有害气体声光报警器和机器人行走控制电路.docx
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有害气体声光报警器和机器人行走控制电路
前言
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。
本设计运用555定时器，气敏电阻来主控电路，实现要求的功能。
设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。
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。
本设计以单片机为中心，控制机器人的行走
目录
一．有害气体声光报警器3
1.1意义与要求3
1.2设计总体方案3
1.2.1设计思路3
1.2.2总体方框图4
1.2.3完整原理图4
1.2.4PCB制图6
1.3设计原理分析6
1.3.1声光报警及抽排电路6
1.3.2气敏传感器部分的电路7
1.3.3电源电路8
1.3.4整体工作原理说明9
1.4所用芯片及其他器件说明11
1.4.1555定时器11
1.4.2QM-N5气敏传感器11
1.4.3继电器12
附表一：
声光报警器设计所用器件13
二．机器人行走控制电路14
2.1意义与要求14
2.2设计总体方案14
2.2.1设计思路14
2.2.2总体方框图15
2.2.3完整原理图15
2.2.4PCB制图17
2.3设计原理分析18
2.3.1单片机外围电路18
2.3.2电机控制电路19
2.3.3键盘输入及控制电路20
2.3.4显示控制电路21
2.3.5整体工作原理说明21
2.4程序22
2.4.1程序设计思路22
2.4.2整体程序及说明23
2.5主要器件说明24
2.5.1驱动芯片L298N24
附表二：
机器人设计所用器件25
三．设计体会及小结26
一．有害气体声光报警器
1.1意义与要求
意义：
运用电子技术及相关知识设计有害气体声光报警器，且具有自动抽排功能。
掌握传感器等一些器件的运用，设计简单的有害气体检测电路，联系实际，同时提高动手，思考能力。
要求：
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。
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。
1.2设计总体方案
1.2.1设计思路
气敏传感器是利用物质效应和化学效应对气体中的某些成分进行检测的器件，譬如半导体气敏传感器主要是利用半导体与某些气体接触时，其特性将发生变化这一现象来检测气体的成分或浓度。
故可利用这一特性，来设计电路。
QM-N5气敏传感器可用于检测一些可燃性气体，如家用煤气，液化石油气等气体。
当看可燃气体浓度增大，气敏传感器QM-N5的等效电阻降低，用电压比较器作为控制部分，当输入电压大小反过来时，输出就会有高低电平的变化，就利用这高低电平的变化来控制声光报警及有害气体的抽排。
声光报警电路可用555组成的多谐振荡电路来控制，555组成的电路输出方波信号，驱动扬声器发出报警声音，驱动灯来得到闪烁的警灯
本设计电路要用到继电器，来作为声光报警器的工作控制电路。
1.2.2总体方框图
图2-1：
声光报警器原理方框图
1.2.3完整原理图
用protues软件绘制成如下系统原理图
图2-2：
系统原理图
1.2.4PCB制图
图2-3：
PCB制图
1.3设计原理分析
1.3.1声光报警及抽排电路
图3-1：
声光报警及抽排电路
原理说明：
图3-1中用继电器控制声光报警及风扇抽排电路。
如上图中的标注所示，继电器的电感线圈的一端与电压比较器输出端相连。
当电压比较器输出“低电平”时，继电器内部的“开关”打开，声光报警电路及风扇抽排电路不工作；当电压比较器输出“高电平”时，继电器内部“开关闭合，声光报警电路及风扇抽排电路在电源的供电下开始工作。
555多谐振荡器输出端为个周期性的方波，其频率为：
f=1/（tPL+tPH），可近似看成f=1.43/[（R1+R2）C]
本设计中R1=22k,R2=11k,C=33uf,可算得f约为1hz,即555多谐振荡器会产生一秒的连续脉冲。
至于555多谐振荡器的详细原理说明见1.4节。
下面一副截图为555定时电路在正常工作下时所输出的波形
图3-2：
555定时电路输出波形
1.3.2气敏传感器部分的电路
图3-3：
气敏传感器部分电路
原理说明：
对于图3-3当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N气敏传感器电阻值很大，使电压比较器正相输入端的电压小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为“低电平”，继电器不工作：
如果空气中的有害气体浓度达到一定值时，传感器的电阻值变小，使电压比较器正相输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，继电器工作，从而驱动声光报警及风扇抽排电路。
改变RV2滑动变阻器的阻值，可以改变电压比较器的反相输入端的电压，使声光报警及风扇抽排电路可以在有害气体不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对有害气体不同浓度的测量。
1.3.3电源电路
图3-4：
电源部分电路
原理说明：
图3-4电路由家用220v电压，变压器，整流电路，及滤波稳压电路组成，实现交流电到直流电的转变，在供电给后续电路工作。
电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。
由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。
但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化。
因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。
稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。
1.3.4整体工作原理说明
由220V的交流电压经电源变压器，整流电路，滤波和稳压电路等四部分后变为直流电压，供气敏传感器及声光报警电路工作，而风扇是由220V的交流电驱动。
