武汉理工大学机器人行走设计报告

1、课程设计报告书 学院 ：自动化学院 专业 ：自动化 指导教师 ：龚跃玲 班级 ：自动化1105班 学号 ：0121111360529 姓名 ：邹唯 2013年7月2日课程设计任务书学生姓名： 邹唯 专业班级： 自动化1105 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、后退的时间周期可调（实现分、秒可调）。 4)对设计电路进行仿真。 5)机器人在一个

2、周期内可随时停步，然后可前进或后退（加分项）。 6)其他增加功能（加分项）。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)

3、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17日7月2日），安排如下： 16月17日上午，指导教师讲授课程设计的有关基本知识等。26月17日下午6月25日学生查阅资料，完成初步设

4、计。36月25日6月26日检查设计进度，答疑、质疑。46月27日6月30日完善设计，形成设计说明书电子文档。47月1日7月2日课程设计打印、装订、提交。指导老师签名： 2013 年 6 月 14 日 系主任（或负责教师）签名： 2013 年 月 日目 录摘要1机器人行走设计方案 1 1.1设计思路 11.2电路原理系统框图 11.3 完整原理图 22设计原理分析 42.1多谐振荡电路分析（周期可调） 42.2直流电动机正反转驱动电路 52.3 NE555定时器组成的多谐振荡电路 72.4 74LS90与74LS48及7段译码显示管组成的显示电路 72.4.1 显示电路的原理图及其原理 72.4

5、.2 显示电路在电机自动翻转或手动翻转转动时显示原理 83 所用芯片及其他器件说明93.1 NE555 93.2 74LS76 103.3 74LS90 113.4附加功能 123.5 机器人设计元器件清单 124 方案比较 13 4.1 方案一 134.2 方案二 134.3 方案三 134.4方案比较及最终方案的确定 145电路仿真14 设计小结和心得体会 15致谢 15参考文献 15 摘要意义：了解机器人技术的基本知识，将所学的电子技术知识如电路原理数字电子技术模拟电子技术等运用到设计中来。把理论与实际相结合，能够更好的掌握各种芯片的应用，同时提高自己的思维能力。我通过结合电子技术基础知

6、识设计电路，提高自己的运用，思考能力，并且能够独立的思考并实验自己的想法，挖掘我们的潜能和创新意识。 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、后退的时间周期可调（实现分、秒可调）。4)对设计电路进行仿真。 5)机器人在一个周期内可随时停步，然后可前进或后退（加分项）。6)其他增加功能（加分项）。题目: 机器人行走电路设计1机器人行走设计方案1.1设计思路 通过分析可知，要实现机器人的行走需要

7、有驱动电路（驱动机器人行走），同时还要有直流电动机正反转电路来控制机器人前进与后退，同时还要有一个时钟显示电路来显示机器人的前进和后退的时间长短。 其中驱动电路是由信号发生器（NE555构成的多谐振荡电路）和74HC161组成的。NE555芯片构成的多谐振荡电路产生周期可调的方波信号，74HC161的作用则是将方波的周期扩大到原来的十倍再传递给JK触发器，触发器翻转则电压变化，使直流电机正反转电路工作。而直流电机正反转电路则是由驱动信号驱动三极管构成的开关电路，通过三极管的导通与截止来控制直流电动机的正反转，从而实现机器人的前进后退。显示电路则是由一个固定周期的NE555构成的振荡电路和74L

8、S90及74LS48和七段译码显示管组成的。它分成正转显示电路和反转显示电路。当电机在正反转之间互换时，电机两端的电压发生变化，从而使一个显示电路清零，另一个则开始计时。 1.2电路原理系统框图555构成的周期可调的多谐振荡电路74161加计数器构成的十进制计数器十倍放大555的周期产生触发信号触发JK触发器 计数器计数满 JK触发器在触发信号的作用下输出发生高低电平跳变 1触发器发出信号驱动电机两端压差发生正负跳变，电机正反转，机器人前进后退 74LS48控制7段共阴极数码管显示电路显示电机两端压差发生正负跳变，使一组74LS90清零，另一组开始计数 图1：原理结构框图1.3 完整原理图分析

