小型智能控制系统设计.docx
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小型智能控制系统设计.docx
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小型智能控制系统设计
课程设计任务书
学生姓名:
帅哥专业班级:
自动化0804班
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
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。
3.学生已参加过电子工艺实训,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)《晶体二极管手册》各种版本皆可
7)《晶体三极管手册》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交一份按统一格式要求撰写的课程设计说明书,并装订成册。
2、课程设计说明书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。
时间安排:
二周(6月16日—6月30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2日学生初步设计;
7月2日——答疑、质疑;
7月6日上午——7月7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
第一章有害气体的检测报警及抽排电路设计
内容提要:
本设计有害气体检测报警及抽排电路围绕气体检测传感器QM-N5制作,利用其气敏特性来控制次级电路:
当有害气体浓度到达一定值时,由于其导电率的不同,利用分压控制电路次级,接555定时器构成的多谐振荡器控制白炽灯泡闪烁发光,以及控制喇叭发出警笛声来报警,并且利用可控硅作为电路开关,同时控制排气扇工作,抽排气体。
一旦有害气体的浓度降到正常指标时,灯泡熄灭,喇叭报警停止,排气扇不工作,电路恢复到检测状态。
主要争对可燃性气体CH4、C4H10、H2等气体的检测。
1.1总体框架结构
图1.1
(1)设计的总体方框图
1.2方案论证及选择
1.2.1降压、整流、滤波、稳压电路
方案一:
考虑交直流分别供电。
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。
此方案优点是简单,明了。
但是考虑到安全和准确性,此方案明显不可行。
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供电。
考虑到实际情况,我们选择方案二,只要选择适当的变压、滤波、整流电路,消耗不会很大,而且可靠。
1.2.2气体检测电路
气体检测电路主要使用QM-N5气敏传感器构成。
根据半导体气敏传感器的表面氧化物一旦吸附某些气体时,其导电率将会随之发生变化这一性质进行电路的设计。
QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2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。
它有四个引出电极(其中四个输出俩俩并联):
加热电极是2和4脚,输出电极为1和3脚。
加热电极2和4为高阻电热丝,通电即可加热。
在加热的条件下,如果有可燃性气体充斥在1、3之间,则1、3之间的阻值将随气体浓度的增大而减小,把这一变化转化为电信号即可做成有害气体检测电路。
1.2.3延时电路
方案一:
根据555定时器时基电路进行延时。
方案二:
根据RC充放电电路进行延时。
方案二中RC充放电电路设计简单,成本较低,且可够较好的达到预期效果。
方案一中555定时器时基电路效果更好,稳定性和可靠性也较高,但是鉴于成本问题,此方案选择方案二。
1.2.4警笛声报警电路
方案一:
LM386集成芯片与晶闸管配合组装电路,LM386内部电路与运放类似,是一个三级放大电路,收音机、录音机内部喇叭经常采用此电路。
方案二:
采用集成芯片LC179驱动喇叭发出警笛声,另外通过晶闸管控制喇叭何时发声。
通过LC179特定的驱动电路来驱动喇叭发出警笛声,同时晶闸管的3脚接到气敏传感器的输出端,通过检测其电平的高低控制LC179可以正常来驱动喇叭,保证在有害气体的浓度到达一定值时可以发生报警。
方案三:
采用两片555定时器组合成电路来产生的双音频,模拟警笛声,驱动喇叭发声。
此电路由两片555时基集成电路组成的变调音频调制振荡器构成,它的输出音频频率
从400~2500Hz范围循环变化,类似公安警车的警笛声。
考虑到需要大功率喇叭,此处还需接一个功率放大器。
考虑到对于LM386的功能不是很有把握,而LC179的性能相比较而言差一些,稳定性在此处尤为重要,所以选择性能好一些的555定时器组合产生电路。
1.2.5灯光报警电路
方案一:
电路采用两级直接耦合晶体管放大器,它们接成了自激多谐振荡器。
通过调节电位器R1既可以改变闪光时间的长短,又可以改变闪光的间隔时间。
从而控制灯的闪烁。
方案二:
电路的主体由555定时器组成的多谐振荡器构成,同时使用双向可控硅来控制警灯的闪烁。
