机器人行走设计电路课程设计.doc

机器人行走电路设计1 意义和要求1.1 意义：了解机器人技术的基本知识，将所学的电子技术知识，以及自学的有关单片机知识运用到设计中来。把理论与实际相结合，能够更好的掌握单片机的应用，同时提高自己的动手能力。同时结合电子技术基础知识设计电路，提高自己的运用，思考能力。让电子科技更加接近我们的生活，挖掘我们的潜能和创新意识。1.2 要求：设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。1.2.1 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。1.2.2 机器人行走动力只能使用干电池，不能使用动力电源。1.2.3 机器人前进、后退时间可调。1.2.4 对设计电路进行仿真。1.3 创新方面：可以控制机器人行走过程的暂停和行走，并且与时间控制同步。2 设计总体方案2.1 设计思路 通过对设计要求分析之后，知道要完成设计需要以下几个部分：信号发生电路、时间控制电路、电机驱动电路。本设计信号发生器由两片74ls123组成一个矩形波信号发生器，利用开关s瞬时接地，使电路起振驱动74ls192减计数器进行显示，后接一个显示器来显示时间，计数满后驱动jk触发器产生规则的、周期可调的方波驱动信号，再由双jk触发器接受触发信号，jk触发器为负沿触发， 改变电动机的正传于与反转经过驱动电路驱动电机工作，而直流电机驱动电路则是由驱动信号驱动三极管构成的开关电路，通过三极管的导通与截止来控制直流电动机的正反转，从而实现机器人的前进与后退。2.2 原理结构框图74ls192减计数器显示机器人前进或后退时间7segbcd控制数码管显示电路显示计数器计数满产生触发信号触发jk触发器两片74ls123组成的信号发生器触发器发出信号驱动直流电机两端压差发生正负跳变直流电机正反转，实现机器人的前进或后退图1：原理结构框图2.3 整体原理电路图图2：机器人行走电路图2.4 设计原理分析2.4.1 方波信号发生器集成单稳态触发器在没有触发信号输入时，电路输出q=0，电路处于稳态；当输入端输入触发信号时，电路由稳态转入暂稳态，使输出q=1；待电路暂稳态结束，电路又自动返回到稳态q=0。集成单稳态触发器有非重触发和可重触发两种，74ls123是一种双可重触发的单稳态触发器。1、74ls123管脚图图3：74ls123管脚图2、74ls123功能图图4：74ls123功能图说明：1.外接电容接在 cext（正）和 rext/cext（正）之间2.为了改善脉冲宽度的精度和重复性，可在 rext/cext 和vcc 之间接外接电阻。3.为了得到可变脉冲宽度，可在 rext/cext 和 vcc 之间接 接可变电阻。4.在cext1000pf时，输出脉冲宽度tw0.45rext cext。器件的可重触发功能是指在电路一旦被触发（即q=1）后，只要q还未恢复到0，电路可以被输入脉冲重复触发，q=1将继续延长，直至重复触发的最后一个触发脉冲的到来后，再经过一个tw（该电路定时的脉冲宽度）时间，q才变为0，如图5所示：图5：输出脉冲周期图3、74ls123的使用方法：（1）有a和b两个输入端，a为下降沿触发，b为上升沿触发，只有ab=1时电路才被触发。（2）连接q和a或q与b，可使器件变为非重触发单稳态触发器。（3）clr=0时，使输出q立即变为0，可用来控制脉冲宽度。（4）按图6连接电路，可组成一个矩形波信号发生器，利用开关s瞬时接地，使电路起振。图6：矩形波信号发生电路2.4.2 74ls192减计数器构成数码显示电路1、74ls192管脚图图7：74ls192管脚图2、74ls192功能表：图8：74ls192功能图说明：cpu为加计数时钟输入端，cpd为减计数时钟输入端。ld为预置输入控制端，异步预置。cr为复位输入端，高电平有效，异步清除。tcu为进位输出：1001状态后负脉冲输出，tcd为借位输出：0000状态后负脉冲输出。3、原理说明由两片74ls123芯片组成的矩形方波信号接入到74ls192时钟端，驱动74ls192进行减计数。图9中74ls192计数从16减至零时tcd端产生负脉冲输出信号接入触发信号驱动jk触发器，jk触发器触发信号是驱动电机转动的信号。数码显示电路通过7segbcd数码管进行显示。4、数码显示电路及jk触发信号产生图9：数字显示电路2.4.3 直流电机正反转驱动电路原理说明：jk触发器的时钟信号为下降沿触发，74ls192减计数到0时产生下降沿脉冲，通过信号的翻转控制电机的正反转，这样就能实现机器人的前进和后退了。如图10所示。1）当输入为高电平时，q1,q4导通，q2,q3截止，a点为低电平，b点为高电平，通过仿真u(ab)=-4.93v,直流电机反转，机器人后退。