9、：555构成的多谢指点产生方波信号接到74161时钟端触发74161加计数器计数，一旦计数到十即清零，并通过7403与非门产生下降沿信号驱动JK触发器使JK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，实现机器人的前进后退。而另一个不可调的555构成的振荡电路则是为了产生周期为1秒的方波，使74LS90能加计数并通过74LS48译码器连到7段译码显示管上显示出来。而使2组显示电路工作的信号则由电机两端电压变化提供，使一组清零不工作，一组计数，显示时间 整体原理图如下：（如图2） 2 图2 32设计原理分析2.

10、1多谐振荡电路分析（周期可调）原理图（如下图3） 图3通过调节RV1改变多谐振荡电路输出方波的周期T=ln2*(R1+2RV1)*C2(RV1是接入电路的部分)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，触发器被复位，同时发电BJT 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，触发器又被置位，VO翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为： tPL=RV1Cln2 可近似看成tPL=0.7RV1C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） 4VCC上升到（2/3）VCC所需的时间为

11、： tPH=(R1+RV1)Cln2 可近似看成tPH=0.7(R1+RV1)C而当VC上升到（2/3）VCC时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为： f=1/( tPL +tPH) 可近似看成f=1.43/(R1+RV1)C （1-1）而74LS161的作用是每接受到10个下降沿（即10个周期）就清零一次，通过与非门形成一个下降沿信号传递给JK触发器，使之翻转。综上所述，JK触发器所接收的方波周期是555的10倍。 由于参数设定 R1=1K,RV1=125K,代入（1-1），T1=1/f =(R1+RV1)C/1.43 =0.85 s 若555方波直接触发JK触发器则

12、时间太短不合理，而运用了161来延长周期。 T2=10T1 =8.5s则机器人自动前进后退的时间在9s左右，调节滑动变阻器，可以合理的控制机器人行走的时间。2.2直流电动机正反转驱动电路原理图（截图如下图图4） 5 图4 当JK触发器被触发后，触发器会翻转，即由高变低或由低变高，而JK触发器右端的单刀双掷开关则起着手动调节R3下端电压的作用，只要开关由Q掷向Q非或由Q非掷向Q电平都会翻转。当R3下端点输入为高电平时，Q1,Q4导通，Q2,Q3截止，A点为底电平，B点为高电平，通过仿真U(AB)=-4.93v,直流电机反转，小车后退。当R3下端点输入为低电平时，Q1,Q4截止，Q2,Q3导通，A

13、点为高电平，B点为低电平，通过仿真U(AB)=4.95v，直流电机正转，小车前进。 62.3 NE555定时器组成的多谐振荡电路原理图如下（图5） 图5该多谐振荡电路原理与前面一个大致相同，不同点在于该方波是用于计时的，所以周期固定为一秒，因此要固定R6R7的阻值，令T=1s,C4=4.7uF，T=(R1+R2)C/1.43代入式子并令R7=150K可以计算出R6=4K 此时该方波周期为1s，频率为1Hz2.4 74LS90与74LS48及7段译码显示管组成的显示电路2.4.1 显示电路的原理图及其原理原理图如下（图6）（正转反转的连接线路一样，故仅拷贝一个线路）低位74LS90每接收10个周

14、期的下降沿信号就会向高位74LS90进位并同时清零，而高位74LS90到达9要进10时会自动清零。而且只要把芯片的RO(1)RO(2)接高电平，那么两块芯片将同时清零。 7图62.4.2 显示电路在电机自动翻转或手动翻转转动时显示原理 图7 清零信号的产生与选择 8图中所圈注的点是电机两端的点，当该点电平高时，经非门后变成低电平（连接LS90的清零端RO(1)RO(2)，从而使74LS90开始计数。而当该点为低电平时，经非门变成高电平，使计数器清零。而无论电机正转或反转，电机两端电压总是一高一低的，所以两组显示电路总是一组工作一组清零的，这样即使骤停或突然反转计时器也能马上反应过来开始计数或清

