电工电子综合课程设计-小型智能控制系统设计

1、武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书附件1：学 号： 课 程 设 计题 目小型智能控制系统设计学 院自动化专 业电气卓越工程师班 级姓 名指导教师年月日目录摘要11 有害气体检测与抽排电路设计11.1 设计要求11.2 电路总体方案21.2.1 方案论证21.2.2 方案简要说明21.2.3 电路系统框图及总体原理图31.3 电路原理分析41.3.1 电源电路41.3.2第一级光报警电路41.3.3气敏传感器及抽排电路51.3.4第二级声报警电路61.3.5 整体工作电路71.3.6整体电路原理图81.3.7整体电路PCB图81.4 所用芯片及其他器件说明91.4.1 555定时器91.4.2 QM-N5气敏传感器101.4.3继电器101.5 附表一：有害气体检测与抽排电路所有元件101.6 方案优缺点111.6.1方案优点121.6.2方案缺点121.6.3方案改进思路122 机器人行走电路设计122.1 设计要求122.2电路总体方案122.2.1 方案论证122.2.2 方案简要说明132.2.3 电路系统框图及总体原理图1323电路原理分析142.3.1 555多谐振荡电路

2、152.3.2 74LS161计数器和计数器显示电路152.3.3 JK触发换向电路162.3.4 电机控制电路182.3.5 整体工作电路182.4 所用芯片及其他器件说明192.4.1 JK触发器192.4.2 L29819表2.1202.5 附表2：机器人行走电路所用器件202.6 附图：机器人行走电路原理图及PCB图212.7电路优缺点222.7.1 优点232.7.2 缺点232.7.3改进思路23设计体会23参考文献24 小型智能控制系统设计摘要自动化控制是指机器设备、系统或过程在没有人或较少人的直接参与下实现预期的目标的过程。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，提高劳动生产率。 此篇报告包含两个设计：有害气体检测与抽排电路设计和机器人行走电路设计。1.有害气体检测与抽排电路设计。此电路利用了气敏传感器检测信号，并且利用此电压信号通过电压比较器等一些元器件和芯片分两级发出声光报警信号，通知用户检查有害气体产生的原因或撤离，同时控制电机来抽排气体。2.机器人行走电路。此电路可利用计数器与门电路提前预置时间，同时给电机触发控制信号，控

3、制电机正转与反转从而操纵机器人的前进与后退。有害气体检测与抽排电路可以自启动和关闭，两级调节给用户以较高的安全性与可靠性；机器人行走电路可以实现机器人的前进与后退。两个电路的设计都需要比较扎实的专业知识，掌握proteus和AltiumDesigner等仿真软件的使用，并且学会在设计中调试和优化电路，对电路设计能力有很大的提高。关键词： 自动化 智能控制 分级报警 电路设计 电路仿真 1 有害气体检测与抽排电路设计1.1 设计要求运用所学的相关知识，设计有害气体检测与抽排电路。此电路可以自动检测有害气体的浓度，当浓度低于所设定的第一安全值时，电路不实施任何动作，这时电路处于A状态；当浓度高于所设定的第一安全值时，电路发出光报警信号提醒用户进行检查，这时电路处于B状态。当浓度高于设定的第二安全值时，电路发出警笛声且电动机带动风扇进行抽排，这时电路处于C状态。当有害气体浓度再度低于安全值时，声光报警器件以及电机停止工作，电路再度返回A状态并且继续进行检测工作。1.2 有害气体检测与抽排电路总体方案1.2.1 方案论证对于声报警电路，有两套方案可供选择。其一是通过555定时器产生的方波信号驱

4、动光报警系统与声报警系统以及电机抽排系统同时工作，使其发出单频率报警声，报警灯闪烁且电机带动风扇转动；方案二是利用分级报警机制，利用两个电压比较器，通过对滑动变阻器的控制使系统。在有害气体刚刚产生，尚不构成危害时光报警系统工作，提醒安全人员进行检查，当有害气体浓度较大构成危害时使光报警系统与声报警系统以及电机抽排系统同时工作，且发出双频率警笛声。对比方案一和方案二，方案二分级报警更加合理，而且双频警笛声能起到更好的警示作用，故而选择方案二。1.2.2 方案简要说明在电路中，输入的交流电源通过变压、整流、滤波以及稳压输出5v的直流稳压源给电路供电。另一部分通过气敏传感器捕捉有害气体的浓度，气敏传感器电阻值随其浓度变化而变化，在B状态下通过电压比较器并利用二极管单向导通性，将二极管输出连接555定时器，控制其工作状态，从而控制报警灯的闪烁。在C状态下，通过电压比较器控制继电器的开和关，继电器输出接到555定时器，定时器产生脉冲电压使喇叭产生灯产生报警信号，同时电机开始工作。有害气体检测系统1.2.3 有害气体检测与抽排电路电路系统原理框图光报警系统电源降压稳压 系统声报警系统及电机抽排图1

