機(jī)器人行走電路設(shè)計(jì)

1、 I目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 任務(wù)與要求1 HYPERLINK l bookmark6 1.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)1 HYPERLINK l bookmark8 設(shè)計(jì)要求1 HYPERLINK l bookmark10 設(shè)計(jì)方案1 HYPERLINK l bookmark12 設(shè)計(jì)總體思路1設(shè)計(jì)原理框圖2系統(tǒng)流程圖3 HYPERLINK l bookmark14 整體原理電路圖4 HYPERLINK l bookmark16 1.3各部分電路原理分析4 HYPERLINK l bookmark18 方波信號發(fā)生電路4 HYPERLINK l bookm

2、ark20 1.3.2計(jì)數(shù)電路及數(shù)碼顯示電路6 HYPERLINK l bookmark22 1.3.3電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路7 HYPERLINK l bookmark24 整機(jī)工作原理7 HYPERLINK l bookmark26 仿真結(jié)果與分析8 HYPERLINK l bookmark28 仿真效果8 HYPERLINK l bookmark30 仿真過程8 HYPERLINK l bookmark32 結(jié)果分析9 HYPERLINK l bookmark34 特點(diǎn)及改進(jìn)9 HYPERLINK l bookmark36 1.5所用主要芯片說明10 HYPERLINK l bookmark

3、38 555定時器10 HYPERLINK l bookmark40 74LS160加計(jì)數(shù)器10 HYPERLINK l bookmark42 L298電機(jī)驅(qū)動芯片11 HYPERLINK l bookmark44 附錄12 HYPERLINK l bookmark46 小結(jié)與體會13 HYPERLINK l bookmark48 參考文獻(xiàn)14武漢理工大學(xué)電工電子綜合課程設(shè)計(jì)說明書 1機(jī)器人行走電路設(shè)計(jì)1.1任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個能前進(jìn)、后退的機(jī)器人行走控制電路。設(shè)計(jì)要求（1）接通電源，機(jī)器人前進(jìn)，行走一段時間后，機(jī)器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復(fù)始。（2）機(jī)器人行走動力只能使

4、用干電池，不能使用動力電源。（3）機(jī)器人前進(jìn)、后退時間可調(diào)。（4）對電路進(jìn)行仿真通過。設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)總體思路通過對設(shè)計(jì)要求的仔細(xì)分析考慮后，得出以下設(shè)計(jì)思路：電路分為三部分電路，分別為周期脈沖信號發(fā)生電路、計(jì)數(shù)及數(shù)碼顯示電路、直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路。信號發(fā)生器是用555定時器組成的多諧振蕩器，其中的一個電阻用滑線變阻器，方便調(diào)節(jié)電阻大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)振蕩頻率。計(jì)數(shù)電路是用十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160和相應(yīng)的門電路組成，用強(qiáng)制清零法設(shè)計(jì)電路，可以調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)周期，后接數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)狀態(tài)。直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路是由D觸發(fā)器74LS74和芯片L298組成，L298接受觸發(fā)器的信號，其兩個輸入端分別接兩個相反的信

5、號，觸發(fā)器信號翻轉(zhuǎn)的同時，電機(jī)也隨著反向轉(zhuǎn)動。1.2.2設(shè)計(jì)原理框圖555定時器組成多諧振蕩器74LS160組成進(jìn)制可調(diào)的計(jì)數(shù)器D觸發(fā)器組成信號翻轉(zhuǎn)電路L298組成直流電機(jī)驅(qū)動電路直流電機(jī)圖1.1原理框圖1.2.3系統(tǒng)流程圖開始開關(guān)設(shè)定計(jì)數(shù)周期555定時器發(fā)出周期脈沖信號圖1.2系統(tǒng)流程圖1.2.4整體原理電路圖各部分電路原理分析1.3.1方波信號發(fā)生電路(1)原理說明用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如下圖3所示。接通電源后，電容C1被充電，當(dāng)Vc1上升到2/3Vcc時，觸發(fā)器復(fù)位，同時放電，BJT導(dǎo)通，此時輸出電平為低電平，電容C1通過R2和T放電，使Vc1下降。當(dāng)Vcl下降到l/3Vcc時，

