机器人行走电路设计Word文件下载.docx
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1.3.2计数电路及数码显示电路
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1.3.3电机正反转驱动电路
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1.3.4整机工作原理
1.4仿真结果与分析
8
1.4.1仿真效果
1.4.2仿真过程
1.4.3结果分析
9
1.4.4
特点及改进
1.5所用主要芯片说明
10
1.5.1
555定时器
1.5.2
74LS160加计数器
1.5.3L298电机驱动芯片
11
附录
12
小结与体会
13
参考文献
14
1机器人行走电路设计
1.1任务与要求
1.1.1设计任务
设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。
1.1.2设计要求
（1）接通电源，机器人前进，行走一段时间后，机器人自动后退，退行一段时间后自动前行，周而复始。
（2）机器人行走动力只能使用干电池，不能使用动力电源。
（3）机器人前进、后退时间可调。
（4）对电路进行仿真通过。
1.2设计方案
1.2.1设计总体思路
通过对设计要求的仔细分析考虑后，得出以下设计思路：
电路分为三部分电路，分别为周期脉冲信号发生电路、计数及数码显示电路、直流电机正反转驱动电路。
信号发生器是用555定时器组成的多谐振荡器，其中的一个电阻用滑线变阻器，方便调节电阻大小，进而调节振荡频率。
计数电路是用十进制加法计数器74LS160和相应的门电路组成，用强制清零法设计电路，可以调节计数周期，后接数码管显示计数状态。
直流电机正反转电路是由D触发器74LS74和芯片L298组成，L298接受触发器的信号，其两个输入端分别接两个相反的信号，触发器信号翻转的同时，电机也随着反向转动。
1.2.2设计原理框图
555定时器组成多谐振荡器
数码管
74LS160组成进制可调的计数器
D触发器组成信号翻转电路
L298组成直流电机驱动电路
直流电机
图1.1原理框图
1.2.3系统流程图
否
是
图1.2系统流程图
1.2.4整体原理电路图
图1.3设计原理图
1.3各部分电路原理分析
1.3.1方波信号发生电路
（1）原理说明
用555定时器构成的多谐振荡器如下图3所示。
接通电源后，电容C1被充电，当Vc1上升到2/3Vcc时，触发器复位，同时放电，BJT导通，此时输出电平为低电平，电容C1通过R2和T放电，使Vc1下降。
当Vc1下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，输出电平翻转为高电平。
C1放电结束时，T截止，Vcc将通过R1和R2向电容器C1充电，Vc1由1/3Vcc上升到2/3Vcc时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到了一个周期方波，其频率为：
f=1.43/（R1+2R2）C1。
（2）参数设计
根据方波的频率公式，可以设计不同参数，使得脉冲时间间隔不同，进而与计数器共同控制机器人前进和后退的时间。
为方便计算和基于常见的电容，取电容C1为47uF。
R2固定为10K。
为了方便调节振荡频率，R1用滑动变阻器代替，其最大阻值为100K。
电容C2取0.01uF,目的是为了减小干扰信号使振荡器更稳定。
根据公式，可以方便地调节滑动变阻器来调节频率。
比如说，想要1HZ的振荡频率，把47uF和10K带入公式中的C和R2，解得R1约为10K，则把滑动变阻器调到10％，就可以实现频率为1HZ即周期为1S。
同样的方法可以解得，当滑动变阻器调到41％时，振荡频率为0.5HZ，即周期为2S。
图1.4多谐振荡电路
1.3.2计数电路及数码显示电路
如图4，计数电路由十进制计数器74LS160、四个单刀双掷开关SW-SPDT、四个异或门74LS86和一个四输入端的或门4072组成。
用强制清零法设计计数电路，使得计数器计到某一数值时，清零端电平变为0，电路又重新开始计数。
为了使计数周期可调，用了四个单刀双掷开关，可用来设置计数周期，从左到右为高位到低位。
