电工与电子课程设计报告.docx
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电工与电子课程设计报告
电工电子技术课程设计
题目机器人行走电路
班级11计科
（2）班
学号2
姓名钱佳能
指导江老师
时间2013年12月
景德镇陶瓷学院
电工电子技术课程设计任务书
姓名钱佳能班级11计科
（2）班指导老师江虹
设计课题：
机器人行走电路
设计任务与要求
本课题设计通过所学电子电工知识设计一个可以自行行走的机器人，能够自行前进与后退，可以改进成小车，可以搬运一些轻便的货物以及其他东西，可以给日常生活的人们带来方便，同时也让电子科技更加接近人们的生活，也发掘了自己的潜能和创新意识，锻炼了自己的能力和思维方式。
具体需求如下：
1、分析电路由几个部分组成，并用方框图对它进行整体描述；
2、通过555多谐振荡器产生一定频率的方波给计数器，然后用计数器输出来驱动时间显示部分，用计数器的输出信号来控制直流电机正反转控制部分；
3、可调节周期来控制小车的；
4、画出系统框图，写出详细的过程；
5、用AltiumDesigner软件画出完整的设计电路图，并列出元件清单。
设计步骤
1、查阅相关资料，开始撰写设计说明书；
2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；
3、依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；
4、列出标准的元件清单；
5、总体电路的绘制及总体电路原理相关说明；
6、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。
设计说明书字数不得少于3000字。
参考文献
[1]电工技术与电子技术王鸿明编著清华大学出版社2001
[2]电路（第四版）邱关源主编高等教育出版社1999
[3]电工与电子技术荣西林主编冶金工业出版社2008
[4]数控电工电子基础姚道如主编安徽科学技术出版社2009
[5]电工与电路基础及运用杨小平主编中国人名大学出版社2011
1、总体方案与原理说明.................................4
2、多谐震荡电路..........................................5
3、74HC161计时器显示电路..................................6
4、直流电机正反转驱动电路........................................7
5、555时基电路图及波形图...........................8
6、74HC161加法计数器..................................9
7、总体电路原理图......................................10
8、元件清单；..........................................12
9、参考文献........................................13
10、设计心得体会.......................................14
1、总体方案与原理说明
分析设计要求，要实现机器人的行走需要有驱动电路，驱动小车行走，同时要有直流电机正反转电路，控制小车前进与后退。
其中驱动电路，由555构成多谐振荡电路产生的方波驱动74161计数器进行显示，计数满后驱动JK触发器，产生规则的、周期可调的方波驱动信号；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，从而实现小车的前进与后退。
555时基电路构成的多谐振荡器产生方波信号接到74HC161时钟端，触发74HC16加计数器计数，并通过74248驱动七段共阴极数码管DPY_7-SEG显示计数。
加计数器计数满十，通过与非门74HC03产生下降沿信号驱动JK触发器，使JK触发器构成的T'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，实现小车的前进与后退。
其中，通过调节电位器RP1可以改变多谐电路输出方波周期，来调节小车的前进与后退的时间。
多谐震荡器（控制正转时脉冲宽度）
多谐震荡器（控制反转时脉冲宽度）
计数器
七段共阴极数码显示管
门电路，触发器
电动机
图1.总体设计方框图
2、单元电路1——多谐震荡电路
多谐震荡电路工作原理：
由555定时器构成的多谐振荡器，接通电源后，电容C2被充电，当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，
VO为低电平，电容C2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=RP1Cln2可近似看成tPL=0.7R2C
当C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、RP1向电容器C充电，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的时间为：
tPH=（R1+RP1）Cln2可近似看成tPH=0.7（R1+RP1）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+RP1）C]
图2.震荡原理图
