测控技术与仪器基础工程设计说明书-寻光机器人论文).doc

编号：

基础工程设计说明书

寻光机器人

电子工程与自动化学院
测控技术与仪器
谢金桂
1200820335
黎莲花
题 目：

院 （系）：
专 业：
学生姓名：
学 号：
指导教师：
职 称：

2014年 9 月19日

14

桂林电子科技大学基础工程设计说明书
摘 要

通过课设，加深对《电路分析基础》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》等课程知识的理解，进一步训练和提高工程实际应用能力，能够综合运用基础课程所学的知识，设计并制作出实际应用电路或系统
用555定时器设计电路, 555定时器的2、6管脚连接到一起，构成一个施密特触发器。左右两边的光强差使两个光敏电阻的阻值发生变化，对电源分压，A点的电压作为施密特触发器的触发信号，使3管脚的输出信号产生翻转，驱动两个电机
本次制作，让我把课堂上所学的知识运用到实际应用中，从一个新的角度来思考所学知识，体会到考试和动手操作是完全不同的，只要能够把所学的知识运用到实际中，才算真正理解，这些知识才算真正属于自己的。在查找资料的过程中，了解到555定时器的广泛应用，不仅可以用来制作定时器，报警器，还可以制作控制电路，比如：水位控制器，智能温室系统等等。所以，在以后的电子制作中，要拓展思路，不要只局限于单片机。
关键词：寻光机器人；555定时器；施密特触发器；
目 录
引言 3
1. 设计目的 3
1.1 机器人的定义 3
1.2 设计目的 3
2. 设计要求 4
2.1 功能要求 4
2.2 器件要求 4
3. 设计方案 4
3.1 设计原理 4
3.1.1 光敏电阻的特性 4
3.1.2 电机的特性 4
3.1.3555 定时器的功能 4
3.2 题目分析 5
3.3 方案一 6
3.3.1 工作原理 7
3.3.2 调试 7
3.4 方案二 7
3.4.1 工作原理 9
4. 方案对比 9
5. 结论 9
谢 辞 10
参 考 文 献 11
附 录 12
PCB图 12
元器件清单 12

