機器人行走電路設計報告.doc

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學 號： 0121211360725 課 程 設 計 題 目 機器人行走控制電路設計報告 學 院 自 動 化 專 業(yè) 自動化 班 級 自動化1203 姓 名 王思凱 指導教師 田宇 2012 年 6 月 27 日 課程設計任務書 學生姓名： 王思凱 專業(yè)班級： 自動化1203 指導教師： 田宇 工作單位： 自動化學院 題 目: 小型智能控制系統(tǒng)設計 一、 有害氣體檢測與抽排電路設計 任務：設計一個當有害氣體濃度超標時，能自動發(fā)出聲光報警信號，同時啟動有害氣體抽排控制電路。 要求：當檢測到有害氣體意外排放超標時，發(fā)出警笛報警聲和燈光間歇閃爍的光報警信號，警笛聲由5W/8Ω的喇叭發(fā)出，閃爍的光源采用220V/60W的燈泡，同時自行啟動抽排系統(tǒng)，抽排選擇220V/1.5KW大功率排風負壓風機，確保有害氣體及時排出，保障人們的生命財產安全。抽排完畢后，系統(tǒng)自動回到實時檢測狀態(tài)。 二、機器人行走電路設計 任務：設計一個能前進、后退的機器人行走控制電路。 要求：1、接通電源，機器人前進，行走一段時間后，機器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復始。 2、機器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源。 3、機器人前進、后退時間可調。 初始條件： 1. 實驗室提供萬用表、信號發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源、示波器等設備。 2. 學生已學習了大學基礎課程和《電路原理》、《模擬電子技術》、《數(shù)字電子技術》、《電力電子變流技術》等專業(yè)基礎課程。 3. 學生已參加過電工電子實習，掌握了用PROTEL繪制電路圖的方法。 4. 主要參考文獻 1) 《新編電子電路大全》 第1、2、3、4卷 中國計量出版社 組編 2) 《傳感器及其應用電路》 何希才 編著 電子工業(yè)出版社 3) 《電子線路綜合設計》 主編 謝自美 華中科技大學出版社 4) 《集成電路速查手冊》 王新賢 主編 山東科學技術出版社 5) 《電力電子電路設計》 鐘炎平 主編 華中科技大學出版社 6) 《電子技術工藝基礎》 王天曦 李鴻儒 編著 清華大學出版社 要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求） 1、 課程設計結束時每個學生要提交一份按統(tǒng)一格式要求撰寫的課程設計報告，并裝訂成冊。 2、 課程設計報告中要求繪制方框圖、電原理圖，闡述電路工作原理、每個元器件的主要參數(shù)、設計電路的性能指標、課程設計感言等。 3、 說明書中除個人簽名外，其它文字、符號、圖形或表格一律用計算機打印。 4、 文字、符號、圖形等必須符合國家標準。 5、 獨立完成設計任務，杜絕相互抄襲現(xiàn)象發(fā)生，避免剽竊。 時間安排：一周（6月17日—6月24日）。 6月17日上午，指導教師講授課程設計的有關基本知識，布置設計任務等； 6月17日下午——6月18日上午學生搜集、查閱資料； 6月18日下午——6月20日下午學生初步設計； 6月21日上午——6月21日上午教師檢查設計進度； 6月21日下午——6月23上午學生深化設計； 6月24日上午——6月24日上午答疑、質疑； 6月24日下午——6月24日下午進一步完善設計，形成設計報告電子文檔并打印、裝訂、提交。 備注：1、兩個題目，任選其一；2、設計電路須仿真通過。 指導老師簽名： 2014年 月 日 系主任（或負責教師）簽名： 2014年 月 日 摘要 當代電子技術迅猛發(fā)展，為人們的文化，物質生活提供了良好的條件。因而，加強大學生自身能力建設具有十分重要的意義。此設計報告是關于小型智能控制系統(tǒng)的設計，包含以下兩個設計題目：一是有害氣體的檢測、報警、抽排。當檢測到有害氣體意外排放超標時，發(fā)出警笛報警聲和燈光間歇閃爍的光報警提示，同時自行啟動抽排系統(tǒng)，以保障人們的生命財產安全。抽排完畢后，系統(tǒng)自動回到實時檢測狀態(tài);二是機器人行走電路設計。機器人行走動力使用干電池，接通電源，機器人前進，行走一段時間后，機器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復始，并且前進和后退的時間是可調的。