电工电子课程设计.docx

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电工电子课程设计

————————————————————————————————作者：

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课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

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：

1）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报警，同时自行启动抽排系统，以保障人们的生命财产安全。

2）抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。

3）对设计电路进行仿真。

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。

4）对设计电路进行仿真。

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说明书，并装订成册。

2.课程设计说明书中要求有方案比较与论证、系统方框图、电路原理图，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、设计心得体会及电路仿真效果图等。

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20日—7月2日）。

6月20日指导教师讲授课程设计的有关基本知识等；

6月20日~6月25日学生查阅资料、准备“80选2”问题解答；

6月26日~6月28日学生初步设计；

6月29日检查设计进度，答疑、质疑；

6月30日~7月1日学生完善设计，形成说明书电子文档；

7月2日课程设计说明书打印、装订、提交。

指导老师签名：

2011年6月20日

系主任（或负责教师）签名：

2011年月日

摘要································································

1机器人行走电路设计················································1

1.1设计任务和要求··············································1

1.2总体方案框图················································1

1.3总体方案的设计··············································1

1.3.1设计方案的选择········································1

1.3.2设计思路··············································1

1.3.3设计原理系统框图······································1

1.3.4设计电路原理图········································2

1.4单元电路的设计与分析········································2

1.4.1脉冲信号产生电路的设计与分析··························2

1.4.2计时电路的设计与分析··································3

1.4.3电机正反转控制电路的设计与分析························4

1.4.4整机工作原理说明······································5

1.5所用元器件的说明············································5

1.5.1555定时器············································5

1.5.2CT74LS192的功能说明··································6

1.5.3JK触发器的功能介绍···································7

1.5.4电机驱动芯片L298的功能说明···························8

2附表·····························································10

结束语·····························································11

致谢·······························································13

参考文献···························································13

成绩评定表·························································14

摘要

随着科技的发展，智能控制越来越广泛地被应用于各行各业，尤其是在工业生产上，利用智能控制可以减轻人的工作负担，而且可以提高工作效率，减小误差。

有害气体的检测与抽排电路的设计和机器人行走电路设计便是智能控制的一个应用，通过一定的电路控制便可实现当有害气体超标时自动报警的功能，保护人民的生命财产不受侵害，通过使设计机器人自动行走便可利用机器人来完成一些在复杂地形上的任务，可以减少人工作业时的危险性。

本文主要介绍了机器人行走电路的设计方法，首先介绍了总体方案的设计，接着分析了单元电路的工作原理，再接着讲解了所用元器件的基本功能。

通过此课程设计可以锻炼我们的思维，将理论与实践相结合，巩固我们的理论基础知识，同时可以锻炼我们的自主创新能力，为将来走上工作岗位打下基础。

关键词：

智能控制电机正反转计数器555定时器

小型智能控制系统设计

1机器人行走电路设计

1.1设计任务和要求：

设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。

接通电源后，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。

1.2总体方案框图

图1-1总体方案框图

1.3总体方案的设计

1.3.1设计方案的选择

要控制机器人的前进与后退，可以通过控制机器人内部的电动机的正反转来实现，有以下几种方案：

①通过编写程序，利用单片机来控制电机正反转及正反转的时间。

②通过JK触发器的输出信号来控制电机的正反转，用计数器的输出信号来控制JK触发器，从而控制电机正反转的时间，其时间的调节则可通过计数器的置数来实现。

通过比较可以发现方案一有一个很大的缺点，那就是电机正反转的时间调节很不方便，要改变正反转的时间就得重新输入程序，另外，利用单片机的成本要比方案二的成本要高，而且目前我们还没有学单片机，对其功能还不是很了解，而方案二里用的芯片我们在数电课上基本都学过，对它们的功能比较熟悉，综合以上的考虑，我选择了方案二。

1.3.2设计思路

要实现机器人的前进与后退，就要想办法来控制电机的正反转，可以通过JK触发器的输出信号的翻转来改变电机两端电压的极性来实现，而JK触发器的时钟脉冲信号可由计数器的输出信号来代替，当计数器计数到规定时间时，JK触发器被触发，输出信号发生翻转，从而改变电机的转动方向，而正反转的时间可以通过改变计数器的计数时间来调节，以实现前进与后退时间可调的功能。

