基于能力风暴机器人的超声测距扩展卡的毕业设计

本科毕业论文设计题目能力风暴机器人的超声波测距电路的设计学院_机电工程学院_专业_机械工程及自动化_姓名_刘伟强_指导教师_王海峰_2010年6月2日基于能力风暴机器人的超声波测距扩展卡设计THEDESIGNOFSONARRANGINGCIRCUITBOARDBASEDONABILITYSTORMROBOT摘要这篇论文讲述了能力风暴机器人的超声波测距扩展卡的一种设计方法，包括超声波传感器的选用，电路板的设计等。并用PROTEL99SE软件绘制出了电路原理图和印刷电路板图，用VJC16软件编出了简单调试程序。该超声波测距扩展卡所用芯片较少，成本较低，重量轻，使用起来非常方便，比较好的解决了能力风暴机器人在足球、擂台赛等对抗激烈的比赛中距离测量的问题。本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及ATMEL公司的AT89C51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。关键词超声波测距；VJC16；能力风暴机器人ABSTRACTTHISPAPERDESCRIBESADESIGNMETHODOFSONARRANGINGCIRCUITBOARD,INCLUDINGTHESELECTIONOFSONARRANGINGSENSORANDPCBDESIGNTHECIRCUITSCHEMATICANDPRINTEDCIRCUITBOARDAREMADEOUTUSINGPROTEL99SE,ANDASIMPLEPROGRAMISGIVENINTHISPAPERTHESONARRANGINGCIRCUITBOARCONSISTSOFVERYFEWCHIPS,SOITISLOWCOST,LIGHTWEIGHT,ANDVERYEASYTOUSEITEASILYSOLVESTHEPROBLEMOFDISTANCEMEASURINGINTHEFIERCECOMPETITIONOFTHEROBOTSOCCERGAMETHISSUBJECTHASINTRODUCEDTHEPRINCIPLEANDCHARACTERISTICOFTHEULTRASONICSENSOR,ANDTHEPERFORMANCEANDCHARACTERISTICOFONECHIPCOMPUTERAT89C51OFATMELCOMPANYINDETAIL,ANDONTHEBASISOFANALYZINGTHEPRINCIPLEOFSONARRANGING,WEPOINTOUTTHEQUESTIONSTHATWENEEDTOBECONSIDEREDANDTHEDESIGNMETHODS,PROVIDINGTHEHARDWARECIRCUITOFLOWCOST,HIGHACCURACY,ULTRASONICRANGINGCIRCUITBOARDANDTHESOFTWAREDESIGNMETHODBASEDONAT89C51THISCIRCUITOFSYSTEMISREASONABLEINDESIGN,ANDCANMEETINDUSTRYSAPPLICATIONDEMANDINTHEMEASURINGPRECISION。KEYWORDSSONARRANGINGVJC16ABILITYSTORMROBOT目录第1章绪论111机器人研究的意义1111机器人足球的发展1112传感器技术与超声波应用212能力风暴机器人概述2121开设能力风暴机器人教育的意义2122能力风暴机器人结构3123能力风暴机器人的硬件3124能力风暴机器人的开发能力5第2章超声波扩展卡设计思路621超声波简介622超声波测距原理623课题设计的任务和要求824方案设计比较8第3章系统硬件结构设计1131系统主要结构113251系列单片机功能结构特点11321AT89C51的引脚介绍12322AT89C51的定时计数系统13323AT89C51的中断系统1433LM555定时器介绍1434LM567介绍1735正五伏电压到正负五伏电压变化转换芯片MAX6601937五伏到正12伏的电压变换电路2036硬件扩展总线ASBUS2137其他电路设计22第4章绘制电路板2341PROTEL介绍及作图流程23第5章超声波测距扩展卡的软件调试2551VJC编程及JC代码编程25511VJC简介25512JC语言2553单片机汇编语言调试28531采用汇编语言的优点28532程序流程图28结论30参考文献32谢辞33附录34附录134附录236第1章绪论11机器人研究的意义机器人ROBOT是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。它可以说是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业甚至军事等领域中均有重要用途。机器人是近年来的研究热点，其研究水平是一个国际科技实力的重要标志。“能力风暴”ABILITYSTORMS机器人由上海广茂达电子信息有限公司开发，呈单片机结构，外形酷似UFO，是专为个人机器人的需求设计的，它是最优秀的科技类探索性课程及课外活动的教具，它融合了光学、机械、电子、计算机等学科的高科技知识，集辅助教学和娱乐于一身。