基于能力風(fēng)暴機(jī)器人的超聲測距擴(kuò)展卡的畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　本科畢業(yè)論文 (設(shè)計)</p><p>　　題 目：能力風(fēng)暴機(jī)器人的超聲波測距電路的設(shè)計</p><p>　　學(xué) 院：____________機(jī)電工程學(xué)院_____________</p><p>　　專 業(yè)：___________機(jī)械工程及自動化__________</p><p>　　姓 名：____

2、___________ ________________</p><p>　　指導(dǎo)教師：______________ ________________</p><p>　　2010年 6 月 2日</p><p>　　基于能力風(fēng)暴機(jī)器人的</p><p>　　超聲波測距擴(kuò)展卡設(shè)計</p><

3、p>　　The Design of Sonar Ranging Circuit Board Based on Ability Storm Robot</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　這篇論文講述了能力風(fēng)暴機(jī)器人的超聲波測距擴(kuò)展卡的一種設(shè)計方法，包括超聲波傳感器的選用，電路板的設(shè)計等。并用Protel 99SE軟件繪制出了電路原理圖和

4、印刷電路板圖，用VJC1.6軟件編出了簡單調(diào)試程序。該超聲波測距擴(kuò)展卡所用芯片較少，成本較低，重量輕，使用起來非常方便，比較好的解決了能力風(fēng)暴機(jī)器人在足球、擂臺賽等對抗激烈的比賽中距離測量的問題。</p><p>　　本課題詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51單片機(jī)的性能和特點，并在分析了超聲波測距的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以AT89C51單

5、片機(jī)為核心的低成本、高精度、超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。該系統(tǒng)電路設(shè)計合理，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波測距；VJC1.6；能力風(fēng)暴機(jī)器人</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper describes a design method

6、of sonar ranging circuit board, including the selection of sonar ranging sensor and PCB design. The circuit schematic and printed circuit board are made out using Protel 99 SE,and a simple program is given in this paper.

7、 The sonar ranging circuit boar consists of very few chips, so it is low-cost, light weight, and very easy to use. it easily solves the problem of distance measuring in the fierce competition of the robot soccer game.<

8、;/p><p>　　This subject has introduced the principle and characteristic of the ultrasonic sensor,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C51 of Atmel Company in detail,and on the basis of

9、 analyzing the principle of sonar ranging,we point out the questions that we need to be considered and the design methods ,providing the hardware circuit of low cost , high accuracy , ultrasonic ranging circuit board and

10、 the software design method based on AT89C51.This circuit of system is reasonabl</p><p>　　Keywords: sonar ranging;VJC1.6; Ability storm Robot</p><p><b>　　目錄</b></p><p>&

11、lt;b>　　第1章 緒論3</b></p><p>　　1.1 機(jī)器人研究的意義3</p><p>　　1.1.1 機(jī)器人足球的發(fā)展3</p><p>　　1.1.2 傳感器技術(shù)與超聲波應(yīng)用4</p><p>　　1.2 能力風(fēng)暴機(jī)器人概述4</p><p>　　1.2.1 開設(shè)能力風(fēng)暴機(jī)

12、器人教育的意義4</p><p>　　1.2.2 能力風(fēng)暴機(jī)器人結(jié)構(gòu)5</p><p>　　1.2.3 能力風(fēng)暴機(jī)器人的硬件5</p><p>　　1.2.4 能力風(fēng)暴機(jī)器人的開發(fā)能力6</p><p>　　第2章 超聲波測距擴(kuò)展卡的設(shè)計8</p><p>　　2.1 超聲波擴(kuò)展卡設(shè)計思路8</p&g

13、t;<p>　　2.1.1 超聲波簡介8</p><p>　　2.1.2 超聲波測距原理8</p><p>　　2.1.3 課題設(shè)計的任務(wù)和要求10</p><p>　　2.1.4 方案設(shè)計比較10</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計13</p><p>　　3.1 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)13

14、</p><p>　　3.2 51系列單片機(jī)功能結(jié)構(gòu)特點13</p><p>　　3.2.1 AT89C51的引腳介紹14</p><p>　　3.2.2 AT89C51的定時計數(shù)系統(tǒng)15</p><p>　　3.2.3 AT89C51的中斷系統(tǒng)15</p><p>　　3.3 LM555定時器介紹16<

15、;/p><p>　　3.4 硬件擴(kuò)展總線ASBUS21</p><p>　　第4章 繪制電路板22</p><p>　　4.1 PROTEL介紹及作圖流程22</p><p>　　4.2 超聲波測距擴(kuò)展卡的軟件調(diào)試24</p><p>　　4.2.1 VJC簡介24</p><p>　　4

16、.2.2 JC語言24</p><p>　　4.3 單片機(jī)匯編語言調(diào)試25</p><p>　　4.3.1 采用匯編語言的優(yōu)點25</p><p>　　4.3.2 程序流程圖26</p><p><b>　　第5章 結(jié)論28</b></p><p><b>　　致 謝30

17、</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　附 錄32</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　機(jī)器人研究的意義</b></p><p

18、>　　機(jī)器人(Robot)是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。它可以說是高級整合控制論、機(jī)械電子、計算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。目前在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。機(jī)器人是近年來的研究熱點，其研究水平是一個國際科技實力的重要標(biāo)志。</p><p&

19、gt;　　“能力風(fēng)暴”(Ability Storms)機(jī)器人由上海廣茂達(dá)電子信息有限公司開發(fā)，呈單片機(jī)結(jié)構(gòu)，外形酷似UFO，是專為個人機(jī)器人的需求設(shè)計的， 它是最優(yōu)秀的科技類探索性課程及課外活動的教具，它融合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計算機(jī)等學(xué)科的高科技知識，集輔助教學(xué)和娛樂于一身。能力風(fēng)暴個人機(jī)器人的配有5種十幾個傳感器，另外還可以根據(jù)需要擴(kuò)展其他傳感器，對環(huán)境的感知能力很強(qiáng)。感知環(huán)境的能力是產(chǎn)生智能行為的前提，因此能力風(fēng)暴能產(chǎn)生許多智能性

