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机器狗论文.docx
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机器狗论文
实训项目(论文)
题目简易机器狗的制作
学生姓名马骏
专业班级机械11-1班
所在院系 机械工程系
指导教师
完成日期年月日
1.简介
机器狗产品如图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、或者用磁铁靠近狗的尾部、或者用手电筒照射狗的眼睛,机器狗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。
图1-1
2机器狗的工作
该装置主要由声控检测电路、光控检测电路、磁控检测电路、触发电路、单稳态电路、开关组成。
声敏元件麦克风V1与电阻R1、R2,组成声敏取样电路,主要是将声信号转变为电信号,为单稳态电路提供触发信号。
光敏三极管、干簧管可以将光信号、磁场信号转变为电信号,为单稳态电路提供触发信号。
2.1控制电路原理图
图1-2
2.2单稳态触发器工作原理
用555定时器组成的单稳态触发器电路如图1-3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。
。
图1-3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。
图1-3
2.3机器狗工作原理
2.3.1声控工作原理
当声敏元件麦克风V1没有声音激发时,其导电率很低,且呈高阻抗,使得Q1反偏截止,电源通过R10加在Q2的基极上Q2截至,IC1的2脚输入高电平,处于复位状态,3脚输出低电平,M1关断,则电机没有工作,机器狗保持静止状态。
当声敏元件麦克风V1处在一定的声波之中时,其内部会产生一系列电子密度的变化,因而麦克风V1电阻变得很小。
这时,声波检测信号通过C1直接耦合到Q1的基极上而导通,并且反向,再通过C3直接耦合到Q2的基极,与通过R10的电压叠加变成高电平,Q2导通,使得ICI等元件组成的单稳态电路2脚输入从高电平跳变为低电平,IC1被触发翻转,3脚输出高电平,M1开通,电动机开始工作,机器狗便开始行走了,同时行走的时间将延长到单稳态触发器的延时时间。
当IC1的3脚输出高电平可以带动电机工作的同时,D2被导通,将直接加到Q3的基极上,Q3被导通,进而Q2被截止,IC1的2脚输入由低电平跳为高电平。
IC1处于复位状态。
由于声波的延续,使得声敏元件麦克风V1连续不断地受到声波的作用,则IC1的2脚会不断得到触发, 3脚持续输出高电平,这时该电路将一直驱动电机M1工作,机器猫会持续行走,直到声波消失。
2.3.2光控、磁控工作原理
当光敏三极管或干簧管被激发时,他们可以直接将光信号、磁信号转变为电信号,使得IC1等元件组成的单稳态电路2脚由高电平跳变为低电平,从而IC1被触发翻转,3脚输出高电平,
M1开通,电动机开始工作,机器猫便开始行走了,同时行走的时间将延长到单稳态触发器的延时时间。
当IC1的3脚输出高电平可以带动电机工作的同时,D2被导通,将直接加到Q3的基极上,Q3被导通,进而Q2被截止,IC1的2脚输入由低电平跳为高电平。
IC1处于复位状态。
由于光信号、磁信号的延续,使得光敏接收管和干簧管连续不断地受到光信号、磁信号的作用,则IC1的2脚会不断得到触发,且3脚持续输出高电平,这时该电路将一直驱动电机M1工作,机器狗会持续行走,直到光信号或磁信号消失为止。
3.仿真原理图及仿真结果
3.1仿真原理图
图1-4为机器狗的仿真电路图,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,相当于机器狗的“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。
图1-4
本电路元件清单
EDA仿真电路元件清单如表1-1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。
表1-1
数量
描述
库
参考标识
封装
1
TIMER,LM555CM
U1
Generic\M08A(DIP-8)
2
RESISTOR,150kOhm_5%
R2,R3
Generic\RES0.5(AXIAL0.4)
3
RESISTOR,4.7kOhm_5%
R5,R4,R9
Generic\RES0.5(AXIAL0.4)
2
RESISTOR,10kOhm_5%
R6,R7
Generic\RES0.5(AXIAL0.4)
2
RESISTOR,1.0MOhm_5%
R1,R10
