基于有害氣體檢測(cè)與抽排電路設(shè)計(jì)和機(jī)器人行走電路課程設(shè)計(jì)

摘要無(wú)可置疑隨著現(xiàn)代生活的迅猛發(fā)展電子技術(shù)以及集成電路已經(jīng)深入我們的日常生活在我們的日常學(xué)習(xí)生活和工作中都起著無(wú)可替代的作用，日常生活中，我們因?yàn)槊簹獾男孤抖饌鍪鹿剩蝗藗冞€希望機(jī)器人可以代替我們做事情避免一些勞苦級(jí)危險(xiǎn)的侵害針對(duì)以上兩種情況我們一發(fā)現(xiàn)有害氣體為目標(biāo)發(fā)出聲光警報(bào)為提示設(shè)計(jì)了第一個(gè)聲光報(bào)警電路。機(jī)器人電路要求是可以前后運(yùn)動(dòng)。這兩個(gè)電路時(shí)模擬電路和數(shù)字電路的綜合應(yīng)用用到了555、電橋等工具本次用proteus元件來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真，最終應(yīng)用與實(shí)踐。關(guān)鍵字：555定時(shí)器電機(jī)電橋proteus1有害氣體檢測(cè)與抽排意義與要求1.1.1意義運(yùn)用電子技術(shù)及相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)有害氣體聲光報(bào)警器，且具有自動(dòng)抽排功能。運(yùn)用相關(guān)元器件設(shè)計(jì)出電路圖，并在相關(guān)仿真中觀察效果。制作中要聯(lián)系實(shí)際，同時(shí)鍛煉自己的動(dòng)手能力，加強(qiáng)自身的分析，綜合能力。1.1.2要求設(shè)計(jì)一個(gè)能自動(dòng)檢測(cè)有害氣體濃度，且當(dāng)有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，能自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，能自動(dòng)抽排有害氣體的控制電路。當(dāng)檢測(cè)到有害氣體意外排放超標(biāo)時(shí)，發(fā)出警笛報(bào)警聲和燈光間歇閃爍的光報(bào)警提示，同時(shí)自行啟動(dòng)抽排系統(tǒng)，以保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。抽排完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)回到實(shí)時(shí)檢測(cè)狀態(tài)。1.2總體框架設(shè)計(jì)電機(jī)抽排系統(tǒng)有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)電機(jī)抽排系統(tǒng)有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)聲光報(bào)警系統(tǒng)聲光報(bào)警系統(tǒng)圖1.1系統(tǒng)框架圖開始開始電源電壓經(jīng)變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓供給后續(xù)模塊電源電壓經(jīng)變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓供給后續(xù)模塊否否氣敏電阻檢測(cè)氣體是否超標(biāo)氣敏電阻檢測(cè)氣體是否超標(biāo)是是聲光報(bào)警，電機(jī)抽排有害氣體聲光報(bào)警，電機(jī)抽排有害氣體結(jié)束工作結(jié)束工作圖1.2系統(tǒng)流程圖1.3氣敏元件的選取氣敏元件的參數(shù)主要有加熱電壓、電流，測(cè)量回路電壓，靈敏度，響應(yīng)時(shí)間，恢復(fù)時(shí)間，標(biāo)定氣體（0.1%丁烷氣體）中電壓，負(fù)載電阻值等。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(cè)，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(shí)間短，市場(chǎng)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(shí)間≤10S，恢復(fù)時(shí)間≤30S，最佳工作條件加熱電壓5V、測(cè)量回路電壓10V、負(fù)載電阻RL為2K，允許工作條件加熱電壓4.5～5.5V、測(cè)量回路電壓5～15V、負(fù)載電阻0.5～2.2K。下圖為氣敏元件的簡(jiǎn)單測(cè)試電路（組成傳感器），電壓表指針變化越大，靈敏度越高；只要加一簡(jiǎn)單電路可實(shí)現(xiàn)報(bào)警。常見(jiàn)的氣敏元件還有MQ-31（專用于檢測(cè)CO），QM-J1酒敏元件等。.