20、行為。</p><p>　　本課題主要是設(shè)計一塊基于能力風(fēng)暴機(jī)器人的超聲波測距模塊，用于解決“能力風(fēng)暴”大學(xué)版機(jī)器人在比賽過程中識別障礙物的問題。</p><p><b>　　機(jī)器人足球的發(fā)展</b></p><p>　　足球機(jī)器人比賽雖然剛剛開展幾年時間，但是它吸引了越來越多人的關(guān)注。因為它以喜聞樂見的方式走進(jìn)了我們的視野，雖然它的體積很小，

21、但是它的意義非常重大。它是綜合了計算機(jī)技術(shù)，自動化技術(shù)，機(jī)電一體化技術(shù)，人工智能技術(shù)，模式識別技術(shù)的一門綜合技術(shù)。 </p><p>　　足球機(jī)器人的核心技術(shù)是人工智能技術(shù)，它的目地是使機(jī)器具有人的智慧。它能使機(jī)器具有像人一樣的感知環(huán)境，向環(huán)境學(xué)習(xí)的能力。人工智能包括智能控制、機(jī)器感知、機(jī)器情感、專家系統(tǒng)、人工生命、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等等。</p><p>　　傳感器技術(shù)與超聲波應(yīng)用&l

22、t;/p><p>　　傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。信息技術(shù)包括計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等等，其中，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。利用單片機(jī)控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且測量精度較高。</p>

23、;<p>　　超聲波測距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液位、井深、管道長度等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實意義。對本課題的研究與設(shè)計，還能進(jìn)一步提高自己的電路設(shè)計水平，深入對單片機(jī)的理解和應(yīng)用。</p><p><b>　　能力風(fēng)暴機(jī)器人概述</b></p><p>　　開設(shè)能力風(fēng)暴

24、機(jī)器人教育的意義</p><p>　　自從20世紀(jì)60年代初世界第一臺機(jī)器人誕生以后,機(jī)器人技術(shù)得到了迅速地發(fā)展。在21世紀(jì),機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步將會對科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。</p><p>　　高技術(shù)研究發(fā)展計劃("863"計劃)是我國關(guān)于高技術(shù)的中長期研究發(fā)展計劃,智能機(jī)器人是自動化領(lǐng)域的主題之一。"863"計劃開始實施以來,在特種機(jī)器人,機(jī)

25、器人應(yīng)用工程,機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)等方面取得了很大成績,組織和培養(yǎng)了一支數(shù)量可觀的研究開發(fā)隊伍,建立了一批各具特色的研究開發(fā)環(huán)境,"863"計劃已成為我國發(fā)展智能機(jī)器人技術(shù)的最重要的陣地。</p><p>　　能力風(fēng)暴機(jī)器人AS-UⅡ(以下簡稱：AS-UⅡ)是上海廣茂達(dá)公司生產(chǎn)的專門面向教育的機(jī)器人。它融合了現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計、機(jī)械、電子、傳感器、計算機(jī)和人工智能等諸多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，學(xué)生可以通過使用能力

26、風(fēng)暴個人機(jī)器人接觸到多方面的知識和技術(shù)。它提供了一個接口平臺，可供用戶進(jìn)行擴(kuò)展，實現(xiàn)二次開發(fā)，在軟件，機(jī)械，電子等方面均有較強(qiáng)的延拓能力。它采用圖形化交互C語言(簡稱VJC)完成AS-UⅡ的軟件開發(fā)，具有基于流程圖的編程語言和交互式C語言(簡稱JC),便于用戶自由發(fā)揮。</p><p>　　開展能力風(fēng)暴機(jī)器人研究活動，旨在進(jìn)一步加強(qiáng)未成年人思想道德教育，提高廣大青少年的科學(xué)素養(yǎng)，發(fā)展自身潛能，引導(dǎo)更多的大中小學(xué)生

27、關(guān)注科技、熱愛科技、走進(jìn)科技，涌現(xiàn)出更多的未來科學(xué)家和未來工程師。在積極推進(jìn)基礎(chǔ)教育和高等教育改革的過程中滲透科學(xué)技術(shù)教育，努力培養(yǎng)大中小學(xué)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神。</p><p><b>　　能力風(fēng)暴機(jī)器人結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　AS-UII 是面向教育的新一代智能移動機(jī)器人。AS-UII結(jié)構(gòu)參見圖1.1</p><p>　　AS

28、-UII有一個功能強(qiáng)大的微處理系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)，而且它還能擴(kuò)展聽覺、視覺、和觸覺，成為真正意義上的智能機(jī)器人。 AS-UII的身體結(jié)構(gòu)主要由控制部分、傳感器部分和執(zhí)行部分三大部分組成。每一部分介紹如下：</p><p><b>　　1．控制部分</b></p><p>　　控制部分是AS-UII機(jī)器人的核心組成部分，AS-UII的大腦有記憶功能，這主要由主板上

29、的內(nèi)存來實現(xiàn)，至于“大腦”的分析、判斷、決斷功能則由主板上的眾多芯片共同完成。</p><p>　　圖1.1 AS-UII的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　能力風(fēng)暴機(jī)器人的硬件</p><p>　　人對周圍環(huán)境的反應(yīng)過程主要是感覺→大腦思考→作出反映，機(jī)器人的信息處理流程也是如此。</p><p>　　能力風(fēng)暴智能機(jī)器人的配有5種十幾個傳感器

30、，另外還可以根據(jù)需要擴(kuò)展其他傳感器，對環(huán)境的感知能力很強(qiáng)。感知環(huán)境的能力是產(chǎn)生智能行為的前提，因此能力風(fēng)暴能產(chǎn)生許多智能性行為。</p><p>　　能力風(fēng)暴通過微控制器(microcontroller)來思維。我們采用的是Motorola公司8位單片機(jī)中功能最強(qiáng)、集成功能最全的高檔機(jī)種。它的可靠性很高，有程序自下載功能。能力風(fēng)暴連上串口線就可自動下載程序。</p><p>　　計算機(jī)硬件

31、決定了機(jī)器的極限潛能，去開發(fā)這種潛能是軟件的工作。能力風(fēng)暴機(jī)器人為用戶提供了交互式圖形化編程C語言—VJC，它使開發(fā)能力風(fēng)暴的高層行為充滿了樂趣。有的低層的驅(qū)動軟件與硬件相關(guān)太緊密或?qū)崟r要求很高，需要用匯編語言來處理。</p><p>　　能力風(fēng)暴智能機(jī)器人的執(zhí)行器有：二只高性能直流電機(jī)；一只喇叭；一只2*16字符的液晶顯示器。</p><p>　　能力風(fēng)暴機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。

