畢業(yè)設計（論文）-基于AT89C51單片機的超聲波測距機器人設計

1、一、課題訓練內(nèi)容培養(yǎng)學生收集資料，文獻檢索，發(fā)現(xiàn)解決問題的能力。培養(yǎng)學生工程開發(fā)，制定工作方案和協(xié)調(diào)組織的能力。培養(yǎng)學生原理設計，實驗分析或理論推導的能力。培養(yǎng)學生綜合運用所學的單片機，傳感器等知識，開發(fā)學生的動手和操作能力。培養(yǎng)學生撰寫論文的能力。6. 培養(yǎng)學生閱讀英語文獻的能力和翻譯的能力。二、設計論文任務和要求包括說明書、論文、譯文、計算程序、圖紙、作品等數(shù)量和質(zhì)量等具體要求課題研究的主要任務是：制作一個能自主沿著地面引導線行進的尋跡機器人。通過把程序燒寫到單片機，用單片機控制單項直流電動機運轉時機器人運動，并在機器人車身上安裝具有識別線路和壁障功能的QTI傳感器和紅外傳感器來準確行走路

2、線，使機器人能夠很好的沿著人們所設路線前進。具體步驟如下：1 了解機器人誕生、定義、分類、應用及開展過程，了解機器人在專業(yè)技能培訓中的作用。2系統(tǒng)的硬件局部：AT89S51系列的單片機的簡介和各引腳的功能，掌握單片機系統(tǒng)IO口擴展方法，掌握電平轉換芯片MAX232的原理和連接電路了，引導機器人按人們所示的路線正常行走的QTI傳感器和紅外傳感器的引腳功能及連接，驅動機器人行走的單項直流電動機的根本機構、安裝步驟和常用指標。 3 系統(tǒng)的軟件局部：用C語言編寫程序并用Keil軟件進行調(diào)試成功后通過系統(tǒng)在線編輯下ISP將程序下載到單片機中，用Protel繪制原理圖軟件繪制原理圖在單片機最小系統(tǒng)的根底擴

3、展外部程序。 4按照要求撰寫畢業(yè)論文。 三、畢業(yè)設計論文主要參數(shù)及主要參考資料主要參數(shù)：1 連續(xù)旋轉伺服電動機型號DM-EC-M035參數(shù)：工作電壓：最大6V平均轉速：60rpm(電壓為5V且無負載時)速度控制方式：脈寬調(diào)制扭矩：3.4大?。?0.520.038.0重量：45g2 標準伺服馬達型號DM_EC-M003電源：最大6V直流輸出力矩：3.4尺寸：40.520.038.0重量：45g四、畢業(yè)設計論文主要參數(shù)及主要參考資料1 胡萍.超聲波測距儀的研制.計算機與現(xiàn)代化，2003.102 時德剛.劉嘩.超聲波測距的研究.計算機測量與控制，2002.10 3 華兵.MCS-51單片機原理應用.

4、武漢：武漢華中科技大學出版社，2002 .54 李華.MCU-51系列單片機實用接口技術.北京：北京航空航天大學出版社， 1993. 656 徐淑華，程退安，姚萬生.單片機微型機原理及應用.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999. 6.7 8 9 10 11 蘇偉，鞏壁建.超聲波測距誤差分析.傳感器技術，2004.12 華兵.MCS-51單片機原理應用.武漢：武漢華中科技大學出版社，2002 .513 繼興，劉霞.單片機系統(tǒng)軟件抗干擾措施分析.電子測量技術，200314 1516 譚浩強. 17 秦志強. C51單片機應用與C語言程序設計.M.北京.電子工業(yè)出版社.18 謝維城. 單片機原理與

5、應用及C51程序設計.M.北京.清華大學出版社.19 徐科軍. 傳感器與檢測技術.M.北京.電子工業(yè)出版社2021四、畢業(yè)設計論文進度表武漢科技學院畢業(yè)設計論文進度表序號起止日期方案完成內(nèi)容實際完成情況檢查人簽名檢查日期17確定課題，收集資料，開題報告23總體方案設計3411.24程序設計和仿真411.2512.5產(chǎn)品制作和調(diào)試512.612.22撰寫畢業(yè)設計論文6準備畢業(yè)設計辯論75畢業(yè)設計辯論8畢業(yè)設計成績評定武漢紡織大學畢業(yè)設計論文開題報告課題名稱基于機器人工程對象的工程實踐院系名稱高職院專 業(yè)應用電子技術班 級082班學生姓名課題意義 目前，地面移動機器人由于其優(yōu)越的機動性和靈活性而備

6、受表睞，在許多場合投入實際應用，如：核工來檢測，消防，火場控測，礦井救援，有毒，易燃，易爆場所的探測等，使機器人能到人類無法到達的一些惡劣環(huán)境中作業(yè)。主動避障是移動機器人的一個根本的平安運動要求，也是機器人能否視而不見自主作業(yè)的關鍵，其研究意義非常重大。此外，如何利用超聲波來準確測量距離也是一個重要的問題。國家十五高技術研究開展方案863方案先進制造與自動化技術領域機器人技術主題的工作主要是研究與開展機器人技術與自動化工藝裝備中的核心技術和關鍵重大裝備。這些核心技術和裝備在推進我國經(jīng)濟結構戰(zhàn)略性調(diào)整、以高新技術提升制造與自動化技術水平、提高我國制造業(yè)的技術創(chuàng)新能力、促進傳統(tǒng)制造行業(yè)的技術改造與