当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N气敏传感器电阻值很大，使电压比较器正相输入端的电压小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为“低电平”，继电器不工作：
如果空气中的有害气体浓度达到一定值时，传感器的电阻值变小，使电压比较器正相输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，继电器工作，从而驱动声光报警及风扇抽排电路。
当室内有害气体的体积分数降到某一预定值时，该控制器会自动切断排风扇和声、光报警电路的工作电源，使其停止工作，从而达到了自动控制室内有害气体的目的。
下图（图3-5）中用滑动变阻器RV1代替气敏电阻，当滑动变阻器阻值变小时，电压比较器正相端电压变大，大于反相端电压时输出为高电平，使继电器共作，声光报警电路工作;反之不工作。
图3-5：
整体电路
1.4所用芯片及其他器件说明
1.4.1555定时器
图4-1：
555定时器组成的多谐振荡器电路图
如图4-1所示：
由555组成的多谐振荡器工作原理如下：
接通电源后，电容C被充电，当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，同时发电BJTT导通，此时VO为低电压，电容C通过R2和T放电，使VC下降。
当VC下降到（1/3）VCC时，触发器又被置位，VO翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为：
tPL=R2Cln2，可近似看成tPL=0.7R2C
当C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的时间为：
tPH=（R1+R2）Cln2，可近似看成tPH=0.7（R1+R2）C
而当VC上升到（2/3）VCC时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：
f=1/（tPL+tPH），可近似看成f=1.43/[（R1+R2）C]
1.4.2QM-N5气敏传感器
气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。
QM-N5型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。
灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，市场上应用广泛。
QM-N5气敏元件参数如下：
标定气体（0.1%丁烷气体，最佳工作条件）中电压≥2V，响应时间≤10S，恢复时间≤30S，最佳工作条件加热电压5V、测量回路电压10V、负载电阻RL为2K，允许工作条件加热电压4.5～5.5V、测量回路电压5～15V、负载电阻0.5～2.2K。
1.4.3继电器
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁继电器的工作原理和特性
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。
控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。
查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。
若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。
最后考虑尺寸是否合适。
若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。
对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品
附表一：
声光报警器设计所用器件
名称
型号规格
位号
数量
电原
220V，50hz
V1
一个
变压器
TRAN-2P2S
TR1
一个
电桥电路
DF02M
BR1
一个
风扇
无
无
一个
555芯片
NE555
U1
一个
报警灯
LED-RED
D6
一个
报警喇叭
Speaker
LS1
一个
继电器
无
无
一个
电压比较器
COMPI
U2
一个
稳压管
BZX85C12R
D1
一个
气敏传感器
QM-N5
无
一个
三极管
2N3019
Q2
一个
二极管
UF5404
D2
一个
滑动变阻器
10K
RV1,RV2
两个
电解电容
500uf
C1,C2
两个
电容
33uf
C3
一个
电容
0.01uf
C4
一个
电阻
240
R1
一个
电阻
510
R2，R3
两个
电阻
470
R4
一个
电阻
30
R5
一个
电阻
22K
R6
一个
电阻
11K
R7
一个
电阻
1K
R8，R9
一个
二．机器人行走控制电路
2.1意义与要求
意义：
运用自学的单片机设计简单的小车控制电路，把理论与实际相结合，能够更好的掌握单片机的应用，同时提高自己的动手能力。
同时结合电子技术基础知识设计电路，提高自己的运用，思考能力。
要求：
设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。
当接通电源，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。
2.2设计总体方案
2.2.1设计思路
用单片机作主控芯片，用数字键盘作为输入部分，控制时间的输入，同时用七段数码管显示（用七段显示译码器驱动显示）。
直流电机用单片机控制，同时用H桥电路作为电机的正反转控制电路。
程序部分根据以上思路编写。
2.2.2总体方框图
图2-1：
机器人行走控制原理方框图
2.2.3完整原理图
用protues软件绘制成如下系统原理图（图2-2）
图2-2整体原理图
2.2.4PCB制图
图2-3：
PCB制图
2.3设计原理分析
2.3.1单片机外围电路
图3-1：
单片机外围电路
说明：
图3-1是单片机外围基本电路。
只有具备这些基本外围电路，单片机才能正常工作（注意：
其中单片机电源，接地端被隐藏）
外围基本电路有时钟产生电路（本电路用内部产生方式），复位电路（本电路带有手动复位，便于控制单片机的复位
2.3.2电机控制电路
图3-2：
电机控制电路
工作原理说明：
芯片L298是恒压恒流桥式2A驱动芯片，内部是由两块H桥电路封装而成。
