机器人行走设计电路设计.docx
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机器人行走设计电路设计
课程设计任务书
学生姓名：
冀阳博专业班级：
电气1001
指导教师：
龚跃玲工作单位：
自动化学院
1、题目:
机器人行走电路设计
任务：
设计一个能前进、后退的机器人行走控制电路。
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）对设计电路进行仿真。
2、初始条件
1.实验室提供万用表、信号发生器、直流稳压电源、示波器等设备。
2.学生已学习了大学基础课程和《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电力电子变流技术》等专业基础课程。
3.主要参考文献
1）《新编电子电路大全》第1、2、3、4卷中国计量出版社
2）《传感器及其应用电路》何希才编著电子工业出版社
3）《电力电子变流技术》黄俊王兆安编机械工业出版社
4）《集成电路速查手册》王新贤主编山东科学技术出版社
5）《集成电路速查大全》尹雪飞陈克安编西安电子科技大学出版社
6）《晶体二极管手册》各种版本皆可
7）《晶体三极管手册》各种版本皆可
3、要求完成的主要任务
1.课程设计结束时每个学生要交一份按统一格式要求撰写的课程设计说明书，并装订成册。
2.课程设计说明书中每个题目要求有方案比较、绘制方框图、电原理图，阐述电路工作原理、每个元器件的主要参数、设计电路的性能指标及电路仿真效果图等。
3.说明书中除个人签名外，其它文字、符号、图形或表格一律用计算机打印。
4.文字、符号、图形等必须符合国家标准。
5.独立完成设计任务，严禁相互抄袭。
4、时间安排
设计时间为二周（6月25日—7月6日），安排如下：
1．6月25日上午，指导教师讲授课程设计的有关基本知识等。
2．6月25日下午——7月1日学生查阅资料，完成初步设计。
3．7月2日——7月3日检查设计进度，答疑、质疑。
4．7月4日——7月5日完善设计，形成设计说明书电子文档。
4．7月5日——7月6日课程设计打印、装订、提交。
指导老师签名：
2012年6月22日
系主任（或负责教师）签名：
2012年月日
目录
摘要2
设计内容及要求3
1电路的比较与选择4
1.1电路原理系统框图4
1.2方案比较5
1.2.1方案一5
1.2.2方案二6
1.3方案选择7
1.3.1信号发生器选择7
1.3.2计数器选择7
1.3.3电机驱动电路选择7
1.3.4方案选择7
2设计方案的分析8
2.1电路总图及其工作原理概述8
2.1.1电路图8
2.1.2机器人行走工作原理8
2.2555构成多谐振荡定时器9
2.374LS196加计数器构成十进制计数器显示电路10
2.4直流电机正反转驱动电路11
3电路功能及其调节方法11
4所用主要芯片及其它器件说明13
4.1555定时器13
4.274LS196加计数器14
4.374LS76双JK触发器16
5电路的优缺及点改进意见17
结束语18
致谢19
参考文献20
附录20
成绩评定表22
摘要
随着社会的发展与科技水平的不断提高，促使人们对于科技应用于生活的要求不断的增加。
可以自行行走的机器人电路设计是基于目前学过的课程要求设计的，能过自行的前进和后退，并且可以自行调节前进与后退的时间，同时，机器人电路还可以改进成其它的器件，满足日常生活的轻便的事情，给平常的生活带来方便，而且让科技更加贴近人们的生活，也有利于发掘自己的潜能和创新意识，锻炼自己的能力和思维方式。
机器人行走电路由驱动电路和直流电机的正反转电路两个单元构成。
电路通过运用555构成的多谐振荡电路，同步计数器74LS196，七段译码器74LS248，双JK触发器等基本单元电路，通过上述基本电路的级联组合，构成机器人行走电路。
电路有效地实现机器人的行走与后退，通过调节阻值的大小而控制行走的时间，时间在数码显示管显示。
利用三极管的导通和截止控制机器人的行走方向，从而满足设计电路的要求。
关键词：
时间可调、数码显示、正反转、555定时器
设计电路内容及要求
要求设计一个机器人行走电路，电路具有时间可调，机器人可前进与后退的功能。
电路设置启动开关，当机器人行走时可以手动控制行走的时间和方向。
本设计采用中小规模集成电路和部分原件，运用所学的电路原理、模拟电子技术基础、数字电子技术基础来实现功能要求。
