有害气体检测

摘要………………………………………………………………………………………... 1

ABSTRACT……………………………………………………………………………………2 1有害气体检测与抽排电路设计………………………………………………………… 3

1.1设计任务及要求………………………………………………………………… 3

1.2设计总体方案…………………………………………………………………… 3

1.2.1设计原理系统框图…………………………………….…………………3

1.2.2设计原理图……………………………………………………………….5

1.3设计方案分析…………………………………………………………………….5

1.3.1电源电路………………………………………………………………….5

1.3.2气敏传感器工作原理…………………………………………………….6

1.3.3声光报警控制电路……………………………………………………….6

1.3.4排气电路工作原理……………………………………………………….7

1.3.5整体工作原理说明……………………………………………………….7

1.4所用芯片及其他器件说明……………………………………………………….8

1.4.1 555定时器构成的多谐振荡器工作原理……………………………….8

1.4.2 QM-N5气敏传感器……………………………………………………….9

1.4.3继电器………………………………………………………………….. 12

2机器人行走电路设计………………………………………………………………….. 13

2.1设计要求…………………………………… …… ……………… ……………13

2.2设计总体方案…………………………… … … ………………………………13

2.2.1设计原理系统框图…………………… …………………………………13

2.2.2设计原理图……………………………… ………………………………14

2.3设计方案分析………………………… …… ………………………………….14

2.3.1多谐振荡电路分析……………………………… ………………………14

2.3.2 74LS161计数器和计数器显示电路…… ………………………………14

2.3.3直流电机正反转电路……… …… …… ……………..............................15

2.3.4整体工作原理说明…………………………………….............................15

2.4所用芯片及其他器件说明…………………………………...............................15

2.4.1 74LS161计数器……………………………………….............................15

2.4.2 JK触发器……………… ………… ………… …………………………17 3附录……………………… …………… ………………………………… ……………19

3.1附表一：有害气体检测与抽排电路设计所用器件………… ………………19

3.2附表二：机器人行走电路所用器件……………………….............................20

小结与体会…………………………………………………………………………….….21

参考文献…………………………………………………………………………………..23

摘要

随着科学技术的日益发展，尤其在工业生产上，要求我们用智慧去解决一些繁琐，周而复始的工作，减轻人的负担，而且使工作效率，效果更好。有害气体检测报警及抽排电路设计和机器人行走电路的设计就是两个很好的例子。通过智能控制，不仅减免了很多的体力劳动，还使得工作更好更快地完成。

二个设计均能为平时日常生活提供方便，都能智能控制，能自启动和自动关闭，二个设计要求综合运用所学电子电路的知识，是集模拟电子技术和数字电子技术的综合运用，需要灵活运用所学知识，根据设计要求，来达到目的，分析原理、参数计算、元器件选用。

这二个设计都以555定时器为核心，驱动各个部分电路工作，灵活运用555定时器组成的多谐振荡器，以及触发器和稳压电路原理。

通过这两个设计可以锻炼我们的自主创新能力和自主学习能力，也可以巩固所学的知识，这两个设计都明显基于我们平时所学知识设计的，既可以复习以前的知识又可以再次基础之上提高，发掘潜能，拓展知识，丰富自己的知识面和复习自己所学知识，是一个提高能力的跳板。

关键字：气敏传感器、报警电路、智能控制、555定时器

ABSTRACT

With the increasing development of science and technology, especially in industrial production, we are required to use wisdom to solve some complicated, the cycle of work, to reduce the burden, but also the efficiency, the better. Hazardous gas detection alarm and pumping circuit design and circuit design robot walking are two good examples. Through intelligent control, not only relief a lot of manual labor, but also makes the job done better and faster.

Two design can provide convenience for the usual daily life, can be intelligent control, can self-start and auto shut down, two design requirements for integrated use of the knowledge of electronic circuits, analog electronics is a set of technologies and the integrated use of digital electronic technology, need for flexibility in use of the knowledge, according to the design requirements, to achieve their goals, analyze theory, parameter calculation, component selection.

These two designs with 555 timer as the core, driving each part of the circuit to work flexibly composed of 555 timer multivibrator, and flip-flops and regulator circuit.

Through these two designs can exercise our independent innovation capability and self-learning ability, you can consolidate what they have learned, these two designs are obviously based on the knowledge we usually design, either they can review previous knowledge base again improve upon and explore potential, expand knowledge, enrich their knowledge and review their own knowledge, empowerment is a springboard.

