电工电子课程设计-机器人行走电路设计.doc

目录
课程设计大纲 1
课程设计任务书 2
摘要 4
1机器人行走电路设计 5
1.1设计要求 5
1.2电路总体方案设计与论证 5
1.2.1各模块方案比较与论证 5
1.2.2总体方案简要说明 6
1.2.3系统框图及总体原理图 6
1.3电路的设计和分析 8
1.3.1 555多谐振荡电路 8
1.3.2计数模块及计数显示电路 9
1.3.3电机控制电路 10
1.4仿真结果与分析 10
1.5小结 13
1.6附图：机器人行走电路原理图及PCB板 14
1.7主要芯片及器件说明 16
1.7.1 二-五-十进制计数器74LS90 16
1.7.2电机驱动芯片L298 16
1.8附表：机器人行走电路所用元件 18
2有害气体检测与抽排电路设计 19
2.1 设计要求 19
2.2电路总体方案设计与论证 19
2.2.1各模块方案比较与论证 19
2.2.2总体方案简要说明 19
2.2.3系统框图及总体原理图 20
2.3电路设计与分析 22
2.3.1电源电路 22
2.3.2有害气体检测电路 23
2.3.3声光报警电路及抽排电路 24

I

2.4仿真结果与分析 25
2.5小结 27
2.6附图：有害气体检测与抽排电路原理图及PCB板 28
2.7主要芯片及器件 30
2.7.1QM-N5气敏传感器 30
2.7.2继电器 30
2.8附表：有害气体检测与抽排电路所用元件 31
设计体会 32
参考文献 33

I

课程设计大纲
电工电子强化训练课程综合设计是根据教学计划和课程目标的要求，综合应用《电路原理》、《模拟电子技术基础》、《数字电子技术基础》、《电工实习》、《传感器原理及接口技术》、《电力电子交流技术》等课程知识而开设的实践性课程。以期对电气专业学生进行电工电子类设计思想和设计方法的初步训练，使学生掌握基本电子线路的设计技能。
一、 课程设计的目的
通过课程设计的实际训练，加深学生对相关课程基础知识与基本理论的理解，培养学生综合运用所学知识的应用能力，使其在理论分析、工程计算、制图标准与规范、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到初步训练，促进学生养成严谨求实的科学学风，激发学生自主创新的精神。
二、课程设计的基本内容
1、指导教师拟定题目难易适当的课程设计任务书，既保证大多数学生得到基本训练，通过查阅资料、手册、分析、计算能训练完成设计任务，又能使学习优秀的学生充分发挥创新思维，激发探索科技知识的积极性。
2、设计开始前，指导教师讲解有关设计的目的、要求及注意事项，介绍设计原则、方法和范例，整补学生在过去的学习阶段尚未涉猎的相关知识。
3、设计期间，指导老师对学生遇到的问题及时解答，并对课程设计的内容组织质疑和答辩。
4、每个学生在设计结束时要提交一份按统一格式要求书写的课程设计说明书。说明书中要求有设计方案的选择，绘制方框图、电气原理图，阐述电路工作原理，元器件参数计算、设计电路的性能指标等。
三、设计时间 1周
四、其他
1、课程设计说明书封面由教务处统一印制。
2、课程设计报告除教学管理部门要求必须用手写的内容外，一律打印上交。
3、学生课程设计成绩由指导老师 通过质疑和答辩，结合课程设计过程中的学习态度、设计思想、设计成果综合评定。
摘要
现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、恶劣的工作环境中解放出来，极大地提高劳动生产率，而且增强了人类认识世界和改造世界的能力。国内外自动化技术的发展趋势是系统化、柔性化、集成化和智能化，而实现智能化关键是解决复杂系统的控制问题。本设计报告就是基于555定时器的简单智能控制系统的设计，包含以下两个设计题目：一是机器人行走电路设计。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，并且前进和后退时间都是可调的。二是有害气体的检测与抽排电路设计。实现二级控制，当有害气体浓度大于泄露浓度小于超标浓度时，启动抽排系统；当浓度大于超标浓度，威胁到人身安全时，抽排系统工作，报警系统发出双音警报声和灯光间歇闪烁的光报警提示。

