小型智能控制系統(tǒng)設(shè)計-- 張恒new

1、 武漢理工大學(xué)電工電子課程設(shè)計說明書 電工電子課程設(shè)計大綱電工電子課程綜合設(shè)計是根據(jù)教學(xué)計劃和課程教學(xué)目標(biāo)的要求，綜合應(yīng)用電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電工實(shí)習(xí)、傳感器原理及接口技術(shù)、電力電子變流技術(shù)等課程知識而開設(shè)的實(shí)踐性課程。以期對自動化專業(yè)學(xué)生進(jìn)行電工電子類設(shè)計思想和設(shè)計方法的初步訓(xùn)練，使學(xué)生掌握基本電子線路的設(shè)計技能。一、 課程設(shè)計的目的通過課程設(shè)計的實(shí)際訓(xùn)練，加深學(xué)生對相關(guān)課程基礎(chǔ)知識與基本理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識的應(yīng)用能力，使其在理論分析、工程計算、制圖標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、查閱設(shè)計手冊與資料以及計算機(jī)應(yīng)用能力等方面得到初步訓(xùn)練，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)學(xué)風(fēng)，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)

2、新的精神。二、 課程設(shè)計的基本內(nèi)容1、 指導(dǎo)教師擬定題目難易適當(dāng)?shù)恼n程設(shè)計任務(wù)書，既保證大多數(shù)學(xué)生得到基本訓(xùn)練，通過查閱資料、手冊、分析、計算能順利完成設(shè)計任務(wù)，又能使學(xué)習(xí)優(yōu)秀的學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)新思維，激發(fā)探索科技知識的積極性。2、 設(shè)計開始前，指導(dǎo)教師講解有關(guān)設(shè)計的目的、要求及注意事項，介紹設(shè)計原則、方法和范例，增補(bǔ)學(xué)生在過去的學(xué)習(xí)階段尚未涉獵的相關(guān)知識。3、 設(shè)計期間，指導(dǎo)教師對學(xué)生遇到的問題及時解答，并對課程設(shè)計的內(nèi)容組織質(zhì)疑和答辯。4、 每個學(xué)生在設(shè)計結(jié)束時要提交一份按統(tǒng)一格式要求書寫的課程設(shè)計說明書。說明書中要求有設(shè)計方案選擇，繪制方框圖、電原理圖，闡述電路工作原理，元器件參數(shù)計算、設(shè)

3、計電路的性能指標(biāo)等。三、 設(shè)計時間 2周四、 其他1、 課程設(shè)計說明書封面由教務(wù)處統(tǒng)一印制。2、 課程設(shè)計報告除教學(xué)管理部門要求必須用手寫的內(nèi)容外，一律打印上交。3、 學(xué)生課程設(shè)計成績由指導(dǎo)教師通過質(zhì)疑和答辯，結(jié)合設(shè)計過程中的學(xué)習(xí)態(tài)度、設(shè)計思想、設(shè)計成果綜合評定。課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：張恒 專業(yè)班級：自動化0802 指導(dǎo)教師：田宇 學(xué) 院：自動化學(xué)院題 目: 小型智能控制系統(tǒng)設(shè)計 1有害氣體檢測與抽排電路設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個能自動檢測有害氣體濃度，且當(dāng)有害氣體濃度超標(biāo)時，能自動發(fā)出聲光報警，能自動抽排有害氣體的控制電路。要求：當(dāng)檢測到有害氣體意外排放超標(biāo)時，發(fā)出警笛報警聲和燈光間歇閃爍的光報警

4、提示，同時自行啟動抽排系統(tǒng)，以保障人們的生命財產(chǎn)安全。抽排完畢后，系統(tǒng)自動回到實(shí)時檢測狀態(tài)。2機(jī)器人行走電路設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個能前進(jìn)、后退的機(jī)器人行走控制電路。要求：1、接通電源，機(jī)器人前進(jìn)，行走一段時間后，機(jī)器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復(fù)始。 2、機(jī)器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源。 3、機(jī)器人前進(jìn)、后退時間可調(diào)。初始條件： 1. 實(shí)驗室提供萬用表、信號發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源、示波器等設(shè)備。2. 學(xué)生已學(xué)習(xí)了大學(xué)基礎(chǔ)課程和電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子變流技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程。3. 學(xué)生已參加過電工電子實(shí)習(xí)，掌握了用PROTEL繪制電路圖的方法。4. 主要參