6、觸發(fā)器又被置位，輸出電平翻轉(zhuǎn)為高電平。C1放電結(jié)束時，T截止，Vcc將通過R1和R2向電容器C1充電，Vcl由1/3Vcc上升到2/3Vcc時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到了一個周期方波其頻率為：f=1.43/(R1+2R2)C1。2）參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)方波的頻率公式，可以設(shè)計(jì)不同參數(shù)，使得脈沖時間間隔不同，進(jìn)而與計(jì)數(shù)器共同控制機(jī)器人前進(jìn)和后退的時間。為方便計(jì)算和基于常見的電容，取電容C1為47uF。R2固定為10K。為了方便調(diào)節(jié)振蕩頻率，R1用滑動變阻器代替，其最大阻值為100K。電容C2取O.OluF,目的是為了減小干擾信號使振蕩器更穩(wěn)定。根據(jù)公式，可以方便地調(diào)節(jié)滑動變阻器來調(diào)

7、節(jié)頻率。比如說，想要1HZ的振蕩頻率，把47uF和10K帶入公式中的C和R2,解得R1約為10K，則把滑動變阻器調(diào)到10%，就可以實(shí)現(xiàn)頻率為1HZ即周期為1S。同樣的方法可以解得，當(dāng)滑動變阻器調(diào)到41%時，振蕩頻率為0.5HZ，即周期為2S。圖1.4多諧振蕩電路1.3.2計(jì)數(shù)電路及數(shù)碼顯示電路如圖4,計(jì)數(shù)電路由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160、四個單刀雙擲開關(guān)SW-SPDT、四個異或門74LS86和一個四輸入端的或門4072組成。用強(qiáng)制清零法設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)電路，使得計(jì)數(shù)器計(jì)到某一數(shù)值時,清零端電平變?yōu)?,電路又重新開始計(jì)數(shù)。為了使計(jì)數(shù)周期可調(diào),用了四個單刀雙擲開關(guān),可用來設(shè)置計(jì)數(shù)周期,從左到右為高位到低位

8、。每個開關(guān)的一端接異或門74LS86的一端，四個異或門的另外一端分別接74LS160的四個輸出端，高低位分別對應(yīng)。異或門處理信號出來后接四輸入端或門,然后接回到計(jì)數(shù)器的清零端。由此,就構(gòu)成了反饋清零電路。為了清晰地講明工作原理，假設(shè)想要計(jì)數(shù)周期為7秒，在555振蕩電路為1HZ的情況下，設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器為7進(jìn)制，把開關(guān)撥為0111。計(jì)數(shù)器從0000開始計(jì)數(shù)，通過異或門及與或門，未計(jì)數(shù)到0111時，異或所得結(jié)果總有一個為1，使通過或門之后信號總為1，即清零端為1，不執(zhí)行清零功能。當(dāng)計(jì)數(shù)到0111時，異或后都為1，通過或門后為0，即清零端為0，計(jì)數(shù)器異步清零，又重新開始計(jì)數(shù)。這樣就得到了一個計(jì)數(shù)周期為7秒

9、的計(jì)數(shù)器。把74LS160的四個輸出端接數(shù)碼管顯示，就可以實(shí)時觀測計(jì)數(shù)狀態(tài)了。圖1.5計(jì)數(shù)電路1.3.3電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路如圖5,正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路由D觸發(fā)器74LS74和L298組成。D觸發(fā)器的脈沖信號來自計(jì)數(shù)器清零時的信號，由于清零時是有1變0產(chǎn)生下降沿，而74LS74是上升沿觸發(fā)，所以加了一個反相器74LS04，使信號為上升沿。由D觸發(fā)器的狀態(tài)方程為Qn+=D可知，把觸發(fā)器的D端接觸發(fā)器的反相輸出端時，當(dāng)觸發(fā)時，就會實(shí)現(xiàn)信號翻轉(zhuǎn)。把觸發(fā)器的兩個輸出端分別接L298的兩個輸入端IN1和IN2，L298的4、6、9、11腳接高電平，1、8、15管腳接低電平。最后把直流電機(jī)的兩端接在對應(yīng)的輸出端O