关键词： 自动化技术 智能控制 555定时器

1机器人行走电路设计
1.1设计要求
设计一个机器人行走电路，当接通电源后，机器人自动前进，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。并且机器人前进后退的时间可调。
1.2电路总体方案设计与论证
1.2.1各模块方案比较与论证
对于计数模块，就计数方式有三种方案。
方案一：采用反馈“预置数法”，计数器的预置数控制端的控制信号由计数器的进位产生，若为异步置数，则实现从预置数据开始计数。
方案二：采用反馈“置零法”，将预置数设置为0，截取计数过程中的某一中间状态来控制预置数控制端，计数器从该状态返回到零而重新开始计数。
方案三：采用反馈清零法，利用计数器的直接置零端的清零功能，截取计数过程中的某一中间状态来控制清零端,使计数器从该状态返回到零而重新开始计数,此方法可以构成任意进制计数器。
方案三较方案一和方案二应用更加广泛，所需要的计数器不需要具有预置数功能。故采用方案三。
对于电机驱动电路，有两种方案
方案一：通过四个三极管，使输入高电平时，电机两端电压为正，驱动电机正转，输入低电平时，电机两端电压为负，电机反转。
方案二：利用了芯片L298控制电机，通过输入端IN1和IN2来控制电机的正反转。
方案一所需器件多，参数设置比较麻烦且容易出错。方案二简单易操作。故采用方案二。
1.2.2总体方案简要说明
本机器人行走电路通过555多谐振荡器产生方波脉冲信号输入二-五-十进制异步加法计数器74LS90 的CP端驱动74LS90进行加法计数并且通过七段数码管显示出来，通过两个74LS90二-五-十进制计数器和相应开关及逻辑门，可以实现100以内的任意进制计数器。当计数满一个周期时，高电平的清零信号也会给D触发器，触发器遇上升沿完成信号的翻转，再通过电机控制电路控制电机的反转。
前进与后退时间的控制可以通过滑动变阻器RV1改变555定时器的频率或者通过开关改变74LS90改变计数进制来实现。

1.2.3系统框图及总体原理图

计数模块
555定时器构成多谐振荡电路
产生脉冲信号

电机控制模块

时间显示模块

图1.1系统框图

图1.2 总体原理图

1.3电路的设计和分析
1.3.1 555多谐振荡电路

图 1.3 555多谐振荡电路

当电路与电源接通瞬间，C2两端没有存储电荷，两端的电压为零，555定时器的2、6端输入电压为0，即出现6端输入电压小于2/3Vcc,2端的输入电压小于1/3Vcc的情况，这时输出信号为高电平，电源通过RV1、R1、C2到公共端对电容C2充电。这种情况一直维持到C2的两端电压略超过2/3Vcc,出现6端输入电压大于2/3Vcc,2端输入电压大于1/3Vcc的情况，输出信号为低电平，电容C2经C2、R1向公共端放电。这种情况一直维持到C2的两端电压略低于1/3Vcc。此后又回到上述充电过程，如此周而复始，形成振荡，产生矩形脉冲波输出。输出端输出的方波信号周期为T=0.7（RV1+2R1）C2,通过改变滑动变阻器的阻值可以改变方波信号的周期。如上图中参数设计，则周期T≈1s。

1.3.2计数模块及计数显示电路

图1.4计数模块及显示电路
两个二-五-十进制的74LS90异步清零加法计数器和门电路配合对应开关，采用反馈清零法，可实现100以内任意进制的计数器，如上图此时开关状态，则构成15进制加法计数器，当计数满10时,U6输出由“1001”变为“0000”，其Q3端产生下降沿的信号输入到U2的CP,U2计数。当计数满15时，两个四输入与门输出高电平，经过两输入与门输出高电平给U2和U6清零端，使之清零，从零开始重新计数。 输出的高电平也会给电机控制电路中的D触发器CP端，触发器触发翻转，电机转向也发生改变。
改变开关状态，可改变计数进制，进而改变电机前进和后退的时间。
1.3.3电机控制电路

