基于能力风暴机器人的超声测距扩展卡的毕业设计.doc

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青岛大学毕业设计论文

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VJC1.6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；VJC1.6；能力风暴机器人

Abstract

Thispaperdescribesadesignmethodofsonarrangingcircuitboard,includingtheselectionofsonarrangingsensorandPCBdesign.ThecircuitschematicandprintedcircuitboardaremadeoutusingProtel99SE,andasimpleprogramisgiveninthispaper.Thesonarrangingcircuitboarconsistsofveryfewchips,soitislow-cost,lightweight,andveryeasytouse.iteasilysolvestheproblemofdistancemeasuringinthefiercecompetitionoftherobotsoccergame.

Thissubjecthasintroducedtheprincipleandcharacteristicoftheultrasonicsensor,andtheperformanceandcharacteristicofone-chipcomputerAT89C51ofAtmelCompanyindetail,andonthebasisofanalyzingtheprincipleofsonarranging,wepointoutthequestionsthatweneedtobeconsideredandthedesignmethods,providingthehardwarecircuitoflowcost,highaccuracy,ultrasonicrangingcircuitboardandthesoftwaredesignmethodbasedonAT89C51.Thiscircuitofsystemisreasonableindesign,andcanmeetindustry'sapplicationdemandinthemeasuringprecision。

Keywords:

sonarranging;VJC1.6;AbilitystormRobot

目录

第1章绪论 3

1.1机器人研究的意义 3

1.1.1机器人足球的发展 3

1.1.2传感器技术与超声波应用 4

1.2能力风暴机器人概述 4

1.2.1开设能力风暴机器人教育的意义 4

1.2.2能力风暴机器人结构 5

1.2.3能力风暴机器人的硬件 5

1.2.4能力风暴机器人的开发能力 6

第2章超声波测距扩展卡的设计 8

2.1超声波扩展卡设计思路 8

2.1.1超声波简介 8

2.1.2超声波测距原理 8

2.1.3课题设计的任务和要求 10

2.1.4方案设计比较 10

第3章系统硬件结构设计 13

3.1系统主要结构 13

3.251系列单片机功能结构特点 13

3.2.1AT89C51的引脚介绍 14

3.2.2AT89C51的定时计数系统 15

3.2.3AT89C51的中断系统 15

3.3LM555定时器介绍 16

3.4硬件扩展总线ASBUS 21

第4章绘制电路板 22

4.1PROTEL介绍及作图流程 22

4.2超声波测距扩展卡的软件调试 24

4.2.1VJC简介 24

4.2.2JC语言 24

4.3单片机汇编语言调试 25

4.3.1采用汇编语言的优点 25

4.3.2程序流程图 26

第5章结论 28

致谢 30

参考文献 31

附录 32

第1章绪论

1.1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。

1.1.1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。

1.1.2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。

1.2能力风暴机器人概述

1.2.1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AS-UⅡ（以下简称：

AS-UⅡ）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AS-UⅡ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。

1.2.2能力风暴机器人结构

AS-UII是面向教育的新一代智能移动机器人。

AS-UII结构参见图1.1

AS-UII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。

AS-UII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AS-UII机器人的核心组成部分，AS-UII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1.1AS-UII的内部结构图

1.2.3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2*16字符的液晶显示器。

能力风暴机器人的系统结构如图1.2所示。

图1.2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