32、</p><p>　　圖1.2 能力風(fēng)暴機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　能力風(fēng)暴計算機(jī)硬件的設(shè)計策略是盡量選擇功能齊全、可靠、周邊設(shè)備集成度高的微控制器，價格也需控制，能讓中國的學(xué)生以可以承受的價格獲得世界上先進(jìn)的智能機(jī)器人計算平臺。Motorola生產(chǎn)的68HC11，以極少的周邊芯片獲得了齊全的功能，8個模擬口，5個輸入捕捉，3個PWM輸出，16位地址，8位數(shù)據(jù)總線，串口，以及4個

33、通用I/O。</p><p>　　同時，充分考慮到軟件開發(fā)工具問題。因為沒有優(yōu)秀方便的軟件開發(fā)工具，硬件只能成為專有系統(tǒng)，而無法成為開發(fā)平臺。68HC11的自下載功能，使我們擁有了純軟件開發(fā)調(diào)試的優(yōu)秀工具JC。JC即可用于開發(fā)高層應(yīng)用軟件，又便于開發(fā)低層驅(qū)動，還能交互調(diào)試。</p><p>　　能力風(fēng)暴機(jī)器人的開發(fā)能力</p><p><b>　　(1)軟

34、件開發(fā)能力</b></p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)C語言子集，簡潔的專業(yè)程序員語言支持浮點運(yùn)算、指針、多維數(shù)組；先進(jìn)的多任務(wù)操作系統(tǒng)ASOS；便于學(xué)習(xí)的圖形化交互式Ｃ語言；眾多的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序代碼，在高手的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)編程。</p><p>　　(2)能力風(fēng)暴機(jī)器人AS- UⅡ它采用圖形化交互C 語言( 簡稱VJC)完成AS- UⅡ的軟件開發(fā), 具有基于流程圖的編程語言和交互式C

35、語言(簡稱JC),便于用戶自由發(fā)揮。</p><p><b>　　(3)機(jī)械擴(kuò)展能力</b></p><p>　　1至32個直流電機(jī)；1至4個步進(jìn)電機(jī)交流伺服電機(jī)；1至32個繼電器、電繼閥、記憶合金；1至32個燈泡、電熱絲、蜂鳴器。擴(kuò)展實例：滅火風(fēng)扇，機(jī)械手臂，裝飾彩燈等。</p><p><b>　　(4)電子擴(kuò)展能力</b&

36、gt;</p><p>　?。敝翈装俾罚肝荒M輸入；３至幾十路輸出捕捉；３２路數(shù)字式輸出。擴(kuò)展實例：超聲測距卡，紅外測距卡，６路伺服電機(jī)驅(qū)動卡，８路輸入輸出。</p><p>　　超聲波測距擴(kuò)展卡的設(shè)計</p><p>　　超聲波擴(kuò)展卡設(shè)計思路</p><p><b>　　超聲波簡介</b></p><

37、;p>　　超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。</p><p><b>　　超聲波測距原理</b></p><p><b>　　超聲波發(fā)生器 </b

38、></p><p>　　為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 在本次設(shè)計中我們采用市場上較為普遍的型號為T

39、R40-16B的超聲波傳感器。TR40-16B是分體式超聲波傳感器，共分為接收和發(fā)射兩部分。其中，標(biāo)有T的是發(fā)射部分，標(biāo)有R的是接收部分。</p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生器原理 </p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便

40、產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 </p><p>　　若對發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子超聲波傳感器)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長與縮短，于是發(fā)送40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調(diào)制)，并傳給波接收器。接收器是利用

41、壓力傳感器所采用的壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為“+ ”極，另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進(jìn)行放大。 超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車，其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時發(fā)出警告。所設(shè)計的檢測系統(tǒng)可以同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告，其警告表示是探測到了在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車，借助倒車障礙報警

42、檢測系統(tǒng)，駕駛員心理壓力就會減少，并可以游刃有余地采取必要的動作。</p><p><b>　　超聲波測距原理 </b></p><p>　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點

43、距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。 </p><p>　　超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。 </p><p>　　測距的公式表示為：L=C×T </p><p&g

44、t;　　式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。 </p><p>　　超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達(dá)到百米，但測量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級。 </p><p>　　由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度

45、測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達(dá)到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們設(shè)計的高精度超聲波測距儀能達(dá)到毫米級的測量精度。 </p><p>　　超聲波測距誤差分析 </p><p>　　根據(jù)超聲波測距公式L=C×T，可知

46、測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。時間誤差當(dāng)要求測距誤差小于1mm時，假設(shè)已知超聲波速度C=340m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距時間誤差△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。 </p><p>　　在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12M

47、Hz晶體作時鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時器能方便的計數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。由于本方案設(shè)計只用到八位數(shù)據(jù)傳輸，因此測量誤并主要體現(xiàn)在傳送數(shù)據(jù)上。5米定時計數(shù)器的最大值為72E3H,左移一位后的高八位為E5H,轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制后是229，測量誤差為5m/229=21.8mm。</p><p>　　課題設(shè)計的任務(wù)和要求</p><p>　　

48、(1) 超聲測距卡能發(fā)射超聲波并檢測被障礙物反射回來的聲波，測量出兩者的時間差，然后根據(jù)聲音在空氣中傳播的速度，計算出障礙物與機(jī)器人之間的距離。在機(jī)器人比賽中可對周圍環(huán)境進(jìn)行探測，確定對手所在的方位。</p><p>　　(2)Protel格式的電路原理圖和印刷電路板圖各一張。</p><p>　　(3)自制的無線通訊模塊一塊。</p><p>　　(4)利用VJC

49、1.6編程工具調(diào)試通過。</p><p><b>　　方案設(shè)計比較</b></p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　發(fā)射電路與接收電路如圖2.1所示。超聲波的發(fā)射電路由LM555定時器構(gòu)成40KHz的多諧振蕩器。 LM555第3引腳輸出端經(jīng)過功率放大后驅(qū)動超聲波傳感器TR40-16，使之發(fā)射出超聲

