有毒气体检测、报警与抽排

前言
此课程设计包括两个设计主题，一为有毒气体的检测和抽排，二为机器人行走。

当有毒气体泄漏时电路可以自动监测出，并报警，若气体浓度超标，抽排系统检测到并及时进行抽排换上新鲜空气。

抽排完后，回复实时监测状态。

机器人行走设计则能自动前进一段时间后又后退等长时间，然后又前进，周而复始。

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同学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同学们所学知识设计的，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。

目录
1.有害气体的检测、报警、抽排 ................................................................ 错误！未定义书签。

1.1.意义与要求..................................................................................... 错误！未定义书签。

1. 1.1.意义....................... 错误！未定义书签。

1 .1.2.设计要求................... 错误！未定义书签。

1.2.设计总体方案................................................................................. 错误！未定义书签。

1.2.1.设计思路.................... 错误！未定义书签。

1.2.2.总体设计方框图.............. 错误！未定义书签。

1.2.3.完整原理图.................. 错误！未定义书签。

1. 2. 4 PCB制图................... 错误！未定义书签。

1.3设计原理分析.................................................................................. 错误！未定义书签。

1.3.1.气敏传感器工作原理.......... 错误！未定义书签。

1.3.2声光报警控制电路............. 错误！未定义书签。

1.3.2排气电路工作原理............. 错误！未定义书签。

1.3.3整体工作原理说明............. 错误！未定义书签。

1.4.所用芯片及其他器件说明............................................................. 错误！未定义书签。

1.4.1. IC555定时器构成多谐振荡电路图错误！未定义书签。

1.5.附表一：有害气体的检测、报警、抽排电路所用元件............... 错误！未定义书签。

2.机器人行走电路 ......................................................................................... 错误！未定义书签。

2.1.意义与要求..................................................................................... 错误！未定义书签。

2.1.1意义......................... 错误！未定义书签。

2.1.2.设计要求.................... 错误！未定义书签。

2.2.设计总体方案................................................................................. 错误！未定义书签。

2.2.1.设计思路.................... 错误！未定义书签。

2.2.2总体设计方框图............... 错误！未定义书签。

2.2.3 完整原理图.................. 错误！未定义书签。

2.2.4 .PCB制图.................... 错误！未定义书签。

2.3.设计原理分析................................................................................. 错误！未定义书签。

2.3.1.多谐振荡电路分析............ 错误！未定义书签。

2.3.2.74161加计数器构成十进制计数器显示电路错误！未定义书签
2.3.3.直流电机正反转驱动电路...... 错误！未定义书签。

2.3.4.整体工作原理说明............ 错误！未定义书签。

2.4.所用芯片及其它器件说明............................................................. 错误！未定义书签。

2.4.1. 555定时器.................. 错误！未定义书签。

2.4.2. 74HC161加计数器............ 错误！未定义书签。

2.4.
3. 74HC112双JK触发器......... 错误！未定义书签。

2.5.附表二：机器人行走电路所用元件............................................... 错误！未定义书签。

3.设计体会和小结.................................................................................. 错误！未定义书签。

1.有害气体的检测、报警、抽排
1.1.意义与要求
1. 1.1.意义
日常生活中经常发生煤气泄漏或者其他有毒气体危害人们的生命健康的事故。

故此，本人联系实际和运用所学的电子技术知识，设计出一套有毒气体的检测电路，并且可以在有毒气体超标时能即时抽排出有害气体，就可以使人们的生命健康有一个保障同时也锻炼了自己的实践动手能力，培养了科学实践的兴趣，提升自己的专业知识面。

1 .1.2.设计要求
当检测到有毒气体意外排时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示，当有毒气体浓度超标时能自行启动抽排系统，排出有毒气体，更换空气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。

1.2.1.设计思路
利用QM—N5气敏传感器检测有毒气体，根据其工作原理构成一种气敏控制自动排气电路，电路由气体检测电路、电子开关电路、报警电路、和气体排放电路构成。

在有害气体浓度很低合乎大气标准时，QM—N5 未能检测，元件的两端呈高阻抗，使两个比较器都无输出，电路不报警，也不进行排气。

当有害气体达到一定浓度时，QM—N5检测到有毒气体，元件两极电阻变的很小，此时电压比较器U3:B有输出，使得555芯片组成的多谐电路产生方波信号，驱动报警电路工作，使发光二极管间歇发光，蜂鸣器间断发出声音；当有毒气体浓度继续升高到超标时，电压比较器U3:A有输出，驱动排气系统工作。

当气体被排出，浓度和付标准时，电路回复到自动检测状态。

此设计中可通过调节电位器RV1来实现控制有毒气体检测灵敏度，从而到达控制空气中不同气体标准浓度不同的目的。

这也是此设计的亮点之处！
如图（1.1）
毒气浓 返回自 度小于C1
动检测
返回自动
检测状态 毒气浓度大于C1,
小于C2
毒气浓度
排气后，毒气 大于C2
浓度低于C1
图1.1
注：其中浓度C1为毒气泄漏浓度，C2为毒气超标浓度。

