寻光机器人毕业论文.doc

桂林电子科技大学基础工程设计说明书基础工程设计说明书题 目：寻光机器人摘 要通过课设，加深对电路分析基础、模拟电子技术、数字电子技术等课程知识的理解，进一步训练和提高工程实际应用能力，能够综合运用基础课程所学的知识，设计并制作出实际应用电路或系统用555定时器设计电路, 555定时器的2、6管脚连接到一起，构成一个施密特触发器。左右两边的光强差使两个光敏电阻的阻值发生变化，对电源分压，A点的电压作为施密特触发器的触发信号，使3管脚的输出信号产生翻转，驱动两个电机本次制作，让我把课堂上所学的知识运用到实际应用中，从一个新的角度来思考所学知识，体会到考试和动手操作是完全不同的，只要能够把所学的知识运用到实际中，才算真正理解，这些知识才算真正属于自己的。在查找资料的过程中，了解到555定时器的广泛应用，不仅可以用来制作定时器，报警器，还可以制作控制电路，比如：水位控制器，智能温室系统等等。所以，在以后的电子制作中，要拓展思路，不要只局限于单片机。关键词：寻光机器人；555定时器；施密特触发器；目 录引言31. 设计目的31.1 机器人的定义31.2 设计目的32. 设计要求42.1 功能要求42.2 器件要求43. 设计方案43.1 设计原理43.1.1 光敏电阻的特性43.1.2 电机的特性43.1.3555 定时器的功能43.2 题目分析53.3 方案一63.3.1 工作原理73.3.2 调试73.4 方案二7 3.4.1 工作原理94. 方案对比95. 结论9谢 辞 10参 考 文 献11附 录12PCB图12元器件清单12引 言汤问篇记载说：“周穆王西巡狩，越昆仑，【不】至山。反还，未及中国，道有献工名偃师。穆王荐之，问曰：若有何能？偃师曰：臣唯命所试。然臣己有所造，愿王先观之。穆王曰：日以俱来，吾与若俱观之。越日偃师谒见王。王荐之，曰：若与偕来者何人邪？对曰：臣之所造能倡者。穆王惊视之，趋步俯仰，信人也。”这记载的是匠人偃师为周穆王制造的机器人。距今已有3000多年，是有文献记载的最早的机器人。现代第一台可编程机器人是1954年由美国人乔治德沃尔制造出来的，这种机器人能按照不同的程序从事不同的工作，具有一定的通用性和灵活性。20世纪以来，机器人技术得到迅速发展，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，在各行各业得到广泛应用，现如今，机器人已经发展成为一门集机械学、电子学、计算机、自动控制、人工智能、仿生学等多个学科与一体的综合学科。未来的机器人将向着智能化发展。当今世界，机器人研究水平最高的当属美国和日本。随着机器人在各行各业的运用，特别是工业和农业生产上的应用越来越广泛，研究出最新型，功能最强大的的机器人对于提高国家的综合实力就显得越来越重要了。制作机器人是很多电子爱好者都做过的，本次课设，要求设计制作一个寻光机器人。这个要求很简单，原理也很清楚，很多芯片都可以做到，比如：单片机。这应该是初学者首先想到的，但是，用单片机制作，不仅成本高，还需要编程。本次课设，选用的是555定时器制作寻光机器人，成本低，制作简便。1、 设计目的1.1机器人的定义广泛的定义，机器人就是在日常生活、工业生产和科研领域中，能代替人工作的机械装置。虽然现在机器人的应用非常广泛，但是，不同国家，不同领域的学者给出的定义并不一样。最多人认可的是美国机器人协会给出的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或者专用装置，通过可编程程序动作来执行各种任务并具有编程能力的多功能机械手。1.2设计目的通过课设，加深对电路分析基础、模拟电子技术、数字电子技术等课程知识的理解，进一步训练和提高工程实际应用能力，能够综合运用基础课程所学的知识，设计并制作出实际应用电路或系统。在画原理图、PCB的时候，把CAD课程中所学到的知识运用到实际操作中，加深对DXP的理解与记忆；在制作电路板的过程中，懂得板子的制作流程；在查找资料以及设计制作寻光机器人和调试的过程中，加深对555定时器的功能的理解，掌握直流电机的运动控制原理，掌握光敏电阻的应用，并对现代机器人有一定的了解与认识。2、 设计要求2.1功能要求NE555工作在双稳态状态，构成施密特触发器模式。光敏电阻用来检测机器人前方的环境光。机器人的左眼与右减速电机、右眼与左减速电机，是彼此协同工作的，根据双眼检测到的环境光线的差异，由NE555驱动两只电机做差速运转，驱动小车向着光线的方向前进。2.2器件要求一片NE555、两个光敏电阻、2个减速电动机、其他分立元件。3、 设计方案3.1设计原理3.1.1光敏电阻的特性光敏电阻器是一种对光敏感的元件，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。光敏电阻器按其光谱特性可分为可见光光敏电阻器、紫外光光敏电阻器和红外光光敏电阻器。此方案用的是可见光光敏电阻。当光敏电阻遇光时，电阻发生了改变。粗略地测试了常光和黑暗中的电阻，由于不同的地方光强略有差异，所以只给出大概的范围，如表3-1所示：表3-1 光敏电阻特性图光照电阻常光几十K（32K）黑暗20多M（23M）3.1.2 电机的特性电机泛指能使机械能转化为电能、电能转化为机械能的一切机器。特指发电机、电能机、电动机。是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电动机俗称马达。按照使用电能的种类，可分为直流电机和交流电机。此方案用的是直流电机。加在直流电机两端的电压方向不同，电机的转向会不同；加在直流电机两端的电压大小不同，电机的转速会不同。3.1.3 555定时器的功能555时基电路诞生于20世纪70年代初，最初它仅仅是为制作电子定时器电路而设计制作的，随着在实践中的应用，人们发现它不仅仅只限于用了制作定时器，还有着更为广泛的用途。例如：可以组成振荡器产生的矩形波脉冲可以作为计数器电路和程序控制电路的时钟脉冲；可以产生音频脉冲，通过发声元器件输出音响信号；可以组成双稳态触发器，用了制作控制电路的开关；可以组成单稳态触发器，用了定时、延时、或脉冲整形；可以组成施密特触发器，应用到控制电路中。由于555定时器工作性能稳定，价格便宜，由555定时器组成的这些基本电路已经广泛运用到工农业生产、家用电器、科研、通信、仪器仪表、儿童玩具等方面。555定时器的管脚图和内部结构图如图3-1,图3-2所示： 图3-1 555定时器管脚图 图3-2 555定时器内部结构图555定时器组成的基本电路l 多谐振荡器：多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。用555定时器组成的多谐振荡器的电路特点是：引脚2、6接在一起，通过连接一个电容接地，输出端3通过一个电阻与2、6接到一起。l 单稳态电路：单稳态电路，就是说该电路只有一个稳定状态，另一个状态为不稳定状态或者暂稳定状态，这种电路在平时处于稳定状态，当需要时，用一个触发信号区触发它，使它翻转进入暂稳状态，经过一段时间后电路又自动恢复到稳态。555定时器组成的单稳态电路特点是：将一个具有一定时间常数的RC电路接到555电路的2、6管脚，RC电路的一端接工作电源，另一端接地，将触发信号接到2、6管脚。l 双稳态电路：双稳态电路就是当对电路加入一个触发信号后，触发器的输出电平就会发生翻转。即电路如果原来的输出电平为高电平，当电路被触发翻转后，输出低电平，如果不加触发信号，则电路的输出状态会一直保持不变。用555定时器组成的双稳态触发器的特点：引脚2、6作为触发信号的输入端，2端口要用低电平触发，6脚要用高电平触发。l 施密特触发器：把用555定时器组成的双稳态电路的两个触发信号输入端连接在一起，就构成了施密特触发器，严格上说，施密特触发器也是双稳态触发器的一种。但是施密特触发器的特殊之处在于，电路被触发信号触发发生翻转后，这个触发信号不能被撤除，否侧，触发器会立即恢复到原来的稳定状态。所以说，施密特触发器是靠触发信号电压来维持的，这有点像单稳态电路，但又不是单稳态电路。3.2题目分析寻光机器人的关键地方，在于能让电机做差速运动，电机的差速运动，则由光敏电阻检测到光强差控制，如图3-3所示图3-3机器人的两只眼睛，用光敏电阻代替，当两只眼睛，即光敏电阻检测到左右两边的光强差时，控制两个电机做差速运动。l 当左边光照强时，左电机减速，机器人向左边运动。l 当右边光照强时，右电机减速，机器人向右边运动。要控制电机做减速运动，就要控制电机两端的电压。额定电压内，电机两端的电压越大，电机的转速越大，且加在电机两端的电压方向不同，转向也会不同。3.3方案一：如图3-4所示555定时器的2、6管脚连接到一起，构成一个施密特触发器。左右两边的光强差使两个光敏电阻的阻值发生变化，对电源分压，A点的电压作为施密特触发器的触发信号，使3管脚的输出信号产生翻转，驱动两个电机。图3-4 原理图根据仿真结果，得出：A点的电压和B点电压的关系如表3-2所示：表3-2输入电压UA输出电压UB0 =UA 2/3VCCVCC2/3VCC =UA= VCC03.3.1工作原理l 当两边的光照强度一样时，左右眼的光敏电阻的阻值一样，A点的电压等于二分之一VCC，即小于三分之二VCC，所以B点的电压等于VCC，此时，左电机向前转动，右电机几乎不动，机器人在向右转圈。l 当右边的光照强于左边时，右眼的光敏电阻的阻值远远小于左眼，A点的电压近乎等于0，即小于三分之二VCC，所以B点电压等于VCC，此时右电机几乎不动，左电机向前转，机器人向右转。l 当左边的光照强于右边时，左眼的光敏电阻的阻值远远小于右眼，A点的电压近乎等于VCC，即大于三分之二VCC，所以B点的电压等于0，此时左电机几乎不动，右电机向前转，机器人向左转。 图3-5 实物图3.4方案二：如图3-6所示图3-6方案二是由方案一稍微修改得出的，通过光强差，改变光敏电阻R1，R2的阻值，从而改变A点的电压。用两个与非门的输入端并接连成两个非门。用仿真软件观察知道，光照照右眼，B点输出高电平，C点输出低电平，所以此时左电机转动，右电机减速。图3-7图3-8通过仿真，见图3-7图3-8，知道，当D点的电压，即与非门的输入小于或等于2.5V时，在数字电子技术中等同于低电平“0”，当与非门的输入大于2.5V时，等同于高电平“1”。3.4.1工作原理如图3-6所示。当光敏电阻有光强差时，两个电阻的阻值发生变化，所以A点的电阻也发生了变化。l 当左眼光照强时，A点的电压大于2.5V，相当于高电平“1”，经过一次“非”，B点为低电平“0”，再经过一次“非”，C点为高电平“1”。所以此时左电机不转，右电机向前转，机器人向左转。l 当右眼光照强时，A点的电压小于2.5V，相当于低电平“0”，经过一次“非”，B点为高电平“1”，再经过一次“非”，C点为低电平“0”，所以此时右电机不转，左电机向前转，机器人向右转。l 两边光照一样时，A点等于2.5V，相当于低电平“0”，经过一次“非”，B点为高电平“1”，再经过一次“非”，C点为低电平“0”，所以此时右电机不转，左电机向前转，机器人向右转。4、 方案对比虽然两个方案都能实现寻光的指标，但是最后综合考虑，还是方案一好。因为：l 方案一成本低：555定时器比74LS00与非门便宜l 74LS00与非门的输入大于2.5V，即相当于高电平“1”，所以为了易于控制，机器人的驱动电压VCC应该在5V左右比较好，但是这个电压对于电机的驱动电压来说，比较小。5、调试把实际电路图做好后，安装小车调试。发现机器人在实际运动中，对光还是比较敏感的，能够分辨出左右两边的光强差，从而做出预期的运动，基本实现了要求。但是机器人两边的光强差必须要比较明显才可以。在原本设计中，是打算用6V的直流电源驱动机器人的，但在实际试验中发现，用6V直流电源驱动的机器人行动缓慢，并且时不时有卡顿的现在，通过在直流电机两侧加6V直流电源，在电机转动后，逐步加大电机两端的电压，发现转速明显变快。而后，在555定时器的4、8管脚加上6V电压，并逐步加大电压，发现加到8V多的时候，555定时器会出现明显发热的现象，所以综合考虑，打算用7.5V电压，即5节干电池驱动机器人。在随后的试验中发现，虽然用7.5V电压驱动机器人，可以保证机器人能够正常行动，而且不再出现卡顿情况，并且555定时器也能正常工作，但是机器人的速度增加，导致寻光的灵敏度下降，机器人可以很灵敏地左转,但是当光照在右边时，右转很困难。所以，为了很好地达到寻光的目的，最后依然采用的是6V电压驱动机器人。在最后的调试中，把机器人轮子仔细调整，减少摩擦的地方，也解决了机器人出现卡顿的问题。5、 结论本次制作，让我把课堂上所学的知识运用到实际应用中，从一个新的角度来思考所学知识，体会到考试和动手操作是完全不同的，只要能够把所学的知识运用到实际中，才算真正理解，这些知识才算真正属于自己的。在查找资料的过程中，了解到555定时器的广泛应用，不仅可以用来制作定时器，报警器，还可以制作控制电路，比如：水位控制器，智能温室系统等等。所以，在以后的电子制作中，要拓展思路，不要只局限于单片机。谢 辞经过一周多的努力，成功地完成了课设。在此，感谢黎莲花老师的指导，感谢科协帮忙打印PCB的同学，感谢身边同学的建议和帮忙，因为有你们，这次课设才得以更加顺利的完成了。参考文献1 机器人的发展. 百度文库.2 最早的机器人.光明日报:2008年1月28日.3 光敏电阻器参数及分类. 电子发烧友.4 阎石.数字电子技术基础.第五版.高等教育出版社.5 肖景和.555集成电路应用精粹.人民邮电出版社.附 录PCB图元器件数量NE555P1个芯片底座DIP81个光敏电阻2个排针1排1.5V干电池4节小车轮子2个万向轮1个杜邦线10根小车模型1台元器件清单毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识