7、產(chǎn)業(yè)升級、提高綜合國力等方面具有重要的意義。二所屬領域開展狀況機器人技術作為20世紀人類最偉大的創(chuàng)造之一經(jīng)歷40多年的開展已取得了長足的進步，時至今日，機器人以開展到了第三代。第一代機器人可編程及示教在現(xiàn)機器人按事先示教或編程的位置和姿態(tài)進行重復作業(yè)，主要完成搬運、噴漆、點焊等工作。第二代機器人感知機器人，帶有如視覺觸覺等外部傳感器，具有不同程度感知環(huán)境并自行修正程序的功能，可完成較為復雜的作業(yè)，如裝配、檢查等。第三代機器人具有感知、決策、動作能力的智能機器人，它出現(xiàn)于20世紀90年代，是通過各種傳感器、測量器等來獲取環(huán)境的信息，利用智能技術進行識別、理解、推理并最后作出規(guī)劃決策，資助行動實現(xiàn)

8、預定目標的高級機器人。三研究內(nèi)容1、超聲波測距2、避障四研究方法用C語言進行編程，通過Proteus軟件和Keil軟件相結合實現(xiàn)單片機實時動態(tài)仿真?？刂葡到y(tǒng)以AT89S51單片機為核心，根據(jù)傳感器檢測到的信號，完成巡線機器人的各種動作，按照預定的固定路線行走。此機器人具有自動檢測障礙，并跨越障礙物，準確行走、準確定位等特征，并增加超聲波測距的功能，結構較簡單，易于實現(xiàn)。五研究手段查閱了大量關于機器人的資料。然后確定實現(xiàn)一個什么功能，用什么實現(xiàn)它，最后通過討論，咨詢來完成它。六研究步驟1、閱讀文獻，搜集資料，掌握所選芯片的功能和使用方法。2、確定方案，設計原理圖，完成PCB的繪制。3、編寫固件程

9、序、驅動程序和應用程序。4、通過Proteus實現(xiàn)單片機實時動態(tài)仿真。5、做出實物。6、調(diào)試。7、完成。七參考書目1 胡萍.超聲波測距儀的研制.計算機與現(xiàn)代化，2003.102 時德剛.劉嘩.超聲波測距的研究.計算機測量與控制，2002.10 3 華兵.MCS-51單片機原理應用.武漢：武漢華中科技大學出版社，2002 .54 李華.MCU-51系列單片機實用接口技術.北京：航空航天大學出版社， 1993. 656 徐淑華，程退安，姚萬生.單片機微型機原理及應用.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999. 6.7 8 9 10 11 蘇偉，鞏壁建.超聲波測距誤差分析.傳感器技術，2004.12

10、華兵.MCS-51單片機原理應用.武漢：武漢華中科技大學出版社，2002 .513 繼興，劉霞.單片機系統(tǒng)軟件抗干擾措施分析.電子測量技術，20031415 譚浩強. 16 秦志強. C51單片機應用與C語言程序設計.M.北京.電子工業(yè)出版社.17 謝維城. 單片機原理與應用及C51程序設計.M.北京.清華大學出版社.18 徐科軍. 傳感器與檢測技術.M.北京.電子工業(yè)出版社1920指導教師簽名： 2010年11月9日摘 要隨著社會的開展需要，機器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟方面，并且起到了很大的作用。機器人的研究和開展對我們的經(jīng)濟開展有很多的影響。機器人技術代表一個國家的綜合國力，我國

11、也非常重視，經(jīng)常派代表參加國外或者國內(nèi)的機器人競賽。本設計以AT89C51單片機作為機器人的檢測和控制核心，采用紅外光電傳感器檢測路面黑線及障礙物，介紹了機器人總體設計，各組成局部及系統(tǒng)軟件設計。該系統(tǒng)包括主控模塊，執(zhí)行機構以及傳感器模塊等幾個子系統(tǒng)。通過軟件編程實現(xiàn)對機器人行進，繞障，停止的精確控制。介紹了超聲波測距的原理，分析了超聲波測距產(chǎn)生誤差的主要原因。提出了通過溫度測量修正超聲波前沿以提高空氣中超聲波測距精度的方法。在此根底上，設計了相應的超聲波測距系統(tǒng)電路和軟件。關鍵詞：機器人；單片機；AT89C51；超聲波測距ABSTRACT、With the need of the devel

12、oping society,robots have permeated into every aspect of our life, work and economics and are playing an important role. The research and development of the robots have a lot of influence on our economic expansion.Robot technology stands for a countrys national power. Our country shows much attentio

13、n to this.and usually dispatches delegation to attend international robot contest.AT89C51 single chip microcomputer is used as the test and control core of the intelligent robot in this design,which detects the black line and barrier on the surface of road with infrared photoelectric sensor. Introdu

14、ces the overall design of robot,each compunent and system software design. The system includes control module ,actuators and sensors module several subsystems.The exact control and the storage and display of testing data of marching ,winding and stopping of intelligent robot can be fulfilled by soft