50、波信號。電路工作電壓12V。 </p><p>　　圖2.1 方案一的超聲波發(fā)射電電路</p><p>　　超聲波接收電路超聲波接收電路主要由接收換能器、功率放大電路、比較及控制等環(huán)節(jié)組成。9當(dāng)超聲波遇到障礙物返回時，超聲波接收傳感器TR40-16接收由于回波電壓的數(shù)量級在毫伏量級,并且在距離較遠(yuǎn)的情況下，回波更弱，因而必須將信號放大。 如圖2所示,設(shè)計中采用高速精密放大器 LM318。其

51、帶寬為15M,第1級放大50倍，第2級電路接可變電阻，理論放大倍數(shù)50倍這樣兩級放大倍數(shù)最大可達(dá)到2500倍，能充分滿足 因為較遠(yuǎn)距離傳播而變得相當(dāng)微弱的信號得到足夠增益。然后由L M5 6 7(音頻檢測器芯片)來完成信號的濾波、檢波、選頻等功能。</p><p>　　圖2.2 方案一的超聲波接收電路</p><p>　　該方案優(yōu)點：接收電路具有濾波功能，能最大幅度地減小干擾的影響，發(fā)射電

52、路由555定時器上的可調(diào)電阻可以很方便地調(diào)整發(fā)射頻率。</p><p>　　該方案缺點：該方案使用集成元件較多，體積較大。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p><b>　　發(fā)射電路</b></p><p>　　圖2.3 方案二的發(fā)射電路</p><p&g

53、t;　　發(fā)射電路如圖2.3所示。單片機(jī)信號經(jīng)與非門后經(jīng)過三極管放大，直接傳送到超聲波發(fā)射傳感器。</p><p>　　圖2.4 方案二的超聲波接收電路</p><p>　　接收電路如圖2.4所示，接收過來的信號經(jīng)兩級放大后直傳入單片機(jī)。</p><p>　　優(yōu)點：發(fā)射接收電路簡單，成本低，制作方便。</p><p>　　缺點：發(fā)射頻率不能夠調(diào)

54、整，在機(jī)器人足球比賽當(dāng)中若每個機(jī)器人的發(fā)射頻率相同，則容易互相干擾，因此測距可靠性要差一些。接收電路沒有濾波過程，容易形成干擾。</p><p>　　綜合兩種方案的優(yōu)缺點，本設(shè)計選擇使用第一種方案。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p><b>　　系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)</b></p>

55、<p>　　在方案一中超聲測距的電路主要組成如圖3.1所示</p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)的主要構(gòu)成</p><p>　　51系列單片機(jī)功能結(jié)構(gòu)特點</p><p>　　5l系列單片機(jī)中典型芯片(AT89C51)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2個16b的定時/計數(shù)器TO和T1，4個8b的I/O

56、端：P0，P1，P2，P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲器(E~PROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖3.2所示。</p><p>　　單片機(jī)與一般的微型機(jī)比較有如下優(yōu)點。</p><p><b>　　體積小</b></p&

57、gt;<p>　　由于單片機(jī)內(nèi)部包含了計算機(jī)的基本功能部件，能滿足很多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ布δ艿幕疽?。因此單片機(jī)組成的就用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，小而全。</p><p><b>　　可靠性高</b></p><p>　　單片機(jī)內(nèi)CPU訪問存儲器、I/O接口的信息傳輸線(即總線)大多數(shù)在芯片內(nèi)部，因此不易受外界的干擾：另一方面，由于單片機(jī)體積小，在應(yīng)用環(huán)境比較差的情

58、況下，容易采取對系統(tǒng)進(jìn)行電磁屏蔽等措施。所以單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性比一般的微機(jī)系統(tǒng)高得多。</p><p><b>　　控制功能強(qiáng)</b></p><p>　　單片機(jī)面向控制，它的實時控制功能特別強(qiáng)。CPU可以直接對I/O口進(jìn)行各種操作，運(yùn)算速度高，時鐘可達(dá)16MHz以上。對實時事件的響應(yīng)和處理速度快。</p><p><b>　　使

59、用方便</b></p><p>　　由于單片機(jī)內(nèi)部功能強(qiáng)，系統(tǒng)擴(kuò)展方便，因此應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計非常簡單，又因為市場上提供多種多樣的單片機(jī)開發(fā)工具，它們具有很強(qiáng)的軟硬件調(diào)試功能和輔助設(shè)計功能。</p><p><b>　　性價比高</b></p><p>　　由于單片機(jī)功能強(qiáng)，價格便宜，其應(yīng)用系統(tǒng)的印板小，接插件少，安裝調(diào)試簡單等一系

60、列原因，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的性能價格比高于一般的微機(jī)系統(tǒng)。</p><p>　　圖3.2 AR89C51的引腳示意圖。</p><p>　　5l系列單片機(jī)提供以下功能：4 KB存儲器；256B RAM；32條I/O線；2個16b定時/計數(shù)器；5個2級中斷源；1個雙向的串行口以及時鐘電路。</p><p>　　5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充

61、分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。</p><p>　　AT89C51的引腳介紹</p><p>　　以下只對在本設(shè)計當(dāng)中就用到的引腳作簡要介紹。</p><p>　　RST/VPD(9腳)復(fù)位信號</p><p>　　時鐘電路工作后芯片內(nèi)部進(jìn)行初始復(fù)位，復(fù)位后P0-P3口輸出高電平，初值07H寫入堆

62、棧指針SP，清0程序計數(shù)器PC和其他特殊功能寄存器。</p><p>　　EA/Vpp(31引腳)片外程序存儲器地址選擇信號</p><p>　　若EA接地，則不使用內(nèi)部程序存儲器，不管地址大小，取指時總是訪問外部程序存儲器。本超聲波測距擴(kuò)展卡并不需要外部存儲器，故該引腳直接接高電平。</p><p>　　AT89C51的I/O口</p><p&