引 言
《汤问篇》记载说：“周穆王西巡狩，越昆仑，【不】至山。反还，未及中国，道有献工名偃师。穆王荐之，问曰：‘若有何能？’偃师曰：‘臣唯命所试。然臣己有所造，愿王先观之。’穆王曰：‘日以俱来，吾与若俱观之。’越日偃师谒见王。王荐之，曰：‘若与偕来者何人邪？’对曰：‘臣之所造能倡者。’穆王惊视之，趋步俯仰，信人也。”
这记载的是匠人偃师为周穆王制造的机器人。距今已有3000多年，是有文献记载的最早的机器人。
现代第一台可编程机器人是1954年由美国人乔治·德沃尔制造出来的，这种机器人能按照不同的程序从事不同的工作，具有一定的通用性和灵活性。
20世纪以来，机器人技术得到迅速发展，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，在各行各业得到广泛应用，现如今，机器人已经发展成为一门集机械学、电子学、计算机、自动控制、人工智能、仿生学等多个学科与一体的综合学科。未来的机器人将向着智能化发展。
当今世界，机器人研究水平最高的当属美国和日本。随着机器人在各行各业的运用，特别是工业和农业生产上的应用越来越广泛，研究出最新型，功能最强大的的机器人对于提高国家的综合实力就显得越来越重要了。
制作机器人是很多电子爱好者都做过的，本次课设，要求设计制作一个寻光机器人。这个要求很简单，原理也很清楚，很多芯片都可以做到，比如：单片机。这应该是初学者首先想到的，但是，用单片机制作，不仅成本高，还需要编程。本次课设，选用的是555定时器制作寻光机器人，成本低，制作简便。
1、 设计目的
1.1机器人的定义
广泛的定义，机器人就是在日常生活、工业生产和科研领域中，能代替人工作的机械装置。虽然现在机器人的应用非常广泛，但是，不同国家，不同领域的学者给出的定义并不一样。最多人认可的是美国机器人协会给出的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或者专用装置，通过可编程程序动作来执行各种任务并具有编程能力的多功能机械手。
1.2设计目的
通过课设，加深对《电路分析基础》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》等课程知识的理解，进一步训练和提高工程实际应用能力，能够综合运用基础课程所学的知识，设计并制作出实际应用电路或系统。
在画原理图、PCB的时候，把CAD课程中所学到的知识运用到实际操作中，加深对DXP的理解与记忆；在制作电路板的过程中，懂得板子的制作流程；在查找资料以及设计制作寻光机器人和调试的过程中，加深对555定时器的功能的理解，掌握直流电机的运动控制原理，掌握光敏电阻的应用，并对现代机器人有一定的了解与认识。
2、 设计要求
2.1功能要求
NE555工作在双稳态状态，构成施密特触发器模式。光敏电阻用来检测机器人前方的环境光。机器人的左眼与右减速电机、右眼与左减速电机，是彼此协同工作的，根据双眼检测到的环境光线的差异，由NE555驱动两只电机做差速运转，驱动小车向着光线的方向前进。
2.2器件要求
一片NE555、两个光敏电阻、2个减速电动机、其他分立元件。
3、 设计方案
3.1设计原理
3.1.1光敏电阻的特性
光敏电阻器是一种对光敏感的元件，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。 光敏电阻器按其光谱特性可分为可见光光敏电阻器、紫外光光敏电阻器和红外光光敏电阻器。
此方案用的是可见光光敏电阻。当光敏电阻遇光时，电阻发生了改变。粗略地测试了常光和黑暗中的电阻，由于不同的地方光强略有差异，所以只给出大概的范围，如表3-1所示：
表3-1 光敏电阻特性图
光照
电阻
常光
几十K（32K）
黑暗
20多M（23M）
3.1.2 电机的特性
电机泛指能使机械能转化为电能、电能转化为机械能的一切机器。特指发电机、电能机、电动机。是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电动机俗称马达。按照使用电能的种类，可分为直流电机和交流电机。
此方案用的是直流电机。加在直流电机两端的电压方向不同，电机的转向会不同；加在直流电机两端的电压大小不同，电机的转速会不同。
3.1.3 555定时器的功能
555时基电路诞生于20世纪70年代初，最初它仅仅是为制作电子定时器电路而设计制作的，随着在实践中的应用，人们发现它不仅仅只限于用了制作定时器，还有着更为广泛的用途。例如：可以组成振荡器产生的矩形波脉冲可以作为计数器电路和程序控制电路的时钟脉冲；可以产生音频脉冲，通过发声元器件输出音响信号；可以组成双稳态触发器，用了制作控制电路的开关；可以组成单稳态触发器，用了定时、延时、或脉冲整形；可以组成施密特触发器，应用到控制电路中。由于555定时器工作性能稳定，价格便宜，由555定时器组成的这些基本电路已经广泛运用到工农业生产、家用电器、科研、通信、仪器仪表、儿童玩具等方面。
555定时器的管脚图和内部结构图如图3-1,图3-2所示：

图3-1 555定时器管脚图 图3-2 555定时器内部结构图
555定时器组成的基本电路
l 多谐振荡器：多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。用555定时器组成的多谐振荡器的电路特点是：引脚2、6接在一起，通过连接一个电容接地，输出端3通过一个电阻与2、6接到一起。
l 单稳态电路：单稳态电路，就是说该电路只有一个稳定状态，另一个状态为不稳定状态或者暂稳定状态，这种电路在平时处于稳定状态，当需要时，用一个触发信号区触发它，使它翻转进入暂稳状态，经过一段时间后电路又自动恢复到稳态。555定时器组成的单稳态电路特点是：将一个具有一定时间常数的RC电路接到555电路的2、6管脚，RC电路的一端接工作电源，另一端接地，将触发信号接到2、6管脚。
l 双稳态电路：双稳态电路就是当对电路加入一个触发信号后，触发器的输出电平就会发生翻转。即电路如果原来的输出电平为高电平，当电路被触发翻转后，输出低电平，如果不加触发信号，则电路的输出状态会一直保持不变。用555定时器组成的双稳态触发器的特点：引脚2、6作为触发信号的输入端，2端口要用低电平触发，6脚要用高电平触发。
l 施密特触发器：把用555定时器组成的双稳态电路的两个触发信号输入端连接在一起，就构成了施密特触发器，严格上说，施密特触发器也是双稳态触发器的一种。但是施密特触发器的特殊之处在于，电路被触发信号触发发生翻转后，这个触发信号不能被撤除，否侧，触发器会立即恢复到原来的稳定状态。所以说，施密特触发器是靠触发信号电压来维持的，这有点像单稳态电路，但又不是单稳态电路。
3.2题目分析
寻光机器人的关键地方，在于能让电机做差速运动，电机的差速运动，则由光敏电阻检测到光强差控制，如图3-3所示