图1.5电机控制电路
从二输入与门输出的信号控制D触发器，当计数完成一个周期时，D触发器接受到一个触发信号，使得输出触发翻转，并且输出给电机控制电路。芯片L298接受D触发器的信号，IN1和IN2接两个相反的信号，当D触发器输出的信号翻转时，电机也随之向反方向转动。
1.4仿真结果与分析

当开关SW1~SW8拨至如图开关状态时，两片74LS90构成15进制计数器，紧接上图的下一时刻的电路状态：

可以看出，当计满一个15即一个周期时，计数器清零，数码管显示为零，对比还可以看出，D触发器输出状态翻转，L298芯片输入IN1和IN2状态翻转，电机因此开始反转。 当拨动开关SW1~SW8至下图状态时，两片74LS94构成24进制计数器，仿真结果如下：

紧接着的下一时刻电路状态：

由仿真结果可以看出，电路运行正常，实现了设计的基本要求：机器人自动前进，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。并且实现了通过改变计数器计数进制来控制电机前进和后退时间的功能。而且改变计数进制的过程也较为简单，容易操作，只需将想要设置的进制位数写成BCD码，然后拨动对应开关即可。以15进制为例，将15写成BCD码“00010101”，然后将1对应的开关拨至与74LS90输出相连接的状态，就可以实现15进制计数。用此种方法，可以实现100以内任意进制的计数。

1.5小结
本电路以555定时器、74LS90加法计数器为核心搭建，具有以下优点：原理简单，成本较低；通过改变计数进制可以方便地改变机器人的运动时间。
本电路是基于硬件上的控制，没有单片机控制修改方便，功能拓展有限，电路连接上也相对较为复杂。
1.6附图：机器人行走电路原理图及PCB板

图1.6原理图

图1.7 PCB板

1.7主要芯片及器件说明
1.7.1 二-五-十进制计数器74LS90
74LS90 引脚及真值表

Reset Inputs复位输入
输出
R0(1)
R0(2)
R9(1)
R9(2)
QD
QC
QB
QA
H
H
L
X
L
L
L
L
H
H
X
L
L
L
L
L
X
X
H
H
H
L 
L
H
X
L
X
L
COUNT
COUNT
COUNT
COUNT
L
X
L
X
L
X
X
L
X
L
L
X

1.7.2电机驱动芯片L298

图1.8 L298引脚图

引脚
符号
功能
1
15
SENSING A
SENSING B
此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈
检测到的信号。
2
3
OUT 1
OUT 2
此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接
负载
4
VS
电机驱动电源输入端
5
7
IN1
IN2
输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A的开关
6
11
ENBLE A
ENBLE B
使能控制端，输入标准TTL逻辑电平信号；
低电平时全桥式驱动器禁止工作。
8
GND
接地端，芯片本身的散热片与8脚相通
9
VSS
逻辑控制部分的电源输入端口
10
12
IN3
IN4
输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全
桥式驱动器B的开关
13
14
OUT3
OUT4
此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载

1.8附表：机器人行走电路所用元件
名称
规格型号
位号
数量
555定时器
NE555
555
1
计数器
74LS90
74LS90a、74LS90b
2
D触发器
74LS74
74LS74
1
数码显示管
7SEG-BCD
Dpy1、Dpy2
2
直流电机
MOTOR
motor
1
二输入与门
74LS08
L2A
1
电阻
10K
R2
1
滑动电阻器
100K
R1
1
开关
SW-SPDT
SW1~SW9
9
电容
47uF
C1
1
电容
0.01uf
C2
1
电机控制芯片
L298
L298N
1
直流源
+5V
VCC
1
四输入与门
74LS21
L1A、L1B
2

