畢業(yè)設(shè)計(jì)----超聲波測(cè)距擴(kuò)展卡的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄1</b></p><p><b>　　第1章 緒論2</b></p><p>　　1.1機(jī)器人研究的意義2</p><p>　　1.2目前國(guó)內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)3</p><

2、p>　　1.3能力風(fēng)暴機(jī)器人的概述3</p><p>　　1.3.1 開設(shè)能力風(fēng)暴機(jī)器人教育的意義3</p><p>　　1.3.2能力風(fēng)暴機(jī)器人的外形與結(jié)構(gòu)4</p><p>　　1.3.3 能力風(fēng)暴機(jī)器人的計(jì)算機(jī)硬件8</p><p>　　1.3.4能力風(fēng)暴機(jī)器人的開發(fā)能力9</p><p>　　第

3、2章 超聲波測(cè)距擴(kuò)展卡的設(shè)計(jì)10</p><p>　　2.1 超聲波測(cè)距原理10</p><p>　　2.1.1超聲波發(fā)生器10</p><p>　　2.1.2壓電式超聲波發(fā)生器原理10</p><p>　　2.1.3 超聲波測(cè)距原理11</p><p>　　2.2課題設(shè)計(jì)的任務(wù)要求12</p>

4、<p>　　2.2.1設(shè)計(jì)的任務(wù)12</p><p>　　2.2.2設(shè)計(jì)的要求12</p><p>　　2.3方案設(shè)計(jì)比較12</p><p>　　2.3.1方案設(shè)計(jì)一12</p><p>　　2.3.2方案設(shè)計(jì)二16</p><p>　　2.3.3 方案比較的結(jié)論19</p>

5、<p>　　2.4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)19</p><p>　　2.4.1超聲波測(cè)距的框圖19</p><p>　　2.4.2 51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)19</p><p>　　2.4.3硬件擴(kuò)展總線ASBUS22</p><p>　　2.5 繪制原理圖和印刷電路板23</p><p>　　第3章 超

6、聲波測(cè)距卡的軟件調(diào)試25</p><p>　　3.1 VJC簡(jiǎn)介25</p><p>　　3.2 JC語(yǔ)言25</p><p>　　3.2.1 JC語(yǔ)言25</p><p>　　3.2.2 用JC代碼編寫超聲波數(shù)據(jù)接收程序26</p><p>　　3.3 單片機(jī)匯編語(yǔ)言調(diào)試26</p><

7、;p>　　3.3.1 采用匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)26</p><p>　　3.3.2 程序流程圖27</p><p>　　3.3.3 所用的單片機(jī)程序29</p><p><b>　　第4章 結(jié)論30</b></p><p><b>　　謝辭32</b></p><p&g

8、t;<b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1機(jī)器人研究的意義</p><p>　　機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)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(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工

9、作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作?？茖W(xué)的進(jìn)步與技術(shù)的創(chuàng)新,為機(jī)器人的研究與應(yīng)用開辟了廣闊的思路與空間。自從二十世紀(jì)六十年代初人類創(chuàng)造了第一臺(tái)機(jī)器人以后,機(jī)器人就顯示出它極大的生命力,在短短不到五十年的時(shí)間中,機(jī)器人的技術(shù)得到迅速的發(fā)展。</p><p>　　“機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在二十一世紀(jì)將成為和汽車、電腦并駕齊驅(qū)的主干產(chǎn)業(yè)?！睆凝嫶蟮墓I(yè)機(jī)器人到微觀的納米機(jī)器人，從代表尖端技術(shù)的仿人型機(jī)器人到孩子們喜愛的寵物機(jī)器

10、人，機(jī)器人正在日益走近我們的生活，成為人類最親密的伙伴。機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化在中國(guó)具有一定的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)和廣闊的市場(chǎng)前景。</p><p>　　開展機(jī)器人研究活動(dòng)，對(duì)加強(qiáng)思想道德教育，提高科學(xué)素養(yǎng)，發(fā)展自身潛能，引導(dǎo)更多學(xué)生關(guān)注科技、熱愛科技、走進(jìn)科技具有重大意義。同時(shí)有利于積極推進(jìn)基礎(chǔ)教育和高等教育改革，滲透科學(xué)技術(shù)教育，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。</p><p>　　“能力風(fēng)暴”（Abi

11、lity 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)，外形酷似宇UFO，是專為個(gè)人機(jī)器人的需求設(shè)計(jì)的,專門面向教育的機(jī)器人。它是專門為大學(xué)進(jìn)行課程教學(xué)、工程訓(xùn)練、機(jī)器人競(jìng)賽、科技創(chuàng)新以及研究服務(wù)開發(fā)的新型移動(dòng)智能機(jī)器人。能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)器人配有5種十幾個(gè)傳感器，另外還可以根據(jù)需要擴(kuò)展其他傳感器，對(duì)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。能力風(fēng)暴機(jī)器人可用于參加機(jī)器人

12、足球比賽，在機(jī)器人足球、擂臺(tái)賽等對(duì)抗激烈的比賽中，機(jī)器人只知道對(duì)手在附近而無(wú)法確定距離遠(yuǎn)近的問(wèn)題。為此，可設(shè)計(jì)超聲測(cè)距卡能發(fā)射超聲波并檢測(cè)被障礙物反射回來(lái)的聲波，測(cè)量出兩者的時(shí)間差，然后根據(jù)聲音在空氣中傳播的速度，計(jì)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(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，確定對(duì)手所在的方位。</p><p>　　1.2目前國(guó)內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　機(jī)器人技術(shù)是涉及

13、機(jī)械學(xué)、傳感器技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一門綜合性高新技術(shù)，既是光機(jī)電軟一體化的重要基礎(chǔ)，又是光機(jī)電軟一體化技術(shù)的典型代表。其產(chǎn)品主要有兩大類，即以日本和瑞典為代表的一系列特定應(yīng)用的機(jī)器人，如弧焊、點(diǎn)焊、噴漆裝備、刷膠和建筑等，并形成了龐大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。另一類是以美國(guó)、英國(guó)為代表的智能機(jī)器人開發(fā)，由于人工智能和其它智能技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)落后于人們對(duì)它的期望，目前絕大部分研究成果未能走出實(shí)驗(yàn)室。機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)也是由幾個(gè)