图3-3
机器人的两只眼睛，用光敏电阻代替，当两只眼睛，即光敏电阻检测到左右两边的光强差时，控制两个电机做差速运动。
l 当左边光照强时，左电机减速，机器人向左边运动。
l 当右边光照强时，右电机减速，机器人向右边运动。
要控制电机做减速运动，就要控制电机两端的电压。额定电压内，电机两端的电压越大，电机的转速越大，且加在电机两端的电压方向不同，转向也会不同。
3.3方案一：如图3-4所示
555定时器的2、6管脚连接到一起，构成一个施密特触发器。左右两边的光强差使两个光敏电阻的阻值发生变化，对电源分压，A点的电压作为施密特触发器的触发信号，使3管脚的输出信号产生翻转，驱动两个电机。

图3-4 原理图

根据仿真结果，得出：
A点的电压和B点电压的关系如表3-2所示：
表3-2
输入电压UA
输出电压UB
0 <=UA< 2/3VCC
VCC
2/3VCC <=UA<= VCC
0

3.3.1工作原理
l 当两边的光照强度一样时，左右眼的光敏电阻的阻值一样，A点的电压等于二分之一VCC，即小于三分之二VCC，所以B点的电压等于VCC，此时，左电机向前转动，右电机几乎不动，机器人在向右转圈。
l 当右边的光照强于左边时，右眼的光敏电阻的阻值远远小于左眼，A点的电压近乎等于0，即小于三分之二VCC，所以B点电压等于VCC，此时右电机几乎不动，左电机向前转，机器人向右转。
l 当左边的光照强于右边时，左眼的光敏电阻的阻值远远小于右眼，A点的电压近乎等于VCC，即大于三分之二VCC，所以B点的电压等于0，此时左电机几乎不动，右电机向前转，机器人向左转。

图3-5 实物图

3.4方案二：如图3-6所示

图3-6

方案二是由方案一稍微修改得出的，通过光强差，改变光敏电阻R1，R2的阻值，从而改变A点的电压。用两个与非门的输入端并接连成两个非门。用仿真软件观察知道，光照照右眼，B点输出高电平，C点输出低电平，所以此时左电机转动，右电机减速。

