機(jī)器人行走設(shè)計(jì)電路課程設(shè)計(jì)

機(jī)器人行走電路設(shè)計(jì)1意義和要求1.1意義：了解機(jī)器人技術(shù)的根本知識(shí)，將所學(xué)的電子技術(shù)知識(shí)，以及自學(xué)的有關(guān)單片機(jī)知識(shí)運(yùn)用到設(shè)計(jì)中來。把理論與實(shí)際相結(jié)合，能夠更好的掌握單片機(jī)的應(yīng)用，同時(shí)提高自己的動(dòng)手能力。同時(shí)結(jié)合電子技術(shù)根底知識(shí)設(shè)計(jì)電路，提高自己的運(yùn)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(shí)。1.2要求：設(shè)計(jì)一個(gè)能前進(jìn)、后退的機(jī)器人行走控制電路。接通電源，機(jī)器人前進(jìn)，行走一段時(shí)間后，機(jī)器人自動(dòng)后退，退行一段時(shí)間后自動(dòng)前行，周而復(fù)始。1.2.2機(jī)器人行走動(dòng)力只能使用干電池，不能使用動(dòng)力電源。機(jī)器人前進(jìn)、后退時(shí)間可調(diào)。對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真。1.3創(chuàng)新方面：可以控制機(jī)器人行走過程的暫停和行走，并且與時(shí)間控制同步。2設(shè)計(jì)總體方案2.1設(shè)計(jì)思路通過對(duì)設(shè)計(jì)要求分析之后，知道要完成設(shè)計(jì)需要以下幾個(gè)局部：信號(hào)發(fā)生電路、時(shí)間控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器由兩片74LS123組成一個(gè)矩形波信號(hào)發(fā)生器，利用開關(guān)S瞬時(shí)接地，使電路起振驅(qū)動(dòng)74LS192減計(jì)數(shù)器進(jìn)行顯示，后接一個(gè)顯示器來顯示時(shí)間，計(jì)數(shù)滿后驅(qū)動(dòng)JK觸發(fā)器產(chǎn)生規(guī)那么的、周期可調(diào)的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再由雙JK觸發(fā)器接受觸發(fā)信號(hào)，JK觸發(fā)器為負(fù)沿觸發(fā)，改變電動(dòng)機(jī)的正傳于與反轉(zhuǎn)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，而直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路那么是由驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)與后退。2.2原理結(jié)構(gòu)框圖74LS192減計(jì)數(shù)器顯示機(jī)器人前進(jìn)或后退時(shí)間7SEG—BCD控制數(shù)碼管顯示電路顯示計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)滿產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)JK觸發(fā)器兩片74LS123組成的信號(hào)發(fā)生器74LS192減計(jì)數(shù)器顯示機(jī)器人前進(jìn)或后退時(shí)間7SEG—BCD控制數(shù)碼管顯示電路顯示計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)滿產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)JK觸發(fā)器兩片74LS123組成的信號(hào)發(fā)生器觸發(fā)器發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)兩端壓差發(fā)生觸發(fā)器發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)兩端壓差發(fā)生正負(fù)跳變直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)或后退直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)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(jī)器人行走電路圖2.4設(shè)計(jì)原理分析2.4.1方波信號(hào)發(fā)生器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在沒有觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)，電路輸出Q=0，電路處于穩(wěn)態(tài)；當(dāng)輸入端輸入觸發(fā)信號(hào)時(shí)，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(dòng)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(shí)，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(gè)觸發(fā)脈沖的到來后，再經(jīng)過一個(gè)tw〔該電路定時(shí)的脈沖寬度〕時(shí)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(gè)輸入端，A為下降沿觸發(fā)，B為上升沿觸發(fā)，只有AB=1時(shí)電路才被觸發(fā)。〔2〕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(shí)，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(gè)矩形波信號(hào)發(fā)生器，利用開關(guān)S瞬時(shí)接地，使電路起振。圖6：矩形波信號(hào)發(fā)生電路2.4.274LS192減計(jì)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(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CPD為減計(jì)數(shù)時(shí)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(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出，TCD為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。3、原理說明由兩片74LS123芯片組成的矩形方波信號(hào)接入到74LS192時(shí)鐘端，驅(qū)動(dòng)74LS192進(jìn)行減計(jì)數(shù)。圖9中74LS192計(jì)數(shù)從16減至零時(shí)TCD端產(chǎn)生負(fù)脈沖輸出信號(hào)接入觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)JK觸發(fā)器，JK觸發(fā)器觸發(fā)信號(hào)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)。數(shù)碼顯示電路通過7SEG—BCD數(shù)碼管進(jìn)行顯示。