具体要求如下：
（1）机器人具有自动前进和后退的功能，并且前进和后退的时间可调；
（2）机器人行走的时间可以在数码管显示出来；
（3）调节开关，机器人可以改变转向，同时数码管重新开始计数；
（4）按下开关可以起到暂停的功能。
1电路的比较与选择
1.1电路原理系统框图
555/74123组成的方波信号发生器
1.2方案比较
1.2.1方案一
电路图：
555构成多谐振荡电路产生方波信号，74LS196构成十进制计数器，74LS248控制七段共阴极数码管显示电路显示，计数器计数满产生触发信号触发双JK触发器，双JK触发器在触发信号的作用下输出发生高低电平跳变，触发器发生信号驱动直流电机两端压差发生正负跳变，直流电机正反转，实现机器人的前进和后退。
电路中各个开关控制电机的转动及转动方向和时间。
1.2.1方案二
电路图：
74LS123构成的定时器产生矩形波信号，用74HC161和与非门74HC03构成加十进制计数器，74LS248控制七段共阴极数码管显示电路显示，计数器计数满产生触发信号触发双JK触发器，双JK触发器在触发信号的作用下输出发生高低电平跳变，通过直流电机驱动电路改变电机两端电压方向，进而改变电机转向。
电路中开关也可是电机制动，正反转。
1.3方案选择
1.3.1信号发生器选择：
对于两种方案的选择，由于555定时器电源电压范围宽，可在4.5-16V工作，输出可与TTL,CMOS管或模拟电路电平兼容。
同时555定时器成本低，性能可靠，电路连接简单，方便，而且输出方波信号可调，满足设计的要求，故选择555定时器作为驱动电路。
1.3.2计数器的选择：
方案一中用两个74LS196构成二位计数器并且可以通过四个开关改变电机转动时间，方案二中的计数器就显得简单很多，故选择方案一中计数器。
1.3.3电机驱动电路的选择：
方案一中驱动电路驱动电机有两个信号共同控制，使能端输入信号和由JK触发器输出的信号：
方案二中驱动电路仅由JK触发器输出的信号控制，如果想制动电机则需直接断开电源。
经过分析，方案一中驱动电路更好，更易扩展出新的功能。
选择方案一中驱动电路。
1.3.4方案选择：
经过分析，方案一各部分设计合理且功能较强，因此选择方案一作为最终方案。
下面将对方案已进行全面分析。
2设计方案的分析
2.1电路总图及其工作原理概述
2.1.1电路图
2.1.2机器人行走电路工作原理
555构成的多谐振荡电路产生方波信号接到74LS196时钟端触发74LS196加计数器计数，并通过74LS248驱动七段共阴极数码管显示计数。
加计数器计数满十，通过74HC20与非门产生下降沿信号驱动双JK触发器使JK触发器构成的T'触发器输出取非，从而驱动三极管构成的开关电路，通过各个三极管的导通与截止来实现直流电机两端的压差的正负跳变，驱动直流电动机的正反转，实现小车的前进与后退。
其中，通过调节四个单刀五掷开关可以改变多谐电路输出方波周期，来调节小车的前进与后退的时间。
（信号波形和JK触发器输入输出波形见附录）
2.2555构成多谐振荡定时器
图5-1多谐振荡电路原理图
多谐振荡电路工作原理
接通电源后，电容C被充电，当VC上升到2/3VCC时，放电三极管T导通，此时VO为低电压，电容C通过R2和T放电，使VC下降。
当VC下降到（1/3）VCC时，VO翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为：
tPL=R2Cln2可近似看成tPL=0.7R2C
当C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的时间为:
tPH=（R1+R2）Cln2可近似看成tPH=0.7（R1+R2）C
而当VC上升到（2/3）VCC时，电路又翻转为低电平，如此周而复始，于是，在电路的输出端的矩形波。
电路的工作波形如图2.8所示，其振荡频率为：
f=1/（tPL+tPH）可近似看成f=1.43/[（R1+2R2）C]
参数设定：
设计中取R2=R1=5k,C=100u，使T近似等于1s。
2.374HC196加计数器构成十进制计数器显示电路
原理说明：
多谐振荡电路产生方波信号接入到74196时钟端，驱动74196进行加计数。
图中74196接成了10进制加计数器，计数满十时通过74HC20与非门接入到清零端进行清零。
