电工电子专业课程设计.doc

课程设计任务书
学生姓名： 专业班级：
指导老师： 工作单位：
题目: 小型智能控制系统设计 一 有害气体检测和抽排电路设计
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控制电路。
要求：1）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报警，同时自行开启抽排系统，以保障大家生命财产安全。
2）抽排完成后，系统自动回到实时检测状态。
3）对设计电路进行仿真。
二 机器人行走电路设计
任务：设计一个能前进、后退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。
4）对设计电路进行仿真。

初始条件：
1. 试验室提供万用表、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》、《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. 学生已参与过电工电子实习，掌握了用PROTEL绘制电路图方法。
4. 关键参考文件
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）《中国外晶体管对照手册》 多种版本皆可。
要求完成关键任务：（包含课程设计工作量及其技术要求，和说明书撰写等具体要求）

1. 课程设计结束时每个学生要提交一份按统一格式要求撰写课程设计说明书，并装订成册。
2. 课程设计说明书中要求有方案比较和论证、系统方框图、电路原理图，叙述电路工作原理、每个元器件关键参数、设计电路性能指标、设计心得体会及电路仿真效果图等。
3. 说明书中除个人署名外，其它文字、符号、图形或表格一律用计算机打印。
4. 文字、符号、图形等必需符合国家标准。
5. 独立完成设计任务，杜绝相互剽窃现象发生，避免剽窃。
时间安排：二周（6月20日—7月2日）。
6月20日 指导老师讲讲课程设计相关基础知识等；
6月20日 ~ 6月25日 学生查阅资料、准备“80选2”问题解答；
6月26日 ~ 6月28日 学生初步设计；
6月29日 检验设计进度，答疑、质疑；
6月30日 ~ 7月1日 学生完善设计，形成说明书电子文档；
7月2日课程设计说明书打印、装订、提交。

指导老师署名： 6 月 20日
系主任（或负责老师）署名： 月 日
目录
摘要································································I
1机器人行走电路设计················································1
1.1设计任务和要求··············································1
1.2总体方案框图················································1
1.3总体方案设计··············································1
1.3.1设计方案选择········································1
1.3.2设计思绪··············································1
1.3.3设计原理系统框图······································1
1.3.4设计电路原理图········································2
1.4单元电路设计和分析········································2
1.4.1脉冲信号产生电路设计和分析··························2
1.4.2计时电路设计和分析··································3
1.4.3电机正反转控制电路设计和分析························4
1.4.4整机工作原理说明······································5
1.5所用元器件说明············································5
1.5.1 555定时器············································5
1.5.2 CT74LS192功效说明··································6
1.5.3 JK触发器功效介绍···································7
1.5.4电机驱动芯片L298功效说明···························8
2附表·····························································10
结束语·····························································11
致谢·······························································13
参考文件···························································13
成绩评定表·························································14

摘要
伴随科技发展，智能控制越来越广泛地被应用于各行各业，尤其是在工业生产上，利用智能控制能够减轻人工作负担，而且能够提升工作效率，减小误差。有害气体检测和抽排电路设计和机器人行走电路设计便是智能控制一个应用，经过一定电路控制便可实现当有害气体超标时自动报警功效，保护人民生命财产不受侵害，经过使设计机器人自动行走便可利用机器人来完成部分在复杂地形上任务，能够降低人工作业时危险性。本文关键介绍了机器人行走电路设计方法，首先介绍了总体方案设计，接着分析了单元电路工作原理，再接着讲解了所用元器件基础功效。经过此课程设计能够锻炼我们思维，将理论和实践相结合，巩固我们理论基础知识，同时能够锻炼我们自主创新能力，为未来走上工作岗位打下基础。

关键词：智能控制 电机正反转 计数器 555定时器

小型智能控制系统设计
1 机器人行走电路设计
1.1设计任务和要求：
设计一个能前进、后退机器人行走控制电路。接通电源后，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；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。
正转
反转
控制电路
电动机
机器人前进
机器人后退

