控制电路板论文讲解重点.docx
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控制电路板论文讲解重点
毕业设计
题目:
基于51单片机搏击机器人传感器控制单元的设计
姓 名:
许佳铭
学 号:
0606331332
学院:
机电学院
专业:
机械工程及自动化
指导教师:
张保钦
协助指导教师:
2010年05月10日
摘要
本文主要以搏击机器人的控制系统为研究对象,介绍了基于51单片机的搏击机器人的控制系统,以及控制系统的设计方法,包括硬件原理图、PCB图的设计、以及软件设计等内容。
论述了基于51单片机控制技术在搏击机器人行进过程中的应用。
主要内容包括通过灰度传感器、超声波传感器、激光传感器对外界进行数据采集,经51单片机转换上传到上位AVR单片机中,以便上位AVR单片机完成搏击机器人在擂台上行进过程中的区域识别、测距、定位等功能。
本控制系统采用了AT89S52单片机作为控制单元,该单片机控制系统片内含4Kbytes的Flash程序存储器,既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程并储存于8位微处理器中,并且结合外扩AD转换电路、串行通信电路、激光传感器电路、灰度传感器电路、超声波传感器电路等来实现数据采集,并对传感器采集到的数据进行格式转换,然后上传到AVR单片机中,达到识别所处位置、寻找棋子和对方机器人的目的。
软件设计包括超声波传感器子程序、激光传感器子程序、灰度传感器子程序以及与AVR单片机串行通信的子程序等内容。
关键词:
控制电路传感器程序串行通信
Abstract
Fightingrobotcontrolsystemaccomplishestheresearchobjectinthispaper.Itproducescontroltechnologywhichisbasedon51events.Thisarticledescribes8051MCUcontrolsystemandfightingrobotscontrolsystemdesignmethodsthatincludesselectionofhardwaredesign,PCBdesignandsoftwaredesignelements.
ThemaindesignelementsincludesomethingthatGray-scalesensor、UltrasonicsensorandLasersensorcollecttheoutsideworlddata.Thesedataarechangedbythe51MCUandthenuploadtoAVRmicrocontroller.Thefightingrobotcompletesidentification,location,positioningandotherfunctions.
ThecontrolsystemusestheAT89S52microcontrollerwhichcontrolsystemchipincludes4KbytesofavailablesystemprogrammingofFlashread-onlyprogrammemory.Itcannotonlyonlineprogramming(ISP),butalsousethetraditionalmethodofprogrammingandthenstorein8-bitmicroprocessor.ThecombinationofADconverter,serialcommunicationcircuit,thelasersensorcircuit,graysensorcircuit,ultrasonicsensorcircuitcompletethesensorcollecteddataintoasinglechip-readable.ThenuploadthesetoAVRmicrocontrollertopromotthepawnrobotslocationidentificationpurposes.Softwaredesignincludeultrasonicsensorssubroutine,subroutineslasersensor,graysensorroutinesandserialcommunicationwiththehostroutinesandsoon.