63、gt;　　AT89C51單片機(jī)有4個雙向位I/O口P0-P3，P0為三態(tài)雙向口，負(fù)載能力為8個LSTTL門電路，P1-P3為準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力為4個LSTTL門電路。</p><p>　　P3口作第二功能口使用時實際上際上是系統(tǒng)具有控制功能的控制線。</p><p>　　AT89C51的定時計數(shù)系統(tǒng)</p><p>　　一般單片機(jī)內(nèi)部都設(shè)有定時計數(shù)器，因為有的測控系

64、統(tǒng)是按時間間隔定時控制的，如定時對物理過程的采樣等。雖然可以通過延時程序?qū)崿F(xiàn)定時，但這會降低CPU的工作效率。如果能利用一個可編程的實時時鐘獲得延時定時，就可以提高CPU的工作效率。另外，也有一些測控系統(tǒng)是根據(jù)外部信號的計數(shù)結(jié)果來實現(xiàn)控制的。必須對外部隨機(jī)事件進(jìn)行計數(shù)。因此，單片機(jī)內(nèi)部一般都設(shè)置可編程的定時計數(shù)器，以簡化系統(tǒng)設(shè)計，提高系統(tǒng)功能。</p><p>　　AT89C51內(nèi)部有兩個定時計數(shù)器，分別稱為定時

65、計數(shù)器0和定時計數(shù)器1簡稱T0、T1，它們都具備定時計數(shù)功能，有4種工作方式可以選擇。</p><p>　　在超聲波測距擴(kuò)展卡的設(shè)計中我們需要定時計數(shù)器的定時功能，定時功能的工作方式是對芯片內(nèi)的機(jī)器周期計數(shù)，或者說計數(shù)脈沖來自芯片內(nèi)部，每來一個機(jī)器周期，計數(shù)器加1，直到計數(shù)器滿，再來一個機(jī)器周期，定時計數(shù)器全部回0，這就是溢出。每個機(jī)器周期的時固定(振為12MHz，機(jī)器周期為1μs，晶振為6MHz，機(jī)器周期為2μ

66、s)。</p><p>　　與定時計數(shù)器有關(guān)的控制寄存器共有4個，分別是TCON,TMOD,IE,IP特殊功能寄存器。</p><p>　　根據(jù)TMOD寄存器中的M1和M0位的設(shè)定，定時計數(shù)器可選擇4種不同的工作方式。根據(jù)超聲測距的要求我們選擇工作方式1。</p><p>　　方式1是16位計數(shù)結(jié)構(gòu)，定時器計數(shù)器由TH的全部高8位和TL的全部低8位組成。</p

67、><p>　　AT89C51的中斷系統(tǒng)</p><p>　　計算機(jī)工作時由于系統(tǒng)內(nèi)外某種原因而發(fā)生的隨機(jī)事件，計算機(jī)必須盡可能快終止正在運(yùn)行的原程序，轉(zhuǎn)向相應(yīng)的處理程序為其服務(wù)，待處理完畢，再返回去執(zhí)行被中止的原程序，這個過程就是中斷。 引起中斷的設(shè)備或原因稱為中斷源。一個計算機(jī)系統(tǒng)的中斷源會有多個，用來管理這些中斷的邏輯稱為中斷系統(tǒng)。</p><p><b>

68、;　　采用中斷的優(yōu)點有：</b></p><p>　　(1)可以時現(xiàn)分時操作；</p><p>　　(2)可以實時處理；</p><p>　　(3)故障處理方便。</p><p>　　AT89C51單片機(jī)中有5個中斷源，外部有兩個中斷請求輸入，INT0，INT1。內(nèi)部有3個中斷請求。定時計數(shù)器T0，T1和片內(nèi)串行口。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生中斷

69、請求時，5個中斷源中的請求標(biāo)志根子別由特殊功能寄存器TCON和SCON的相位來鎖存。</p><p>　　LM555定時器介紹</p><p>　　圖3.3 LM555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　LM555定時器的電路和外引線排列如圖3.3所示。LM555/LM555C 系列是美國國家半導(dǎo)體公司的時基電路。我國和世界各大集成電路生產(chǎn)商均有同類產(chǎn)品可供選用，

70、是使用極為廣泛的一種通用集成電路。LM555/LM555C 系列功能強(qiáng)大、使用靈活、適用范圍寬，可用來產(chǎn)生時間延遲和多種脈沖信號，被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中。 </p><p>　　555時基電路有雙極型和CMOS型兩種。LM555/LM555C系列屬于雙極型。優(yōu)點是輸出功率大，驅(qū)動電流達(dá)200mA。而另一種CMOS型的優(yōu)點是功耗低、電源電壓低、輸入阻抗高，但輸出功率要小得多，輸出驅(qū)動電流只有幾毫安</p&g

71、t;<p>　　LM555 時基電路內(nèi)部由分壓器、比較器、觸發(fā)器、輸出管和放電管等組成，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。其中6腳為閥值端(TH)，是上比較器的輸入。2腳為觸發(fā)端(TR)，是下比較器的輸入。3腳為輸出端(OUT)，有0和1兩種狀態(tài)，它的狀態(tài)由輸入端所加的電平?jīng)Q定。7腳為放電端(DIS)，是內(nèi)部放電管的輸出，它有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定。4腳為復(fù)位端(R)，叫上低電平(<0.3V)時可使輸

72、出端為低電平。5腳為控制電壓端(CV)，可以用它來改變上下觸發(fā)電平值。8腳為電源(VCC)，1腳為地(GND)。</p><p>　　一般可以把LM555電路等效成一個大放電開關(guān)的R-S觸發(fā)器。這個特殊的觸發(fā)器有兩個輸入端：閥值端(TH)可看成是置零端R，要求高電平；觸發(fā)端(TR)可看成是置位端S，低電平有效。它只有一個輸出端OUT，OUT可等效成觸發(fā)器的Q端。放電端(DIS)可看成由內(nèi)部放電開關(guān)控制的一個接點，

73、放電開關(guān)由觸發(fā)器的反Q端控制：反Q=1時DIS端接地；反Q=0時DIS端懸空。此外這個觸發(fā)器還有復(fù)位端R，控制電壓端CV，電源端VCC和接地端GND。</p><p>　　這個特殊的R-S觸發(fā)器有兩個特點：(1)兩個輸入端的觸發(fā)電平要求一高一低：置零端R即閥值端TH要求高電平，而置位端S即觸發(fā)端TR則要求低電平。(2)兩個輸入端的觸發(fā)電平，也就是使它們翻轉(zhuǎn)的閥值電壓值也不同，當(dāng)CV端不接控制電壓是，對TH(R)端

