毕业设计机器猫.doc

机器猫的设计与制作机器猫可以是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。现在市面上有着令人眼花缭乱的玩具，而电动车、电动猫等电动玩具，不仅价格便宜，而且趣味性强和能动性好，深受广大家长和儿童们的欢迎。进一步调查可以发现，简单的电池驱动玩具的价格远低于有一定的智能型的玩具，而将简单的电池驱动玩具“升级”为智能玩具的硬件成本很低，将普通的电动玩具升级成智能化玩具是极具市场价值的工作。本文选取了一种简易的电池驱动玩具机器猫并将其改装成能进行一定智能控制的玩具。实践表明改装方案可行，极大的提高了玩具的趣味性。 关键词：机器人 传感器 信号处理 电机驱动 目录1 引言2 关于机器人2.1 机器人的发展史2.2 现阶段发展状况3 机器猫的实现3.1 电路的组成和各部分的作用3.2机器猫结构框图：3.3机器猫的原理设计图3.4电路的组成.各部分的过程 PCB板3.4.1、直流稳压电源的设计3.4.2、连续脉冲发生电路3.4.3、开关电路及阶梯波形成级电路设计3.4.4、运算放大器LM324应用3.4.5 PCB制作步骤及方式4 机器猫的装配与调试5 设计中遇到的问题及解决办法6 完成本电路所具备的能力7 展望结论致谢参献文稿1 引言实际上，机器猫是自动执行工作的机器装置。机器猫的制作以及其工作原理都与所见的机器人是一样的，机器人可接受人类的指挥，可以执行先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领运动。本次介绍的机器猫也包含了这么多的优点，并能够通过光、声、磁控等的工作原理制作出完美的机器猫。2 关于机器人2.1 机器人的发展史机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。机器人可接受人类指挥，执行预先编排的程序，根据人工智能技术制定的原则纲领行动。它取代或协助人类工作的工作，例如制造业、建筑业等工作。机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。2.2 现阶段的发展状况目前在工业、医学甚至军事等领域中均有重要用途。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。” 机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小说罗萨姆的机器人万能公司中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。3 机器猫的实现3.1 电路组成和部分作用该装置主要由声控检测电路、光控检测电路、磁控检测电路、触发电路、单稳态电路、开关组成。声敏元件麦克风V1与电阻R1、R2，组成声敏取样电路，主要是将声信号转变为电信号，为单稳态电路提供触发信号。光敏三极管、干簧管可以将光信号、磁场信号转变为电信号，为单稳态电路提供触发信号3.2 机器猫结构框图：生敏传感器放大单稳功放磁敏传感器红外线接受管电机3.3 机器猫原理设计图 3.4 电路的组成.各部分的过程 PCB板设计阶梯波发生电路，通过电路产生阶梯波简易数模转换（D/A）主要由直流电源模块、连续脉冲信号发生模块、阶梯波形成级模块和阶梯波放大级模块等组成。下图为模块示意图： 阶梯波放大器电路阶梯波形成级电路脉冲发生器电路直流稳压电源开关电路3.4.1、直流稳压电源的设计直流稳压电源电路图：用三端集成稳压源7809。W7809典型稳压值输出电流典型值为（最小值），最小管压降，时的最大允许功耗。最大输入电压，内部设有热过载和过流短路保护电路，工作结温范围。存储温度范围。极性电容起到滤波的作用。本次实验中直接采用直流电池直接供电，；利用9V电池将其转化为5V的直流电压，为芯片供电。 3.4.2、连续脉冲发生电路（1）利用555定时器构成多谐振荡器充电时间:放电时间：故电路的振荡周期：振荡频率：输出脉冲占空比：占空比可调的多谐振荡器此电路的振荡频率为0.01Hz500kHz实验要求输出频率为1k500kHz只需让调节滑动变阻器可实现占空比的变化3.4.3、开关电路及阶梯波形成级电路设计开关电路由计数器电路及模拟选通开关实现其功能，通过计数器控制模拟选通开关的工作状态，来实现开关电路功能。