KeyWords:
ControlcircuitSensorprocessSerialCommunication
目录
摘要I
AbstractII
目录III
引言1
1绪论2
1.1控制技术资料调研2
1.2传感器控制单元国内外的发展2
1.3课题主要内容介绍4
2基于51单片机控制系统的硬件设计5
2.1方案设计5
2.2单片机的选型6
2.3最小系统设计7
2.4激光传感器电路设计8
2.5灰度传感器电路设计9
2.6超声波传感器电路设计9
2.7串行通信电路设计10
2.8印制电路板的制作10
2.8.1布局11
2.8.2布线11
2.8.3焊盘11
3基于51单片机控制系统软件设计12
3.1主程序的设计12
3.2激光传感器子程序设计14
3.3灰度传感器子程序设计14
3.4超声波传感器子程序设计17
3.5串行通信子程序设计18
3.6定时器2子程序设计19
3.751单片机与AVR单片机间的传输格式20
结论22
致谢23
参考文献24
引言
机器人作为一种典型的机电系统,它对现在以及未来社会都产生极大的影响。
机器人的普及程度对一个国家机器人技术的发展起很大的作用,机器人在社会生活中有着广泛的应用。
例如自动化生产线的物料陪送机器人,医院的机器人护士,商场的导游机器人等。
自主式移动机器人在移动的过程中,常会面临无法预测的环境变化,如何有效地发现障碍物并实现位置识别和自主决策成了一个热点问题。
武术擂台赛的目的是促进自主识别和自主决策智能机器人技术的普及和推广,为了采集地面灰度信息、搜索敌方机器人和棋子,及判断机器人本体所处位置进一步进行策略设定,本着低成本、高可靠性、稳定性好、传输速度快的原则,对搏击机器人控制系统硬件进行了方案设计。
以ATMEL公司的8位单片机AT89S52为核心,开发研制了一套移动机器人用控制模块,该模块主要由单片机、激光传感器接口电路、超声波传感器接口电路、灰度传感器接口电路模块和在线系统编程组成,该单片机模块与AVR单片机之间的串行通讯进行了一定的研究。
该系统结构简单,成本低廉,抗干扰性较强。
通过参加机器人控制单元设计相关工作,促使自己能够更多地去接触实践,把书本上的理论知识应用到实践,在此基础上才会有创新,才会有发展。
不断地发现问题,才能不断地解决问题;不断地提出新的或更高的需求,才会不断地去研究、去实现新的或更高的需求,才会不断地发展、创新。
1
绪论
1.1控制技术资料调研
机器人研究是自动化领域最复杂、最具挑战性的课题,它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术等多门学科于一体,是多学科高技术成果的集中体现。
运动控制系统是机器人控制技术的核心,也是机器人研究领域的关键技术之一,在机器人控制中具有举足轻重的地位,因此,各研究机构都把对机器人运动控制系统的研究作为首要任务。
动作协调、具有一定智能、能实现无线实时行走已经成为当今机器人发展的主题。
随着以电子计算机和数字电子技术为代表的现代高技术的不断发展,特别是以DSP为代表的高速数字信号处理器和大规模可编程逻辑器件(以CPLD和FPGA为代表)的广泛应用,机器人运动控制系统也从以前单一的结构和简单的功能向着结构化、标准化、模块化和高度集成化的方向发展,采用开放式体系结构已经成为该技术发展的一种必然趋势。
随着机器人技术的发展,机器人应用领域的不断扩大,对机器人的性能提出了更高的要求,因此,如何有效地将其他领域(如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等)的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中,是一项富有挑战性的研究工作.而具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器的研究无疑对提高机器人性能和自主能力、推动机器人技术的发展具有重大意义。
1.2传感器控制单元国内外的发展
当今社会,控制技术不断的发展,CPU也在不断的发展进步。
就拿ARM、DSP来说,DSP它的特点是:
(1)高度并行运算,内部操作采用时间上重叠的流水线结构(哈佛结构),大大提高了运算速度;
(2)片内配置了一个或多个硬件乘法器和累加器,能在一个指令周期内完成乘累加和变址运算;(3)按照数字信号处理的算法要求,设计了专用变址器和功能很强的专用指令;(4)片内配置了多种功能很强的外围器件和接口,例如:
可编程定时器、高速串行接口、直接存贮器存取控制器等。
因此,用它来处理数字信号,特别是线性变换(快速傅立叶变换、希尔伯特变换、余弦变换等)、数字滤波(包括有限和无限冲激响应滤波等)、卷积运算等,其速度要比通用PC机快很多倍。
与以往的模拟技术相比,不但体积变小,性能得到极大改进,而且成本也得到降低,在通信、高速控制、声纳、雷达、智能仪器仪表等领域中获得了广泛的运用。