考虑到性能稳定性和功能熟悉性,对于555较有把握,此处选择555定时器组成的多谐振荡器,即方案二。
1.2.6排气扇驱动电路
利用可控硅的原理,与电动机串联,接到220v电路上,电路主体采用双向可控硅控制电机的转动,双向可控硅的三脚接至QM-N5的输出端以检测电信号,当有害气体的浓度到达一定值,得到高电平信号,排气扇开始转动,抽排有害气体。
当气敏传感器探测到气体浓度下降到正常值时,输出低平信号,排气扇停止工作。
1.3设计原理图
1.3.1protel原理图
图1.3
(1)电路原理图
1.3.2各个模块单元电路图及其工作原理
1.3.2.1降压、整流、滤波、稳压模块电路
本单元由变压器TRANSFORMER,四个1N4001型二极管D1-D4,电容C1和三端集成稳压器LM7805组成。
首先变压器将220V市电转变为所需使用的9V电压,再通过四个二极管构成的单相桥式整流电路对其整流,电容C1并联在整流电路之后用作滤波电路,滤去整流输出电压中的纹波,得到接近于10v的直流电压,然后用三端集成稳压器LM7805对其进行稳压输出,得到5V的电压。
模块电路如图1.3
(1)。
图1.3
(1)降压整流滤波稳压单元电路
1.3.2.2气体检测模块电路
本单元电路由QM-N5气敏传感器、电阻R1、电阻R3、滑动变阻器R2、1N4001型二极管VD5组成。
当有害气体的浓度不超过正常指标时,QM-N5的级间(1脚和3脚)导电率低,成高阻态,检测到的电信号小,不能驱动后级电路工作。
因此排气扇不转动,警报灯不闪烁,喇叭也不发出警笛声。
当有害气体到达一定的浓度时,QM-N5的级间电阻小,检测到的电信号大,由于VD5的作用在调节R2时,使气敏传感器取值电压最低限制在0.7V,然后接到后级电路驱动其他单元电路工作,使得排气扇开始转动,警报灯闪烁,喇叭发出警笛声报警,达到所需的目的。
此部分单元电路如图1.3
(2)所示。
图中R1和R3两个电阻起到保护电路和传感器的作用。
图1.3
(2)气体检测单元电路
1.3.2.3延时单元电路
此部分电路由三个电阻R4、R5和R6、两个型号为IN4001的二极管D6和D7、电解电容C4以及BJTQ1组成。
电路如图1.1(3)所示。
元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟后达到稳定,这时方可正常使用。
为防止QM-N5在不稳定过程中引起的1、3脚级间电阻下降而产生误报现象,此处采取延时电路来处理。
此延时电路的延时时间常数由D6、R4、C4决定。
刚接通电源时先通过给C4充电来延时,避免受到QM-N5突变电压产生误报的情况。
当电源断开后,C5的充电电压通过R5和D7放电。
以防止造成意外情况,烧坏其他元件。
于三极管在此时饱和导通,起到开关作用。
图1.3(3)延时单元电路
1.3.2.4警笛声报警电路
采用555构成的多谐振荡器,控制双音报警器,U2:
5脚为控制端,片内接比较器的反相输入端,电位为2/3Vcc,C8的作用为防止干扰,U2的输出信号控制U3的5脚电平,当U2的输出为高电平,U3的振荡频率低,当U2的输出是低电平,U3的振荡频率高,因此U3的振荡频率被U2的输出调整为俩种音频。
因为多谐振荡器输出为小功率的音频信号,为报警声音明显,加一个功率放大器,外接5w左右的较大功率喇叭。
电路如图1.3(4)所示。
图1.3(4)模拟警笛声报警电路
1.3.2.5警灯闪烁模块电路
本模块电路的主要由555定时器组成的多谐振荡器构成,并利用双向可控硅来控制警
灯
的闪烁。
按照要求调节外接的R和C的值,便可以得到想要的灯光闪烁频率。
同时双向可控硅的三脚可接至QM-N5的输出端,以检测电信号,当其为高电平时,警灯便开始闪烁。
电路图如图1.3(5)所示。
图1.3(5)警灯闪烁电路
1.3.2.6排气扇驱动单元电路
电路主体采用双向可控硅控制电机的转动,双向可控硅的三脚接至QM-N5的输出端以检测电信号,当有害气体的浓度到达一定值,得到高电平信号,排气扇开始转动。
电路如图1.3(6)。
图1.3(6)排气扇驱动单元电路
1.3.3原理图总体说明
此次设计电路为有害气体的检测报警自动抽排电路。
分为6个单元电路如上所述。
当有害气体的浓度低于标准值时,QM-N5的1、3脚级间导电率低,对外呈高阻态,后级检测到的电信号小,不能够驱动后级地电路工作,此时排气扇不转动,警灯不闪烁,喇叭也不会发出警笛声报警;当有害气体浓度到达一定值时,由于影响导电率,QM-N5的1、3脚级间电阻小,外接变阻器上有大电压。
D6使得在调节RP时,气敏信号取值电压最低钳制在0.7V,经延时电路加到Q1,此时BJT饱和导通。
555得到高电平的驱动,开始工作,通过合理的设置参数得到频率大约为1HZ的方波信号,通过加到双向晶闸管上来控制警灯的闪烁。
同时排气扇得到高电平驱动,开始转动,抽排有害气体。
直到浓度下降到标准值以下,才停止抽排和报警,回到正常检测之中去。
本设计原理明了,简单,有声光的报警,能够自动抽排毒气,可以有效地征对CH4.C2H10等的检测,监控。
1.4印刷电路板图
根据protel所制作的电路原
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- 小型 智能 控制系统 设计