14、主要發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷。近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)并未出現(xiàn)突破性進(jìn)展，各國(guó)的機(jī)器人技術(shù)研究機(jī)構(gòu)和制造廠商都繼續(xù)在技術(shù)深化、引進(jìn)新技術(shù)和擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域等方面進(jìn)行探索。</p><p>　　1.3能力風(fēng)暴機(jī)器人的概述</p><p>　　1.3.1 開設(shè)能力風(fēng)暴機(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(tái)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)

15、,機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)對(duì)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(jì)劃("863"計(jì)劃)是我國(guó)關(guān)于高技術(shù)的中長(zhǎng)期研究發(fā)展計(jì)劃,智能機(jī)器人是自動(dòng)化領(lǐng)域的主題之一。"863"計(jì)劃開始實(shí)施以來(lái),在特種機(jī)器人,機(jī)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(jī),組織和培養(yǎng)了一支數(shù)量可觀的研究開發(fā)隊(duì)伍,建立了一批各具特色的研究開發(fā)環(huán)境，"863&qu

16、ot;計(jì)劃已成為我國(guó)發(fā)展智能機(jī)器人技術(shù)的最重要的陣地。</p><p>　　我們非常慶幸有這樣一個(gè)平臺(tái)能使學(xué)生比較全面綜合地了解現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì),機(jī)械,電子,傳感器,計(jì)算機(jī)軟件,硬件,人機(jī)交互,人工智能等諸多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù),并親身接觸和體驗(yàn)現(xiàn)代高新技術(shù),在學(xué)生獲得科技知識(shí)和實(shí)踐能力的同時(shí),激發(fā)了他們的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造發(fā)明的潛能,這個(gè)平臺(tái)就是------智能機(jī)器人。</p><p>　　能力風(fēng)暴機(jī)

17、器人就是一種非常典型的智能機(jī)器人。</p><p>　　能力風(fēng)暴機(jī)器人AS-UⅡ（以下簡(jiǎn)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(jì)、機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)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(guò)使用能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)器人接觸到多方面的知識(shí)和技術(shù)。它提供了一個(gè)接口平臺(tái)，可供用戶進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)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(yǔ)言（簡(jiǎn)稱V

18、JC）完成AS-UⅡ的軟件開發(fā)，具有基于流程圖的編程語(yǔ)言和交互式C語(yǔ)言(簡(jiǎn)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(dòng)，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)生關(guān)注科技、熱愛科技、走進(jìn)科技，涌現(xiàn)出更多的未來(lái)科學(xué)家和未來(lái)工程師。在積極推進(jìn)基礎(chǔ)教育和高等教育改革的過(guò)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(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。

19、</p><p>　　1.3.2能力風(fēng)暴機(jī)器人的外形與結(jié)構(gòu)</p><p>　　(1)能力風(fēng)暴機(jī)器人的外形</p><p>　　能力風(fēng)暴機(jī)器人外形酷似UFO，圖1.1是能力風(fēng)暴機(jī)器人的外觀俯視圖。</p><p>　　圖1.1 能力風(fēng)暴機(jī)器人的外觀俯視圖</p><p>　　（2） 能力風(fēng)暴機(jī)器人的結(jié)構(gòu)</p&g

20、t;<p>　　AS-UII 是面向教育的新一代智能移動(dòng)機(jī)器人。AS-UII結(jié)構(gòu)參見圖1.2</p><p>　　圖1.2 AS-UII的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　AS-UII有一個(gè)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(jué)、視覺(jué)、和觸覺(jué)，成為真正意義上的智能機(jī)器人。</p><p>　　AS-UII的身體結(jié)構(gòu)主要由控制部分、傳感器部分

21、和執(zhí)行部分三大部分組成。每一部分介紹如下：</p><p><b>　?。ˋ）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，見圖1.3。</p><p>　　圖1.3 AS-UII的控制部分</p><p>　　從圖中我們可以清楚的看到AS-UII控制部分的主要由以下兩個(gè)部分組成：&l

22、t;/p><p><b>　?。╝）主板</b></p><p>　　位于AS-UII“心臟”部位的控制部件是AS-UII的大腦——主板，它由很多電子元器件組成，跟人的大腦一樣，主要完成接收信息、處理信息、發(fā)出指令等一系列過(guò)程。AS-UII的大腦有記憶功能，這主要由主板上的內(nèi)存來(lái)實(shí)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>

23、<p><b>　　（b）控制按鍵</b></p><p>　　位于AS-UII背部的控制面板，是AS-UII機(jī)器人運(yùn)行控制部件，具體按鍵分布如下圖所示：</p><p>　　圖1.4 控制按鍵部分</p><p><b>　　開關(guān)按鈕</b></p><p>　　控制AS-UII電源開關(guān)

24、的按鈕，按此按鈕可以打開或關(guān)閉機(jī)器人電源。</p><p><b>　　“電源”指示燈</b></p><p>　　按下AS-UII的開關(guān)后，這個(gè)燈會(huì)發(fā)綠光，這時(shí)就可以與機(jī)器人進(jìn)行交流。</p><p><b>　　“充電”指示燈</b></p><p>　　當(dāng)你給機(jī)器人充電時(shí)，“充電”指示燈發(fā)紅光

25、。</p><p><b>　　“充電口”</b></p><p>　　將充電器的相應(yīng)端插入此口，再將另一端插到電源上即可對(duì)機(jī)器人充電。</p><p><b>　　“下載口”</b></p><p>　　“充電口”旁邊的“下載口”用于下載程序到機(jī)器人主板上，使用時(shí)只需將串口連接線的相應(yīng)端插入下載口

26、，另一端與計(jì)算機(jī)連接好，這樣機(jī)器人與計(jì)算機(jī)就連接起來(lái)了。</p><p>　　“復(fù)位/ASOS”按鈕</p><p>　　這是個(gè)復(fù)合按鈕，用于下載操作系統(tǒng)和復(fù)位。當(dāng)串口通信線接插在下載口上時(shí)，按擊此按鈕，機(jī)器人系統(tǒng)默認(rèn)為此操作為下載操作系統(tǒng)；如果你想使用其復(fù)位功能則需要將通信線拔下，按擊此按鈕，機(jī)器人系統(tǒng)認(rèn)為此操作為系統(tǒng)復(fù)位。</p><p><b>　　

27、“運(yùn)行”鍵</b></p><p>　　打開電源后，按擊“運(yùn)行”鍵，機(jī)器人就可以運(yùn)行內(nèi)部已存儲(chǔ)的程序，按照“指令”行動(dòng)。</p><p><b>　　“通信”指示燈</b></p><p>　　“通信”指示燈位于機(jī)器人主板的前方，在給AS-UII下載程序時(shí)，這個(gè)黃燈會(huì)閃爍，這樣就表明下載正常，程序正在進(jìn)入機(jī)器人的“大腦”即CPU。&