5、考文獻(xiàn)1) 新編電子電路大全 第1、2、3、4卷 中國計量出版社 組編2) 傳感器及其應(yīng)用電路 何希才編 電子工業(yè)出版社3) 電力電子變流技術(shù) 黃俊 王兆安編 機(jī)械工業(yè)出版社4) 集成電路速查手冊 王新賢 主編 山東科學(xué)技術(shù)出版社5) 集成電路速查大全 尹雪飛 陳克安編 西安電子科技大學(xué)出版社6) 國內(nèi)外晶體管對照手冊 各種版本皆可。要求完成的主要任務(wù)：1、 課程設(shè)計結(jié)束時每個學(xué)生要提交一份按統(tǒng)一格式要求撰寫的課程設(shè)計報告，并裝訂成冊。2、 課程設(shè)計報告中要求有方案比較論證、繪制方框圖、電原理圖，闡述電路工作原理、每個元器件的主要參數(shù)、設(shè)計電路的性能指標(biāo)、設(shè)計心得體會等。3、 說明書中除個人簽

6、名外，其它文字、符號、圖形或表格一律用計算機(jī)打印。4、 文字、符號、圖形等必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)。5、 獨(dú)立完成設(shè)計任務(wù)，杜絕相互抄襲現(xiàn)象發(fā)生，避免剽竊。時間安排：二周（6月28日7月9日）。6月28日上午，指導(dǎo)教師講授課程設(shè)計的有關(guān)基本知識等；6月28日下午6月29日下午學(xué)生查閱資料、準(zhǔn)備“80選2”問題解答；6月30日上午7月4日下午學(xué)生初步設(shè)計；7月5日上午7月5日下午檢查設(shè)計進(jìn)度，答疑、質(zhì)疑；7月6日上午7月8日下午學(xué)生完善設(shè)計，形成報告電子文檔；7月9日課程設(shè)計報告打印、裝訂、提交。指導(dǎo)老師簽名： 2010 年6 月 28 日 系主任（或負(fù)責(zé)教師）簽名： 2010年 月 日目錄前言11有害

7、氣體檢測報警及抽排電路設(shè)計21.1意義與要求21.1.1意義21.1.2設(shè)計要求21.2設(shè)計總體方案21.2.1 方案論證與比較21.2.1.1電源供電部分21.2.1.2 氣敏傳感部分31.2.1.3聲光報警部分31.2.1.4氣體抽排部分31.2.2 設(shè)計思路41.3設(shè)計原理41.3.1設(shè)計原理圖51.3.2各部分電路原理61.3.2.1整流穩(wěn)壓電路61.3.2.2有害氣體檢測電路71.3.2.3抽排氣體電路81.3.2.4報警裝置電路91.4 電路元件參數(shù)121.5電路仿真131.6 總體設(shè)計方框圖142 機(jī)器人行走電路設(shè)計142.1.意義與要求152.1.1意義152.1.2.設(shè)計要求

8、152.2 設(shè)計總體方案152.2.1設(shè)計方案比較論證152.2.2 設(shè)計思路162.3.設(shè)計原理圖162.4 各部分電路原理172.4.1多諧振蕩器172.4.2計時器電路182.4.3 D觸發(fā)器192.4.4電動機(jī)裝置電路202.5電路工作流程212.6電路元件參數(shù)222.7電路仿真232.8設(shè)計方框圖24 3 設(shè)計體會和小結(jié)25 參考文獻(xiàn)26IV 武漢理工大學(xué)電工電子課程設(shè)計說明書 前言1有害氣體檢測與抽排電路設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個能自動檢測有害氣體濃度，且當(dāng)有害氣體濃度超標(biāo)時，能自動發(fā)出聲光報警，能自動抽排有害氣體的控制電路。要求：當(dāng)檢測到有害氣體意外排放超標(biāo)時，發(fā)出警笛報警聲和燈光間歇閃