1.2总体方案框图

图1-1总体方案框图
1.3总体方案设计
1.3.1设计方案选择
要控制机器人前进和后退，能够经过控制机器人内部电动机正反转来实现，有以下多个方案：①经过编写程序，利用单片机来控制电机正反转及正反转时间。②经过JK触发器输出信号来控制电机正反转，用计数器输出信号来控制JK触发器，从而控制电机正反转时间，其时间调整则可经过计数器置数来实现。
经过比较能够发觉方案一有一个很大缺点，那就是电机正反转时间调整很不方便，要改变正反转时间就得重新输入程序，另外，利用单片机成本要比方案二成本要高，而且现在我们还没有学单片机，对其功效还不是很了解，而方案二里用芯片我们在数电课上基础全部学过，对它们功效比较熟悉，综合以上考虑，我选择了方案二。
1.3.2设计思绪
要实现机器人前进和后退，就要想措施来控制电机正反转，能够经过JK触发器输出信号翻转来改变电机两端电压极性来实现，而JK触发器时钟脉冲信号可由计数器输出信号来替换，当计数器计数到要求时间时，JK触发器被触发，输出信号发生翻转，从而改变电机转动方向，而正反转时间能够经过改变计数器计数时间来调整，以实现前进和后退时间可调功效。计数器也需要时钟脉冲信号来触发，这就需要脉冲信号产生电路，能够经过由555定时器组成多谐振荡器来实现。
1.3.3设计原理系统框图
脉冲信号产生电路
计数器
JK触发器
记时到要求时间
电机驱动电路
电机
前进
后退
正转
反转

图1-2设计原理系统框图
1.3.4设计电路原理图

图1-3设计电路原理图
1.4单元电路设计和分析
1.4.1脉冲信号产生电路设计和分析
脉冲信号可由555定时器组成多谐振荡器来产生 ，由555定时器组成多谐振荡器电路原理图和波形图以下图所表示:
1/3Vcc
2/3Vcc
VoH
VoL

图1-4多谐振荡器电路图及波形图
电路工作原理分析：刚接通电源时，电容C2两端没有存放电荷，两端电压为零，555定时器2和6端输入电压为零，即6端输入电压小于2/3Vcc，2端输入电压小于1/3Vcc,输出信号Vo为高电平，电源对电容C2充电，，直到其两端电压略超出2/3Vcc；电容C两端电压超出2/3Vcc时，出现6输入端电压大于2/3Vcc，2端输入电压大于1/3Vcc情况，输出信号Vo为低电平，电容C2开始放电，直到C2两端电压略低于1/3Vcc，电容又回到充电状态，，如此循环，便形成了振荡，产生矩形脉冲信号。
电容C2充电时间为：
t1=(R1+R2)C2ln2 =0.7(R1+R2)C2
放电时间为：
t2=R2C2ln2=0.7R2C2
产生脉冲信号周期即为：
T=t1+t2=0.7(R1+2R2)C2
脉冲信号周期能够经过改变R1、R2或电容C大小来调整，要产生周期为1秒脉冲，经过计算能够取R1=R2=10.1k，C2=47uF。
1.4.2计时电路设计和分析
计数器采取芯片CT74LS192，由两片74LS192组成置数可调减计数器电路原理图以下图所表示:

图1-5计数器电路原理图
其中脉冲信号从U1芯片DN端输入,U1借位输出端和U2脉冲信号输入端相连,清零端接地,两片芯片借位输出端相或后和置数端PL相连,当U1芯片减计数到零时,其借位信号由高电平变为低电平,触发U2,即实现了向高位借位,当两片芯片全部减到零时,借位信号全部变为低电平,相或后结果仍为低电平,计数器重新置数,如此循环,假如需要改变计数时间,可经过拨动开关对计数器置数来实现。如此便组成了置数可调减计数器。当计时到零时，U2借位信号从高电平变为低电平，而JK触发器刚好是在下降沿触发，所以可将U2借位输出端接到JK触发器脉冲信号输入端作为它触发信号。
1.4.3电机正反转控制电路设计和分析
电机正反转控制电路原理图以下图所表示:

图1-6电机正反转控制电路原理图
其中芯片L298是电机驱动芯片，ENA和ENB为使能端，当使能端为低电平时，电机不工作，当使能端为高电平时，由IN1和IN2组合情况决定电机工作状态，当IN1为高电平，IN2为低电平时，电机正转；当IN1为低电平，IN2为高电平时，电机反转，所以能够经过改变IN1和IN2输入信号状态来改变电机正反转，从而控制机器人前进和后退，而输入信号改变能够经过JK触发器来控制，经过数电课理论知识我们知道，当把JK触发器J和K输入端同时接高电平，触发信号来临时，其输出信号便实现翻转功效。将JK触发器两个反向输出端分别接L298IN1和IN2便可控制电机正反转。而JK触发器输出信号发生翻转时间能够经过前面计数器借位信号控制，即可调整电机正反转时间，图中SW1为单刀双掷开关，能够经过此开关对电机驱动芯片使能端置1或置0，置1时驱动芯片正常工作，置0时芯片没有输出，电机不工作，由此便可控制电机制动。
1.4.4整机工作原理说明
当接通电源时，由555定时器组成多谐振荡器便开始工作，由前面分析可知，其产生脉冲信号周期T=0.7(R1+2R2)C2，能够经过计算选择合适大小电阻和电容使产生脉冲信号周期为一秒，用该脉冲信号去触发计数器，计数器便每隔一秒减一位数，此时计数器便相当于一个秒表，当计数器减计数到零时，计数器借位信号由高电平变为低电平，相当于一个下降沿脉冲，而JK触发器恰好是下降沿触发，用该信号去触发JK触发器，便可控制JK触发器输出端信号翻转周期，其周期恰好为计数器计数时间，JK触发器输出端信号发生翻转时，电机驱动芯片输入端信号也随之发生翻转，电机便反向转动，如此循环，由此便实现了机器人前进和后退时间可调功效，SW1为电机制动开关，当机器人行走时，假如将SW1拨向低电平，便可使电机停止工作，机器人停止行走。如电路原理图所表示，将两片芯片清零端MR接在开关9上，再经过一个反向器和555定时器电源输入端相连，当开关拨向低电平时，多谐振荡器电源输入端为高电平，正常工作，计数器也正常工作，当开关拨向高电平时，由555定时器组成多谐振荡器器电源输入端为低电平，此时没有脉冲信号产生，同时计数器清零，计数器借位端由高电平变为低电平，电机反向转动，所以经过此开关便可控制电机正反转，从而控制电机前进和后退。
1.5所用元器件说明
1.5.1 555定时器
555定时器是由集成运算放大器组成单门限电压比较器、基础RS触发器及工作于开关状态双极型三极管或MOS管集成在一起电路模块，其引脚图和功效表以下图所表示：

图1-7 555定时器引脚图

表1-1 555定时器逻辑动能表
输入
输出
阈值输入(Vi6)
触发值（Vi2）
复位（RD）
输出（Vo）
放电管T
×
×
0
0
导通
<(2/3)Vcc
<(1/3)Vcc
1
1
截止
>(2/3)Vcc
>(1/3)Vcc
1
0
导通
<(2/3)Vcc
>(1/3)Vcc
1
不变
不变
1.5.2 CT74LS192功效说明
该芯片是一个同时可预置BCD、可逆计数器，它由四个主从T触发器和部分门电路组成，含有清除、保持、并行输入、加计数、减计数等功效。图1-7是其引脚图和逻辑符号。
其中MR是清零端，CPU是加计数脉冲输入端，CPD是减计数脉冲输入端，PL是置数控制端，TCU是进位输出端，TCD是借位输出端,P0、P1、P2、P3是并行数据输入端，Q0、Q1、Q2、Q3是并行数据输出端。

图1-8 CT74LS192引脚图及逻辑符号

下表为其功效表：

表1-2 CT74LS192功效表
MR
PL
CPU
CPD
P3
P2
P1
P0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
↑
1
×
×
×
加计数
0
1
1
↑
×
×
×
减计数
0
1
1
1
×
×
×
保持

由功效表能够看出当MR=1时，计数器输出端被置零，即Q3Q2Q1Q0=0000，只有当MR=0时计数器才能实现置数，加计数，减计数和保持功效。当置数端PL=0时，可对计数器进行置数操作，PL=1时，不可置数，此时计数器处于加计数，减计数或保持状态。计数器加计数脉冲输入端CPU和减计数脉冲输入端CPD是相互独立，当计数器作为加计数器使用时，脉冲从CPU端输入，作为减计数器时脉冲信号从CPD端输入。
1.5.3 JK触发器功效介绍
JK触发器逻辑图和逻辑符号以下图所表示：