10、UT1和OUT2上。當(dāng)觸發(fā)器信號翻轉(zhuǎn)時，IN1和IN2反相跳變，隨之OUT1和OUT2也跳變，就會驅(qū)動直流電機(jī)往相反的方向轉(zhuǎn)動。圖1.6電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路1.3.4整機(jī)工作原理多諧振蕩器和計(jì)數(shù)器都是可調(diào)的，根據(jù)要求的時間設(shè)計(jì)好相應(yīng)的參數(shù)。如7秒，則設(shè)計(jì)振蕩器滑動變阻器為10K，使周期為1秒；四個開關(guān)狀態(tài)為0111，使計(jì)數(shù)器為7進(jìn)制。整機(jī)工作時，直流電機(jī)先往一個方向轉(zhuǎn)動。振蕩器產(chǎn)生周期方波信號，每一個振蕩周期計(jì)數(shù)器計(jì)一次數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到設(shè)定的數(shù)值時，計(jì)數(shù)器清零，重新開始下一個周期。在清零的同時，給觸發(fā)器一個脈沖信號，觸發(fā)器被觸發(fā)，信號翻轉(zhuǎn)，通過L298驅(qū)動，直流電機(jī)往與原來相反方向轉(zhuǎn)動。從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人

11、的前進(jìn)和后退周而復(fù)始的功能，且周期可調(diào)。1.4仿真結(jié)果與分析仿真效果圖1.7仿真圖SW3.:卜SWI.:K仿真過程（1）把滑動變阻器的阻值調(diào)為10K歐，開關(guān)狀態(tài)為0111，得到一個計(jì)數(shù)周期為7秒的計(jì)數(shù)器。把總開關(guān)斷開，按下仿真開始按鈕。此時計(jì)數(shù)器不工作，直流電機(jī)不轉(zhuǎn)；停止仿真，把總開關(guān)閉合，再次按下開始按鈕。此時計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)時，每隔約1秒，計(jì)數(shù)器進(jìn)一，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)計(jì)數(shù)到7秒時，計(jì)數(shù)器清零，又從零開始計(jì)時。同時出發(fā)器輸出端發(fā)生跳變，電機(jī)反轉(zhuǎn)。把滑動變阻器阻值調(diào)為41K,即把振蕩周期設(shè)為了2秒，把開關(guān)狀態(tài)調(diào)為1001,即九進(jìn)制，由此得到一個計(jì)數(shù)周期為18秒的計(jì)數(shù)器。和(1)的仿真結(jié)果基本一樣，

12、只是數(shù)碼管每隔約2秒進(jìn)一，計(jì)數(shù)到9秒時才清零。同時直流電機(jī)往與原來相反的方向轉(zhuǎn)動。把變阻器調(diào)為不同的值，開關(guān)也調(diào)到不同的狀態(tài)，可得到得到不同的計(jì)數(shù)周期，直流電機(jī)也按照所調(diào)的周期實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。結(jié)果分析由以上仿真結(jié)果可得：(1)總開關(guān)可控制電路是否工作。直流電機(jī)會根據(jù)計(jì)數(shù)周期，實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，周而復(fù)始。計(jì)數(shù)周期可以通過改變變阻器阻值和開關(guān)狀態(tài)來改變，即時間可調(diào)。整個電路只用到了邏輯電平電壓約5V，沒有用動力電源。綜上，所設(shè)計(jì)電路符合設(shè)計(jì)要求。特點(diǎn)及改進(jìn)該電路的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)思路簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)的要求。由仿真過程可以知道，該設(shè)計(jì)最大的不足之處是計(jì)數(shù)周期可調(diào)節(jié)的范圍太小，可以通過多加一個計(jì)數(shù)芯片，使進(jìn)制的

13、調(diào)節(jié)范圍更大。計(jì)數(shù)周期只能到達(dá)9,雖然74LS160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，但如果到十再清零，是計(jì)數(shù)器自己清零，不是反饋清零，所以不會給觸發(fā)器觸發(fā)信號，不能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能。解決這個問題需要用置數(shù)法，或改換其他計(jì)數(shù)芯片。1.5所用主要芯片說明1.5.1555定時器表1.1555定時器功能表閾值輸入觸發(fā)輸入復(fù)位輸出放電管TXX00導(dǎo)通2Vcc/32Vcc/3Vcc/310導(dǎo)通Vcc/31不變不變輸入輸出74LS160加計(jì)數(shù)器74LS160是8421BCD碼同步加法計(jì)時器，其引腳圖和功能表如圖RD：異步清零端。當(dāng)它為低電平時，Q3Q2Q1QO=O.LD：同步預(yù)置數(shù)端。當(dāng)它為低電平時，下一個CP到來時，Q3Q