声光系统和排气系统都不工作 有毒气体浓 度自动检测 声光系统工 作，排气系 统不工作 声光系统工作，排气系统也工作
声光系统和排气 系统停止工作
图1.2
图1.3
1.3设计原理分析
1.3.1.气敏传感器工作原理
电路图（如图1.4）
图1.4
分析：
气敏管处于检测状态后，若无可燃气体泄漏，A、B间阻值很大，电路不报警；当有害气体达到一定浓度时，元件两极电阻变的很小，此时晶体管导通，使得555芯片工作，驱动报警电路工作，同时使得继电器工作，电机开始工作抽排，一段时间，有害气体浓度排尽。

气敏管处于检测状态后，若无可燃气体泄漏，A、B间阻值很大，IClb第12脚电压低于第13脚电压，第14脚输出为低电平，VT1截止，继电器K仍处于释放状态，不发生报警；若有可燃气
体泄漏，并达到一定浓度时，气敏管A、B 间电阻变小，IClb第12脚电压上升并超过第13脚电压，使第14脚输出由低电平翻转为高电平，VT1导通，继电器K接通吸合，K1闭合，由IC2等组成的报警器发出报警信号。

红色发光管VD8发光，直至气敏管检测的可燃气体浓度低于设定值时，继电器J失电释放，Kl断开，报警器停止工作。

检测灵敏度由RP调节确定。

1.3.2声光报警控制电路
毒气浓度大
于C1，小于C2
U3:B输出高电平
555多谐振荡电路
工作，555的3端口输
出方波信号
触发高电平三极管导通
方波信号高电平触发
三极管导通，底电平时，
三极管截止
三极管导通时，放光二极管
和蜂鸣器工作，截止时，停
电路图如下（如图1.6）
图1.6
分析：
其中4端口接LM358 U3:B电压比较器输出端。

当毒气浓度大于C1(毒气泄漏浓度）时，气敏传感器阻值降低，使得比较器U3:B 正向输入端压值大于反相输入端，经过仿真，此时比较器输出由-5.9v变为+5v，从而驱动555构成的多谐振荡电路，使555的3端口输出方波信号，高电平驱动三极管Q2,使LS2与发光二极管处于间歇的工作状态。

其周期计算如下：T=ln
其占空比为§=(R5+R6)/R5.可知，适当改变C4,R5,R6值可以改变声光系统的工作频率。

1.3.2排气电路工作原理
排气控制电路原理图
毒气浓度
高于C2
电压比较
器U3:A输
出高电平
三极管处于饱
和导通状态
电动机工作
开始排气
电路图如下（如图1.7）
图1.7
分析：
排气电路中，三极管Q1为开关作用。

当气体浓度大于C2,气敏电阻阻值进一步减小，从而是U3:A输出从-5.8v变到+5v使Q1为饱和导通状态，电机工作，开始进行排气。

当毒气浓度低于C2时，U3:A输出为低电平，使三极管Q1截止，电机工作电路不能导通，停止排气。

1.3.3整体工作原理说明
气敏管QM一N5是一种N型半导体气敏元件，其A、B间的电阻随接触的有毒气体浓度不同而变化，在QM—N5元件未接触有害气体时，元件的两端呈高阻抗，电路不报警；当有害气体达到一定浓度时，元件两极电阻变的很小，此时电压比较器U3:B 输出高电平，使得555多谐振荡电路工作，输出方波信号，驱动报警电路工作；当毒气浓度超标，U3:A输出高电平，使三极管Q1饱和导通，电机开始工作抽排气体，一段时间，有害气体浓度减小，当有毒集体被排尽时，电路自动恢复正常状态。

为了加快气敏管的反应速度，需通过H1、H2间的热丝对敏感元件进行加热，所以在对气敏自动换气装置进行电路调整时，须先通电预热一段时间，然后进行调整。

也可以改变RV1,RV2变阻器的阻值就能使电路达到检测不同气体浓度，并排气的目的。

其中RV1，RV2为气体检测灵敏度控制端，RV1为粗调，RV2为细调。

1.4.所用芯片及其他器件说明
1.4.1. IC555定时器构成多谐振荡电路图（如图1.8）
图1.8
功能管脚图（如图1.9）
图1.9
多谐振荡器工作原理（如下图1.10）
图1.10
555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V C上升到2/3V CC时，触发器被复位，同时发电BJT T导通，此时V O为低电压，电容C通过R2和T 放电，使V C下降。

当V C下降到（1/3）V CC时，触发器又被置位，V O翻转为高电平。

电容器C放电所需的时间为：
t PL=R2Cln2 可近似看成t PL=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）V CC上升到（2/3）V CC所需的时间为：
t PH=(R1+R2)Cln2 可近似看成t PH=0.7(R1+R2)C 而当V C上升到（2/3）V CC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/( t PL +t PH) 可近似看成f=1.43/[(R1+R2)C]
555定时器功能表
1.5.附表一：有害气体的检测、报警、抽排电路所用元件
名称规格型号位号数量
7812集成稳压器LM7812 U1 1个
7805集成稳压器LM7805 U2 1个
变压器220v-20v TR1 1个
整流桥2W02G BR1 1个
气敏传感器Q5 1个
电位器130k，1k RV1,RV2 各1个
驱动电源+6v VDD 1个
瓷片电容33pf0.01uf
10uf C1,C2,C4,
C5
各1个
极性电容500uf200uf C3,C6 各1个
电阻300，470等C1--C9 参照原理图电机直流20v M1 1个
发光二极管 3.5v LED 1个。