图1-9 JK触发器逻辑图和逻辑符号
JK触发器功效表如表1-3所表示，由功效表可知：
（1） 当J=0，K=0时，CP下降沿到后输出保持原来状态不变。
（2） 当J=0，K=1时，CP下降沿到后触发器输出端置零。
（3） 当J=1，K=0时，CP下降沿到后触发器输出端置1。
（4） 当J=1，K=1时，当Qn=0时，CP下降沿到后触发器置1，Qn=1时，触发器置零，可知当J=K=1时，CP下降沿到来后触发器将实现反转功效。称触发器处于翻转计数状态。
表1-3 JK触发器功效表
CP
J
K
Qn
Qn+1
功效
0
×
×
×
Qn
Qn+1= Qn，保持
0
0
0
0
0
Qn+1= Qn,保持

0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
Qn+1=0,置0

0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
Qn+1=1,置1

0
1
0
1
1
0
1
1
0
1

翻转

0
1
1
1
0
1.5.4电机驱动芯片L298功效说明
L298是一个高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片关键特点是:内含两个H桥高电压大电流全桥式驱动器，能够用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采取标准TTL逻辑电平信号控制；含有两个使能控制端，在不受输入信号影响情况下许可或严禁器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；能够外接检测电阻，将改变量反馈给控制电路。其引脚图以下图所表示:
图1-10 L298引脚图
L298各个引脚功效说明表以下:
表1-4 L298引脚功效说明表
引脚
符号
功效
1
15
SENSING A
SENSING B
此两端和地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到信号
2
3
OUT 1
OUT 2
此两脚是全桥式驱动器A两个输出端，用来连接负载
引脚
符号
功效
4
Vs
电机驱动电源输入端
5
7
IN 1
IN2
输入标准TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A开关
6
11
ENABLE A
ENABLE B
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严禁工作。
8
GND
接地端，芯片本身散热片和8脚相通
9
Vss
逻辑控制部分电源输人端口
10
12
IN 3
IN 4
输入标准TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B开关
13
14
OUT 3
OUT 4
此两脚是全桥式驱动器B两个输出端，用来连接负载
L298逻辑控制功效表以下图所表示：
表1-5 L298逻辑功效控制表
输入
输出
Ven=H
C=H；D=L
正转
C=L；D=H
反转
C=D
制动
Ven=L
C=×；D=×
没有输出，电机不工作
其中C、D分别为IN1、IN2或IN3、IN4；L为低电平，H为高电平，×为不管是低电平还是高电平。

2 附录
表2-1 所用元器件清单
名称
规格型号
数量
555定时器
NE55
1
计数器
CT74LS192
2
JK触发器
CT74LS117
1
电机驱动芯片
L298
1
或门
CT74LS32
1
非门
CT74HC04
1
排阻
CONN-SIL10
1
开关组
DIPSW_9
1
单刀双掷开关
SW-SPDT-MOM
1
电阻
10.1K
2
电容
0.01uF
1
电容
47uF
1
数码管
7SEG-BCD-GRN
2
直流电机
MOTOR
1
干电池
1.5V
4
导线

