電工電子綜合課程設計--小型智能控制系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　題 目: 小型智能控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　一、有害氣體檢測與抽排電路設計</p><p>　　任務：設計一個自動檢測有害氣體濃度，且當有害氣體濃度超標時，能自動發(fā)出聲光報警，自動抽排有害氣體的控制電路。&l

2、t;/p><p>　　要求：當檢測到有害氣體意外排放超標時，發(fā)出警笛報警聲和燈光間歇閃爍的光報警提示，同時自行啟動抽排系統(tǒng)，以保障人們的生命財產安全。抽排完畢后，系統(tǒng)自動回到實時檢測狀態(tài)。</p><p>　　二、機器人行走電路設計</p><p>　　任務：設計一個能前進、后退的機器人行走控制電路。</p><p>　　要求：1、接通電源，機器

3、人前進，行走一段時間后，機器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復始。</p><p>　　2、機器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源。</p><p>　　3、機器人前進、后退時間可調。</p><p><b>　　初始條件： </b></p><p>　　實驗室提供萬用表、信號發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源、示波器

4、等設備。</p><p>　　學生已學習了大學基礎課程和《電路》、《模擬電子技術》、《數(shù)字電子技術》、《電力電子變流技術》等專業(yè)基礎課程。</p><p>　　學生已參加過電工電子實習，掌握了用PROTEL繪制電路圖的方法。</p><p><b>　　主要參考文獻</b></p><p>　　《新編電子電路大全》 第

5、1、2、3、4卷 中國計量出版社 組編</p><p>　　《傳感器及其應用電路》 何希才 編著 電子工業(yè)出版社</p><p>　　《電子線路綜合設計》 主編 謝自美 華中科技大學出版社</p><p>　　《集成電路速查手冊》 王新賢 主編 山東科學技術出版社</p><p>　　《電力電子電路設計》 鐘炎平

6、主編 華中科技大學出版社</p><p>　　《電子技術工藝基礎》 王天曦 李鴻儒 編著 清華大學出版社</p><p>　　要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）</p><p>　　課程設計結束時每個學生要提交一份按統(tǒng)一格式要求撰寫的課程設計報告，并裝訂成冊。</p><p>　　課程設

7、計報告中要求繪制方框圖、電原理圖，闡述電路工作原理、每個元器件的主要參數(shù)、設計電路的性能指標、課程設計感言等。</p><p>　　說明書中除個人簽名外，其它文字、符號、圖形或表格一律用計算機打印。</p><p>　　文字、符號、圖形等必須符合國家標準。</p><p>　　獨立完成設計任務，杜絕相互抄襲現(xiàn)象發(fā)生，避免剽竊。</p><p>

8、;　　時間安排：二周（6月24日—7月5日）。</p><p>　　6月24日上午，指導教師講授課程設計的有關基本知識，布置設計任務等；</p><p>　　6月24日下午——6月26日下午學生查閱資料；</p><p>　　6月27日上午——6月30日下午學生初步設計；</p><p>　　7月1日上午——7月1日上午檢查設計進度；<

9、/p><p>　　7月1日下午——7月3上午深化設計；</p><p>　　7月3日下午——7月4日上午答疑、質疑；</p><p>　　7月4日下午——7月4日下午進一步完善設計，形成設計報告電子文檔；</p><p>　　7月5日課程設計報告打印、裝訂、提交。</p><p>　　指導老師簽名：

10、 2013年7 月 17 日 </p><p>　　系主任（或負責教師）簽名： 2013年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　1有毒氣體檢測及抽排裝置2

11、</p><p>　　1.1設計任務與要求2</p><p>　　1.2方案論證與選擇2</p><p>　　1.2.1總體方案選擇2</p><p>　　1.2.2有毒氣體敏感元件選擇2</p><p>　　1.2.3振蕩電路的選擇3</p><p>　　1.3系統(tǒng)總體框圖4<

