机器猫产品的设计、组装与调试学习

机器猫的设计、组装与调试1．认识机器猫产品，掌握声控、光控、磁控传感器原理，了解传感器基础知识2．掌握555定时器以及构成的单稳态触发电路的工作原理以及分析方法3．掌握利用Multisim软件完成原理图设计与仿真的方法4．掌握利用ProtelSE软件设计产品PCB板的方法5．了解电路板制作工艺、掌握电路板的安装工艺6．掌握产品整机装配与调试方法认识机器猫产品一、任务目标与要求1．知识目标：555定时器以及构成的单稳态触发电路的工作原理2．能力目标：了解机器猫产品的机、电、声、光、磁结合的特点，掌握机器猫的工作原理的分析方法。二、任务实施步骤及工艺要求1．产品简介机器猫产品如REF_Ref261762210\r\h图1-1所示，它具有机、电、声、光、磁结合的特点，当外界发出拍手声、或者用磁铁靠近猫的尾部、或者用手电筒照射猫的眼睛，机器猫均会自动行走一段距离，然后自动停下，当再次有声、光、电触发时又会重复上述过程。机器猫产品外形图机器猫电路原理图2．工作条件REF_Ref261760438\r\h图1-2所示为机器猫的电路图，它是声控、光控、磁控机电一体化电动玩具。主要工作原理：利用555构成的单稳态触发器，在三种不同的控制方法下，均给以低电平触发，促使电机转动，从而达到了机器猫停—走的目的。即：拍手即走、光照即走、磁铁靠近即走，但都只是持续一段时间后就停会下，再满足其中一条件时将继续行走。麦克风S1，接收声控信号，其中R4为麦克风提供工作电压，C1为耦合电容提供交流通路；S2为红外接收管，接收红外信号；S3为干簧管，接收磁控信号；R、LED、V为红外发射装置，发射红外信号；R1、R2、R5、Q1为交流小信号放大电路，C3为耦合电容提供交流通路；R3、R7、R10、Q2为开关电路，提供IC1的2脚输入脉冲；R6、C5为单稳电路的定时元件；C2为控制端5接地电容；C6电源滤波电容R8、Q4、Q5、M1负载输出电路，D1续流二极管保护M1；D2、C4、R9、Q3为稳态期间防止第二个脉冲进入；K1、Vcc为整机提供4.5V电源。3．555定时器介绍和构成的单稳态触发电路的工作原理（1）555定时器逻辑符号和引脚排列555定时器逻辑符号如REF_Ref261760928\r\h图1-3所示，引脚排列如REF_Ref261760831\r\h图1-4所示。555的逻辑符号555的引脚排列（2）引脚功能555定时器引脚功能如下：1脚（GND）：接地。2脚Vi2（SKIPIF1<0）（THR）：低电平触发端，简称低触发端，标志为SKIPIF1<0。3脚VO（OUT）：输出端。4脚SKIPIF1<0（RST）：复位端。5脚VM(CON)：控制电压端。6脚Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。7脚Dis：放电端。8脚Vcc：电源。4．555定时器内部电路分析（1）分压器分压器由三个等值的电阻串联而成，将电源电压VCC分为三等分，作用是为比较器提供两个参考电压UR1、UR2，若控制端5悬空或通过电容接地，则：UR1=2/3VCC，UR2=1/3VCC。若控制端5外加控制电压SKIPIF1<0，则：UR1=SKIPIF1<0，UR2=1/2SKIPIF1<0。（2）比较器比较器是由两个结构相同的集成运放C1和C2构成，C1用来比较参考电压UR1和高电平触发端电压UTH：当UTH>UR1，集成运放C1输出Uo1=0；当UTH<UR1，集成运放C1输出Uo1=1。C2用来比较参考电压UR2和低电平触发端电压SKIPIF1<0：当SKIPIF1<0>UR2，集成运放C2输出Uo2=1；当SKIPIF1<0<UR2，集成运放C2输出Uo2=0。（3）基本RS触发器当RS=01时，Q=0，SKIPIF1<0=1；当RS=10时，Q=1，SKIPIF1<0=0；当RS=00或RS=11时，保持不变。（4）开关及输出放电开关由一个晶体三极管组成，称其为放电管，其基极受基本RS触发器输出端SKIPIF1<0控制。当SKIPIF1<0=1时，放电管导通，放电端Q'通过导通的三极管为外电路提供放电的通路；当SKIPIF1<0=0，放电管截止，放电通路被截断。REF_Ref261761775\r\h图1-5为555定时器结构框图。555定时器结构框图（5）功能规律高电平触发端电压UTH，低电平触发端电压SKIPIF1<0，1、1出0；0、0出1；0、1不变。5．单时基双极型国产5G555定时器实例其功能如REF_Ref261761399\r\h表1-1所示。555定时器功能表SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0输出放电0××××××0与地导通1>2/3VCC（1）>1/3VCC（1）01010与地导通1<2/3VCC（0）>1/3VCC（1）11××保持原状态

