机器人无线通信系统设计毕业设计论文

常州工学院学士学位论文PAGE目录TOC\o"1-1"\f\h\u14702第一部分设计任务与调研 32692第二部分设计说明 516804第三部分设计成果 1611530第四部分结束语 2118613第五部分致谢 2227534第六部分参考文献 23

第一部分设计任务与调研毕业设计的任务和意义1.1毕业设计的任务设计一个基于单片机的机器人无线通信系统，实现两个机器人之间的相互通信。两个机器人的任何一方既可以作为数据发送方也可以作为数据接收方；机器人在待机状态时保持接收数据的状态；当满足特定条件时，机器人自动向另一方发送数据，也可以通过按钮人为控制发送数据；接收到数据或发送数据时有明显的灯光或声音提示。1.2毕业设计的背景意义随着单片机技术的不断发展，单片机的应用已经从单机向多机互联化方向发展。单片机在实时数据采集和数据处理方面，有着成本低、能满足一般要求、开发周期短等优点，其在智能家居、计算机的网络通信与数据传输、工业控制自动化等方面有着广泛的应用。目前计算机、通信和无线技术的逐步融合，在传统的有线通信的基础上，无线通信技术应运而生，他具有快捷、方便、可移动和安全等优势，所以广泛应用到遥控玩具、汽车电子、环境监测和电气自动化等。在自动化测控系统中,仪器仪表之间、计算机和各仪器之间不断地进行着各种信息的交换和传输,而这种信息的交换和传输其实就是两个机器人之间的通讯的问题。目前,随着机器人的应用越来越广泛,进行机器人通讯已经是非常有必要的事情。为了能够实时得到机器人控制器的状态参数,如工具中心点的坐标、工具的姿态、以及各个轴的转角等信息。多机器人的实时通讯必不可少，而这一切的基础就是双机器人的通讯。课题研究现状自80年代以来，多机器人系统受到国内外普遍的关注。近年来，在IEEER&A,IROS等著名的国际机器人学术会议上，几乎每次会议都有多机器人系统通讯的专题。一些机器人学术刊物出版了有关多机器人系统的专刊。许多研究机构都开展了这方面的研究，代表性的研究项目有:CEBOT系统MARTHA系统、G.Beni研究的SWARM系统等系统。目前，他们正在研究如何使机器人在应对突发事件和障碍时具有更高的自主性。多机器人的通讯问题是其中的关键。因此，他们正在对多机器人的通讯问题进行深入研究，寻求较好的解决方案。从理论上讲，多机器人通信(multiplemobilerobotscommunication)就是多点对多点的通信，它是由多个机器人组成的局域通信网。目前，很多机构都根据多机器人通信系统体积小、功耗低的特点，对有线局域网、无线局域网和自组网做适当的改进来组建多机器人通信网络。有线局域网和无线局域网技术在工业机器人领域己经得到广泛应用。调研的目的及总结随着科学技术的发展，机器人的能力不断提高，其应用领域和范围也不断扩展，而机器人通讯无疑是机器人技术发展中十分重要的一环。目前计算机、通信和无线技术的逐步融合，在传统的有线通信的基础上，无线通信技术应运而生，他具有快捷、方便、可移动和安全等优势，也广泛应用到遥控玩具、汽车电子、环境监测和电气自动化之中。所以设计一个基于单片机的机器人无线通信系统，实现两个机器人之间的相互通信意义非凡。

第二部分设计说明1、设计简介本系统为基于51单片机的多机红外无线通信系统，由三个51单片机模块组成。其中一个作为主机（即上位机），负责接收来自从机1（即下位机）采集的数据信息，以及向从机2（即下位机）发送控制信息。从机1是数据采集模块，采集温度、光强等室内数据，并将其发送给主机。主机经分析处理，作出相应判断，并给从机2发送控制信息，使由从机2控制的电机作出相应反应，调节室内环境状况。2、多机通信原理介绍在多机通信系统中，要保证主机与从机间可靠的通信，必须要让通信接口具有识别功能，51单片机串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2正是为了满足这一要求而设置的。当串行口以方式2或方式3工作时，发送或接收的每一帧信息都是11位的，其中除了包含SBUF寄存器传送的8位数据之外，还包含一个可编程的第9位数据TB8或RB8。主机可以通过对TB8赋予1或0，来区别发送的是数据帧还是地址帧。根据串行口接收有效条件可知，若从机的SCON控制位SM2为1，则当接收的是地址帧时，接收数据将被装入SBUF并将RI标志置1，向CPU发送中断请求；若接收的是数据帧时，则不会产生中断标志，信息将被丢弃。若从机的SCON控制位SM2为0，则无论主机发送的是地址帧还是数据帧，接收数据都会被装入SBUF并置1标志位RI，向CPU发出中断请求。