电工电子课程设计机器人行走电路设计大学论文.docx
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电工电子课程设计机器人行走电路设计大学论文
课程设计大纲
电工电子强化训练课程综合设计是根据教学计划和课程目标的要求，综合应用《电路原理》、《模拟电子技术基础》、《数字电子技术基础》、《电工实习》、《传感器原理及接口技术》、《电力电子交流技术》等课程知识而开设的实践性课程。
以期对电气专业学生进行电工电子类设计思想和设计方法的初步训练，使学生掌握基本电子线路的设计技能。
1、课程设计的目的
通过课程设计的实际训练，加深学生对相关课程基础知识与基本理论的理解，培养学生综合运用所学知识的应用能力，使其在理论分析、工程计算、制图标准与规范、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到初步训练，促进学生养成严谨求实的科学学风，激发学生自主创新的精神。
二、课程设计的基本内容
1、指导教师拟定题目难易适当的课程设计任务书，既保证大多数学生得到基本训练，通过查阅资料、手册、分析、计算能训练完成设计任务，又能使学习优秀的学生充分发挥创新思维，激发探索科技知识的积极性。
2、设计开始前，指导教师讲解有关设计的目的、要求及注意事项，介绍设计原则、方法和范例，整补学生在过去的学习阶段尚未涉猎的相关知识。
3、设计期间，指导老师对学生遇到的问题及时解答，并对课程设计的内容组织质疑和答辩。
4、每个学生在设计结束时要提交一份按统一格式要求书写的课程设计说明书。
说明书中要求有设计方案的选择，绘制方框图、电气原理图，阐述电路工作原理，元器件参数计算、设计电路的性能指标等。
三、设计时间1周
四、其他
1、课程设计说明书封面由教务处统一印制。
2、课程设计报告除教学管理部门要求必须用手写的内容外，一律打印上交。
3、学生课程设计成绩由指导老师通过质疑和答辩，结合课程设计过程中的学习态度、设计思想、设计成果综合评定。
摘要
现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求。
采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、恶劣的工作环境中解放出来，极大地提高劳动生产率，而且增强了人类认识世界和改造世界的能力。
国内外自动化技术的发展趋势是系统化、柔性化、集成化和智能化，而实现智能化关键是解决复杂系统的控制问题。
本设计报告就是基于555定时器的简单智能控制系统的设计，包含以下两个设计题目：
一是机器人行走电路设计。
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，并且前进和后退时间都是可调的。
二是有害气体的检测与抽排电路设计。
实现二级控制，当有害气体浓度大于泄露浓度小于超标浓度时，启动抽排系统；当浓度大于超标浓度，威胁到人身安全时，抽排系统工作，报警系统发出双音警报声和灯光间歇闪烁的光报警提示。
关键词：
自动化技术智能控制555定时器
1机器人行走电路设计
1.1设计要求
设计一个机器人行走电路，当接通电源后，机器人自动前进，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。
并且机器人前进后退的时间可调。
1.2电路总体方案设计与论证
1.2.1各模块方案比较与论证
对于计数模块，就计数方式有三种方案。
方案一：
采用反馈“预置数法”，计数器的预置数控制端的控制信号由计数器的进位产生，若为异步置数，则实现从预置数据开始计数。
方案二：
采用反馈“置零法”，将预置数设置为0，截取计数过程中的某一中间状态来控制预置数控制端，计数器从该状态返回到零而重新开始计数。
方案三：
采用反馈清零法，利用计数器的直接置零端的清零功能，截取计数过程中的某一中间状态来控制清零端,使计数器从该状态返回到零而重新开始计数,此方法可以构成任意进制计数器。
方案三较方案一和方案二应用更加广泛，所需要的计数器不需要具有预置数功能。
故采用方案三。
对于电机驱动电路，有两种方案
方案一：
通过四个三极管，使输入高电平时，电机两端电压为正，驱动电机正转，输入低电平时，电机两端电压为负，电机反转。
方案二：
利用了芯片L298控制电机，通过输入端IN1和IN2来控制电机的正反转。
方案一所需器件多，参数设置比较麻烦且容易出错。
方案二简单易操作。
故采用方案二。
1.2.2总体方案简要说明
本机器人行走电路通过555多谐振荡器产生方波脉冲信号输入二-五-十进制异步加法计数器74LS90的CP端驱动74LS90进行加法计数并且通过七段数码管显示出来，通过两个74LS90二-五-十进制计数器和相应开关及逻辑门，可以实现100以内的任意进制计数器。
当计数满一个周期时，高电平的清零信号也会给D触发器，触发器遇上升沿完成信号的翻转，再通过电机控制电路控制电机的反转。
前进与后退时间的控制可以通过滑动变阻器RV1改变555定时器的频率或者通过开关改变74LS90改变计数进制来实现。
1.2.3系统框图及总体原理图
图1.1系统框图
图1.2总体原理图
1.3电路的设计和分析
1.3.1555多谐振荡电路
图1.3555多谐振荡电路
当电路与电源接通瞬间，C2两端没有存储电荷，两端的电压为零，555定时器的2、6端输入电压为0，即出现6端输入电压小于2/3Vcc,2端的输入电压小于1/3Vcc的情况，这时输出信号为高电平，电源通过RV1、R1、C2到公共端对电容C2充电。
这种情况一直维持到C2的两端电压略超过2/3Vcc,出现6端输入电压大于2/3Vcc,2端输入电压大于1/3Vcc的情况，输出信号为低电平，电容C2经C2、R1向公共端放电。
这种情况一直维持到C2的两端电压略低于1/3Vcc。
此后又回到上述充电过程，如此周而复始，形成振荡，产生矩形脉冲波输出。