15、wqre programming.In this paper ,the principle of ultrasonic distance measurement is described,the main error sources of ultrasonic distance measurement sre analyzed also. A method of improving precision of ultrasonic distance measurement in air,in which the reansmission speed of ultrasonic wave is c

16、orrected by measured air temperature and the forward edge of receive wave can be determined accuraately by use of the two comparing circuits of ultrasonic signal in combination with the software.Based on the idea,the ircuit and software of ultrasonic distance measurement system have been designed .K

17、eywords: robot; sensor; AT89C51；Ultrasonic wave distace measurement目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc280479092 1 緒論 PAGEREF _Toc280479092 h 13 HYPERLINK l _Toc280479093 1.1 走進機器人時代 PAGEREF _Toc280479093 h 13 HYPERLINK l _Toc280479094 1.1.1 機器人的誕生 PAGEREF _Toc280479094 h 13 HYPERLINK l _Toc28047909

18、5 1.1.2 機器人的定義 PAGEREF _Toc280479095 h 13 HYPERLINK l _Toc280479096 1.1.3 機器人的應用與分類 PAGEREF _Toc280479096 h 14 HYPERLINK l _Toc280479097 1.1.4 機器人的開展 PAGEREF _Toc280479097 h 14 HYPERLINK l _Toc280479098 1.2 超聲波測距儀的開展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc280479098 h 14 HYPERLINK l _Toc280479099 1.2.1 國內(nèi)相關技術研究 PAGEREF _Toc2

19、80479099 h 15 HYPERLINK l _Toc280479100 1.3 智能循線避障 PAGEREF _Toc280479100 h 15 HYPERLINK l _Toc280479101 機器人避障現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc280479101 h 15 HYPERLINK l _Toc280479102 2 整體設計方案 PAGEREF _Toc280479102 h 16 HYPERLINK l _Toc280479103 PAGEREF _Toc280479103 h 16 HYPERLINK l _Toc280479104 2.1.2 超聲波介紹 PAGEREF

20、_Toc280479104 h 16 HYPERLINK l _Toc280479105 2.1.3 超聲波傳感器 PAGEREF _Toc280479105 h 16 HYPERLINK l _Toc280479106 2.1.4 超聲波測距方法介紹 PAGEREF _Toc280479106 h 17 HYPERLINK l _Toc280479107 2.1.5 超聲測距原理 PAGEREF _Toc280479107 h 18 HYPERLINK l _Toc280479108 超聲波測距總體設計方案 PAGEREF _Toc280479108 h 18 HYPERLINK l _To

21、c280479109 硬件設計 PAGEREF _Toc280479109 h 18 HYPERLINK l _Toc280479110 2.2.2 軟件設計 PAGEREF _Toc280479110 h 19 HYPERLINK l _Toc280479111 3 硬件電路 PAGEREF _Toc280479111 h 19 HYPERLINK l _Toc280479112 3.1 微處理器電路20 HYPERLINK l _Toc280479113 3.1.1 AT89S52芯片20 HYPERLINK l _Toc280479114 3.1.2 復位電路21 HYPERLINK l

22、 _Toc280479115 3.1.3 時鐘電路 PAGEREF _Toc280479115 h 21 HYPERLINK l _Toc280479116 超聲波發(fā)射電路 PAGEREF _Toc280479116 h 22 HYPERLINK l _Toc280479117 3.2.1 發(fā)射電路分析22 HYPERLINK l _Toc280479118 3.2.2 芯片74LS0422 HYPERLINK l _Toc280479119 發(fā)射電路方案 PAGEREF _Toc280479119 h 23 HYPERLINK l _Toc280479120 3.3 超聲波接收電路 PAGE

23、REF _Toc280479120 h 23 HYPERLINK l _Toc280479121 接收電路分析 PAGEREF _Toc280479121 h 23 HYPERLINK l _Toc280479122 3.3.2 CX20216A芯片 PAGEREF _Toc280479122 h 24 HYPERLINK l _Toc280479123 3.3.3 接收電路方案 PAGEREF _Toc280479123 h 24 HYPERLINK l _Toc280479124 PAGEREF _Toc280479124 h 25 HYPERLINK l _Toc280479125 3.

24、4.1 74HC573芯片 PAGEREF _Toc280479125 h 25 HYPERLINK l _Toc280479126 3.4.2 顯示電路 PAGEREF _Toc280479126 h 26 HYPERLINK l _Toc280479127 3.4.3 電源電路 PAGEREF _Toc280479127 h 27 HYPERLINK l _Toc280479128 4軟件設計 PAGEREF _Toc280479128 h 27 HYPERLINK l _Toc280479129 4.1 Keil C51 PAGEREF _Toc280479129 h 28 HYPERL

25、INK l _Toc280479130 PAGEREF _Toc280479130 h 28 HYPERLINK l _Toc280479131 4.3 中斷效勞程序 PAGEREF _Toc280479131 h 28 HYPERLINK l _Toc280479132 4.4 定時器中斷子程序 PAGEREF _Toc280479132 h 29 HYPERLINK l _Toc280479133 5 誤差分析 PAGEREF _Toc280479133 h 29 HYPERLINK l _Toc280479134 6 智能循線避障硬件設計30 HYPERLINK l _Toc280479

