武漢理工大學機器人行走設(shè)計報告

1、課程設(shè)計報告書 學院 ：自動化學院 專業(yè) ：自動化 指導教師 ：龔躍玲 班級 ：自動化1105班 學號 ：0121111360529 姓名 ：鄒唯 2013年7月2日課程設(shè)計任務書學生姓名： 鄒唯 專業(yè)班級： 自動化1105 指導教師： 龔躍玲 工作單位： 自動化學院 1、題目: 機器人行走電路設(shè)計任務：設(shè)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、后退的時間周期可調(diào)（實現(xiàn)分、秒可調(diào)）。 4)對設(shè)計電路進行仿真。 5)機器人在一個

2、周期內(nèi)可隨時停步，然后可前進或后退（加分項）。 6)其他增加功能（加分項）。2、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(shè)備。2. 學生已學習了大學基礎(chǔ)課程和電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子變流技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程。3. 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) 電力電子變流技術(shù) 黃俊 王兆安 編 機械工業(yè)出版社4) 集成電路速查手冊 王新賢 主編 山東科學技術(shù)出版社5) 集成電路速查大全 尹雪飛 陳克安 編 西安電子科技大學出版社6) 晶體二極管手冊 各種版本皆可7)

3、晶體三極管手冊 各種版本皆可3、要求完成的主要任務1. 課程設(shè)計結(jié)束時每個學生要交一份按統(tǒng)一格式要求撰寫的課程設(shè)計說明書，并裝訂成冊。2. 課程設(shè)計說明書中每個題目要求有方案比較、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(shè)計電路的性能指標及電路仿真效果圖等。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(shè)計任務，嚴禁相互抄襲。4、時間安排設(shè)計時間為二周（6月17日7月2日），安排如下： 16月17日上午，指導教師講授課程設(shè)計的有關(guān)基本知識等。26月17日下午6月25日學生查閱資料，完成初步設(shè)

4、計。36月25日6月26日檢查設(shè)計進度，答疑、質(zhì)疑。46月27日6月30日完善設(shè)計，形成設(shè)計說明書電子文檔。47月1日7月2日課程設(shè)計打印、裝訂、提交。指導老師簽名： 2013 年 6 月 14 日 系主任（或負責教師）簽名： 2013 年 月 日目 錄摘要1機器人行走設(shè)計方案 1 1.1設(shè)計思路 11.2電路原理系統(tǒng)框圖 11.3 完整原理圖 22設(shè)計原理分析 42.1多諧振蕩電路分析（周期可調(diào)） 42.2直流電動機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路 52.3 NE555定時器組成的多諧振蕩電路 72.4 74LS90與74LS48及7段譯碼顯示管組成的顯示電路 72.4.1 顯示電路的原理圖及其原理 72.4

5、.2 顯示電路在電機自動翻轉(zhuǎn)或手動翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動時顯示原理 83 所用芯片及其他器件說明93.1 NE555 93.2 74LS76 103.3 74LS90 113.4附加功能 123.5 機器人設(shè)計元器件清單 124 方案比較 13 4.1 方案一 134.2 方案二 134.3 方案三 134.4方案比較及最終方案的確定 145電路仿真14 設(shè)計小結(jié)和心得體會 15致謝 15參考文獻 15 摘要意義：了解機器人技術(shù)的基本知識，將所學的電子技術(shù)知識如電路原理數(shù)字電子技術(shù)模擬電子技術(shù)等運用到設(shè)計中來。把理論與實際相結(jié)合，能夠更好的掌握各種芯片的應用，同時提高自己的思維能力。我通過結(jié)合電子技術(shù)基礎(chǔ)知

6、識設(shè)計電路，提高自己的運用，思考能力，并且能夠獨立的思考并實驗自己的想法，挖掘我們的潛能和創(chuàng)新意識。 題目: 機器人行走電路設(shè)計任務：設(shè)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、后退的時間周期可調(diào)（實現(xiàn)分、秒可調(diào)）。4)對設(shè)計電路進行仿真。 5)機器人在一個周期內(nèi)可隨時停步，然后可前進或后退（加分項）。6)其他增加功能（加分項）。題目: 機器人行走電路設(shè)計1機器人行走設(shè)計方案1.1設(shè)計思路 通過分析可知，要實現(xiàn)機器人的行走需要