14、2Q1QO=D3D2D1DO。D3、D2、DI、D0：并行數(shù)據(jù)輸入端。Q3、Q2、QI、Q0：輸出端。EP、ET:位能輸入端。當(dāng)它們之中有一個為0時，計(jì)數(shù)器保持原態(tài)；它們?nèi)珵?時,計(jì)數(shù)器進(jìn)行十進(jìn)制計(jì)數(shù)。1.5.3L298電機(jī)驅(qū)動芯片表1.3L298功能表引腳符號功能15SENSINGASENSINGBOUT1此兩端與地連接電流檢測電阻，并向驅(qū)動芯片反饋檢測到的信號。此兩腳是全橋式A的兩個輸出端，用來連接負(fù)載。OUT21110121314VSIN1IN2ENABLEAENABLEBGNDVssIN3IN4OUT3OUT4電機(jī)驅(qū)動電源輸入端。輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平邏輯信號，用來控制全橋式驅(qū)動器A的開

15、關(guān)。使能控制端，輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，低電平時全橋式驅(qū)動器禁止工作。接地端，芯片本身的散熱片與8腳相通。邏輯控制部分的電源輸入端口。輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號，用來控制全橋式驅(qū)動器B的開關(guān)。此兩腳是全橋式驅(qū)動器B的兩個輸出端，用來連接負(fù)載。附錄表1.4機(jī)器人行走電路所用器件表名稱規(guī)格型號位號數(shù)量定時器555U11計(jì)數(shù)器74LS160U21D觸發(fā)器74LS74U6：A1電機(jī)驅(qū)動芯片L298U71異或門74LS86U3：A、B、C、D4或門4072U4：A1非門74LS04U5：A1電阻10KR21滑動電阻100KRV11數(shù)碼管7SEG-BCD1電容O.OluF、47uFCl、C22開關(guān)S

16、W-SPDTSW3、2、1、04開關(guān)SW-SPSTSW41直流電機(jī)MOTORM11小結(jié)與體會這次課程設(shè)計(jì)是艱辛的，但又是讓人高興的，我們從中不斷探索，學(xué)會了很多專業(yè)知識和技能。剛接到課程設(shè)計(jì)任務(wù)時，心情是很復(fù)雜的。雖然，電路、模電、數(shù)電等課都學(xué)了，也做了不少的實(shí)驗(yàn)，但畢竟是第一次課程設(shè)計(jì)，第一次要自己設(shè)計(jì)電路，完全沒有頭緒，非常擔(dān)心做不出。前幾天都是從網(wǎng)上去查找資料，看了許多網(wǎng)上的思路，及前幾屆的同學(xué)的設(shè)計(jì)思路，對設(shè)計(jì)的基本思路有了一定的了解。由于氣體的檢測與抽排電路的要求相對來說較高，所以我就選擇了機(jī)器人行走電路設(shè)計(jì)。雖然之前學(xué)過protel,但用protel仿真不如Proteus方便，所以

17、我和大家一樣，選擇用Proteus來畫電路和仿真，現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用這個軟件。用到的芯片不知道什么型號，就到網(wǎng)上查找，然后再在Proteus中實(shí)現(xiàn)。我參照了網(wǎng)上的思路，但具體的設(shè)計(jì)都是用學(xué)過的數(shù)電知識來設(shè)計(jì)的。其中振蕩電路是用了數(shù)電教材上的555多諧振蕩電路，但稍有改進(jìn)，就是把電阻變?yōu)榭烧{(diào)的滑動變阻器。計(jì)數(shù)電路則用的是數(shù)電中經(jīng)典的芯片160，和所學(xué)的強(qiáng)制清零法。觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)電路也是考試剛考了的內(nèi)容。只有L298芯片是從網(wǎng)上知道的，并把它用到了電路中。最后是報告的書寫，這才是最費(fèi)精力的。以前的報告對文檔沒有太多特殊的要求，也就沒怎么注意格式。但這次課程設(shè)計(jì)對格式有了具體的要求，這就需要一點(diǎn)點(diǎn)地去編輯排版。很多Word的技術(shù)都要從網(wǎng)上搜索來現(xiàn)用?？傊?，這