计数器也需要时钟脉冲信号来触发，这就需要脉冲信号产生电路，可以通过由555定时器构成的多谐振荡器来实现。

1.3.3设计原理系统框图

图1-2设计原理系统框图

1.3.4设计电路原理图

图1-3设计电路原理图

1.4单元电路的设计与分析

1.4.1脉冲信号产生电路的设计与分析

脉冲信号可由555定时器构成的多谐振荡器来产生，由555定时器构成的多谐振荡器的电路原理图和波形图如下图所示:

图1-4多谐振荡器电路图及波形图

电路的工作原理分析：

刚接通电源时，电容C2两端没有存储电荷，两端的电压为零，555定时器的2和6端的输入电压为零，即6端的输入电压小于2/3Vcc，2端输入电压小于1/3Vcc,输出信号Vo为高电平，电源对电容C2充电，，直到其两端电压略超过2/3Vcc；电容C两端的电压超过2/3Vcc时，出现6输入端电压大于2/3Vcc，2端输入电压大于1/3Vcc的情况，输出信号Vo为低电平，电容C2开始放电，直到C2两端的电压略低于1/3Vcc，电容又回到充电的状态，，如此循环，便形成了振荡，产生矩形脉冲信号。

电容C2的充电时间为：

t1=（R1+R2）C2ln2=0.7（R1+R2）C2

放电时间为：

t2=R2C2ln2=0.7R2C2

产生脉冲信号的周期即为：

T=t1+t2=0.7（R1+2R2）C2

脉冲信号的周期可以通过改变R1、R2或电容C的大小来调节，要产生周期为1秒的脉冲，通过计算可以取R1=R2=10.1k，C2=47uF。

1.4.2计时电路的设计与分析

计数器采用芯片CT74LS192，由两片74LS192构成的置数可调的减计数器的电路原理图如下图所示:

图1-5计数器电路原理图

其中脉冲信号从U1芯片的DN端输入,U1的借位输出端与U2的脉冲信号输入端相连,清零端接地,两片芯片的借位输出端相或后与置数端PL相连,当U1芯片减计数到零时,其借位信号由高电平变为低电平,触发U2,即实现了向高位的借位,当两片芯片都减到零时,借位信号都变为低电平,相或后的结果仍为低电平,计数器重新置数,如此循环,如果需要改变计数时间,可通过拨动开关对计数器置数来实现。

如此便构成了置数可调的减计数器。

当计时到零时，U2的借位信号从高电平变为低电平，而JK触发器刚好是在下降沿触发，因此可将U2的借位输出端接到JK触发器的脉冲信号输入端作为它的触发信号。

1.4.3电机正反转控制电路的设计与分析

电机正反转控制电路原理图如下图所示:

图1-6电机正反转控制电路原理图

其中芯片L298是电机驱动芯片，ENA和ENB为使能端，当使能端为低电平时，电机不工作，当使能端为高电平时，由IN1和IN2的组合情况决定电机的工作状态，当IN1为高电平，IN2为低电平时，电机正转；当IN1为低电平，IN2为高电平时，电机反转，因此可以通过改变IN1和IN2的输入信号状态来改变电机的正反转，从而控制机器人的前进与后退，而输入信号的改变可以通过JK触发器来控制，通过数电课的理论知识我们知道，当把JK触发器的J和K输入端同时接高电平，触发信号来临时，其输出信号便实现翻转功能。

将JK触发器的两个反向输出端分别接L298的IN1和IN2便可控制电机的正反转。

而JK触发器的输出信号发生翻转的时间可以通过前面计数器的借位信号控制，即可调节电机正反转的时间，图中SW1为单刀双掷开关，可以通过此开关对电机驱动芯片的使能端置1或置0，置1时驱动芯片正常工作，置0时芯片没有输出，电机不工作，由此便可控制电机的制动。

1.4.4整机工作原理说明

当接通电源时，由555定时器构成的多谐振荡器便开始工作，由前面的分析可知，其产生脉冲信号的周期T=0.7（R1+2R2）C2，可以通过计算选择适当大小的电阻和电容使产生脉冲信号的周期为一秒，用该脉冲信号去触发计数器，计数器便每隔一秒减一位数，此时计数器便相当于一个秒表，当计数器减计数到零时，计数器的借位信号由高电平变为低电平，相当于一个下降沿脉冲，而JK触发器正好是下降沿触发的，用该信号去触发JK触发器，便可控制JK触发器输出端信号的翻转周期，其周期正好为计数器的计数时间，JK触发器输出端信号发生翻转时，电机驱动芯片的输入端信号也随之发生翻转，电机便反向转动，如此循环，由此便实现了机器人的前进与后退时间可调的功能，SW1为电机的制动开关，当机器人行走时，如果将SW1拨向低电平，便可使电机停止工作，机器人停止行走。