图3-7

图3-8
通过仿真，见图3-7图3-8，知道，当D点的电压，即与非门的输入小于或等于2.5V时，在数字电子技术中等同于低电平“0”，当与非门的输入大于2.5V时，等同于高电平“1”。
3.4.1工作原理
如图3-6所示。当光敏电阻有光强差时，两个电阻的阻值发生变化，所以A点的电阻也发生了变化。
l 当左眼光照强时，A点的电压大于2.5V，相当于高电平“1”，经过一次“非”，B点为低电平“0”，再经过一次“非”，C点为高电平“1”。所以此时左电机不转，右电机向前转，机器人向左转。
l 当右眼光照强时，A点的电压小于2.5V，相当于低电平“0”，经过一次“非”，B点为高电平“1”，再经过一次“非”，C点为低电平“0”，所以此时右电机不转，左电机向前转，机器人向右转。
l 两边光照一样时，A点等于2.5V，相当于低电平“0”，经过一次“非”，B点为高电平“1”，再经过一次“非”，C点为低电平“0”，所以此时右电机不转，左电机向前转，机器人向右转。
4、 方案对比
虽然两个方案都能实现寻光的指标，但是最后综合考虑，还是方案一好。因为：
l 方案一成本低：555定时器比74LS00与非门便宜
l 74LS00与非门的输入大于2.5V，即相当于高电平“1”，所以为了易于控制，机器人的驱动电压VCC应该在5V左右比较好，但是这个电压对于电机的驱动电压来说，比较小。
5、调试
把实际电路图做好后，安装小车调试。发现机器人在实际运动中，对光还是比较敏感的，能够分辨出左右两边的光强差，从而做出预期的运动，基本实现了要求。但是机器人两边的光强差必须要比较明显才可以。
在原本设计中，是打算用6V的直流电源驱动机器人的，但在实际试验中发现，用6V直流电源驱动的机器人行动缓慢，并且时不时有卡顿的现在，通过在直流电机两侧加6V直流电源，在电机转动后，逐步加大电机两端的电压，发现转速明显变快。而后，在555定时器的4、8管脚加上6V电压，并逐步加大电压，发现加到8V多的时候，555定时器会出现明显发热的现象，所以综合考虑，打算用7.5V电压，即5节干电池驱动机器人。
在随后的试验中发现，虽然用7.5V电压驱动机器人，可以保证机器人能够正常行动，而且不再出现卡顿情况，并且555定时器也能正常工作，但是机器人的速度增加，导致寻光的灵敏度下降，机器人可以很灵敏地左转,但是当光照在右边时，右转很困难。所以，为了很好地达到寻光的目的，最后依然采用的是6V电压驱动机器人。在最后的调试中，把机器人轮子仔细调整，减少摩擦的地方，也解决了机器人出现卡顿的问题。
5、 结论
本次制作，让我把课堂上所学的知识运用到实际应用中，从一个新的角度来思考所学知识，体会到考试和动手操作是完全不同的，只要能够把所学的知识运用到实际中，才算真正理解，这些知识才算真正属于自己的。在查找资料的过程中，了解到555定时器的广泛应用，不仅可以用来制作定时器，报警器，还可以制作控制电路，比如：水位控制器，智能温室系统等等。所以，在以后的电子制作中，要拓展思路，不要只局限于单片机。

谢 辞
经过一周多的努力，成功地完成了课设。在此，感谢黎莲花老师的指导，感谢科协帮忙打印PCB的同学，感谢身边同学的建议和帮忙，因为有你们，这次课设才得以更加顺利的完成了。

参考文献
[1] 机器人的发展. 百度文库.
[2] 最早的机器人.光明日报:2008年1月28日.
[3] 光敏电阻器参数及分类. 电子发烧友.
[4] 阎石.数字电子技术基础.第五版.高等教育出版社.
[5] 肖景和.555集成电路应用精粹.人民邮电出版社.

附 录

PCB图
元器件
数量
NE555P
1个
芯片底座DIP8
1个
光敏电阻
2个
排针
1排
1.5V干电池
4节
小车轮子
2个
万向轮
1个
杜邦线
10根
小车模型
1台

元器件清单
1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究
2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究
3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究
4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制
5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究
6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器
7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究
8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现
9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统
10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究
11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究
12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发
13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制
14. 基于单片机的自动找平控制系统研究
15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发
16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发
17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现
18. 一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制
19. 基于双单片机冲床数控系统的研究
20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制
21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制
22. 基于单片机的软起动器的研究和设计
23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究
24. 基于单片机的机电产品控制系统开发
25. 基于PIC单片机的智能手机充电器
26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究
27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究
28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制
29. 基于微型光谱仪的单片机系统
30. 单片机系统软件构件开发的技术研究
31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制
32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制
33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用
34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制
35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制
36. 基于单片机的数字磁通门传感器
37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究
38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究
39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制
40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪
41. 基于单片机的电机运动控制系统设计
42. Pico专用单片机核的可测性设计研究
43. 基于MCS-51单片机的热量计
44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站
45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究
46. 基于单片机的轮轨力检测
47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现
48. 基于单片机的电液伺服控制系统
49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制
50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究
51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究
52. 单片机控制的后备式方波UPS
53. 提升高职学生单片机应用能力的探究
54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究
55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究
56. 基于单片机的多通道数据采集系统
57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制
58. 基于单片机的红外测油仪的研究
59. 96系列单片机仿真器研究与设计
60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造
61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现
62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制
63. 基于单片机的气体测漏仪的研究
64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究
66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计
67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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