迎宾机器人设计说明书.doc

唐 山 学 院电子技术课 程 设 计 题 目 迎宾机器人设计与仿真 系 (部) 机电工程系 班 级 11机制3班 姓 名 王源源 学 号 4110105331 指导教师 王 蕾 2014年1月6日至 1月10 日 共1周2014年1月10日电子技术课程设计任务书一、设计题目、内容及要求设计题目：迎宾机器人设计与仿真设计内容：迎宾机器人设计是应用电子技术和计算机技术的综合设计,使用机器人时对机器人的功能有特定的要求，首先从机器人的功能上分析要求机器人能够在不用集成芯片的情况下实现计数功能并在数码管上显示出计数人数，然后还要在费用问题上进行分析比较尽可能降低设计成本。设计要求：（1）根据设计要求实现定时显示计数器的功能（2）用Multisim进行电路仿真（3）撰写设计说明书二、原始资料Multisim仿真软件、课件、芯片资料。三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）课程设计说明书、仿真电路图。四、进程安排周1 讲解整个设计要实现的功能，查阅相关资料，画出整体电路； 周2、3进行仿真并调试；周4撰写课程设计任务书；周5课程设计答辩并提交设计说明书。五、主要参考资料1 付家才电子工程实践技术北京：北京工业出版社，20032 毕满清电子技术实验与课程设计北京：机械工业出版社，20013 阎石主编数字电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，20094 丁润涛主编电子工程手册北京：机械工业出版社，1995指导教师（签名）：教研室主任（签名）：课程设计成绩评定表出勤情况出勤天数 缺勤天数成绩评定出勤情况及设计过程表现（20分）课设答辩（20分）设计成果（60分）仿真（40）说明（20）总成绩（100分）提问（答辩）问题情况1、7448中LT,RBI,BI/RBO作用？ 2、LED数码管采用何种类型？3、7448芯片的作用，LED数码管显示6，其输入输出为多少？4、7448N驱动的数码管是共阴极还是共阳极？综合评定 指导教师签名： 年 月 日目 录1 引言11.1设计目的11.2设计背景12 设计原理23 总体设计33.1 单个器件的设计43.1.1 十进制可逆计数器74LS192D43.1.2 十进制计数器74LS160D53.1.3 译码器7448N芯片73.1.4 七段共阴极数码管83.1.5 非门74LS04D芯片93.2 加减计数模块93.2.1 74LS192加减计数模块93.2.2 74LS160加法计数103.3 数据显示模块114 仿真电路测试114.1 来访人数仿真测试114.2 当前人数仿真测试124.3 清零仿真图165 设计总结17参考文献19附录1 器件明细表20附录2 仿真电路连接图21课程设计说明书1 引言1.1设计目的学习了一个学期的电子技术课程，这次的课程设计主要是为了使我们更加深刻的了解与运用所学的知识，并通过这次课程设计来检查这一学期的学习状况。通过制作来了解迎宾机器人的控制系统，了解译码器、计数器的作用。通过学习Multisim软件，进行电路仿真，了解Multisim的使用方法进而掌握一种应用软件，为以后的电路设计仿真打下一定的基础。迎宾机器人设计通过应用电子技术和计算机技术的综合设计,使用机器人时对机器人的功能有特定的要求，首先从机器人的功能上分析要求机器人能够在不用集成芯片的情况下实现计数功能并在数码管上显示出计数人数，然后还要在费用问题上进行分析比较尽可能降低设计成本。因此本次的课程设计的目的如下：1.培养学生理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。2.学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题，由学生自行设计、自行制作和自行调试。3.进行基本技术技能训练，如常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。4.培养学生的创新能力，根据目标要求来设计实际电路。1.2设计背景在竞争日益激烈的今天，各行各业为提高竞争力。纷纷推出了各种新奇的事物来吸引消费者。经过长时间的市场调查，发现各种商场、宾馆、舞厅等场所其门口都站有一排或两排迎宾小姐，这种迎宾方式不但耗费了大量的物力资源，而且由于现在人力成本的不断增加这样就大大增加了企业的生产成本，此外还会由于服务人员长时间的从事单调重复的工作，造成对工作的热情锐减，反而影响服务质量，针对这一现象我决定开发设计一套自动迎宾机器人装置，虽然现在市场上使用的自动电子迎宾运用了人体感应检测和语音输出来实现的，但是，这种产品没有进出识别功能，人性化程度较低，不能全方位的体现人的服务特点。市场上至今还未出现这种比较完善的自动电子迎宾机器人产品，相比之下，自动电子迎宾机器人体现出强大的优越性,现在所开发的这套电子迎宾机器人装置，不但成本低廉，而且工作性能稳定，还能为消费者提供感官上的人性化服务。目前，国外生产的电子自动报警器和迎宾器大多采用的是新日本无线电生产的集成红外接收器，国内采用的红外接收解调专用集成电路，这种电路接收比较准确可靠，是未来发展研究的方向。红外线控制电子礼仪语音器代替迎宾小姐是将来宾馆、饭店、商场等门口非常受欢迎的一种装置。Multisim本是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，被美国NI公司收购后，更名为NI Multisim ，而V10.0是其（即NI，National Instruments）最新推出的Multisim最新版本。目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim 4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分相互独立，可以分别使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分有增强专业版（Power Professional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。NI Multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。NI Multisim 10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。2 设计原理迎宾机器人设计是应用电子技术和计算机技术的综合设计,使用机器人时对机器人的功能有特定的要求，首先从机器人的功能上分析要求机器人能够在不用集成芯片的情况下实现计数功能并在数码管上显示出计数人数，然后还要在费用问题上进行分析比较尽可能降低设计成本。通过对题目要求的分析和各种芯片功能及费用的比较我们决定用74LS192、74LS160和7448芯片进行设计和电路连接。迎宾机器人有两个显示部分，一部分是实时显示，实时显示部分分别有加计数端和减计数端。另一部分是总数显示。触发加计数端则实时显示部分数增加，总数显示部分数增加；触发减计数端则实时显示部分数减少，但是总数显示部分不减少。设计迎宾机器人的工作方式如图：检测A检测B判断单元语音芯片加减法计数单元店内当前人数显示加法计数单元当前来访人数显示图2-1 工作原理图3 总体设计3.1 单个器件的设计3.1.1 十进制可逆计数器74LS192D74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，逻辑符号如图所示图3-1 74LS192D逻辑符号工作原理：(1) 74LS192D是可预置的十进制同步加/减计数器，计数器初始状态与减法还是加法无关。(2) 计数器有清零引脚MR，清零后，不论出于加减状态，计数器输出均为0。(3) 计数器还具有加载功能，加载后，计数器不论原先是什么值，输出为加载值。(4) 不进行清零和加载操作，计数器一直循环计数，无所谓从哪里开始。(5) 减法计数时，0变9时，借位输出有效，从这个角度讲，可以认为从9开始，就如加计数是9变0时进位，可以认为从0开始。74LS192D的功能表如下：表3-1 十进制加减计数器74LS192D输入输出CLRUPDOWNDCBAQdQcQbQa1xxxxxxxxxxx00xxdcbadcba011xxxx减计数011xxxx加计数3.1.2 十进制计数器74LS160D74LS160具有同步预置数，异步置零和保持的功能.逻辑符号如图所示 图3-2 74LS160逻辑符号图工作原理：74LS160是十进制计数器，直接清零，异步清零端MR非为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零功能。160的预置是同步的，当置入控制器PE非为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0-Q3数据端P0-P3一致。74LS160D的功能表如下：表3-2 74LS160D的功能表CLRLOADENPENTCLKABCDQaQbQcQdRCO0XXXXXXXX000001000XXXXABCD11111XXXX计数1111XXXXXXQaoQboQcoQdo111X1XXXXXQaoQboQcoQdo1行数据输入端D3从74LS160功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而在迎宾机器人电路中我们用到的是当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。3.1.3 译码器7448N芯片七段数字显示译码器7448N是驱动显示器的核心部件，他可以将输入代码转换成相应的数字显示代码并在数码管上显示出来。图3-4 7448N 引脚图 图3-5 7448N 逻辑符号图中，7、1、2、6为输入端，可接受四位二进制码；13、12、11、10、9、15、14为输出端，高电平有效，可以直接驱动共阴极显示器；3、5、4为三个辅助控制端，用来增强器件的功能，以扩大器件的应用，其中3为灯测试输入端，5为动态灭零输入端，4为消隐输入/动态灭零输出端。现具体说明如下：（1）7段译码功能（LT=1，RBI=1）在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经7448译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号， 显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平。 （2）消隐功能（BI/RBO=0）此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。 （3）灯测试功能（LT = 0） 此时BI/RBO端作为输出端，该端输入低电平信号时，与DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。（4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1）此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若时DCBA = 0000，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。DCBA0，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。7448N的真值表如下：表3-3 7448N的真值表 十进制数或功能输 入BIRBO输 出LTRBID C B Aa b c d e f g012345678910111213141511111111111111111000000001111111100001111000011110011001100110011010101010101010111111111111111111011010111000100111110011100100011011111110100001011011010110110101000101010001010001110110011100011111011111110消 隐动态灭零灯测试10000000010010010010010010010013.1.4 七段共阴极数码管七段数码管与7448译码器连接使用用于显示进出的人数数码管段结构如下图 图3-6 数码管段结构在共阴极结构中，各段发光二极管的阴极连接在一起，将此公共点接地，某段发光二极管的阴极为高电平时，该段发光。3.1.5非门74LS04D芯片图3-7 74LS04D逻辑符号74LS04D的功能表表3-4 74LS04D的功能表输入输出10013.2加减计数模块3.2.1 74LS192加减计数模块加减计数单元采用十进制可逆计数器74LS192来实现，通过脉冲的刺激来实现加减功能。CO为进位信号输出端，BO为借位信号输出端，CLK为时钟信号输入端。(1) 加计数：因为此电路采用两片74ls92来实现，因此计数范围为0-99，每出现一次上升沿，即开关A闭合断开一次，第一片192计数加一，当加到9后，再来一个上升沿，该片192计数为0，同时进位位CO置位为1，因此第二片192的UP被置为1，处于加计数状态，计数加一，依次循环。 (2) 减计数：因为此电路采用两片74ls92来实现，因此计数范围为0-99，每出现一次上升沿，即开关B闭合断开一次，第一片192计数减一，当减到0后，再来一个上升沿，该片192计数为9，同时借位位BO置位为1，因此第二片192的DOWN被置为1，处于减计数状态，计数减一，依次循环。74LS192D所输出的四位二进制数作为7448的输入，7448将输入的四位二进制数译码成七位二进制数，通过共阴极七段数码管将进出的人数显示出来，所显示数字用于记录当前室内人数。电路图如下：图3-8 74LS160加减法计数模块3.2.2 74LS160加法计数加法计数单元采用同步十进制计数器74LS160来实现，通过脉冲的刺激来实现计数功能。CY为进位信号输出端，CLK为脉冲输入端。因为此电路采用两片74ls160来实现，因此计数范围为0-99，每出现一次上升沿，即开关A闭合断开一次，第一片160计数加一，当加到9后，再来一个上升沿，该片160计数为0，同时进位位CY置位为1，因此第二片160的EP、ET被置为1，处于计数状态，计数加一，依次循环。74LS160所输出的四位二进制数作为7448的输入，7448将输入的四位二进制数译码成七位二进制数，通过共阴极七段数码管将进出的人数显示出来，所显示数字用于记录来访总人数。电路图如下图所示图3-9 74LS160加法计数模块3.3数据显示模块数据显示电路采用译码器7448和七段数码管来实现，电路如图所示图3-10 数据显示模块4 仿真电路测试4.1清零仿真图调试电路时首先将电路清零，即闭合开关C再打开。1、清零电路原理：（1）当开关C闭合时，给74LS192D的LOAD引脚有效的低电平，故192处于置数状态，因为输入A、B、C、D均与地相接，故输出为0000，数码管显示均为零。(2)当开关C闭合时，给74LS160的CLR引脚有效的低电平，故160清零，故输出为0000，数码管显示均为零。2、清零电路如图所示：图4-1 清零仿真图4.2来访人数仿真测试调试电路时首先将电路清零，开关A闭合再打开七段数码管显示一个数，再次闭合A再打开七段数码管显示的数字就会增加一个人，重复闭合开关A，七段数码管显示的数字就会逐一增加，当闭合开关B再次打开时，七段数码管显示的数据不再改变，即为当前的来访人数，如下图所示：图4-2 来访人数仿真测试来访人数仿真电路图有以下几部分组成：74LS160，7448，电阻和七段数码管组成。(1) 74LS160为同步十进制加法计数器，EP、ET均处于高电平，芯片处于计数功能，用于记录来访总人数；(2) 7448是译码器，用于将74LS160所记的四位二进制数译成七位显示在数码管上。(3) 电阻在此起保护的作用，防止电流过大将七段数码管损坏。4.3当前人数仿真测试调试电路时首先将电路清零，即闭合开关C再打开，四位七段数码管显示的数字均为。1、当只有人进入，而没有人出去的情况下这时七段数码管显示的数字为店内当前人数，电路如图所示：图4-3 当前人数仿真图2、当店内有人出去时，闭合开关B再打开，七段数码管显示的数字就会减少一位，电路如图所示： 图4-4 出去一人后仿真图3、当店内又有人进来时，闭合开关A再断开，七段数码管显示的数字就会增加一位，电路如图所示： 图4-5 又进去一人后仿真图5 设计总结通过本次课设，反复地修改设计，不断地调试，一步步地更改布线，使之简单美观，修改设计说明书，使之简洁明了，原理清楚易懂。这一系列的过程让我明白，刻苦努力，坚持不懈对于对于最终的成功是非常重要的。当老师刚开始给我们讲课设内容时，感觉这像天书一样的原理图，根本无从下手，看着周围的同学都开始看着老师给出的原理图照猫画虎的在软件上抄图了，我明白，如果不弄清楚电路图各部分的原理，就只是毫无根据的连上线，就算是最终的结果调试正确了，那又有什么意义呢？于是我下定决心，一定要弄明白电路图各元件的作用及原理，不管这个过程有多困难。首先，我先从电路中最基本的原件下手，从网上查到了74LS192D的引脚图以及功能表，经过仔细地分析和研究，知道它是一个十进制加减计数器，并彻底明白了它的工作原理；用相同的方法，我查到了7748N的引脚图的真值表，知道了它是一个译码器，但还是不太清楚它是如何实现译码的，通过老师的耐心解答，我终于彻底明白了，想到只剩下一种芯片74LS161没弄懂，心中掠过一丝喜悦，有了查阅前边两种芯片的基础，很快便把161也弄懂了。在学习Multisim软件的时候，虽然老师为我们讲解了一遍，但是应为全是英文，我一点都看不懂，就产生了厌烦的情绪，不想再看下去了，但是在看到周围的同学都在努力的学习，我就感觉到自己的厌烦毫无道理，我有重新调整自己的心态，让自己静下心来，通过再一次的学习，我掌握了该软件的基本使用方法，可以使我的课设可以顺利的进行下去。这次的软件学习，我知道了学习这件事是要静下心来的，要戒骄戒躁，这样才可以有很好的效果。其次，再整体研究电路图，把各芯片的功能以及引脚的作用整合到电路图中，一点一点的分析，一个模块一个模块的理解，感觉心里越来越透彻了。但是猛然想到74LS161是16进制的，如果考虑到实际情况，此处应该是用一个十进制的计数器比较合适，于是便询问老师，在老师的指导下，我们把74LS161改成了74LS160。最后，细节决定成败，这是我在设计调试后期过程中体会到的，在仿真软件