武汉理工大学电力电子课程设计有害气体检测.docx

武汉理工大学电力电子课程设计有害气体检测.docx

《武汉理工大学电力电子课程设计有害气体检测.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《武汉理工大学电力电子课程设计有害气体检测.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

武汉理工大学电力电子课程设计有害气体检测

前言

20世纪中期以后，由于晶体管技术和半导体集成电路技术的飞速发展，电子技术已成为当今科学技术领域中最活跃、影响最广泛的学科之一。

电子技术在促进国防建设、科学技术研究、工农业生产、第三产业发展，提高人类居住和生活质量等方面发挥了极其重要的作用。

作为一名大学生，应努力学习文化知识，同时结合实际自己动手设计出符合一定要求的电子电路，锻炼自己的动手能力，以便将来更好的投入到这方面的工作当中。

因此做了此份课程设计报告。

此设计报告是关于小型智能控制系统的设计，包含以下两个设计题目：

一是有害气体的检测、报警、抽排。

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;二是机器人行走电路设计。

机器人行走动力使用干电池，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，并且前进和后退的时间是可调的。

这两个设计基于大学基础课程和《电路原理》、《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。

而且要求熟练的应用PROTEL99SE软件进行电路原理图的绘制和PCB板的制作，使用Multisim或proteus仿真软件对自己设计的电路图进行实际仿真以确保其正确性和可行性。

同时通过参考各种相关书籍，查看各个元件的理论参数，应用理论，结合实际，得到可行的方案。

1有害气体检测与抽排电路设计

1.1设计任务与要求

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。

1.2方案比较论证

1.2.1电源供电部分

该电路电机转动和警灯闪烁部分需要220V交流电压，气敏元件以及555实际电路部分需要直流电压。

方案一：

分开供电。

用220V市电和由干电池组成的直流电源分别给所需电路供电。

优点是直接供电，操作简单；缺点是电源需准备两种，等电路使用一定时间过后电池没电时不易发觉，容易出事故。

方案二：

用220V市电用变压器变压，然后整流、滤波，稳压电路之后维持输出直流电压10V供电。

经比较选用方案二，虽然繁杂一些，但是降低了出事故的概率。

1.2.2气敏传感部分

方案一：

气敏元件1、2脚直接接入直流电源供电，3、5脚经过一个定制电阻接入直流电压源供电，由3、5脚间的电阻变化导致的电压变化输出气体检测信号到555施密特触发器。

方案二：

气敏元件1、2脚接上可调电阻再接入直流电压源，3、5脚

接可调电阻再接入直流电压源，通过可调电阻的调节端的点位变化输出检测信号到555施密特触发器。

经过比较选择第二种方案，方案二的可调电阻可以调节气敏元件的加热电压，也可以通过调节3、5脚接的电位器来调节电路对有毒气体的灵敏度。

1.2.3声光报警部分

方案一：

用气敏传感器通过555施密特触发器输出的电压来控制晶闸管的导通和截止来控制LED以及喇叭报警。

方案二：

用气敏传感器通过电压比较器输出电压控制晶闸管的导通来触发喇叭多音频报警部分和光报警部分。

经过比较选用第二种方案，第二种方案的灯光报警更亮一些，可以起到更好的报警作用。

1.3设计方框图

本设计中主要分为五个部分：

整流稳压电路，气体检测电路，电压比较电路，报警电路，气体抽排电路。

通过整流稳压电路，将220V交流电转变成为12V的稳定直流电压，供后续电路使用。

气体检测电路通过QM-N5气敏传感器将气体浓度的高低以电压高低体现，并输出到电压比较器，经判断后输出至报警电路和气体抽排电路实现报警和气体抽排工作。

设计方框图如图1-1所示。

图1-1设计方框图

1.4电路总原理图

图1-2电路总原理图

电路总原理图1-2

1.5各部分电路工作原理

1.5.1整流稳压电路

图1-3整流稳压电路图

1.5.2有害气体检测电路

本设计中使用的是QM-N5气敏传感器检测有害气体。

气敏传感器是一种基于声表面波器件波速和频率随外界环境的变化而发生漂移的原理制作而成的一种新型的传感器。

工作原理：

声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。

气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。

通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。

QM-N5型气敏元件是以金属氧化物

为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高，如图1-4所示。

图1-4有害气体检测部分电路

当没有被测气体流入时，由于空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏元件的阻值大致保持不变，滑动变阻器的电压没有变化；当有被测气体流入时，元件表面将产生吸附作用，元件的阻值将随气体浓度而变化，滑动变阻器的电压也随之变化，这样，就得以将被测气体的浓度值转变成为电压值输入到电压比较电路中。