那么，我们规定如下通信协议：（1）置1所有从机的SM2位，使之处于只能接收地址帧的状态，并给每个从机初始化一个地址值；（2）主机发送地址帧，其中包含8位地址信息，第9位为1，进行从机寻址；（3）从机接收到地址后，将8地址信息与其自身地址值相比较，若相同则清“0“控制位SM2，若不同则保持SM2位为1；（4）主机从第二帧开始发送数据帧，其中第9位为0。对于已经被寻址的从机，因其SM2为0，可以接收主机发送来的任何信息，而对于其他从机，因其SM2为1，将对主机发送来的数据信息不予理睬，直到发来一个新的地址帧。（5）若主机需要要与其他从机联系，可再次发送地址帧来进行从机寻址，而先前被寻址过的从机在分析出主机发来的地址帧是对其他从机寻址时，恢复其自身的SM2为1，对主机随后发来的数据信息不予理睬。3、红外通信方式介绍因为本系统是面向智能家居而设计的，考虑到有线方式给用户带来的不便，我们选用无线作为各单片机间的通信方式。且我们队员以前未做无线通信，希望在这次比赛中锻炼、提高自己。对于无线通信方式，常见的有五种：红外通信，蓝牙通信，Zigbee通信，GSM通信，GPRS通信。红外通信是我们在学习中接触到最多的，元件材料相对简单、容易获得，能够满足一般家庭应用，且红外通信方面的资料比较多，易学。蓝牙设备自制不易，购买则增加系统成本。Zigbee、GSM、GPRS则或系统设计复杂，或成本高。红外通信背景介绍：红外线是波长在750nm至1000nm间的电磁波，其频率高于微波而低于可见光，是一种人肉眼看不见的光线。目前无线电波和微波已被广泛应用在长距离的无线通信中，但由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通信场合点对点的直线数据传输。4、硬件电路实现对于系统的硬件电路实现，89C52单片机采用主办方提供的最小系统核心板，其晶振和复位电路已经做好，I/O也引出。其他外围电路模块，有矩阵键盘、1602液晶、红外收发模块、数据采集模块、电机驱动电路，则设计合理的电路原理图（部分模块已完成），用AltiumDesigner软件画出PCB板图，并利用学校实验室条件将其做做出来。焊接元器件，再用杜邦线与核心板连接。4.1红外收发器TFDU4100对于红外收发模块，我们采用TFDU4100红外收发器来实现。TFDU4100是常用的低电压红外收发模块，以串行方式进行数据交换，遵循IrDA1.2标准，最高通信速率可以达到115.2Kbps，最大传输距离为3.0m。TFDU4100芯片图片和管脚定义分别如下图2-1，表2-1所图2-1TFDU4100芯片图片表2-1TFDU4100管脚定义管脚号作用描述I/O有效电平1IREDAnode红外发射的阳极，该引脚通过一个外接电阻与Vcc2相接2IREDCathode红外发射的阴极，该引脚在模块内部与输出驱动相连3TXD发送数据的输入端输入引脚高4RXD接收数据的输出端，不需要上拉或下拉电阻，数据发送时此脚无效输出引脚低5NC不用连接6Vcc1/SD电源/关闭引脚,当该脚为低电平时,红外传输模块关闭7SC灵敏度控制端输入引脚高8GND接地端除了使用TFDU4100构成红外收发模块外，还可以选用其他的方案。比如用分立元件搭建一个红外发射、接收电路：用电阻、电容组成低步振荡器，频率调在38KHz左右，由红外发光二极管发射载波；红外接收部分采用普通的红外接收头，比如LF0038U，再用二极管、晶体管、电容、电阻构成放大、解调电路。但此方案缺点在于电路复杂、系统稳定性不强，并且成本与采用TFDU4100设计差别不大。4.2串行红外传输控制器TOIM3232介绍根据IrDA红外传输标准，串行红外传输采用特定的脉冲编码标准，该标准与RS232串行传输标准不同。若两设备之间进行串行红外通讯，就需要一个传输控制器，以进行RS232编码和IrDA编码之间的转换。TOIM3232串行红外传输控制器就是Vishay公司为配合TFDU4100而设计的。其功能结构图如图2-2所示：图2-2TOIM3232功能结构框图在输出模式下，TOIM3232可把RS232输出信号转变成符合IrDA标准的信号以驱动红外发射器；在接收模式下，TOIM3232可把IrDA输入信号转变成符合RS232标准的信号；TOIM3232的红外传输速度范围为2.4Kbit/s～115.2Kbit/s。TOIM3232内部有一个3.6864MHz的晶振，用以实现脉冲的扩张和压缩。该时钟信号既可以由内部晶振产生也可用外部时钟实现。该控制器可通过RS232口进行编程控制，其输出脉冲宽度可程控为1.627μs或3/16位长。