项目一机器猫产品的设计、组装与调试

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1、1项目一 机器猫产品的设计、组装与调试项目目标与要求1认识机器猫产品，掌握声控、光控、磁控传感器原理，了解传感器基础知识2掌握 555 定时器以及构成的单稳态触发电路的工作原理以及分析方法3掌握利用 Multisim 软件完成原理图设计与仿真的方法4掌握利用 Protel SE 软件设计产品 PCB 板的方法5了解电路板制作工艺、掌握电路板的安装工艺6掌握产品整机装配与调试方法任务一 认识机器猫产品一、任务目标与要求1知识目标：555 定时器以及构成的单稳态触发电路的工作原理2能力目标：了解机器猫产品的机、电、声、光、磁结合的特点，掌握机器猫的工作原理的分析方法。二、任务实施步骤及工艺要求1产

2、品简介 机器猫产品如图 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、或者用磁铁靠近猫的尾部、或者用手电筒照射猫的眼睛，机器猫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机器猫产品外形图2项目一 机器猫产品的设计、组装与调试图 1-2机器猫电路原理图 2工作条件 图 1-2 所示为机器猫的电路图，它是声控、光控、磁控机电一体化电动玩具。主要工作原理：利用 555 构成的单稳态触发器，在三种不同的控制方法下，均给以低电平触发，促使电机转动，从而达到了机器猫停走的目的。即：拍手即走、光照即走、磁铁靠近即走，但都只是持续一段时间后就停

3、会下，再满足其中一条件时将继续行走。麦克风 S1，接收声控信号，其中 R4 为麦克风提供工作电压，C1 为耦合电容提供交流通路；S2 为红外接收管，接收红外信号；S3 为干簧管，接收磁控信号；R、LED、V 为红外发射装置，发射红外信号；R1、R2、R5、Q1 为交流小信号放大电路，C3 为耦合电容提供交流通路；R3、R7、R10、Q2 为开关电路，提供 IC1 的 2 脚输入脉冲；R6、C5 为单稳电路的定时元件；C2 为控制端 5 接地电容；C6 电源滤波电容 R8、Q4、Q5、M1 负载输出电路，D1 续流二极管保护 M1；D2、C4、R9、Q3 为稳态期间防止第二个脉冲进入；K1、Vc

4、c 为整机提供 4.5V 电源。 3555 定时器介绍和构成的单稳态触发电路的工作原理 （1）555 定时器逻辑符号和引脚排列 555 定时器逻辑符号如图 1-3 所示，引脚排列如图 1-4 所示。图 1-3555 的逻辑符号3传感技术及安防应用图 1-4555 的引脚排列 （2）引脚功能 555 定时器引脚功能如下：1 脚（GND）：接地。2 脚 Vi2（） （THR）：低电平触发端，简称低触发端，标志为。TRTR 3 脚 VO（OUT）：输出端。4 脚（RST）：复位端。Rd 5 脚 VM(CON)：控制电压端。6 脚 Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为 TH。

5、7 脚 Dis：放电端。8 脚 Vcc：电源。 4555 定时器内部电路分析 （1）分压器 分压器由三个等值的电阻串联而成，将电源电压 VCC分为三等分，作用是为比较器提供两个参考电压 UR1、UR2，若控制端 5 悬空或通过电容接地，则：UR1=2/3VCC，UR2=1/3VCC。若控制端 5 外加控制电压，则：UR1=，UR2=1/2。SuSuSu（2）比较器 比较器是由两个结构相同的集成运放 C1和 C2构成，C1用来比较参考电压 UR1和高电平触发端电压 UTH：当 UTHUR1，集成运放 C1输出 Uo1=0；当 UTHUR2，集成运放 C2输TRUTRU出 Uo2=1；当2/3VC

6、C（1）1/3VCC（1）01010与地导通11/3VCC（1）11保持原状态不变保持原状态不变12/3VCC（0）1/3VCC（0）10101与地断开6555 构成的单稳态触发电路的工作原理 用 555 定时器组成的单稳态触发器电路如图 1-6 所示。其工作原理如下：5传感技术及安防应用（1）t0t1稳态稳态 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 uC2/3Vcc，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、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）t1t2暂稳态暂稳态 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 t1t3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

8、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

9、单稳电路的定时元件。图 1-6 为单稳态触发电路及其工作波RCRCtW1 . 13ln形。本电路工作波形可在软件仿真时观察。6项目一 机器猫产品的设计、组装与调试图 1-6单稳态触发电路及工作波形7传感技术及安防应用三、总结与提高1请根据教学和实践，谈谈对实施本任务的体会，详细写出实践过程中出 现的问题和解决方案 2元件技术资料的查询 （1）上网查找驻极体麦克风、红外接收管、干簧管等传感器的技术资料，了解具体使用方法。（2）上网查找型号为 LM555CM 的 555 时基电路集成块的技术资料，分析其工作原理，了解具体使用方法。 3机器猫实际电路分析 图 1-7 是机器猫产品的实际电路分析其工作