12、;/p><p>　　1.4具體設計方案與原理說明4</p><p>　　1.4.1總體原理說明4</p><p>　　1.4.2總體設計圖4</p><p>　　1.4.3電源部分5</p><p>　　1.4.5信號比較部分6</p><p>　　1.4.6報警器部分6</p&g

13、t;<p>　　1.4.7抽排風扇部分7</p><p>　　1.4.8警報燈部分7</p><p>　　1.5設計心得與體會8</p><p>　　2.機器人行走電路設計9</p><p>　　2.1設計任務與要求9</p><p>　　2.2方案的論證與選擇9</p><

14、;p>　　2.3系統(tǒng)總體框圖10</p><p>　　2.4具體設計方案與原理說明10</p><p>　　2.4.1總體原理說明10</p><p>　　2.4.2總體設計圖10</p><p>　　2.4.3信號發(fā)生部分11</p><p>　　2.4.4計數(shù)器部分12</p>&l

15、t;p>　　2.4.5譯碼顯示部分13</p><p>　　2.4.6電平轉化部分13</p><p>　　2.4.7電機驅動部分14</p><p>　　2.5設計心得與體會15</p><p><b>　　3附錄16</b></p><p>　　3.1有毒氣體抽排裝置元器件清單

16、16</p><p>　　3.2機器人行走電路元器件清單16</p><p>　　3.3主要芯片參數(shù)17</p><p>　　3.3.1 QM-N5型氣敏元件17</p><p>　　3.3.2 74L193計數(shù)器17</p><p>　　3.3.3 JK觸發(fā)器18</p><p>

17、　　3.3.4 74LS48譯碼器19</p><p><b>　　4參考文獻21</b></p><p>　　本科生課程設計成績評定表22</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　20世紀中期以后，由于晶體管技術和半導體集成電路技術的飛速發(fā)展，電子技術已成為當今科學技

18、術領域中最活躍、影響最廣泛的學科之一。電子技術在促進國防建設、科學技術研究、工農業(yè)生產、第三產業(yè)發(fā)展，提高人類居住和生活質量等方面發(fā)揮了極其重要的作用。</p><p>　　作為一名大學生，應努力學習文化知識，同時結合實際自己動手設計出符合一定要求的電子電路，鍛煉自己的動手能力，以便將來更好的投入到這方面的工作當中。因此做了此份課程設計報告。</p><p>　　此報告是包含本次電工電子綜

19、合課程設計。主要有以下兩個設計題目：一是有害氣體的檢測、報警、抽排。當檢測到有害氣體意外排放超標時，發(fā)出警笛報警聲和燈光間歇閃爍的光報警提示，同時自行啟動抽排系統(tǒng)，以保障人們的生命財產安，抽排完畢后，系統(tǒng)自動回到實時檢測狀態(tài);二是機器人行走電路設計。機器人行走動力使用干電池，接通電源，機器人前進，行走一段時間后，機器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復始，并且前進和后退的時間是可調的。</p><p>　　

20、關鍵字：555定時器、智能控制、氣敏傳感器、計數(shù)器</p><p>　　1有毒氣體檢測及抽排裝置 </p><p>　　1．1設計任務與要求</p><p>　　任務：設計一個能自動檢測有害氣體濃度，且當有害氣體濃度超標時，能自動發(fā)出聲光報警，能自動抽排有害氣體的控制電路。</p><p>　　要求：當檢測到有害氣體意外排放超標時，發(fā)出警笛報

21、警聲和燈光間歇閃爍的光報警提示，同時自行啟動抽排系統(tǒng)，以保障人們的生命財產安全。抽排完畢后，系統(tǒng)自動回到實時檢測狀態(tài)。</p><p>　　1.2方案論證與選擇</p><p>　　1.2.1總體方案選擇</p><p>　　本次設計有兩套方案可供選擇：其一是采用220V交流電源，經過變壓、整流與穩(wěn)壓后產生穩(wěn)定直流電源給各部分電路供電。之后利用氣敏電阻控制電壓比較器