不变保持原状态

不变1<2/3VCC（0）<1/3VCC（0）10101与地断开6．555构成的单稳态触发电路的工作原理用555定时器组成的单稳态触发器电路如REF_Ref261761759\r\h图1-6所示。其工作原理如下：（1）t0~t1稳态输入脉冲信号u1，加在置位控制输入端2号引脚上，平时为高电平。在电路接通电源后，有一个进入稳态过程，即电源通过R向电容C充电，当其上电压uC≥2/3Vcc，则6号引脚状态为1，而u1的2号引脚状态也为1，则输出为0，放电管T导通，电容上电压uC通过7号引脚放电，使6号引脚状态变为0，则输出不变，仍为0，电路处于稳定状态。（2）t1~t2暂稳态在t1时刻，输入u1为下降沿触发信号，2号引脚状态为0，而6号引脚状态仍为0，这时电路输出发生翻转为1，放电管T截止，电容开始充电，电路进入暂稳态。此后，在t2时刻，电容电压还未充到2/3Vcc，输入u1必须由0变为1，故6号、2号引脚状态在t1~t3为0、0和0、1，输出一直为1，放电管处于截止状态。（3）t3时刻恢复稳态在t3时刻电容上电压被充到≥2/3Vcc时，这时6号、2号引脚状态为1、1，使输出由1翻转为0，暂稳态结束，电路又恢复稳态。这时放电管T导通，uc立即快速放电，使6号、2号引脚状态为0、1，输出维持不变，为0态，电路处于稳态。综上所述，单稳态触发器电路平时（即触发信号未到来时，总是处于一种稳定状态。在外来触发信号的作用下，它能翻转成新的状态。但这种状态是不稳定的，只能维持一定时间，因而称之为暂稳态（简称暂态）。暂态时间结束，电路能自动回到原来状态，从而输出一个矩形脉冲，由于这种电路只有一种稳定状态，因而称之为“单稳态触发器”，简称“单稳电路”或“单稳”。单稳电路的暂态时间的长短tW，与外界触发脉冲无关，仅由电路本身的藕合元件RC决定，因此称RC为单稳电路的定时元件。SKIPIF1<0。REF_Ref261761759\r\h图1-6为单稳态触发电路及其工作波形。本电路工作波形可在软件仿真时观察。单稳态触发电路及工作波形

三、总结与提高1．请根据教学和实践，谈谈对实施本任务的体会，详细写出实践过程中出现的问题和解决方案2．元件技术资料的查询（1）上网查找驻极体麦克风、红外接收管、干簧管等传感器的技术资料，了解具体使用方法。（2）上网查找型号为LM555CM的555时基电路集成块的技术资料，分析其工作原理，了解具体使用方法。3．机器猫实际电路分析REF_Ref286130926\r\h图1-7是机器猫产品的实际电路分析其工作原理，计算延时时间。机器猫实际电路参考原理接线图4．拓展与提高（1）分析电源开关闭合时的电路状况。（2）上网查找音乐集成块的技术资料，了解具体使用方法。（3）分析REF_Ref286130926\r\h图1-7中磁敏传感器和红外接收管与声敏传感器触发方式的异同，针对可能出现的问题，提出改进意见。