1602液晶是一种专门用于显示字母、数字、符号的点阵式LCD，它有5*10和5*7两种点阵字符显示模式可供选择，5*7点阵字符下可以显示2行共32个字符。一般其主控制驱动电路为HD44780，模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。1602液晶在此模块内的作用，是显示从机1测量的数据，验证红外通信的可靠性；当主机要切换要与之通信的从机时，用1602显示修改后与之通信的从机名。红外通信模块主要由TFDU4100和TOIM3232构成。TFDU4100采用IrDA红外传输标准，即串行红外传输的脉冲编码，这个标准不能和单片机接口直接兼容。所以用串行红外传输控制器TOIM3232进行串码和IrDA编码间的转换。TOIM3232可把单片机输出的串码信号转换成符合IrDA标准的信号以驱动TFDU4100；它还可以将IrDA输入信号转换成串码信号送入单片机。4.3主机模块主机模块以89C52单片机为控制核心，外围主要接有4X4矩阵键盘、1602液晶显示屏、TFDU4100红外收发器、串行红外传输控制器TOIM3232。此模块中89C52单片机作为CPU，控制整个系统的运转。系统启动时，默认主机与从机1建立连接。主机以串行口中断方式接受从机1发送的数据。数据经单片机分析，显示于1602液晶上，并判断是否向从机2发送控制信息。主机部分如图2-3所示：液晶显示液晶显示I/OI/O主机89c52单片机TXDRXD红外收发模块矩阵键盘图2-3主机部分框架图本系统中我们使用4*4的非独立式矩阵键盘，如下图2-4所示。将行线、列线分别连接到按键开关的两端，并且连接到单片机的I/O口图2-44*4矩阵键盘4.4机1模块从机1模块以89C52单片机为控制核心，外围主要接有1602液晶显示屏、TFDU4100红外收发器、串行红外传输控制器TOIM3232、ADC0809、温度传感器、光强传感器。室内温度的测量采用温度传感器DS18B20。选用此传感器的原因是它价格便宜，可以降低系统成本，且对于一般家庭使用，此传感器的精度足够了。使用简单，易控制。DS18B20提供9位二进制温度读数，指示器件的温度信息，并通过单线接口送至CPU。DSl820中有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM编号为0号和1号。将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值(-550摄氏度--125摄氏度)。光强传感器采用实验室现已有的，主要由可见光光敏电阻器、普通电阻等分立器件构成。光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强时，电阻减小，入射光弱时，电阻增大。所有传感器输出的数据均为模拟量，要输入单片机处理，必须经过A/D转换。模数转换芯片采用ADC0809，主要原因是采集数据的路数较多（以后还可扩展），需要一个多通道的A/D，以前做数电实验时用过的ADC0809正是8位8通道的模数转换芯片，它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。从机1部分如图2-5所示：温度传感器温度传感器光强传感器液晶显示ADC0908从机189C52单片机TXDRXD红外收发模块图2-5机1部分框架图红外收发模块，则负责将传感器采集的数据传至主机，其结构已在前面介绍过。1602液晶在此处的作用是将单片机接收到的数据显示出来，与传到主机的数据作对比，验证红外通信的可靠性。红外收发模块如下图2-6所示：红外收发器红外收发器TFDU410089C52TXDRXD串行红外传输控制TOIM3232图2-6红外收器4.5机2模块从机2模块以89C52单片机为控制核心，外围主要接有红外收发模块、电机驱动电路、直流电机和窗帘模型。红外收发模块负责接收主机发送来的信息，经单片机处理，以控制电机运转电机驱动电路主要由L298N构成。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。直流电机采用德国FAULHABER-2342电机，其转子转动惯量小，因而动态性能极好；FAULHABER电机采用精密合金换向器，因其接触电阻低而使性能优良。从机2部分如图2-7所示：从机2从机289C52单片机TXDRXD红外收发模块电机驱动电路直流电机窗帘模式图2-7机2部分框架图5软件部分5.1主机程序系统启动时，默认主机与从机1建立连接。主机以串行口中断方式接受从机1发送的数据。数据经单片机分析，显示于1602液晶上，并判断是否向从机2发送控制信息。