電工電子課程設(shè)計--有害氣體檢測智能系統(tǒng)

1、. 前 言此設(shè)計為有害氣體檢測智能系統(tǒng)，包含氣體檢測，聲光報警以及自動抽排三部分。當有害氣體超過安全標準時，系統(tǒng)將自動觸發(fā)聲光報警系統(tǒng)，進行報警，并觸發(fā)自動抽排系統(tǒng)。氣體抽排完畢，系統(tǒng)又恢復到檢測狀態(tài)。設(shè)計要求綜合運用所學電子電路的知識，是模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的綜合運用，需要靈活運用所學知識，根據(jù)設(shè)計要求，來達到目的，分析原理、參數(shù)計算、元器件選用。此系統(tǒng)以氣敏傳感器為核心，通過其檢測空氣中有害氣體濃度來驅(qū)動電路。用555定時器組成的多諧振蕩器來驅(qū)動報警電路。 目 錄1 有害氣體檢測電路41.1 意義與設(shè)計要求41.1.1意義41.1.2設(shè)計要求41.2 設(shè)計總體方案41.2.1 設(shè)計思

2、路41.2.2 設(shè)計方框圖51.2.3 電路原理圖61.2.4 PCB制圖71.3 設(shè)計原理分析81.3.1 整理穩(wěn)壓電路分析81.3.1.1 整流穩(wěn)壓電路圖如下81.3.1.2 工作原理分析91.3.2 檢測電路原理分析91.3.2.1 檢測電路原理91.3.2.2 工作原理分析101.3.3 報警電路111.3.3.1 報警電路原理圖111.3.3.2報警電路原理分析121.3.5 仿真電路圖141.4 小結(jié)與體會151.5 附表一：有害氣體檢測電路使用元器件162機器人行走電路設(shè)計182.1 意義與要求182.1.1 意義1821.2 設(shè)計要求182.2 設(shè)計總體方案182.2.1 設(shè)計

3、思路182.2.2 總體方框圖192.2.3整體原理192.2.3.1 運用proteus軟件繪制原理圖192.2.3.2 PCB圖212.3 原理分析222.3.1 多諧振蕩器原理分析222.3.1.1 多諧振蕩器原理圖222.3.1.2工作原理232.3.2 計時器電路原理232.3.2.1計時器電路原理圖232.3.2.2 計時器電路原理分析242.3.3.1 JK觸發(fā)器電路原理圖（圖2-8）272.3.3.2 原理說明272.3.4.1 電動機原理圖 （圖2-9）282.3.4.2 電動機工作原理分析282.4 整體工作原理說明292.5 小結(jié)和體會292.6附表二 機器人行走所用元器

4、件31 1 有害氣體檢測電路1.1 意義與設(shè)計要求1.1.1意義聯(lián)系實際與所學知識，設(shè)計次有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)。將此裝置安放在家中或公共場所，當有害氣體泄漏時，可以及時檢測并抽排，保障人的生命安全。1.1.2設(shè)計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(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1.2.1 設(shè)計思路通過穩(wěn)壓電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流5v電源，直流電源向氣敏傳感器供電。氣敏傳感器通過檢測空氣氣體濃度來控制輸出電壓，當輸出為高電壓時，換氣扇以及由555定時器組成的多諧振蕩器工作。多謝振蕩器輸

5、出的脈沖波驅(qū)動發(fā)光二極管閃爍和揚聲器報警。1.2.2 設(shè)計方框圖整流穩(wěn)壓電路檢測電路抽排 報警放大器多諧振蕩器 圖1-1 有害氣體檢測電路方框圖1.2.3 電路原理圖運用proteus軟件繪制如圖1-2所示電路圖圖1-2 1.2.4 PCB制圖運用proteus軟件制作PCB圖（圖1-3） 圖1-3 1.3 設(shè)計原理分析1.3.1 整理穩(wěn)壓電路分析1.3.1.1 整流穩(wěn)壓電路圖如下（圖1-4） 圖1-4 1.3.1.2 工作原理分析考慮到此系統(tǒng)的現(xiàn)實工作條件，即使用交流電源，遂加一個整流穩(wěn)壓電路，使其輸出直流電源。220v交流電源接一個整流橋和一個由電容構(gòu)成的濾波電路，然后再通過穩(wěn)壓管使其輸出

6、5v直流電壓。供系統(tǒng)工作。1.3.2 檢測電路原理分析1.3.2.1 檢測電路原理圖1-5 1.3.2.2 工作原理分析本系統(tǒng)使用QM-N5氣敏傳感器檢測有害氣體。氣敏傳感器是一種基于聲表面波器件波速和頻率隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移的原理制作而成的一種新型的傳感器。工作原理：聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導電率發(fā)生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導電率變化程度亦不同，

