机器人行走电路课程设计完整版.docx

武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书电工电子课程综合设计大纲电工电子课程综合设计是根据教学计划和课程教学目标的要求，综合应用电路原理、模拟电子技术、数字电子技术、电工电子实习、传 感器原理及接口技术、电力电子变流技术等课程知识而开设的实践性课程。以期对自动化、电气自动化专业学生进行电工电子类设计思想和设计方法的初步训练，使学生掌握基本电子线路的设计技能。一、 课程设计的目的通过课程设计的实际训练，加深学生对相关课程基础知识与基本理论的理解，培养学生综合运用所学知识的应用能力，使其在理论分析、工程计算、制图标准与规范、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到综合训练，促进学生养成严谨求实的科学学风，激发学生自主创新的精神。二、 课程设计的运作过程1、 指导教师拟定题目难易适当的课程设计任务书，既保证大多数学生得到基本训练，通过查阅资料、手册、分析、计算能顺利完成设计任务，又能使学习优秀的学生充分发挥创新思维，激发探索科技知识的积极性。2、 设计开始前，指导教师讲解有关设计的目的、要求及注意事项，介绍设计原则、方法和范例，增补学生在过去的学习阶段尚未涉猎的相关知识。3、 设计期间，指导教师对学生遇到的问题及时解答，并对课程设计的内容组织质疑和答辩。4、 每个学生在设计结束时要提交一份按统一格式要求书写的课程设计说明书。说明书中要求绘制方框图、电原理图，阐述电路工作原理，元器件参数计算、设计电路的性能指标等。三、 设计时间 1周四、 其他1、 课程设计说明书封面由教务处统一规范的格式打印。2、 课程设计报告除教学管理部门要求必须用手写的内容外，一律打印上交。3、 课程设计成绩通过质疑和答辩，结合设计过程中的学习态度、设计思想、设计报告综合评定。课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 小型智能控制系统设计 一、烟雾检测与抽排电路设计任务：设计一个当烟雾浓度超标时，能自动发出声光报警信号，同时启动烟雾抽排控制电路。要求：当烟雾排放意外超标时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警信号，警笛声由5W/8的喇叭发出，闪烁的光源采用220V/60W的灯泡，同时自行启动抽排系统，抽排选择220V/1.5KW大功率排风负压风机，确保烟雾及时排出，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。二、机器人行走电路设计任务：设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。要求：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。 2、机器人行走动力只能使用干电池，不能使用动力电源。 3、机器人前进、后退时间可调。三、夜间照明节电控制电路设计 任务：设计一个光线暗淡有声响时灯亮，延时照明后自动熄灭的节电控制电路。要求：光线明亮，有无声响，灯不亮；光线暗淡，有声响，灯亮且延时10至60秒（延时时间可调）；光线暗淡，无声响，灯不亮。初始条件： 3. 实验室提供万用表、信号发生器、直流稳压电源、示波器等设备。4. 学生已学习了大学基础课程和电路原理、模拟电子技术、数字电子技术、电力电子变流技术等专业基础课程。5. 学生已参加过电工电子实习，掌握了用PROTEL绘制电路图的方法。6. 主要参考文献1) 新编电子电路大全 第1、2、3、4卷 中国计量出版社 组编3) 传感器及其应用电路 何希才 编著 电子工业出版社4) 电子线路综合设计 主编 谢自美 华中科技大学出版社5) 集成电路速查手册 王新贤 主编 山东科学技术出版社6) 电力电子电路设计 钟炎平 主编 华中科技大学出版社7) 电子技术工艺基础 王天曦 李鸿儒 编著 清华大学出版社要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）2 课程设计结束时每个学生要提交一份按统一格式要求撰写的课程设计报告，并装订成册。6 课程设计报告中要求绘制方框图、电原理图，阐述电路工作原理、每个元器件的主要参数、设计电路的性能指标、课程设计感言等。7 说明书中除个人签名外，其它文字、符号、图形或表格一律用计算机打印。8 文字、符号、图形等必须符合国家标准。9 独立完成设计任务，杜绝相互抄袭现象发生，避免剽窃。时间安排：一周（7月2日7月9日）。7月2日上午，指导教师讲授课程设计的有关基本知识，布置设计任务等；7月2日下午7月3日上午学生搜集、查阅资料；7月3日下午7月6日下午学生初步设计；7月7日上午7月7日上午教师检查设计进度，矫正设计错误。7月7日下午7月8下午学生深化设计；7月9日上午7月9日上午答疑、质疑；6月9日下午7月9日下午进一步完善设计，形成设计报告电子文档并打印、装订、提交。 备注：1、三个题目，任选其一；2、设计电路须仿真通过。指导老师签名： 2015年7 月 2 日 系主任（或负责教师）签名： 2015年 月 日目录摘要1机器人行走电路设计21设计要求22设计总体方案22.1设计原理系统框图22.2设计原理图33设计方案分析43.1计数脉冲发生电路43.2计数电路53.3电机反转控制电路63.4电机驱动电路63.5整机工作原理说明74所用芯片及元器件说明74.1 555定时器功能表74.2 74LS192十进制可逆计数器84.3 L298电机驱动集成芯片84.4 维持阻塞D触发器105仿真效果及分析115.1仿真效果125.2仿真分析126小结和体会127参考文献138附录1机器人行走设计电路元件清单13摘要 当代社会电子技术发展迅猛，美国、日本早就已经具备制造超大型实用机器人的能力。中国的机器人技术还是远远落后于其他国家，加强当代大学生机器人设计的能力也变得重要了起来。本文是一个关于机器人行走控制电路设计的说明报告。利用干电池提供电源，接通电源后，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。机器人前进、后退时间可调。本文主要介绍了设计电路原理图、各部分模块工作原理、主要参数的选择。涉及的芯片有555定时器、74LS192十进制可逆计数器、D触发器、电机驱动芯片L298。 关键字：机器人 行走电路 555定时器 74LS192 L298 14 机器人行走电路设计1设计要求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。2、机器人行走动力只能使用干电池，不能使用动力电源。 3、机器人前进、后退时间可调。2设计总体方案2.1设计原理系统框图555定时器构成计数脉冲发生器计数电路电机反转控制电路电机驱动电路图2.1设计原理系统框图2.2设计原理图图2.2 设计原理图3设计方案分析3.1计数脉冲发生电路3.1 计数脉冲发生电路（1）原理说明：接通电源后，电源往电容C1充电，当Vc1上升到2/3Vcc时，触发器被复位，使Vo为低电平，同时芯片内置三级管T导通，电容C1就通过R2、T放电，Vc1下降。当Vc1下降到1/3Vcc时，Vo翻转为高电平。如此周而复始，使3脚输出方波信号，此方波频率为f=1.43/（R1+2R2）C）。（2）参数选择 根据方波的频率公式，可以通过改变R1、R2、C1的值来改变方波频率，为了方便制作实物，我选择电容C1值为常见的47uF,电阻R2值为10K，电阻R1可采用阻值为100K的滑动变阻器，方便调节不同频率的方波。电容C2值取0.01uF,C2的作用是为了减小干扰信号是振荡器更加稳定。若想得到频率为1Hz的方波，由方波的频率公式可算得R1约为10K，将滑动变阻器R1调到10%即可得到频率为1Hz的方波。调不同频率方波，方法是一样的。3.2计数电路图3.2 计数电路（1）原理说明： 计数电路有八个单刀双掷开关SW-SPDT、两个十进制计数芯片74LS192(U3是高位，U2是低位)、两个数码管和一个或门74LS32构成。本电路是利用74LS192的异步置数功能实现范围是0-100个计数脉冲时间的计数。两个芯片的加计数时钟输入端UP均接高电平，异步清零端MR均接低电平，脉冲信号接到低位芯片U2的减计数时钟输入端DN，低位芯片U2的借位输出端TCD接高位芯片U3的减计数时钟输入端DN，构成一个100进制的减法计数器。将两个芯片的八个输入端分别接上单刀双掷开关(从上到下为低位到高位)，可通过开关来输入高低电平，用来预置指定脉冲的个数。由于74LS192输出的是BCD二进制码，可直接接数码管来显示计数状态。两个芯片的借位输出端通过一个或门接到两个芯片的异步置数端PL。当计数器没有减到00000000时，两个芯片的借位输出的或运算恒为1，不进行异步置数；当计数器减到0000000时，两个芯片都将借位，借位输出的或运算就变成0，两个芯片的置数端使能，将预置值置入计数器，计数器就重新开始减计数。（2）举例说明工作过程：假设计数周期为16秒，设置方波频率为1Hz，设置计数器为16进制。将开关拨为00010110，接通电源，计数器输出刚开始为00000000，两个芯片都将产生借位信号，或门输出为0，两个芯片同时置数，置入预置值00010110.计数器就从00010110开始减计数，当未计数到0000000时，或门输出均为1，不进行异步置数；当计数到00000000时，或门输出变为0，进行异步置数，计数器就开始重新计数，这样就得到一个周期为16秒的计数器。3.3电机反转控制电路电机反转的控制是采用D触发器来实现的，将计数电路或门的输出接到D触发器的时钟输入端，当计数一个周期结束后，或门输出将有0跳1，产生一个上升沿，用来产生触发。将D触发器S、R控制端接低电平，D输入端接（Q非）输出端，由其状态方程Qn+1=D可知，当触发时，会实现输出Q值的翻转。图3.3 电机反转控制电路3.4电机驱动电路电机驱动电路是利用集成芯片L298来驱动电路。把触发器的输出端接L298的输入端IN1，触发器的输出经过一个非门74LS04接到L298的输入端IN2，L298的4、9、6脚接高电平，11、1、15管脚接低电平。最后把直流电机的两端接在对应的输出端OUT1和OUT2上。当触发器信号翻转时，IN1和IN2反相跳变，随之OUT1和OUT2也跳变，就会驱动直流电机往相反的方向转动。图3.4 电机驱动电路3.5整机工作原理说明机器人行走控制电路共分成四个模块，分别是555定时器产生脉冲方波电路，计数电路，电机反转控制电路，电机驱动电路。555定时器产生频率可调的方波，通过方波周期公式T=0.7 (R1+2R2)C调节滑动变阻器R1的值来得到想要的方波周期。通过控制单刀双掷开关的通断预置方波周期个数N，由于采用两个74LS192十进制计数器，故周期个数可调范围是0-100个。故机器人前进、后退时间等于NT，实现机器人前进后退时间可调的功能。电路工作时，当计数减到0时，通过或门一方面控制芯片置数，重新开始计数，另一方面提供一个上升沿个D触发器，使D触发器输出值发生翻转，控制L298芯片输入值反向跳变，芯片输出也反向跳变，驱动电机反转。使机器人自动后退，当第二次计数到0时，计数器又自动置数，电机也发生反转，机器人就自动前进如此周而复始，实现机器人不断前进、后退。4所用芯片及元器件说明4.1 555定时器功能表4.2 74LS192十进制可逆计数器74LS192功能表74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。(bcd,二进制)。 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。 CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出， BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。4.3 L298电机驱动集成芯片L298N芯片的介绍 L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是:工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制引脚符号功能115SENSING ASENSING B此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号。23OUT 1OUT 2此两脚是全桥式A的两个输出端，用来连接负载。4VS电机驱动电源输入端。57IN 1IN 2输入标准的TTL电平逻辑信号，用来控制全桥式驱动器A的开关。611ENABLE AENABLE B使能控制端，输入标准TTL逻辑电平信号，低电平时全桥式驱动器禁止工作。8GND接地端，芯片本身的散热片与8脚相通。9Vss逻辑控制部分的电源输入端口。1012IN 3IN 4输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关。1314OUT 3OUT 4此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载。 L298的逻辑功能表4.4 维持阻塞D触发器逻辑图 工作原理：当SD、RD均为高电平时，维持阻塞D触发器正常工作。在CP脉冲的上升沿产生状态变化，触发器的次态取决于CP脉冲上升沿前D端的信号，即Qn+1=D. 5仿真效果及分析图5 仿真效果5.1仿真效果目的：控制机器人前进、后退时间均为16秒。仿真步骤：将滑动变阻器R1调到10%，使555定时器输出周期为1秒的方波，预置单刀双掷开关为00010110B(16D)，接通总开关SW9。效果：数码管显示减计数15到0（16只出现极短的一段时间），电机逆时针转动；当计数到0后，数码管又开始从15计数到0，电机顺时针转动（反转）。当再次计数到0后，数码管再次从15计数到0，电机逆时针转动（反转）如此周而复始。5.2仿真分析电路基本实现了设计要求，本来74LS192置数端是接到高位芯片U3的借位端输出，没有使用或门。但是在仿真时发现预置入16，仿真只会从6开始减计数。经过分析才理解到，在接通电源的那一瞬间，高位芯片先产生借位信号，使置数，然后低位芯片才产生借位信号，借走了高位芯片1个值，才出现了仿真比理论少10个周期的情况出现。改进方法是让两个芯片的借位信号通过一个或门接到置数端，在接通电源的那一瞬间，高低位芯片同时置数。6小结和体会通过本次的课程设计，我真正的认识了数电及模电知识在实际设计中是如何应用的。深刻的了解了555定时器构成多谐振荡器的原理，及555定时器构成其他器件的接法、复习了数电关于计数器设计的内容，深刻的了解74LS192十进制可逆计数器的逻辑功能，串联方式、加、减计数连接方式。了解了触发器的使用。在设计过程中，通过对大量资料的查阅，对一些元器件有了新的认识。特别是对仿真软件的认识和使用，从无到有的认识了仿真软件proteus，基本掌握了proteus的操作，查阅了很多关于proteus的资料。也意识到仿真软件对我们设计电路的帮助，可以比较快捷的绘制电路图，非常