设计，包含以下两个设计题目：
一是有害气体的检测、报警、抽排。
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;二是机器人行走电路设计。
机器人行走动力使用干电池，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，并且前进和后退的时间是可调的。
第一个题目有害气体的检测、报警、抽排主要采用气体传感器QM-N5检测气体浓度的变化，通过QM-N5内部的电阻变化，输出到电压比较器，与此同时用电压比较器的输出电平驱动后级的声光报警电路，警笛声报警电路采用两个555组成的双音频，光报警采用555多谐振荡器控制彩灯的闪烁频率。
电压比较器的高电平还将驱动双硅晶闸管导通，是排气扇开始工作，排出有害气体，当有害气体的浓度下降时，整个系统进入自动检测状态。
第二个题目机器人行走，采用555控制机器人小车前进和后退的时间，通过H桥驱动电路，控制小车的正传和反转，H桥的驱动电路借助触发器输出的翻转信号，使三级管轮流导通，控制电机的正转和反转。
这两个设计基于大学基础课程和《电路原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电力电子变流技术》等专业基础课程。
而且要求熟练的应用PROTEL99SE软件进行电路原理图的绘制和PCB板的制作，使用Multisim或proteus仿真软件对自己设计的电路图进行实际仿真以确保其正确性和可行性。
同时通过参考各种相关书籍，查看各个元件的理论参数，应用理论，结合实际，得到可行的方案。
小型智能控制系统
1有害气体的检测报警及抽排电路设计
摘要：
此有害气体检测报警及抽排电路以气体检测传感器QM-N5为中心，利用其气敏的特性来控制次级电路。
当有害气体浓度到达一定值时，通过电路的巧妙设计，利用555定时器构成多谐振荡器控制灯泡闪烁发光，利用两个555的多谐振荡器控制扬声器发出双音频的警笛声来报警。
同时排气扇开始工作，以保证人的安全。
当有害气体的浓度恢复到正常情况时，灯泡及扬声器的报警停止，排气扇不工作，电路恢复到正常检测状态。
整个电路简单实用，制作成本也较低，不失为家庭里检测CO等有害气体的帮手。
1.1设计总体方案
1.1.1方案论证与比较
1.1.1.1电源供电电路
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市电用变压器降压、整流、滤波、稳压电路，此部分电路可使用变压器进行降压，四个二极管构成的单相桥式整流电路进行整流，滤波电容进行滤波和三端集成稳压器7805，7812进行稳压输出,完成从220-5v和220V-12V的变换。
经比较选用方案二，虽然繁杂一些，但是降低了出事故的概率。
1.1.1.2气体检测电路
气体检测电路主要使用QM-N5气敏传感器构成。
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电压比较器，
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电压比较器。
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。
1.1.1.3警笛声报警电路
方案一：
采用集成芯片LC179驱动扬声器发出警笛声，另外通过双向晶闸管控制扬声器何时发声。
通过LC179特定的驱动电路来驱动扬声器发出警笛声，同时双向晶闸管Q3的3脚接到气敏传感器的输出端，通过检测其电平的高低控制LC179可以正常来驱动扬声器，保证在有害气体的浓度到达一定值时可以发生报警。
方案二：
采用两片555定时器组合成电路来产生的双音频，模拟警笛声，驱动扬声器发声。
此电路由两片555时基集成电路组成的变调音频调制振荡器构成，它的输出音频频率
从400～2500Hz范围循环变化，类似公安警车的警笛声。
通过对以上两种方案进行分析比较后，此设计采取了方案一。
方案一简单、易于进行制作PCB板。
只需要一个芯片便足以节省大量的时间;而方案二电路图比较复杂，且需要两块555定时器及大量的附属元件，在实际制作的过程中不仅费时，而且花费较大。
1.1.1.4警示灯闪烁电路
方案一：
电路采用两级直接耦合晶体管放大器，它们接成了自激多谐振荡器。
通过调节电位器R1既可以改变闪光时间的长短，又可以改变闪光的间隔时间。
从而控制灯的闪烁。
方案二：
电路的主体由555定时器组成的多谐振荡器构成，同时使用双向可控硅来控制警灯的闪烁。
经比较论证后本设计采取了方案二。
因为方案二易于实现，并且只需一块555定时器构成的主体电路即可实现，而且比较稳定。
1.1.1.5排气扇驱动电路
方案一：
通过电压比较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：
电路主体采用双向可控硅控制电机的转动，双向可控硅的三脚接至电压比较器的输出端以检测电信号，当有害气体的浓度到达一定值，得到高电平信号，排气扇开始转动。
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。
1.1.2设计思路