7、即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準確的反應氣體濃度的變化QM-N5型元件是以金屬氧化物的N型半導體氣體元件，當原件接觸還原性氣體時，當有害氣其導電率隨氣體濃度的升高而迅速增加。體濃度超過安全值時，傳感器兩端電阻下降，近似導通，使是電容c2充電，當電容電壓達到一定值時，三極管導通，集電極輸出低電平。當沒有檢測到有害氣體時，三極管截止，集電極輸出高電平。 1.3.3 報警電路1.3.3.1 報警電路原理圖（圖1-6） 圖1-6 1.3.3.2報警電路原理分析報警電路的核心是由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。多諧振蕩器工作原理（如下圖1-7）圖1-7 555定時器組成的

8、多諧振蕩器電路圖接通電源后，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(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： f

9、=1/( tPL +tPH) 可近似看成f=1.43/(R1+R2)C這樣，當檢測到有害氣體時，三極管集電極輸出低電平，通過反相器和運算放大器，給多諧振蕩器提供工作電壓使其輸出方波脈沖，從而使二極管閃爍，揚聲器間歇報警，達到聲光報警的效果。三極管輸出電壓經(jīng)反相器后給換氣扇供電，使其工作，達到自動抽排的效果。1.3.4 整體工作原理說明此系統(tǒng)工作于居室或公共場所，所以用交流電供電。而報警電路以及檢測電路則工作與直流電壓下，所以通過穩(wěn)壓電路實現(xiàn)交流電到直流電的轉(zhuǎn)化。當檢測到有害氣體時，傳感器兩端電阻下降，近似導通，使電容c2充電，當電容電壓達到一定值時，三極管導通，集電極輸出低電平。低電平通過反相

10、器后向換氣扇供電，使其工作，抽排氣體。反相器輸出電壓經(jīng)運放后供多諧振蕩器工作，從而實現(xiàn)聲光報警。當沒有檢測到有害氣體時，三極管截止，集電極輸出高電平，經(jīng)反相器后，電路不工作。1.3.5 仿真電路圖 （圖1-8）說明:因為proteus元器庫里沒有氣敏傳感器，所以用滑動變器代替。 圖1-8 1.4 小結(jié)與體會通過此系統(tǒng)的設(shè)計與制作，重新溫習了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)以及數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的知識，還有一些以前不知道或者是對工作原理和如何應用不是很清楚的元器件，也有了進一步的了解，尤其是555定時器的應用。不僅如此，這次制作還加強了自己獨立完成任務(wù)和分析錯誤的能力。還有就是掌握了多款仿真軟件的應用。1.5 附

11、表一：有害氣體檢測電路使用元器件 名稱規(guī)格型號位號數(shù)量電阻5kR11電阻1kR21電阻1kR31電阻470kR41電阻470k R51電阻1kR61滑動變阻器 100kRV11 三極管 NPNQ11電容4.7uFC11電容1uFC21電容1uFC31電容0.01uFC41 整流橋DF01sBR11 穩(wěn)壓管5vD11發(fā)光二極管D21反相器74ls04U11555定時器U21電機MotorU31電壓源ALTERNATORU41運放器OPAMPU51揚聲器LS11 2機器人行走電路設(shè)計2.1 意義與要求2.1.1 意義隨著信息技術(shù)的發(fā)展智能自動化系統(tǒng)的發(fā)展已取得非凡的成就，智能自動化系統(tǒng)已用于各種領(lǐng)

12、域。機器人的發(fā)展已取得很大的成就，并且應用于很多人類無法到達的領(lǐng)域，如深海探測，搜救等方面。聯(lián)系實際與所學數(shù)字電子技術(shù)知識，設(shè)計此機器人行走電路。通過此次設(shè)計與制作，初步掌握機器人的原理。21.2 設(shè)計要求設(shè)計一個能前進、后退的機器人行走控制電路。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。 2、機器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源。 3、機器人前進、后退時間可調(diào)。2.2 設(shè)計總體方案2.2.1 設(shè)計思路運用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，向計數(shù)器（74ls90）提供時鐘脈沖。計數(shù)器首先設(shè)置為九進制計數(shù)器，通過調(diào)節(jié)多諧振蕩器的輸出脈沖寬度來

13、改變計數(shù)器時間長短。計數(shù)器輸出端通過門電路接到JK觸發(fā)器的時鐘信號端，計數(shù)器每計數(shù)一個周期時鐘信號發(fā)生改變，觸發(fā)JK觸發(fā)器，改變輸出狀態(tài)從而改變電機運轉(zhuǎn)方向。電機電路運用橋式電路連接方法，改變輸入端點評狀態(tài)可以改變電機運轉(zhuǎn)方向。 2.2.2 總體方框圖 （圖2-1）多諧振蕩器（控制正轉(zhuǎn)時脈沖寬度）多諧振蕩器（控制反轉(zhuǎn)時脈沖寬度）計數(shù)器計數(shù)器門電路電動機 圖2-12.2.3整體原理2.2.3.1 運用proteus軟件繪制原理圖（如圖2-2）圖2-22.2.3.2 PCB圖 （圖2-3） 圖（2-3） 2.3 原理分析2.3.1 多諧振蕩器原理分析2.3.1.1 多諧振蕩器原理圖 （圖2-4）