阶梯波形成级电路由权电阻网络或倒T型网络电阻构成，通过运算放大器实现功能。（一）计数器电路设计获得N进制的计数器常用的方法有两种：一是用时钟触发器和门电路进行设计；二是用集成计数器构成。本实验中利用集成计数器实现：1.的情况在M进制计数器的顺序技术过程中，若使之跳过个状态，就可实现N进制计数器。可用两种方法实现：（1）置零法置零法适用于有异步置零输入端计数器。工作原理：当原有计数器全0状态开始计数并接收了N个计数脉冲以后，电路进入状态。如果将译码产生一个置零信号加到计数器的异步置零输入端，则计数器将立刻返回状态，这样就可以跳到个状态而得到N进制计数器。由于电路一进入状态后立即又被置成状态，所以状态仅在极短的瞬时出现，在稳定的状态循环中不包括状态。（2）置数法置数法适用于有预置数功能的计数器。置数法通过计数器重新置入某个数值来跳过个状态，从而获得N进制计数器。对于同步预置数的计数器，在其计数过程中，可将它输出的任何一个状态译码，产生一个预置数控制信号反馈至预置数控制端，在下一个CP作用后，计数器就会把预置数输入端的状态置入输入端。预置数控制信号消失后，计数器就从被置入的状态开始重新计数，即LD=0的信号应从状态译出待下一个CP信号到来时，才将置入的数据置入计数器中，稳定的状态循环中包括状态。对于异步置数的计数器，只要=0信号一出现，立即会将数据置入计数器中，而不受CP信号的控制，因此LD=0信号应从状态译出。状态只在极短的瞬间出现，稳定的状态循环不包括这个状态。置数法按具体方法可分为三种：置全零法：将初值设为全零置最大数发： 将初值设为置最小数法：将初值设为2. 用多片M进制集成计数器组合起来。一是将N分解成为分别对n个计数器利用置零法和置数法进行设计，再将这n个计数器级联起来，级联方法可分为串联型及并联型。二是先将n个计数器形成一个的计数器，在对这n个计数器进行整体置零或整体置数。（二）数/模转换电路设计数/模转换电路是将数字量转化为模拟量的装置，转换方式分为并行转换方式及串行转换方式，常用的为并行转换方式。并行转换是将转换的各位数字代码同时送到转换器相应的输入端，转换时间只取决于转换器中电流或电压建立的时间以及求和时间，所以转换速度快，用得最多。数/模转换器的输入输出可用下式表示：式中：模拟输出电压（或电流） 基准电压 输入的数字量，若D是二进制整数，可用下式表示：（1）权电阻网络D/A转换器由下图可知，权电阻网络D/A转换器实际上是一个输入信号受电子开关控制的反向比例加法器。根据比例加法器输入信号和输出信号的关系式可得：（2）倒T型电阻网络D/A转化器倒T型电阻网络只有R和2R两种组织（其中竖向电阻的阻值为2R横向电阻的阻值为R），此电路解决了权电阻电路阻值相差太大的缺点。3.4.4、运算放大器LM324应用LM324是四运算集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运放可用右图表示。五、多路模拟选通开关 CMOS多路模拟开关电路是由地址译码器和多路双向模拟开关组成，可以通过外部地址输入，经电路内部的地址译码器译码后，接通与地址码相对应的其中的一个开关。它允许从n线到1线的传送或1线到n线的信号分离，以及允许信号的并一串转换。CD4053是一组二路模拟开关。3.4.5 PCB制作步骤（1） 根据要求画出电路图。总电路图:各模块电路图电源部分及脉冲产生电路图：权电阻电路图：（2） 检查电路连接是否有错（3）建立PCB板，要求板宽40英寸，板高30英寸，导入原理图。（4）按输入到输出的顺序摆放器件。（5）对PCB板进行布线，要求特殊线路（如GND、VCC）线宽60mil。4 机器猫的组装与仿真4.1实验目的通过制作机器猫完成从仿真到安装实践的全程训练过程。完成从电路原理仿真验证，到元器件检测、焊接、安装、测试产品的全过程，达到工程实践能力的目的。4.2实验步骤实验板焊接：按焊接板所标注的位置，将元器件全部卧式焊接（参见下图）。 8mm （a）三极管 （b）电解电容 （c）二极管、电阻焊接技术要求1焊接表面必须保持清洁，可用松香作为助焊剂。2焊接时温度、时间要适当（不应超过3秒钟），加热均匀3焊点要有足够的机械强度4焊接必须可靠，保证导电性能质量好的焊点应该是：焊点光亮、平滑；焊料层均匀薄润，且与焊盘大小比例合适，结合处的轮廓隐约可见；焊料充足，成裙形散开；无裂纹、针孔、无焊剂残留物。