26、135 6.1 主控芯片的選擇30 HYPERLINK l _Toc280479136 6.2 電源電路的設計30 HYPERLINK l _Toc280479137 6.3 檢測電路設計31 HYPERLINK l _Toc280479138 6.4 電機控制局部31 HYPERLINK l _Toc280479139 6.5 主控的電路圖 PAGEREF _Toc280479139 h 33 HYPERLINK l _Toc280479140 7 主程序設計 PAGEREF _Toc280479140 h 34 HYPERLINK l _Toc280479141 8 總結 PAGEREF

27、_Toc280479141 h 35 HYPERLINK l _Toc280479142 9 致謝 PAGEREF _Toc280479142 h 36 HYPERLINK l _Toc280479143 10 參考文獻 PAGEREF _Toc280479143 h 37 HYPERLINK l _Toc280479144 11 附錄 PAGEREF _Toc280479144 h 38 HYPERLINK l _Toc280479145 附錄一 超聲波測距電路原理圖38 HYPERLINK l _Toc280479146 附錄二 程序代碼391 緒論1.1 走進機器人時代 機器人的誕生19

28、20年捷克斯洛克作家卡雷爾.恰佩克在他的科幻小說?羅薩姆的機器人萬能公司?中，根據(jù)Robot捷克文，原意為“勞役、苦工和Robotnik(波蘭文，原意為“工人)，創(chuàng)造出“機器人這個詞。隨著計算機和自動化的開展，以及原子能的開發(fā)利用，人們強烈希望用某種機器代替自己去完成那些枯燥、單調(diào)、危險的工作。由于原子能實驗室的惡劣環(huán)境，迫切需要能代替人處理放射性物質(zhì)的機械裝置。美國原子能委員會的阿爾貢研究所于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年由開發(fā)了機械式的主從機械手，但這還不是真正意義上的機器人。直到1954年美國人喬治.德沃爾制造出世界第一臺可編程的裝置，他能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通

29、用性和靈活性，成為具有實際意義的機器人。 機器人已經(jīng)越來越廣泛的應用于工業(yè)，農(nóng)業(yè)，國防，科學實驗，效勞業(yè)等人類社會的各個方面，其中移動機器人由于具有更大的使用靈活性而正在成為機器人技術研究的新的熱點和重點。 機器人的定義隨著機器人技術的飛速開展和信息時代的到來機器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富，機器人的定義也不斷充實和創(chuàng)新。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。實際意義上的機器人應該是“能自開工作的機器，他們有的功能比擬簡單，有的就非常復雜，但必須具備以下3個特征：、要有一個機械裝置，其結構、大小、形狀、材料取決于他要完成的工作。具有感知和控制功能，通過安裝在裝置上的各種傳感

30、器獲取外界信息，根據(jù)收到的信息遵循人們編寫的程序指令作出反響。作業(yè)功能，即機器人的活動功能，機器人在程序的指令下完成各種動作?？傊瑱C器人是人制造出來的具有一定智能的先進機器。1987年國際標準化組織對工業(yè)機器人進行了定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。 機器人的應用與分類我國機器人專家從應用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面

31、向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機器人那么是除工業(yè)機器人之外的，用于非制造業(yè)并效勞人類的各種機器人，包括：效勞機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。 機器人的開展機器人技術作為20世紀人類最偉大的創(chuàng)造之一經(jīng)歷40多年的開展已取得了長足的進步，時至今日，機器人以開展到了第三代。第一代機器人可編程及示教在現(xiàn)機器人按事先示教或編程的位置和姿態(tài)進行重復作業(yè)，主要完成搬運、噴漆、點焊等工作。第二代機器人感知機器人，帶有如視覺觸覺等外部傳感器，具有不同程度感知環(huán)境并自行修正程序的功能，可完成較為復雜的作業(yè)，如裝配、檢查等。第三代機器人具有感知、決策、動作能

32、力的智能機器人，它出現(xiàn)于20世紀90年代，是通過各種傳感器、測量器等來獲取環(huán)境的信息，利用智能技術進行識別、理解、推理并最后作出規(guī)劃決策，資助行動實現(xiàn)預定目標的高級機器人。隨著電子技術、信息處理技術和通信技術的日新月異，機器人也隨之進入新的開展階段。第四代機器人正在研制之中，它具有更高的智能，可通過高級中央處理器和內(nèi)置軟件實現(xiàn)實時加工作業(yè)。這種機器人的應用范圍將不再局限于一道道特定的工序，而是能夠實現(xiàn)整個生產(chǎn)系統(tǒng)的機器人化。目前，先進的機器人系統(tǒng)正在或即將進入人類生活的各個領域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。1.2 超聲波測距儀的開展現(xiàn)狀 隨著超聲波技術研究的不斷深入，再加上其具有的高精度、