圖1.1總體設(shè)計(jì)圖總體原理說(shuō)明：電源由220v交流電壓供電，為了器件能在正常電壓下工作，則需外加變壓器使之輸出合適的電壓值，再經(jīng)過(guò)整流，濾波，穩(wěn)壓電路。最終輸出恒定直流。本電路圖中用滑動(dòng)變阻器來(lái)代替了，因?yàn)樵趐roteus中氣敏元件不好設(shè)計(jì)。1.3.2電源電路如圖，電源采用220v交流供電，模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的工作電壓，因而要接變壓器使之輸出的電壓在氣敏電阻工作電壓范圍內(nèi)，電源后接變壓器使之電壓降低。此時(shí)輸出為交流電壓，其它電路供電必須采用直流電壓。經(jīng)過(guò)由電橋構(gòu)成的整流電路后，將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)直流電壓，因?yàn)榇藭r(shí)仍包含有紋波等雜波輸出，再經(jīng)過(guò)濾波電路后，輸出為單一的直流電壓，而此時(shí)電壓仍會(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)波動(dòng)，負(fù)載與溫度的影響產(chǎn)生波動(dòng)，就必須再加穩(wěn)壓電路使之輸出電壓為恒定直流電壓，驅(qū)動(dòng)后面電路工作。排放電路圖1.3有害氣體檢測(cè)與抽排電路圖當(dāng)工作環(huán)境中有害氣體濃度不超標(biāo)時(shí)，氣敏電阻值很?。ɑ瑒?dòng)變阻器代替），通過(guò)變壓比較器輸出的電壓為低電平，繼電器不工作，聲光報(bào)警與電機(jī)電路不工作。當(dāng)有害氣體濃度過(guò)高時(shí)，氣敏電阻QM-N5電阻值變小，電壓比較器輸出高電平，繼電器內(nèi)部開關(guān)閉合，啟動(dòng)聲光報(bào)警與電機(jī)，對(duì)有害氣體進(jìn)行抽排。而為了能通過(guò)在不同有害氣體濃度下工作，則可通過(guò)調(diào)節(jié)RV3的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)在不同濃度下工作。注：此處由于在元件庫(kù)中找不到QM-N5器件，故用滑動(dòng)變阻器代替。1.3.4聲光報(bào)警電路圖1.4聲光報(bào)警電路圖聲光報(bào)警電路通過(guò)兩個(gè)555定時(shí)器發(fā)出的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)喇叭工作，而采用兩個(gè)555定時(shí)器則可發(fā)出不同頻率的方波，使得喇叭發(fā)出警笛聲。實(shí)現(xiàn)警笛聲音。當(dāng)繼電器內(nèi)部閉合，為555定時(shí)器供電，使之發(fā)出方波信號(hào)，促使燈泡發(fā)光，喇叭報(bào)警。圖中555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器輸出方波，其頻率為f=1/(tPL+tPH)，近似可看成f=1.43/[(R1+R2)C]。其輸出波形為圖1.5555仿真圖1.4.1總體原理說(shuō)明外接的220v工作電壓經(jīng)變壓器變壓后，交流電壓再由整流電路變?yōu)橹绷麟妷?，因此時(shí)，電壓中仍含紋波電壓，則再必須經(jīng)過(guò)濾波電路變?yōu)閱我恢绷麟妷?。由于在工作中，電壓?huì)受到電網(wǎng)電壓波動(dòng)，溫度及負(fù)載的影響，難免會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，因此電路中要新增穩(wěn)壓器使之電壓恒定，不受外部因素干擾。對(duì)于有害氣體檢測(cè)，QM-N5通過(guò)感知有害氣體濃度變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)抽排與報(bào)警電路控制。當(dāng)氣體濃度偏低時(shí)，其電阻很大，電壓比較器輸出低電平，繼電器不閉合，報(bào)警與抽排電路不工作。當(dāng)氣體濃度升高時(shí)，氣敏電阻值變小，電壓比較器輸出高電平，繼電器開關(guān)閉合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)抽排并聲光報(bào)警。為了能使系統(tǒng)能在不同濃度下工作，可調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RV2,來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，對(duì)proteus這一軟件的應(yīng)用更加熟練了，并且對(duì)模擬電路和數(shù)字電路的知識(shí)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，與此同時(shí)在不斷的仿真修改電路、查閱資料的過(guò)程中對(duì)自動(dòng)化這一專業(yè)了解更深刻了。