利用QM—N5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、电压比较器开关电路、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，QM—N5检测到，但是元件两端的电阻变化所造成的N端输入电压比电压比较器p端低，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，QM—N5检测到有毒气体，元件两极电阻变小，此时电压比较器的N端比P端电压高，输出高电平，驱动报警电路工作，使555多谐振荡电路工作，输出电平通过双向可控硅来控制警灯的闪烁。
与此同时，电压比较器的输出电平控制两个555工作，使其发出双音频的报警声。
同时电压比较器输出的高电平使双硅晶闸管导通，换气扇开始工作。
当气体被排出，浓度低于安全标准时，电压比较器的N输入端电压低于P输入端电压，输出低电平，电路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R2来实现控制有毒气体检测灵敏度。
1.1.3总体框架说明
根据以上的分析，可以得到以下方框图模块：
返回自毒气浓
动检测度小于C1
返回自动毒气浓度大于C
检测状态
毒气浓度小于C
具体功能电路实现说明图
图1.2
（1）设计的总体方框图
1.1.4总体protel电路设计图
1.1.4.1原理图
通过以上的方案论证选择合适的电路制图，使用protel99SE做出符合要求，正确的电路原理图，整体电路原理图如图所示。
1.1.4.2PCB印刷电路版图
根据protel所制作的电路原理图，生成电路图，再自己通过手动调整，布线等步骤，得到以下的印刷电路版图。
1.2设计原理分析
1.2.1各模块单元电路图及工作原理
1.2.1.1降压、整流、滤波、稳压模块电路
此单元由变压器T，四个IN4001型二极管D1到D4,电容C和三端集成稳压器7805，7812组成。
首先使用变压器把220V市电转变为所需使用的15V电压，再通过四个二极管构成的单相桥式整流电路对其整流，电容C并联在整流电路之后用作滤波电路，滤去整流输出电压中的纹波。
然后使用三端集成稳压器7805和7812进行并联，对其进行稳压输出，得到5V，和12V的电压。
电压比较器的工作电压可由7812输出电压提供。
模块电路如图1.3
（1）所示。
1.2.1.2气体检测与电压比较模块电路
气体检测与比较电路由QM-N5气敏传感器、电阻R3、滑动变阻器R2、R6，电压比较器组成。
当有害气体的浓度很低时，QM-N5的级间（1脚和3脚）导电率低，成高阻态，检测到的电信号小，电压比较器输出低电平，不能驱动后级电路工作。
因此排气扇不转动，警报灯不闪烁，扬声器也不发出警笛声。
当有害气体到达一定的浓度时，QM-N5的级间电阻变小，检测到的电信号大，
电压比较器输出高电平，驱动后级其他单元电路工作，使得排气扇开始转动，警报灯闪烁，扬声器发出警笛声报警，达到所需的目的。
此部分单元电路如图1.3
（2）所示。
图中R2和R3两个电阻保证QM-N5能够正常的使用。
可以调节R2调节气敏传感器的灵敏度。
图中电压比较器的启动电压是+12V、-12V，所以电压比较器的两级接到了7812的输出端。
1.2.1.3警笛声报警电路
如图为两个555组成的报警电路，U1:
5脚为控制端，片内接比机器的反相器输入端，电位为2/3Vcc.一般555组成自激多谐振荡器，将5脚通过一个小电容0.01uf接地，以防止外界干扰对阈值电压的影响，当需要把它变成一个可控多谐振荡器时，可以在5脚外加一个控制电压，这个电压将改变芯片内比较电平，从而改变振荡频率，当控制电压升高（降低）时，振荡频率降低（升高），这就是控制电压对振荡信号频率的调制。
利用这种调制方法可以双音频报警。
如图，用U1的2脚和6脚的周期为1s的低频锯齿波信号作为U2的调制信号，使U2输出一个扫频矩形波，产生变调效果。
晶体管Ｑ１接成射级跟随器，使U12脚的锯齿波经过晶体管Ｑ１的缓冲后加到U2的5脚上，使U2的振荡频率在0.67s内逐渐下降的一个
低频率，再在0.33s内上升到原来的高频率，如此反复进行下去，使扬声器发出类似消防车的声音报警。
这里附加验证一个最简单的双音频报警器：
IC1输出的方波信号通过R5控制IC2的5脚电平，当IC1输出高电平时，IC2的振荡频率降低，当IC1输出低电平时，IC2的振荡频率变高。
因此IC2的振荡频率被IC1调制为两种音频，是扬声器发出
“滴、嘟、滴、嘟……………”的双音频声响。
1.2.1.4警灯闪烁模块电路
此模块电路的主要由555定时器组成的多谐振荡器构成，同时利用双向可控硅来控制警灯的闪烁。
只要合理的调整555定时器的外接阻容值，便可以得到较好的闪烁的频率。
这里我们控制彩灯闪烁的频率为1HZ左右，尽量在1HZ以内。
同时双向可控硅的三脚可接至555的输出端，以检测电信号，当其为高电平时，警灯便开始闪烁。
电路图如图1.3（6）（b）所示。
由于555电路的T放=（RP1+R6）*C*ln2=0.7（RP1+R6）*C，充电时间T充=0.7（RP2+R7）*C。
T=T放+T充
所以f=1.43/（R8+2R9）C3
带入参数R8=25k，R9=50k,C3=8uf
得到f=1HZ
所以在警灯报警闪烁中，成功的控制了彩灯闪烁的频率为1HZ。
1.2.1.5排气扇驱动单元电路