28、lt;/p><p><b>　?。˙）傳感器部分</b></p><p>　　AS-UII機(jī)器人的傳感器，如圖1.5所示。主要有以下五種傳感器：碰撞傳感器，紅外傳感器，光敏傳感器，話筒，光電編碼器。</p><p><b>　?。–）執(zhí)行部分</b></p><p>　　AS-UII機(jī)器人的執(zhí)行部分是指

29、機(jī)器人執(zhí)行具體功能時(shí)所要用到的部件，如圖1.6AS-UII執(zhí)行部分所示。主要有：揚(yáng)聲器，LCD,主動(dòng)輪及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從動(dòng)輪，直流電機(jī)。</p><p>　　圖1.5 AS-UII傳感器部分</p><p>　　圖1.6 LCD和AS-UII執(zhí)行部分</p><p>　?。―）AS-UII的能源</p><p>　　將AS-UII機(jī)器人頭朝

30、下翻過(guò)來(lái)，就能夠看到它的底盤下安裝有一個(gè)盒體，這就是電池。見圖1.7 AS-UII的電池。智能機(jī)器人的能量就來(lái)自于這個(gè)電池。</p><p>　　圖1.7 AS-UII的電池</p><p>　　1.3.3 能力風(fēng)暴機(jī)器人的計(jì)算機(jī)硬件</p><p>　　人對(duì)周圍環(huán)境的反應(yīng)過(guò)程主要是感覺(jué)→大腦思考→作出反映，機(jī)器人的信息處理流程也是如此。</p>&

31、lt;p>　　能力風(fēng)暴通過(guò)微控制器（microcontroller）來(lái)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(dòng)下載程序。</p><p>　　計(jì)算機(jī)硬件決定了機(jī)器的極限潛能，去開發(fā)這種潛能是軟件的工作。我們?yōu)橛脩籼峁┝私换ナ綀D形化編程C語(yǔ)言—VJC，它使開發(fā)能力風(fēng)暴的高層行為充滿了樂(lè)趣。有的低層的驅(qū)動(dòng)軟件

32、與硬件相關(guān)太緊密或?qū)崟r(shí)要求很高，需要用匯編語(yǔ)言來(lái)處理。</p><p>　　能力風(fēng)暴機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.8所示。</p><p>　　圖1.8 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(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)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(jià)格也需控制，能讓中國(guó)的學(xué)生以可以承受的價(jià)格獲得世界上先進(jìn)的智能機(jī)器人計(jì)算平臺(tái)。Motoro

33、la生產(chǎn)的68HC11，使我們以極少的周邊芯片獲得了齊全的功能，8個(gè)模擬口，5個(gè)輸入捕捉，3個(gè)PWM輸出，16位地址，8位數(shù)據(jù)總線，串口，以及4個(gè)通用I/O。</p><p>　　1.3.4能力風(fēng)暴機(jī)器人的開發(fā)能力</p><p><b>　　(1)軟件開發(fā)能力</b></p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)Ｃ語(yǔ)言子集，簡(jiǎn)潔的專業(yè)程序員語(yǔ)言支持浮點(diǎn)運(yùn)算、指針

34、、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(yǔ)言；眾多的驅(qū)動(dòng)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>　　能力風(fēng)暴機(jī)器人AS- UⅡ它采用圖形化交互C 語(yǔ)言( 簡(jiǎn)稱VJC)完成AS- UⅡ的軟件開發(fā), 具有基于流程圖的編程語(yǔ)言和交互式C 語(yǔ)言(簡(jiǎn)稱JC),便于用戶自由發(fā)揮。</p><p><b>　　(2)機(jī)械擴(kuò)展能力</b>

35、;</p><p>　　１至３２個(gè)直流電機(jī)；１至４個(gè)步進(jìn)電機(jī)交流伺服電機(jī)；１至３２個(gè)繼電器、電繼閥、記憶合金；１至３２個(gè)燈泡、電熱絲、蜂鳴器。擴(kuò)展實(shí)例：滅火風(fēng)扇，機(jī)械手臂，裝飾彩燈等。</p><p><b>　　(3)電子擴(kuò)展能力</b></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(shí)例：超聲測(cè)距卡，

36、紅外測(cè)距卡，６路伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡，８路輸入輸出。</p><p>　　第2章 超聲波測(cè)距擴(kuò)展卡的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 超聲波測(cè)距原理</p><p>　　2.1.1超聲波發(fā)生器 </p><p>　　為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w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

37、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(dòng)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(jì)中我們采用市場(chǎng)上較為普遍的型號(hào)為TR40-16B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>　　2.

38、1.2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(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(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(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 </p>

39、<p>　　若對(duì)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(zhǎng)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

40、，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(cè)倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時(shí)發(fā)出警告。所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)可以同時(shí)提供聲光并茂的聽覺(jué)和視覺(jué)警告，其警告表示是探測(cè)到了在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。</p><p>　　2.1.3 超聲波測(cè)距原理 </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(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物

41、就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。 </p><p>　　超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是

42、一樣的。</p><p><b>　　測(cè)距的公式表示為：</b></p><p>　　L=C×T(1) </p><p>　　式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。 </p><p>　　超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒

43、、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。 </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(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過(guò)分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫

44、度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。 </p><p>　　超聲波測(cè)距誤差分析 </p><p>　　根據(jù)超聲波測(cè)距公式L=C×T，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。 </p><p><b>　　時(shí)間誤差</b></p><p&

45、gt;　　當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20℃室</p><p>　　溫)，忽略聲速的傳播誤差。測(cè)距誤差s△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(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的8

46、9C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。</p><p>　　2.2課題設(shè)計(jì)的任務(wù)要求</p><p>　　2.2.1設(shè)計(jì)的任務(wù)</p><p>　　(1)超聲測(cè)距卡能發(fā)射超聲波并檢測(cè)被障礙物反射回來(lái)的聲波，測(cè)量出兩者的時(shí)間差，然后根據(jù)聲音在空氣中傳播的速度，計(jì)算出障礙物與機(jī)器人之間的距離。在機(jī)

47、器人比賽中可對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，確定對(duì)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)自制的超聲測(cè)距卡一塊。</p><p>　　(4)利用VJC1.6編程工具調(diào)試通過(guò)。</p><p>　　2.2.2設(shè)計(jì)的要求</p><p>　　(1)可以直接