74、來講，>2/3VCC是高電平1，<2/3VCC是低電平0；而對TR(S)端來講，>1/3VCC是高電平1，<1/3VCC是低電平0。如果在控制端CV加上控制電壓VC，這時上觸發(fā)電平就變成VC值，而下觸發(fā)電平則變成1/2VC。可見改變控制端的控制電壓值可以改變上下觸發(fā)電平值。</p><p>　　圖3.4是由LM555定時器組成的多諧振蕩器，Ra與Rb和C是外接元件。接通電源Vcc后，它Ra

75、與Rb對電容C充電，當(dāng)Uc上升略高于2/3Ucc時，電壓輸出為0。這時內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，電容通過Rb與三極管放電，當(dāng)Uc下降略低于1/3Vcc時，電壓輸出為1。</p><p>　　圖3.4 由LM555定時器構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖</p><p>　　圖3.5 超聲波測距發(fā)射電路</p><p>　　超聲波發(fā)射電路如圖3.5所示。</p><

76、p>　　超聲波發(fā)射過程中三極管需要接+12V電壓，必須接一個升壓元件，在此我人選擇LT1073作為升壓元件對+5V穩(wěn)壓電源升壓。</p><p>　　圖3.6 12V電壓升壓電路</p><p>　　超聲波發(fā)射電路如圖3.6所示。</p><p>　　當(dāng)需要發(fā)射超聲波時，由單片機(jī)發(fā)送高電平信號，送入4腳RESET端，LM555定時計數(shù)器開始工作。</p&

77、gt;<p>　　LM555定時器輸出的功率還不能夠完全驅(qū)動TR40－16，因此在輸出端接功率放大電路。本設(shè)計采用互補(bǔ)對稱功率放大電路?；パa(bǔ)對稱功率放大電路主要由兩個三極管組成，型號分別為9012與9013。在LM555輸出端接一個0.1uF的電容起隔直通交的作用。</p><p><b>　　LM567介紹</b></p><p>　　接收電路當(dāng)中用到

78、了LM567音頻選擇器。在接收電路當(dāng)中，LM567起到濾波的作用。LM567濾波范圍很大，濾波帶寬較小，可以準(zhǔn)確測定有無40KHz的超聲波，并輸出低電平信號。LM567音頻選擇器原理如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 LM567內(nèi)部原理圖</p><p>　　。LM567 是一片鎖相環(huán)電路，采用8腳雙列直插塑封。其5、6腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f2，f2

79、≈1/1.1RC。其1、2腳通常分別通過一電容器接地，形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級低通濾波網(wǎng)絡(luò)。2腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。1腳所接電容的容量應(yīng)至少是2腳電容的2倍。3腳是輸入端，要求輸入信號≥25mV。8腳是邏輯輸出端，其內(nèi)部是一個集電極開路的三極管，允許最大灌電流為100mA。LM567的工作電壓為4.75～9V，工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)工作電流約8mA。LM567的內(nèi)部電路及詳細(xì)工作過程非

80、常復(fù)雜，這里僅將其基本功能概述如下：當(dāng)LM567的3腳輸入幅度≥25mV、頻率在其帶寬內(nèi)的信號時，8腳由高電平變成低電平，2腳輸出經(jīng)頻率/電壓變換的調(diào)制信號。如果在器件的2腳輸入音頻信號，則在5腳輸出受2腳輸入調(diào)制信號調(diào)制的調(diào)頻方波信號。在圖4的電路中我們僅利用了LM567接收到相同頻率的載波信號后8腳電壓由高變低這一特性，來形成對控制對象的控制。</p><p>　　圖3.8 由LM567組成的頻率測試電路&l

81、t;/p><p>　　由LM567組成的頻率測試電路如圖3.8所示。</p><p>　　音頻選擇器所選取的中心頻率計算公式為</p><p><b>　　(1)</b></p><p><b>　　頻率誤差范圍為</b></p><p><b>　　(2)</b

82、></p><p>　　圖3.9 超聲波接收電路</p><p>　　超聲波接收電路如圖3.9所示。超聲波接收過來的信號十分微弱，必須經(jīng)過放大才能被LM567接收。在放大過程中，為了調(diào)試方便，我們在第二級放大中運(yùn)用了可變電阻，這樣就可以實現(xiàn)放大倍率的手動調(diào)整。因為LM567接收的是正弦信號，正弦電壓變化范圍在正負(fù)五伏區(qū)間，因此我們選擇供電電壓為正負(fù)五負(fù)的LM258集成運(yùn)算放大器。&l

83、t;/p><p>　　由于LM567采用的是正負(fù)五伏電壓供電，所以必須加一個將+5V電壓變?yōu)?5V電壓。在此我們采用MAX660將+5V穩(wěn)壓電源變?yōu)?5V電壓。原理如圖310所示。</p><p>　　圖3.10 負(fù)五伏電壓變換電路</p><p>　　MAX660共有八個引腳，其中1腳是內(nèi)部晶振控制端，當(dāng)晶振外接時該引腳無用。2腳是外接電容正極的接入端，3腳接地，4腳

84、是外接電容負(fù)極的接入端5腳是負(fù)電壓輸出端，6是低電壓輸入控制端，在源電壓小于3.5V時，接地，在源電壓大于3.5V 時可以接地也可以懸空。7腳提供晶振頻率輸入，內(nèi)接一個15pF的電容，可以外部再接一個電容以減小晶振頻率，8腳提供源電壓。</p><p>　　硬件擴(kuò)展總線ASBUS</p><p>　　能力風(fēng)暴控制板設(shè)計了ASBUS總線見(圖3.7)，簡單類似于ISA和PCI總線。采用堆疊式

85、的ASBUS擴(kuò)展卡可以方便擴(kuò)展控制板的功能,它分為ASBUSA和ASBUSB兩部分。機(jī)器人主板上ASBUSA和ASBUSB插槽用于插各種功能的擴(kuò)展卡。</p><p>　　ASBUSA和ASBUSB引腳圖和各部分功能如圖3.11所示:</p><p>　　圖3.11 ASBUS信號線</p><p>　　ASBUSA和ASBUSB分別有14個信號線。各信號線功能如下

