有害氣體聲光報警器和機器人行走控制電路

1、 前言設(shè)計一個能自動檢測有害氣體濃度，且當(dāng)有害氣體濃度超標(biāo)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。本設(shè)計運用555定時器，氣敏電阻來主控電路，實現(xiàn)要求的功能。設(shè)計一個能前進、后退的機器人行走控制電路。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(fù)始 ；機器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源；機器人前進、后退時間可調(diào)。本設(shè)計以單片機為中心，控制機器人的行走目錄一有害氣體聲光報警器31.1意義與要求31.2設(shè)計總體方案3設(shè)計思路3總體方框圖4完整原理圖4制圖61.3設(shè)計原理分析6聲光報警及抽排電路6氣敏傳感器部分的電路7電源電路8整體工作原理說明91.4所用芯

2、片及其他器件說明11定時器11氣敏傳感器11繼電器12附表一：聲光報警器設(shè)計所用器件13二機器人行走控制電路142.1意義與要求142.2設(shè)計總體方案14設(shè)計思路14總體方框圖15完整原理圖15制圖172.3設(shè)計原理分析18單片機外圍電路18電機控制電路19鍵盤輸入及控制電路20顯示控制電路21整體工作原理說明212.4程序22程序設(shè)計思路22整體程序及說明232.5主要器件說明24驅(qū)動芯片L298N24附表二：機器人設(shè)計所用器件25三設(shè)計體會及小結(jié)26一有害氣體聲光報警器1.1意義與要求意義：運用電子技術(shù)及相關(guān)知識設(shè)計有害氣體聲光報警器，且具有自動抽排功能。掌握傳感器等一些器件的運用，設(shè)計簡

3、單的有害氣體檢測電路，聯(lián)系實際，同時提高動手，思考能力。要求：設(shè)計一個能自動檢測有害氣體濃度，且當(dāng)有害氣體濃度超標(biāo)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。當(dāng)檢測到有害氣體意外排放超標(biāo)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(chǎn)安全。抽排完畢后，系統(tǒng)自動回到實時檢測狀態(tài)。1.2設(shè)計總體方案設(shè)計思路氣敏傳感器是利用物質(zhì)效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)對氣體中的某些成分進行檢測的器件，譬如半導(dǎo)體氣敏傳感器主要是利用半導(dǎo)體與某些氣體接觸時，其特性將發(fā)生變化這一現(xiàn)象來檢測氣體的成分或濃度。故可利用這一特性，來設(shè)計電路。QM-N5氣敏傳感器可用于檢測一些可燃性氣體，

4、如家用煤氣，液化石油氣等氣體。當(dāng)看可燃?xì)怏w濃度增大，氣敏傳感器QM-N5的等效電阻降低，用電壓比較器作為控制部分，當(dāng)輸入電壓大小反過來時，輸出就會有高低電平的變化，就利用這高低電平的變化來控制聲光報警及有害氣體的抽排。聲光報警電路可用555組成的多諧振蕩電路來控制，555組成的電路輸出方波信號，驅(qū)動揚聲器發(fā)出報警聲音，驅(qū)動燈來得到閃爍的警燈本設(shè)計電路要用到繼電器，來作為聲光報警器的工作控制電路?？傮w方框圖 有害氣體濃度是否達(dá)到一定值？電壓比較器輸出低電平，繼電器不閉合，聲光報警器不工作，電壓比較器輸出高電平，繼電器工作，使聲光報警器及抽排電路工作是否 QM-N5氣敏傳感器電源電路圖2-1：聲光

5、報警器原理方框圖 完整原理圖用protues軟件繪制成如下系統(tǒng)原理圖 圖2-2：系統(tǒng)原理圖CB制圖 圖2-3：PCB制圖1.3設(shè)計原理分析聲光報警及抽排電路 圖3-1：聲光報警及抽排電路 原理說明：圖3-1中用繼電器控制聲光報警及風(fēng)扇抽排電路。如上圖中的標(biāo)注所示，繼電器的電感線圈的一端與電壓比較器輸出端相連。當(dāng)電壓比較器輸出“低電平”時，繼電器內(nèi)部的“開關(guān)”打開，聲光報警電路及風(fēng)扇抽排電路不工作；當(dāng)電壓比較器輸出“高電平”時，繼電器內(nèi)部“開關(guān)閉合，聲光報警電路及風(fēng)扇抽排電路在電源的供電下開始工作。555多諧振蕩器輸出端為個周期性的方波，其頻率為： f=1/( tPL +tPH)， 可近似看成f