15、零 3 所用芯片及其他器件说明3.1 NE555 图8 555定时器引脚图 图9 555定时器电路图及波形图555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，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

16、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。 9 图10 555定时器功能表3.2 74LS7674LS76是有预置和清零功能的双JK触发器，引脚如图2所示，有16个引脚。功能表见表2，74LS76是下降 沿触发的。当RD0，SD1时不论CP，J，K如何变化，触发器的输出为零，即触发器为“0”态。由于清零与CP脉冲无关，所以称为异 步清零。当RD1，SD0时不论CP，J，K如何变化，触发器可实现异步置数，即触发器处于“1”态。当RD1，SD1时 图11 74LS76引脚图 只有在CP脉

17、冲下降沿到来时，根据J，端的取值决定触发器的状态，如无CP脉冲下降沿到来，无论有无 输人数据信号，触发器保持原状态不变。 图12 74LS76 功能表 103.3 74LS90 图13 74LS90引脚图 图14 74LS90功能表 本计数器是由4 个主从触发器和用作除2 计数器及计数周期长度为除5 的3 位2 进制计数器所用的附加选通所组成。有选通的零复位和置9 输入。为了利用本计数器的最大计数长度（十进制），可将B 输入同QA输出连接，输入计数脉冲可加到输入A 上，此时输出就如相应的功能表上所要求的那样。LS90 可以获得对称的十分频计数，办法是将QD 输出接到A 输入端，并把输入计数脉冲

18、加到B 输入端，在QA 输出端处产生对称的十分频方波 图16 74LS90工作特性表 11 3.4附加功能机器人在任意时刻都可以随时暂停前进或后退，同时显示管显示前进后退的时间。一个周期内可以随时停止。3.5 机器人设计元器件清单名称规格型号 位号 数量电阻250KRV11个1KR11个0.5KR2 R3 R4 R54个4KR61个150KR71个信号发生器NE555U1 U42个计数器74HC161U141个74LS90U5 U6 U7 U84个三极管2N2905Q1 Q2 2个2N2219Q3 Q42个二极管IN4001D1 D2 2个电平开关DIPSWC-4SW11个电池BATTERRY

19、B1 B22个译码管74LS48U9 U10 U11 U124个JK触发器76LS76U21个非门74LS04U3 U13 U173个电容10nFC11个电容10uFC21个电容0.047uFC31个电容4.7uFC41个电感1mHL11个 图17 元件清单4 方案比较 4.1 方案一 方案一利用的是两片74LS123作为信号发生器,方波给予JK触发器触发,使它接受下降沿的信号从而翻转,通过触发器上的开关可以手动控制电机的正反转.当触发器输出高电平则直流电机反转,当输出低电平则正转.图中另一个555芯片则是用于产生固定频率的方波信号以用于给计数器信号从而加计数.,显示前进后退的时间, 直流电机

20、驱动电路与其控制信号之间接了一个由继电器和一个晶闸管组成的保护电路系统 4.2 方案二 用可调占空比的555多谐振荡器为直流电机的输入控制信号，通过调节占空比，从而调节电机正反转的时间；直流电动机的控制部分为一个直流电动机和电机专用驱动芯片L298，通过L298可方便的控制电机的正反转和制停；显示电路为100进制的数字钟，数字钟的脉冲输入信号与555多谐振荡器输出信号相与即可实时记录电机正反转的时间。直流电动机的控制信号输入端有三个开关，加上L298芯片的使能端及电源总开关，可使电动机在某一个周期内实现正反转，循环往复且周期可变，还可以在周期的任一时间内制停，然后让电动机正转或反转 4.3 方