主机程序连接机1部分流程图如图2-8所示：默认启动时与从机1连接默认启动时与从机1连接1602显示此时与从机1连接结束While(1)死循环单片机复位开始图2-8主机程序连接机1部分流程图首先通过串行口中断，然后对数据进行分析同时通过1602显示器将数据显示出来，以超过阀为标准来判断是否将从机2连接至键盘与1602显示器，再通过红外收发装置发送数据，最后返回主程序。主机程序连接机2部分流程图如图2-9所示：1602显示数据1602显示数据返回主程序返回主程序1602显示连接机2红外发送数据串行口中断数据分析键盘设置连接从机2超过阀yN图2-9主机程序连接机2部分流程图通过矩阵键盘，可以向主机输入要寻址的从，以控制主与哪一个从通信；并能控制与主机连接的1602液晶，显示任意一项从机1测量的数据.主机负责对外围器件的调度与控制，包括红外收发模块接收数据控制、键描、1602液晶的显示、是否向从机2发送消息。4*4矩阵键盘的程序设计流程图如下图2-10所示：使所有行为低电平使所有行为低电平读入列值为全1全1延迟20ms置第一行使此行为低电平读入列值为全1已到最后行置下一行误动作，返回无键按下，返回得到键值等待键释放处理此键是否否否是是图2-104*4矩阵键盘的程序设计流程图5.2从机1程序从机1模块以89C52单片机为控制核心，外围主要接有1602液晶显示屏、TFDU4100红外收发器、串行红外传输控制器TOIM3232、ADC0809、温度传感器、光强传感器。所有传感器输出的数据均为模拟量，要输入单片机处理，必须经过A/D转换。模数转换芯片采用ADC0809，主要原因是采集数据的路数较多（以后还可扩展），需要一个多通道的A/D，以前做数电实验时用过的ADC0809正是8位8通道的模数转换芯片，它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。机1的程序流程图如下图2-11所示：开始1602显示开始1602显示红外向主机发送启动A/D，采集数据复位定时时间到？结束yN图2-11从机1程序流程图5.3从机2程序为表征电机控制的实现，在电机后端我们做一个窗帘模型，通过电机控制窗帘的开关。89C52单片机在此模块中，负责控制接收来自主机的信息，并产生PWM波驱动电机，以达到调速的目的。51没有硬件的PWM，全靠软件模拟。调速程序可以用定时器做，首先设置两个定时用的全局变量，一个代表高电平时间，一个代表低电平时间。先给定时器初值（既那两个全局变量中的一个），溢出后触发中断，在中断里设置另另一个初值并且取反PWM的输出端口，两个初值轮流给定时器，就可以任意调整占空比，占空比取决于两个初值。此法对于精度要求不高的场合，很适用。电机控制程序流程图如下图图2-12所示：是是否幅度调制和PWM占空比更新相位累加和波形数据获取波形参数更新PWM周期中断中断返回需要更新波形参数吗？图2-12电机控制程序流程图第三部分设计成果1原理图1.1射频收发模块原理图图3-1射频收发原理图1.251单片机、TOIM3232、TFDU4100简易连接原理图图3-251单片机、TOIM3232、TFDU4100简易连接原理图1.3系统仿真图图3-3系统仿真图2程序#include<reg52.h>#defineucharunsignedcharucharbw,sw,gw,aa,i,temp;ucharcodetable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};sbitd1=P3^0;sbitwr=P3^6;sbitrd=P3^7;sbitd2=P2^4;voiddelay(ucharz){uchari,j;for(i=z;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);}voiddisplay(uchartemp){aa=temp/5;P2=0x01;P0=table[aa/100];delay(5);P2=0x02;P0=table[aa%100/10];delay(5);P2=0x02;P0=0x7f;delay(5);P2=0x04;P0=table[aa%10];delay(5);P2=0x08;P0=table[0];delay(5);if(aa<25){if(d2==0){d1=0; 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第四部分结束语本文利用单片机实现机器人的相互通讯，以51单片机为主控制，结合传感器技术，位置控制等技术，运用程序的编写，实现机器人之间的通讯。设计机器