6、=1.43/(R1+R2)C本設(shè)計中R1=22k,R2=11k,C=33uf,可算得f約為1hz,即555多諧振蕩器會產(chǎn)生一秒的連續(xù)脈沖。至于555多諧振蕩器的詳細(xì)原理說明見1.4節(jié)。下面一副截圖為555定時電路在正常工作下時所輸出的波形 圖3-2：555定時電路輸出波形氣敏傳感器部分的電路 圖3-3：氣敏傳感器部分電路 原理說明：對于圖3-3當(dāng)空氣中的有害氣體濃度未達(dá)到一定值時，QM-N氣敏傳感器電阻值很大，使電壓比較器正相輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓，電壓比較器的輸出端為“低電平”，繼電器不工作：如果空氣中的有害氣體濃度達(dá)到一定值時，傳感器的電阻值變小，使電壓比較器正相輸入端電壓大于反

7、向輸入端電壓，比較器輸出“高電平”，繼電器工作，從而驅(qū)動聲光報警及風(fēng)扇抽排電路。 改變RV2滑動變阻器的阻值，可以改變電壓比較器的反相輸入端的電壓，使聲光報警及風(fēng)扇抽排電路可以在有害氣體不同濃度下工作，即用氣敏傳感器實現(xiàn)對有害氣體不同濃度的測量。1.3.3電源電路 圖3-4：電源部分電路 原理說明：圖3-4電路由家用220v電壓，變壓器，整流電路，及濾波穩(wěn)壓電路組成，實現(xiàn)交流電到直流電的轉(zhuǎn)變，在供電給后續(xù)電路工作。 電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的

8、直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動，負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流，濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動，負(fù)載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。整體工作原理說明 由220V的交流電壓經(jīng)電源變壓器，整流電路，濾波和穩(wěn)壓電路等四部分后變?yōu)橹绷麟妷?，供氣敏傳感器及聲光報警電路工作，而風(fēng)扇是由220V的交流電驅(qū)動。當(dāng)空氣中的有害氣體濃度未達(dá)到一定值時，QM-N氣敏傳感器電阻值很大，使電壓比較器正相輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓，電壓比較器的輸出端為“低電平”，繼電器不工作：如果空氣中的有害氣體濃度達(dá)到一定值時，傳感器的電阻值變小，使電壓比較器正相輸入端電壓大于反向

9、輸入端電壓，比較器輸出“高電平”，繼電器工作，從而驅(qū)動聲光報警及風(fēng)扇抽排電路。當(dāng)室內(nèi)有害氣體的體積分?jǐn)?shù)降到某一預(yù)定值時，該控制器會自動切斷排風(fēng)扇和聲、光報警電路的工作電源，使其停止工作，從而達(dá)到了自動控制室內(nèi)有害氣體的目的。下圖（圖3-5）中用滑動變阻器RV1代替氣敏電阻，當(dāng)滑動變阻器阻值變小時，電壓比較器正相端電壓變大，大于反相端電壓時輸出為高電平，使繼電器共作，聲光報警電路工作;反之不工作。 圖3-5：整體電路1.4所用芯片及其他器件說明定時器圖4-1：555定時器組成的多諧振蕩器電路圖如圖4-1所示：由555組成的多諧振蕩器工作原理如下：接通電源后，電容C被充電，當(dāng)VC上升到2/3VCC

10、時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時發(fā)電BJT T導(dǎo)通，此時VO為低電壓，電容C通過R2和T放電，使VC下降。當(dāng)VC下降到（1/3）VCC時，觸發(fā)器又被置位，VO翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為： tPL=R2Cln2，可近似看成tPL=0.7R2C當(dāng)C放電結(jié)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： tPH=(R1+R2)Cln2，可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C而當(dāng)VC上升到（2/3）VCC時，觸發(fā)器又周而復(fù)始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為： f=1/( tPL +tPH)，可近似看成f=1.43/(R1+R2