22、，通過電壓比較器控制繼電器是否閉合來對聲光報警電路和氣體抽排電路實現(xiàn)控制。方案二是采用220V交流電源，經過變壓、整流與穩(wěn)壓后產生穩(wěn)定直流電源給各部分電路供電。之后利用氣敏電阻控制電壓比較器，使用單片機檢測電壓比較器輸出電壓，之后單片機對聲光報警電路和氣體抽排電路實現(xiàn)控制。</p><p>　　由方案對比可以看出，方案一簡捷易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性高，從經濟上看，方案二使用單片機價格過高，故采用方案一。</p>

23、;<p>　　1.2.2有毒氣體敏感元件選擇</p><p>　　本方案選擇的是QM-N5型氣敏元件，QM-N5型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導體氣敏元件，當元件接觸還原性氣體時，其電導率隨氣體濃度的增加而迅速升高。</p><p><b>　　特點：</b></p><p>　　1.用于可燃性氣體的檢測（CH

24、4、C4H10、H2等） 2.靈敏度高 3.響應速度快 4.輸出信號大 5.壽命長，工作穩(wěn)定可靠</p><p>　　1.2.3振蕩電路的選擇</p><p>　　在系統(tǒng)中，警報燈需要閃爍，警報器的頻率需要兩個來形成警笛，所以需要振蕩電路。本方案選擇采用以555芯片為主體的555振蕩電路。</p><p>　　圖1-1 555

25、定時器組成的多諧振蕩器電路圖</p><p>　　如圖1所示，由555組成的多諧振蕩器工作原理如下：</p><p>　　接通電源后，電容C被充電，當VC上升到2/3VCC時，觸發(fā)器被復位，同時發(fā)電BJT T導通，此時VO為低電壓，電容C通過R2和T放電，使VC下降。當VC下降到（1/3）VCC時，觸發(fā)器又被置位，VO翻轉為高電平。電容器C放電所需的時間為：</p><

26、p>　　tPL=R2Cln2，</p><p><b>　　可近似看成</b></p><p>　　tPL=0.7R2C</p><p>　　當C放電結束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C充電，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的時間為：</p><p>　　tPH=(R1+R2)Cln2，

27、</p><p><b>　　可近似看成</b></p><p>　　tPH=0.7(R1+R2)C</p><p>　　而當VC上升到（2/3）VCC時，觸發(fā)器又周而復始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為： </p><p>　　f=1/( tPL +tPH），可近似看成f=1.43/[(R1+2R2)C]&l

28、t;/p><p><b>　　1.3系統(tǒng)總體框圖</b></p><p><b>　　圖1-2設計框圖</b></p><p>　　1.4具體設計方案與原理說明</p><p>　　1.4.1總體原理說明</p><p>　　電路由220V交流電壓供電，經過整流，濾波，穩(wěn)壓電路后

29、產生所需電壓供電路使用。電壓輸出為12V，使用7812芯片。有毒氣體濃度升高，氣敏電阻隨著改變阻值。然后所得的電壓信號和標準電壓信號接入電壓比較器。電壓比較器輸出的控制繼電器是否閉合，從而決定是否給驅動電機與聲光報警電路供電及是否正常工作。</p><p>　　1.4.2總體設計圖</p><p>　　總體系統(tǒng)采用proteus仿真通過</p><p>　　圖1-3

30、 總體設計圖</p><p><b>　　1.4.3電源部分</b></p><p><b>　　圖1-4 電源部分</b></p><p>　　如圖3，采用220V交流供電，模擬現(xiàn)實環(huán)境中的工作電壓，因為電壓過高需要借助變壓器使電壓降低，經過由電橋構成的整流電路后，將交流電壓轉變?yōu)槊}動直流電壓，因為此時仍包含有紋波等雜波

31、輸出，再由電容濾波，輸出穩(wěn)定的直流電壓，經過7812芯片使輸出12V電壓，在經過電容是輸出更加穩(wěn)定的直流電壓。</p><p>　　1.4.5信號比較部分</p><p>　　圖1-5 比較器部分</p><p>　　圖中RV1為QM-N5型氣敏元件的代替，RV2為標準電壓信號的代替，U2為運算放大器。</p><p>　　1.4.6報警器部