48、應(yīng)用于機(jī)器人足球比賽的超聲測(cè)距卡一塊。</p><p>　　(2)完整的技術(shù)文檔。</p><p><b>　　(3)畢業(yè)論文。</b></p><p><b>　　2.3方案設(shè)計(jì)比較</b></p><p>　　2.3.1方案設(shè)計(jì)一</p><p>　　本方案以AT89C5

49、1為核心，實(shí)現(xiàn)該單片機(jī)對(duì)外圍電路的適時(shí)控制，并提供給外圍電路各種所需要的信號(hào)，包括頻率震蕩信號(hào)和數(shù)據(jù)處理信號(hào)等，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)難度。并同時(shí)更重要的使該設(shè)計(jì)方案大大節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，并且由于是采用軟件編程技術(shù)，所以它的移植性好，并在設(shè)計(jì)電路使可以將其他功能設(shè)計(jì)進(jìn)去。</p><p><b>　?。?）提高設(shè)計(jì)精度</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心

50、的低成本、高精度的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，以提高對(duì)時(shí)間t的測(cè)量精度，以最終達(dá)到提高測(cè)距精度的目的。以單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)數(shù)測(cè)量超聲波傳輸時(shí)間時(shí)，其測(cè)量精度受收盤價(jià)內(nèi)部參考頻率或主振頻率的限制，若主振頻率為12MHz，則內(nèi)部參考頻率為1MHz，周期為1μs。參考頻率計(jì)數(shù)誤差的影響，往往就決定了測(cè)試系統(tǒng)的最高分辨力。提高分辨率的唯一方法就是提高計(jì)數(shù)參考平率。只有改進(jìn)電路工作原理，才能提高測(cè)量精度。本電路直接去自由單片機(jī)的主振頻率12MHz，可升高技

51、術(shù)參考頻率，從而可提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量分辨率。</p><p>　?。?）超聲波發(fā)射電路</p><p>　　發(fā)射電路如圖2-1所示，主要有頻率產(chǎn)生電路、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路和升壓電路。</p><p>　　圖2-1 超聲波發(fā)射電路</p><p><b>　　a.頻率產(chǎn)生電路</b></p><p>

52、;　　本設(shè)計(jì)用到兩種頻率。一種是超聲波的中心頻率（40KHz）；二是是單片機(jī)送出來(lái)的計(jì)數(shù)頻率，根據(jù)超聲波測(cè)距精度為1mm，超聲波發(fā)射器的聲波傳播到反射物，再由反射物反射到接收器，所傳播距離為2倍測(cè)量距離的計(jì)算得出。聲波在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下15℃的傳播速度為341m/s，要設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)超聲波傳播距離為0.02mm,341/0.02m=17.05×103kHz,故一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)所測(cè)距離便為0.01m, N個(gè)周期所測(cè)的距離為N*0.0

53、1m。在軟件編程能保證單片機(jī)在啟停時(shí)兩個(gè)頻率信號(hào)同步，就具備了精確計(jì)數(shù)的最基本條件。</p><p><b>　　b.發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　由于單片基P1口最多只有20mA的電流得知，超聲波發(fā)射器的最小驅(qū)動(dòng)電流比它要高，所以在輸出口加入了一個(gè)三級(jí)管放大電路，由于工作頻率比較高，所以這里懸著了產(chǎn)用的高頻管9018，這樣能很好的完成超聲波的發(fā)射。<

54、;/p><p><b>　　c.升壓電路</b></p><p>　　由于TR40-16T發(fā)射超聲波所需要的電壓為12V，故需要一升壓電路，將電壓又5V升到12V，才能滿足電路的需要。這里需要用到芯片LT1073，能很好的將電壓升到12V，提供給傳感器所需要的電壓值。</p><p>　　（3）超聲波接收電路</p><p>

55、;　　運(yùn)放LM139的帶寬以及抗干擾能力都比較強(qiáng)，而且還是多個(gè)運(yùn)放集成的芯片，節(jié)省了電路板上的空間，降低了布線的麻煩。在設(shè)計(jì)超聲波信號(hào)放大電路時(shí)，將放大電路設(shè)計(jì)成兩級(jí)同相交流放大電器，通過(guò)參數(shù)設(shè)置，每一級(jí)放大接近20倍，這樣經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后，接收到的超聲波信號(hào)就被放大了幾乎400倍，完全能夠被后續(xù)檢測(cè)電路檢測(cè)到。超聲波放大電路有運(yùn)算放大器芯片LM139等組成，具體放大電路如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-

56、2超聲波接收電路</p><p>　　接受傳感器TR40-16R獎(jiǎng)反射的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，由放大器放大后再送到由U4A、U4B等（如圖2-3）組成的斯密特整形電路整理成規(guī)范的方脈沖。電R12和電位器R13為同相位端提供直流偏置電位。需要注意的是這兩個(gè)直流偏執(zhí)電阻的作用是相當(dāng)?shù)闹匾?，它可以很好的穩(wěn)定運(yùn)放LM139的直流工作點(diǎn)，不至于使其同相輸入出現(xiàn)浮動(dòng)狀態(tài)，而造成輸入信號(hào)不穩(wěn)定。</p><

57、p>　　LM139芯片需要+5V到-5V的電壓，而電源電壓不能提供-5V的電壓，需要用到一個(gè)變壓電路，在這里我選用了由MAX660組成的變壓電路，輸入+5V，輸出-5V，可以很好的提供給LM139負(fù)5V的電壓，確保了LM139的正常工作，保證信號(hào)放大的準(zhǔn)確。</p><p>　　圖2-3 私密特整形電路</p><p>　?。?）單片機(jī)與ASBUS總線的連接電路</p>

58、<p>　　單片機(jī)與ASBUS連接時(shí)需要用到鎖存器74HC373,將單片機(jī)處理得到的最后數(shù)據(jù)鎖存在74HC373中，當(dāng)ASBUS用到所需要的數(shù)據(jù)時(shí)，由IO0-IO3四個(gè)輸出口中的一個(gè)發(fā)射信號(hào)，這四個(gè)輸出口外部分別接了跳線，這樣，當(dāng)同時(shí)用到IO口時(shí)，通過(guò)跳線選擇，避免了接收信號(hào)時(shí)得到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。具體接線如圖2-4所示：</p><p>　　圖2-4 單片機(jī)與ASBUS的接線電路</p>&

