电工电子课程设计实验报告小型智能控制系统设计.doc

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1、前言此课程设计包括两个设计主题，一为有毒气体的检测和抽排，二为机器人行走。当有毒气体泄漏时电路可以自动监测出并报警，然后抽排系统检测到并及时进行抽排换上新鲜空气。抽排完后，回复实时检测状态。机器人行走设计则能自动前进一段时间后又后退等长时间，然后又前进，周而复始。二个设计均能为人们的日常生活提供极大的方便，并且都具有智能控制、自启动和自动关闭功能。二个设计要求能够灵活地综合运用所学的电子电路、模拟电子技术和数字电子技术，根据设计要求，分析原理，计算参数，选用合适的元器件，以达到题目的要求。这二个设计都以555定时器为核心，驱动各个部分电路工作，因此需要灵活运用555定时器组成的多谐振荡器以及触

2、发器和稳压电路原理。通过这两个设计不仅可以巩固所学的知识，更重要的是能锻炼同学们的自主创新能力和自主学习能力。这两个设计都基于所学知识设计的，可以在复习以前的知识的基础之上提高，发掘潜能，拓展知识，丰富自己的知识面，是实现能力提高的一个跳板。 目录1.有害气体的检测、报警、抽排.51.1 意义与要求51.1.1 意义51.1.2 设计要求51.2 设计总体方案51.2.1 设计思路51.2.2 总体设计方框图61.2.3 完整原理图61.2.4 PCB制图81.3设计原理分析81.3.1 气敏传感器工作原理81.3.2 声光报警控制电路91.3.3 排气电路工作原理111.3.4 整体工作原理

3、说明121.4 所用芯片及其他器件说明121.4.1 IC555定时器构成多谐振荡电路图121.5 附表一：有害气体的检测、报警、抽排电路所用元件142.机器人行走电路152.1 意义与要求152.1.1 意义152.1.2 设计要求162.2 设计总体方案162.2.1 设计思路162.2.2 总体设计方框图162.2.3 完整原理图172.2.4 PCB制图192.3 设计原理分析202.3.1 多谐振荡电路分析202.3.2 74161加计数器构成十进制计数器显示电路212.3.3 直流电机正反转驱动电路222.3.4 整体工作原理说明232.4 所用芯片及其它器件说明232.4.1 5

4、55定时器232.4.2 74HC161加计数器252.4.3 74HC112双JK触发器272.5 附表二：机器人行走电路所用元件283.设计体会和小结29课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师：周晓年 工作单位：自动化学院 题 目: 小型智能控制系统设计 一、 有害气体检测与抽排电路设计任务：设计一个能自动检测有害气体浓度，且当有害气体浓度超标时，能自动发出声光报警，能自动抽排有害气体的控制电路。要求：当检测到有害气体意外排放超标时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示，同时自行启动抽排系统，以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。二、机器人行走电路设计

5、任务：设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。要求：1、接通电源，机器人前进，行走一段时间后，机器人自动后退，退行一段时间后自动前行，周而复始。 2、机器人行走动力只能使用干电池，不能使用动力电源。 3、机器人前进、后退时间可调。初始条件： 1. 实验室提供万用表、信号发生器、直流稳压电源、示波器等设备。2. 学生已学习了大学基础课程和电路、模拟电子技术、数字电子技术、电力电子变流技术等专业基础课程。3. 学生已参加过电工电子实习，掌握了用PROTEL绘制电路图的方法。4. 主要参考文献1) 新编电子电路大全 第1、2、3、4卷 中国计量出版社 组编2) 传感器及其应用电路 何希才 编著 电

6、子工业出版社3) 电力电子变流技术 黄俊 王兆安 编 机械工业出版社4) 集成电路速查手册 王新贤 主编 山东科学技术出版社5) 集成电路速查大全 尹雪飞 陈克安 编 西安电子科技大学出版社6) 国内外晶体管对照手册 各种版本皆可。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、 课程设计结束时每个学生要提交一份按统一格式要求撰写的课程设计报告，并装订成册。2、 课程设计报告中要求有方案比较论证、绘制方框图、电原理图，阐述电路工作原理、每个元器件的主要参数、设计电路的性能指标、设计心得体会等。3、 说明书中除个人签名外，其它文字、符号、图形或表格一律用计算机

7、打印。4、 文字、符号、图形等必须符合国家标准。5、 独立完成设计任务，杜绝相互抄袭现象发生，避免剽窃。时间安排：二周（6月28日7月9日）。6月28日上午，指导教师讲授课程设计的有关基本知识等；6月28日下午6月29日下午学生查阅资料、准备“80选2”问题解答；6月30日上午7月4日下午学生初步设计；7月5日上午7月5日下午检查设计进度，答疑、质疑；7月6日上午7月8日下午学生完善设计，形成报告电子文档；7月9日课程设计报告打印、装订、提交。指导老师签名： 2010 年7 月 9 日 系主任（或负责教师）签名： 年 月 日1.有害气体的检测、报警、抽排1.1 意义与要求1.1.1 意义 日常