7、有驅(qū)動電路（驅(qū)動機器人行走），同時還要有直流電動機正反轉(zhuǎn)電路來控制機器人前進與后退，同時還要有一個時鐘顯示電路來顯示機器人的前進和后退的時間長短。 其中驅(qū)動電路是由信號發(fā)生器（NE555構(gòu)成的多諧振蕩電路）和74HC161組成的。NE555芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路產(chǎn)生周期可調(diào)的方波信號，74HC161的作用則是將方波的周期擴大到原來的十倍再傳遞給JK觸發(fā)器，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)則電壓變化，使直流電機正反轉(zhuǎn)電路工作。而直流電機正反轉(zhuǎn)電路則是由驅(qū)動信號驅(qū)動三極管構(gòu)成的開關(guān)電路，通過三極管的導通與截止來控制直流電動機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機器人的前進后退。顯示電路則是由一個固定周期的NE555構(gòu)成的振蕩電路和74L

8、S90及74LS48和七段譯碼顯示管組成的。它分成正轉(zhuǎn)顯示電路和反轉(zhuǎn)顯示電路。當電機在正反轉(zhuǎn)之間互換時，電機兩端的電壓發(fā)生變化，從而使一個顯示電路清零，另一個則開始計時。 1.2電路原理系統(tǒng)框圖555構(gòu)成的周期可調(diào)的多諧振蕩電路74161加計數(shù)器構(gòu)成的十進制計數(shù)器十倍放大555的周期產(chǎn)生觸發(fā)信號觸發(fā)JK觸發(fā)器 計數(shù)器計數(shù)滿 JK觸發(fā)器在觸發(fā)信號的作用下輸出發(fā)生高低電平跳變 1觸發(fā)器發(fā)出信號驅(qū)動電機兩端壓差發(fā)生正負跳變，電機正反轉(zhuǎn)，機器人前進后退 74LS48控制7段共陰極數(shù)碼管顯示電路顯示電機兩端壓差發(fā)生正負跳變，使一組74LS90清零，另一組開始計數(shù) 圖1：原理結(jié)構(gòu)框圖1.3 完整原理圖分析

9、：555構(gòu)成的多謝指點產(chǎn)生方波信號接到74161時鐘端觸發(fā)74161加計數(shù)器計數(shù)，一旦計數(shù)到十即清零，并通過7403與非門產(chǎn)生下降沿信號驅(qū)動JK觸發(fā)器使JK觸發(fā)器輸出取非，從而驅(qū)動三極管構(gòu)成的開關(guān)電路，通過各個三極管的導通與截止來實現(xiàn)直流電機兩端的壓差的正負跳變，驅(qū)動直流電動機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機器人的前進后退。而另一個不可調(diào)的555構(gòu)成的振蕩電路則是為了產(chǎn)生周期為1秒的方波，使74LS90能加計數(shù)并通過74LS48譯碼器連到7段譯碼顯示管上顯示出來。而使2組顯示電路工作的信號則由電機兩端電壓變化提供，使一組清零不工作，一組計數(shù)，顯示時間 整體原理圖如下：（如圖2） 2 圖2 32設(shè)計原理分析2.

10、1多諧振蕩電路分析（周期可調(diào)）原理圖（如下圖3） 圖3通過調(diào)節(jié)RV1改變多諧振蕩電路輸出方波的周期T=ln2*(R1+2RV1)*C2(RV1是接入電路的部分)多諧振蕩電路工作原理：接通電源后，電容C被充電，當VC上升到2/3VCC時，觸發(fā)器被復位，同時發(fā)電BJT T導通，此時VO為低電壓，電容C通過R2和T放電，使VC下降。當VC下降到（1/3）VCC時，觸發(fā)器又被置位，VO翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為： tPL=RV1Cln2 可近似看成tPL=0.7RV1C當C放電結(jié)束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C充電，VC由（1/3） 4VCC上升到（2/3）VCC所需的時間為