如图所示为典型焊点的外观，其中“裙”状的高度大约是焊盘半径的1I.2倍。4.3整机装配与调试：注意：装线时应拆开机壳，避免烫伤自己及机壳。电机不可拆！连线步骤：电 动 机J1J6无需过长，适度长度即可。名 称代表字符名 称代表字符名 称代表字符电动机M麦克风（声控）S红外接收（光控）I电 源V干簧管（磁控）R电动机：打开机壳，电动机（黑色）已固定在机壳底部。电动机负极与电池负极有一根连线，改装电路，将连在电池负极的一端焊下来，改接至线路板的“电动机”（M），由电动机正端引一根线J1到印制板上的“电动机”（M）。音乐芯片连接在电池负极的那一端改接至电动机的负极，使其在猫行走的时候才发出叫声。电源：由电池负极引一根线J2到印制板上的“电源”（V）。“电源”（V）与“电机”（M）相连，不用单独再接。磁控：由印制板上的“磁控、”（R、R）引两根线J3、J4，分别搭焊在干簧管（磁敏传感器）两腿，放在猫后部，应贴紧机壳，便于控制。干簧管没有极性。红外接收管（白色）：由印制板上的“光控、”（I、I）引两根线J5、J6搭焊到红外接收管的两个管腿上，其中一条管腿套上热缩管，以免短路，导致打开开关后猫一直走个不停。红外接收管放在猫眼睛的一侧并固定住。应注意的是：红外接收管的长腿应接在“I”上。声控部分：屏蔽线两头脱线，一端分正负（中间为正，外围为负）焊到印制板上的S、S；另一端分别贴焊在麦克风（声敏传感器）的两个焊点上，但要注意极性，且麦克易损坏，焊接时间不要过长。焊接完后麦克安在猫前胸。通电前检查元器件焊接及连线是否有误，以免造成短路，烧毁电机发生危险。尤其注意在装入电池前测量“电源”（V）。“电源”间是否短路，并注意电池极性。静态工作点参考值： 代号型号静态参考电压EBCQ190140V0.5V4VQ29014D0V0.6V3.6VQ390140V0.4V0.5VQ490140V0V4.5VQ58050D0V0V4.5VIC15551：0V 2：3.8V3：0V 4：4.5V5：3V6：0V7：0V 8：4.5V组装：简单测试完成后再组装机壳，注意螺钉不宜拧得过紧，以免塑料外壳损坏。装好后，分别进行声控、光控、磁控测试，均有“走停”过程即算合格。4.4实验器件：（1）电阻R1 R10 1MR2 R3 150KR4 R5 R9 4K7R6 R7 10KR8 100（2）二极管二极管：IN4007稳压二极管（3）集成块IC555（4）三极管 Q5 S8050 Q1、Q2、Q3、Q4 S901（5）电容 电解电容： C1 C3 1F光敏三极管 C4 C5 470F C6 220F 瓷介电容（6）光敏三极管（红外接收管）由两个PN结组成，它的发射极具有光敏特性。它的集电极则与普通晶体管一样，可以获得电流增益，但基极一般没有引线。（7）干簧管（舌簧开关）干簧管传感器由一对磁性材料制造的弹性舌簧组成，密封于玻璃管中，舌簧端面互叠留有一条细间隙,触点镀有一层贵金属，使开关具有稳定的特性和延长使用寿命。当恒磁铁或线圈产生正负麦克风（8）麦克风（声敏传感器）将感应到的声音或振动转化为电信号，外围负，用屏蔽线焊接。5 设计中遇到的问题及解决办法只有通过查找资料请教老师，掌握充分的知识和足够技能，对电路的原理才能有很好地了解。焊接电路板时可能遇到的问题如：出现虚焊，跨接导线时会出现的裸露现象导致短路，只有认真细心才能积极避免这种现象的产生。在仿真时，仿真软件的选取往往与理想的状态不是很符合，要会分析与转化。在调试时可能会对于出现的现象不理解，要多请教老师与书本，才能变知识为自己所用。6 完成本电路所具备的能力通过本次设计，我们更进一步加强了自己对模拟电路和数字电路的理论知识的理解与应用，近距离接触了以前自己从未感想过的机器人原理与实现方法。更进一步提高了自己一的动手能力，其中包括：合理排版布线、“快、准、好”的焊接技术。能清楚地了解电路的工作原理，对于电路中出现的问题能及时地发现并正确地解决。7 展望本次研究将电子技术与汽车机械相结合，成功构建出一个简易机器人系统。该系统，能迅速检测黑色跟随黑色移动，具备前进、转弯等基本陆地行动功能，设想此系统在汽车失控时方才启动，同时将白色涂于人行道，黑色涂于汽车道上，即可使醉酒或汽车事故者避免对他人造成伤害。 惯