33、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲波的應用變得越來越普及，根據(jù)超聲波原理制成的測量儀器也越來越多，國外超聲波測距儀的研制處于領先水平。表1.1 HPAWK系列超聲波測距儀性能參數(shù)量程頻率范圍適應溫度通訊方式0120米550KHz-20+175HART、GOSHAWK、FROFIBUS&FIELBUS、MODBUS澳大利JEHAWK公司HPAWK系列產(chǎn)品使超聲波測距技術有了重大的突破，它不僅拓寬了超聲波測距技術的應用場合(適用極惡劣工的工作環(huán)境)，而且使用智能調(diào)節(jié)技術，大大提高了超聲波產(chǎn)品的可靠性及性能指標，讓用戶使用無后顧之憂，其參數(shù)如表1.1所示。智能的全自動調(diào)節(jié)發(fā)波頻率，自動的溫差補償功能使其工作更

34、加穩(wěn)定可靠。HpAWK系列產(chǎn)品還擁有靈活多樣的通訊方式6?？删幊痰墓收媳Ｗo模式，它還擁有先進的遠程GSM、CDMA、互聯(lián)網(wǎng)調(diào)試功能，使得用戶隨時可以得到技術支持。 國內(nèi)相關技術研究目前國內(nèi)超聲波測距儀的開展主要采用引進加仿制等手段，還有許多合資企業(yè)代理國外相應產(chǎn)品。我國在該領域的開展相對國外還有很大差距，普遍存在產(chǎn)品性能指標低、儀表可靠性差、企業(yè)技術力量及裝備差等問題。7，可以實現(xiàn)公英制直接轉換；測量基準選擇；記憶/調(diào)出記憶數(shù)據(jù)；計算面積和體積；五組不同的記憶體；累加長度和；自動關機功能；LED背光顯示；按鍵聲提示；出錯聲提示；確認聲音提示；面積測量功能；距離測量功能；體積測量功能；累加求和功

35、能，技術參數(shù)如表1.2所示：表1.2 UD2500型超聲波測距儀技術參數(shù)量程測量精度外形尺寸重量0.23m15m153180 x38mm150克(包含電池)國內(nèi)外的學者在提高超聲波測距精度方面也作了大量的研究8，影響超聲波測距精度的因素包括所測的超聲波傳輸時間和超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，其中傳輸時間的精度影響較大。許多人提出采用降低傳輸時間的不確定度來提高測量精度9，目前，相位探測法和聲譜輪廓分析法或者二者的結合是主要的降低傳輸時間不確定度的方法。廈門大學的童風提出了一種回波輪廓分析法圈10，該方法在測距中通過兩次探測求取回波輪廓包絡曲線來求得回波的起點，通過這種方法使測量精度有了很大的提高。

36、意大利的CaruUo等人介紹了一種自適應系統(tǒng)，發(fā)射特殊的波形來獲得好的回波包絡，設置一定的回波開啟電平，并采用自動增益的控制放大器。也有文獻提出通過數(shù)字信號處理技術和小波變換理論11來提高測量精度。1.3 智能循線避障1.3.1機器人避障現(xiàn)狀隨著生產(chǎn)自動化的開展，機器人已經(jīng)越來越廣泛地應用到生產(chǎn)自動化上，隨著科學技術的開展，機器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應用領域為自主式智能導航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術而言圖像處理技術已相當興旺，而基于圖像的理解技術還很落后，機器視覺需要通過大量的運算也只能識別一些結構化環(huán)境簡單的目標。視覺傳感器的核心器件

37、是攝像管或CCD，但其價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實用有效的方法。機器人要實現(xiàn)自動導引功能和避障功能就必須要感知導引線和障礙物，感知導引線相當給機器人一個視覺功能。故對機器人的研究已成為必要。 智能循線和避障是基于智能導引小車系統(tǒng)，采用紅外傳感器實現(xiàn)小車速度檢測，判斷并檢測障礙物。本文對智能小車的循線，避障以及速度的采集進行了研究。2 整體設計方案2.1.2 超聲波介紹1定義人們所感覺到的聲音是機械波傳到人耳引起耳膜振動的反響，能引起人們聽覺的機械波頻率在20Hz20kHz12。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的

38、,其每秒的振動次數(shù)頻率甚高，超出了人耳聽覺的上限20000Hz，人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。2產(chǎn)生方式超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲波頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。在通常的超聲波測距系統(tǒng)中，用電脈沖鼓勵超聲探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機械振動，這種振動在與其接觸的介質(zhì)中傳播，形成超聲波。3波型根據(jù)波動中質(zhì)點振動方向與波的傳播方向的不同關系，可將波動分為多種波型，在超聲波檢測中主要應用的的波型有縱波、橫波、外表波(瑞利波)和蘭姆波13。本文主要應用的是超聲縱波。

39、4傳播在超聲波傳播過程中，被超聲所充滿的空間稱為超聲場舊14。與超聲波的波長相比，如果超聲場很大，這時超聲波就像處在一種無限的媒介中，超聲波自由地向外擴散；反之，如果超聲波的波長與相鄰媒介的尺寸相近，那么超聲波受界面限制不能自由地向外擴散。用來描述超聲場的特征量主要包括：聲速、聲壓、聲強以及媒介的特征阻抗等等；超聲場的物理性質(zhì)主要有：反射與折射、衰減與吸收、疊加與干預等。超聲波傳感器產(chǎn)生振蕩的方法很多，主要有由外部電路產(chǎn)生振蕩，高頻信號通過超聲波傳感器以聲能形式輻射出去；使用工業(yè)用小功率超聲波收發(fā)控制集成電路LMl812驅動發(fā)送超聲波傳感器振蕩；采用單片機內(nèi)部的定時器或直接使用程序產(chǎn)生固定的脈