14、圖2-4 2.3.1.2工作原理 由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，輸出方波脈沖，其輸出頻率為 f=1/( tPL +tPH) 可近似看成f=1.43/(R1+R2)C所以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值可以改變脈沖寬度，從而改變計數(shù)器的時鐘信號。2.3.2 計時器電路原理2.3.2.1計時器電路原理圖 （圖2-5）圖2-5 2.3.2.2 計時器電路原理分析74LS90計數(shù)器是一種中規(guī)模二一五進制計數(shù)器，管腳引線如圖2-7，功能表如表2-6所示。   表2-6 7490功能表復位輸入輸出R1 R2 S1   S2 QD QC QB QAH H 

15、0; L   ×H H   ×   L× ×   H   HX L   ×   LL ×   L   ×L ×   ×   L× L   L   ×L L L LL L L LH L L H計   &

16、#160;  數(shù)計      數(shù)計      數(shù)計      數(shù)   A 將輸出QA與輸入B相接，構(gòu)成8421BCD碼計數(shù)器；B 將輸出QD與輸入A相接，構(gòu)成5421BCD碼計數(shù)器；C 表中H為高電平、L為低電平、×為不定狀態(tài)。74LS90邏輯電路圖如圖3.6-1所示，它由四個主從JK觸發(fā)器和一些附加門電路組成，整個電路可分兩部分，其中FA觸發(fā)器構(gòu)成一位二進制計數(shù)器；FD、FC、FB構(gòu)成異步五進制計數(shù)器，在

17、74LS90計數(shù)器電路中，設(shè)有專用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2。74LS90具有如下的五種基本工作方式：（1）五分頻：即由FD、FC、和FB組成的異步五進制計數(shù)器工作方式。（2）十分頻（8421碼）：將QA與CK2聯(lián)接，可構(gòu)成8421碼十分頻電路。（3）六分頻：在十分頻（8421碼）的基礎(chǔ)上，將QB端接R1，QC端接R2。其計數(shù)順序為000101，當?shù)诹鶄€脈沖作用后，出現(xiàn)狀態(tài)QCQBQA=110，利用QBQC=11反饋到R1和R2的方式使電路置“0”。 1） 九分頻：QAR1、QDR2，構(gòu)成原理同六分頻。5）十分頻（5421碼）：將五進制計數(shù)器的輸出端QD接二進制計數(shù)器的

18、脈沖輸入端CK1，即可構(gòu)成5421碼十分頻工作方式。 此外，據(jù)功能表可知，構(gòu)成上述五種工作方式時，S1、S2端最少應有一端接地；構(gòu)成五分頻和十分頻時，R1、R2端亦必須有一端接地。               圖2-7     管腳引線如圖2.3.3.1 JK觸發(fā)器電路原理圖（圖2-8）圖2-82.3.3.2 原理說明JK觸發(fā)器的輸出方程為 ，如圖2-8所示，J=K=1，則此觸發(fā)器的功能為 ：有觸發(fā)信號后，

19、輸出狀態(tài)發(fā)生改變。2.3.4 電動機原理2.3.4.1 電動機原理圖 （圖2-9） 圖2-92.3.4.2 電動機工作原理分析此設(shè)計采用橋式電路連接電動機，實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)功能。當輸入端口即1端口輸入高電平時，三極管Q2和Q3 導通，從而實現(xiàn)電動機的正轉(zhuǎn)；當接低電平時，三極管Q1和Q4導通，從而實現(xiàn)電動機的正轉(zhuǎn)。2.4 整體工作原理說明 如前所述，此設(shè)計的計時器已事先設(shè)定為九進制，而機器人前進或后退的時間是通過調(diào)節(jié)555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的滑動變阻器調(diào)節(jié)脈沖寬度來實現(xiàn)的，若要減少時間，則只要調(diào)節(jié)電阻值，使其頻率變大，即可實現(xiàn)時間的變短；同理，若要延長時間，只需減小頻率即可。這樣就實現(xiàn)了前

20、進或后退的時間可調(diào)。因為已設(shè)定其為九進制，所以可用計數(shù)器的Q4端來控制JK觸發(fā)器的時鐘信號。這樣，每當計時器完成一個周期的計數(shù)，JK觸發(fā)器完成反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)。此設(shè)計通過運用74系列的芯片，如與非門，或非門，或門，與門等，實現(xiàn)前進與后退的時間均可調(diào)，當前進時，通過門電路使控制后退的觸發(fā)脈沖無效，這樣JK觸發(fā)器的時鐘脈沖只受前進脈沖控制。當計數(shù)器計數(shù)完成一周期時，控制JK觸發(fā)器反轉(zhuǎn)，是電機反轉(zhuǎn)，同時控制使控制后退的計數(shù)器置零，實現(xiàn)從零計數(shù)。當電機反轉(zhuǎn)時，通過門電路控制前幾脈沖信號無效，實現(xiàn)后退。當完成計數(shù)一周期后控制JK觸發(fā)器反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)，同時前進的計數(shù)器清零，從新計數(shù)。這樣就實現(xiàn)了機器人的前進和后退周而復始和時間的可調(diào)。2.5 小結(jié)和體會 通過兩個星期的課程設(shè)計，讓我受益匪淺。首先我學會很多新的東西,