小型智能控制系统设计 张恒.docx

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小型智能控制系统设计张恒

电工电子课程设计大纲

电工电子课程综合设计是根据教学计划和课程教学目标的要求，综合应用《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电工实习》、《传感器原理及接口技术》、《电力电子变流技术》等课程知识而开设的实践性课程。

以期对自动化专业学生进行电工电子类设计思想和设计方法的初步训练，使学生掌握基本电子线路的设计技能。

一、课程设计的目的

通过课程设计的实际训练，加深学生对相关课程基础知识与基本理论的理解，培养学生综合运用所学知识的应用能力，使其在理论分析、工程计算、制图标准与规范、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到初步训练，促进学生养成严谨求实的科学学风，激发学生自主创新的精神。

二、课程设计的基本内容

1、指导教师拟定题目难易适当的课程设计任务书，既保证大多数学生得到基本训练，通过查阅资料、手册、分析、计算能顺利完成设计任务，又能使学习优秀的学生充分发挥创新思维，激发探索科技知识的积极性。

2、设计开始前，指导教师讲解有关设计的目的、要求及注意事项，介绍设计原则、方法和范例，增补学生在过去的学习阶段尚未涉猎的相关知识。

3、设计期间，指导教师对学生遇到的问题及时解答，并对课程设计的内容组织质疑和答辩。

4、每个学生在设计结束时要提交一份按统一格式要求书写的课程设计说明书。

说明书中要求有设计方案选择，绘制方框图、电原理图，阐述电路工作原理，元器件参数计算、设计电路的性能指标等。

三、设计时间2周

四、其他

1、课程设计说明书封面由教务处统一印制。

2、课程设计报告除教学管理部门要求必须用手写的内容外，一律打印上交。

3、学生课程设计成绩由指导教师通过质疑和答辩，结合设计过程中的学习态度、设计思想、设计成果综合评定。

课程设计任务书

学生姓名：

张恒专业班级：

自动化0802

指导教师：

田宇学院：

自动化学院

题目:

小型智能控制系统设计

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：

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：

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

前言

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有害气体检测报警及抽排电路设计

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气体抽排部分

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双向金闸管导通，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;同时双向金闸管导通，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RP1来实现控制有毒气体检测灵敏度。

1.3设计原理

1.3.1设计原理图

图1-1电路原理图

1.3.2各部分电路原理

1.3.2.1整流稳压电路

图1-2整流稳压电路图

原理分析：

为了贴近实际，使用了220V交流电源，所以加了一个整流稳压电路，使其输出直流电源。

整流稳压电路是将220V交流电源接一个变压器、一个整流桥、一个由电容构成的滤波电路，最后通过稳压管使其输出5V直流电压，使系统正常工作。

1.3.2.2有害气体检测电路

图1-3有害气体检测电路图

原理分析：

本系统使用QM-N5气敏传感器检测有害气体。

气敏传感器是一种基于声表面波器件波速和频率随外界环境的变化而发生漂移的原理制作而成的一种新型的传感器，QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。

声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。

通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。

当有毒气体浓度升高时，气敏传感器电阻降低，使滑动变阻器上电压值变大，通过电压比较器使双向金闸管导通，带动电机运转，抽排气体，另一方面使音频报警器报警，同时通过555组成的多谐振荡器使灯泡发出1Hz的闪烁光，也起到了报警作用！

当气体被排出，浓度达到标准时，电路回复到自动检测状态。

1.3.2.3抽排气体电路

图1—4抽排气体电路图

原理分析：

当有毒气浓度升高时，气敏传感器中的电阻值降低，使滑动变阻器上的电压值变大，原来电压比较器OPAMP从未导通变为导通，这个正向电压使金闸管Q5导通，从而使电机MG转动，抽排气体。

一段时间，有害气体浓度减小，当有毒集体被排尽时，电路自动恢复正常状态。

1.3.2.4报警装置电路

1声音报警

图1—5声音报警电路图

原理分析：

当有毒气浓度升高时，气敏传感器中的电阻值降低，使滑动变阻器上的电压值变大，原来电压比较