5、.1 有害气体检测与抽排电路系统原理框图1.3有害气体检测与抽排系统仿真电路各工作系统分析1.3.1 电源仿真电路图1.2 电源电路仿真图原理说明：电源电路由220v交流电压、变压电路、整流电路、滤波电路以及稳压电路组成的。输入220v的交流电压经过变压器变压至所需的电压值，再经过整流桥把交流电压转变为直流，然后通过电容滤波，去掉电压中的纹波，但是这是的电压会受到负载很大的影响，缺乏稳定性，所以再接7805稳压器进行稳压，这时候输出的电压就是相对稳定的5v直流电压了。1.3.2第一级光报警仿真电路图1.3第一级光报警电路仿真图通过调整RV4设定第一级传感器输出电压比较值，当传感器输出电压大于比较电压值时，电压比较器正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，电压比较器输出高电平，二极管导通，555定时器输入高电平，使555定时器输出方波信号。当555定时器输出高电平时，灯泡工作变亮，当555定时器输出低电平时，灯泡停止工作熄灭，于是灯光间歇闪烁报警。当传感器输出电压小于比较电压值时，电压比较器正向输入端输入的电压小于反向输入端的电压，电压比较器输出低电平，二极管截止，555定时器不工作，

6、报警灯无电流通过，处于熄灭状态。其频率f=1.43/（R5+2RV3）C9，改变滑动变阻器RV3的阻值可以改变灯泡闪烁的频率。1.3.3气敏传感器及抽排仿真电路图1.4 气敏传感器及抽排电路仿真图由于protues缺少元件QM-N5，现用一个滑动变阻器RV1代替。当有害气体浓度低于第二级安全值时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，这时电压比较器正向输入端的电压小于反向输入端的第二级传感器输出电压比较值，电压比较器输出低电平，D2截止，继电器不工作，电机不转；当有害气体浓度增加至大于设定的第二级安全值时，QM-N5气敏传感器电阻值变小，使得电压比较器正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，电压比较器输出高电平，D2导通，使继电器工作，电机转动。改变滑动变阻器RV2的电阻值，可以改变电压比较器反向输入端的电压，从而适应不同浓度下的要求，可以自由设定安全浓度。1.3.4第二级声报警仿真电路图1.5第二级声报警电路仿真图当有害气体浓度大于第二级安全值时，继电器开关闭合，555定时器输入高电平，使555定时器输出方波信号。图中拟救护车声响的电路原理，图中U3、U4都接成自激多谐振荡器的工作方式。

7、其中，U3输出的方波信号通过R6去控制U4的5脚电平。当U3输出高电平时，U4的振荡频率低；当U3输出低电平时，U4的振荡频率高。因此U4的振荡频率被U3的输出电压调制为两种音频频率，使扬声器发出类似警笛的滴、嘟、滴、嘟的双音声响。经仿真及计算，U3输出低电平时，U4的5脚最高电位约为2.5V,二脚最低电位约为1.25V。由于设计R3 =100欧，R2=150K欧，R3=0.2Po=2.8W，V(BR)CEO的绝对值大于2VCC=30V，ICM=VCC/RL=15/8=1.875A。经查阅三极管手册NPN管可采用C2594（40V、5A、10W），PNP管可采用B772（40V、5A、10W）1.3.5 有害气体检测与抽排电路仿真图图1.6有害气体检测与抽排仿真图1.3.6 有害气体检测与抽排电路仿真结果分析及附图在电路中，首先将电源220v交流电压通过变压、整流、滤波和稳压变成直流12v稳压源输出给气敏传感电路。气敏传感器检测有害气体浓度并且改变自己的电阻值，当有害气体浓度低于第一安全值时，即处于A状态时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，这时电压比较器正向输入端的电压小于反向输入端的

8、电压，电压比较器输出低电平，继电器不工作，电机不转，且光报警电路与声报警电路均无输入电压，也不工作；仿真结果如图1.7.a到1.7.c所示图1.7.a 分析：由于QM-N5气敏传感器电阻与气体浓度成反比。由于proteus无QM-N5，故用滑变RV1进行仿真。a图表示有害气体浓度占QM-N5测量范围的14%，此时RV1=86%RV1max电压比较器U5正向输入端的电压约为5*14%=0.7V小于反向输入端的电压约为5*25%=1.25V，电压比较器输出低电平,U5输出端连接的灯报警系统不工作。图1.7.b分析：b图表示A状态下RV1=86%RV1max电压比较器U2正向输入端的电压约为5*14%=0.7V小于负输入端电压约为5*50%=2.5V，U2输出低电平，D2截止，继电器开关断开，抽排电机不转动，声报警系统不工作。图1.7.c分析：由a、b两图分析得U2、U5电压比较器均输出低电平，继电器不工作，电机不转，且光报警电路与声报警电路均无输入电压，也不工作。电路仿真结果如图1.8.c所示。当有害气体浓度增加至大于设定的第一安全值时，QM-N5气敏传感器电阻值变小，使得电压比较器U5正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，U5输出高电平，使警灯闪烁报警。U2正向输入端输入的电压仍小于于反向输入端的电压，抽排电机不转，声报警系统不工作。仿真结果如图1.7.a到1.7.c所示图1.8.a 分析：a图表示有害气体浓度占QM-N5测量范围的40%，此时RV1=60%RV1max电压比较器U5正向输入端的电压约为5*40%=2V大

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