題目 機(jī)器人行走電路 班級 11計(jì)科（2）班 學(xué)號 201110510231 姓名 錢佳能 指導(dǎo) 江老師 時間 2013年12月 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院電工電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書姓名 錢佳能 班級 11計(jì)科（2）班 指導(dǎo)老師 江虹 設(shè)計(jì)課題： 機(jī)器人行走電路設(shè)計(jì)任務(wù)與要求本課題設(shè)計(jì)通過所學(xué)電子電工知識設(shè)計(jì)一個可以自行行走的機(jī)器人，能夠自行前進(jìn)與后退，可以改進(jìn)成小車，可以搬運(yùn)一些輕便的貨物以及其他東西，可以給日常生活的人們帶來方便，同時也讓電子科技更加接近人們的生活，也發(fā)掘了自己的潛能和創(chuàng)新意識，鍛煉了自己的能力和思維方式。具體需求如下：1、 分析電路由幾個部分組成，并用方框圖對它進(jìn)行整體描述；2、 通過555多諧振蕩器產(chǎn)生一定頻率的方波給計(jì)數(shù)器，然后用計(jì)數(shù)器輸出來驅(qū)動時間顯示部分，用計(jì)數(shù)器的輸出信號來控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制部分；3、 可調(diào)節(jié)周期來控制小車的；4、 畫出系統(tǒng)框圖，寫出詳細(xì)的過程；5、 用Altium Designer軟件畫出完整的設(shè)計(jì)電路圖，并列出元件清單 。設(shè)計(jì)步驟1、 查閱相關(guān)資料，開始撰寫設(shè)計(jì)說明書；2、 先給出總體方案并對工作原理進(jìn)行大致的說明；3、 依次對各部分分別給出單元電路，并進(jìn)行相應(yīng)的原理、參數(shù)分析計(jì)算、功能以及與其他部分電路的關(guān)系等等說明；4、 列出標(biāo)準(zhǔn)的元件清單；5、 總體電路的繪制及總體電路原理相關(guān)說明；6、列出設(shè)計(jì)中所涉及的所有參考文獻(xiàn)資料。設(shè)計(jì)說明書字?jǐn)?shù)不得少于3000字。參考文獻(xiàn) 1電工技術(shù)與電子技術(shù) 王鴻明編著 清華大學(xué)出版社 20012電路（第四版） 邱關(guān)源 主編 高等教育出版社 19993電工與電子技術(shù) 榮西林 主編 冶金工業(yè)出版社 2008 4數(shù)控電工電子基礎(chǔ) 姚道如 主編 安徽科學(xué)技術(shù)出版社 20095電工與電路基礎(chǔ)及運(yùn)用 楊小平 主編 中國人名大學(xué)出版社 2011目錄1、 總體方案與原理說明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42、 多諧震蕩電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53、 74HC161計(jì)時器顯示電路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64、 直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75、 555時基電路圖及波形圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86、 74HC161加法計(jì)數(shù)器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97、 總體電路原理圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108、 元件清單；. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129、 參考文獻(xiàn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1310、設(shè)計(jì)心得體會 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141、總體方案與原理說明 分析設(shè)計(jì)要求，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走需要有驅(qū)動電路，驅(qū)動小車行走，同時要有直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路，控制小車前進(jìn)與后退。其中驅(qū)動電路，由555構(gòu)成多諧振蕩電路產(chǎn)生的方波驅(qū)動74161計(jì)數(shù)器進(jìn)行顯示，計(jì)數(shù)滿后驅(qū)動JK觸發(fā)器，產(chǎn)生規(guī)則的、周期可調(diào)的方波驅(qū)動信號；而直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路則是由驅(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(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)與后退。 555時基電路構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波信號接到74HC161時鐘端，觸發(fā)74HC16加計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并通過74248驅(qū)動七段共陰極數(shù)碼管DPY_7-SEG顯示計(jì)數(shù)。