59、lt;p>　?。?）方案設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：本設(shè)計(jì)方案原理圖簡(jiǎn)單，芯片較少，因此擴(kuò)展卡成本低、制作相對(duì)簡(jiǎn)單；另外，由單片機(jī)直接發(fā)出控制信號(hào)控制，不占用存儲(chǔ)空間，且所用硬件擴(kuò)展總線端口較少，不影響擴(kuò)展其它硬件；無(wú)需多加定時(shí)器產(chǎn)生40KHz的振蕩頻率。</p><p>　　缺點(diǎn)：溫度對(duì)測(cè)量的結(jié)果影響很大，在一定程度上限制了超聲波測(cè)距的精度。另外，系統(tǒng)測(cè)試精度和分辨力還

60、與超聲波換能器的靈敏度及方向角度和風(fēng)速有關(guān)系。還有一種誤差時(shí)觸發(fā)誤差，觸發(fā)誤差由于被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、整形，噪聲信號(hào)、干擾信號(hào)的摻入，使觸發(fā)的時(shí)間可能提前或滯后，給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)了隨機(jī)誤差，該誤差與信號(hào)的觸發(fā)波形有很大的關(guān)系。在本電路中給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差是量化誤差，這也是不可避免的。 </p><p>　　2.3.2方案設(shè)計(jì)二</p><p>　　該方案主要包括：溫度檢測(cè)電路，超聲波發(fā)射及控制

61、電路，超聲波接受及信號(hào)處理電路，微處理電路及其輔助電路，以及RS-232通信接口電路等5部分，其框圖如圖2-5：</p><p>　　圖2-5超聲波測(cè)距的系統(tǒng)框圖</p><p>　?。?）超聲波發(fā)射器的設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波接收器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩部分，超聲波探頭的型號(hào)選用CSB40T?？刹捎密浖l(fā)生法和硬件方法產(chǎn)生超聲波。前者利用

62、軟件產(chǎn)生4DkHZ的超聲波信號(hào)，通過(guò)輸出引腳輸人至驅(qū)動(dòng)器,經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。在本設(shè)計(jì)中采用的就是這種方法產(chǎn)生超聲波，具體設(shè)計(jì)圖如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6超聲波發(fā)射機(jī)控制電路</p><p>　　由上圖可知，40KHz的超聲波信號(hào)是利用555定時(shí)器及電路振蕩產(chǎn)生的。其振蕩頻率計(jì)算公式如下式：</p><p><b>　　(

63、2)</b></p><p>　?。?）超聲波接收器的設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波接受器包括接受探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭設(shè)計(jì)中采用CSB40R。電路如圖2-7所示。</p><p>　　圖2-7 超聲波接受電路</p><p>　　超聲波在空氣中傳播時(shí)，其能量的衰減程度與距離成正比，即距離愈近，信號(hào)越

64、強(qiáng)，距離越遠(yuǎn)信號(hào)越弱，通常在1mV-1V之間。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，距離較近時(shí)，兩級(jí)放大的增益已能輸出足夠強(qiáng)的信號(hào)了，第三級(jí)有可能出現(xiàn)信號(hào)飽和，但距離較遠(yuǎn)時(shí)，必須采用三級(jí)放大。合理調(diào)節(jié)電位器R27，選擇比較基準(zhǔn)電壓，可是測(cè)量更加精確和穩(wěn)定。</p><p>　?。?）溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　溫度測(cè)量電路基于DS18B20一線式數(shù)字溫度傳感器，電路非常簡(jiǎn)潔，具體電路如圖2-8所示。&

65、lt;/p><p>　　圖2-8 溫度測(cè)量電路</p><p>　　（4）基于P89LPC932的主機(jī)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　主機(jī)電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是P89LPC932微處理器及其輔助電路的設(shè)計(jì)。在P89LPC932內(nèi)部具有8KB的Flash程序存儲(chǔ)器、256B+512B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，關(guān)于P89LPC932的其他特性及應(yīng)用開發(fā)特點(diǎn)可參閱參考資料。從哦那個(gè)設(shè)計(jì)要求出發(fā)，

66、充分利用其內(nèi)部的復(fù)位監(jiān)視電路、時(shí)鐘電路和看門狗等其他功能部件，可以簡(jiǎn)化電路的復(fù)雜程度，提高電路的可嵌入性。PHILIPS P89LPC932E的工作電壓為+3.3V，應(yīng)該說(shuō)是微處理器的發(fā)展方向?；旌舷到y(tǒng)的接樓設(shè)計(jì)，可簡(jiǎn)要?dú)w納如下幾點(diǎn)：</p><p>　　(a)處理高于P89LPC932工作電壓的最好方案是采用開漏輸出模式，通過(guò)外部電阻可將電平拉高到5.5V，而只有漏電流流人P89LPC932的輸出端口;<

67、;/p><p>　　(b)用3V器件的輸出完全可驅(qū)動(dòng)5VTTL的輸出端;</p><p>　　(c)一般情況下，5VTTL器件可以驅(qū)動(dòng)3VTTL輸人，原因是典型雙極晶體管的輸出并不能達(dá)到電源電壓的幅度，典型值約為3.6V。這樣不會(huì)引起SV電源的電流流向3V電源。</p><p><b>　　（5）方案的優(yōu)缺點(diǎn)</b></p><

68、p>　　優(yōu)點(diǎn)：加入了溫度測(cè)量電路，能夠很好的解決由于溫度變化而引起的測(cè)量誤差;考慮到距離較遠(yuǎn)時(shí)，用三級(jí)放大，可以使測(cè)量更加精確穩(wěn)定；用555定時(shí)器，超聲波的頻率可調(diào)，能調(diào)節(jié)頻率可使在工作時(shí)減少外界的干擾。</p><p>　　缺點(diǎn)：元器件太多，對(duì)于在70×80的板子上把元器件放開并且布線，這是件很麻煩的事情;風(fēng)暴機(jī)器人在比賽時(shí)，是在一個(gè)封閉的環(huán)境下進(jìn)行的，無(wú)需考慮溫度的變化；555定時(shí)器將簡(jiǎn)單的事

69、情復(fù)雜化，單片機(jī)可以很好的完成輸出40KHz的脈沖，而且是元器件減少，降低了布線的麻煩; P89LPC932的工作電壓為3.3V，而ASBUS提供的電壓為5V，還要用變壓電路得到3.3V的電壓，又給設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的負(fù)擔(dān)。</p><p>　　2.3.3 方案比較的結(jié)論</p><p>　　經(jīng)過(guò)研究比較決定，采用方案一。</p><p>　　2.4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)&