10、原理，计算延时时间。U1LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R1 1.0MR2 150kR3 150kR4 4.7kR5 4.7kR6 10kR7 10kR8100R94.7kR10 1.0MR11 1.5kC11uF-POLC3 1uF-POLC6220uF-POLQ12SC945Q22SC945Q32SC945Q42SC945Q52N2222AC2 10nFD2 1N4148D1 1N4001GPJHDR1X2J1HDR1X2J3HDR1X2J2HDR1X4C5470uF-POLC4 47uF-POLS1S2S3M15V_1WX25V_1WX35V

11、_1WX45V_1WV14.5 V S4S+S-I+I-乐 乐 乐 乐 乐乐 乐 乐 乐 乐乐 乐 乐 乐 乐R+R-M+M-乐 乐 乐乐 乐 乐乐 乐乐 乐 乐乐 乐乐 乐 乐乐 乐乐 乐 乐乐 乐V+V-U2乐 乐乐 乐 乐V+V-SPSPS5乐 乐 乐 乐R128.2k 乐 乐 乐乐乐乐乐乐乐图 1-7机器猫实际电路参考原理接线图 4拓展与提高 （1）分析电源开关闭合时的电路状况。（2）上网查找音乐集成块的技术资料，了解具体使用方法。（3）分析图 1-7 中磁敏传感器和红外接收管与声敏传感器触发方式的异同，针对可能出现的问题，提出改进意见。8项目一 机器猫产品的设计、组装与调试任务二 原

12、理图设计与仿真一、任务目标与要求（1）知识目标：了解 Multisim 软件的相关知识（2）能力目标：掌握利用 Multisim 软件完成原理图设计与仿真的方法二、任务实施步骤及工艺要求1原理图设计与仿真（Multisim） 图 1-8 为机器猫的仿真电路图，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，相当于机器猫的“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 1-8EDA 仿真电路图 2本电路元件清单 EDA 仿真电路元件清单如表 1-2 所示，由

13、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。9传感技术及安防应用表 1-2 EDA 仿真电路元件清单数量描述库参考标识封装1TIMER, LM555CMU1GenericM08A（DIP-8）2RESISTOR, 150kOhm_5%R2, R3GenericRES0.5（AXIAL0.4）3RESISTOR, 4.7kOhm_5%R5, R4, R9GenericRES0.5（AXIAL0.4）2RESISTOR, 10kOhm_5%R6, R7GenericRES0.5（AXIAL0.4）2RE

14、SISTOR, 1.0MOhm_5%R1, R10GenericRES0.5（AXIAL0.4）1RESISTOR, 1.5kOhm_5%R11GenericRES0.5（AXIAL0.4）2RESISTOR, 100Ohm_5%R8, R12GenericRES0.5（AXIAL0.4）2CAP_ELECTROLIT, 1uF-POLC1, C3GenericELKO5R5（RB-.1/.2）1CAP_ELECTROLIT, 220uF-POLC6GenericELKO10R5（RB-.2/.4）4BJT_NPN, 2SC945Q1, Q2, Q3, Q4GenericTO-921BJT_N

15、PN, 2N2222AQ5GenericTO-181CAPACITOR, 10nFC2GenericCAP3（RAD0.2）4SWITCH, SPSTK2, K1, K3, K4GenericSPST1DIODE, 1N4148D2GenericDO-35（DIODE0.4）1DIODE, 1N4001GPD1GenericDO- 204AL（DIODE0.4）15V_1W, 5V_1WX1GenericLAMP1CAP_ELECTROLIT, 470uF-POLC5GenericELKO10R5（RB-.2/.4）1CAP_ELECTROLIT, 47uF-POLC4GenericELKO8

16、R5（RB-.2/.4）1OPTOCOUPLER_VIRTUAL，4N25U2虚拟元件2POWER_SOURCES, GROUND0虚拟元件1DC_POWER, 4.5 V V虚拟元件1DC_POWER, 3 V V1虚拟元件注：光电耦合器 4N25、电源接地等只用于仿真，括号内的封装为对应的 Protel 封装。用示波器观察 555 芯片的 6 脚和 3 脚的波形，得到如图 1-9 所示的波形图。 （注：此图是 C5=1F 时得到的波形图，如果 C5=470F，必须通过单击“仿真”菜单下“交互式仿真设置”子菜单，在“交互式仿真设置”对话框中将最大时间步长设置为 0.0010.01 秒，否则仿真时间太长） 。验证了单稳态的工作原理即：电源接通，若触发输入端施加触发信号10项目一 机器猫产品的设计、组装与调试2 脚电压1/3Vcc，触发器发生翻转，电路进入暂稳态，3 脚输出为高电平，且图 2 中 T1截止