2有害气体检测与抽排电路设计
2.1 设计要求
设计可以自动检测有害气体浓度的检测与抽排电路。当浓度低于所设定的安全值时，电路不实施任何动作，这时电路处于实时监测状态；当有害气体浓度大于泄露浓度C1小于超标浓度C2时，启动抽排系统；当浓度大于超标浓度C2，威胁到人身安全时，抽排系统工作，报警系统发出双音警报声和灯光间歇闪烁的光报警提示。
2.2电路总体方案设计与论证
2.2.1各模块方案比较与论证
对于声报警电路，有三种可选方案。
方案一：利用芯片LC179驱动控制喇叭发声，同时将芯片的第三管脚接到气敏电阻的一端，通过感知其输出电平的高低来驱动喇叭发声，使之在有害气体浓度超标时出现声警报。
方案二：采用一个555定时器产生的方波信号驱动喇叭工作，使其发出报警声。
方案三：采用两个555集成块构成双音报警器。使喇叭发出“滴、嘟、滴、嘟……” 的报警声。
对比上述三个方案，方案三报警声效果更好，且电路不难连接，稳定性较高，
故选方案三。
2.2.2总体方案简要说明
该电路首先将电源220v交流电压通过变压、整流、滤波和稳压变成直流5v稳压源输出给气敏传感电路。气敏传感器检测有害气体浓度并且改变自己的电阻值。当有害气体浓度低于泄露浓度C1时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，这时电压比较器正向输入端的电压小于反向输入端的电压，电压比较器输出低电平，继电器不工作，电机不转，且声光报警电路无输入电压，也不工作；当有害气体浓度增加至大于泄露浓度C1但小于超标浓度C2时，QM-N5气敏传感器电阻值变小，使得电压比较器U4正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，电压比较器输出高电平，使继电器工作，电机转动。当有害气体浓度增加至大于超标浓度C2时，QM-N5气敏传感器电阻值变得更小，电压比较器U2,U4的正向输入端输入的电压大于反向端输入的电压，电压比较器均输出高电平，这时电机转动，而且驱动声光报警电路工作进行报警。从而实现了分级控制。
2.2.3系统框图及总体原理图

只启动抽排系统
有害气体检 测 模 块

电源电路
C1<浓度≦C2

浓度>C2

启动声光报警系统和抽排系统

图2.1 系统框图

图2.2 总体原理图

2.3电路设计与分析
2.3.1电源电路

图2.3 电源电路

该直流稳压电源电路由电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路组成。
输入220v的交流电压经过变压器变压至所需的电压值，再经过整流桥把交流电压转变为直流，然后通过电容滤波，去掉电压中的纹波，但是这是的电压会受到负载很大的影响，缺乏稳定性，所以再接一个稳压器7805进行稳压，这时输出端就输出较为稳定的5V直流电压。
2.3.2有害气体检测电路

图2.4 有害气体检测电路

由于protues仿真缺少元件气敏传感器QM-N5,现用滑动变阻器代替。气敏传感器检测有害气体浓度并且改变自己的电阻值。当有害气体浓度低于泄露浓度C1时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，这时电压比较器正向输入端的电压小于反向输入端的电压，电压比较器输出低电平，继电器不工作，电机不转，且声光报警电路无输入电压，也不工作；当有害气体浓度增加至大于泄露浓度C1但小于超标浓度C2时，QM-N5气敏传感器电阻值变小，使得电压比较器U4正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，电压比较器输出高电平，使继电器工作，电机转动。当有害气体浓度增加至大于超标浓度C2时，QM-N5气敏传感器电阻值变得更小，电压比较器U2,U4的正向输入端输入的电压大于反向端输入的电压，电压比较器均输出高电平，这时电机转动，而且驱动声光报警电路工作进行报警。
改变滑线变阻器RV2的电阻值，可以改变电压比较器U2的反向输入端电压，相当于设定了泄露浓度C1的值；改变滑线变阻器RV4的电阻值，可以改变电压比较器U4的反向输入电压，相当于设定了超标浓度C2的值。
2.3.3声光报警电路及抽排电路

图2.5声光报警电路及抽排电路
光报警电路由555多谐振荡器U3控制，其原理与机器人行走电路中555相同，在此不做赘述。
双音报警电路：它由两片555定时器组成。一般555在组成自激多谐振荡器时，为了防止外界干扰对阀值电压的影响，通常将5脚通过一个小电容(0.01μF-0.1μF)接地。当需要把它变成可控多谐振荡器时，可以在电路的5脚外加一个控制电压，这个电压将改变芯片内比较电平，从而改变振荡频率，当控制电压升高（降低）时，振荡频率降低(升高)，这就是控制电压对振荡信号频率的调制。利用这种调制可组成双音报警器。U3输出方波信号，通过U5的5脚控制其比较电平。
当U3输出高电平时，U5的振荡频率低，当U3输出低电平时，U5的振荡频率高。因此U5的振荡频率被U3的输出电压调试为两种音频，使扬声器发出“滴、嘟、滴、嘟……”的双音声响。
2.4仿真结果与分析