Keywords: gas sensors, alarm circuit, intelligent control, a 555 timer

小型智能控制系统设计

1有害气体检测与抽排电路设计

1.1设计任务及要求

设计一个自动检测有害气体浓度，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设计原理系统框图

图1.2.1 设计原理系统框图

1.2.2设计原理图

图1.2.2 设计原理图

图1.2.2 设计原理图

- 4 -

1.3设计方案分析

1.3.1电源电路

原理说明：电源电路由 220v交流电压，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。

图1.3.1 电源电路

- 5 -

1.3.2气敏传感器工作原理

当空气中的有害气体浓度未达到一定值

时，QM-N5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”，555

定时器清零；如果空气中的有害气体浓度达

到C1时，传感器的电阻值变小，使下面的电

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”，555定时器正常

工作，输出方波信号，从而驱动声光报警电

图1.3.2 气敏传感器工作原理图 路。从而驱动风扇抽排电路。

改变滑动变阻器的阻值，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。

注：此处由于在元件库中找不到QM-N5器件，故用滑动变阻器代替。

1.3.3排气电路工作原理

图1.3.3 排气电路工作方框图

排气电路中，继电器为开关作用。当气体浓度大于C1,气敏电阻阻值减小，

从而使电压比较器输出高电平，继电器工作，电机工作，开始进行排气。当毒气

浓度低于C1时，电压比较器输出为低电平，电机工作电路不能导通，停止排气。

注：由于软件中没有交流电机，故用直流电机代替。 1.3.4声光报警控制电路

- 6 -

图1.3.4 声光报警控制电路

当电压比较器输出高电平时，使得555定时器3端口输出方波信号，高电平驱动灯泡发光，低电平使得灯泡变暗，于是灯泡处于间歇的工作状态。其周期计算如下：T=0.7(R1+2R2)*C4.可知，适当改变C4,R1,R2值可以改变灯泡的工作频率。同理，同样通过555定时器发出的方波信号驱动喇叭工作，使得喇叭发出警笛声。 喇叭用两个555来驱动，为的是产生低频和高频的警笛声。

1.3.5整机工作原理说明

电源变压器将交流电网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。

- 7 -

当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，使两个电压比较器正相输入端的电压均小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为“低电平”，555定时器清零，灯泡与喇叭均不工作；如果空气中的有害气体浓度达到C1时，传感器的电阻值变小，使下面的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”，555定时器正常工作，输出方波信号，使得灯泡闪烁，报警电路发出警笛报警声，驱动风扇抽排电路。

改变滑动变阻器的阻值，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。

1.4所用芯片及其他器件说明

1.4.1 555定时器构成的多谐振荡器工作原理

c1以高、低触发端VTH＝VTL＝０

定时器输出u01此时Q0，定时器内部放电三极管截止，电源Vcc经R1，R2向

1电容Ｃ充电，uc逐渐升高。当uc上升到Vcc时，A2输出由０翻转为１，这时3__RDSD1，RS触发顺保持状态不变。所以0

电平１。 _

- 8 -

_2tt1时刻，uc上升到Vcc，比较器A1的输出由１变为０，这时RD0，3_SD1，RS触发器复０，定时器输出u00。

t1tt2期间，Q1，放电三极管Ｔ导通，电容Ｃ通过R2放电。uc按指数

2规律下降，当ucVcc时比较器A1输出由０变为１，Ｒ－Ｓ触发器的3__RDSD1，Ｑ的状态不变，u0的状态仍为低电平。

1tt2时刻，uc下降到Vcc，比较器A2输出由1变为0，R---S触发器的3__RD1，SD0，触发器处于1，定时器输出u01。此时电源再次向电容C放电，_

重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出u01，电容放电时，u00，

电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，

却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。

1.4.2 QM-N5气敏传感器

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。

a 实物图 b 引脚图

图1.4.1.1 QM-N5气敏传感器实物图和引脚图

其中：a为实物图、b为引脚图

图b中：1脚和3脚并联，记做B；4脚和6脚并联，记做A

2脚记做f′、5脚记做f，f′—f之间加热电源

A、 B作为输出端

其具体连线如图1.4.2.2所示

图1.4.2.2 QM-N5气敏传感器连线图

特点：

1、用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）

2、灵敏度高

3、响应速度快

4、输出信号大

5、寿命长，工作稳定可靠

QM-N5技术指标如下表2.1

表2.1 QM-N5技术指标及其详细参数

QM-N5型半导体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.