能力风暴个人机器人的配有5种十几个传感器，另外还可以根据需要扩展其他传感器，对环境的感知能力很强。感知环境的能力是产生智能行为的前提，因此能力风暴能产生许多智能性行为。本课题主要是设计一块基于能力风暴机器人的超声波测距模块，用于解决“能力风暴”大学版机器人在比赛过程中识别障碍物的问题。111机器人足球的发展足球机器人比赛虽然刚刚开展几年时间，但是它吸引了越来越多人的关注。因为它以喜闻乐见的方式走进了我们的视野，虽然它的体积很小，但是它的意义非常重大。它是综合了计算机技术，自动化技术，机电一体化技术，人工智能技术，模式识别技术的一门综合技术。足球机器人的核心技术是人工智能技术，它的目地是使机器具有人的智慧。它能使机器具有像人一样的感知环境，向环境学习的能力。人工智能包括智能控制、机器感知、机器情感、专家系统、人工生命、神经元网络和遗传算法等等。112传感器技术与超声波应用传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。12能力风暴机器人概述121开设能力风暴机器人教育的意义自从20世纪60年代初世界第一台机器人诞生以后,机器人技术得到了迅速地发展。在21世纪,机器人技术的进步将会对科学与技术的发展产生重要影响。高技术研究发展计划“863“计划是我国关于高技术的中长期研究发展计划,智能机器人是自动化领域的主题之一。“863“计划开始实施以来,在特种机器人,机器人应用工程,机器人基础技术等方面取得了很大成绩,组织和培养了一支数量可观的研究开发队伍,建立了一批各具特色的研究开发环境,“863“计划已成为我国发展智能机器人技术的最重要的阵地。能力风暴机器人ASU以下简称ASU是上海广茂达公司生产的专门面向教育的机器人。它融合了现代工业设计、机械、电子、传感器、计算机和人工智能等诸多领域的先进技术，学生可以通过使用能力风暴个人机器人接触到多方面的知识和技术。它提供了一个接口平台，可供用户进行扩展，实现二次开发，在软件，机械，电子等方面均有较强的延拓能力。它采用图形化交互C语言简称VJC完成ASU的软件开发，具有基于流程图的编程语言和交互式C语言简称JC,便于用户自由发挥。开展能力风暴机器人研究活动，旨在进一步加强未成年人思想道德教育，提高广大青少年的科学素养，发展自身潜能，引导更多的大中小学生关注科技、热爱科技、走进科技，涌现出更多的未来科学家和未来工程师。在积极推进基础教育和高等教育改革的过程中渗透科学技术教育，努力培养大中小学学生的实践能力和创新精神。122能力风暴机器人结构ASUII是面向教育的新一代智能移动机器人。ASUII结构参见图11ASUII有一个功能强大的微处理系统和传感器系统，而且它还能扩展听觉、视觉、和触觉，成为真正意义上的智能机器人。ASUII的身体结构主要由控制部分、传感器部分和执行部分三大部分组成。每一部分介绍如下1控制部分控制部分是ASUII机器人的核心组成部分，ASUII的大脑有记忆功能，这主要由主板上的内存来实现，至于“大脑”的分析、判断、决断功能则由主板上的众多芯片共同完成。图11ASUII的内部结构图123能力风暴机器人的硬件人对周围环境的反应过程主要是感觉大脑思考作出反映，机器人的信息处理流程也是如此。能力风暴智能机器人的配有5种十几个传感器，另外还可以根据需要扩展其他传感器，对环境的感知能力很强。感知环境的能力是产生智能行为的前提，因此能力风暴能产生许多智能性行为。能力风暴通过微控制器MICROCONTROLLER来思维。我们采用的是MOTOROLA公司8位单片机中功能最强、集成功能最全的高档机种。它的可靠性很高，有程序自下载功能。能力风暴连上串口线就可自动下载程序。计算机硬件决定了机器的极限潜能，去开发这种潜能是软件的工作。能力风暴机器人为用户提供了交互式图形化编程C语言VJC，它使开发能力风暴的高层行为充满了乐趣。有的低层的驱动软件与硬件相关太紧密或实时要求很高，需要用汇编语言来处理。能力风暴智能机器人的执行器有二只高性能直流电机；一只喇叭；一只216字符的液晶显示器。能力风暴机器人的系统结构如图12所示。图12能力风暴机器人的系统结构能力风暴计算机硬件的设计策略是尽量选择功能齐全、可靠、周边设备集成度高的微控制器，价格也需控制，能让中国的学生以可以承受的价格获得世界上先进的智能机器人计算平台。MOTOROLA生产的68HC11，以极少的周边芯片获得了齐全的功能，8个模拟口，5个输入捕捉，3个PWM输出，16位地址，8位数据总线，串口，以及4个通用I/O。同时，充分考虑到软件开发工具问题。因为没有优秀方便的软件开发工具，硬件只能成为专有系统，而无法成为开发平台。68HC11的自下载功能，使我们拥有了纯软件开发调试的优秀工具JC。JC即可用于开发高层应用软件，又便于开发低层驱动，还能交互调试。124能力风暴机器人的开发能力1软件开发能力标准C语言子集，简洁的专业程序员语言支持浮点运算、指针、多维数组；先进的多任务操作系统ASOS；便于学习的图形化交互式语言；众多的驱动程序和应用程序代码，在高手的基础上学习编程。