加計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)滿十，通過與非門74HC03產(chǎn)生下降沿信號驅(qū)動JK觸發(fā)器，使JK觸發(fā)器構(gòu)成的T觸發(fā)器輸出取非，從而驅(qū)動三極管構(gòu)成的開關(guān)電路，通過各個三極管的導(dǎo)通與截止來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)兩端的壓差的正負(fù)跳變，驅(qū)動直流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)與后退。其中，通過調(diào)節(jié)電位器RP1可以改變多諧電路輸出方波周期，來調(diào)節(jié)小車的前進(jìn)與后退的時間。多諧震蕩器(控制反轉(zhuǎn)時脈沖寬度)多諧震蕩器(控制正轉(zhuǎn)時脈沖寬度)七段共陰極數(shù)碼顯示管計(jì)數(shù)器電動機(jī)門電路，觸發(fā)器 圖1.總體設(shè)計(jì)方框圖 2、 單元電路1多諧震蕩電路 多諧震蕩電路工作原理：由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，接通電源后，電容C2被充電，當(dāng)VC上升到2/3VCC時，觸發(fā)器被復(fù)位，VO為低電平，電容C2放電，使VC下降。當(dāng)VC下降到（1/3）VCC時，觸發(fā)器又被置位，VO翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為： tPL=RP1Cln2 可近似看成tPL=0.7R2C當(dāng)C放電結(jié)束時，T截止，VCC將通過R1、RP1向電容器C充電，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的時間為： tPH=(R1+RP1)Cln2 可近似看成tPH=0.7(R1+RP1)C而當(dāng)VC上升到（2/3）VCC時，觸發(fā)器又周而復(fù)始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為： f=1/(tPL+tPH) 可近似看成f=1.43/(R1+RP1)C 圖2.震蕩原理圖3、單元電路274HC161計(jì)時器顯示電路 多諧振蕩電路產(chǎn)生方波信號接入到74HC161時鐘端，驅(qū)動741HC61進(jìn)行加計(jì)數(shù)。圖中74HC161接成了10進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)滿十時通過74HC00與非門接入到清零端進(jìn)行清零。由于計(jì)數(shù)到10時，便會立刻清零，不會在數(shù)碼管上顯示，所以此時信號很弱，不可以作為觸發(fā)信號驅(qū)動JK觸發(fā)器，JK觸發(fā)器觸發(fā)信號是計(jì)數(shù)到9時，通過74HC00輸出下降沿信號觸發(fā)。數(shù)碼顯示電路通過74248驅(qū)動的七段共陰極數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 圖三.計(jì)時器計(jì)數(shù)顯示電路原理圖4、單元電路3直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路 當(dāng)U7左端輸入為低電平時，Q1,Q4截止，Q2,Q3導(dǎo)通，直流電動機(jī)左端為高電平右端為低電平，仿真可知電勢差U=4.95v，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車前進(jìn)。當(dāng)U7左端輸入為高電平時，Q1,Q4導(dǎo)通，Q2,Q3截止，直流電動機(jī)左端為低電平右端為高電平，仿真可知電勢差U=-4.93v,直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，小車后退。 圖四.電機(jī)正反裝驅(qū)動電路圖5、單元電路4555時基電路圖及波形圖555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準(zhǔn)電壓VCC/3 和 2VCC/3。555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時，則電壓比較器 A1 的反相輸入端的電壓為 2VCC/3，A2 的同相輸入端的電壓為VCC/3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 A2 的輸出為1，可使 RS 觸發(fā)器置1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC/3，則 A1 的輸出為 1，A2 的輸出為 0，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。 圖 五.555時基電路圖及波形圖6、 單元電路574HC161加法計(jì)數(shù)器從74HC161功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端CR=“0”，計(jì)數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。