32、分</p><p>　　圖1-6 聲報警部分</p><p>　　從圖中可以看出報警器驅動同樣利用了從運算放大器出來的電壓信號，然后經過三極管放大電流驅動繼電器。利用555為主芯片構成雙音頻振蕩器發(fā)出兩種頻率的信號，經過一個大功率三級管放大驅動喇叭，形成警笛聲。只要毒氣濃度高于標準值，運算放大器就會輸出高電壓信號，使繼電器閉合。555芯片的8腳的電平由低變高，開始工作，發(fā)出兩種頻率的震蕩波

33、，然后喇叭發(fā)出警笛聲，起到警報作用。</p><p>　　1.4.7抽排風扇部分</p><p>　　圖1-7風扇抽排部分</p><p>　　圖中的繼電器靠左的是電機的支路。電機和繼電器接在220V50Hz的交流電中。只要毒氣濃度高于標準值，運算放大器就會輸出高電壓信號，使繼電器閉合，電機開始工作，開始抽排有毒氣體。</p><p>　　1

34、.4.8警報燈部分</p><p>　　圖1-8 光報警部分</p><p>　　題目要求警報燈可以閃爍，并且頻率不能太快（否則會因為人的視覺暫留感覺不到閃爍），所以需要另外一個555振蕩器來控制頻率。用555的輸出來控制功率二極管Q1的通斷，從而控制警報燈的閃爍。</p><p>　　為了產生視覺暫留，選擇閃爍頻率在1Hz左右。因此需要對圖中R4和R5以及C6的值

35、進行特殊的選定。根據(jù)555振蕩器的頻率計算公式f=1.43/[(R4+2R5)C6]可以選擇。本方案中設定R4=R5=11k，C6=0.01uF。是閃爍的頻率在1Hz-2Hz之間。</p><p>　　555振蕩器輸出的波形如下：</p><p>　　圖1-9 振蕩器波形</p><p>　　1.5設計心得與體會</p><p>　　通過本

36、次設計，了解了氣體檢測的電路的搭建與實現(xiàn)。讓我在這方面對知識得以補充，彌補了這方面知識的空白，設計過程中我用自己學過的知識，再結合資料來實現(xiàn)題目要求。設計中隨時會出現(xiàn)各種問題，這需要自己來解決，這就提升了我的應變能力和自己解決問題的能力。這次設計也讓我學到的理論知識和實際應用得到結合。設計中的氣敏電阻對于我是一個完全不了解到元件，我通過查資料學會了它的實際使用。555定時器是數(shù)字電子技術課程中所學的知識，我通過改變適當元件的值來使之輸出

37、我需要的頻率的方波信號。</p><p>　　另外，設計過程也提高了我對仿真軟件的操作，熟悉了常用元件的調用，學會了用仿真軟件搭建電路，進行仿真，得到結果來證明設計方案是否正確。這次設計提升了我的很多重要的能力，對我以后的實際工作有很大的幫助。</p><p>　　2.機器人行走電路設計</p><p>　　2.1設計任務與要求</p><p&g

38、t;　　任務：設計一個能前進、后退的機器人行走控制電路。</p><p><b>　　要求：</b></p><p>　　1、接通電源，機器人前進，行走一段時間后，機器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復始。</p><p>　　2、機器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源。</p><p>　　3、機器人前

39、進、后退時間可調。</p><p>　　2.2方案的論證與選擇</p><p>　　方案一：通過單片機實現(xiàn)對電動機的正反轉，以及轉動周期，在電機方向控制電路部分采用L298N 專用驅動集成電路實現(xiàn)電機正反轉控制。</p><p>　　方案二:使用555定時器組成的多諧震蕩電路產生周期性的矩形脈沖信號，通過可變電阻控制震蕩周期，將矩形脈沖信號輸入到74161所組成的計