70、lt;/p><p>　　2.4.1超聲波測(cè)距的框圖</p><p>　　單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)；再經(jīng)過(guò)BUS直接讀取測(cè)量得到的值即可。如圖2-9：</p><p>　　圖2-9 超聲波測(cè)距的框圖

71、</p><p>　　2.4.2 51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)</p><p>　?。?）51單片機(jī)的功能特點(diǎn)</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，256 B的RAM，2個(gè)16b的定時(shí)／計(jì)數(shù)器TO和T1，4個(gè)8 b的工／O端I：IP0，P1，P2，P3，一個(gè)全雙功串行通信口等

72、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(chǔ)器(E~PROM)，使其在實(shí)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2-10所示。</p><p>　　5l系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB存儲(chǔ)器；256 BRAM；32條工／O線；2個(gè)16b定時(shí)／計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級(jí)中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。</p><p&g

73、t;　　空閑方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。</p><p>　　掉電方式：保存RAM的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。</p><p>　　圖2-10 51系列單片機(jī)封裝圖</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。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情

74、況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。</p><p>　?。?）51單片機(jī)的引腳介紹</p><p>　　以下只對(duì)在本設(shè)計(jì)當(dāng)中就用到的引腳作簡(jiǎn)要介紹：</p><p>　　RST/VPD(9腳)復(fù)位信號(hào)：</p><p>　　時(shí)釧電路工作后芯片內(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寫入堆棧指針SP，清0程序計(jì)數(shù)器PC和其他特

75、殊功能寄存器。</p><p>　　EA/Vpp(31引腳)片外程序存儲(chǔ)器地址選擇信號(hào)：</p><p>　　若EA接地，則不使用內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，不管地址大小，取指時(shí)總是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。本超聲波測(cè)距擴(kuò)展卡并不需要外部存儲(chǔ)器，故該引腳直接接高電平。</p><p>　　AT89C51的I/O口：</p><p>　　AT89C51單片機(jī)有4

76、個(gè)雙向位I/O口P0-P3，P0為三態(tài)雙向口，負(fù)載能力為8個(gè)LSTTL門電路，P1-P3為準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力為4個(gè)LSTTL門電路。</p><p>　　P3口作第二功能口使用時(shí)實(shí)際上際上是系統(tǒng)具有控制功能的控制線。此時(shí)相就的口線必須</p><p>　　（3）51單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)系統(tǒng)</p><p>　　一般單片機(jī)內(nèi)部都設(shè)有定時(shí)計(jì)數(shù)器，因?yàn)橛械臏y(cè)控系統(tǒng)是按時(shí)間間隔

77、定時(shí)控制的，如定時(shí)對(duì)物理過(guò)程的采樣等。雖然可以通過(guò)延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)，但這會(huì)降低CPU的工作效率。如果能利用一個(gè)可編程的實(shí)時(shí)時(shí)鐘獲得延時(shí)定時(shí)，就可以提高CPU的工作效率。另外，也有一些測(cè)控系統(tǒng)是根據(jù)外部信號(hào)的計(jì)數(shù)結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。必須對(duì)外部隨機(jī)事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此，單片機(jī)內(nèi)部一般都設(shè)置可編程的定時(shí)計(jì)數(shù)器，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)功能。</p><p>　　AT89C51內(nèi)部有兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，分別稱為定時(shí)計(jì)數(shù)器0和定時(shí)

78、計(jì)數(shù)器1簡(jiǎn)稱T0、T1，它們都具備定時(shí)計(jì)數(shù)功能，有4種工作方式可以選擇。</p><p>　　在超聲波測(cè)距擴(kuò)展卡的設(shè)計(jì)中我們需要定時(shí)計(jì)數(shù)器的定時(shí)功能，定時(shí)功能的工作方式是對(duì)芯片內(nèi)的機(jī)器周期計(jì)數(shù)，或者說(shuō)計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自芯片內(nèi)部，每來(lái)一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器加1，直到計(jì)數(shù)器滿，再來(lái)一個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)計(jì)數(shù)器全部回0，這就是溢出。每個(gè)機(jī)器周期的時(shí)固定(振為12MHz，機(jī)器周期為1μs，晶振為6MHz，機(jī)器周期為2μs)。<

79、/p><p>　　與定時(shí)計(jì)數(shù)器有關(guān)的控制寄存器共有4個(gè)，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(shí)計(jì)數(shù)器可選擇4種不同的工作方式。根據(jù)超聲測(cè)距的要求我們選擇工作方式1。</p><p>　　方式1是16位計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)，定時(shí)器計(jì)數(shù)器由TH的全部高8位和TL的全部低8位組成。</p>&

80、lt;p>　　（4）51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)</p><p>　　計(jì)算機(jī)工作時(shí)由于系統(tǒng)內(nèi)外某種原因而發(fā)生的隨機(jī)事件，計(jì)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?yàn)槠浞?wù)，待處理完畢，再返回去執(zhí)行被中止的原程序，這個(gè)過(guò)程就是中斷。 引起中斷的設(shè)備或原因稱為中斷源。一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的中斷源會(huì)有多個(gè)，用來(lái)管理這些中斷的邏輯稱為中斷系統(tǒng)。</p><p><b>　　采用中

81、斷的優(yōu)點(diǎn)有：</b></p><p><b>　　分時(shí)操作；</b></p><p><b>　　實(shí)時(shí)處理；</b></p><p><b>　　故障處理；</b></p><p>　　AT89C51單片機(jī)中有5個(gè)中斷源，外部有兩個(gè)中斷請(qǐng)求輸入，INT0，INT1。

82、內(nèi)部有3個(gè)中斷請(qǐng)求。定時(shí)計(jì)數(shù)器T0，T1和片內(nèi)串行口。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求時(shí)，5個(gè)中斷源中的請(qǐng)求標(biāo)志根子別由特殊功能寄存器TCON和SCON的相位來(lái)鎖存。</p><p>　　2.4.3硬件擴(kuò)展總線ASBUS</p><p>　　能力風(fēng)暴控制板設(shè)計(jì)了ASBUS總線見（圖2-11），簡(jiǎn)單類似于ISA和PCI總線。采用堆疊式的ASBUS擴(kuò)展卡可以方便擴(kuò)展控制板的功能, 它分為ASBUSA和ASB