目前,世界上一些著名的电子公司都生产了自己设计的DSP芯片、系统和开发工具。
总之,DSP已成为当前信息产业的热点之一。
DSP的软件和系统集成发展也非常迅速。
最初,DSP只是作为一种器件,要设计成产品还需要做许多工作。
通常是由具有软件、硬件和系统集成专长的技术人员组成小组,相互配合,发挥各自专长,开发出完善的产品。
随着芯片集成度的提高,很多算法已形成工业标准,DSP厂家和一些软件开发商合作,推出了芯片组和参考设计。
这样就大大缩短了开发周期,提高了设计质量,给用户带来很大的好处。
为进一步降低成本,提高产品的市场竞争力,很多用户和DSP厂家合作,把批量大、性能优良的系统或分系统集成到一个芯片内,这样就可以迅速地构成高技术产品。
而对于ARM公司的ARM处理器的技术也是不容小视。
CoreSight技术建于ARMEmbeddedTraceMacrocell(ETM)实时跟踪模块中,为完整的片上系统设计提供最全面的调试、跟踪技术方案,通过最小端口可获得全面的系统可见度,并为开发者大大节约了产品上市时间。
ARMCoreSight技术提供了最标准的调试和跟踪性能,适用于各种内核和复杂外设,可对核内指令和数据进行追踪。
该技术为半导体制造商和工具供应商建立了可真正协同工作的系统调试标准,可满足嵌入式开发者和半导体制造商的各种需求,以最低的成本来提供全面的系统可见度,从而降低处理器成本。
对于ARM系列中的ARM1176JZ-S和ARM1176JZF-S内核为PrimeXsys平台提供了安全的低功耗设计,含有AMBA3.0AXI,可对频率和电压变化进行控制;系统级TrustZone软硬件参考设计。
两个新内核中集成了ARMJazelle技术,可加快嵌入式Java执行。
ARM1176JZF-S内核包含一个浮点协处理器,极适合用于嵌入式3D图像应用产品。
两个新内核的标准配置中都含有ARM-SynopsysRTLtoGDSII参考技术方案,都是可综合的,在0.13μ工艺中,最低频率可达333-550MHz。
PrimeXsys平台包含ARMCoreSight技术,提供了世界领先的调试和跟踪技术方案。
ARMCoreSight技术可快速地对不同地软件进行调试,通过对多核和AMBA总线的情况进行同时跟踪。
此外,同时对多核进行暂停和调试,CoreSight技术可对AMBA上的存储器和外设进行调试,无需暂停处理器工作,达到不易做到的实时开发。
ARMCoreSight技术拥有更高的压缩率,为半导体制造商们提供了对新的更高频处理器进行调试、跟踪的技术方案。
使用CoreSight技术,制造商们可通过减少调试所需的管脚、减少片上跟踪缓存所需的芯片面积等手段来降低生产成本。
目前,单片机也正朝着高性能和多品种方向发展,是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
单片机的主要发展趋势------CMOS化 。
近年,由于CHMOS技术的进步,大大地促进了单片机的CMOS化。
CMOS芯片除了低功耗特性之外,还具有功耗的可控性,使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。
因为单片机芯片多数是采用CMOS(金属栅氧化物)半导体工艺生产。
CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
虽然采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快,但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高,又出现了HMOS(高密度、高速度MOS)和CHMOS工艺、CHMOS和HMOS工艺的结合。
目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度,传输延迟时间小于2ns,它的综合优势已在于TTL电路。
因而,在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
对于DSP、ARM来说,它们的价格比较昂贵,成本较高,控制复杂,开发时间长、投入人员多等,而相对于单片机来说,它的价格较低低、成本少、控制方法简单、开发时间短,并且结合毕业设计时间比较短等多方面的考虑,所以最终本组选择了选择51单片机作为传感器控制单元的核心,来完成机器人在擂台上识别,定位等。
1.3课题主要内容介绍
(1)设计控制系统的电路原理图和PCB图。
为了便于在机器人本体上安装电路板,PCB板不超过10cm*12cm;
(2)电路板上设计安装一个超声波传感器、八个激光传感器和四路灰度传感器,电路板采用AT89S52单片机,以便实现ISP下载功能;