任务二原理图设计与仿真一、任务目标与要求（1）知识目标：了解Multisim软件的相关知识（2）能力目标：掌握利用Multisim软件完成原理图设计与仿真的方法二、任务实施步骤及工艺要求1．原理图设计与仿真（Multisim）REF_Ref261762668\r\h图1-8为机器猫的仿真电路图，仿真过程中分别用开关K1、K2、K3、光藕合器U1模拟仿真声控、磁控和光控；灯泡代替电动机。每当按下其中一个开关时，灯泡即发光，一段时间后自动熄灭，相当于机器猫的“走—停”过程。可通过调整C5、R6各自数值的大小改变电动机工作时间的长短。EDA仿真电路图2．本电路元件清单EDA仿真电路元件清单如REF_Ref261762870\r\h表6-2所示，由于Multisim元件库里没有9014及8050型号的三极管，故用性能参数相近的2SC945和2N2222A代替做仿真。

EDA仿真电路元件清单数量描述库参考标识封装1TIMER,LM555CMU1Generic\M08A（DIP-8）2RESISTOR,150kOhm_5%R2,R3Generic\RES0.5（AXIAL0.4）3RESISTOR,4.7kOhm_5%R5,R4,R9Generic\RES0.5（AXIAL0.4）2RESISTOR,10kOhm_5%R6,R7Generic\RES0.5（AXIAL0.4）2RESISTOR,1.0MOhm_5%R1,R10Generic\RES0.5（AXIAL0.4）1RESISTOR,1.5kOhm_5%R11Generic\RES0.5（AXIAL0.4）2RESISTOR,100Ohm_5%R8,R12Generic\RES0.5（AXIAL0.4）2CAP_ELECTROLIT,1uF-POLC1,C3Generic\ELKO5R5（RB-.1/.2）1CAP_ELECTROLIT,220uF-POLC6Generic\ELKO10R5（RB-.2/.4）4BJT_NPN,2SC945Q1,Q2,Q3,Q4Generic\TO-921BJT_NPN,2N2222AQ5Generic\TO-181CAPACITOR,10nFC2Generic\CAP3（RAD0.2）4SWITCH,SPSTK2,K1,K3,K4Generic\SPST1DIODE,1N4148D2Generic\DO-35（DIODE0.4）1DIODE,1N4001GPD1Generic\DO-204AL（DIODE0.4）15V_1W,5V_1WX1Generic\LAMP1CAP_ELECTROLIT,470uF-POLC5Generic\ELKO10R5（RB-.2/.4）1CAP_ELECTROLIT,47uF-POLC4Generic\ELKO8R5（RB-.2/.4）1OPTOCOUPLER_VIRTUAL，4N25U2虚拟元件2POWER_SOURCES,GROUND0虚拟元件1DC_POWER,4.5VV虚拟元件1DC_POWER,3VV1虚拟元件注：光电耦合器4N25、电源接地等只用于仿真，括号内的封装为对应的Protel封装。用示波器观察555芯片的6脚和3脚的波形，得到如REF_Ref261762934\r\h图1-8所示的波形图。（注：此图是C5=1μF时得到的波形图，如果C5=470μF，必须通过单击“仿真”菜单下“交互式仿真设置”子菜单，在“交互式仿真设置”对话框中将最大时间步长设置为0.001~0.01秒，否则仿真时间太长）。验证了单稳态的工作原理即：电源接通，若触发输入端施加触发信号2脚电压≤1/3vcc，触发器发生翻转，电路进入暂稳态，3脚输出为高电平，且图2中T1截止。此后电源通过电阻R6向电容C5充电，当vC5上升到2/3Vcc时，触发器复位，3脚输出为低电平，T1导通，电容C放电，电路恢复至稳定状态。机器猫电路仿真波形三、总结与提高1．请根据教学和实践，谈谈对实施本任务的体会，详细写出实践过程中出现的问题和解决方案2．仿真结果分析利用“记录仪”对仿真结果进行详尽地分析，主要分析单稳态中的定时元件。SKIPIF1<0，验证REF_Ref286130926\r\h图1-7中磁敏传感器、红外接收管、声敏传感器分别触发时的波形图，分析可能对产品的影响，提出改进方案。3．拓展与提高（1）对你提出的改进方案进行仿真验证。（2）仿真电源开关闭合时的电路状况，分析结果。提出改进意见。（3）分析REF_Ref286130926\r\h图1-7计算各元件的功率和总功率，并加以测量验证，说明主要能耗在哪里？