40、數(shù)器中進行分頻，以實現(xiàn)對機器人行走時間的可調，然后利用觸發(fā)器將分頻后的信號輸入到H橋電路，采用H橋電路來控制電機正反轉。</p><p>　　方案比較：方案一電路簡單而且能夠完美的滿足設計要求，但是對于本次設計來說成本太高，而且技術要求也較高；方案二在電路組成方面雖然較為繁瑣，但是也同樣能夠滿足設計所需要求，同時，成本也較低。</p><p><b>　　2.3系統(tǒng)總體框圖<

41、;/b></p><p><b>　　圖2-1</b></p><p>　　2.4具體設計方案與原理說明</p><p>　　2.4.1總體原理說明</p><p>　　本系統(tǒng)包含：信號發(fā)生部分（555定時器為主芯片組成的振蕩器）、計數(shù)器部分、譯碼顯示部分、電平轉換部分、電機機驅動部分。本設計信號發(fā)生器由555定時

42、器產生一個矩形波信號發(fā)生器，利用開關瞬時接地，使電路起振驅動74LS193加計數(shù)器計數(shù)。74LS193的輸出信號被7448用來輸出顯示意外，還將計數(shù)滿后的信號所觸發(fā)的下降沿送入JK觸發(fā)器。這樣JK觸發(fā)器產生的高低電平可以控制、三極管的導通與截止來控制直流電動機的正反轉，從而實現(xiàn)機器人的前進與后退。</p><p>　　2.4.2總體設計圖</p><p>　　總體系統(tǒng)采用proteus仿真

43、通過</p><p><b>　　圖2-2總體設計圖</b></p><p>　　2.4.3信號發(fā)生部分</p><p>　　圖2-3信號發(fā)生部分</p><p>　　如圖2-3所示，圖中是555定時器構成的多諧振蕩器。接通電源后，電容C被充電，當VC上升到2/3VCC時，觸發(fā)器被復位，同時晶體管導通，此時VO為低電壓，

44、電容C通過R2和T放電，使VC下降。當VC下降到（1/3）VCC時，觸發(fā)器又被置位，VO翻轉為高電平。電容器C放電所需的時間為：</p><p>　　tPL=R2Cln2 可近似看成tPL=0.7R2C</p><p>　　當C放電結束時，晶體管截止，VCC將通過R1、R21向電容器C充電，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的時間為：</p><p>

45、;　　tPH=(R1+R2)Cln2 可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C</p><p>　　而當VC上升到（2/3）VCC時，觸發(fā)器又周而復始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為：</p><p>　　f=1/( tPL +tPH) 可近似看成f=1.43/[(R1+R2)C] </p><p>　　根據(jù)這個原理，圖中的Rv1是一

46、個變阻器，可以調節(jié)計數(shù)周期，從而使機器人前進后退的時間可調，滿足設計要求。</p><p>　　2.4.4計數(shù)器部分</p><p>　　圖2-4 計數(shù)器部分</p><p>　　如圖2-4所示，方案中的計數(shù)部分使用的是4位預置計數(shù)器，但是因為在前幾個信號發(fā)生部分已經可以滿足時間調節(jié)的需求，所以這里沒有必要使用這個功能。圖中計數(shù)器的CLKU端接著555振蕩器的輸出來

47、觸發(fā)內部時鐘計數(shù)。ABCD四個輸出端接在7448的輸入端使系統(tǒng)滿足顯示的要求。</p><p>　　2.4.5譯碼顯示部分</p><p>　　圖2-5譯碼顯示部分</p><p>　　如圖2-5所示，7448的輸入接在上一級計數(shù)器40193的輸出，進行倒退和前進時間的顯示。</p><p>　　2.4.6電平轉化部分</p>

48、<p>　　圖2-6電平轉化部分</p><p>　　從40193計數(shù)器出來的信號一方面送進顯示，另一方面進過一個與門后給JK觸發(fā)器提供下降沿。</p><p>　　根據(jù)要求應該讓JK觸發(fā)器的輸出電平周期翻轉。所以方案中，JK觸發(fā)器的J引腳和K引腳應該同時接在Vcc上，在功能上滿足要求。輸出端Q和Q非分別接后續(xù)電機驅動部分的不同的三極管組上，使電機可以在電壓上得到方向變化。<