9、爍的光報警提示，同時自行啟動抽排系統(tǒng)，以保障人們的生命財產(chǎn)安全。抽排完畢后，系統(tǒng)自動回到實(shí)時檢測狀態(tài)。2機(jī)器人行走電路設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個能前進(jìn)、后退的機(jī)器人行走控制電路。要求：接通電源，機(jī)器人前進(jìn)，行走一段時間后，機(jī)器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復(fù)始。機(jī)器人行走動力只能使用干電池，不能使用動力電源。機(jī)器人前進(jìn)、后退時間可調(diào)。第一個設(shè)計均能為平時日常生活提供安全監(jiān)控，能智能控制、自啟動和自動關(guān)閉，第二個設(shè)計能在開啟后能進(jìn)行自動控制，為工業(yè)自動化的基礎(chǔ)。二個設(shè)計要求綜合運(yùn)用所學(xué)電子電路的知識，是集模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的綜合運(yùn)用，需要靈活運(yùn)用所學(xué)知識，根據(jù)設(shè)計要求，來達(dá)到目的，分析

10、原理、參數(shù)計算、元器件選用。這二個設(shè)計都以555定時器為核心，驅(qū)動各個部分電路工作，靈活運(yùn)用555定時器組成的多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和穩(wěn)壓電路原理1 有害氣體檢測報警及抽排電路設(shè)計1.1意義與要求1.1.1意義 日常生活中經(jīng)常發(fā)生煤氣泄漏或者其他有毒氣體泄露對人們生命安全造成威脅威脅。因此，本人聯(lián)系實(shí)際和運(yùn)用所學(xué)的電子技術(shù)知識，設(shè)計出一套有毒氣體的檢測電路，并且可以在有毒氣體超標(biāo)時立即抽排出有害氣體并且發(fā)出聲光閃爍報警提醒，使人們的生命健康有一個保障同時也鍛煉了自己的實(shí)踐動手運(yùn)用所學(xué)知識的能力，培養(yǎng)了對發(fā)明創(chuàng)造的興趣，拓展了自己的專業(yè)知識面。1.1.2設(shè)計要求 當(dāng)檢測到有毒氣體意外排時，發(fā)出

11、警笛報警聲和燈光間歇閃爍的光報警提示，當(dāng)有毒氣體濃度超標(biāo)時能自行啟動抽排系統(tǒng)，排出有毒氣體，更換空氣以保障人們的生命財產(chǎn)安全。抽排完畢后，系統(tǒng)自動回到實(shí)時檢測狀態(tài)。1.2設(shè)計總體方案1.2.1 方案論證與比較1.2.1.1電源供電部分 該電路電機(jī)轉(zhuǎn)動和警燈閃爍部分需要220V交流電壓，氣敏元件以及555實(shí)際電路部分需要直流電壓。 方案一：分開供電。用220V市電和由干電池組成的直流電源分別給所需電路供電。優(yōu)點(diǎn)是直接供電，操作簡單；缺點(diǎn)是電源需準(zhǔn)備兩種，等電路使用一定時間過后電池沒電時不易發(fā)覺，容易出事故。 方案二：用220V市電用變壓器變壓，然后整流、濾波，穩(wěn)壓電路之后維持輸出直流電壓10V供

12、電。經(jīng)比較選用方案二，雖然繁雜一些，但是降低了出事故的概率。1.2.1.2 氣敏傳感部分方案一：氣敏元件1、2腳直接接入直流電源供電，3、5腳經(jīng)過一個定制電阻接入直流電壓源供電，由3、5腳間的電阻變化導(dǎo)致的電壓變化輸出氣體檢測信號到555施密特觸發(fā)器。方案二：氣敏元件1、2腳接上可調(diào)電阻再接入直流電壓源，3、5腳接可調(diào)電阻再接入直流電壓源，通過可調(diào)電阻的調(diào)節(jié)端的點(diǎn)位變化輸出檢測信號到555施密特觸發(fā)器。經(jīng)過比較選擇第二種方案，方案二的可調(diào)電阻可以調(diào)節(jié)氣敏元件的加熱電壓，也可以通過調(diào)節(jié)3、5腳接的電位器來調(diào)節(jié)電路對有毒氣體的靈敏度。1.2.1.3聲光報警部分方案一：用氣敏傳感器通過555施密特觸