能力风暴机器人ASU它采用图形化交互C语言简称VJC完成ASU的软件开发,具有基于流程图的编程语言和交互式C语言简称JC,便于用户自由发挥。2机械扩展能力1至32个直流电机；1至4个步进电机交流伺服电机；1至32个继电器、电继阀、记忆合金；1至32个灯泡、电热丝、蜂鸣器。扩展实例灭火风扇，机械手臂，装饰彩灯等。3电子扩展能力至几百路位模拟输入；至几十路输出捕捉；路数字式输出。扩展实例超声测距卡，红外测距卡，路伺服电机驱动卡，路输入输出。第2章超声波扩展卡设计思路21超声波简介超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。22超声波测距原理221超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。在本次设计中我们采用市场上较为普遍的型号为TR4016B的超声波传感器。TR4016B是分体式超声波传感器，共分为接收和发射两部分。其中，标有T的是发射部分，标有R的是接收部分。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。若对发送传感器内谐振频率为40KHZ的压电陶瓷片双晶振子超声波传感器施加40KHZ高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40KHZ频率的超声波，其超声波以疏密形式传播疏密程度可由控制电路调制，并传给波接收器。接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“”极，另一面为“”极的40KHZ正弦电压。因该高频电压幅值较小，故必须进行放大。超声波传感器使得驾驶员可以安全地倒车，其原理是利用探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并及时发出警告。所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉警告，其警告表示是探测到了在盲区内障碍物的距离和方向。这样，在狭窄的地方不管是泊车还是开车，借助倒车障碍报警检测系统，驾驶员心理压力就会减少，并可以游刃有余地采取必要的动作。222超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340M/S，根据计时器记录的时间T，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即S340T/2。这就是所谓的时间差测距法。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为LCT1式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差T为发射到接收时间数值的一半。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。根据超声波测距公式LCT，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。时间误差当要求测距误差小于1MM时，假设已知超声波速度C340M/S20室温，忽略声速的传播误差。测距时间误差T2/3VCC是高电平1，1/3VCC是高电平1，5/如果左方光强稍强则左转/MOTOR1,80MOTOR2,10ELSEIFPHOTO_35/如果左侧光强稍强则右转/MOTOR1,10MOTOR2,80ELSE/光强相同的话则前行/MOTOR1,80MOTOR2,80原理图P101P112P123P134P145P156P167P178RST9RXD/P3010TXD/P3111INT0/P3212INT1/P3313T0/P3414T1/P3515WR/P3616RD/P3717XTAL218XTAL119GND11P07/AD732P24/AD1225P06/AD633P23/AD1124P05/AD534P25/AD1326P04/AD435P22/AD1023P03/AD336P26/AD1427P02/AD237P21/AD922P01/AD138P27/AD1528P00/AD039P20/AD821PSEN29VCC40ALE/PROG30EA/VPP31U2AT89C51Y112MHZ12U1A74HC04C110UC230PC330PDATA7DATA6DATA5DATA4DATA3DATA2DATA1DATA0VCCR110KD11N4148DATA0DATA1DATA2DATA3DATA4DATA5DATA6DATA7PE71PE62IS314PE53IS213PA14IS112PA25IS011PA36OS310OS07OS29OS18JP3ASBUSBPC01PC12PC23PC34PC45PC56PC67PC78RST9IRQ10VCC11GND12VM13GND14JP2ASBUSAVCCD03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U374HC373VCC12IS3CO