83、USB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下所示:</p><p>　　圖2-11 ASBUS信號(hào)線</p><p>　　ASBUSA和ASBUSB分別有14個(gè)信號(hào)線。各信號(hào)線功能如下：</p><p>　　PCO-PC7：數(shù)據(jù)總線<

84、;/p><p>　　/RESET：復(fù)位信號(hào)</p><p>　　/IRQ：外部中斷輸入腳</p><p>　　VCC：+5V電源（負(fù)載不要超過(guò)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><p><b>　　GND：地</b>

85、;</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(lái)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使用，</p><p>　　PE5-PE7：模擬輸入口,

86、 可用來(lái)擴(kuò)展溫度傳感器、力傳感器等模擬量輸入傳感器。</p><p>　　2.5 繪制原理圖和印刷電路板</p><p>　　在EDA ( Electronic Design Automation) 工具中 ，Protel 系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(jì)軟件，采用設(shè)計(jì)庫(kù)管理模式，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的，數(shù)

87、據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個(gè)32位的設(shè)計(jì)軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計(jì)，印制電路板設(shè)計(jì)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)等工作，可以設(shè)計(jì)32個(gè)信號(hào)層，16個(gè)電源--地層和16個(gè)機(jī)加工層。Protel 99 SE（Second Edition）在原理圖設(shè)計(jì)和電路仿真方面增加了許多小的功能，而其最主要的改進(jìn)體現(xiàn)在電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)方面。Protel99 SE共分5個(gè)模 塊，分別是原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)（包含信號(hào)完整性分析）、自動(dòng)布線器、原理圖混合信

88、號(hào)仿真、PLD設(shè)計(jì)。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，即使用了Protel99 SE軟件。下面簡(jiǎn)述產(chǎn)生PCB的步驟：</p><p>　?。?）新建一SCH文件，繪制整個(gè)電機(jī)控制電路的電路原理圖</p><p>　?。?）另新建一SCH文件，繪制用于產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表的擴(kuò)展卡原理圖</p><p>　?。?）在擴(kuò)展卡原理圖中定義元件的封裝</

89、p><p><b>　?。?）產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表</b></p><p>　?。?）新建一PCB文件，繪制出電路板邊框，裝載元件封裝庫(kù)并加載網(wǎng)絡(luò)表，各元件封裝圖便會(huì)出現(xiàn)在該界面上。元件排列雜亂無(wú)章，且各元件之間用飛線連接。</p><p>　?。?）手動(dòng)調(diào)整元件的布局，使各元件擺放盡量整齊美觀。</p><p>　　（7）進(jìn)行布線，

90、由于設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，元件較少，可使用自動(dòng)布線。</p><p>　?。?）對(duì)文字、個(gè)別元件、走線做些調(diào)整以及敷銅。</p><p>　?。?）檢查核對(duì)網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　下圖為最終繪制成的PCB圖：</p><p>　　圖2-12 超聲波測(cè)距的PCB圖</p><p>　　第3章 超聲波測(cè)距卡的軟件調(diào)試</

91、p><p><b>　　3.1 VJC簡(jiǎn)介</b></p><p>　　圖形化交互式C語(yǔ)言（簡(jiǎn)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(yǔ)言和交互式C 語(yǔ)言（簡(jiǎn)稱JC）。VJC 為開發(fā)智能機(jī)器人項(xiàng)目、程序與算法、教學(xué)等提供了簡(jiǎn)單而又功能強(qiáng)大的平臺(tái),是全球開創(chuàng)性的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。</p><p>　　在 V

92、JC 中，不僅可以用直觀的流程圖編程，也可以用JC 語(yǔ)言編寫更高級(jí)的機(jī)器人程序。</p><p>　　VJC 操作簡(jiǎn)便，有活潑明快的圖案和簡(jiǎn)短的文字說(shuō)明。讀者可以使用形象化的模塊，由頂向下搭建流程圖，搭建流程圖的同時(shí)，動(dòng)態(tài)生成無(wú)語(yǔ)法錯(cuò)誤的JC 代碼。流程圖搭建完畢，程序就已經(jīng)編寫完成，可以立即下載到機(jī)器人中運(yùn)行。</p><p><b>　　3.2 JC語(yǔ)言</b>&

93、lt;/p><p>　　3.2.1 JC語(yǔ)言</p><p>　　交互式C語(yǔ)言(簡(jiǎn)稱JC)是用于能力風(fēng)暴智能機(jī)器人的專用開發(fā)語(yǔ)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(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的一個(gè)子集，它包括控制語(yǔ)句(for，while，if else)、局部變量和全局變量、數(shù)組、指針、16位和32位整數(shù)以及32位浮點(diǎn)數(shù)。</p

94、><p>　　JC不直接編譯生成針對(duì)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(diǎn)：</p><p>　　(1)解釋執(zhí)行：允許檢查運(yùn)行錯(cuò)誤。例如：JC在運(yùn)行時(shí)，數(shù)組下標(biāo)的檢查。</p><p>　　(2)代碼更精簡(jiǎn)：偽代碼比機(jī)器代碼更簡(jiǎn)短。</p><p>

95、　　(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(jì)數(shù)器所決定。因此只需要裝載新的堆棧指針和程序計(jì)數(shù)器就可以方便地實(shí)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(duì)比有以下特點(diǎn)：</p><p>　　JC語(yǔ)言是建立在ANSIC標(biāo)準(zhǔn)上的。但是它們有些重要的區(qū)別。</p><p>　　許多區(qū)別是因?yàn)镴C比標(biāo)準(zhǔn)

96、C更“安全”。例如，JC在運(yùn)行時(shí)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(shí)間更短更高效。 </p><p>　　3.2.2 用JC代碼編寫超聲波數(shù)據(jù)接收程序</p><p>　　由于VJC中沒(méi)有合適的超聲測(cè)距的模塊庫(kù)，所以我們只能用JC代碼來(lái)編程，編制的程序見附錄。</p><

97、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(cè)距卡，運(yùn)行程序，即可實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距功能。</p><p>　　3.3 單片機(jī)匯編語(yǔ)言調(diào)試</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)的CPU只能認(rèn)識(shí)和識(shí)別二進(jìn)制代友，所以又稱為機(jī)器碼。一種計(jì)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

98、記憶問(wèn)題和閱讀問(wèn)題。</p><p>　　為了記憶和閱讀方便，制造廠家對(duì)指令系統(tǒng)中每一條指令都給出了符號(hào)作指令助記符，這就容易記憶，容易理解，清晰可讀。</p><p>　　3.3.1 采用匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　匯編語(yǔ)言與高級(jí)語(yǔ)言相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）占用的內(nèi)存單元和使用的CPU資源少；</p>