同時(shí)自己的編程能力也有很大提高。2機(jī)器人行走電路設(shè)計(jì)2.1意義與要求2.1.1意義運(yùn)用自學(xué)的單片機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的小車控制電路，把理論與實(shí)際相結(jié)合，能夠更好的掌握單片機(jī)的應(yīng)用，同時(shí)提高自己的動(dòng)手能力。同時(shí)結(jié)合電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)設(shè)計(jì)電路，提高自己的運(yùn)用，思考能力。2.1.2要求接通電源，機(jī)器人前進(jìn)，行走一段時(shí)間后，機(jī)器人自動(dòng)后退，退行一段時(shí)間后自動(dòng)前行，周而復(fù)始。機(jī)器人行走動(dòng)力只能使用干電池，不能使用動(dòng)力電源。機(jī)器人前進(jìn)、后退時(shí)間可調(diào)。2.2總體框架設(shè)計(jì)555定時(shí)器構(gòu)成的脈沖激發(fā)模塊555定時(shí)器構(gòu)成的脈沖激發(fā)模塊時(shí)間顯示模塊計(jì)數(shù)模塊時(shí)間顯示模塊計(jì)數(shù)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊開始開始555定時(shí)器輸出脈沖信號(hào)555定時(shí)器輸出脈沖信號(hào)開始計(jì)數(shù)開始計(jì)數(shù)電機(jī)正轉(zhuǎn)否否計(jì)數(shù)器歸零計(jì)數(shù)器歸零是是電機(jī)反轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向結(jié)束結(jié)束

2.3設(shè)計(jì)原理圖及分析2.3.1總體設(shè)計(jì)圖圖2.3總體設(shè)計(jì)原理圖總體原理說(shuō)明：由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并且顯示在7段數(shù)碼顯示屏上，當(dāng)計(jì)數(shù)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)來(lái)觸發(fā)JK觸發(fā)器，JK觸發(fā)器是電機(jī)兩端的電平發(fā)生逆轉(zhuǎn)，從而反轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)滑阻RV1來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)間。2.3.2555控制器電路與計(jì)時(shí)電路圖2.4555控制器電路圖如圖所示，接通電源，由555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生發(fā)廣播脈沖信號(hào)，電容C1被充電，當(dāng)Vc上升到2/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，電容C1通過(guò)R2和T放電，使Vc下降。當(dāng)Vc下降到1/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器又被置位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。使3端輸出方波信號(hào)，此方波信號(hào)的周期T=0.7（R1+2RV2）C1，通過(guò)對(duì)RV1的調(diào)節(jié)可以改變3端輸出的方波信號(hào)的周期T，從而控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)間。而555定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在4.5V~16V工作，它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電管T及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC/3和2VCC/3。555定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng)5腳懸空時(shí)，則電壓比較器A1的反相輸入端的電壓為2VCC/3，A2的同相輸入端的電壓為VCC/3。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC/3，則比較器A2的輸出為1，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于2VCC/3，同時(shí)TR端的電壓大于VCC/3，則A1的輸出為1，A2的輸出為0，可將RS觸發(fā)器置0，使輸出為0電平。