1) 特点

用于可燃性气体的检测(CH4,C4H10,H2等)

灵敏度高

响应速度快

输出信号大

寿命长,工作稳定可靠

2) 技术指标

加热电压(VH) AC或DC 5±0.5V

回路电压(VC) 最大DC 24V

负载电阻(RL) 2KΩ

清洁空气中电阻(Ra) ≤4000KΩ

灵敏度(S=Ra/Rdg) ≥4(在1000ppmC4H10中)

响应时间(tres) ≤10S

恢复时间(trec) ≤30S

检测范围 50-10000ppm

3) 基本测试电路

图1.4.2.3

使用方法及注意事项

1) 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,这段变化在设计电路时可采用延时处

理解决.

2) 加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用

为佳.

3) 元件在接触标定气体1000ppm C4H10后10秒以内负载电阻两端的电压

可达到(Vdg- Va)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppm C4

H1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(Vdg- Va)差值的80%(即恢

复时间).

4) 符号说明

检测气体中电阻- Rdg 检测气体中电压- Vdg

Rdg 与Vdg的关系: Rdg=RL(VC/Vdg-1)

 负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度.

 使用条件:温度-15~35℃;相对湿度45~75%RH;大气压力80~106KPa

 环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使

用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之.

 避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网.

 元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用.

1.4.3继电器

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制

系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它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。

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。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（常开触点）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（常闭触点）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。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断

开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 选

用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电

器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。 查阅有关资料确定使用

条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电

器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。若是用于一般用电

器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，

如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品。

2机器人行走电路设计

2.1设计任务及要求

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设计总体方案

2.2.1设计原理系统框图

图2.2.1 设计原理系统框图 2.2.2设计原理图

图2.2.2 设计原理图

2.3设计方案分析

2.3.1多谐振荡电路分析

接通电源后，电容C1被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，电容C1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。使3端输出方波信号，此方波信号的周期T=0.7（R1+2R2）C2，通过对RV的调节可以改变3端输出的方波信号的周期T。

图2.3.1 多谐振荡电路

2.3.2 74LS161计数器和计数器显示电路

由多谐振荡器3端输出的方波信号接到74LS161的CLK端，驱动74LS161进行计数，并且由74LS48译码器和7段显示器就行显示计数。

图2.3.2 计数器和计时器显示电路

- 14 -

2.3.3直流电机正反转电路

用74LS161产生进位信号的作为JK触发器的触发信号，于是，当计数完成一个周期时，JK触发器接受到一个触发信号，使得Q端输出翻转。当JK触发器输出为高电平时，Q1,Q4导通，Q2,Q3截止，直流电机两端电势差为-4.0v,直流电机反转，小车后退。当JK触发器输出为低电平时，Q1,Q4截止，Q2,Q3导通，直流电机两端电势差为4.0v，直流电机正转，小车前进。于是就实现了小车前进后退的要求。

图2.3.3 电机正反转电路

2.3.4整体工作原理说明

由前面的分析可知各部分的工作原理，当整体开始工作时，多谐振荡器产生的方波信号周期及计数周期均可由人为调节，故可以较精确地实现小车的前进后退且时间可调的功能。例如，当希望小车先前进5秒，然后后退5秒，如此循环，则可以调节R2使得3端输出的方波信号的周期T=0.5秒，74LS161置“10” 于是，小车前进及后退的时间均为0.5*10=5秒，便实现了以上要求的功能。当机器人前进时，当前进到指定的时间时，计数器产生一个进位信号，触发器便翻转一次，电机转动，当后退时，电机反向转动，直到回到原来的位置，周而复始。这样变实现的机器人的自动控制。

2.4所用芯片及其他器件说明

2.4.1 74LS161计数器

- 15 -

- 16 -

从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“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CR=“1”且LD=“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CR=LD=EP=ET=“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CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。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。