本設計運用555定時器及l(fā)298,74hc190及電機等元器件完成該設計。 關鍵字：555定時器電機電橋L29874HC190 目錄 1. 1意義與要求 1 1.1.1意義 1 1.1.2要求 1 1.2總體框架設計 1 1.2.1方案論證與選擇 1 1.3設計原理圖與分析 3 1.3.1 總體設計圖...........................................................................................3 1.3.2 555多協(xié)震蕩電路 4 1.3.3計時器電路 5 1.3.4 JK觸發(fā)器實現(xiàn)信號翻轉 6 1.3.5 直流電機正反轉電路 6 1.4 仿真分析 7 1.4.1仿真現(xiàn)象與結論 7 1.4.2 仿真問題分析 7 1.5所用芯片及其他器件說明 8 1.5.1 JK觸發(fā)器.................................................................................................8 1.5.2 L298 9 1.5.3 74LS190加減計數(shù)器 10 1.6附表二：機器人行走電路所用器件 11 1.7 小結與體會 11 1 機器人行走電路設計 1. 1意義與要求 1.1.1意義 運用自學的單片機設計簡單的小車控制電路，把理論與實際相結合，能夠更好的掌握單片機的應用，同時提高自己的動手能力。同時結合電子技術基礎知識設計電路，提高自己的運用，思考能力。 1.1.2要求 接通電源，機器人前進，行走一段時間后，機器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復始。機器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源。機器人前進、后退時間可調。 1.2總體框架設計 1.2.1方案論證與選擇 可采用兩種方案，第一是555定時器產生脈沖信號，來激發(fā)計數(shù)器190與298組成的電路進行計時，同時驅動電機旋轉，當計數(shù)到設定時間時，產生觸發(fā)信號，觸發(fā)JK觸發(fā)器，JK觸發(fā)器在觸發(fā)信號控制下輸出發(fā)生高低電平跳變觸發(fā)器發(fā)出信號使直流電機兩端電機兩端電壓發(fā)生跳變直流電機正反轉，實現(xiàn)小車前進與后退。第二種則是通過單片機的某一輸入端口來實現(xiàn)時間的設定，單片機內部電路實現(xiàn)計時功能，并通過引腳輸出電壓的轉換產生正轉和反轉的控制信號，通過驅動電路來實現(xiàn)機器人的前進和后退。單片機控制可根據(jù)需要調整設置時間的范圍，不需要更改電路，并且可通過編程實現(xiàn)其他一些復雜的功能。 通過比較不難發(fā)現(xiàn)，方案一易于操作，更簡捷方便，經濟性高，方案二更加復雜，不易于上手操作，因此采用方案一 555 定時器構成的脈沖激發(fā)模塊 計數(shù)模塊 時間顯示模塊 電機驅動模塊 圖1.2.1系統(tǒng)框架圖 開始 555定時器輸出脈沖信號 電機正轉開始計數(shù) 計數(shù)器歸零 否 是 電機翻轉轉向 結束 圖1.2.2系統(tǒng)流程圖 1.3設計原理圖與分析 1.3.1總體設計圖 圖1.3.1總體設計原理圖 總體原理說明：由555定時器構成的多諧振蕩器產生方波脈沖信號，使計數(shù)器190開始計數(shù)，用兩個190構成兩位減計數(shù)器，并且通過8個單刀雙擲開關構成兩位計數(shù)器的置數(shù)輸入端，并且顯示在7段數(shù)碼顯示屏上，當計數(shù)到設定時間時，產生觸發(fā)信號來觸發(fā)JK觸發(fā)器，JK觸發(fā)器使控制電機的芯片l2998的電平發(fā)生逆轉，從而反轉電機轉動方向，可以通過調節(jié)滑阻RV1來控制電機正反轉時間 1.3.2 555多協(xié)震蕩電路 1.3.2 555多協(xié)振蕩電路 如圖所示，接通電源，由555構成的多諧振蕩器產生發(fā)廣圖 被充電，當Vc上升到2/3Vcc時，觸發(fā)電容C1通過R2和T放電，使Vc下降。當Vc下降到1/3Vcc時，觸發(fā)器又被置位，Vo翻轉為高電平。使3端輸出方波信號，此方波信號的周期T=0.7（R1+2RV2）C1，通過對RV1的調節(jié)可以改變3端輸出的方波信號的周期T，從而控制電機正反轉時間。 