课程设计有害气体检测与抽排电路设计机器人行走电路设计终稿文档格式.docx
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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
图1.1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,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。
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<
<
R2,所以占空比q接近0.5。
充电时间计算
V5=VCC+(V2-VCC)
-t/[(R3+R2)C7]
代入数据2.5=5+(1.25-5)
-t/[150*10^3*0.1*10^(-6)],由此算出t=0.006s
由于q约为0.5,T=2t,所以f=1/(2*0.006)=83.33HZ;
U3输出高电平时,U4的5脚最高约为3.73V,2脚最低约为1.9V,同理计算得f=1/(2*0.01335)=37.45HZ。
即喇叭会发出83.33HZ与37.45HZ两种频率的声音。
在U4输出端后加一个双电源乙类功率放大器可以起到放大声音的效果。
经计算当双电源为正负15V时,由于图中喇叭内阻8欧姆,忽略饱和管压降VCES,最大功率为
Po=0.5*VCC^2/RL=0.5*15^2/8=14.06W
效率约为π/4=78.5%.
Q1,Q2参数为:
每只BJT的PTM>
=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
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
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。
图1.8.a
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大于反向输入端的电压约为5*25%=1.25V,电压比较器输出高电平,U5输出端连接的灯报警系统工作。
通过555多谐振荡气候,警灯闪烁报警。
图1.8.b
b图表示B状态下RV1=60%RV1max电压比较器U2正向输入端的电压约为5*40%=2V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1.8.c
由a、b两图分析得U2电压比较器均输出低电平,继电器不工作,电机不转,且声报警电路无输入电压,不工作。
U5电压比较器均输出高电平,D3导通,通过555多谐振荡气候,警灯闪烁报警。
电路仿真结果如图1.9.c所示。
当有害气体浓度增加至大于设定的第二安全值时,QM-N5气敏传感器电阻值继续变小,电路工作在C状态下,电压比较器U2正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压,使继电器工作,电机转动,进行抽排气体,同时输入高电平给声报警电路,驱动声报警电路工作进行报警。
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,输出高电平,使二极管导通,光报警电路工作进行光闪烁报警。
仿真结果如图1.8.a到1.8.c所示
图1.9.a
a图表示有害气体浓度占QM-N5测量范围的61%,此时RV1=39%RV1max电压比较器U5正向输入端的电压约为5*61%=3.05V大于反向输入端的电压约为5*25%=1.25V,电压比较器输出高电平,U5输出端连接的灯报警系统工作。
图1.9.b
b图表示C状态下RV1=60%RV1max电压比较器U2正向输入端的电压约为5*61%=2V小于负输入端电压约为5*50%=2.5V,U2输出高电平,D2导通,继电器开关闭合,声报警系统输入高电平,通过两片555使喇叭发出双频叫声。
同时,高电平驱动电机转动抽排气体。
图1.9.c
由a、b两图分析得U2、U5电压比较器均输出高电平,继电器工作,电机转动,且声报警电路工作发出双频率报警声。
D3导通,通过555多谐振荡气候,警灯闪烁报警。
电路仿真结果如图1.10.c所示。
1.4附图:
有害气体检测与抽排电路原理图及PCB图
图1.10有害气体检测与抽排电路原理图
图1.11有害气体检测与抽排电路电路PCB图
1.5有害气体检测与抽排电路主要芯片及其他器件说明
1.5.1555定时器
图1.12多谐振荡器电路图
555定时器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,同时发电BJTT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1/3Vcc时,触发器又被置位,VO翻转为高电平。