电路主体采用双向可控硅控制电机的转动，双向可控硅的三脚接至电压比较器的输出端以检测电信号，当有害气体的浓度到达一定值，电压比较器输出高电平信号，排气扇开始转动。
当排气扇工作一段时间后，有毒气体浓度减少，电压比较器输出低电平，排气扇停止转动。
电路如图所示
图1.3（7）排气扇驱动单元电路
1.2.2原理图总体说明
本设计为有害气体检测换气报警自动控制电路。
分为5个单元电路（如上，此处不再赘述）。
当有害气体的浓度很低时，QM-N5的1、3脚级间导电率低，对外呈高阻，检测到的电信号小，电压比较器输出低电平，不能够驱动后级地电路工作，此时排气扇不转动，警示灯不闪烁，扬声器也不会发出警笛声报警;当有害气体浓度到达一定值时，QM-N5的1、3脚级间电阻小，检测到得电信号大，电压比较器输出高电平，驱动后级单元电路工作。
由于VD5的作用，在调节R2时，使气敏信号取值电压最低限制在0.7V，NE555得到高电平的驱动，开始工作，通过合理的设置参数得到频率大约为1HZ的方波信号，通过3脚输出加到双向晶闸管上来控制警灯的闪烁。
同时排气扇得到高电平驱动，开始转动，保证人的生命财产安全。
与此同时，两个555电路受到高电平的驱动，使扬声器发出双音频的报警声。
当启动电扇工作后，有毒气体浓度减少，QM-N5的1、3脚级间导电率高，对外呈低阻。
电压比较器输出低电平，整个系统回到自动检测状态。
整个设计简单明了，声光报警双保险，排气扇自动工作，可作为家庭里CO等有毒气体的检测，以保证人身安全。
1.2.3重要参数调整与分析
先使用220V/12V的变压器将市电变为15V，经整流稳压管后得到5V和12V的稳定的直流电源，分别为后面的单元电路提供电源。
因电路中555和QM-N5需使用5V的电源，遂使用一三端集成稳压器7805得到稳定的5V直流电压。
电压比较器需要12V的电压，使用一三端集成稳压器7812得到稳定的12V直流电压。
此处滤波电容为470uF。
QM-N5气敏传感器的2、4脚分别接上电阻以防短路，滑动变阻器使用的是10K。
警示灯闪烁部分，555定时器组成的多谐振荡器t放=R4*C4*ln2，t充=（R3+R4）*C4*ln2，所以总的时见t=t放+t充，在此处，经多次调整后，得到R9=50K,R8=5K,C4=8uF，计算出充放电的时间为1s，即警示灯的闪烁频率约为1Hz，基本符合要求。
同时选择扬声器的选择为5W,8Ω。
1.6元件列表
本设计使用的各个元件如下表。
其中每个元件的具体资料请参看附录。
表1有害气体检测报警及抽排电路元件列表
元件名称
型号
数量
双向晶闸管
TRAIC
3
彩色警示灯
220V,40W
1
电机
YY90-40
1
气敏传感器
QM-N5
1
变压器
220V/15V
1
稳压器
7812
1
稳压器
7805
1
555定时器
555
2
NPN
2N2219
1
PNP
2N2904
1
扬声器
5W,8Ω
1
普通二极管
1N4001
4
电压比机器
LAMP
1
电阻
各种阻值
若干
滑动变阻器
10K
2
电容
无极性电容与电解电容
若干
排气扇
220V，300W交流
1
2机器人行走电路设计
摘要：
此机器人行走电路基本分为两个模块。
其一为电机驱动部分，由H桥电路连线构成；其二为时间控制模块，由555定时器组成的多谐振荡器构成。
555定时器的外围接一个滑动变阻器来调节机器人前进和后退的时间。
机器人动力使用干电池。
当接通电源的时候，机器人开始前进，达到设定的时间时自动减速至零，然后开始后退，再次到达设定的后退时间时又重新前进，如此循环往复。
2.1设计总体方案
2.1.1方案选择与论证
2.1.1.1电机驱动电路
方案一：
L298集成芯片驱动电路。
L298N为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片（DualFull-BridgeDriver），内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压。
方案二：
H桥驱动电路。
小车使用的电机大多数都是小型直流电机，此方案选用最常用的电机驱动控制方式，PWM+H桥驱动。
经过比较分析，本设计选取了方案二。
由于在方案一所需电源电压大，成本高，而方案一和方案二原理相同，方案二简单方便，易于操作。
所以相比之下，摒弃方案一。
2.1.1.2时间控制电路
方案一：
采用555定时器时基电路，构成多谐振荡器，通过外部连接的滑动变阻器调节充电和放电的时间。
方案二：
利用时间继电器控制时间。
时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。
利用数字时间继电器调节时间，使用方便。
经过分析论证，本设计选择了方案一。
555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。
通过调节参数可以合理的得到小车前进和后退的时间。
而若使用方案二，时间继电器造价较高，花费较大。
故摒弃不用。
2.1.1.3电源电路
统一采用4节干电池组成的6V电压提供动力。
2.1.2设计思路
分析设计要求，要实
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