如电路原理图所示，将两片芯片的清零端MR接在开关9上，再通过一个反向器与555定时器的电源输入端相连，当开关拨向低电平时，多谐振荡器的电源输入端为高电平，正常工作，计数器也正常工作，当开关拨向高电平时，由555定时器构成的多谐振荡器器的电源输入端为低电平，此时没有脉冲信号产生，同时计数器清零，计数器的借位端由高电平变为低电平，电机反向转动，因此通过此开关便可控制电机的正反转，从而控制电机的前进与后退。

1.5所用元器件的说明

1.5.1555定时器

555定时器是由集成运算放大器组成的单门限电压比较器、基本RS触发器及工作于开关状态的双极型三极管或MOS管集成在一起的电路模块，其引脚图和功能表如下图所示：

图1-7555定时器的引脚图

表1-1555定时器的逻辑动能表

输入

输出

阈值输入（Vi6）

触发值（Vi2）

复位（RD）

输出（Vo）

放电管T

导通

<（2/3）Vcc

<（1/3）Vcc

截止

>（2/3）Vcc

>（1/3）Vcc

导通

<（2/3）Vcc

>（1/3）Vcc

不变

1.5.2CT74LS192的功能说明

该芯片是一种同步可预置BCD、可逆计数器，它由四个主从T触发器和一些门电路组成，具有清除、保持、并行输入、加计数、减计数等功能。

图1-7是其引脚图和逻辑符号。

其中MR是清零端，CPU是加计数脉冲输入端，CPD是减计数脉冲输入端，PL是置数控制端，TCU是进位输出端，TCD是借位输出端,P0、P1、P2、P3是并行数据输入端，Q0、Q1、Q2、Q3是并行数据输出端。

图1-8CT74LS192的引脚图及逻辑符号

下表为其功能表：

表1-2CT74LS192功能表

CPU

CPD

↑

加计数

↑

减计数

保持

由功能表可以看出当MR=1时，计数器输出端被置零，即Q3Q2Q1Q0=0000，只有当MR=0时计数器才能实现置数，加计数，减计数和保持的功能。

当置数端PL=0时，可对计数器进行置数的操作，PL=1时，不可置数，此时计数器处于加计数，减计数或保持的状态。

计数器的加计数脉冲输入端CPU和减计数脉冲输入端CPD是互相独立的，当计数器作为加计数器使用时，脉冲从CPU端输入，作为减计数器时脉冲信号从CPD端输入。

1.5.3JK触发器功能介绍

JK触发器的逻辑图和逻辑符号如下图所示：

图1-9JK触发器的逻辑图和逻辑符号

JK触发器的功能表如表1-3所示，由功能表可知：

（1）当J=0，K=0时，CP的下降沿到后输出保持原来状态不变。

（2）当J=0，K=1时，CP的下降沿到后触发器输出端置零。

（3）当J=1，K=0时，CP的下降沿到后触发器输出端置1。

（4）当J=1，K=1时，当Qn=0时，CP的下降沿到后触发器置1，Qn=1时，触发器置零，可知当J=K=1时，CP的下降沿到来后触发器将实现反转功能。

称触发器处于翻转计数状态。

表1-3JK触发器功能表

Qn+1

功能

Qn+1=Qn，保持

Qn+1=Qn,保持

Qn+1=0,置0

Qn+1=1,置1

翻转

1.5.4电机驱动芯片L298功能说明

L298是一种高电压、大电流电机驱动芯片。

该芯片的主要特点是:

内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

其引脚图如下图所示:

图1-10L298引脚图

L298各个引脚的功能说明表如下:

表1-4L298引脚功能说明表

引脚

符号

功能

SENSINGA

SENSINGB

此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号

OUT1

OUT2

此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载

引脚

符号

功能

电机驱动电源输入端

IN1

IN2

输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A的开关

ENABLEA

ENABLEB

使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作。

GND

接地端，芯片本身的散热片与8脚相通

Vss

逻辑控制部分的电源输人端口

IN3

IN4

输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关

OUT3

OUT4

此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载

L298的逻辑控制功能表如下图所示：

表1-5L298逻辑功能控制表

输入

输出

Ven=H

C=H；D=L

正转

C=L；D=H

反转

C=D

制动

Ven=L

C=×；D=×

没有输出，电机不工作

其中C、D分别为IN1、IN2或IN3、IN4；L为低电平，H为高电平，×为不管是低电平还是高电平。

2附录

表2-1所用元器件清单

名称

规格型号

数量

555定时器

NE55

计数器

CT74LS192

JK触发器

CT74LS117

电机驱动芯片

L298

或门

CT74LS32

非门

CT74HC04

排阻

CONN-SIL10

开关组

DIPSW_9

单刀双掷开关

SW-SPDT-MOM

电阻

10.1K

电容

0.01uF

电容

47uF

数码管

7SEG-BCD-GRN

直流电机

MOTOR

干电池

1.5V

导线

若干

结束语

通过这段时间的课程设计，我从中学会了许多东西。

虽然时间不是很长，但其间充满着各种滋味，有失败时的沮丧，也有成功时的欣喜。

当老师刚布置课题时，因为是第一次做课程设计，又加上马上要考数电，而且基础强化训练老师也布置了课题，时间比较紧，我既要复习，又要找资料，总之当时心情很烦躁，担心到时完成不了任务。

当考完数电后，我便全身心地投入到课程设计中来了，首先我大致地想了一下两个题目的设计思路，对于有害气体检测与抽排系统的设计，根据老师的提示，我先查了一下气敏传感器的工作原理，了解到当有害气体浓度升高时，气敏传感器的电阻会迅速下降，有害气体浓度降低时传感器电阻增大。

于是我想到了做过的一个物理实验:

热敏电阻特性测量及应用。

可以用类似的方法，利用电压比较器来将气体信号转换为电信号，当有害气体浓度低于限制浓度时，电压比较器输出低电平，高于限制浓度时，输出高电平，因此可以利用电压比较器的输出信号来控制声光报警和气体抽排系统。

由于老师要求光报警要用一个60W的灯泡，用电压比较器的输出电压来作为其工作电压明显不能满足要求，因此我想到了将灯泡与晶闸管串联后再与220V的交流电源相连，晶闸管的开关由电压比较器的输出信号来控制。

抽气风扇的电动机的开与关也可以用同样的方法，声报警要求产生警笛声，可以用两片555定时器构成的多谐振荡器来产生喇叭的触发信号，而555定时器的工作电压可由电压比较器的输出电压来提供。

由于时间的原因，我只是大致地想了一下这个题目的设计方案，仿真结果没有弄出来。

我主要做的是机器人行走电路的设计。

对于机器人行走电路的设计,我首先想到的是要想控制机器人的前进与后退,就要想办法控制机器人内部电机的正反转,通过查阅资料,我了解到芯片L298便是用来驱动电机的,而且可以通过改变输入信号来控制电机的正反转,从而控制机器人的前进与后退,而输入信号的改变又可以通过JK触发器的翻转功能来实现,用由74LS192构成的减计数器的借位信号作为JK触发器的脉冲信号,便可以控制JK触发器的翻转时间,从而控制电机正反转的时间,可以通过改变计数器的置数来调节电机正反转的时间,从而实现机器人前进与后退的时间可调的功能。

考虑到现实生活中机器人可能遇到种种问题，有时需要随时改变机器人的行走方向，我对电路附加了一些功能，达到随时改变电机正反转的目的，开始时我是在JK触发器的后面加了一个双刀双掷开关来实现此功能的，通过拨动开关，可以随时使电机驱动芯片的输入信号发生翻转，从而改变电机的转向。

但是后来答疑时，经过老师的提醒，我发现我的电路还有很多缺点，例如当通过拨动开关来改变电机的转向时，如果此时计数器刚好计时到零，将会出现“撞车”的现象，后来我通过对计数器进行清零来改变电机的转向，但是仿真时发现电机忽顺时针转动，忽逆时针转动，经过分析发现是因为虽然计数器清零了，但仍有脉冲信号送进来，计数器的借位信号在低电平和高电平来回跳动，JK触发器在很短的时间内便发生翻转，从而使电机也在很短的时间内改变转向，这样很容易烧毁电机。

后来我就想，如果对计数器清零的同时使脉冲信号产生电路也停止工作，这样就不会出现上述现象了，为此，我将两片芯片的清零端接在一个开关上，在通过一个反相器与555定时器的电源输入端相连，这样的话，当清零端为高电平时，计数器清零，而脉冲信号产生电路电源输入端就为

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