11、： tPH=(R1+RV1)Cln2 可近似看成tPH=0.7(R1+RV1)C而當VC上升到（2/3）VCC時，觸發(fā)器又周而復始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為： f=1/( tPL +tPH) 可近似看成f=1.43/(R1+RV1)C （1-1）而74LS161的作用是每接受到10個下降沿（即10個周期）就清零一次，通過與非門形成一個下降沿信號傳遞給JK觸發(fā)器，使之翻轉(zhuǎn)。綜上所述，JK觸發(fā)器所接收的方波周期是555的10倍。 由于參數(shù)設(shè)定 R1=1K,RV1=125K,代入（1-1），T1=1/f =(R1+RV1)C/1.43 =0.85 s 若555方波直接觸發(fā)JK觸發(fā)器則

12、時間太短不合理，而運用了161來延長周期。 T2=10T1 =8.5s則機器人自動前進后退的時間在9s左右，調(diào)節(jié)滑動變阻器，可以合理的控制機器人行走的時間。2.2直流電動機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路原理圖（截圖如下圖圖4） 5 圖4 當JK觸發(fā)器被觸發(fā)后，觸發(fā)器會翻轉(zhuǎn)，即由高變低或由低變高，而JK觸發(fā)器右端的單刀雙擲開關(guān)則起著手動調(diào)節(jié)R3下端電壓的作用，只要開關(guān)由Q擲向Q非或由Q非擲向Q電平都會翻轉(zhuǎn)。當R3下端點輸入為高電平時，Q1,Q4導通，Q2,Q3截止，A點為底電平，B點為高電平，通過仿真U(AB)=-4.93v,直流電機反轉(zhuǎn)，小車后退。當R3下端點輸入為低電平時，Q1,Q4截止，Q2,Q3導通，A

13、點為高電平，B點為低電平，通過仿真U(AB)=4.95v，直流電機正轉(zhuǎn)，小車前進。 62.3 NE555定時器組成的多諧振蕩電路原理圖如下（圖5） 圖5該多諧振蕩電路原理與前面一個大致相同，不同點在于該方波是用于計時的，所以周期固定為一秒，因此要固定R6R7的阻值，令T=1s,C4=4.7uF，T=(R1+R2)C/1.43代入式子并令R7=150K可以計算出R6=4K 此時該方波周期為1s，頻率為1Hz2.4 74LS90與74LS48及7段譯碼顯示管組成的顯示電路2.4.1 顯示電路的原理圖及其原理原理圖如下（圖6）（正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的連接線路一樣，故僅拷貝一個線路）低位74LS90每接收10個周

14、期的下降沿信號就會向高位74LS90進位并同時清零，而高位74LS90到達9要進10時會自動清零。而且只要把芯片的RO(1)RO(2)接高電平，那么兩塊芯片將同時清零。 7圖62.4.2 顯示電路在電機自動翻轉(zhuǎn)或手動翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動時顯示原理 圖7 清零信號的產(chǎn)生與選擇 8圖中所圈注的點是電機兩端的點，當該點電平高時，經(jīng)非門后變成低電平（連接LS90的清零端RO(1)RO(2)，從而使74LS90開始計數(shù)。而當該點為低電平時，經(jīng)非門變成高電平，使計數(shù)器清零。而無論電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，電機兩端電壓總是一高一低的，所以兩組顯示電路總是一組工作一組清零的，這樣即使驟?；蛲蝗环崔D(zhuǎn)計時器也能馬上反應過來開始計數(shù)或清

15、零 3 所用芯片及其他器件說明3.1 NE555 圖8 555定時器引腳圖 圖9 555定時器電路圖及波形圖555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3。555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 A1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，A2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 A2 的輸出為 1，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH

16、的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 A1 的輸出為 1，A2 的輸出為 0，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。 9 圖10 555定時器功能表3.2 74LS7674LS76是有預置和清零功能的雙JK觸發(fā)器，引腳如圖2所示，有16個引腳。功能表見表2，74LS76是下降 沿觸發(fā)的。當RD0，SD1時不論CP，J，K如何變化，觸發(fā)器的輸出為零，即觸發(fā)器為“0”態(tài)。由于清零與CP脈沖無關(guān)，所以稱為異 步清零。當RD1，SD0時不論CP，J，K如何變化，觸發(fā)器可實現(xiàn)異步置數(shù)，即觸發(fā)器處于“1”態(tài)。當RD1，SD1時 圖11 74LS76引腳圖 只有在CP脈

