有害气体声光报警器和机器人行走控制电路

武汉理工大学《电子电工》课程设计说明书1前言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。本设计运用555定时器，气敏电阻来主控电路，实现要求的功能。设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。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；机器人行走动力只能使用干电池，不能使用动力电源；机器人前进、后退时间可调。本设计以单片机为中心，控制机器人的行走武汉理工大学《电子电工》课程设计说明书2目录一．有害气体声光报警器...........................................................................................31.1意义与要求............................................................31.2设计总体方案..........................................................31.2.1设计思路........................................................31.2.2总体方框图......................................................41.2.3完整原理图......................................................41.2.4PCB制图........................................................61.3设计原理分析..........................................................61.3.1声光报警及抽排电路..............................................61.3.2气敏传感器部分的电路............................................71.3.3电源电路........................................................81.3.4整体工作原理说明................................................91.4所用芯片及其他器件说明...............................................111.4.1555定时器.....................................................111.4.2QM-N5气敏传感器...............................................111.4.3继电器.........................................................12附表一：声光报警器设计所用器件...........................................13二．机器人行走控制电路.........................................................................................142.1意义与要求...........................................................142.2设计总体方案.........................................................142.2.1设计思路.......................................................142.2.2总体方框图.....................................................152.2.3完整原理图.....................................................152.2.4PCB制图.......................................................172.3设计原理分析.........................................................182.3.1单片机外围电路.................................................182.3.2电机控制电路...................................................192.3.3键盘输入及控制电路.............................................202.3.4显示控制电路...................................................212.3.5整体工作原理说明...............................................212.4程序.................................................................222.4.1程序设计思路...................................................222.4.2整体程序及说明.................................................232.5主要器件说明.........................................................242.5.1驱动芯片L298N..................................................24附表二：机器人设计所用器件...............................................25三．设计体会及小结.................................................................................................26武汉理工大学《电子电工》课程设计说明书3一．有害气体声光报警器1.1意义与要求意义：运用电子技术及相关知识设计有害气体声光报警器，且具有自动抽排功能。掌握传感器等一些器件的运用，设计简单的有害气体检测电路，联系实际，同时提高动手，思考能力。要求：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。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设计总体方案1.2.1设计思路气敏传感器是利用物质效应和化学效应对气体中的某些成分进行检测的器件，譬如半导体气敏传感器主要是利用半导体与某些气体接触时，其特性将发生变化这一现象来检测气体的成分或浓度。故可利用这一特性，来设计电路。QM-N5气敏传感器可用于检测一些可燃性气体，如家用煤气，液化石油气等气体。当看可燃气体浓度增大，气敏传感器QM-N5的等效电阻降低，用电压比较器作为控制部分，当输入电压大小反过来时，输出就会有高低电平的变化，就利用这高低电平的变化来控制声光报警及有害气体的抽排。声光报警电路可用555组成的多谐振荡电路来控制，555组成的电路输出方波信号，驱动扬声器发出报警声音，驱动灯来得到闪烁的警灯本设计电路要用到继电器，来作为声光报警器的工作控制电路。武汉理工大学《电子电工》课程设计说明书41.2.2总体方框图图2-1：声光报警器原理方框图1.2.3完整原理图用protues软件绘制成如下系统原理图有害气体浓度是否达到一定值？电压比较器输出低电平，继电器不闭合，声光报警器不工作，电压比较器输出高电平，继电器工作，使声光报警器及抽排电路工作是否QM-N5气敏传感器电源电路武汉理工大学《电子电工》课程设计说明书5图2-2：系统原理图武汉理工大学《电子电工》课程设计说明书61.2.4PCB制图图2-3：PCB制图1.3设计原理分析1.3.1声光报警及抽排电路图3-1：声光报警及抽排电路武汉理工大学《电子电工》课程设计说明书7原理说明：图3-1中用继电器控制声光报警及风扇抽排电路。如上图中的标注所示，继电器的电感线圈的一端与电压比较器输出端相连。当电压比较器输出“低电平”时，继电器内部的“开关”打开，声光报警电路及风扇抽排电路不工作；当电压比较器输出“高电平”时，继电器内部“开关闭合，声光报警电路及风扇抽排电路在电源的供电下开始工作。555多谐振荡器输出端为个周期性的方波，其频率为：f=1/(tPL+tPH)，可近似看成f=1.43/[(R1+R2)C]本设计中R1=22k,R2=11k,C=33uf,可算得f约为1hz,即555多谐振荡器会产生一秒的连续脉冲。至于555多谐振荡器的详细原理说明见1.4节。下面一副截图为555定时电路在正常工作下时所输出的波形图3-2：555定时电路输出波形1.3.2气敏传感器部分的电路图3-3：气敏传感器部分电路武汉理工大学《电子电工》课程设计说明书8原理说明：对于图3-3当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N气敏传感器电阻值很大，使电压比较器正相输入端的电压小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为“低电平”，继电器不工作：如果空气中的有害气体浓度达到一定值时，传感器的电阻值变小，使电压比较器正相输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，继电器工作，从而驱动声光报警及风扇抽排电路。改变RV2滑动变阻器的阻值，可以改变电压比较器的反相输入端的电压，使声光报警及风扇抽排电路可以在有害气体不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对有害气体不同浓度的测量。1.3.3电源电路图3-4：电源部分电路武汉理工大学《电子电工》课程设计说明书9原理说明：图3-4电路由家用220v电压，变压器，整流电路，及滤波稳压电路组成，实现交流电到直流电的转变，在供电给后续电路工作。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化。因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。1.3.4整体工作原理说明由220V的交流电压经电源变压器，整流电路，滤波和稳压电路等四部分后变为直流电压，供气敏传感器及声光报警电路工作，而风扇是由220V的交流电驱动。当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N气敏传感器电阻值很大，使电压比较器正相输入端的电压小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为“低电平”，继电器不工作：如果空气中的有害气体浓度达到一定值时，传感器的电阻值变小，使电压比较器正相输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，继电器工作，从而驱动声光报警及风扇抽排电路。当室内有害气体的体积分数降到某一预定值时，该控制器会自动切断排风扇和声、光报警电路的工作电源，使其停止工作，从而达到了自动控制室内有害气体的目的。下图（图3-5）中用滑动变阻器RV1代替气敏电阻，当滑动变阻器阻值变小时，电压比较器正相端电压变大，大于反相端电压时输出为高电平，使继电器共作，声光报警电路工作;反之不工作。武汉理工大学