输出端输出的方波信号周期T=0.7(R1+2R2)C
1.5.2QM-N5气敏传感器
时间≤30S,最佳工作条件加热电压5V、测量回路电压10V、负载电阻RL为2K,允许工作条件加热电压4.5~5.5V、测量回路电压5~15V、负载电阻0.5~2欧。
QM-N5气敏元件参数如下:
标定气体(0.1%丁烷气体,最佳工作条件)中电压≥2V,响应时间≤10S,恢复2K。
由于Proteus中无此模型,本方案仿真中用滑动变阻器模拟。
1.5.3继电器
继电器实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁继电器的工作原理和特性:
只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。
当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点吸合。
这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
1.6附表一:
有害气体检测与抽排电路所有元件
表1.1
名称
规格型号
位号
数量
7805集成稳压器
L7805
U1
1
交流电源
VSINE
V1
变压器
TRAN-2P2S
TR1
整流桥
BRIDGE
BR1
直流电机
MOTOR
M1
继电器
RLY-DPNO
RL1
电压比较器
OPAMP
U2、U5
2
555定时器
NE555
U3、U4、U6
3
灯泡
LAMP
L1
喇叭
SPEAKER
LS1
电阻
100K
R1
150K
R2
100
R3
10K
R4
5K
R5
滑动变阻器
1K
RV1、RV2、RV4
RV3
二极管
1N4007
D1、D2、D3
三极管
C2594(NPN)
Q1
B772(PNP)
Q2
电容
1000uF
C1
0.33F
C2
0.1uF
C3、C7
10uF
C4、C5
0.047uF
C6、C8
100uF
C9、C10
1.7方案优缺点
1.7.1方案优点
优点:
1.本方案所用元器件便宜且易购得,降低了制作成本。
2.本方案采用分级报警机制,可以保证用户有充足的时间进行检查或撤离,用户安全得以保障。
3.由于分级报警的设计,即使一级报警系统出现故障如光报警系统失灵无法报警,仍有第二级报警系统正常工作,增加了系统可靠性。
1.7.2方案缺点
缺点:
1.本方案由于未采用单片机等开发板电路,没法进行软件上修改,所以难以进行大规模升级改进。
2.电动机转速无法调节。
1.7.3方案改进思路
改进思路:
可以采用电机学知识增加一个励磁电路,通过滑变控制该电路电流与有害气体浓度成反比,从而有害气体浓度增大时,励磁电流减小,从励磁磁通减小,利用弱磁升速原理提高电机转速。
2机器人行走电路设计
2.1设计要求
设计一个机器人行走电路,当接通电源后,机器人自动前进,一段时间后机器人自动后退,交替进行。
并且机器人前进后退的时间可调。
2.2电路总体方案
2.2.1方案论证
对于数码显示电路,可以使用两片74LS90二——五——十进制芯片和八个四个单刀双掷开关及部分门电路,控制两个七段数码管进行双管显示。
也可以通过一片74LS161具有异步清零功能的十六进制计数器与四个单刀双掷开关及部分门电路控制一个七段数码管进行单管显示,为使显示部分更简洁,采用单数码管显示电路。
对于电机驱动电路,有两套方案可供选择。
方案一是通过四个三极管构成的H驱动电路,使输入高电平时,电机两端电压为正,驱动电机正转,输入低电平时,电机两端电压为负,电机反转;
方案二利用了芯片L298控制电机,通过输入端IN1和IN2来控制电机的正反转。
对比两个方案,方案一所需的器件多,参数设置比较麻烦,而方案二只需要一个芯片就可以控制电机,简便快捷,不易出错,因此选择方案二。
2.2.2方案简要说明
机器人行走电路通过555定时器产生脉冲信号输入72LS161加计数端驱动74LS161进行加计数并且通过译码显示管显示出来。
当加计数到与单刀双掷置开关所置的二进制数相同时,通过一个74LS86四异或门与一个4072四输入与门相连,产生一个由高电平变低电平的下降沿,一方面使计数端强制清零,另一方面使JK触发器完成信号的翻转,再通过电机控制电路控制电机的反转。
前进与后退时间的控制可以通过滑动变阻器RV1改变555定时器的频率或者通过开关控制74LS161改变预置时间。
2.2.3机器人行走电路系统原理框图
图2.1机器人行走电路系统原理框图
2.3机器人行走电路各工作系统分析
2.3.1555多谐振荡电路
图2.2多谐振荡电路
原理同设计1中555定时器。
若设置频率为1HZ
f=1.43/[(RV1+2R1)C1]计算得RV=4.3K欧时555产生频率为1HZ,周期1s的方波信号。
也即计数器每次计数相隔1s。