40、沖，通過放大處理后驅動發(fā)送超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波15。2.1.3 超聲波傳感器超聲波傳感器是一種將其他形式的能轉變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件16。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。 超聲波傳感器有多種結構形式，可分成直探頭(接收縱波)、斜探頭(接收橫波)、外表波探頭(接收外表波)、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。從上文可知，本系統(tǒng)采用收發(fā)一體的超聲波傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波。 超聲波測距方法介紹超聲波測距方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法19。 相位檢測法是通過測量返回波與發(fā)射波之間相差多少相位，判斷

41、距離；聲波幅值檢測法看回波的幅度大小，判斷距離；往返時間檢測法，即渡越時間檢測法是通過回波的返回時延判斷距離。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值法易受反射波的影響。在超聲檢測技術，特別是超聲測量技術中使用最廣泛的是超聲脈沖反射法，通過測量超聲波經(jīng)反射放大后到達接收端的時間與發(fā)射時間之差，實現(xiàn)距離測量，稱為TOF(Time ofFlight)方法，也叫飛渡時間方法。飛渡時間法實現(xiàn)簡單，被廣泛的應用于聲學測距系統(tǒng)。它的原理是：超聲波發(fā)射器發(fā)出單個或一組超聲波脈沖，在發(fā)射的同時計時器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中遇到被測目標，經(jīng)過反射到達超聲波接收端，此時停止計時器計時，得到的時間t

42、就是超聲波在發(fā)射器和被測目標之間來回傳播的時間。經(jīng)過多種方案的比對，得知相位檢測法最精確，但是測量距離較短，電路復雜；幅度法最簡單最廉價，最不精確；時間檢測法是居中的，不太復雜，測量距離、精度也都不錯，所以應用比擬廣泛，結合設計電路的需求我選擇飛渡時間檢測法。 超聲波測距是一種非接觸式檢測方式，在使用中不受光照度、電磁場、被測物顏色等因素的影響，加之其信息處理簡單、速度快、本錢低，在機器人避障和定位、車輛自動導航、液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應用。導航就是實時確定運動平臺導彈、飛機、輪船、人造衛(wèi)星等的方位并指引其沿正確路線運動，移動機器人的導航技術是機器人研究中的一項關鍵技術，超聲波探測手段具

43、有使用方便、本錢低、抗電磁干擾能力強、不受光線煙霧影響、時間信息直觀等特點。采用與地面顏色有較大差異的線條(例如白色路面上貼一條白黑色曲線)作引導線,尋跡機器人能夠自動檢測到引導線,并沿此引導線移動。系統(tǒng)控制核心采用AT89S51單片機作為微控制器,利用QTI傳感器以及紅外傳感器檢測路徑,并根據(jù)反響的檢測信號驅動電機調(diào)速,到達尋跡的功能。單片機控制系統(tǒng)相當于尋跡機器人的大腦,軌跡檢測系統(tǒng)相當于尋跡機器人的眼睛,電機系統(tǒng)相當于機器人的腿腳。由軌跡檢測系統(tǒng)檢測曲線的位置并輸出檢測信息,對檢測信息進行處理后將其輸入到控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)根據(jù)輸入信息進行判斷,并根據(jù)判斷結果輸出指令給移動系統(tǒng),移動系統(tǒng)根

44、據(jù)指令驅動尋跡機器人左轉、右轉、前行等,從而實現(xiàn)尋跡功能。智能尋跡機器人的研究主要包括以下知識體系:硬件設計、中央控制系統(tǒng)、傳感器紅外傳感器和QTI傳感器、避障系統(tǒng)設計、伺服電機、電機驅動模塊、軟件編程。本文主要介紹一種以89C52單片機為核心的低本錢、高精度、微型化的數(shù)字顯示超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路和軟件設計。 超聲測距原理 隨著社會的開展，人們對距離或長度測量的要求越來越高。超聲波測距由于其能進行非接觸測量和相對較高的精度，越來越被人們所重視。本設計的超聲波測距儀，可以對不同距離進行測試，并可以進行詳盡的誤差分析。 聲波測距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來的特性進行測量的，超聲波發(fā)射器向某

45、一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時開始計時，超聲波就在空氣中傳播，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中斷停止計時，通過不斷檢測產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時間差T，然后求出距離L。根本的測距公式為：L=(t/2)*C式中 L要測的距離C超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s聲速確定后，只要測出超聲波往返的時間，即可求得L。用于距離測量的超聲波通常是由壓電陶瓷的壓電效應產(chǎn)生，這種壓電陶瓷傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板，當給它的兩極加頻率等于晶片固有頻率的脈沖信號時，壓電晶片就會產(chǎn)生共振，并帶動液體反射折回，由同一傳感器或相鄰布置的另