13、發(fā)器輸出的電壓來控制晶閘管的導(dǎo)通和截止來控制LED以及喇叭報警。方案二：用氣敏傳感器通過555施密特觸發(fā)器使出電壓控制晶閘管的導(dǎo)通來觸發(fā)喇叭多音頻報警部分再由喇叭兩端的電壓變化經(jīng)過升壓后控制燈泡閃爍報警部分經(jīng)過比較選用第二種方案，第二種方案的燈光報警更亮一些，可以起到更好的報警作用。1.2.1.4氣體抽排部分方案一：通過555施密特觸發(fā)器提供的電壓經(jīng)過變壓提供給低壓直流電機(jī)抽排氣體。方案二：通過555施密特觸發(fā)器提供的電壓使得雙向金閘管導(dǎo)通，由220V交流電壓供電的換氣扇抽排電路經(jīng)比較選擇方案二，因為方案二的換氣扇功率比較大氣體抽排效果好，起到了更好的保護(hù)作用。1.2.2 設(shè)計思路 利用QMN

14、5氣敏傳感器檢測有毒氣體，根據(jù)其檢測到有毒氣體時電阻變化原理構(gòu)成一種氣敏控制自動排氣電路，電路由氣體檢測電路、555觸發(fā)器開關(guān)電路、聲光報警電路、氣體抽排電路構(gòu)成。當(dāng)有害氣體濃度在安全濃度標(biāo)準(zhǔn)以下時，QMN5檢測到，但是元件兩端的電阻變化所造成的555觸發(fā)器輸入電壓高于1/3Vcc，觸發(fā)器輸出低電平，電路不報警，也不進(jìn)行排氣。當(dāng)有害氣體達(dá)到一定濃度時，QMN5檢測到有毒氣體，元件兩極電阻變小，此時555時基電路輸入電壓小于1/3Vcc，輸出高電平，驅(qū)動報警電路工作，使發(fā)光二極管間歇發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出多音頻報警信號;同時雙向金閘管導(dǎo)通，驅(qū)動排氣系統(tǒng)工作。當(dāng)氣體被排出，濃度低于安全標(biāo)準(zhǔn)時，555時基

15、電路輸入端電壓高于2/3Vcc，輸出低電平，電路停止工作回復(fù)到自動檢測狀態(tài)。此設(shè)計中可通過調(diào)節(jié)電位器RP1來實(shí)現(xiàn)控制有毒氣體檢測靈敏度。1.3設(shè)計原理1.3.1設(shè)計原理圖 圖1-1 電路原理圖 1.3.2各部分電路原理1.3.2.1整流穩(wěn)壓電路 圖1-2 整流穩(wěn)壓電路圖原理分析： 為了貼近實(shí)際，使用了220V交流電源，所以加了一個整流穩(wěn)壓電路，使其輸出直流電源。整流穩(wěn)壓電路是將220V交流電源接一個變壓器、一個整流橋、一個由電容構(gòu)成的濾波電路，最后通過穩(wěn)壓管使其輸出5V直流電壓，使系統(tǒng)正常工作。1.3.2.2有害氣體檢測電路 圖1-3 有害氣體檢測電路圖原理分析： 本系統(tǒng)使用QM-N5氣敏傳感

16、器檢測有害氣體。氣敏傳感器是一種基于聲表面波器件波速和頻率隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移的原理制作而成的一種新型的傳感器，QM-N5型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也

17、不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。當(dāng)有毒氣體濃度升高時，氣敏傳感器電阻降低，使滑動變阻器上電壓值變大，通過電壓比較器使雙向金閘管導(dǎo)通，帶動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，抽排氣體，另一方面使音頻報警器報警，同時通過555組成的多諧振蕩器使燈泡發(fā)出1Hz的閃爍光，也起到了報警作用！當(dāng)氣體被排出，濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時，電路回復(fù)到自動檢測狀態(tài)。1.3.2.3抽排氣體電路 圖14 抽排氣體電路圖原理分析： 當(dāng)有毒氣濃度升高時，氣敏傳感器中的電阻值降低，使滑動變阻器上的電壓值變大，原來電壓比較器OPAMP從未導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通，這個正向電壓使金閘管Q5導(dǎo)通，從而使電機(jī)MG轉(zhuǎn)動，抽排氣體。一段時間，有害氣體濃