任务三印制板设计一、任务目标与要求（1）知识目标：了解ProtelSE软件的相关知识（2）能力目标：掌握从Multisim原理图到ProtelPCB图纸的设计方法。二、任务实施步骤及工艺要求1．利用Multisim软件生成网络表在此我们只提供Protel99SE软件的具体操作步骤，如果同学有兴趣也可尝试其他印制板设计软件，如：Ultiboard2001、Orcad等。可根据具体情况给予辅导。为了向Protel99SE印制板设计软件传送数据，在绘制仿真原理图时应该注意：所有元件均应采用真实元件否则无法传送；电源／信号源类元件均为虚拟元件实际需外接，均应取用连接器作为印制板上的输入输出端子；Multisim向Protel99SE传送后应注意检查是否缺少元件；Multisim的msm文件名请采用英文；设计印制板之前电路图需做些修改，将不在印制板上的元件剔除改为J、J1、J2、J3、J4插座，其类型为Connectors，封装HDR1X2（X4）改为SIP-2（4），如REF_Ref261763304\r\h图1-10所示。设计印制板之前修改的电路图Multisim电路图中有些真实元件的封装在Protel99SE中没有或者不正确，需要预先在Multisim中修改元件的引脚顺序。首先要将Q5的封装改为TO-92B，然后再如REF_Ref261763304\r\h图1-9中所示修改原理图的五个三极管，正确的引脚对应关系如下REF_Ref261763387\r\h图1-10所示。正确的引脚对应关系图具体操作步骤：双击三极管，点击“EditFootprint”（编辑元件封装）按钮，参照REF_Ref286148617\r\h图1-11将E、B、C的FootprintPins改为E→3，B→2，C→1的引脚顺序，然后选择OK即可。二极管的封装也采用同样的方法修改为：1→A，2→K。利用Multisim7完成电路原理图的设计、绘制和仿真后单击菜单Transfer→TransfertootherPCBLayout选择ProtelPCB（*.NET）文件格式输出网络表。2．利用Protel99SE软件设计印制板创建Protel数据库，导入网络表，修改网络表，网络表的封装按照REF_Ref286149704\r\h表1-2元件清单表中的括号部分修改封装。请选择线宽不小于1mm，避让距离0.254mm。利用Place菜单中的命令在机械层定义印制板的形状（封闭曲线），要求印制板不大于82*55mm，禁止布线层相距1mm。设计印制板如REF_Ref261763559\r\h图1-12所示。机器猫印制板参考图三、总结与提高1．请根据教学和实践，谈谈对实施本任务的体会，详细写出实践过程中出现的问题和解决方案2．元件技术资料的查询（1）上网查找驻插座的技术资料，了解具体使用方法。（2）上网查找与机器猫相关的贴片元件的技术资料，了解具体使用方法。。3．以工作小组为单位设计以贴片元件为主的机器猫的印制电路板

任务四电路板制作工艺一、任务目标与要求（1）知识目标：了解印制板的制作工艺（2）能力目标：掌握印制板制作方法，完成电路板的安装。二、任务实施步骤及工艺要求1．印制板制作REF_Ref261763559\r\h图1-11为印制板参考图，可根据电路原理图自行设计印制板。印制板要求自己制作，也可以使用成品电路板。参照REF_Ref261766182\r\h图1-12所示的工作流程图，完成印制板的设计与制作。SKIPIF1<0热转印法制板工艺流程图2．电路板的安装（1）元器件检测全部元器件安装前必须进行测试，测试方法如REF_Ref261767827\r\h表1-3所示，结果填入REF_Ref261767886\r\h表1-4。（2）电路板焊接按REF_Ref261763559\r\h图1-12所示位置，将元器件全部卧式焊接，如REF_Ref286173786\r\h图1-14所示，注意二极管、三极管及电解电容的极性。元器件装配工艺图机器猫元器件检测方法

机器猫元器件检测表三、总结与提高1．请根据教学和实践，谈谈对实施本任务的体会，详细写出实践过程中出现的问题和解决方案2．请各工作小组将贴片元件为主的机器猫印制电路板汇总进行评比，选出优秀者，加工成型