由仿真结果可以看出，当有害气体浓度介于泄漏浓度与超标浓度之间时电压比较器U4正向输入端输入的电压大于反向输入端的电压，电压比较器输出高电平，使继电器工作，电机转动，抽排系统开始工作。

从仿真结果可以看出，当有害气体浓度超过超标浓度时，电压比较器U2,U4的正向输入端输入的电压大于反向端输入的电压，电压比较器均输出高电平，这时电机转动，而且驱动声光报警电路工作进行报警。
可见电路运行正常，不仅实现了有害气体的检测与抽排，而且设置了两个参考浓度，实现了分级控制。改变滑线变阻器RV2的电阻值，可以改变电压比较器U2的反向输入端电压，相当于设定了泄露浓度的值；改变滑线变阻器RV4的电阻值，可以改变电压比较器U4的反向输入电压，相当于设定了超标浓度的值。

2.5小结
本电路设置了两个等级的浓度，采用电压比较器实现了分级控制；利用两片555定时器构成了双音报警系统。但相比单片机修改程序即可实现不同控制，本电路显得没那么灵活。

2.6附图：有害气体检测与抽排电路原理图及PCB板

图2.6原理图

图2.7 PCB板
2.7主要芯片及器件
2.7.1QM-N5气敏传感器
QM-N5型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，市场上应用广泛。
QM-N5气敏元件参数如下：标定气体（0.1%丁烷气体，最佳工作条件）中电压≥2V，响应时间≤10S，恢复2K。
2.7.2继电器
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁继电器的工作原理和特性：
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

2.8附表：有害气体检测与抽排电路所用元件
名称
规格型号
位号
数量
7805集成稳压器
L7805
U1
1
变压器
TRAN-2P2S
TR1
1
整流桥
BRIDGE
BR1
1
直流电机
MOTOR
M1
1
继电器
RLY-SPNO
RL1、RL2
2
电压比较器
COMPI
U2、U4
2
555定时器
NE555
U3、U5
2
灯泡
LED-BIRG
D1
1
喇叭
SPEAKER
LS1
1
电阻
1K
R5
1
电阻
50K
R1
1
电阻
10K
R2、R4
1
滑动变阻器
1K
RV1、RV2、RV3
3
滑动变阻器
100K
RV1
1
三极管
2N3019
Q1
1
电容
10UF
C4
1
电容
1000uF
C1
1
电容
0.01uF
C3
1
电容
0.1uF
C2、C5
2
二极管
DIODE
D2、D3、D4
3

设计体会
通过这一周的课程设计，我收获了很多。在设计机器人行走和有害气体检验与抽排电路的过程中，我学会了仿真软件proteus的使用方法，也运用Altium Designer绘制出了原理图，并生成了PCB板，学到了很多关于软件使用的新知识。并且借此机会我也复习巩固了模电和数电的相关知识，将所学的内容应用到实际的电路设计中，也让我对这些以前的知识点有了新的理解，就比如对555定时器的应用，对计数器的使用。
在设计电路的过程中，我也遇到过一些问题，最终通过各种方法方式得以解决，这些都锻炼了我解决问题的能力，为今后设计更复杂的系统奠定基础。通过设计这两个简单控制电路，我对工业控制有了更深刻的理解，也意识到自己的很多不足，在今后的学习生活中我会更加注重控制电路的设计，拓展自己的相关知识。
这一周的课程设计，我们的状态可以用心无旁骛，全身心投入来形容，每个人都在努力整理自己的设计思路，然后寻求方法来实现并解决问题。课程设计，就是认真钻研，动脑思考，动手实践，把不懂的知识弄懂的过程，对我们学习如何把理论运用到实践很有帮助。

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 组编
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) 《数字电子技术基础》 伍时和 主编 清华大学出版社
7) 《模拟电子电路》 吴友宇 主编 科学出版社
8) 《工程实训与训练教程》 周新民 主编 武汉理工大学出版社

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