46、一傳感器接收，測量超聲波整個運行時間t，計算出發(fā)射點與反射點的距離s：S=ct/2 (1)式中，c為超聲波的傳播速度，m/s。超聲波在固體中傳播速度最快，在氣體中傳播速度最慢，而且聲速受溫度影響最大。波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測物反射后，再傳回超聲傳感器。整個過程，由于吸收衰減和擴散損失，聲強隨目標距離增大而衰減；同時超聲波的衰減隨頻率增大現(xiàn)時指數(shù)增加，但頻率越高，指向性越強，這一點有利于距離測量。本文討論在空氣中測量距離，選用40kHz的超聲探頭。超聲傳感器接收到的信號的幅值隨距離增大而減小，遠目標回波信號幅度小，信噪比低，用固定閥值的比擬器檢測回波，可能導致越過門檻的時刻前后

47、移動，從而影響計時的準確性，這會影響測量的準確性，為了提高超聲波測距的精度，需要準確地檢測到第一個回波脈沖前沿的到達時間，為此，提出雙比擬器整形確定回波前沿的方法。 超聲波測距總體設計方案 硬件設計系統(tǒng)由單片機外圍電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路、功能鍵電路、溫度補償電路組成。超聲波模塊的不同，在查閱大量文獻以后，超聲波模塊大致分為兩種，一種是收發(fā)一體，另外一種是收發(fā)探頭分開安裝的。收發(fā)一體的超聲波發(fā)射裝置精度高，測距范圍大，但價格偏高。探頭分開裝置精度，范圍，價格適中，比擬適宜學生在實驗室來實現(xiàn)測距的根本功能及誤差分析。經(jīng)過上述分析并結合自己設計電路的需求最終系統(tǒng)整體結構如圖2

48、.1所示：顯示模塊單片機處理單元發(fā)射模塊接收模塊功能鍵測溫裝置報警裝置障 礙 物超聲波接收探頭超聲波發(fā)射探頭圖2.1 系統(tǒng)結構圖2.2.2 軟件設計軟件局部，主要通過編程實現(xiàn)單片機對各局部電路的控制，本系統(tǒng)采用C語言編程。實現(xiàn)的功能包括以下幾個方面：(1)單片機引腳發(fā)射一組方波脈沖信號經(jīng)過功率放大電路推動超聲傳感器發(fā)射探頭發(fā)出超聲，同時翻開內(nèi)部定時器計時；(2)接收探頭收到信號經(jīng)過放大濾波電路，再經(jīng)過門限比擬器產(chǎn)生負邊沿跳變來控制單片機中斷TO，同時關閉內(nèi)部定時器停止計時；(3)為降低本錢本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示，采用4位數(shù)碼顯示管，采用芯片74HC573選通段碼，由單片機引腳的上下電平，對顯示

49、管進行位選通，以控制驅動數(shù)碼管具體位顯示；(4)利用獨立式按鍵手動控制超聲波收發(fā)，添加三個按鍵，分別與單片機I/O口相連，控制測距開始、暫停和結束功能；(5)單片機I/O口控制報警電路；(6)溫度補償電路，單片機編程將時間量轉換成距離22。具體引腳功能分配如附錄中電路圖所示。3 硬件電路本章首先提出總體設計方案，重點介紹超聲波測距系統(tǒng)的根底硬件電路，即只實現(xiàn)測距功能并將距離顯示出來的局部電路。如單片機外圍電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路，并對這些電路作出分析。3.1 微處理器電路 AT89S52芯片AT89S52是一種帶4K字節(jié)可編程可擦除只讀存儲器，低電壓，高性能CMOS結構的

50、8位微處理器23。該器件采用刀刻高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容，并且將多功能8位CPU和FLASH存儲器組合在單個芯片中， 因而，AT89S52是一種高效的微控制器，為很多智能儀器和嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案，下面簡單介紹一下該單片機的一些特性。8位單片機AT89S52的主要特性是:1.與MCS一51指令兼容；2. 4K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 (ISP)閃爍存儲器；3. 壽命:1000寫/擦循環(huán)；-5.5V的工作電壓范圍；5. 全靜態(tài)工作模式:0Hz一33Hz；6. 三級持續(xù)加密鎖；7. 256字節(jié)內(nèi)部RAM；8. 三級程序存儲器鎖定

51、； 9. 32位可編程IO口線；10. 兩個16位定時器/計數(shù)器；11. 5個中斷源；12. 全雙工串行UART通道；13. 低功耗的閑置和掉電模式； 圖圖3.1 AT89S52引腳14. 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)24； 單片機AT89S52各引腳如圖3.1所示： 引腳定義見表2.1：表2.1 AT89S52引腳定義引腳序列口引腳功能188位準雙向IO口9RST復位輸入口10111213141516171819XTAL1XTAL2時鐘振蕩器的輸入輸出口20GND信號地21288位雙向IO口存儲器的高8位地址29PSEN程序存儲允許信號端30ALE/PROG片外存儲器地址鎖存信號端31EA/VP