每个开关的一端接异或门74LS86的一端，四个异或门的另外一端分别接74LS160的四个输出端，高低位分别对应。
异或门处理信号出来后接四输入端或门，然后接回到计数器的清零端。
由此，就构成了反馈清零电路。
为了清晰地讲明工作原理，假设想要计数周期为7秒，在555振荡电路为1HZ的情况下，设计计数器为7进制，把开关拨为0111。
计数器从0000开始计数，通过异或门及与或门，未计数到0111时，异或所得结果总有一个为1，使通过或门之后信号总为1，即清零端为1，不执行清零功能。
当计数到0111时，异或后都为1，通过或门后为0，即清零端为0，计数器异步清零，又重新开始计数。
这样就得到了一个计数周期为7秒的计数器。
把74LS160的四个输出端接数码管显示，就可以实时观测计数状态了。
图1.5计数电路
1.3.3电机正反转驱动电路
如图5，正反转驱动电路由D触发器74LS74和L298组成。
D触发器的脉冲信号来自计数器清零时的信号，由于清零时是有1变0，产生下降沿，而74LS74是上升沿触发，所以加了一个反相器74LS04，使信号为上升沿。
由D触发器的状态方程为Qn+1=D可知，把触发器的D端接触发器的反相输出端时，当触发时，就会实现信号翻转。
把触发器的两个输出端分别接L298的两个输入端IN1和IN2，L298的4、6、9、11脚接高电平，1、8、15管脚接低电平。
最后把直流电机的两端接在对应的输出端OUT1和OUT2上。
当触发器信号翻转时，IN1和IN2反相跳变，随之OUT1和OUT2也跳变，就会驱动直流电机往相反的方向转动。
图1.6
电机正反转电路
1.3.4整机工作原理
多谐振荡器和计数器都是可调的，根据要求的时间设计好相应的参数。
如7秒，则设计振荡器滑动变阻器为10K，使周期为1秒；
四个开关状态为0111，使计数器为7进制。
整机工作时，直流电机先往一个方向转动。
振荡器产生周期方波信号，每一个振荡周期计数器计一次数，当计数到设定的数值时，计数器清零，重新开始下一个周期。
在清零的同时，给触发器一个脉冲信号，触发器被触发，信号翻转，通过L298驱动，直流电机往与原来相反方向转动。
从而实现了机器人的前进和后退周而复始的功能，且周期可调。
1.4仿真结果与分析
1.4.1仿真效果
图1.7仿真图
1.4.2仿真过程
（1）把滑动变阻器的阻值调为10K欧，开关状态为0111，得到一个计数周期为7秒的计数器。
把总开关断开，按下仿真开始按钮。
此时计数器不工作，直流电机不转；
停止仿真，把总开关闭合，再次按下开始按钮。
此时计数器从0开始计时，每隔约1秒，计数器进一，电机正转。
当计数到7秒时，计数器清零，又从零开始计时。
同时出发器输出端发生跳变，电机反转。
（2）把滑动变阻器阻值调为41K，即把振荡周期设为了2秒，把开关状态调为1001，即九进制，由此得到一个计数周期为18秒的计数器。
和
（1）的仿真结果基本一样，只是，数码管每隔约2秒进一，计数到9秒时才清零。
同时直流电机往与原来相反的方向转动。
（3）把变阻器调为不同的值，开关也调到不同的状态，可得到得到不同的计数周期，直流电机也按照所调的周期实现正反转。
1.4.3结果分析
由以上仿真结果可得：
（1）总开关可控制电路是否工作。
（2）直流电机会根据计数周期，实现正转和反转，周而复始。
（3）计数周期可以通过改变变阻器阻值和开关状态来改变，即时间可调。
（4）整个电路只用到了逻辑电平电压约5V，没有用动力电源。
综上，所设计电路符合设计要求。
1.4.4特点及改进
该电路的特点是结构思路简单，能够实现任务的要求。
由仿真过程可以知道，该设计最大的不足之处是计数周期可调节的范围太小，可以通过多加一个计数芯片，使进制的调节范围更大。
计数周期只能到达9，虽然74LS160是十进制计数器，但如果到十再清零，是计数器自己清零，不是反馈清零，所以不会给触发器触发信号，不能实现正反转功能。
解决这个问题需要用置数法，或改换其他计数芯片。
1.5所用主要芯片说明
1.5.1555定时器
表1.1555定时器功能表
输入
输出
阈值输入
触发输入
复位
放电管T
X
导通
<
2Vcc/3
Vcc/3
1
截止
>
不变
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