1.5.3电压比较电路

本电路中的主要功能部件为电压比较器，将有害气体检测电路输出的电压值输入到电压比较器的正相输入端，在其反相输入端则输入一可调的已知的电压，当气体浓度未超标时，电压比较器正相输入端电压低于反相输入端电压，输出低电平；当气体浓度超标时，电压比较器正相输入端电压高于反相输入端，输出高电平。

电路截图如图1-5所示。

图1-5电压比较器部分电路图

1.5.4气体抽排电路

本设计中采用的是220V交流电动机，通过晶闸管来控制电机是否工作。

当电压比较器的输出电压为低电平时，晶闸管截止，电动机不工作；当电压比较器的输出电压为正时，晶闸管导通，电动机通电，开始抽排气体。

利用晶闸管实现了对气体抽排电路的控制。

如图1-6所示。

图1-6气体抽排电路图

1.5.5报警电路

报警电路的核心部件为555定时器组成的多谐振荡器。

多谐振荡器工作原理，如下图1-7所示。

图1-7555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（1/3）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）C]

表1-1555定时器功能表

1.6印刷电路图

图1-8印刷电路图

表1-2电路元件参数

1.7电路元件参数

元件名称

规格型号

位号

数量

交流电压源

220V

V1

1个

气敏传感器

MQ-N5

T1

1个

三极管

NPN9014

Q3

1个

功率放大器

OPAMP

U2A

1个

555定时器

555

LM555CM

2个

灯泡

LAMP

1

1个

蜂鸣器

SPEAKER

1

1个

电动机

AC—MOTOR

MG1

1个

双向晶闸管

TRIAC

Q1,Q2

2个

三端稳压器

7812

U1

1个

整流桥

BRAIGE1

BR1

1个

电容

0.01uF

C4,C6

2个

电容

0.1uF

C2

1个

电容

0.22uF

C5

1个

电容

1uF

C3

1个

电解电容

100uF

C1

1个

电位器

500

R2

1个

电位器

10K

R4

1个

电位器

100K

R3

1个

电阻

500

R1

1个

电阻

2.2K

R7,R8

2个

电阻

470K

R5,R6

2个

2机器人行走电路设计

2.1设计任务与要求

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。

2.2方案比较论证

方案一：

通过单片机实现对电动机的正反转，以及转动周期，在电机方向控制电路部分采用L298N专用驱动集成电路实现电机正反转控制。

方案二:

使用555定时器组成的多谐震荡电路产生周期性的矩形脉冲信号，通过可变电阻控制震荡周期，将矩形脉冲信号输入到74161所组成的计数器中进行分频，以实现对机器人行走时间的可调，然后利用触发器将分频后的信号输入到H桥电路，采用H桥电路来控制电机正反转。

方案比较：

方案一电路简单而且能够完美的满足设计要求，但是对于本次设计来说成本太高，而且技术要求也较高；方案二在电路组成方面虽然较为繁琐，但是也同样能够满足设计所需要求，同时，成本也较低。

2.3设计方框图

图2-1设计方框图

2.4电路总原理

2.4.1电路总原理分析

555定时器电路构成的多谐振荡器产生方波信号接到74161时钟端，触发74161加计数器计数。

加计数器计数满九，通过与非门产生下降沿信号驱动D触发器，使D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。

2.4.2电路总原理图

图2-2电路总原理图

2.5各部分电路工作原理

2.5.1频率可调多谐震荡器

图2-3多谐振荡器部分截图

如图所示为由555定时器构成的多谐振荡器，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，同时晶体管导通，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，晶体管截止，VCC将通过R1、R21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）C]

表2-1555定时器功能表

该电路为555构成的多谐振荡器，其振荡频率设计为f=1.43/（R1+2R2）C。

根据多谐振荡起的工作原理，我们可以通过控制可变电阻，来调节多谢震荡器的震荡频率。

2.5.2计数器分频电路

本设计中采用的是74161实现分频功能，如图2-4所示

图2-4计数器分频电路图

74HC161计数器是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能。

管脚功能介绍：

时钟CLK和四个数据输入端D0~D3

清零MR

使能ENP，ENT

置数LOAD

数据输出端Q0~Q3

以及进位输出RCO.（RCO=Q0·Q1·Q2·Q3·ENT）

当清零端MR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。

当MR=“1”且LOAD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。

而只有当MR=LOAD=ENP=ENT=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。

74LS161还有一个进位输出端RCO，其逻辑关系是RCO=Q0·Q1·Q2·Q3·NET。

合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器.