17、沖下降沿到來時，根據(jù)J，端的取值決定觸發(fā)器的狀態(tài)，如無CP脈沖下降沿到來，無論有無 輸人數(shù)據(jù)信號，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。 圖12 74LS76 功能表 103.3 74LS90 圖13 74LS90引腳圖 圖14 74LS90功能表 本計數(shù)器是由4 個主從觸發(fā)器和用作除2 計數(shù)器及計數(shù)周期長度為除5 的3 位2 進制計數(shù)器所用的附加選通所組成。有選通的零復位和置9 輸入。為了利用本計數(shù)器的最大計數(shù)長度（十進制），可將B 輸入同QA輸出連接，輸入計數(shù)脈沖可加到輸入A 上，此時輸出就如相應的功能表上所要求的那樣。LS90 可以獲得對稱的十分頻計數(shù)，辦法是將QD 輸出接到A 輸入端，并把輸入計數(shù)脈沖

18、加到B 輸入端，在QA 輸出端處產(chǎn)生對稱的十分頻方波 圖16 74LS90工作特性表 11 3.4附加功能機器人在任意時刻都可以隨時暫停前進或后退，同時顯示管顯示前進后退的時間。一個周期內(nèi)可以隨時停止。3.5 機器人設(shè)計元器件清單名稱規(guī)格型號 位號 數(shù)量電阻250KRV11個1KR11個0.5KR2 R3 R4 R54個4KR61個150KR71個信號發(fā)生器NE555U1 U42個計數(shù)器74HC161U141個74LS90U5 U6 U7 U84個三極管2N2905Q1 Q2 2個2N2219Q3 Q42個二極管IN4001D1 D2 2個電平開關(guān)DIPSWC-4SW11個電池BATTERRY

19、B1 B22個譯碼管74LS48U9 U10 U11 U124個JK觸發(fā)器76LS76U21個非門74LS04U3 U13 U173個電容10nFC11個電容10uFC21個電容0.047uFC31個電容4.7uFC41個電感1mHL11個 圖17 元件清單4 方案比較 4.1 方案一 方案一利用的是兩片74LS123作為信號發(fā)生器,方波給予JK觸發(fā)器觸發(fā),使它接受下降沿的信號從而翻轉(zhuǎn),通過觸發(fā)器上的開關(guān)可以手動控制電機的正反轉(zhuǎn).當觸發(fā)器輸出高電平則直流電機反轉(zhuǎn),當輸出低電平則正轉(zhuǎn).圖中另一個555芯片則是用于產(chǎn)生固定頻率的方波信號以用于給計數(shù)器信號從而加計數(shù).,顯示前進后退的時間, 直流電機

20、驅(qū)動電路與其控制信號之間接了一個由繼電器和一個晶閘管組成的保護電路系統(tǒng) 4.2 方案二 用可調(diào)占空比的555多諧振蕩器為直流電機的輸入控制信號，通過調(diào)節(jié)占空比，從而調(diào)節(jié)電機正反轉(zhuǎn)的時間；直流電動機的控制部分為一個直流電動機和電機專用驅(qū)動芯片L298，通過L298可方便的控制電機的正反轉(zhuǎn)和制停；顯示電路為100進制的數(shù)字鐘，數(shù)字鐘的脈沖輸入信號與555多諧振蕩器輸出信號相與即可實時記錄電機正反轉(zhuǎn)的時間。直流電動機的控制信號輸入端有三個開關(guān)，加上L298芯片的使能端及電源總開關(guān)，可使電動機在某一個周期內(nèi)實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，循環(huán)往復且周期可變，還可以在周期的任一時間內(nèi)制停，然后讓電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn) 4.3 方

21、案三 用可調(diào)頻率的555多諧振蕩器為直流電機的輸入信號，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器從而調(diào)節(jié)電機正反轉(zhuǎn)的時間。555輸出的方波信號將HC161計數(shù)，每記下10次下降沿則清零一次，并產(chǎn)生一個脈沖信號給JK觸發(fā)器使他翻轉(zhuǎn)，每來一次脈沖信號，JK觸發(fā)器的Q端電平就翻轉(zhuǎn)一次，而該點電平的高低變化差分放大電路上D1 D2的陽極上的電平高低，從而影響了電機兩端的電壓差，則控制了電機自動隨555信號翻轉(zhuǎn)從而正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。我又將電機兩端點的電平分別與正轉(zhuǎn)顯示電路、反轉(zhuǎn)顯示電路相連，中間接上非門，那么，一旦電機正轉(zhuǎn)，電機電平高的一端則通過非門后變成低電平輸入計數(shù)器的清零端，由于LS90是RO（1）RO(2)低電平計數(shù)，高電