由于计数到10时，便会立刻清零，不会在数码管上显示，所以此时信号很弱，不可以作为触发信号驱动JK触发器，JK触发器触发信号是计数到9时，通过74HC20输出下降沿信号触发。
数码显示电路通过，74LS248驱动的七段共阴极数码管进行显示。
原理图：
2.4直流电机正反转驱动电路
原理图：
原理说明：
JK触发器的时钟信号为下降沿触发，74LS196减计数到0时产生下降沿脉冲，通过信号的翻转控制电机的正反转，这样就能实现机器人的前进和后退了。
如图10所示。
1）当输入为高电平时，Q2,Q3导通，Q1,Q4截止，A点为低电平，B点为高电平，通过仿真U（AB）=+2.65v,直流电机反转，机器人后退。
2）当输入为底电平时，Q2,Q3截止，Q1,Q4导通，A点为高电平，B点为低电平，通过仿真U（AB）=-2.65v，直流电机正转，机器人前进。
3电路功能及其调节方法
（1）机器人具有自动前进和后退的功能，并且前进和后退的时间可调；
通过调节电路中四个单刀五掷开关SW1-SW4来控制清零端和JK触发器的触发信号进而控制电机正反转及其时间时间;也可以调开关SW7来实现对电机转向的改变。
（2）调节开关，机器人可以改变转向，同时数码管重新开始计数；
通过一个单刀开关JP1和四输入与非门74HC20的输出信号通过与门74LS08处理后可使电
机转向改变同时数字钟也重新开始计时。
（3）按下开关可以起到暂停（制动）的功能。
通过一个双刀双掷开关SW2控制555的输出信号的通断和直流电机驱动电路使能端的高低电平来实现暂停功能。
4所用主要芯片及其它器件说明
4.1555定时器
555定时器引脚图
555定时器电路图及波形图
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为2VCC/3，A2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器A2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则A1的输出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
555定时器功能表
4.274LS196加计数器
清零
预置
时钟
预置数据输入
输出
MR
PL
CLK
D0
D1
D2
D3
Q0
Q1
Q2
Q3
L
×
×
×
×
×
×
L
L
L
L
H
L
↓
A
B
C
D
A
B
C
D
H
H
×
×
×
×
×
保持
H
H
×
×
×
×
×
保持
H
H
↓
×
×
×
×
计数
74ls196是二-十进制计数器，本实验用到十进制功能，需将Q0与CLK2短接，输入端CLK1低电平有效，清零端MR低电平有效，置数端PL低电平有效
图74196管脚图
具体功能如下：
1.异步清零
当MR=0时，不管其他输入端的状态如何（包括时钟信号CP）,计数器输出将被直接置零，称为异步清零。
2.同步并行预置数
在MR=1的条件下，当PL=0、且有时钟脉冲CP
2.的上升沿作用时,D0D1D2D3输入端的数据将分别被Q0～Q3所接收。
由于这个置数操作要与CP上升沿同步，且A～D的数据同时置入计数器，所以称为同步并行置数。
3.保持
在MR=PL=1的条件下,不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变（停止计数）。
4.计数
当MR=PL=1时,74196处于计数状态
4.374LS76双JK触发器
74LS76为负沿双JK触发器，器件图如下：
图2.1174LS76双JK触发器器件图
图2.1274LS76双JK触发器真值表
本设计中用到一个JK触发器，由于
，我们想将其接成T’触发器，就要使J=K=1,即J,K端都接高电平。
5电路的优缺点及改进意见
设计的电路很好地实现了本课题所要求的全部功能。
电路连线过于复杂，不利于扩展，同事电路中参数的设置不是很精确，有待改进。
该机器人行走电路基本符合经过固定周期后自动前进和后退，自动计时，使用5V电压的干电池以及机器人行走的时间可调等基本要求。
（1）电机的以能耗制动的方式停止转动：
可用一电阻与电机并联实现能耗制动；
（2）电机速度的调节：
可用滑动变阻器与电机串联，通过改变电阻来改变电机转速，不过只能定性的调，由于电机转速和多个物理量相关，因此这种方法要慎重；