18、度減小，當(dāng)有毒集體被排盡時，電路自動恢復(fù)正常狀態(tài)。 1.3.2.4報警裝置電路1 聲音報警 圖15 聲音報警電路圖原理分析： 當(dāng)有毒氣濃度升高時，氣敏傳感器中的電阻值降低，使滑動變阻器上的電壓值變大，原來電壓比較器OPAMP從未導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通，通過三極管Q使蜂鳴器發(fā)出聲音，進(jìn)行報警。2 燈光報警圖1-6 燈光報警電路圖原理分析：當(dāng)有毒氣濃度升高時，氣敏傳感器中的電阻值降低，使滑動變阻器上的電壓值變大，原來電壓比較器OPAMP從未導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通，通過555多諧震蕩器產(chǎn)生1Hz的矩形脈沖電壓信號，使金閘管Q6導(dǎo)通，從而使電燈亮，進(jìn)行報警。由于脈沖電壓的作用，燈泡會進(jìn)行閃爍。3 多諧震蕩器 圖1-7 5

19、55多諧震蕩器電路圖原理分析：接通電源后，電容C被充電，當(dāng)VC上升到2/3VCC時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時發(fā)電BJT T導(dǎo)通，此時VO為低電壓，電容C通過R2和T放電，使VC下降。當(dāng)VC下降到（1/3）VCC時，觸發(fā)器又被置位，VO翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為：tPL=R2Cln2 可近似看成tPL=0.7R2C當(dāng)C放電結(jié)束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C充電，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的時間為：tPH=(R1+R2)Cln2 可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C而當(dāng)VC上升到（2/3）VCC時，觸發(fā)器又周而復(fù)始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻

20、率為：f=1/( tPL +tPH) 可近似看成f=1.43/(R1+R2)C由公式計算得 f=1.43/(10k+4k)*100uF=1Hz。1.4 電路元件參數(shù) 表1-1 有害氣體的檢測與抽排電路的元件列表元件名稱規(guī)格型號位號數(shù)量交流電壓源220VT1個氣敏傳感器MQ-N5T11個三極管NPN9014Q1個功率放大器OPAMPAR11個555定時器555LM555CM2個燈泡LAMP11個蜂鳴器SPEAKER11個電動機(jī)ACMOTORMG1個雙向晶閘管TRIACQ5,Q6各1個三端穩(wěn)壓器7812U11個電位器2KRP11個整流橋BRAIGE1D11個電容0.33uFC11個電容0.1uFC

21、21個電容0.047uFC4，C62個電容100uFC51個電解電容10uFC31個電阻10R11個電阻220R2,R31個電阻10kR41個電阻 2kR51個電阻30kR61個電阻15kR71個電容2uFC71個1.5電路仿真 圖1-8 電路仿真圖 原理分析： 在仿真中氣體檢測裝置用R2代替，默認(rèn)此時氣體超標(biāo)，打開電源進(jìn)行仿真，電動機(jī)轉(zhuǎn)動進(jìn)行排氣，燈閃亮，進(jìn)行燈光報警，喇叭發(fā)出聲音也進(jìn)行報警，整個電路按照要求進(jìn)行正常工作。工作原理：當(dāng)有害氣體達(dá)到一定濃度時，QMN5檢測到有毒氣體，元件兩極電阻變小，此時555時基電路輸入電壓小于1/3Vcc，輸出高電平，驅(qū)動報警電路工作，使發(fā)光二極管間歇發(fā)光

22、，蜂鳴器發(fā)出多音頻報警信號;同時雙向金閘管導(dǎo)通，驅(qū)動排氣系統(tǒng)工作。當(dāng)氣體被排出，濃度低于安全標(biāo)準(zhǔn)時，555時基電路輸入端電壓高于2/3Vcc，輸出低電平，電路停止工作回復(fù)到自動檢測狀態(tài)。1.6 總體設(shè)計方框圖聲光報警系統(tǒng)和氣體抽排系統(tǒng)都不工作有毒氣體濃度自動檢測毒氣濃度正常時返回自動檢測 返回自動檢測毒氣濃度超標(biāo)時毒氣濃度達(dá)到正常值時 聲光系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)停止工作 聲光報警系統(tǒng)和氣體抽排系統(tǒng)工作 圖1-9 總體方框設(shè)計圖 2機(jī)器人行走電路設(shè)計2.1.意義與要求2.1.1意義 通過所學(xué)電子電工知識設(shè)計一個可以自行行走的機(jī)器人，能夠自行前進(jìn)與后退，可以改進(jìn)成小車，可以搬運(yùn)一些輕便的貨物以及其他東西，