8、生活中经常发生煤气或者其他有毒气体泄漏的事故，给人们的生命财产安全带来了极大的危害。因此，及时检测出人们生活环境中存在的有害气体并将其排除是保障人们正常生活的关键。本人运用所学的电子技术知识，联系实际，设计出一套有毒气体的检测电路，可以在有毒气体超标时及时抽排出有害气体，使人们的生命健康有一个保障。1.1.2 设计要求 当检测到有毒气体意外排时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示。当有毒气体浓度超标时能自行启动抽排系统，排出有毒气体，更换空气以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。1.2 设计总体方案1.2.1 设计思路 利用QMN5气敏传感器检测有毒气体，根据其

9、工作原理构成一种气敏控制自动排气电路。电路由气体检测电路、电子开关电路、报警电路、和气体排放电路构成。当有害气体达到一定浓度时，QMN5检测到有毒气体，元件两极电阻变的很小，继电器开关闭合，使得555芯片组成的多谐电路产生方波信号，驱动发光二极管间歇发光；同时LC179工作，驱使蜂鸣器间断发出声音；此时排气系统会开始抽排有毒气体。当气体被排出，浓度低于气敏传感器所能感应的范围时，电路回复到自动检测状态。1.2.2 总体设计方框图 如图（1.1）声光系统和排气系统停止工作声光系统、排气系统同时工作有毒气体浓度自动检测声光系统和排气系统都不工作 1.2.3 完整原理图（如图1.2） 图1.21.

10、2. 4 PCB制图（如图1.3） 图1.31.3设计原理分析1.3.1.气敏传感器工作原理电路图（如图1.4）图1.4分析： 气敏管处于检测状态后，若无有害气体泄漏，气敏管阻值很大，电路不报警；当有害气体达到一定浓度时，元件两极电阻变的很小，此时开关K闭合，使得555芯片和LC179工作，驱动报警电路工作，同时使得继电器工作，电机开始工作抽排，一段时间，有害气体浓度排尽。气敏管处于检测状态后，若无有害气体泄漏，气敏管阻值变回很大，继电器K仍处于释放状态，不发生报警。1.3.2声光报警控制电路毒气浓度大于C555多谐振荡电路工作，LC179工作 发光二极管和蜂鸣器工作 电路图如下（如图1.6）

11、图1.6分析：由555组成的多谐振荡器工作原理如下：接通电源后，电容C被充电，当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，此时输出为低电压，电容C通过R放电，使VC下降。当VC下降到（1/3）VCC时，触发器又被置位，VO翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为： tPL=R2Cln2，可近似看成tPL=0.7R2C当C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的时间为： tPH=(R1+R2)Cln2，可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C而当VC上升到（2/3）VCC时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为

12、： f=1/( tPL +tPH)，可近似看成f=1.43/(R1+2R2)C 在图中令电阻R5=50K,R6=40K，C6=22uF。代入上式可以算得：f=0.5Hz 能够满足灯光报警的频率要求。1.3.3排气电路工作原理电路图如下（如图1.7）图1.7分析：排气电路中，当气体浓度大于C2,气敏电阻阻值进一步减小，从而通过三极管使K闭合，电机工作，开始进行排气。当毒气浓度低于C时，输出为低电平，使三极管Q1截止，电机工作电路不能导通，停止排气。1.3.4整体工作原理说明气敏管QM一N5是一种N型半导体气敏元件，其间的电阻随接触的有毒气体浓度不同而变化，在QMN5元件未接触有害气体时，元件的两

13、端呈高阻抗，电路不报警；当有害气体达到一定浓度时，元件两极电阻变的很小，此时开关K闭合，使得555多谐振荡电路和LC179芯片工作，驱动报警电路工作电机开始工作抽排气体，一段时间，有害气体浓度减小，当有毒集体被排尽时，电路自动恢复正常状态。1.4 所用芯片及其他器件说明1.4.1 IC555定时器构成多谐振荡电路图（如图1.8）图1.8功能管脚图（如图1.9） 图1.9多谐振荡器工作原理（如下图1.10）图1.10 555定时器组成的多谐振荡器电路图接通电源后，电容C被充电，当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，同时发电BJT T导通，此时VO为低电压，电容C通过R2和T放电，使VC下降。