（3）可适当优化线路排布，方便扩展。
结束语
这是大学时期的第一次课程设计，一个星期前，充满期待与恐惧；一个星期后的今天，我非常感谢学校让我们进行为期一周的课程设计。
本次课程设计中，我们综合运用所学的电路原理、模拟电子技术、数字电子技术，电机学等四门专业基础课的知识，很好的解决了所选课题。
通过解决各种问题提高了我们发现、提出、分析和解决问题的能力，锻炼了实践能力。
相比与以前单纯枯燥的理论知识，课程设计更能激发我们学习的热情，同学们都不知疲倦的研究自己的课题。
我就曾在电脑前待过半天对电路进行设计和改进。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句话的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
课程设计很难，这是我们一开始就知道的。
而我们小组选择了《机器人的行走电路》这一课题。
选择课题后，我们翻阅资料书，上网查询相关资料。
通过整合分析处理，我们小组共同敲定一个大致方案，让后大家在各自对方案进行填充改进。
如我的方案着重于对机器人行进时间和制动的控制。
这期间，同组成员之间也曾就个人方案进行讨论，大家一起帮他分析改进。
独立与合作在我们这一组得到很好体现。
电路仿真过程也是一个学习的过程，学会了使用仿真软件protues，对以后的学习有很大帮助。
这次课程设计让我对很多以前书中出现的只是有了更深的了解，比如多种芯片的选择与应用，线路的连接，信号的输入输出关系等。
另外，我的思想上也有很大改变，以前总以为书本上的知识仅仅是用来应付考试的。
但现在我明白了书中只是其实用处很广，只是我们没有物尽其用，没有深刻理解那些知识并开发其更多的功能。
在以后的学习生活中，要时刻努力将理论与实践结合起来，做到学以致用而不仅仅是用来考试。
拿着自己的课程设计说明书我很开心，这次课程设计教会我很多东西，也让我通过查资料等了解了更多相关知识，我收获颇丰。
致谢
通过一周的的努力，我们的课程设计终于结束了。
在整个课程设计中，在知识上和思想上都受益非浅。
除了自身的努力外，与指导的老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。
在此表达对老师、同学和朋友的感谢。
在课程设计的过程中，指导老师倾注了大量的心血，第一节课老师知道我们选择合适的题目，并鼓励我们消除我们的恐惧。
答疑时，耐心的指出我们设计中的错误和不足，给出改进的方向和方法。
在此我表示衷心感谢。
同时我还要感谢在此期间与我合作分析课题，探讨电路，改进电路，填写课程设计说明书的同组同学。
课程设计是一次再系统的学习，课程设计的的完成，让我在其中学到了许多，尤其是学会了合作，懂得了合作造就的效益和成果。
感谢学校开设这门课程来帮助我们成长。
在这里再次感谢和我一起搭档的同学，还有对我们精心指导的老师！
参考文献
[1]康华光.电子技术基础数字部分（第五版）.武汉：
高等教育出版，2005
[2]吴友宇.模拟电子技术基础.武汉：
清华大学出版社，2009
[3]郑大钟.电路基础.北京：
清华大学出版社，2006
[4]周润景.proteus入门实用教程.南京：
机械工业出版社2008
附录
原件清单：
从上至下依次为555定时器方波信号，JK触发器输入信号，JK触发器输出信号，直流电机左端信号。
与理想中的波形大致相同。
姓名
冀阳博
性别
男
专业、班级
电气1001班
课程设计题目：
机器人行走电路设计
课程设计答辩或质疑记录：
信号的输入：
两种输出信号不能用导线相连，防止信号紊乱，影响元件工作。
如果想让两种信号相互作用可用门电路，如与非门，或非门，对两种输入信号产生一种新的信号。
JK触发器Q端与输入CLK的关系：
对JK触发器74ls76CLK为触发信
号输入端，Q为触发器输出端
触发信号下降沿有效，即触发信号从高电平变为低电平
的瞬间，有JK触发器特性方程
得到新的Q。
为触发信号输入端，Q为触发器输出端
成绩评定依据：
设计方案和内容
（30分）
制作与调试
（30分）
说明书内容和
规范程度
（20分）
答辩
（10分）
考勤
（10分）
总分
（100分）
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2012年7月6日
升级会员 