多諧振蕩電路產(chǎn)生方波信號(hào)接入到74161時(shí)鐘端，驅(qū)動(dòng)74161進(jìn)行加計(jì)數(shù)。圖中74161接成了10進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)滿十時(shí)通過(guò)7403與非門接入到清零端進(jìn)行清零。由于計(jì)數(shù)到10時(shí)，便會(huì)立刻清零，不會(huì)在數(shù)碼管上顯示，所以此時(shí)信號(hào)很弱，不可以作為觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)JK觸發(fā)器，JK觸發(fā)器觸發(fā)信號(hào)是計(jì)數(shù)到9時(shí)，通過(guò)7403輸出下降沿信號(hào)觸發(fā)。數(shù)碼顯示電路通過(guò)，74248驅(qū)動(dòng)的七段共陰極數(shù)碼管進(jìn)行顯示。對(duì)于74161芯片，其邏輯圖為2.3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖2.7電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖原理說(shuō)明：系統(tǒng)通過(guò)L298來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接4．5～7V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2．5～46V。輸出電流可達(dá)2．5A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。2.4系統(tǒng)仿真圖圖2.9系系統(tǒng)仿真圖·總體原理說(shuō)明：有以上分析可得，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RV1，來(lái)控制多諧振蕩器的周期，從而來(lái)控制小車前進(jìn)與倒退的時(shí)間，因而可以較精確地實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)后退且時(shí)間可調(diào)的功能，當(dāng)計(jì)數(shù)器加到設(shè)定的時(shí)間，會(huì)給JK觸發(fā)器一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，使其Q端電壓偏轉(zhuǎn)，通過(guò)輸入給L298使電機(jī)兩端電壓改變從而達(dá)到反轉(zhuǎn)目的。2.4.2小結(jié)與體會(huì)通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，讓我對(duì)一些電子電工設(shè)計(jì)軟件也有了很大的提高，例如Proteus在此次設(shè)計(jì)中幫到很大忙，也在實(shí)踐過(guò)程中更加熟練的運(yùn)用了proteus。通過(guò)它們可以進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我遇到了一些難題，例如仿真軟件操作問(wèn)題；通過(guò)上網(wǎng)查閱相關(guān)教程，鍛煉了自身的自學(xué)能力，也同時(shí)與同學(xué)相互探討，培養(yǎng)了自身的協(xié)作能力。要把理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐是必須的，學(xué)生必須盡力為自己尋找一些實(shí)驗(yàn)，動(dòng)手的機(jī)會(huì)。課程設(shè)計(jì)為我們提供了這樣的機(jī)會(huì)。課設(shè)過(guò)程中，大家自己獨(dú)立思考，完成老師布置的題目，學(xué)習(xí)了很多東西，把自己所學(xué)用于實(shí)際，附錄附錄一有害氣體檢測(cè)與抽排所用器件元件型號(hào)參數(shù)數(shù)量交流電源vsine1電橋Bridge1變壓器Tran-2p2s1普通電阻Res1K3滑動(dòng)變阻器Pot-lin3二極管Diode1喇叭Speaker1燈泡Lamp1555定時(shí)器Ne5551電解電容Cap-elec2普通電容Cap4繼電器Rly-dpno1直流電機(jī)motor17812集成穩(wěn)壓器Lm78121電壓比較器Comp11附錄二機(jī)器人行走電路設(shè)計(jì)所用元件元件型號(hào)參數(shù)數(shù)量電容Cap2555定時(shí)器Ne5551電機(jī)Motor2電阻Res1002發(fā)光二極管Led2參考文獻(xiàn)：[1].新編實(shí)用電子電工手冊(cè)編寫組編.新編實(shí)用電子電工手冊(cè).北京：科學(xué)普及出版社，1991[2].吳鐘珍.最新實(shí)用電子電工技術(shù)資料手冊(cè).香港：徐氏基金會(huì)出版社，不詳[3].肖元愷