14、当VC下降到（1/3）VCC时，触发器又被置位，VO翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为： tPL=R2Cln2 可近似看成tPL=0.7R2C当C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的时间为： tPH=(R1+R2)Cln2 可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C而当VC上升到（2/3）VCC时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为： f=1/( tPL +tPH) 可近似看成f=1.43/(R1+R2)C555定时器功能表1.5 附表一：有害气体的检测、报警、抽排电路所用元件名称规格型号位号数量

15、7805集成稳压器LM78057805 1个变压器220v-10vTR1 1个整流桥BRIDGE1BRIDGE1 1个气敏传感器QM-N5QM-N5 1个电位器2KR3 1个驱动电源220VV 1个三极管2N1893Q1个极性电容470uf 0.33uf等Ci 参照原理图电阻50K，40K等Ri参照原理图交流电动机MOTOR ACMG1个二极管100HF100PVD11个双晶闸管MAC15A6Q1,Q2各1个达林顿管NPN DARQ31个555555Q41个LC179LC179Q51个单晶闸管10RIA10D21个继电器RELAY-SPSTK1个2.机器人行走电路2.1.意义与要求2.1.1意

16、义 通过所学电子电工知识设计一个可以自行行走的机器人，能够自行前进与后退，并且可以改进成小车来搬运一些轻便的货物，给日常生活的人们带来方便，同时也让电子科技更加接近人们的生活，也提高了自己的创新意识和思维能力。2.1.2.设计要求1、接通电源，机器人前进，行走一段时间后，机器人自动后退，退行一段时间后自动前行，周而复始。2、机器人行走动力只能使用干电池，不能使用动力电源。3、机器人前进、后退时间可调。2.2 设计总体方案2.2.1 设计思路 通过分析设计要求，要实现机器人的行走需要有驱动电路，驱动小车行走，同时要有直流电机正反转电路，控制小车前进与后退。其中驱动电路，由555构成多谐振荡电路产

17、生的方波驱动74161计数器进行显示，计数满后驱动JK触发器，产生规则的、周期可调的方波驱动信号；而直流电机正反转电路则是由驱动信号驱动三极管构成的开关电路，通过三极管的导通与截止来控制直流电动机的正反转，从而实现小车的前进与后退。2.2.2总体设计方框图74284控制7段共阴极数码管显示电路显示74161加计数器构成十进制计数器显示小车前进后退时间555构成多谐振荡电路计数器计数满产生触发信号触发JK触发器JK触发器在触发信号的作用下输出发生高低电平跳变触发器发出信号驱动直流电机两端压差发生正负跳变直流电机正反转，实现小车前进与后退2.2.3 完整原理图分析：555构成的多谐振荡电路产生方波

18、信号接到74161时钟端触发74161加计数器计数，并通过74248驱动七段共阴极数码管显示计数。加计数器计数满十，通过7403与非门产生下降沿信号驱动JK触发器使JK触发器构成的T触发器输出取非，从而驱动三极管构成的开关电路，通过各个三极管的导通与截止来实现直流电机两端的压差的正负跳变，驱动直流电动机的正反转，实现小车的前进与后退。其中，通过调节电位器RV1可以改变多谐电路输出方波周期，来调节小车的前进与后退的时间。整体原理图如下：（如图2.1）图2.12.2.4 PCB制图（如图2.2） 图2.22.3 设计原理分析2.3.1 多谐振荡电路分析原理图（如下图2.3）图2.3注：通过调节RV

19、1改变多谐电路输出方波的周期T=ln2*(R1+2RV1)*C2(RV1为接入电路部分）原理图如下：（如图2.4） 图2.4 555定时器组成的多谐振荡电路多谐振荡电路工作原理：接通电源后，电容C被充电，当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，同时发电BJT T导通，此时VO为低电压，电容C通过R2和T放电，使VC下降。当VC下降到（1/3）VCC时，触发器又被置位，VO翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为： tPL=R2Cln2 可近似看成tPL=0.7R2C当C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的时间为： tPH=

20、(R1+R2)Cln2 可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C而当VC上升到（2/3）VCC时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为： f=1/( tPL +tPH) 可近似看成f=1.43/(R1+R2)C2.3.2 74161加计数器构成十进制计数器显示电路 原理图（截图如下图2.5）图2.5原理说明：多谐振荡电路产生方波信号接入到74161时钟端，驱动74161进行加计数。图中74161接成了10进制加计数器，计数满十时通过7403与非门接入到清零端进行清零。由于计数到10时，便会立刻清零，不会在数码管上显示，所以此时信号很弱，不可以作为触发信号驱动JK触发器，J