86、：</p><p>　　PCO-PC7：數(shù)據(jù)總線</p><p>　　/RESET：復(fù)位信號</p><p>　　/IRQ：外部中斷輸入腳</p><p>　　VCC：+5V電源(負(fù)載不要超過300MA)，可用于擴(kuò)展卡的電源輸入端。</p><p>　　Vmotor：電機(jī)電壓，也即電池電壓，可接較大負(fù)載。</p&

87、gt;<p><b>　　GND：地</b></p><p>　　IS0-IS3：輸入選擇線0-3</p><p>　　OS0-0S3：輸出選擇線0-3</p><p>　　PA1-PA2：輸入捕捉口，可用來擴(kuò)展數(shù)字或脈沖輸入的傳感器。</p><p>　　PA3：輸出比較口，已被喇叭、DC3，servo使

88、用，</p><p>　　PE5-PE7：模擬輸入口,可用來擴(kuò)展溫度傳感器、力傳感器等模擬量輸入傳感器。</p><p><b>　　繪制電路板</b></p><p>　　PROTEL介紹及作圖流程</p><p>　　在EDA ( Electronic Design Automation) 工具中 ，Protel 系

89、列軟件一直是比較常用的。Protel99SE是應(yīng)用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計軟件，采用設(shè)計庫管理模式，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設(shè)計軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計，印制電路板設(shè)計和可編程邏輯器件設(shè)計等工作，可以設(shè)計32個信號層，16個電源--地層和16個機(jī)加工層。Protel 99 SE（Second Edition）在原理圖設(shè)計和電路仿真方面增加了許多小

90、的功能，而其最主要的改進(jìn)體現(xiàn)在電路板設(shè)計系統(tǒng)方面。Protel99 SE共分5個模塊，分別是原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計（包含信號完整性分析）、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設(shè)計。</p><p>　　在本次設(shè)計中，即使用了Protel99 SE軟件。下面簡述產(chǎn)生PCB的步驟：</p><p><b>　　(1)繪制元器件庫</b></p><p

91、>　　(2)新建一SCH文件，繪制整個電機(jī)控制電路的電路原理圖</p><p>　　(3)在擴(kuò)展卡原理圖中定義元件的封裝</p><p><b>　　(4)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表；</b></p><p>　　(5)生成元器件清單；</p><p>　　(6)電氣規(guī)則校驗；</p><p>　　(7)繪

92、制元器件封裝庫；</p><p>　　(8)新建一PCB文件，繪制出電路板邊框，裝載元件封裝庫并加載網(wǎng)絡(luò)表，各元件封裝圖便會出現(xiàn)在該界面上。元件排列雜亂無章，且各元件之間用預(yù)拉線連接；</p><p>　　(9)手動調(diào)整元件的布局，使各元件擺放盡量整齊美觀；</p><p>　　(10)進(jìn)行布線，由于設(shè)計并不復(fù)雜，元件較少，使用自動布線；</p>&l

93、t;p>　　(11)對文字、個別元件、走線做些調(diào)整以及敷銅；</p><p>　　(12)檢查核對網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　　(13)生成3D立體圖；</p><p>　　(14)SCH及PCB出圖。</p><p>　　下圖為最終繪制成的PCB圖：</p><p>　　圖3.12 超聲波測距單片機(jī)電路</

94、p><p>　　圖3.13 超聲波測距發(fā)射接收電路</p><p>　　超聲波測距擴(kuò)展卡的軟件調(diào)試</p><p><b>　　VJC簡介</b></p><p>　　圖形化交互式C語言(簡稱VJC)是用于能力風(fēng)暴智能機(jī)器人系列產(chǎn)品的軟件開發(fā)系統(tǒng),具有基于流程圖的編程語言和交互式C語言(簡稱JC)。VJC為開發(fā)智能機(jī)器人項目

95、、程序與算法、教學(xué)等提供了簡單而又功能強(qiáng)大的平臺,是全球開創(chuàng)性的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。</p><p>　　在 VJC 中，不僅可以用直觀的流程圖編程，也可以用JC語言編寫更高級的機(jī)器人程序。</p><p>　　VJC操作簡便，有活潑明快的圖案和簡短的文字說明?？梢允褂眯蜗蠡哪K，由頂向下搭建流程圖，搭建流程圖的同時，動態(tài)生成無語法錯誤的JC代碼。流程圖搭建完畢，程序就已經(jīng)編寫完成，

96、可以立即下載到機(jī)器人中運(yùn)行。</p><p><b>　　JC語言</b></p><p>　　JC語言是交互式C語言(簡稱JC)是用于能力風(fēng)暴智能機(jī)器人的專用開發(fā)語言。</p><p>　　JC由兩部分組成：編譯環(huán)境和能力風(fēng)暴操作系統(tǒng)ASOS。JC實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)C語言的一個子集，它包括控制語句(for，while，if else)、局部變量和全局

97、變量、數(shù)組、指針、16位和32位整數(shù)以及32位浮點數(shù)。</p><p>　　JC不直接編譯生成針對特定處理器的機(jī)器代碼，而是先編譯生成基于堆棧虛擬機(jī)的偽代碼。然后這種偽代碼由能力風(fēng)暴操作系統(tǒng)解釋執(zhí)行。JC這種不尋常的編譯方式有以下優(yōu)點：</p><p>　　(1)解釋執(zhí)行：允許檢查運(yùn)行錯誤。例如：JC在運(yùn)行時，數(shù)組下標(biāo)的檢查。</p><p>　　(2)代碼更精簡：

98、偽代碼比機(jī)器代碼更簡短。</p><p>　　(3)多任務(wù)：由于偽代碼是完全基于堆棧的，進(jìn)程狀態(tài)完全由它的堆棧和程序計數(shù)器所決定。因此只需要裝載新的堆棧指針和程序計數(shù)器就可以方便地實現(xiàn)任務(wù)切換。任務(wù)切換由操作系統(tǒng)處理，而不是編譯器。</p><p>　　JC與標(biāo)準(zhǔn)C對比有以下特點：</p><p>　　JC語言是建立在ANSIC標(biāo)準(zhǔn)上的。但是它們有些重要的區(qū)別。&l