输出端输出的方波信号周期为T=0.7（RV1+2R1）C2,通过改变滑动变阻器的阻值可以改变方波信号的周期。
如上图中参数设计，则周期T≈1s。
1.3.2计数模块及计数显示电路
图1.4计数模块及显示电路
两个二-五-十进制的74LS90异步清零加法计数器和门电路配合对应开关，采用反馈清零法，可实现100以内任意进制的计数器，如上图此时开关状态，则构成15进制加法计数器，当计数满10时,U6输出由“1001”变为“0000”，其Q3端产生下降沿的信号输入到U2的CP,U2计数。
当计数满15时，两个四输入与门输出高电平，经过两输入与门输出高电平给U2和U6清零端，使之清零，从零开始重新计数。
输出的高电平也会给电机控制电路中的D触发器CP端，触发器触发翻转，电机转向也发生改变。
改变开关状态，可改变计数进制，进而改变电机前进和后退的时间。
1.3.3电机控制电路
图1.5电机控制电路
从二输入与门输出的信号控制D触发器，当计数完成一个周期时，D触发器接受到一个触发信号，使得输出触发翻转，并且输出给电机控制电路。
芯片L298接受D触发器的信号，IN1和IN2接两个相反的信号，当D触发器输出的信号翻转时，电机也随之向反方向转动。
1.4仿真结果与分析
当开关SW1~SW8拨至如图开关状态时，两片74LS90构成15进制计数器，紧接上图的下一时刻的电路状态：
可以看出，当计满一个15即一个周期时，计数器清零，数码管显示为零，对比还可以看出，D触发器输出状态翻转，L298芯片输入IN1和IN2状态翻转，电机因此开始反转。
当拨动开关SW1~SW8至下图状态时，两片74LS94构成24进制计数器，仿真结果如下：
紧接着的下一时刻电路状态：
由仿真结果可以看出，电路运行正常，实现了设计的基本要求：
机器人自动前进，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。
并且实现了通过改变计数器计数进制来控制电机前进和后退时间的功能。
而且改变计数进制的过程也较为简单，容易操作，只需将想要设置的进制位数写成BCD码，然后拨动对应开关即可。
以15进制为例，将15写成BCD码“00010101”，然后将1对应的开关拨至与74LS90输出相连接的状态，就可以实现15进制计数。
用此种方法，可以实现100以内任意进制的计数。
1.5小结
本电路以555定时器、74LS90加法计数器为核心搭建，具有以下优点：
原理简单，成本较低；通过改变计数进制可以方便地改变机器人的运动时间。
本电路是基于硬件上的控制，没有单片机控制修改方便，功能拓展有限，电路连接上也相对较为复杂。
1.6附图：
机器人行走电路原理图及PCB板
图1.6原理图
图1.7PCB板
1.7主要芯片及器件说明
1.7.1二-五-十进制计数器74LS90
74LS90引脚及真值表
ResetInputs复位输入
输出
R0
（1）
R0
（2）
R9
（1）
R9
（2）
QD
QC
QB
QA
H
H
L
X
L
L
L
L
H
H
X
L
L
L
L
L
X
X
H
H
H
L
L
H
X
L
X
L
COUNT
COUNT
COUNT
COUNT
L
X
L
X
L
X
X
L
X
L
L
X
1.7.2电机驱动芯片L298
图1.8L298引脚图
引脚
符号
功能
1
15
SENSINGA
SENSINGB
此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈
检测到的信号。
2
3
OUT1
OUT2
此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接
负载
4
VS
电机驱动电源输入端
5
7
IN1
IN2
输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A的开关
6
11
ENBLEA
ENBLEB
使能控制端，输入标准TTL逻辑电平信号；
低电平时全桥式驱动器禁止工作。
8
GND
接地端，芯片本身的散热片与8脚相通
9
VSS
逻辑控制部分的电源输入端口
10
12
IN3
IN4
输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全
桥式驱动器B的开关
13
14
OUT3
OUT4
此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载
1.8附表：
机器人行走电路所用元件
名称
规格型号
位号
数量
555定时器
NE555
555
1
计数器
74LS90
74LS90a、74LS90b
2
D触发器
74LS74
74LS74
1
数码显示管
7SEG-BCD
Dpy1、Dpy2
2
直流电机
MOTOR
motor
1
二输入与门
74LS08
L2A
1
电阻
10K
R2
1
滑动电阻器
100K
R1
1
开关
SW-SPDT
SW1~SW9
9
电容
47uF
C1
1
电容
0.01uf
C2
1
电机控制芯片
L298
L298N
1
直流源
+5V
VCC
1
四输入与门
74LS21
L1A、L1B
2
2有害气体检测与抽排电路设计
2.1设计要求
设计可以自动检测有害气体浓度的检测与抽排电路。
当浓度低于所设定的安全值时，电路不实施任何动作，这时电路处于实时监测状态；当有害气体浓度大于泄露浓度C1小于超标浓度C2时，启动抽排系统；当浓度大于超标浓度C2，威胁到人身安全时，抽排系统工作，报警系统发出双音警报声和灯光间歇闪烁的光报警提示。
2.2电路总体方案设计与论证
2.2.1各模块方案比较与论证
对于声报警电路，有三种可选方案。
方案一：
利用芯片LC179驱
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