23、可以給日常生活的人們帶來方便，同時也讓電子科技更加接近人們的生活，也發(fā)掘了自己的潛能和創(chuàng)新意識，鍛煉了自己的能力和思維方式。2.1.2設(shè)計要求 現(xiàn)實(shí)生活中人們有時要從事危險工作或需要大量的人力，所以希望機(jī)器人能代替人類做事，這樣可以節(jié)省很多勞動，也可以避免出現(xiàn)人員傷亡事件。針對這種情況我們設(shè)計一個能前進(jìn)、后退的機(jī)器人行走控制電路。接通電源，機(jī)器人前進(jìn)，行走一段時間后，機(jī)器人自動后退，退行一段時間后自動前行，周而復(fù)始。2.2 設(shè)計總體方案2.2.1設(shè)計方案比較論證方案一：通過運(yùn)用單片機(jī)控制，編程控制直流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)以及正反轉(zhuǎn)時間方案二：通過555多諧振蕩器產(chǎn)生一定頻率的方波給計數(shù)器，用計數(shù)器的輸

24、出信號來控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制部分經(jīng)比較用第二種方案，因為第一種方案首先單片還沒有學(xué)習(xí)，基礎(chǔ)知識為零，實(shí)際運(yùn)用起來還需要學(xué)習(xí)單片機(jī)，耗時較長而且成本較貴，然而方案二為運(yùn)用已學(xué)知識，并且可以調(diào)節(jié)時間長短并且顯示出來，成本低廉也不復(fù)雜。2.2.2 設(shè)計思路分析設(shè)計要求，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走需要有驅(qū)動電路，驅(qū)動小車行走，同時要有直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路，控制小車前進(jìn)與后退。其中驅(qū)動電路，由555構(gòu)成多諧振蕩電路產(chǎn)生的方波驅(qū)動74161計數(shù)器，計數(shù)滿后驅(qū)動D觸發(fā)器，產(chǎn)生規(guī)則的、周期可調(diào)的方波驅(qū)動信號；而直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路則是由驅(qū)動信號驅(qū)動三極管構(gòu)成的開關(guān)電路，通過三極管的導(dǎo)通與截止來控制直流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從

25、而實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)與后退。2.3.設(shè)計原理圖圖21 機(jī)器人電路原理圖2.4 各部分電路原理2.4.1多諧振蕩器圖2-2 555多諧震蕩器原理分析：由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，接通電源后，電容C被充電，當(dāng)VC上升到2/3VCC時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時發(fā)電BJT T導(dǎo)通，此時VO為低電壓，電容C通過R2和T放電，使VC下降。當(dāng)VC下降到（1/3）VCC時，觸發(fā)器又被置位，VO翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為：tPL=R2Cln2 可近似看成tPL=0.7R2C當(dāng)C放電結(jié)束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C充電，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的時間為：tPH=(R1

26、+R2)Cln2 ?？山瓶闯蓆PH=0.7(R1+R2)C。而當(dāng)VC上升到（2/3）VCC時，觸發(fā)器又周而復(fù)始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為：f=1/( tPL +tPH)可近似看成f=1.43/(R1+R2)C。根據(jù)仿真可得：調(diào)節(jié)滑動變阻器，可以使頻率在1Hz到7Hz可變。2.4.2計時器電路74HC161計數(shù)器是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器，它可以靈活的運(yùn)用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)種實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。時鐘CP和四個數(shù)據(jù)輸入端P0P3 清零/MR 使能CEP，CET 置數(shù)PE 數(shù)據(jù)輸出端Q0Q3以及進(jìn)位輸出TC. 工作原理：當(dāng)清零端CR=“0”，計數(shù)器

27、輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復(fù)位功能。當(dāng)CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計數(shù)器實(shí)行加計數(shù)。 圖2-3 計時器電路原理圖原理分析： 多諧振蕩器輸出的脈沖信號接入161計數(shù)器的時鐘信號輸入端，作為時鐘信號。將P0、P1、P2、P3都接地，Q0,Q1，Q2,Q3接到一個四輸入與非門然后接到計數(shù)器的清零端，實(shí)現(xiàn)從0到15并自動清零的循環(huán)十進(jìn)制計數(shù)器。當(dāng)計數(shù)到15，即二進(jìn)制11