74LS161還有一個進(jìn)位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。 圖六.74hc161加計(jì)數(shù)器真值表 圖七.74hc161引腳圖7、 總體電路原理相關(guān)說明 機(jī)器人前進(jìn)或后退的時間通過調(diào)節(jié)555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的滑動變阻器RP1調(diào)節(jié)脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)的，若要減少時間，則只要調(diào)節(jié)電阻值，使其頻率變大，即可實(shí)現(xiàn)時間的變短；同理，若要延長時間，只需減小頻率即可。這樣就實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)或后退的時間可調(diào)。 555時基電路構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波信號接到74HC161時鐘端，觸發(fā)74HC161加計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并通過74248驅(qū)動七段共陰極數(shù)碼管DPY_7-SEG顯示計(jì)數(shù)。加計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)滿十，通過與非門74HC03產(chǎn)生下降沿信號驅(qū)動JK觸發(fā)器，使JK觸發(fā)器構(gòu)成的T觸發(fā)器輸出取非，從而驅(qū)動三極管構(gòu)成的開關(guān)電路，通過各個三極管的導(dǎo)通與截止來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)兩端的壓差的正負(fù)跳變，驅(qū)動直流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)與后退。其中，通過調(diào)節(jié)電位器RP1可以改變多諧電路輸出方波周期，來調(diào)節(jié)小車的前進(jìn)與后退的時間。可用計(jì)數(shù)器的Q0和Q3端通過一個與非門來控制JK觸發(fā)器的時鐘信號。這樣，每當(dāng)計(jì)時器完成一個周期的計(jì)數(shù)，JK觸發(fā)器完成反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正轉(zhuǎn)。8、總體電路原理圖 9、 元件清單名稱規(guī)格型號位號數(shù)量電阻1KR1、R3、R4、R5、R65個電位器100KR21個電容0.01uFC11個電容10uFC21個三極管2N2904Q1 Q22個三極管2N2219Q4 Q32個電池+1.4VVcc4個555芯片CB7555U11個加計(jì)數(shù)器74HC161U21個數(shù)碼管驅(qū)動器74248U51個七段共陰極數(shù)碼顯示器74LS48DS1個二極管IN4001D1、D22個JK觸發(fā)器74LS76U6A1個與非門74LS00U3、U42個非門74HC04U71個直流電動機(jī)5VMG1個四角插針JP1個 10、 參考文獻(xiàn) 1電工技術(shù)與電子技術(shù) 王鴻明編著 清華大學(xué)出版社 20012電路（第四版） 邱關(guān)源 主編 高等教育出版社 19993電工與電子技術(shù) 榮西林 主編 冶金工業(yè)出版社 20084數(shù)控電工電子基礎(chǔ) 姚道如 主編 安徽科學(xué)技術(shù)出版社 20095電工與電路基礎(chǔ)及運(yùn)用 楊小平 主編 中國人名大學(xué)出版社 20116電工電子元器件的選擇與測量 王俊峰 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 20107二極管激光器與集成電路 （美）拉里A科爾德倫 主編 北京郵電大學(xué)出版設(shè) 2006 8 數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ) 沈任元 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2010 11、 設(shè)計(jì)心得體會通過一個星期的課程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí),我學(xué)會了怎么將自己所學(xué)的知識整合到實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中。本次路圖的獨(dú)立設(shè)計(jì)，加深了我對相關(guān)課程基礎(chǔ)知識的理解與掌握。對數(shù)電、模電所學(xué)知識的實(shí)際運(yùn)用有了進(jìn)一步的了解，特別是555定時器的綜合運(yùn)用。對以前學(xué)的數(shù)電、模電知識有了更深刻的認(rèn)識與理解，例如二極管、三極管的作用、555定時器的應(yīng)用。尤其是jk觸發(fā)器的使用，上個學(xué)期在教程數(shù)字邏輯中老師曾多次講到j(luò)k觸發(fā)器的功能及使用方法，但當(dāng)時畢竟自己沒有實(shí)踐過，對于這個原件也是一知半解，不過通過這次的課程設(shè)計(jì)，對這個元件的了解有了很大的加深和體會。同時也接觸了更多實(shí)際運(yùn)用中的元件，比如氣敏傳感器等，我們通過自己查資料來了解它，增強(qiáng)了自主學(xué)習(xí)的能力。在設(shè)計(jì)電路的