Generic\RES0.5(AXIAL0.4)
1
RESISTOR,1.5kOhm_5%
R11
Generic\RES0.5(AXIAL0.4)
2
RESISTOR,100Ohm_5%
R8,R12
Generic\RES0.5(AXIAL0.4)
2
CAP_ELECTROLIT,1uF-POL
C1,C3
Generic\ELKO5R5(RB-.1/.2)
1
CAP_ELECTROLIT,220uF-POL
C6
Generic\ELKO10R5(RB-.2/.4)
4
BJT_NPN,2SC945
Q1,Q2,Q3,Q4
Generic\TO-92
1
BJT_NPN,2N2222A
Q5
Generic\TO-18
1
CAPACITOR,10nF
C2
Generic\CAP3(RAD0.2)
4
SWITCH,SPST
K2,K1,K3,K4
Generic\SPST
1
DIODE,1N4148
D2
Generic\DO-35(DIODE0.4)
1
DIODE,1N4001GP
D1
Generic\DO-204AL(DIODE0.4)
1
5V_1W,5V_1W
X1
Generic\LAMP
1
CAP_ELECTROLIT,470uF-POL
C5
Generic\ELKO10R5(RB-.2/.4)
1
CAP_ELECTROLIT,47uF-POL
C4
Generic\ELKO8R5(RB-.2/.4)
1
OPTOCOUPLER_VIRTUAL,4N25
U2
虚拟元件
2
POWER_SOURCES,GROUND
0
虚拟元件
1
DC_POWER,4.5V
V
虚拟元件
1
DC_POWER,3V
V1
虚拟元件
3.2仿真结果
如图1-5
图1-5
4.焊接、组装及调试
4.1焊接步骤
①准备:
焊接前必须做好焊接的准备工作,它包括选用合适功率的电烙铁和烙铁头,烙铁头的清洁和上锡,焊接部位的清洁处理,预焊,元器件引线的成形及插装,焊接工具及焊接材料的准备,使连接点处于随时的状态。
②加热:
就是用烙铁头加热焊接部位,使连接点的温度加热到焊接需要的温度。
在加热中,热量供给的速度和最佳焊接温度的确定是保证焊接质量的关键。
通常焊接温度控制在260ºC左右。
但考虑电烙铁在使用过程中的散热,可把温度适当提高一些,控制在300ºC左右。
③加焊料:
当烙铁加热到一定温度后,即可在烙铁头和连接点的结合部或烙铁头对称的一侧,加上适量的焊料,焊料量的多少,应使导线的外形保持可见或保证能够覆盖接点。
在施焊过程中,要求焊接者针对不同的焊接对象,掌握正确的焊接时间。
通常焊接时间控制在2~3s之内。
④冷却:
焊接时间结束之后,焊料和烙铁头都已撤离,焊点应自然冷却,不要用嘴吹或其它强制冷却的方法,以免影响焊点的形成,在焊料凝固过程中,连接点不应受到任何外力的影响而改变位置。
④清洗:
焊接完成之后,必须进行清洗,除去残留在焊点周围的焊剂,油污等,以防残留物的污染及腐蚀,并使焊点清洁美观。
4.2组装及调试步骤
(1)检测和调试。
焊接完毕后,我们接着对机器狗电子电路进行安全检测和调试。
其步骤如下所示:
第一步:
用三用表蜂鸣档测试印刷板上各个焊点焊接情况,一旦
发现有的焊点发生短路、断路现象应立即加以修改。
第二步:
仔细检查每一条连线是否正确特别是:
电源正、负极的
焊接和电机正负极的焊接,以及传感器的焊接,这些地方焊接非常容易混乱,一定要仔细检查。
4.2焊接、组装注意事项
4.21焊接注意事项
①注意电烙铁的正确使用,尤其避免烫坏导线发生触电事故。
②焊接时间不可太长,不可用力使覆铜拱起。
③注意区分有极性元器件的极性。
④尽量避免重复焊接。
4.22组装注意事项
①干簧管放在狗后部,贴紧机壳,便于磁感应
②红外接收管通过钻孔放在狗胸前,便于感受光照
③麦克的放置要求不多,这点由声音的传导性质决定
5.心得体会
在安装机器狗的过程中,出现了许多问题,尤其是在在电路板的焊接和调试过程中,比较细的电线容易误焊断,导致加重了焊接的工作量,同时声敏传感器不耐热,焊接难度相当大,同时电线繁多,容易接错,这也是组装的一个难点之一。
经过我们细心而且耐心的检查和组装,最终也完成了机器猫,但仍有些许瑕疵:
内部电线繁多,不利于散热,应设法减少电线数量和长度。
总体而言,经过这次实践,对于555的应用又加深了了解,同时也很好的锻炼了自己的动手能力,取得了不错的进步。
参考文献
1.孟繁华《机器人应用技术》第一版。
哈尔滨工业大学出版社2006
2.翟玉文《电子设计与实践》第一版。
北京中国电力出版社2005
3.刘平南《现代电子设计》第一版。
北京电子工业出版社2003
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