(3)采用C语言设计UART串行通信子程序,模拟数据采集子程序,激光传感器数据采集子程序,超声波传感器数据采集子程序,并设计一块电路板管理和转换各传感器的数据,以便上传到上位单片机中用于自主决策。
2
基于51单片机控制系统的硬件设计
传感器控制单元是搏击机器人的重要部分,担负着数据采集和整理,因此该控制单元性能的优劣决定了整个机器人自主移动和识别的好坏,也决定着整个搏击机器人的性能。
结合搏击机器人的工作要求和需求,控制电路板应满足以下功能和要求:
(1)几何尺寸:
电路板的几何尺寸不能太大,由于电路板是挂在机器人身上,为了保持搏击机器人的机械平衡和保护该传感器控制单元不被对方机器人破坏,电路板宜小不宜大,应结合制作完成的机器人本体设计。
(2)丰富的接口:
包括八路激光传感器接口、四路灰度传感器接口、串行通信接口、一路超声波传感器接口。
激光传感器接口:
该接口用于寻找对方机器人和棋子位置,结合机器人所处方位,应在机器人周围放置尽量多的激光传感器,同时结合本机器人及超声波传感器辅助寻找,因此选用8路激光传感器;
串行通信接口:
搏击机器人通过接收上位机命令并判断该命令,另一方面也需把超声波传感器、激光传感器和灰度传感器数据分别上传;
灰度传感器接口:
搏击机器人在2400*2400的擂台上运动,时刻要知道所处位置和所要往的方向,结合擂台从中心到边缘颜色由白到黑渐变特点,因此选用灰度传感器进行位置判断。
超声波传感器接口:
由于机器人不能离开擂台区域,所以需要超声波传感器测量所处位置与擂台外挡板的距离作为判断的依据,从而保证机器人处于安全区域,同时也可以作为激光传感器搜寻目标的辅助传感器。
2.1方案设计
本组设计的机器人需要实现安装在车底周边的四个灰度传感器采集地面灰度变化的数据、安装于车头的超声波传感器采集物体距离的数据、安装在车头和车身周边的8个激光传感器采集定位物体的数据,经过A/D转换或直接上传,输入到51单片机中,保存起来。
在控制电路收集传感器数据和发送给上位单片机数据过程中,需要激光传感器电路、超声波传感器电路、灰度传感器电路、串行通信电路、A/D转换电路等共同完成整套数据的采集、整理、上传的过程。
控制电路板框图如图2.1所示。
4路灰度传感器
AD转换电路
8路激光传感器
超声波传感器
51单片机
串行通信电路
晶振电路
复位电路
图2.1控制电路板框图
2.2单片机的选型
步入21世纪,随着电子技术的飞速发展,机器人所用传感器的不断研制、计算机运算速度的显著提高,移动机器人控制技术逐步得到完善和发展。
移动机器人从最初的示教模仿型向具备环境信息感知、在线决策等功能的自治型智能化方向发展。
随着机器人技术的不断发展,控制系统的技术也在不断地成熟、进步。
本组设计的机器人采用的是51系列的单片机来作为传感器单元的控制系统核心。
5l系列单片机提供以下功能:
4kB存储器、32条I/O线、2个16位定时/计数器、5个2级中断源以及时钟电路。
空闲方式:
CPU停止工作,而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。
掉电方式:
保存RAM的内容,振荡器停振,禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。
5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。
ATMEL公司的AT89系列单片机以其卓越的性能、完善的兼容性、快捷便利的电擦写操作,低廉的价格、超强的加密功能,完全替代87C51/62和8751/52。
其有低电压、低电源、低功耗的优点,有DIP、PLCC、QFP封装,有民用型、工业级、汽车级、军品级等多种温度等级,是当今世界上性能最好、价格最低、最受欢迎的八位单片机。
经过价格、性能等多方面的对比选择最终本组选择了AT89系列产品中的AT89S52单片机,来作为控制系统核心,完成搏击机器人的在擂台上的自主决策。
2.3最小系统设计
时钟电路:
时钟电路为整个单片机系统产生时间基准,是单片机系统必须的部分。
对于常用的晶振4MHz和12MHz以及11.0592MHz和20MHz的单片机,一般来说采用的是15PF和30PF晶振大小影响不大。
本组设计时采用的是晶振11.0592MHz,采用了30PF的电容。
因为它能够准确地划分成时钟频率,与UART常见的波特率相关。
如图2.2所示。
图2.2时钟电路图
复位电路:
复位电路是单片机系统必须的,用来为单片机提供正确的复位信号。
一般只要复位引脚通过至少2个时间机器周期的高电平,单片机就复位。
电阻给电容充电,电容的电压缓慢上升直到VCC,没到VCC时芯片复位脚近似低电平,于是芯片复位,接近VCC时芯片复位脚近高电平,于是芯片停止复位,复位完成。
如图2.3所示。
图2.3复位电路图
A/D转换电路:
将传感器采集的模拟信号转换成单片机能读取的数字信号。
DATAOUT:
三态串行输出口,用于输出AD转换的结果。
当CS高时DATAOUT被置为高阻态,CS低时被置为可用状态。
I/OCLOCK:
输入输出时钟,该管脚接受串行输入的时钟信号。
在数据收发周期开始时,由外部入输的I/OCLOCK作为串行通信的同步时钟,该周期被这个时钟信号划分为几个小的时钟周期。
在DATAOUT口上,这几个时钟周期输出AD转换的数字量结果。
需要注意的是,该结果来自于上一个数据收发周期中所确定的那个模拟量输入口,而本周期所确定的模拟量输入口所读进的数字转换结果将在下一个读写周期输出。
如图2.4所示。
图2.4A/D转换电路
74LS244:
74LS244在电路中作为驱动器来使用。
其输出侧的8个引脚分别与8个TLC549的时钟引脚相连接,以提供模数转换的时序信号,输入端的八个引脚同时与单片机P00引脚相连接,这样形成由一个引脚同时为8路TLC549提供时钟的电路,从而节省了引脚数,同时控制方法简单,从而将8路灰度传感器转换后的数据输入到单片机中。
如图2.5所示。
图2.574LS244驱动电路
2.4激光传感器电路设计
激光传感器工作时,先由激光二极管对准目标发射激光脉冲,经目标反射后回到传感器接收器,然后传入单片机,由于单片机引脚P10-P14内部的上拉电阻,单片机的P10-P14引脚始终置于高电平,当激光打到棋子反射接收后,P10-P14中的引脚就会变成低电平,哪个变成低电平,就说明物体在该方向上,实现了机器人对物体的定位。
激光传感器接口电路如图2.6所示。
图2.6激光传感器电路
2.5灰度传感器电路设计
灰度传感器是根据对地面灰度的增减变化来实现区域识别的。
在接近白色的区域,对红外光的反射量大,光敏二极管即灰度传感器的输出电压高,在单片机上反映的数字量就相对较大,在接近黑色区域,输出电压则低,在单片机上反映的数字量就相对较小。
由于灰度传感器采集到的是电信号的形式,需要A/D转换电路转换成数字信号,进而传给单片机完成机器人在指定区域的行进。
灰度传感器电路如图2.7所示。
图2.7灰度传感器电路
2.6超声波传感器电路设计
超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。
本设计采用51单片机来实现对超声波转换模块的控制。
单片机通过反相器来控制超声波的发送,然后单片机不停的检测INT0引脚,当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。
计数器T0的数据就是超声波所经历的时间,通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。
超声波传感器电路如图2.8所示。
图2.8超声波传感器电路
2.7串行通信电路设计
实现51单片机跟上位AVR单片机之间的串行通信,当机器人需要场地上的环境数据时,AVR单片机通过指令给出0X55号舵机。
51单片机由P3.6外部数据存储器“写”信号输出口,经给串行输出U11A的1引脚高电平,将传感器数据由TXD引脚以字节的方式传给上位单片机;给串口输入U11B的4引脚高电平,将数据由RXD引脚输入,实现两者之间的串行通信。
对于机器人在场地运行过程中,各个传感器通过场地变化,不断采集更新数据经过处理转换传到单片机中,单片机将收集到的信息经过转换处理,转换成AVR单片机能读取的数据,传给上位单片机,实现机器人寻找棋子和对方机器人、推动棋子等目的。
串行通信电路图如图2.9所示。
图2.9串行通信电路图
2.8印制电路板的制作
印制电路板的设计是以电路原理图为根据,实现本组设计所需要的功能。
印刷电路板的设计主要需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、布线、焊盘等,使设计更节约成本,达到良好的电路性能和散热性能。
2.8.1布局
首先,要考虑PCB尺寸大小。
PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。
在确定PCB尺寸后.再确定特殊元件的位置。
最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。
(1)尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。
易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。
(2)某些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引出意外短路。
带高电压的元器件应尽量布置
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