11、)C QM-N5氣敏傳感器氣體與人類的日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。 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、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，屬于N型半導(dǎo)體元件。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應(yīng)和恢復(fù)時間短，市場上應(yīng)用廣泛。QM-N5氣敏元件參數(shù)如下：標(biāo)定氣體（0.1%丁烷氣體，最佳工作條件）中電壓2V，響應(yīng)時間10S，恢復(fù)時間30S，最佳工作條件加熱電壓5V、測量回路電壓10V、負(fù)載電阻RL為2K，允許工作條件加熱電壓4.55.5V、測量回路電壓515V、負(fù)載電阻0.52.2K。繼電器繼電器

12、是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。 電磁繼電器的工作原理和特性 電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋

13、放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。 選用繼電器時，一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據(jù)?？刂齐娐窇?yīng)能給繼電器提供足夠的工作電流，否則繼電器吸合是不穩(wěn)定的。 查閱有關(guān)資料確定使用條件后，可查找相關(guān)資料，找出需要的繼電器的型號和規(guī)格號。若手頭已有繼電器，可依據(jù)資料核對是否可以利用。最后考慮尺寸是否合適。若是用于一般用電器，除考慮機箱容積外，小型繼電器主要考慮電路板安裝布局。對于小型電器，如玩具、遙控裝置則應(yīng)選用超小型繼電器產(chǎn)品附表一：聲光報警器設(shè)

14、計所用器件名稱型號規(guī)格位號數(shù)量電原220V，50hzV1一個變壓器TRAN-2P2STR1一個電橋電路DF02MBR1一個風(fēng)扇無無一個555芯片NE555U1一個報警燈LED-REDD6一個報警喇叭SpeakerLS1一個繼電器無 無一個電壓比較器COMPIU2一個穩(wěn)壓管BZX85C12RD1一個氣敏傳感器QM-N5無一個三極管2N3019Q2一個二極管UF5404D2一個滑動變阻器10KRV1,RV2兩個電解電容500ufC1,C2兩個電容33ufC3一個電容0.01ufC4一個電阻240R1 一個電阻510R2，R3兩個電阻470R4一個電阻30R5一個電阻22KR6一個電阻11KR7一個

15、電阻1KR8，R9一個二機器人行走控制電路2.1意義與要求意義：運用自學(xué)的單片機設(shè)計簡單的小車控制電路，把理論與實際相結(jié)合，能夠更好的掌握單片機的應(yīng)用，同時提高自己的動手能力。同時結(jié)合電子技術(shù)基礎(chǔ)知識設(shè)計電路，提高自己的運用，思考能力。要求：設(shè)計一個能前進、后退的機器人行走控制電路。當(dāng)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(fù)始；機器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源；機器人前進、后退時間可調(diào)。2.2設(shè)計總體方案設(shè)計思路用單片機作主控芯片，用數(shù)字鍵盤作為輸入部分，控制時間的輸入，同時用七段數(shù)碼管顯示（用七段顯示譯碼器驅(qū)動顯示）。直流電機用單片機

16、控制，同時用H橋電路作為電機的正反轉(zhuǎn)控制電路。 程序部分根據(jù)以上思路編寫?？傮w方框圖 單片機鍵盤輸入電路顯示電路電機控制電路 圖2-1：機器人行走控制原理方框圖 完整原理圖用protues軟件繪制成如下系統(tǒng)原理圖（圖2-2） 圖2-2整體原理圖CB制圖 圖2-3：PCB制圖2.3設(shè)計原理分析 單片機外圍電路 圖3-1：單片機外圍電路說明：圖3-1是單片機外圍基本電路。只有具備這些基本外圍電路，單片機才能正常工作（注意：其中單片機電源，接地端被隱藏） 外圍基本電路有時鐘產(chǎn)生電路（本電路用內(nèi)部產(chǎn)生方式），復(fù)位電路（本電路帶有手動復(fù)位，便于控制單片機的復(fù)位電機控制電路 圖3-2：電機控制電路工作原理