3、单元电路2——74HC161计时器显示电路
多谐振荡电路产生方波信号接入到74HC161时钟端，驱动741HC61进行加计数。
图中74HC161接成了10进制加计数器，计数满十时通过74HC00与非门接入到清零端进行清零。
由于计数到10时，便会立刻清零，不会在数码管上显示，所以此时信号很弱，不可以作为触发信号驱动JK触发器，JK触发器触发信号是计数到9时，通过74HC00输出下降沿信号触发。
数码显示电路通过74248驱动的七段共阴极数码管进行显示。
图三.计时器计数显示电路原理图
4、单元电路3——直流电机正反转驱动电路
当U7左端输入为低电平时，Q1,Q4截止，Q2,Q3导通，直流电动机左端为高电平右端为低电平，仿真可知电势差U=4.95v，直流电机正转，小车前进。
当U7左端输入为高电平时，Q1,Q4导通，Q2,Q3截止，直流电动机左端为低电平右端为高电平，仿真可知电势差U=-4.93v,直流电机反转，小车后退。
图四.电机正反装驱动电路图
5、单元电路4——555时基电路图及波形图
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
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。
图五.555时基电路图及波形图
6、单元电路5——74HC161加法计数器
从74HC161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
图六.74hc161加计数器真值表
图七.74hc161引脚图
7、总体电路原理相关说明
机器人前进或后退的时间通过调节555定时器构成的多谐振荡器的滑动变阻器RP1调节脉冲宽度来实现的，若要减少时间，则只要调节电阻值，使其频率变大，即可实现时间的变短；同理，若要延长时间，只需减小频率即可。
这样就实现了前进或后退的时间可调。
555时基电路构成的多谐振荡器产生方波信号接到74HC161时钟端，触发
74HC161加计数器计数，并通过74248驱动七段共阴极数码管DPY_7-SEG显示计
数。
加计数器计数满十，通过与非门74HC03产生下降沿信号驱动JK触发器，使JK触发器构成的T'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，实现小车的前进与后退。
其中，通过调节电位器RP1可以改变多谐电路输出方波周期，来调节小车的前进与后退的时间。
可用计数器的Q0和Q3端通过一个与非门来控制JK触发器的时钟信号。
这样，每当计时器完成一个周期的计数，JK触发器完成反转，实现电动机的正转。
8、总体电路原理图
9、元件清单
名称
规格型号
位号
数量
电阻
1K
R1、R3、R4、R5、R6
5个
电位器
100K
R2
1个
电容
0.01uF
C1
1个
电容
10uF
C2
1个
三极管
2N2904
Q1Q2
2个
三极管
2N2219
Q4Q3
2个
电池
+1.4V
Vcc
4个
555芯片
CB7555
U1
1个
加计数器
74HC161
U2
1个
数码管驱动器
74248
U5
1个
七段共阴极数码显示器
74LS48
DS
1个
二极管
IN4001
D1、D2
2个
JK触发器
74LS76
U6A
1个
与非门
74LS00
U3、U4
2个
非门
74HC04
U7
1个
直流电动机
5V
MG
1个
四角插针
JP
1个
10、参考文献
[1]电工技术与电子技术王鸿明编著清华大学出版社2001
[2]电路（第四版）邱关源主编高等教育出版社1999
[3]电工与电子技术荣西林主编冶金工业出版社2008
[4]数控电工电子基础姚道如主编安徽科学技术出版社2009
[5]电工与电路基础及运用杨小平主编中国人名大学出版社2011
[6]电工电子元器件的选择与测量王俊峰主编机械工业出版社2010
[7]二极管激光器与集成电路（美）拉里·A·科尔德伦主编
北京邮电大学出版设2006
[8]数字电路技术基础沈任元主编机械工业出版社2010
11、设计心得体会
通过一个星期的课程设计实习,我学会了怎么将自己所学的知识整合到实际运用当中。
本次路图的独立设计，加深了我对相关课程基础知识的理解与掌握。
对数电、模电所学知识的实际运用有了进一步的了解，特别是555定时器的综合运用。
对以前学的数电、模电知识有了更深刻的认识与理解，例如二极管、三极管的作用、555定时器的应用。
尤其是jk触发器的使用，上个学期在教程数字逻辑中老师曾多次讲到jk触发器的功能及使用方法，但当时毕竟自己没有实践过，对于这个原件也是一知半解，不过通过这次的课程设计，对这个元件的了解有了很大的加深和体会。
同时也接触了更多实际运用中的元件，比如气敏传感器等，我们通过自己查资料来了解它，增强了自主学习的能力。
在设计电路的时候，才发现有好多不懂得地方，终于体会到了在实践与运用的时候体现出自己的缺点与不足，在查阅大量的相关书籍与网络资源后，问题终于一个接着一个的被解决，当自己所学的东西在实践中能够运用的时候，我觉得这才是真正已经学到的，如果光有理论知识而不能运用于实践的话，那也只是纸上谈兵，没有什么意义与价值。
总之每一次的实践课实习学习都是在给我们将来积累经验，锻炼自主学习，独立思考，综合运用所学知识的能力。
我们应该学会如何整理自己所学的知识为现实生活服务，保证生命安全，或是让生活更方便。
同时开发了我们创新思维能力，以及克服困难的决心。
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