电工电子课程设计.docx
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电工电子课程设计
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：
二〇〇九年七月
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、单稳态触发器和稳压电路原理。
1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、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，QM—N5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，QM—N5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
如图（1.1）
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
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
1.2.5PCB制图（如图1.3）
图1.3PCB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：
SOURCEVOLTAGE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）
U1的3脚输出高电平
喇叭两端电压变化
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500~3500Hz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）
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。
1.3.5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QM—N5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
1.4.1555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-12v
T1
1个
直流变压器
0.5v-3v
T2
1个
二极管
1N4148
D1~D4、D7~D9
7个
煤气-烟雾传感器
QM-N5
D6
1个
电位器
100、2k、5.1k
RP1、RP2、RP3
各1个
瓷片电容
0.01uf、4.7uf
0.068uf
C4,C5,C6,
各1个
极性电容
220uf、100uf、47uf
C1、C2、C3
各1个
电阻
200、51、10、300、5.1k、13k
R1-R7
13k2个，其余各1个
交流电机
220V、40W
MG
1个
发光二极管
BTS11405
D6
1个
555芯片
CB7555
U1、U2
2个
继电器
G5V-1-3V
K
1个
单向晶闸管
C106DS
Q2
1个
双向晶闸管
MAC97A6
Q3
灯泡
220V60W
DS
1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，
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