2.3.274LS161计数器和计数器显示电路
图2.374LS192计数器和计数器显示电路图
由多谐振荡器3端输出的方波信号接到一片74LS161的时间脉冲信号端CLK,在脉冲信号下,驱动74LS161进行加计数,然后将Q3到Q0端分别接到SW4到SW1单刀双掷开关的一端,同时接到7448七段共阴极数码管译码器输入端D到A。
一方面驱动译码器译码并使数码管显示,另一方面当计数到与预置计数次数相同时,预置时间电路会通过一个74LS86四异或门与一个4072四输入与门与74LS161异步清零端MR相连并产生从高电位向低电位的变化从而进行清零并重新计数。
2.3.3JK触发换向电路
图2.4JK触发换向电路
将JK触发器J、K、S、R端同时接高电平,形成T’触发器。
特性方程为Qn+1=Qn*。
从或门输出的信号控制JK触发器,当计数完成一个周期时,JK触发器接受到一个下降沿触发信号,使得Q端输出翻转。
并且输出给电机控制电路。
图中的单刀双掷开关另一端连接一反相器,当开关打到这一端时,原本与门在计数过程中保持高信号输出,接入非门使信号立刻翻转,产生下降沿实现了即时控制的功能。
2.3.4电机控制电路
图2.5电机控制电路
芯片L298接受JK触发器的信号,IN1和IN2接两个相反的信号,当JK触发器输出的信号翻转时,电机也随之向反方向转动。
2.3.5机器人行走电路仿真图
图2.6机器人行走电路仿真图
2.3.6机器人行走电路仿真结果分析及附图
机器人行走电路主要是利用集成芯片完成需要设定的功能。
通过555定时器组成的多谐振荡器输出脉冲电压操纵芯片74LS61完成加计数,当74LS161加计数一轮完成后输出下降沿信号给JK触发器,使JK触发器的输出信号翻转,从而电机也随之翻转。
而74LS192又通过置数端从新进行减计数,周而复始。
图2.7机器人行走电路仿真图
2.4附图:
机器人行走电路原理图及PCB图
图2.8机器人行走电路原理图
图2.9机器人行走电路PCB图
2.5主要芯片及其他器件说明
2.5.1JK触发器
JK触发器特征表
JKQn
Qn+1
功能
000
001
Qn+1=Qn保持
010
011
Qn+1=0置0
100
101
Qn+1=1置1
110
111
Qn+1翻转
本电路JK触发器功能说明:
本电路中,欲将JK触发器接成T’触发器,应使J、K均接高电平。
于是便能实现翻转功能,实现了机器人前进与后退的功能要求。
2.5.2L298直流电机驱动芯片
引脚
符号
15
SENSINGA
SENSINGB
此两端与地连接电流检测电阻,并向驱动芯片反馈
检测到的信号。
OUT1
OUT2
此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端,用来连接
负载
4
VS
电机驱动电源输入端
5
7
IN1
IN2
输入标准的TTL逻辑电平信号,用来控制全桥式驱动器A的开关
6
11
ENBLEA
ENBLEB
使能控制端,输入标准TTL逻辑电平信号;
低电平时全桥式驱动器禁止工作。
8
GND
接地端,芯片本身的散热片与8脚相通
9
VSS
逻辑控制部分的电源输入端口
10
12
IN3
IN4
输入标准的TTL逻辑电平信号,用来控制全
桥式驱动器B的开关
13
14
OUT3
OUT4
此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端,用来连接负载
2.6附表2:
机器人行走电路所用元器件
计数器
74LS161
U2
JK触发器
74HC76
U6:
A
数码显示管
7SEG-DIGITAL
U8
非门
74LS04
U8:
或门
4072
U3:
滑动电阻器
RV1
开关
SW-SPDT
SW1、SW2、SW3、SW4、SW5
0.047uf
电机控制芯片
L298
U7
直流源
+5V
U1、U2、U6:
2.7电路优缺点
2.7.1优点
1.本方案简洁明了,多用集成芯片,成本低廉,易于实际制作。
2.本方案有预置时间功能,可根据用户需求自行设定时间。
3.本方案有即时控制电机功能,可及时控制机器人前进或后退,从而避免撞损机器人。
2.7.2缺点
1.本方案设计的功能过于简单。
2.机器人前进与后退之间电机正转与反转瞬时转换,没考虑电机惯性问题。
2.本方案由于未采用单片机等开发板电路,没法进行软件上修改,所以难以进行大规模升级改进。
2.7.3改进思路
本方案可在此基础上增加一些功能,比如避障急转功能,此外机器人只能匀速前进后退。
应该利用函数发生芯片对前进速度进行控制,但在这方面思路尚不清晰,值得以后细细研究改进。
设计体会
回顾这一周的课程设计,我收获颇多,受益匪浅。
一方面,通过完成任务,在完成中复习并且巩固了以前学习的数电模电以及电路
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