2）当输入为底电平时，q1,q4截止，q2,q3导通，a点为高电平，b点为低电平，通过仿真u(ab)=4.95v，直流电机正转，机器人前进。图10：电机驱动电路2.4.4 整体工作原理说明 本设计从设计中通过两个74ls123组成的矩形波信号发生器，通过开关k控制信号的发生，信号输出到74ls192计数器的减计数端，通过改变电容和电阻的值改变信号的输出脉冲宽度，即控制频率。减计数器从16减到0时tcd端产生下降沿脉冲，jk触发器的时钟新号端接tcd端当下降沿脉冲到来时，输出发生翻转，此时正好控制电机驱动电路反生反转。我在设计过程中在jk触发器的输出端添加了一个单刀双掷开关，分别连接在输出的两端，这样的设计有助于对电机的正反转得到控制，同时在电机驱动电路中，对于驱动电机的电源端添加了一个可关断晶闸器和一个继电器，继电器的控制信号跟晶闸器的关断信号正好互补，这样能够做到对机器人行走的暂停和行走，而且这个过程跟时间的暂停和启动是同时的。jk触发器工作特性表 j k qn s r qn+1说明0 0 0 0 0 0 保持原态1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 置01 0 1 0 1 0 0 1 0 1 置11 0 0 1 1 1 0 1 01 状态翻转1 0 1 0 图11：jk触发器功能图本设计中用到一个jk触发器，由于，我们想将其接成t触发器，就要使j=k=1,即j,k端都接高电平。这样之后再脉冲信号出现下降沿jk触发器的输出会发生翻转，就可以实现对电机驱动电路的正转和反转的控制，实现自动控制，达到对机器人前进和后退的智能化控制。2.4.5 附加功能1）做到对电机驱动信号和时间脉冲信号的控制是同时的。2）通过一个单刀双掷开关控制机器人的前进和后退。2.5 机器人设计元器件清单名称规格型号位号数量电阻100kr11个1kr2r54个1r61个信号发生器74ls123u1:a、u1：b2片计数器74ls192u21片三极管2n2905q1、q22个三极管2n2219q3、q42个二极管1n4001d1、d22个电平开关dipswc_4dsw11个继电器g5c-14-dc5rl11个排阻respack-7rp11个jk触发器jkffu31片开关sw-spdtsw11个非门74ls04u41片晶闸管s6012ru51片电容2.2ufc1、c21个3 结束语 为期两周的课程设计在考试之后丰富了我们的生活和学习，让我受益匪浅。本次课程设计的选题给我们很大的兴趣，对于机器人的行走设计一直以来都是同学们很感兴趣的一个课题，所以我们投入了大量的时间和精力去完成这个十分模糊的概念。因为之前基本上没有接触过相关的培训和学习，所以在设计过程中阻力是很大的，全部都是要依赖于我们自学和创造性设计，联系课本的知识发现很难去完成此次设计。在设计过程中经历了一段迷茫期，不知道从何处下手去做，而这些很多课堂上没有接触到的东西，却是在创造性学习设计的过程中需要去现学现用的。 经过老师的指导和同学们的相互帮助，上网查阅一些资料，慢慢的接触相关的知识，从不太清楚到渐渐明确方向。学习了相关的一些仿真软件，例如multisim 和proteus等能够帮我们在设计过程中发现问题，解决问题。通过它们可以进行设计仿真，检验设计的正确性。在设计的过程中，我遇到了一些难题，例如仿真软件操作问题；电机正反转电路设计，以及其驱动电路等等，但是都最后一一解决掉。通过此次课程设计，让我认识到了自身存在很多的不足，需要在接下来的学习和生活中要改正的。这次课程设计给我们一个过渡期，大二的结束，进入大三后对更多专业知识的学习需要我们仔细钻研，在这个阶段给了我们很好的提前了解的机会。虽然对单片机、自动控制原理没有理解，但是这也是一个好的开始。对接下来的学习更加具有方向性和指导性。4 致谢词 初次接触课程设计，拿到课题的茫然，设计过程中的不知所措，这个阶段浪费了大量的时间。突然发现自己学的知识太少，根本没法满足设计的要求，就快要作品的前两天老师给了我们很大的帮助，为了让我们都能在这次课设中获得最大的提升，龚老师花了整整一个下午时间，从下午3点到晚上9点一直帮助我们解决问题，提出改进意见，她希望我们能够做的更好，发掘我们的创新思维、发现问题、分析问题和解决问题的能力。 在此感谢龚老师不辞辛苦的悉心指导，在这个过程中我的收获很大。从答疑那天之前的迷茫，只是从网上找了很多相关的资料，基本上没有任何自己的想法，全部都是根据一些网上的电路图进行仿真，拿到老师那里之后基本上没话可说，经过老师的一些指导之后，回来好好查阅了一下资料，根据自己的一些想法对电路和控制电路进行了一下改进，自己 感觉收获很大。 同时还要感谢班上的同学不厌其烦的给我解答问题，甚至有些问