4、數(shù)碼顯示電路及JK觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生圖9：數(shù)字顯示電路2.4.3直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路原理說明：JK觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為下降沿觸發(fā)，74LS192減計(jì)數(shù)到0時(shí)產(chǎn)生下降沿脈沖，通過信號(hào)的翻轉(zhuǎn)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，這樣就能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)和后退了。如圖10所示。1〕當(dāng)輸入為高電平時(shí)，Q1,Q4導(dǎo)通，Q2,Q3截止，A點(diǎn)為低電平，B點(diǎn)為高電平，通過仿真U(AB)=-4.93v,直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)器人后退。2〕當(dāng)輸入為底電平時(shí)，Q1,Q4截止，Q2,Q3導(dǎo)通，A點(diǎn)為高電平，B點(diǎn)為低電平，通過仿真U(AB)=4.95v，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)器人前進(jìn)。圖10：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.4.4整體工作原理說明本設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)中通過兩個(gè)74LS123組成的矩形波信號(hào)發(fā)生器，通過開關(guān)K控制信號(hào)的發(fā)生，信號(hào)輸出到74LS192計(jì)數(shù)器的減計(jì)數(shù)端，通過改變電容和電阻的值改變信號(hào)的輸出脈沖寬度，即控制頻率。減計(jì)數(shù)器從16減到0時(shí)TCD端產(chǎn)生下降沿脈沖，JK觸發(fā)器的時(shí)鐘新號(hào)端接TCD端當(dāng)下降沿脈沖到來時(shí)，輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此時(shí)正好控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路反生反轉(zhuǎn)。我在設(shè)計(jì)過程中在JK觸發(fā)器的輸出端添加了一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，分別連接在輸出的兩端，這樣的設(shè)計(jì)有助于對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)得到控制，同時(shí)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源端添加了一個(gè)可關(guān)斷晶閘器和一個(gè)繼電器，繼電器的控制信號(hào)跟晶閘器的關(guān)斷信號(hào)正好互補(bǔ)，這樣能夠做到對(duì)機(jī)器人行走的暫停和行走，而且這個(gè)過程跟時(shí)間的暫停和啟動(dòng)是同時(shí)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(jì)中用到一個(gè)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(hào)出現(xiàn)下降沿JK觸發(fā)器的輸出會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，到達(dá)對(duì)機(jī)器人前進(jìn)和后退的智能化控制。2.4.5附加功能1〕做到對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和時(shí)間脈沖信號(hào)的控制是同時(shí)的。2〕通過一個(gè)單刀雙擲開關(guān)控制機(jī)器人的前進(jìn)和后退。2.5機(jī)器人設(shè)計(jì)元器件清單名稱規(guī)格型號(hào)位號(hào)數(shù)量電阻100kR11個(gè)1kR2~R54個(gè)1R61個(gè)信號(hào)發(fā)生器74LS123U1:A、U1：B2片計(jì)數(shù)器74LS192U21片三極管2N2905Q1、Q22個(gè)三極管2N2219Q3、Q42個(gè)二極管1N4001D1、D22個(gè)電平開關(guān)DIPSWC_4DSW11個(gè)繼電器G5C-14-DC5RL11個(gè)排阻RESPACK-7RP11個(gè)JK觸發(fā)器JKFFU31片開關(guān)SW-SPDTSW11個(gè)非門74LS04U41片晶閘管S6012RU51片電容2.2ufC1、C21個(gè)3結(jié)束語為期兩周的課程設(shè)計(jì)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(jì)的選題給我們很大的興趣，對(duì)于機(jī)器人的行走設(shè)計(jì)一直以來都是同學(xué)們很感興趣的一個(gè)課題，所以我們投入了大量的時(shí)間和精力去完成這個(gè)十分模糊的概念。因?yàn)橹案旧蠜]有接觸過相關(guān)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，所以在設(shè)計(jì)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(jì)，聯(lián)系課本的知識(shí)發(fā)現(xiàn)很難去完成此次設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，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?cè)谠O(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。通過它們可以進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。在設(shè)計(jì)的過程中，我遇到了一些難題，例如仿真軟件操作問題；電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路設(shè)計(jì)，以及其驅(qū)動(dòng)電路等等，但是都最后一一解決掉。通過此次課程設(shè)計(jì)，讓我認(rèn)識(shí)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(jì)給我們一個(gè)過渡期，大二的結(jié)束，進(jìn)入大三后對(duì)更多專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)需要我們仔細(xì)鉆研，在這個(gè)階段給了我們很好的提前了解的時(shí)機(jī)。雖然對(duì)單片機(jī)、自動(dòng)控制原理沒有理解，但是這也是一個(gè)好的開始。對(duì)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(jì)，拿到課題的茫然，設(shè)計(jì)過程中的不知所措，這個(gè)階段浪費(fèi)了大量的時(shí)間。突然發(fā)現(xiàn)自己學(xué)的知識(shí)太少，根本沒法滿足設(shè)計(jì)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(gè)下午時(shí)間，從下午3點(diǎn)到晚上9點(diǎn)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(gè)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(jìn)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(duì)電路和控制電路進(jìn)行了一下改良，自己感覺收獲很大。同時(shí)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(huì)很有耐心