自循迹小车电子综合实训报告.docx

南京工程学院自循迹小车电子综合实训报告学 院：自 动 化 学 院专业班级：数控卓越141班学生姓名： 裴 希 学 号： 203140722 指导教师：陈国军、张津杨完成时间： 2015.12.15 1、 实习目的1. 能熟悉的使用Altium Designer软件画出实验原理图以及PCB图；2. 能使用Proteus软件实现电路的仿真，并且找出仿真失败的原因；3. 加深对数字电路以及模拟电路的理解，更好的掌握学过的理论知识；4. 通过实习，培养自独立解决问题实际问题的能力；5. 掌握电子电路的一般设计方法，为以后的工作打下基础；6. 能够进行良好的团队合作，培养团队协作和沟通能力；7. 掌握循迹小车的设计方法；8. 掌握基本的焊接电路的方法。2、 基本功能小车可以在检测到黑线的情况下自动绕着黑线走，在三个传感器同时检测到黑线时停止。电 源系统概述为以下所示：占空比控制驱动传 感 器 秒脉冲 计 数 器3、 设计的具体实现（1） 单元电路设计(仿真)分析(1).电源电路 原理图如下所示 a.该电路使用到7805芯片，7805芯片的功能为稳定输出电压，使输出不发生明显的波动，以至于影响到他的输出端的稳定，经常用于电子制作方面。由于电子电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。 b.而在7805的两侧分别用了两个电容这两个电容是用来抵抗外界的干扰和电源内部产生的干扰。 c.此外为了防止电机转动带来的干扰，我们使用两个7805稳压电源电路，一个给电机以激励，另外的一个电源电路用来给电机以外的电路板块激励。 e.而两个电源之间也不能让其互相产生干扰，所以需要在两个7805输出之间加一个电感用来隔离两个输出端产生的干扰，让电路的输出更加的稳定。(2) .传感电路 a.RPR220功能简介 传感电路中我们使用的传感器为RPR220，RPR220为光电传感器，从内部结构图可以看出，光电传感器就是由左边的红外发射二极管和右这的红外接收管练成，说白了就是把红外收发管封装在一起而已。在检测到光线时三极管导通，未检测到光线时，三极管截止。 b.LM339功能简介 在本电路中还需要使用另一个芯片为LM339，该芯片为类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。电路原理图如下所示： 1、2端的红外二极管发出红外光，经白纸（黑色会吸收光线，无反射）反射回来给34端的红外接收管接收，当接收到红外线，则34导通，常用电路如下：1）当检测到黑线时，此时也就是红外接收管没有接收到反射回来的红外光，34的红外接收三极管截止，则在RPR220的3管脚输出一个电压。若检测到的是白线则3脚没有电压输出。2）LM339是一个四电压比较器，一个芯片有四个比较器，因为我们不可能只用一个光电传感器去寻迹，至少要三个光电器件，所以用339比较器可以降低成本和电路的复杂度。比较器的5脚是一个基准电压，建议用可变电阻器W1调到2.5V，再与4脚的电压（既是RPR220的3脚输出的电压）比较。3）整个电路的工作过程若检测到黑线，刚RPR220的3脚输出一个电压与基准电压比较，若RPR220的3脚的电压比基准电压大，则LM339的2脚就输出一个低电平。相反检测不到黑线，则LM339的2脚就输出一个高电平。这样控制电路的74LS138就可以“看”到黑线了。根据计算，要提高光电传感器的灵敏度（主要是光电传感器离黑线的距离），光电传感器的接收管的电流不能太大，本人建议R230K为好。(3) .控制以及电机占空比电路在控制电路中，小车将传感器检测到的信号传输到74LS138三线到八线译码器，然后通过一系列的与非门再与占空比输出信号相与传输到驱动电路即可完成控制，在叙述该电路之前我们需要先了解一74LS138芯片，以及555芯片的基本知识。a.74LS138（3-8译码器） 当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2)和(/E3)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如：A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。 利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。第 17 页 共 13页左图即为74LS138功能表b.555定时器功能简介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 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，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 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为低电平。左图即为555定时器的功能表占空比电路原理图如图所示：输出高电平时间： T=(R1+R2)Cln2输出低电平时： T=R2Cln2振荡周期 ： T=(R1+2R2)Cln2输出方波的占空比为：控制及占空比电路原理图如下图所示： 电路分析： 由事先设计好的真值表我们可以接好138芯片的引脚，真值表如图所示：输入输出左传感器中传感器右传感器左电机右电机左右左右00010100011001010101001110011000110101011011001101110000 当传感器检测到黑线时输出为高电平“1”，当传感器检查到非黑线时输出为低电平“0”。