49、;/p><p>　　2.4.7電機驅動部分</p><p>　　圖2-7電機驅動部分</p><p>　　如圖所示，三極管Q1和Q4接在JK觸發(fā)器的正輸出端，三極管Q2和Q3接在JK觸發(fā)器的負輸出端。這樣電機可以得到電壓方向的改變。</p><p>　　2.5設計心得與體會</p><p>　　通過本次設計，讓我對電子仿真

50、軟件的使用更加熟練。通過仿真軟件可以進行設計仿真，檢驗自己的設計是否正確是否符合要求。在設計的過程中，會遇到各種問題，在解決這些問題的過程中我的各方面能力得到提高，如應變能力學習能力等，這些都會對我以后的生活工作有很大幫助。同時設計業(yè)讓我所學的理論知識與實踐相結合，讓我了解了兩者相結合的重要性，理論可以幫助實踐，但實踐可以驗證理論。</p><p><b>　　3附錄</b></p&g

51、t;<p>　　3.1有毒氣體抽排裝置元器件清單</p><p>　　3.2機器人行走電路元器件清單</p><p><b>　　3.3主要芯片參數(shù)</b></p><p>　　3.3.1 QM-N5型氣敏元件</p><p>　　QM-N5型氣敏元件適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油

52、、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，屬于N型半導體元件。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應和恢復時間短，市場上應用廣泛。</p><p>　　QM-N5氣敏元件參數(shù)如下：標定氣體中電壓≥2V，響應時間≤10S，恢復時間≤30S，最佳工作條件加熱電壓5V、測量回路電壓10V、負載電阻RL為2K，允許工作條件加熱電壓4.5～5.5V、測量回路電壓5～15V、負載電阻0.5～2.2K。</p><p>　　3

53、.3.2 74L193計數(shù)器</p><p>　　74LS193計數(shù)器真值表：</p><p><b>　　圖3-1</b></p><p>　　74LS192管腳圖：</p><p><b>　　圖3-2</b></p><p>　　74LS193具體功能：</p&g

54、t;<p><b>　　異步清零：</b></p><p>　　當MR=1時，計數(shù)器輸出將直接清零，與其他輸入端的狀態(tài)無關，這就是異步清零。</p><p><b>　　加、減計數(shù)功能：</b></p><p>　　當MR=0,PL=1,CPD=1時，CPU端接脈沖信號，就實現(xiàn)了加計數(shù)功能；相反，當MR=0,

55、PL=1,CPU=1時，CPD端接脈沖信號，就實現(xiàn)了減計數(shù)功能。</p><p><b>　　置數(shù)功能：</b></p><p>　　當MR=0，PL=0時，計數(shù)器輸出端與輸入端相同，即實現(xiàn)置數(shù)功能。</p><p>　　3.3.3 JK觸發(fā)器</p><p><b>　　JK觸發(fā)器真值表：</b>

56、</p><p><b>　　表3-1</b></p><p><b>　　Jk觸發(fā)器邏輯圖：</b></p><p><b>　　圖3-3</b></p><p>　　3.3.4 74LS48譯碼器</p><p>　　74LS48譯碼器管腳圖：

57、 </p><p><b>　　圖3-4</b></p><p>　　74LS48譯碼器邏輯圖：</p><p><b>　　圖3-5</b></p><p>　　74LS48譯碼器真值表：</p><p><b>　　圖3-6</b><

58、;/p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 謝自美 《電子線路綜合設計》，武漢，華中科技大學出版社，2007</p><p>　　[2] 周新民 《工程實踐與訓練教程（電工電子部分）》，武漢，武漢理工大學出版社，2009</p><p>　　[3] 伍時和 吳友宇 凌玲 《數(shù)字電子技術基礎》 北