21、K触发器触发信号是计数到9时，通过7403输出下降沿信号触发。数码显示电路通过，74248驱动的七段共阴极数码管进行显示。2.3.3 直流电机正反转驱动电路原理图（截图如下图2.6）图2.6原理说明：当输入为高电平时，Q1,Q4导通，Q2,Q3截止，A点为底电平，B点为高电平，通过仿真U(AB)=-4.93v,直流电机反转，小车后退。当输入为底电平时，Q1,Q4截止，Q2,Q3导通，A点为高电平，B点为低电平，通过仿真U(AB)=4.95v，直流电机正转，小车前进。2.3.4 整体工作原理说明 由多谐振荡器产生周期不同的方波信号，调节滑动变阻器来改变周期的长短。然后通过74161加计数器来进一

22、步准确控制时间，产生占空比为50%的方波信号，后接一个显示器来显示时间，控制为前进10秒，后退10秒，再由双JK触发器接受触发信号，JK触发器为负沿触发， 改变电动机的正传于与反转经过驱动电路驱动电机工作，实现机器人前进与后退的功能。 2.4 所用芯片及其它器件说明2.4.1 555定时器（如图2.7） 图2.7 555定时器引脚图 图2.8 555定时器电路图及波形图 555定时器功能表 555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。

23、555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。2.4.2 74HC161加计数器 74161加计数器真值表 :

24、清零预置使能时钟预置数据输入输 出RDLDEPETCPABCDQAQBQCQDLLLLLHLABCDABCDHHL保 持HHL保 持HHHH计 数 图2.9 74161管脚图 图2.10 74161的逻辑图具体功能如下：1. 异步清零 当RD=0时，不管其他输入端的状态如何（包括时钟信号CP ）,计数器输出将被直接置零，称为异步清零。 2. 同步并行预置数 在RD=1的条件下，当LD=0、且有时钟脉冲CP 的上升沿作用时,A、B、C、D 输入端的数据将分别被QAQD所接收。由于这个置数操作要与CP 上升沿同步，且AD 的数据同时置入计数器，所以称为同步并行置数。3. 保持 在RD=LD=1的条

25、件下,当ETEP=0,即两个计数使能端中有0时,不管有无CP 脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变(停止计数)。需要说明的是，当EP=0,ET=1时，进位输出RCO也保持不变；而当ET=0时，不管EP状态如何，进位输出RCO=0。4. 计数 当RD=LD=EP=ET=1时,74161处于计数状态2.4.3 74HC112双JK触发器 74HC112为负沿双JK触发器，器件图如下：图2.11 74112双JK触发器器件图图2.12 74112双JK触发器真值表本设计中用到一个JK触发器，由于，要想将其接成T触发器，就要使J=K=1,即J,K端都接高电平。2.5 附表二：机器人行走电路所用元件名称

26、规格型号位号数量电阻1KR11个电阻1KR21个电阻10KR31个电阻1KR41个电阻1KR51个电阻1KR61个电容10uFC11个电容10nFC21个三极管2N2904Q1 Q22个三极管2N2219Q4 Q32个直流源+5VU1个3.设计体会和小结 通过为期两周的课程设计学习，我受益匪浅。此次课程设计基本靠自学完成，在短短的两周时间内要完成这项任务，对我来说有一定的难度和挑战。通过自己搜索知识以及向老师和其他同学请教，我一步步提高自己的综合知识水平和创新能力，巩固了以前学过的基础知识并扩大了知识面。在设计过程中学到了很多课堂上没有接触到的东西，让我感到很有意义。 通过此次课程设计学习，让

27、我感触最深的有两点：一是基础知识的决定性作用，没有足够的知识做根基是无法完成设计的；而是熟练掌握一些电子电工设计软件的必要性，例如Multisim、protel 和Proteus等，因为再好的创新都需要通过这些途径来表达。在设计的过程中，我遇到了一些难题，例如仿真软件操作问题；设计毒气检测时，如何实现灵明度的调节；小车的正反转电路设计，以及其驱动电路等等。但我通过请教老师同学、上网查看相关教程等途径，一一解决了这些问题。此次设计最大的收获是让我坚定了自己对专业学习的信心。我充分发掘了自己的潜力，找到了自己的优点，当然也发现了自己的不足之处，这让我可以在以后的学习过程中有着重的进行发展与提高，使

28、自己一步步成长为高水平的人才。参考文献：康华光等 电子技术基础 高等教育出版社黄俊，王兆安 电力电子变流技术 机械工业出版社何希才 传感器及其应用电路 电子工业出版社中国计量出版社组编 新编电子电路大全 第1、2、3、4卷戴伏生等 基础电子电路设计与实践 国防工业出版社本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：小型智能控制系统设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据： 评分项目 分值 评分项目 分值 质疑 5 电路工作原理 10 方案选择论证 10 元器件的主要参数 10 方框图 10 性能指标（含参数计算） 5 原理图 30 设计体会 5 印制电路图 10 格式的规范性 5 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日