(4).驱动电路 在驱动电路模块，我们结合模电知识，在查手册和计算中算出各个参数的适合值。首先我们先介绍一下各个器件的功能和使用方法。a. 三极管8050和8550 首先先介绍一下三极管的管脚的区分方法： 判定基极：用万用表R100或R1k挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电极 均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b。黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值 都较小，则可判定被测管子为PNP型三极管；如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为NPN型管如 8050。 判定三极管集电极c和发射极e：以PNP型三极管为例，将万用表置于R100或R1K挡，红表笔基极b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的 两个电阻值会是一个大一些，一个小一些。在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。 由测量得知8050为NPN，8550为PNP，三极管的放大条件为发射极正偏集电极反偏，其他三极管具体知识在模拟电子技术都已学过，在此不再重复赘述。驱动电路单个驱动原理图如下图所示： 电路分析：此电路为H桥结构，当左侧Q4导通，右侧Q3截止时，电流由Q2经过电机流向Q5从而使电机正转，反之当左侧Q4截止，右侧Q3导通时，电流由Q1经过电机流向Q6从而使电机反转，所以在当控制模块的控制信号过来就可以使电机正转反转，从而达到使小车可以循迹。 而四个反向接在三极管集电极和发射极的二极管的作用是保护三级管不被击穿，因为当电机转动时，里面的绕组相当于电感，在断电之后依旧会向外放电，一瞬间产生的电流很可能会击穿三级管，此时反接的的二极管则起到引流的作用，将电机产生的电流引走从而保护了三级管。加在电机两端的电容的作用则为减小电机转动时产生的干扰信号。（5） .计数显示电路在本电路中需要使用到的芯片有74LS160、74LS47、NE555以及共阳极数码管。下面对这几个芯片进行简单的功能介绍。a.74LS160（8421BCD）编码器 异步清零端/MR1 为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零功能。160的预置是同步的。当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0-Q3与数据输入端P0-P3一致。对于74160，当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数器控制端CEP、CET为高电平，则/PE应避免由低至高电平的跳变，而74LS160无此种限制。 160的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。（功能如图所示）b. 74LS47芯片 该芯片为驱动数码管显示的芯片，下面为其功能表： 由其功能表可以看出该芯片输出为低电平有效，所以我们选择的时共阳极的数码管。 需要注意的是，在74LS47与共阳极数码管相连接时需要加限流电阻来保护数码管，以免数码管烧坏。c.共阳极数码管共阳极数码管是指八段数码管的八段发光二极管的阳极(正极)都连在一起，阳极对应的各段分别控制，如右图所示：计数显示电路原理图如下图所示：电路分析：74LS160的两个CP端全部接入由秒脉冲产生的脉冲信号，个位的进位端接到十位的使能端使其进位，由60的8421BCD码可以知道当十位的Q1、Q2同时为一时我们应当使之置零。所以Q1、Q2接与非门到十位的MR端使之清零。此外，控制电路在检测到三条黑线时Y7的输出信号接到个位的使能端可以使计数器保持。（2） 分开调试 (1).检测电路是否和预期的功能相符合； (2).若电路存在问题检测方法： a.检测电路是否虚焊，将万用表扭到蜂鸣档，用黑红表笔依次在焊接处点 测，检测蜂鸣器是否响起，若响起则说明电路没有虚焊。 b.检测芯片是否接高电平和地，如果没有接则电路自然会出现问题。检测方法，使用示波器的measure功能，测电压峰峰值，将表笔接地端接地，测量端点在待测端，观察示波器示数。 c.按照proteus仿真图仿真过程出现的电平变化，依次在示波器上测试，是否与仿真过程一致。（3） 组装调试将分块调试成功的五个电路模块，按照设计连接在一起，并且在直流电源箱，在实地上进行循迹。遇到具体的问题具体分析。一般前面分块没有问题的电路，在组装之后只会遇到速度太快，传感器检测到的信号传输速度较为缓慢，此时可以调整占空比调节转速和传感器的三极管集电极电阻调节传感器的敏感程度。4、 实习感悟通过实习，我们小组完成了循迹小车，在制作的过程中我们学会如何进行团队合作和交流沟通，不能一个人单打独斗，要一起研究问题。另外，通过实习，我们将学到的数电模电知