IN1,IN2,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功能模块
ENA
IN1
IN2
运转状态
0
任意
任意
停止
1
1
0
正转
1
0
1
反转
1
1
1
制停
1
0
0
停止
由表一L298功能模块可以看出电机的工作状况，由单片机控制IN1,IN2的输入，从而很好的控制电机的正转反转，达到设计目的。
恒压恒流桥式2A驱动芯片L298的具体介绍见2.5节。
2.3.3键盘输入及控制电路
图3-3：
键盘输入及控制电路
原理说明：
图中的MM74C922为键盘控制芯片。
MM74C922与数字键盘的
对应关系如下面的表格所示，并在上图中表上了各键的代表数字。
没有键按下时，MM74C922中的OA=0，当有键按下时OA=1，经反相器，使输出时能端“OE非”（即十三脚）为0，此时键值（二进制）由A,B,C,D输出，把A，B，C，D相应的输入单片机，单片机就可得到相应的值，再经数码管显示出来即可，同时可以控制机器人的前进，后退时间。
表二：
MM74C922与数字键盘的对应关系
开关位置
0
Y1,X1
1
Y1,X2
2
Y1,X3
3
Y1,X4
4
Y2,X1
5
Y2,X2
6
Y2,X3
7
Y2,X4
8
Y3,X1
9
Y3,X2
10
Y3,X3
11
Y3,X4
12
Y4,X1
13
Y4,X2
14
Y4,X3
15
Y4,X4
A
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
C
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
D
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
2.3.4显示控制电路
图3-4：
显示控制电路
原理说明：
七段显示译码器74LS47为输出低电平有效，用以驱动共阳极显示器，它把由ABCD输入的二进制译码后，显示在数码管上，直观的显示了时间。
74LS47的具体说明见2.5节
2.3.5整体工作原理说明
当数字键盘有键按下时，经MM74C922键盘控制芯片，使ＡＢＣＤ输出相应的二进制，此二进制输入单片机，单片机“记住“输入的数据，再由程序控制，输出并显示在数码管上：
同时控制电机的正转，反转时间，实现整个电路的正常运行。
２.４程序
2.4.1程序设计思路
图4-1程序设计思路
2.4.2整体程序及说明
#include"reg51.h"
sbitin1=P3^5;
sbitin2=P3^6;
sbitda=P3^0;
sbitkts=P3^1;//跳出'显示'程序控制端
sbitkqbh=P3^2;//显示控制端
chara[2]={0};
voiddelay1s（void）//1秒延时程序
{unsignedchari,j,k;
for（k=100;k>0;k--）
for（j=20;j>0;j--）
for（i=248;i>0;i--）;
}
voidmain（）
{while
（1）
{if（da==1）
if（kqbh==1）
{a[0]=P0;P1=a[0];}//存储‘前进’显示时间于a[0]中
else
{a[1]=P0;P2=a[1];}//存储'后退'显示时间于a[1]中
if（kts==0）break;
}
while
（1）
{in1=1;
in2=0;
for（;P1>0;P1--）//'前进'显示程序
{delay1s（）;}
delay1s（）;
P1=a[0];
in1=0;
in2=1;
for（;P2>0;P2--）//'后退'显示程序
{delay1s（）;}
delay1s（）;
P2=a[1];
}
}
2.5主要器件说明
２.５.１驱动芯片L298N
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。
表1是L298N功能逻辑图。
In3，In4的逻辑图与表1相同。
由表1可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。
同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。
附表二：
机器人设计所用器件
名称
规格型号
位号
数量
单片机
AT89C51
U1
一片
电机驱动芯片
L298
U2
一片
键盘控制芯片
MM74C922
U3
一片
反相器
无
U4
一片
译码器
74LS47
U5，U7
两片
数码管
无
HT,QJ
两片
Button
无
无
17个
SWITCH
无
KTS,KQBH
2个
石英晶体
无
X1
一个
电容
20p
C1,C2
两个
10u
C3（电解电容）
一个
0.1uf
C4
一个
1uf
C5
一个
电阻
10k
R1，R2
两个
470
R3
一个
三．设计体会及小结
有害气体声光报警器是以气敏传感器为中心的电路，当检测到有害气体达到能够危害人体的浓度时，电路会发出声光报警，并自动抽排。
能够很好的保障人们的安全，应用甚广。
通过有害声光报警器的设计，我掌握了气敏传感器的原理及相关应用，并在一定程度上用模电，数电知识解决了生活中的一些实际应用问题，很有成就感，很大程度上提高自己的学习兴趣及动手思考能力，意义甚大。
经过一年的模电，数电的学习以及个人单片机自学，掌握了一些理论知识，却缺少必须的动手机会，当然在数电及模电实验课上，也锻炼了自己的动手能力。
可是，毕竟课上时间有限，只能连接现成的电路图，或匆忙中完成实验，缺少必要的思考时间，使得实验课大打折扣，只是因为时间有限。
学校也有开放性实验室供同学们去锻炼自己的动手能力，但是实验室要的人毕竟有限，所以去实验室的几率很少。
要把理论转化为实践是必须的，学生必须尽力为自己寻找一些实验，动手的机会。
课程设计为我们提供了这样的机会。
课设过程中，大家自己独立思考，完成老师布置的题目，学习了很多东西，把自己所学用于实际，自己倍感有成就感。
课设期间，遇到问题，独立解决或同学在一起讨论，大家很有目的的做课设，受益匪浅，使自己感觉最深的是最近学会了运用多种软件如protues应用,PCB制作。
只是课设时间很紧，不能把课设做的更完美一点。
还是真希望课设时间多一点，让自己有更多的思考时间，尽善尽美。
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