99、;<p>　?。?）程序簡(jiǎn)短，執(zhí)行速度快；</p><p>　　（3）可直接調(diào)動(dòng)計(jì)算機(jī)的全部資源，并可有效地利用計(jì)算機(jī)的專有特性；</p><p>　?。?）能準(zhǔn)確地掌握指令的執(zhí)行時(shí)間，適用于實(shí)時(shí)控制制系統(tǒng)。</p><p>　　根據(jù)以上匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)，決定用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫單片機(jī)程序。</p><p>　　3.3.2 程序流程圖

100、</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，如圖3-1。</p><p>　　在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，一些問(wèn)題必須考慮在內(nèi)。</p><p>　　首先是超聲波發(fā)出之后有一段盲區(qū)，這是因?yàn)樵诔暡òl(fā)出之后的一段時(shí)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

101、時(shí)間內(nèi)接收超聲波回波信號(hào)，會(huì)造成測(cè)距錯(cuò)誤，因此必須設(shè)計(jì)一段延時(shí)程序，在發(fā)出超聲波之后的一段時(shí)間內(nèi)不能接收超聲波反射信號(hào)。</p><p>　　在中斷響應(yīng)過(guò)程中，本方案采用了限幅濾過(guò)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(gè)機(jī)器人若都發(fā)射40KHz的超聲波的話，可能會(huì)造成互相串?dāng)_。如果采用限幅濾波子程序，將誤差較大的測(cè)量結(jié)果除去，則會(huì)起到良好的抗干擾效果。</p><p>　　本

102、方案設(shè)計(jì)的最大測(cè)量距離是5m。定時(shí)計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值是72E3H。結(jié)果為15位，因此選用定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作方式1(16位定時(shí)計(jì)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(cè)數(shù)據(jù)左移1位，將測(cè)量結(jié)果的高八位放入一個(gè)單元中以傳送到ASBUS上。</p><p>　　在主程序最后的延時(shí)等待程序當(dāng)中，我們?cè)O(shè)特殊功能寄存器中的F0為標(biāo)志位為1，若檢測(cè)到F0為1，則程序一直等待，若外部有INT0中斷信號(hào)，則進(jìn)入中

103、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(cè)到F0為1，則跳轉(zhuǎn)到測(cè)距過(guò)程開始。</p><p>　　程序中設(shè)置R7的意義在于檢測(cè)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(guò)程，濾波原理是將上次測(cè)量值存入30H中，最新測(cè)量值存入31H單元中，將兩單元中的數(shù)值相減，若差值的絕對(duì)值過(guò)大，則認(rèn)為測(cè)量結(jié)果出錯(cuò)，并將上次的測(cè)量值(30H單元中的數(shù))作為本次測(cè)量值送到P2口。若是第一次測(cè)量，則30H

104、單元中并無(wú)測(cè)量值，必須把第一次測(cè)量值送入31H單元的同時(shí)送入30H當(dāng)中。</p><p><b>　　圖3-1程序流程圖</b></p><p>　　3.3.3 所用的單片機(jī)程序</p><p><b>　　（1）主程序</b></p><p>　　該主程序主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)在P1.0口輸出40KHz的脈

105、沖，來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射，具體程序見附錄。</p><p>　　將該程序直接寫入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)輸出超聲波的發(fā)射所用到的40KHz的脈沖。</p><p><b>　　（2）中斷程序</b></p><p>　　中斷程序的作用是，通過(guò)INT0口實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波脈沖的接受，在內(nèi)部并將發(fā)射和接受之間的時(shí)間計(jì)算出，進(jìn)而計(jì)算出對(duì)手離自己的距離，將結(jié)果送到P2口輸

106、出。等待ASBUS的信號(hào)，將結(jié)果輸送給ASBUS。見附錄。</p><p><b>　　第4章 結(jié)論</b></p><p>　　能力風(fēng)暴機(jī)器人上的超聲波測(cè)距擴(kuò)展卡的設(shè)計(jì)內(nèi)容至此基本結(jié)束。能力風(fēng)暴智能機(jī)器人是上?！皬V茂達(dá)”公司開發(fā)的一款基于Motorola單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的專門面向教育的機(jī)器人。它的強(qiáng)大的擴(kuò)展功能為我們提供了廣闊的思維空間，我們可以充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力

107、來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展卡的設(shè)計(jì)。</p><p>　　要設(shè)計(jì)一塊超聲波測(cè)距擴(kuò)展卡，首先應(yīng)對(duì)能力風(fēng)暴機(jī)器人有一個(gè)全面的了解，了解它的身體結(jié)構(gòu)及各部分的功能；其次，要仔細(xì)研究它的工作原理和單片機(jī)控制原理，為設(shè)計(jì)擴(kuò)展卡打好理論基礎(chǔ)；再次，要充分運(yùn)用各種渠道廣泛搜集資料，對(duì)各種方案進(jìn)行比較、篩選，確定最佳方案；最后，運(yùn)用Protel99 SE軟件繪出電路原理圖并生成PCB板。</p><p>　　總體來(lái)說(shuō)，超

108、聲波測(cè)距擴(kuò)展卡的設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)和各種電子元器件的知識(shí)要求較高，只有掌握了這些知識(shí)，設(shè)計(jì)起來(lái)才會(huì)得心應(yīng)手。</p><p>　　由于時(shí)間和其它客觀上的原因，此次設(shè)計(jì)沒(méi)有做出實(shí)物。但是對(duì)設(shè)計(jì)有一個(gè)很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。</p><p>　　超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波

109、的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)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(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。</p><p>　　超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)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(cè)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)

110、定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出555定時(shí)器所需的電平信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。</p><p>　　超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由超聲波發(fā)生、超聲波接收中斷及濾波程序組成。超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)(即INT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距時(shí)間送入工作寄存器區(qū)等待處理

111、。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出，單片機(jī)重新測(cè)距。超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，

112、接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。</p><p>　　在元件及調(diào)制方面，由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調(diào)試應(yīng)該不會(huì)太難。一般只要電路焊接無(wú)誤，稍加調(diào)試應(yīng)該會(huì)正常工作。電路中除集成電路外，對(duì)各電子元件也無(wú)特別要求。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整接收放大電路部分的可變電阻的大小，以獲得合適