若干

结束语
经过这段时间课程设计，我从中学会了很多东西 。即使时间不是很长，但其间充满着多种滋味，有失败时沮丧，也有成功时欣喜。
当老师刚部署课题时，因为是第一次做课程设计，又加上立即要考数电，而且基础强化训练老师也部署了课题，时间比较紧，我既要复习，又要找资料，总而言之当初心情很烦躁，担心到时完成不了任务。
当考完数电后，我便全身心地投入到课程设计中来了，首先我大致地想了一下两个题目标设计思绪，对于有害气体检测和抽排系统设计，依据老师提醒，我先查了一下 气敏传感器工作原理，了解到当有害气体浓度升高时，气敏传感器电阻会快速下降，有害气体浓度降低时传感器电阻增大。于是我想到了做过一个物理试验:热敏电阻特征测量及应用。能够用类似方法，利用电压比较器来将气体信号转换为电信号，当有害气体浓度低于限制浓度时，电压比较器输出低电平，高于限制浓度时，输出高电平，所以能够利用电压比较器输出信号来控制声光报警和气体抽排系统。因为老师要求光报警要用一个60W灯泡，用电压比较器输出电压来作为其工作电压显著不能满足要求，所以我想到了将灯泡和晶闸管串联后再和220V交流电源相连，晶闸管开关由电压比较器输出信号来控制。抽气风扇电动机开和关也能够用一样方法，声报警要求产生警笛声，能够用两片555定时器组成多谐振荡器来产生喇叭触发信号，而555定时器工作电压可由电压比较器输出电压来提供。因为时间原因，我只是大致地想了一下这个题目标设计方案，仿真结果没有弄出来。我关键做是机器人行走电路设计。
对于机器人行走电路设计,我首先想到是要想控制机器人前进和后退,就要想措施控制机器人内部电机正反转,经过查阅资料,我了解到芯片L298便是用来驱动电机,而且能够经过改变输入信号来控制电机正反转,从而控制机器人前进和后退,而输入信号改变又能够经过JK触发器翻转功效来实现,用由74LS192组成减计数器借位信号作为JK触发器脉冲信号,便能够控制JK触发器翻转时间,从而控制电机正反转时间,能够经过改变计数器置数来调整电机正反转时间,从而实现机器人前进和后退时间可调功效。
考虑到现实生活中机器人可能碰到种种问题，有时需要随时改变机器人行走方向，我对电路附加了部分功效，达成随时改变电机正反转目标，开始时我是在JK触发器后面加了一个双刀双掷开关来实现此功效，经过拨动开关，能够随时使电机驱动芯片输入信号发生翻转，从而改变电机转向。不过以后答疑时，经过老师提醒，我发觉我电路还有很多缺点，比如当经过拨动开关来改变电机转向时，假如此时计数器刚好计时到零，将会出现“撞车”现象，以后我经过对计数器进行清零来改变电机转向，不过仿真时发觉电机忽顺时针转动，忽逆时针转动，经过分析发觉是因为即使计数器清零了，但仍有脉冲信号送进来，计数器借位信号在低电平和高电平往返跳动，JK触发器在很短时间内便发生翻转，从而使电机也在很短时间内改变转向，这么很轻易烧毁电机。以后我就想，假如对计数器清零同时使脉冲信号产生电路也停止工作，这么就不会出现上述现象了，为此，我将两片芯片清零端接在一个开关上，在经过一个反相器和555定时器电源输入端相连，这么话，当清零端为高电平时，计数器清零，而脉冲信号产生电路电源输入端就为低电平，不能产生脉冲信号，这么便可经过清零开关来随时改变电机转向而不至于发生撞车现象。经过仿真，证实此方案是可行。
经过此次课程设计，不仅锻炼了我思维，将理论知识和实际相结合，加强了对理论知识了解和掌握，还学会了新仿真软件Proteus使用，即使之前也学过部分仿真软件，不过认为这个软件有很多独特功效，即使课程设计已经靠近尾声了，不过我会继续学习这个软件，因为有很多功效我还不是很熟悉。
总而言之，我从这次课程设计中学到了很多从书本上学不到知识，对我帮助很大，同时我发觉牢靠基础理论知识对处理实际问题有很大帮助，所以，在以后学习中我会加强对自己理论知识巩固。

致谢
课程设计已经靠近尾声了，在此我要感谢龚老师在课设期间对我细心指导，还要感谢我同组者，期间我们相互讨论，培养了团体合作精神，我从她们身上学到了很多东西。
参考文件
[1] 王新贤.集成电路速查手册.山东科学技术出版社,
[2] 伍时和.数字电子技术基础.清华大学出版社，
[3] 吴红星.电机驱动和控制专用集成电路手册.中国电力出版社，
[4] 魏连荣.电力电子技术及应用.化学工业出版社，

本科生课程设计成绩评定表
姓 名

性 别

专业、班级

课程设计题目：小型智能控制系统设计
课程设计答辩或质疑统计：
41. 直流差动放大器只能放大直流信号，不能放大交流信号，这个结论是否正确，为何？
答：不正确。因为差分放大器是直接耦合，能够放大差模信号，抑制共模信号，只要输入信号存在偏差，全部能够放大,所以只要输入两个交流信号有偏差一样能够放大。

45在有多级放大器电路中，通常全部设计有去耦滤波电路，这个去耦滤波电路到底起什么作用？
答：消除直流电源内部耦合，预防放大器产生自激现象。

成绩评定依据：

设计方案和内容

（30分）
制作和调试

（30分）
说明书内容和
规范程度
（20分）
答 辩

（10分）
考 勤

（10分）
总 分

（100分）

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导老师签字： 7 月 日