17、說明：芯片L298是恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片，內(nèi)部是由兩塊H橋電路封裝而成。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功能模塊ENAIN1 IN2運轉(zhuǎn)狀態(tài) 0任意 任意停止 1 1 0正轉(zhuǎn) 1 01 反轉(zhuǎn) 1 11制停 1 0 0 停止 由表一L298功能模塊可以看出電機的工作狀況，由單片機控制IN1,IN2的輸入，從而很好的控制電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，達(dá)到設(shè)計目的。恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片L298的具體介紹見2.5節(jié)。鍵盤輸入及控制電路 圖3-3：鍵盤輸入及控制電路 原理說明：圖中的MM74C922為鍵盤控制芯片。MM74C922

18、與數(shù)字鍵盤的對應(yīng)關(guān)系如下面的表格所示，并在上圖中表上了各鍵的代表數(shù)字。沒有鍵按下時，MM74C922中的OA=0，當(dāng)有鍵按下時OA=1，經(jīng)反相器，使輸出時能端“OE非”（即十三腳）為0，此時鍵值（二進制）由A,B,C,D輸出，把A，B，C，D相應(yīng)的輸入單片機，單片機就可得到相應(yīng)的值，再經(jīng)數(shù)碼管顯示出來即可，同時可以控制機器人的前進，后退時間。 表二：MM74C922與數(shù)字鍵盤的對應(yīng)關(guān)系開關(guān)位置0Y1,X11Y1,X22Y1,X33Y1,X44Y2,X15Y2,X26Y2,X37Y2,X48Y3,X19Y3,X210Y3,X311Y3,X412Y4,X113Y4,X214Y4,X315Y4,X4

19、A0101010101010101B0011001100110011C0000111100001111D0000000011111111顯示控制電路 圖3-4：顯示控制電路原理說明：七段顯示譯碼器74LS47為輸出低電平有效，用以驅(qū)動共陽極顯示器，它把由ABCD輸入的二進制譯碼后，顯示在數(shù)碼管上，直觀的顯示了時間。74LS47的具體說明見2.5節(jié)整體工作原理說明當(dāng)數(shù)字鍵盤有鍵按下時，經(jīng)MM74C922鍵盤控制芯片，使輸出相應(yīng)的二進制，此二進制輸入單片機，單片機“記住“輸入的數(shù)據(jù)，再由程序控制，輸出并顯示在數(shù)碼管上：同時控制電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)時間，實現(xiàn)整個電路的正常運行。.程序程序設(shè)計思路數(shù)字鍵盤

20、有鍵按下，輸入中進退時間控制開關(guān)打開程序控制鍵打開，即電機控制，包括時間，循環(huán)進行結(jié)束存儲鍵入的值于中并顯示存儲鍵入的值于中并顯示開始 圖4-1程序設(shè)計思路整體程序及說明#include "reg51.h" sbit in1=P35; sbit in2=P36; sbit da=P30;sbit kts=P31; /跳出'顯示'程序控制端sbit kqbh=P32; / 顯示控制端char a2=0;void delay1s(void)/1秒延時程序 unsigned char i,j,k;for(k=100;k>0;k-)for(j=20;j>

21、0;j-)for(i=248;i>0;i-);void main() while(1) if(da=1) if (kqbh=1) a0=P0;P1=a0; /存儲前進顯示時間于a0中 else a1=P0;P2=a1; /存儲'后退'顯示時間于a1中 if(kts=0)break; while(1) in1=1; in2=0; for(;P1>0;P1-) /'前進'顯示程序 delay1s(); delay1s(); P1=a0; in1=0; in2=1; for(;P2>0;P2-) /'后退'顯示程序 delay1s()

22、; delay1s(); P2=a1; 2.5主要器件說明驅(qū)動芯片L298NL298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V。輸出電流可達(dá)25 A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。表1是L298N功能邏輯圖。 In3，In4的邏輯圖與表1相同。由表1可知EnA為低電平時，輸入電平對電機控制起作用，當(dāng)EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。附表二：機器人設(shè)計所用器件名稱規(guī)格型號位號數(shù)量單片機AT89C51U1一片電機驅(qū)動芯片