任务五产品整机装配与调试一、任务目标与要求（1）知识目标：了解产品整机装配与调试的方法（2）能力目标：掌握机器猫整机装配与调试的技能。二、任务实施步骤及工艺要求1．整芯装配在连线之前，应将机壳拆开，避免烫毁及其他损伤，并保存好机壳和螺钉。注意：电动机极性如REF_Ref261769511\r\h图1-15所示，电动机不可拆！+——电动机+——电动机电动机极性图参考下列步骤进行连线：（J1~J6的长度参考材料单）机器猫元件名称、符号对照表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（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。（5）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，且麦克风易损坏，焊接时间不要过长。焊接完后麦克风安在猫前胸。2．通电前检查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。3．静态工作点测量参照REF_Ref261769614\r\h表1-6测量三极管和集成电路的静态工作点。静态工作点参考值代号型号静态参考电压（V）EBCQ190140.00.54.0Q29014D0.00.63.6Q390140.00.40.5Q490140.00.04.5Q58050D0.00.04.5IC155510.023.830.044.553.060.070.084.54．总装与调试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。相关知识链接1．传感器基础知识传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的机械电子装置；简单地讲传感器就是将外界被测信号转换为电信号的电子装置。一般地，它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的原理。③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。2．传感器命名与代号（1）传感器的命名由主题词加四级修饰语构成。I. 主题词——传感器；II. 第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语；III. 第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字；IV. 第三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字；V. 第四级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。各级修饰语举例可参见REF_Ref286176816\r\h表1-7所示的各级修饰语举例一览表。例：题目中的用法：在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合，应采用上述之顺序：如：传感器，位移，应变[计]式，100mm。正文中的用法：在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序。如：10mm应变式位移传感器。典型传感器命名构成及各级修饰语举例一览表（2）传感器的代号依次为主称（传感器）被测量—转换原理—序号I. 主称——传感器，代号C；II. 被测量—用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录REF_Ref286177079\r\h表1-8：常用被测量代码表；III. 转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录REF_Ref286177632\r\h表1-9：常用转换原理代码表；序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。例：应变式位移传感器：CWY-YB-20；光纤压力传感器：CY-GQ-2。传感器是获取被测量信息的元件，其质量和性能的好坏直接影响到测量结果的可靠性和准确度，衡量其质量的特性有许多，主要包括静态和动态两个方面。当被测量不随时间变化或变化很慢时，可以认为输入量和输出量都和时间无关。表示它们之间关系的是一个不含时间变量的代数方程，在这种关系的基础上确定的性能参数为静态特性；当被测量随时间变化很快时，就必须考虑输入量和输出量之间的动态关系。这时，表示它们之间关系的是一个含有时间变量的微分方程，与被测量相对应的输出响应特性称为动态特性。这里主要介绍几个常用的静态特性。3．传感器的灵敏度与分辨率（1）灵敏度灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。可表示为SKIPIF1<0 （1-1)它是输入与输出特性曲线的斜率。如果系统的输出和输入之间有线性关系，则灵敏度是一个常数。否则，它将随输入量的大小而变化。如REF_Ref261790912\r\h图1-16所示。一般希望灵敏度s在整个测量范围内保持为常数。这样，可得均匀刻度的标尺，使读数方便，也便于分析和处理测量结果。由于输入和输出的变化量一般都有不同的量纲，所以灵敏度s也是有量纲的。如输入量为温度（C），输出量为标尺上的位移（格），则s的量纲为格/C。如果输入量和输出量是同类量，则此时s可理解为放大倍数。因此，灵敏度比放大倍数有更广泛的含义。如果检测系统由于多个环节组成，各环节的灵敏度分别为s1、s2、s3，而且各环节以REF_Ref261790936\r\h图1-17所示的那样串联的方式相连接，则整个系统的灵敏度可用下式表示s=s1s2s3 （1-2）被测量代号举例转换原理代号举例SKIPIF1<0检测系统灵敏度SKIPIF1<0串联系统示意图提高灵敏度，可得到较高测量精度，但应当注意，灵敏度越高，测量