52、P內(nèi)外程序存儲器選擇控制端3239數(shù)據(jù)/低八位地址復用口40VCC正向電源輸入端3.1.2 復位電路51單片機的工作方式包括：復位方式、程序執(zhí)行方式、低功耗操作方式以及EPROM編程和校驗方式。單片機不同的工作方式，代表單片機處于不同的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)采用了復位工作方式，51單片機的復位方式有上電自動復位和手動復位兩種在AT89S52單片機復位信號輸入端RESET上加上持續(xù)時間超過24及時鐘周期的高電平，即可是單片機復位25。當該輸入端電平變低，即啟動AT89S52從入口地址0000H開始工作，及系統(tǒng)重新開始測距。本系統(tǒng)采用手動復位，復位電路如圖3.2所示：圖3.2 復位電路 時鐘電路MCS-

53、51的時鐘可由內(nèi)部方式或外部方式產(chǎn)生，本系統(tǒng)采用的是內(nèi)部時鐘方式，利用內(nèi)部振蕩電路26，在XTAL1，XTAL2的引腳上外加定時元件，內(nèi)部振蕩器便產(chǎn)生自激震蕩，定時元件可以采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振電路，其連接方法如圖3.3所示：圖3.3 時鐘電路 超聲波發(fā)射電路 發(fā)射電路分析通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為:單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動。此方法測試距離太近；本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動識別被測距離遠近，設置發(fā)射脈沖個數(shù)。傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號損失及接收機的靈敏度，綜合各種損耗的

54、因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失;另外考慮實際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為5V，以及單片機正常工作輸出最大電壓 5V，傳感器發(fā)射信號的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號的遠近，所以考慮電壓的同時應該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。 芯片74LS0474LS04是一個六反向器，一般結合8155使用。六反向器輸入高電平，輸出低電平，輸入低電平，輸出高電平。本設計使用74LS04而未用74LS14，它們都是74系列的非門。他們的區(qū)別是：1、輸出：74LS04和74LS14是一樣的。如果同一個公司，輸出參數(shù)都是一樣的；2、輸入：兩者不同的是輸入不一樣。74LS0

55、4輸入是TTL電平，6非門IC工作電壓5V ；74LS14輸入是施密特輸入有滯回特性；因此兩個芯片的應用場合不同。74LS04多用于板內(nèi)一般數(shù)據(jù)的“非控制，而74LS14一般用于某些信號的整形或者異受干擾/關鍵信號的信號緩沖等。大局部情況下74LS14可以替代74LS04，但本設計工作電壓為5V，應選用74LS04。其引腳圖如圖3.4所示： 74LS04引腳圖發(fā)射電路方案超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3.5所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一

56、個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。圖3.5 發(fā)射電路圖3.3 超聲波接收電路接收電路分析接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強的機械振動。因壓電效應晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號電荷，電荷量很少，只能提供微小交變電壓信號，而不能提供電流信號。接收換接收電路的任務是將這一微小交變電壓信號充分放大，同時考慮可能出現(xiàn)干擾信號，放大同時參加濾波電路，驅動后面的比擬器輸出電位跳變，作為確定接收到的時刻。 CX20216A芯片使用 CX20216A 作為超聲波接收處理的典型電路，當 CX20216A

57、接收到40KHz的信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入使用CX 20216A集成電路對接收探頭受到的信號進行放大、濾波。其總放大增益80db。CX20216A的引腳如圖3.6所示：圖3.6 CX20216A 引腳圖1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。 ，C1=1F。 f。 4腳：接地端。 5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200k時，f042kHz，假設取R=220k，那么中心頻率f038kHz。 6腳： 該腳與地之間接一個積分電容，標準值為330pF，如果

58、該電容取得太大，會使探測距離變短。 7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為22k，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時那么產(chǎn)生下降。 8腳：電源正極，4.55V。 接收電路方案電路采用集成電路CX20216A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz 與測距超聲波頻率40kHz 較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。實驗證明，其具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當改變C1 的大小，可改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。R1 和C1 控制CX20216A內(nèi)部的放大增益，R

59、8 控制帶通濾波器的中心頻率。一般取R1=4.7 K，C1=330F。其余元件按圖3.7 取值。圖3.7 超聲波接收電路 74HC573芯片 74HC573八進制3態(tài)非反轉透明鎖存器高性能硅門CMOS 器件SL74HC573 跟LS/AL573 的管腳一樣。器件的輸入是和標準CMOS 輸出兼容的；加上拉電阻，他們能和LS/ALSTTL 輸出兼容。當鎖存使能端為高時，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的也就是說輸出同步。當鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存。輸出能直接接到CMOS，NMOS 和TTL 接口上CMOS 器件的高噪聲抵抗特性管腳如圖3.8所示：圖3.8 74HC573引腳

60、功能如表3.2所示：表3.2 74HC573功能輸入輸出輸出使能鎖存使能DQLHHHLHLLLLX不變HXXZX=不用關心Z=高阻抗3.4.2 顯示電路顯示器是一個典型的輸出設備，而且其應用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差異僅在于顯示器的結構類型不同而已。最簡單的顯示器可以使用LED發(fā)光二極管，給出一個簡單的開關量信息。根據(jù)課題的實際要求，由于顯示的距離范圍在 5米之內(nèi)，但是需要精確到毫米，因此選用四位LED數(shù)碼管顯示，通過單片機編程實現(xiàn)顯示，表示距離的xxx.xcm數(shù)值。采用動態(tài)掃描顯示，接口電路是把所有顯示器的8個筆劃段a-h同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM