機器人行走設(shè)計電路課程設(shè)計

機器人行走電路設(shè)計1意義和要求1.1意義：了解機器人技術(shù)的根本知識，將所學(xué)的電子技術(shù)知識，以及自學(xué)的有關(guān)單片機知識運用到設(shè)計中來。把理論與實際相結(jié)合，能夠更好的掌握單片機的應(yīng)用，同時提高自己的動手能力。同時結(jié)合電子技術(shù)根底知識設(shè)計電路，提高自己的運用，思考能力。讓電子科技更加接近我們的生活，挖掘我們的潛能和創(chuàng)新意識。1.2要求：設(shè)計一個能前進、后退的機器人行走控制電路。接通電源，機器人前進，行走一段時間后，機器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復(fù)始。1.2.2機器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源。機器人前進、后退時間可調(diào)。對設(shè)計電路進行仿真。1.3創(chuàng)新方面：可以控制機器人行走過程的暫停和行走，并且與時間控制同步。2設(shè)計總體方案2.1設(shè)計思路通過對設(shè)計要求分析之后，知道要完成設(shè)計需要以下幾個局部：信號發(fā)生電路、時間控制電路、電機驅(qū)動電路。本設(shè)計信號發(fā)生器由兩片74LS123組成一個矩形波信號發(fā)生器，利用開關(guān)S瞬時接地，使電路起振驅(qū)動74LS192減計數(shù)器進行顯示，后接一個顯示器來顯示時間，計數(shù)滿后驅(qū)動JK觸發(fā)器產(chǎn)生規(guī)那么的、周期可調(diào)的方波驅(qū)動信號，再由雙JK觸發(fā)器接受觸發(fā)信號，JK觸發(fā)器為負沿觸發(fā)，改變電動機的正傳于與反轉(zhuǎn)經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動電機工作，而直流電機驅(qū)動電路那么是由驅(qū)動信號驅(qū)動三極管構(gòu)成的開關(guān)電路，通過三極管的導(dǎo)通與截止來控制直流電動機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機器人的前進與后退。2.2原理結(jié)構(gòu)框圖74LS192減計數(shù)器顯示機器人前進或后退時間7SEG—BCD控制數(shù)碼管顯示電路顯示計數(shù)器計數(shù)滿產(chǎn)生觸發(fā)信號觸發(fā)JK觸發(fā)器兩片74LS123組成的信號發(fā)生器74LS192減計數(shù)器顯示機器人前進或后退時間7SEG—BCD控制數(shù)碼管顯示電路顯示計數(shù)器計數(shù)滿產(chǎn)生觸發(fā)信號觸發(fā)JK觸發(fā)器兩片74LS123組成的信號發(fā)生器觸發(fā)器發(fā)出信號驅(qū)動直流電機兩端壓差發(fā)生觸發(fā)器發(fā)出信號驅(qū)動直流電機兩端壓差發(fā)生正負跳變直流電機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機器人的前進或后退直流電機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機器人的前進或后退圖1：原理結(jié)構(gòu)框圖2.3整體原理電路圖圖2：機器人行走電路圖2.4設(shè)計原理分析2.4.1方波信號發(fā)生器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在沒有觸發(fā)信號輸入時，電路輸出Q=0，電路處于穩(wěn)態(tài)；當輸入端輸入觸發(fā)信號時，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)，使輸出Q=1；待電路暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路又自動返回到穩(wěn)態(tài)Q=0。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有非重觸發(fā)和可重觸發(fā)兩種，74LS123是一種雙可重觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。1、74LS123管腳圖圖3：74LS123管腳圖2、74LS123功能圖圖4：74LS123功能圖說明：1.外接電容接在Cext〔正〕和Rext/Cext〔正〕之間2.為了改善脈沖寬度的精度和重復(fù)性，可在Rext/Cext和Vcc之間接外接電阻。3.為了得到可變脈沖寬度，可在Rext/Cext和Vcc之間接接可變電阻。4.在Cext>1000pF時，輸出脈沖寬度tw≈0.45RextCext。器件的可重觸發(fā)功能是指在電路一旦被觸發(fā)〔即Q=1〕后，只要Q還未恢復(fù)到0，電路可以被輸入脈沖重復(fù)觸發(fā)，Q=1將繼續(xù)延長，直至重復(fù)觸發(fā)的最后一個觸發(fā)脈沖的到來后，再經(jīng)過一個tw〔該電路定時的脈沖寬度〕時間，Q才變?yōu)?，如圖5所示：圖5：輸出脈沖周期圖3、74LS123的使用方法：〔1〕有A和B兩個輸入端，A為下降沿觸發(fā)，B為上升沿觸發(fā)，只有AB=1時電路才被觸發(fā)?！?〕連接Q和A或Q與B，可使器件變?yōu)榉侵赜|發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器?！?〕CLR=0時，使輸出Q立即變?yōu)?，可用來控制脈沖寬度?！?〕按圖6連接電路，可組成一個矩形波信號發(fā)生器，利用開關(guān)S瞬時接地，使電路起振。圖6：矩形波信號發(fā)生電路2.4.274LS192減計數(shù)器構(gòu)成數(shù)碼顯示電路1、74LS192管腳圖圖7：74LS192管腳圖2、74LS192功能表：圖8：74LS192功能圖說明：CPU為加計數(shù)時鐘輸入端，CPD為減計數(shù)時鐘輸入端。LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步去除。TCU為進位輸出：1001狀態(tài)后負脈沖輸出，TCD為借位輸出：0000狀態(tài)后負脈沖輸出。3、原理說明由兩片74LS123芯片組成的矩形方波信號接入到74LS192時鐘端，驅(qū)動74LS192進行減計數(shù)。圖9中74LS192計數(shù)從16減至零時TCD端產(chǎn)生負脈沖輸出信號接入觸發(fā)信號驅(qū)動JK觸發(fā)器，JK觸發(fā)器觸發(fā)信號是驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的信號。數(shù)碼顯示電路通過7SEG—BCD數(shù)碼管進行顯示。4、數(shù)碼顯示電路及JK觸發(fā)信號產(chǎn)生圖9：數(shù)字顯示電路2.4.3直流電機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路原理說明：JK觸發(fā)器的時鐘信號為下降沿觸發(fā)，74LS192減計數(shù)到0時產(chǎn)生下降沿脈沖，通過信號的翻轉(zhuǎn)控制電機的正反轉(zhuǎn)，這樣就能實現(xiàn)機器人的前進和后退了。如圖10所示。1〕當輸入為高電平時，Q1,Q4導(dǎo)通，Q2,Q3截止，A點為低電平，B點為高電平，通過仿真U(AB)=-4.93v,直流電機反轉(zhuǎn)，機器人后退。2〕當輸入為底電平時，Q1,Q4截止，Q2,Q3導(dǎo)通，A點為高電平，B點為低電平，通過仿真U(AB)=4.95v，直流電機正轉(zhuǎn)，機器人前進。圖10：電機驅(qū)動電路2.4.4整體工作原理說明本設(shè)計從設(shè)計中通過兩個74LS123組成的矩形波信號發(fā)生器，通過開關(guān)K控制信號的發(fā)生，信號輸出到74LS192計數(shù)器的減計數(shù)端，通過改變電容和電阻的值改變信號的輸出脈沖寬度，即控制頻率。減計數(shù)器從16減到0時TCD端產(chǎn)生下降沿脈沖，JK觸發(fā)器的時鐘新號端接TCD端當下降沿脈沖到來時，輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此時正好控制電機驅(qū)動電路反生反轉(zhuǎn)。我在設(shè)計過程中在JK觸發(fā)器的輸出端添加了一個單刀雙擲開關(guān)，分別連接在輸出的兩端，這樣的設(shè)計有助于對電機的正反轉(zhuǎn)得到控制，同時在電機驅(qū)動電路中，對于驅(qū)動電機的電源端添加了一個可關(guān)斷晶閘器和一個繼電器，繼電器的控制信號跟晶閘器的關(guān)斷信號正好互補，這樣能夠做到對機器人行走的暫停和行走，而且這個過程跟時間的暫停和啟動是同時的。JK觸發(fā)器工作特性表JKQnSRQn+1說明000000保持原態(tài)1001010000置01010100101置11001110101狀態(tài)翻轉(zhuǎn)1010圖11：JK觸發(fā)器功能圖本設(shè)計中用到一個JK觸發(fā)器，由于，我們想將其接成T’觸發(fā)器，就要使J=K=1,即J,K端都接高電平。這樣之后再脈沖信號出現(xiàn)下降沿JK觸發(fā)器的輸出會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，就可以實現(xiàn)對電機驅(qū)動電路的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的控制，實現(xiàn)自動控制，到達對機器人前進和后退的智能化控制。2.4.5附加功能1〕做到對電機驅(qū)動信號和時間脈沖信號的控制是同時的。2〕通過一個單刀雙擲開關(guān)控制機器人的前進和后退。2.5機器人設(shè)計元器件清單名稱規(guī)格型號位號數(shù)量電阻100kR11個1kR2~R54個1R61個信號發(fā)生器74LS123U1:A、U1：B2片計數(shù)器74LS192U21片三極管2N2905Q1、Q22個三極管2N2219Q3、Q42個二極管1N4001D1、D22個電平開關(guān)DIPSWC_4DSW11個繼電器G5C-14-DC5RL11個排阻RESPACK-7RP11個JK觸發(fā)器JKFFU31片開關(guān)SW-SPDTSW11個非門74LS04U41片晶閘管S6012RU51片電容2.2ufC1、C21個3結(jié)束語為期兩周的課程設(shè)計在考試之后豐富了我們的生活和學(xué)習(xí)，讓我受益匪淺。本次課程設(shè)計的選題給我們很大的興趣，對于機器人的行走設(shè)計一直以來都是同學(xué)們很感興趣的一個課題，所以我們投入了大量的時間和精力去完成這個十分模糊的概念。因為之前根本上沒有接觸過相關(guān)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，所以在設(shè)計過程中阻力是很大的，全部都是要依賴于我們自學(xué)和創(chuàng)造性設(shè)計，聯(lián)系課本的知識發(fā)現(xiàn)很難去完成此次設(shè)計。在設(shè)計過程中經(jīng)歷了一段迷茫期，不知道從何處下手去做，而這些很多課堂上沒有接觸到的東西，卻是在創(chuàng)造性學(xué)習(xí)設(shè)計的過程中需要去現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的。經(jīng)過老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的相互幫助，上網(wǎng)查閱一些資料，慢慢的接觸相關(guān)的知識，從不太清楚到漸漸明確方向。學(xué)習(xí)了相關(guān)的一些仿真軟件，例如Multisim和Proteus等能夠幫我們在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。通過它們可以進行設(shè)計仿真，檢驗設(shè)計的正確性。在設(shè)計的過程中，我遇到了一些難題，例如仿真軟件操作問題；電機正反轉(zhuǎn)電路設(shè)計，以及其驅(qū)動電路等等，但是都最后一一解決掉。通過此次課程設(shè)計，讓我認識到了自身存在很多的缺乏，需要在接下來的學(xué)習(xí)和生活中要改正的。這次課程設(shè)計給我們一個過渡期，大二的結(jié)束，進入大三后對更多專業(yè)知識的學(xué)習(xí)需要我們仔細鉆研，在這個階段給了我們很好的提前了解的時機。雖然對單片機、自動控制原理沒有理解，但是這也是一個好的開始。對接下來的學(xué)習(xí)更加具有方向性和指導(dǎo)性。4致謝詞初次接觸課程設(shè)計，拿到課題的茫然，設(shè)計過程中的不知所措，這個階段浪費了大量的時間。突然發(fā)現(xiàn)自己學(xué)的知識太少，根本沒法滿足設(shè)計的要求，就快要作品的前兩天老師給了我們很大的幫助，為了讓我們都能在這次課設(shè)中獲得最大的提升，龔老師花了整整一個下午時間，從下午3點到晚上9點一直幫助我們解決問題，提出改良意見，她希望我們能夠做的更好，開掘我們的創(chuàng)新思維、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。在此感謝龔老師不辭辛苦的悉心指導(dǎo)，在這個過程中我的收獲很大。從答疑那天之前的迷茫，只是從網(wǎng)上找了很多相關(guān)的資料，根本上沒有任何自己的想法，全部都是根據(jù)一些網(wǎng)上的電路圖進行仿真，拿到老師那里之后根本上沒話可說，經(jīng)過老師的一些指導(dǎo)之后，回來好好查閱了一下資料，根據(jù)自己的一些想法對電路和控制電路進行了一下改良，自己感覺收獲很大。同時還要感謝班上的同學(xué)不厭其煩的給我解答問題，甚至有些問題都是很簡單的都會很有耐心