99、t;/p><p>　　許多區(qū)別是因為JC比標(biāo)準(zhǔn)C更“安全”。例如，JC在運(yùn)行時要檢查數(shù)組下標(biāo)，所以數(shù)組不能被變?yōu)橹羔?，也不可以進(jìn)行指針運(yùn)算。</p><p>　　另一些區(qū)別是由于JC的運(yùn)行時間更短更高效。</p><p>　　用JC代碼編寫超聲波測距數(shù)據(jù)接收程序</p><p>　　由于VJC中沒有合適的超聲測距的模塊庫，所以我們只能用JC代碼來

100、編程，編制的程序如下：</p><p>　　int sonarranging()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　int a,b;/*a來存放單片機(jī)讀取的8位二進(jìn)制的數(shù)值，b用來存距離，*/</p><p>　　a=read(0x4000);/*將讀取的數(shù)據(jù)送入a中*/</p

101、><p>　　b=a*20;/*距離換算，mm為單位*/</p><p>　　return b;/*將b的值做為反回值*/</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p>

102、;<p>　　int sonardistance;/*聲明距離變量*/</p><p>　　distance=sonarranging;/*調(diào)用測距子程序*/</p><p>　　printf("Distance is:%dmm\n",distance);/*輸出距離*/</p><p><b>

103、;　　}</b></p><p>　　將該軟件下載到能力風(fēng)暴機(jī)器人上，并接好超聲波測距卡，運(yùn)行程序，即可實現(xiàn)超聲波測距功能。</p><p><b>　　單片機(jī)匯編語言調(diào)試</b></p><p>　　由于計算機(jī)的CPU只能認(rèn)識和識別二進(jìn)制代碼，所以又稱為機(jī)器碼。一種計算機(jī)有幾十種甚至上百種指令，若都是用二進(jìn)制碼表示，是很困難的，二

104、進(jìn)制代碼，如果用十六進(jìn)制書寫，是很方便的，所以通常用十六進(jìn)制代碼表示指令碼，但是仍解決不了記憶問題和閱讀問題。</p><p>　　為了記憶和閱讀方便，制造廠家對指令系統(tǒng)中每一條指令都給出了符號作指令助記符，這就容易記憶，容易理解，清晰可讀。</p><p><b>　　采用匯編語言的優(yōu)點</b></p><p>　　匯編語言與高級語言相比具有

105、以下優(yōu)點：</p><p>　　(1)占用的內(nèi)存單元和使用的CPU資源少；</p><p>　　(2)程序簡短，執(zhí)行速度快；</p><p>　　(3)可直接調(diào)動計算機(jī)的全部資源，并可有效地利用計算機(jī)的專有特性；</p><p>　　(4)能準(zhǔn)確地掌握指令的執(zhí)行時間，適用于實時控制制系統(tǒng)。</p><p>　　根據(jù)以上

106、匯編語言的特點，決定用匯編語言來編寫單片機(jī)程序。</p><p><b>　　程序流程圖</b></p><p>　　軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖所示。主程序完成初始化工作、超聲波發(fā)射和接收順序的控制。中斷子程序主要完成數(shù)據(jù)的采集與處理。</p><p>　　在程序設(shè)計過程中，一些問題必須考慮在內(nèi)。</p><

107、p>　　首先是超聲波發(fā)出之后有一段盲區(qū)，這是因為在超聲波發(fā)出之后的一段時間內(nèi)，超聲波可能直接傳到了超聲波接收傳感器，若在這段時間內(nèi)接收超聲波回波信號，會造成測距錯誤，因此必須設(shè)計一段延時程序，在發(fā)出超聲波之后的一段時間內(nèi)不能接收超聲波反射信號。</p><p>　　在中斷響應(yīng)過程中，本方案采用了限幅濾過程，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。在能力風(fēng)暴機(jī)器人比賽中，多個機(jī)器人若都發(fā)射40KHz的超聲波的話，可能會造成互相

108、串?dāng)_。如果采用限幅濾波子程序，將誤差較大的測量結(jié)果除去，則會起到良好的抗干擾效果。</p><p>　　本方案設(shè)計的最大測量距離是5m。定時計數(shù)器的最大計數(shù)值是72E3H。結(jié)果為15位，因此選用定時計數(shù)器的工作方式1(16位定時計數(shù)器)。由于向ASBUS發(fā)送的數(shù)據(jù)為八位，因此我們需要將所測數(shù)據(jù)左移1位，將測量結(jié)果的高八位放入一個單元中以傳送到ASBUS上。</p><p>　　在主程序最后

109、的延時等待程序當(dāng)中，我們設(shè)特殊功能寄存器中的F0為標(biāo)志位為1，若檢測到F0為1，則程序一直等待，若外部有INT0中斷信號，則進(jìn)入中斷子程序，在中斷子程序中將F0設(shè)為0，在中斷子程序結(jié)束后，系統(tǒng)檢測到F0為1，則跳轉(zhuǎn)到測距過程開始。</p><p>　　程序中設(shè)置R7的意義在于檢測是否是第一次執(zhí)行中斷程序。在中斷程序當(dāng)中包含濾波過程，濾波原理是將上次測量值存入30H中，最新測量值存入31H單元中，將兩單元中的數(shù)值相

110、減，若差值的絕對值過大，則認(rèn)為測量結(jié)果出錯，并將上次的測量值(30H單元中的數(shù))作為本次測量值送到P2口。若是第一次測量，則30H單元中并無測量值，必須把第一次測量值送入31H單元的同時送入30H當(dāng)中。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　由于時間和其它客觀上的原因，此次設(shè)計沒有做出實物。但是對設(shè)計有一個很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲

111、波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。</p><p>　　超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。</p>

112、<p>　　超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機(jī)采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出555定時器所需的電平信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。</p><p>　　超聲波發(fā)射電路主要由反相器555定時器及由9012、9013組成的功率放大電路子

113、和超聲波發(fā)射換能器TR40-16構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的高電平信號傳到555定時器后，由555定時器產(chǎn)生40KHz的方波信號，信號經(jīng)由9012用9013組成的互補(bǔ)對稱功率放大路進(jìn)行功率放大后傳送到超聲波發(fā)射傳感器。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波