21、案三 用可调频率的555多谐振荡器为直流电机的输入信号，通过调节滑动变阻器从而调节电机正反转的时间。555输出的方波信号将HC161计数，每记下10次下降沿则清零一次，并产生一个脉冲信号给JK触发器使他翻转，每来一次脉冲信号，JK触发器的Q端电平就翻转一次，而该点电平的高低变化差分放大电路上D1 D2的阳极上的电平高低，从而影响了电机两端的电压差，则控制了电机自动随555信号翻转从而正转或反转。我又将电机两端点的电平分别与正转显示电路、反转显示电路相连，中间接上非门，那么，一旦电机正转，电机电平高的一端则通过非门后变成低电平输入计数器的清零端，由于LS90是RO（1）RO(2)低电平计数，高电

22、平清零，所以正转显示电路开始计数。同时，由于电机电平低的一端通过非门后变成高电平输入清零端，使反转显示电路清零，不计数。而当电机暂停工作不行走的时候，电机两端电平全为低电平，通过非门后全为高电平，所以两组显示电路都显示清零不计数13 4.4方案比较及最终方案的确定 1）功能上，方案二、三较另一个个方案相比，能够实现电动机自动循环运转。 2）电路器件及布局上，方案一元器件数量及种类用得较多，方案三在元器件种类上较方案三节省些，方案二所用的元器件数量及种类上都有所减少，且保证了电路要实现的功能。三个方案中，方案二的电路布局也较简单。 3）方案一与方案三的互补对称差动放大电路，其抗干扰能力比方案二的

23、L298芯片强，并且也能在一定程度上放大电流。 综上比较结果得出，虽然方案二的直流电机控制电路较其他两个方案在抗干扰能力方面逊色，但从整体出发考虑，选择方案一为本次设计的最终方案。5 电路仿真 仿真步骤：第一步，先对两个555多谐振荡器进行信号检测，用示波器观察输出信号是否为矩形波；第二步，在555正常工作的基础上，不将电机两端的电压连上清零端而是将清零端直接接地，检查数字钟是否正常计数；第三步，检查电动机驱动电路是否正常工作，将U1的脉冲信号接到HC161的CP端，观察电动机正反转的情况；第四步，将电机两端点连上非门后再分别连上LS90的清零端使时钟显示电路能够随着电机的正反转而分别计时；第

24、五步，对整个电路进行仿真，其仿真结果如下图 图18仿真结果：机器人行走周期由8秒到35秒之间可调仿真中出现的问题：1) 将元器件都连接好后，却完全不能运行，查阅资料后发现，仿真软件库中虽然有74LS290,但却不能进行仿真因此将74LS290改为74LS902) 当突然手动将开关拨动后，电流瞬间太大，运行失败，加上电感后正常运行 14设计小结和心得体会 为期一周的课程设计学习，让我及我们小组的成员都深感受益匪浅。此次课程设计是基本依赖于我们自学，和创造性设计的过程，在设计过程中我们学到了，很多课堂上没有接触到的东西，并且在创造性学习设计的过程中也进一步的巩固加深了课堂知识的理解与应用。本次课程设计我们的选题是机器人的行走设计。对于一直以来都是同学们很感兴趣的这样一个课题我们有很大的兴趣，所以我们投入了大量的时间和精力去完成这个设计。我们小组因为之前基本上没有接触过相关的培训和学习，所以在设计过程中阻力是很大的，全部都是要依赖于我们自学和创造性设计，联系课本的知识发现很难去完成此次设计。在设计过程 中经历了一段迷茫期，不知道从何处下手去做，而这些很多课堂上没有接触到的东西 通过此次课程设计学习，让我对一些电子电工设计软件也有了很大的提高，例如Proteus在此次设计中帮到很大忙。通过它我们可以进行设计仿真，检验设计