1.3.3計時器電路 由多諧振蕩器3端輸出的方波信號接到第一片74LS190的“CLK減計數(shù)”端，驅動74LS190進行減計數(shù)，然后將第一片的“RCO借位端”接到第二片74LS190的“CLK減計數(shù)”端，再將兩片74LS190的“RCO借位端”接到一個或門，使其相或，相或產生的信號接到兩個芯片的“PL置數(shù)端”。這樣，當?shù)谝粋€芯片減到零時，向高位產生一個借位信號，使高位減一，依次循環(huán)，知道兩個芯片均減到零時，兩個借位端相或產生的信號使得兩個芯片的置數(shù)端有效，使其指數(shù)，又回到起點。 圖1.3.3 74LS190和七段共陰數(shù)碼管構成的計數(shù)電路 1.3.4 JK觸發(fā)器實現(xiàn)信號翻轉 用兩片74LS190的“RCO借位端”接或門產生的信號作為JK觸發(fā)器的觸發(fā)信號，于是，當計數(shù)完成一個周期時，JK觸發(fā)器接受到一個觸發(fā)信號， 使得Q端輸出翻轉 圖 1.3.4 JK觸發(fā)器翻轉電路 1.3.5 直流電機正反轉電路 JK觸發(fā)器輸出高電平時，L298的IN1和IN2分別輸入1和0，芯片驅動電機順時針轉動，JK觸發(fā)器觸發(fā)輸出為低電平時，L298的IN1和IN2分別輸入0和1，芯片驅動電機逆時針旋轉，從而實現(xiàn)機器人的前進和后退 圖1.3.5 直流電機正反轉電路 1.4 仿真分析 圖1.4.1 電路仿真截圖 1.4.1仿真現(xiàn)象與結論 開始仿真，555多協(xié)振蕩電路發(fā)出方波脈沖，計數(shù)器開始計數(shù)，數(shù)碼管開始從置入的數(shù)21減計數(shù)，電機開始正轉，當數(shù)碼管顯示為00時，JK觸發(fā)器輸出翻轉，電機開始反轉。并且電機正反轉的時間可以通過滑動變阻器RV1和計數(shù)器的置數(shù)來調節(jié)，仿真達到了設計要求. 1.4.2 仿真問題分析 仿真過程中，數(shù)碼管會有一段時間顯示的不是數(shù)字，經分析，原因是置數(shù)端置入的數(shù)字超出以為數(shù)碼管顯示的范圍，重新置數(shù)后問題解決。 1.5所用芯片及其他器件說明 1.5.1 JK觸發(fā)器 JK觸發(fā)器真值表： 當JK觸發(fā)器的J、K端均接高電平時，每來一個觸發(fā)信號便使得其發(fā)生一次翻轉，于是就實現(xiàn)了小車前進與后退的功能要求。 圖1.5.1 JK觸發(fā)器真值表 JK觸發(fā)器邏輯圖： 圖1.5.2 JK觸發(fā)器邏輯圖 JK觸發(fā)器功能說明： 本電路中，欲將JK觸發(fā)器接成T’觸發(fā)器，應使J、K均接高電平。于是便能實現(xiàn)翻轉功能。 1.5.2 L298 圖1.5.3 L298邏輯功能表 1.5.3 74LS190加減計數(shù)器 圖1.5.4 74LS90加減計數(shù)器相關資料表 1.6附表二：機器人行走電路所用器件 名稱 規(guī)格型號 位號 數(shù)量 555定時器 NE555 U1 1 計數(shù)器 74LS190 U2、U3 2 JK觸發(fā)器 74LS76 U7A 1 七段數(shù)碼顯示管 7SEG-BCD-GRN 2 直流電機 MOTOR-DC M1 1 或門 74LS32 U4A 1 電阻 1K R1 1 滑動電阻器 10K RV1 1 開關 SW-SPDT SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8、SW9 9 電機驅動芯片 L298 U5 1 反向器 74LS04 U6 1 電容 100uF C1、C2 2 直流源 +5V U 2 1.7 小結與體會 通過此次課程設計學習，我對一些數(shù)電以及模電所學的知識有了一個更深的了解，例如對于555多協(xié)振蕩電路以及計數(shù)芯片和觸發(fā)器的使用，在設計當中，通過思考對一些元器件的使用有了更加具體的認識。對于電子電工設計軟件的使用也有了很大的提高，例如Proteus就在此次設計中幫到很大忙。通過它們可以進行設計仿真，檢驗設計的正確性。在設計的過程中，我遇到了一些難題，例如仿真軟件中各個元器件的代碼以及軟件使用當中的操作問題；通過上網查閱相關教程，也同時與同學相互探討，不僅鍛煉了自身的自學能力，也培養(yǎng)了自身的協(xié)作能力。課程設計為我們提供了將理論轉化為實際的機會機會，并且在這個過程當中，不僅提高了自己的動手能力，同時自身的理論水平也有了很大的提高。課設過程中，大家自己獨立思考，完成老師布置的題目，學習了很多東西，把自己所學用于實際，不僅檢驗了所學知識，同時在這個過程中完成設計后也充滿了成就感。