分频原理：

多谐振荡器输出的脉冲信号接入161计数器的时钟信号输入端，作为时钟信号。

将D0,D1,D2,D3都接地，Q1,Q3接到一个二输入与非门然后接到计数器的清零端，实现从0到9并自动清零的循环十进制计数器。

当计数到9，即二进制1001时，接Q0,Q3输入的与非门产生低电平，下一个周期到来时，低电平变为高电平，使D触发器触发，这样便实现了对多谐振荡器的分频。

2.5.3触发器电路

如图所示，本设计中采用的是D触发器。

所实现的是有脉冲即翻转。

图2-5触发器电路图

D触发器的特性方程为：

=D

将D触发器的

端输入到其D端，特性方程为

=

，当触发器被触发时，其输出便翻转，触发器的输出电平高低输入到电机控制电路部分，使电动机的转动方向得以改变。

表2-2D触发器的功能表

D

功能

0

0

0

=0，置0

0

1

0

1

0

1

1

1

1

2.5.4电机控制电路

本设计在电机控制电路采用的是桥式电路如下图所示，当触发器输入到电机控制电路部分的电平为高时，Q2，Q4导通，电机正转；当触发器输入到电机控制电路部分的电平为低时，Q1,Q3导通，电机反转。

图2-6电机控制电路

2.6印刷电路图

图2-7印刷电路图

2.7电路元件参数

表2-3电路元件参数表

名称

规格型号

位号

数量

电阻

1K

R1、R3、R4、R5、R6

5个

电位器

10K

RV1

1个

电容

10nF

C2

1个

电容

100uF

C1

1个

三极管

FZT789A

Q1Q2

2个

三极管

FMMT625

Q4Q3

2个

电池

+1.5V

B1

8个

555芯片

CB7555

U1

1个

加计数器

74HC161

U2

1个

D触发器

4013

U6A

1个

与非门

74LS00

U4A、U5A

2个

非门

74HC04

U3A

1个

直流电动机

12V

MOTOR

1个

3设计小结及心得体会

两周的时间很快就过去了，虽然比较忙碌，但是却让人有一种难以言喻的充实感，查阅资料，回顾课本，激烈的讨论…两周的时间好像充满着激情。

最终，在老师的指导下，课程设计顺利的完成了额，看着自己设计的电路在Proteus上面仿真成功，心里真的很开心。

通过本次课程设计，我收获了很多，很多以前从未体验到的在本次课程设计中体验到了，很多以前从未接触到的东西的在本次课程设计中也有所了解了。

首先，我发现了在已经学习过的课程中还存在很多的盲点，这次课程设计使得我将电路原理，模拟电路，数字电路几门课程的知识得到了充分的回顾，很多以前没有注意到的地方得以弥补，也使得我懂得了学过的知识必须及时的进行复习，这样才能得以稳固。

其次，本次课程设计使得我对问题的排查能力得到了充分的提高，一次一次的仿真失败，一个有一个的设计问题，让我不停地对自己的设计进行检查。

每一问题的出现与解决过程，都是一次经验的积累。

最后，也是最重要的一点，就是一种对不久之后即将就业的一种危机感的出现，这是我觉得本次课程设计的最重要的收获，毕业后的我们都拥有同样的证书，但是，以前没有意识到的是，我们每个人身怀的技能是不同的，有的人在大学能够掌握很多技能，有的人却仅仅了解一点书本上的知识。

各行业所需要的都是综合性的人才，只有更多的技能掌握，才能使我们尽早的适应从校园到社会的一种转变，所以，我们需要做的是，尽可能多的利用课余的时间掌握更多的实践技能。

学校设立课程设计的目的就在于加深学生对相关课程基础知识与基本理论的理解和掌握，培养学生综合运用所学知识的能力，使其在理论分析、设计计算、制图标准与规范、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到初步训练，促进学生养成严谨求实的科学学风。

而通过此次课程设计，我觉得自己真的收获了很多。

参考文献

1.康华光等《电子技术基础》高等教育出版社

2.黄俊，王兆安《电力电子变流技术》机械工业出版社

3.何希才《传感器及其应用电路》电子工业出版社

4.中国计量出版社组编《新编电子电路大全》第1、2、3、4卷

5.戴伏生等《基础电子电路设计与实践》国防工业出版社

6.