22、平清零，所以正轉(zhuǎn)顯示電路開始計數(shù)。同時，由于電機電平低的一端通過非門后變成高電平輸入清零端，使反轉(zhuǎn)顯示電路清零，不計數(shù)。而當電機暫停工作不行走的時候，電機兩端電平全為低電平，通過非門后全為高電平，所以兩組顯示電路都顯示清零不計數(shù)13 4.4方案比較及最終方案的確定 1）功能上，方案二、三較另一個個方案相比，能夠?qū)崿F(xiàn)電動機自動循環(huán)運轉(zhuǎn)。 2）電路器件及布局上，方案一元器件數(shù)量及種類用得較多，方案三在元器件種類上較方案三節(jié)省些，方案二所用的元器件數(shù)量及種類上都有所減少，且保證了電路要實現(xiàn)的功能。三個方案中，方案二的電路布局也較簡單。 3）方案一與方案三的互補對稱差動放大電路，其抗干擾能力比方案二的

23、L298芯片強，并且也能在一定程度上放大電流。 綜上比較結(jié)果得出，雖然方案二的直流電機控制電路較其他兩個方案在抗干擾能力方面遜色，但從整體出發(fā)考慮，選擇方案一為本次設(shè)計的最終方案。5 電路仿真 仿真步驟：第一步，先對兩個555多諧振蕩器進行信號檢測，用示波器觀察輸出信號是否為矩形波；第二步，在555正常工作的基礎(chǔ)上，不將電機兩端的電壓連上清零端而是將清零端直接接地，檢查數(shù)字鐘是否正常計數(shù)；第三步，檢查電動機驅(qū)動電路是否正常工作，將U1的脈沖信號接到HC161的CP端，觀察電動機正反轉(zhuǎn)的情況；第四步，將電機兩端點連上非門后再分別連上LS90的清零端使時鐘顯示電路能夠隨著電機的正反轉(zhuǎn)而分別計時；第

24、五步，對整個電路進行仿真，其仿真結(jié)果如下圖 圖18仿真結(jié)果：機器人行走周期由8秒到35秒之間可調(diào)仿真中出現(xiàn)的問題：1) 將元器件都連接好后，卻完全不能運行，查閱資料后發(fā)現(xiàn)，仿真軟件庫中雖然有74LS290,但卻不能進行仿真因此將74LS290改為74LS902) 當突然手動將開關(guān)撥動后，電流瞬間太大，運行失敗，加上電感后正常運行 14設(shè)計小結(jié)和心得體會 為期一周的課程設(shè)計學習，讓我及我們小組的成員都深感受益匪淺。此次課程設(shè)計是基本依賴于我們自學，和創(chuàng)造性設(shè)計的過程，在設(shè)計過程中我們學到了，很多課堂上沒有接觸到的東西，并且在創(chuàng)造性學習設(shè)計的過程中也進一步的鞏固加深了課堂知識的理解與應用。本次課程設(shè)計我們的選題是機器人的行走設(shè)計。對于一直以來都是同學們很感興趣的這樣一個課題我們有很大的興趣，所以我們投入了大量的時間和精力去完成這個設(shè)計。我們小組因為之前基本上沒有接觸過相關(guān)的培訓和學習，所以在設(shè)計過程中阻力是很大的，全部都是要依賴于我們自學和創(chuàng)造性設(shè)計，聯(lián)系課本的知識發(fā)現(xiàn)很難去完成此次設(shè)計。在設(shè)計過程 中經(jīng)歷了一段迷茫期，不知道從何處下手去做，而這些很多課堂上沒有接觸到的東西 通過此次課程設(shè)計學習，讓我對一些電子電工設(shè)計軟件也有了很大的提高，例如Proteus在此次設(shè)計中幫到很大忙。通過它我們可以進行設(shè)計仿真，檢驗設(shè)計