2.4.2 JK触发器

JK触发器真值表：

故当JK触发器的J、K端均接高电平时，每来一个触发信号便使得其发生一次翻转，于是就实现了小车前进与后退的功能要求。

图2.4.2.1 JK触发器真值表

JK触发器逻辑图：

图2.4.2.2 JK触发器逻辑图

- 17 -

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。

- 18 -

3附录

3.1附表一：有害气体检测与抽排电路设计所用器件

3.2附表二：机器人行走电路所用器件

小结与体会

为期两个星期的课程设计结束了。在这期间，我学习到了很多东西，在我看来，这门课是对我们是非常有益的。通过课程设计的实际训练，加深我们对相关课程基础知识与基本理论的理解，把我们以前学的《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》结合运用，并且也用到了《电工实习》、《传感器原理及接口技术》、《电力电子变流技术》等课程等相关的知识，培养了我们综合运用所学知识的应用能力，使其在理论分析、工程计算、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，激发了我们自主创新的精神。

对于我来说，课程设计还是相当难的，以前只是理论学习，现在要运用到实践中了，并且在这期间我们都在准备考试，所以时间还是比较急的。听老师讲后，开始我以为这个很困难，无从下手。最开始的时候，先在网上查找相关的资料，发现这根本不行，网上很多都是学生做的，也不是很权威，后来在图书馆去借了关于传感器和PROTEUS的资料，一步步的学习。由于PROTEUS也是第一次接触，所以我花了两个晚上的时间熟悉了解了这个软件。在这个学习过程中我发现这真是一个非常不错的仿真软件，有了它我就可以知道我设计的电路是不是合理的，并且从中慢慢调整我的电路，直到电路是最佳的选择。软件学会后，我就开始了解课题的基本原理，苦思冥想的设计电路。最开始肯定是要把220V交流电变为直流电，所以上学期学的模电知识现在就派上用场了，先做个直流稳压电源给电路供电。电源做好后就要考虑做气敏传感器模块了，由于PROTEUS中没有QM-N5，所以我用了一个滑动变阻器代替。当电阻变化时电压比较器就有不同的变化，把变化的信号输给555，555就产生振荡信号给喇叭和灯泡，并且触发继电器，使抽风机开始工作。可是在仿真过程中总是出现这样那样的问题，也不知道哪里有错误，只能一步步的调电路参数，或者调整电路。比如电路中电机不能转，后来觉得这是直流电机接在交流电中肯定不会转的，但最后还是发现不是电机的问题，是电路本身就有问题，就一步步的改。还有，555在电机不转的时候还会工作，喇叭还会响，上网查了一下资料，才发现在仿真时555本身就自带了电源，所以才会出现那种情况。在做第二个机器人行走电路的时候，由于有了

第一个电路的基础，做第二个就轻松多了，没有要多长时间久设计出来了。可现实和理论总是存在很大的差距，仿真还是会出现很多问题。也不知道是软件的问题还是怎么回事，同样一个图，拖动了一下，仿真结果就会出现不同的结果。当我调整滑动变阻器的时候发现电机不能实现正反转，当时我就无从下手了。后来冷静思考了很长时间，也继续调试，慢慢的就发现的问题的关键所在，原来是电路个元件的参数设置有很多要求，不是随便设置的。功夫不负有心人，最后这两个设计终于设计出来了。

经过这次的电工电子课程设计，使我对所学的课程有了更深的了解，并且在此学习过程中也学会了查找资料，帮同学们解决问题同时也增长了自己的知识。这次的课程设计就是为我们以后做准备的。以后我们还要写各种课程设计以及最终的毕业设计，给我们垫下了良好的基础。自主学习能力得到了全方位的提升。

总的来说，这次课程设计我学到了很多东西，是我以后出校门以后学不到的。正因为如此，我才好好把握了这次机会认真的完成这次课程设计，锻炼自己的独立思考能力，使用软件能力。不过我的路还长，还需要我继续努力，为以后的学习工作生活做好最好的准备。

参考文献

【1】何希才 任力颖 杨静 《实用传感器接口电路实例》中国电力出版社 2006 【2】钱裕禄 《传感器技术及应用电路项目化教程》北京大学出版社 2013 【3】邱关源 《电路》 高等教育出版社 1999

【4】伍时和 《数字电子技术基础》 清华大学出版社 2008 【5】康华光 《电子技术基础 模拟部分》 高等教育出版社 2005 【6】朱清慧《Proteus电子技术虚拟实验室》 中国水利水电出版社

2000