28、11時，74LS20產(chǎn)生低電平，下一個周期到來時，低電平變?yōu)楦唠娖?，使D觸發(fā)器觸發(fā)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的前進(jìn)和后退2.4.3 D觸發(fā)器原理分析 圖2-4 D觸發(fā)器電路圖原理分析：D觸發(fā)器的輸出方程為Qn+1=D ，D等于Qn非，則此觸發(fā)器的功能為：有觸發(fā)信號后，輸出狀態(tài)發(fā)生改變，。PRE CLR 接高電平,D與Q非連接在一起，當(dāng)時鐘觸發(fā)時，Q的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，同時使另外兩個三極管導(dǎo)通，原來的三極管截至，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。2.4.4 電動機(jī)裝置電路圖2-5電動機(jī)正反裝控制電路圖原理分析： 此設(shè)計采用橋式電路連接電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能。當(dāng)輸入端口輸入高電平時，三極管Q1和Q3 導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)

29、電動機(jī)的正轉(zhuǎn)；當(dāng)接低電平時，三極管Q2和Q4導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的反轉(zhuǎn).當(dāng)非門左端輸入為低電平時，Q1,Q4截止，Q2,Q3導(dǎo)通，直流電動機(jī)左端為高電平右端為低電平，仿真可知電勢差U=4.95v，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車前進(jìn)。當(dāng)非門左端輸入為高電平時，Q1,Q4導(dǎo)通，Q2,Q3截止，直流電動機(jī)左端為低電平右端為高電平，仿真可知電勢差U=-4.93v,直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，小車后退。2.5電路工作流程如前所述，此設(shè)計的計時器已事先設(shè)定為十六進(jìn)制，而機(jī)器人前進(jìn)或后退的時間是通過調(diào)節(jié)555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的滑動變阻器調(diào)節(jié)脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)的，若要減少時間，則只要調(diào)節(jié)電阻值，使其頻率變大，即可實(shí)現(xiàn)時間的變短；同理

30、，若要延長時間，只需減小頻率即可。這樣就實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)或后退的時間可調(diào)。因為已設(shè)定其為十六進(jìn)制，所以可用計數(shù)器的Q0,Q1,Q2,Q3端通過一個與非門來控制D觸發(fā)器的時鐘信號。這樣，每當(dāng)計時器完成一個周期的計數(shù)，D觸發(fā)器完成反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。此設(shè)計通過運(yùn)用74系列的芯片，如與非門，非門等，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)與后退的時間均可調(diào)，當(dāng)前進(jìn)時，通過門電路使控制后退的觸發(fā)脈沖無效，這樣D觸發(fā)器的時鐘脈沖只受前進(jìn)脈沖控制。當(dāng)計數(shù)器計數(shù)完成一周期時，控制D觸發(fā)器反轉(zhuǎn)，是電機(jī)反轉(zhuǎn)，同時控制使控制后退的計數(shù)器置零，實(shí)現(xiàn)從零計數(shù)。本電路主要由四部分構(gòu)成，分別是由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩電路、161計數(shù)器、D觸發(fā)器和直

31、流電動機(jī)轉(zhuǎn)動控制電路部分。要實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，就必須為直流電動機(jī)提供可以循環(huán)翻轉(zhuǎn)的信號。多諧振蕩器持續(xù)產(chǎn)生交替變換的高低電平，作為161計數(shù)器的時鐘脈沖。161實(shí)現(xiàn)十六進(jìn)制循環(huán)計數(shù)，每當(dāng)計數(shù)十六次就向D觸發(fā)器發(fā)出一個低電平脈沖。通過調(diào)節(jié)多諧振蕩器的滑動變阻器，可以調(diào)節(jié)其輸出脈沖的頻率，進(jìn)而影響到電動機(jī)的翻轉(zhuǎn)時間，從而達(dá)到前進(jìn)、后退時間可調(diào)的目的。2.6電路元件參數(shù)元件名稱型號位號數(shù)量555定時器555U11個計數(shù)器74HC161U21個D觸發(fā)器74LS74U61個與非門74HC03U41個非門74LS04U5,U32個電阻2KR11個電阻1KR3,R4,R5,R64個滑動變阻器6KR21個電容0.01 uFC11個電容100 uFC21個三極管NPN3904Q1,Q22個三極管PNP3906Q3,Q42個電動機(jī)MOTOR SERVOMG1個二極管IN4001D1,D22個表2-1 機(jī)器人行走電路所用元件2.7電路仿真圖2-6 機(jī)器人電路電路仿真圖原理分析： 仿真過程中，555多諧振蕩器產(chǎn)