基于凌阳单片机旅游机器人的设计毕业设计论文.docx
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基于凌阳单片机旅游机器人的设计毕业设计论文
基于凌阳单片机旅游机器人的设计
摘要
机器人是现代科学的产物。
随着机械和电子技术的发展，用机器人进行操作已从幻想变成现实。
本文主要介绍了一种基于凌阳SPCE061A的简易机器人系统的设计。
机器人系统的控制部分以凌阳十六位单片机为核心，包括驱动、光电传感器、碰撞传感器。
实现自动寻迹、碰撞检测和线路识别和灭火功能。
要求机器人旅游系统能够识别地面的白线，到达给定地图中所有的景点，并且能够返回原点。
要求灭火系统能够找到每个房间的火源并将其扑灭，并且能回到原点。
传感器系统相当于机器人的眼睛，是机器人行动的前提，也是本次研究的重点。
文中设计了寻迹传感器和碰撞检测传感器，这两个模块构成了机器人的传感器系统，直接决定了机器人功能的好坏。
经过调试，传感器基本达到设计要求。
此外，也简要介绍了一些机器人的相关知识以及与这次设计相关的软硬件的基础知识和应用技巧。
关键词：
机器人SPCE061A旅游传感器
DesignForTourismRobotBasedOnSunplusMCU
Abstract
Robotistheproductofthemodernscience.Asthedevelopmentofthemechanismandtheelectronictechnology,manipulationusingrobothascometotruthfromfancy.
ThispaperintroducesthedesignofasystemforthesimplemultifunctionalmobilerobotbasedonLingyangSPCE061A.ThecontrolpartoftherobotsystemisbasedonLingyang16-bitSCMwhichincludesdrive,photosensitivesensorsandcollisionsensorssothatthefunctionofautomatictrackssearch,collisiondetection,recognitionofpathsandputtingoutafire.Thetourismrobotcanrecognizethewhitelinesontheground,reachallthespotsappointedandreturntotheoriginalpoint.Thefirefightingrobotcanfindallfireineachroomandputoutthem,thenreturntotheoriginalpoint.
Sensorsystemisjustliketheeyesoftherobotandtheprerequisiteofrobotactions.Itisalsothefocusofthispaperinwhichwedesignthesensorforpathssearchandtheotheroneforcollisiondetection.Thesetwomodulesconstitutetherobotsensorsystemandinfluencethefunctionoftherobotdirectly.Afterthedebugging,thesensorsbasicallysatisfytherequirementofthedesign.Inaddition,thispaperbrieflyintroducessomerelevantknowledgeofrobots,thetechniqueofhardwareandsoftwareconcernedandsomeskills.
Keyword:
Robot;SPCE061A;Tourism;Sensor
第一章绪论
机器人[1]是现代科学技术发展的必然产物，因为人们总是设法让机器来取代人工作，从而发明了各种各样的机器。
机器的发展和其他事物的发展一样，遵循着由低到高的发展规律，机器发展的最高形式必然是机器人。
虽然现在机器人的能力还是非常有限的，但是它正处在迅速发展过程中，并开始对整个工业生产，太空和海洋探索以及人类生活的各个方面产生越来越大的影响。
这次的课题是与其它两个同学组成一个团队，合作完成旅游，灭火机器人主板的设计与制作以及旅游系统设计与制作。
机器人的控制部分以凌阳十六位单片机[2]为核心，包括驱动、速度检测、撞击检测等环节，实现自动转弯、避让等功能。
我的课题是旅游，灭火主板的设计，旅游系统的设计。
旅游机器人作为机器人比赛的一个项目曾被列入全国和江苏省机器人大赛中，它的目的是在尽量短的时间内走遍旅游地图中所有的景点，要求机器人小车可以自己识别线路。
我们设计中重点要求实现的功能是寻迹和碰撞检测，机器人要能沿着地面的白线行走，到达所有指定的地点，并且被碰撞传感器检测到。
整个设计分为驱动部分，电源部分，线路识别系统，碰撞检测系统。
我们采用凌阳公司的SPCE061A单片机。
机器人的研究和应用体现了广泛的学科交叉，涉及众多课题，如机器人的体系结构、机构、控制、智能、视觉、触觉、听觉、机器人装配以及机器人语言等。
1.1机器人技术基础
机器人是一种用于移动各种材料，零件，工具和专用装置，通过程序驱动来执行任务，并具有编程能力的多功能操作机。
机器人是一种自动的，位置可控的，具有变成能力的多功能操作机，具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料，零件，工具和和专用装置，以执行
各种任务。
根据上述定义，我们可以理解机器人有以下特征：
机器人是模仿人或动物肢体动作的机器，能象人那样使用工具和机械
机器人具有智力或感觉与识别能力
直接对外界工作
机器人集中了机械工程，电子技术，计算机技术，自动控制理论以及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。
机器人的主要特征概括起来就是通用性和适应性。
机器人的通用性取决于其几何特性和机械能力，指的是某种执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力，也就是说，机器人具有可变的几何结构，即根据生产工作需要进行变更的几何结构；或者说，在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。
现有的大多数机器人都具有不同程度的通用性，包括机械手的机动性和控制系统的灵活性。
机器人的适应性是指其对环境的自适应能力，即所设计的机器人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。
这一能力要求机器人认识其环境，具有运用传感器感测环境的能力，分析任务空间和执行操作规划的能力以及具有自动指令模式。
在这方面，机器人使用它的下述能力：
（1）运用传感器感测环境的能力
（2）分析任务空间和执行操作规划的能力
（3）自动指令模式
机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同构成的。
机器人由机器人本体、控制器和软件三大部分构成。
同时，为了获取作业对象及环境信息还需要传感器系统。
机器人的本体由机械手和移动机构两部分组成，单独存在的机械手或移动机构也称为机器人。
机器人系统有四大部件组成，包括：
机械手、传感器、控制器和功率变换器。
如图1-1所示
（b）
图1-1机器人系统的基本结构
关于机器人如何分类，一般的分类方式有：
（1）操作型机器人。
能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。
（2）程控型机器人。
按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。
（3）示教再现型机器人。
通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。
（4）数控型机器人。
不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。
（5）感觉控制型机器人。
利用传感器获取的信息控制机器人的动作。
（6）适应控制型机器人。
机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。
（7）学习控制型机器人。
机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。
（8）智能机器人[5]。
以人工智能决定其行动的机器人。
从20世纪60年代初期到70年代初期，机器人技术的发展较为缓慢。
进入20世纪70年代之后，人工智能学界开始对机器人产生浓厚兴趣。
他们发现，机器人的出现与发展为人工智能的发展带来了新的生机。
随着自动控制理论、电子计算机和航天技术的迅速发展，到了70年代中期，机器人技术进入了一个新的发展阶段。
到70年代末期，工业机器人有了更大的发展。
进入80年代后，机器人生产继续保持70年代后期的发展势头。
到80年代中期机器人制造业成为发展最快和最好的经济部门之一。
进入20世纪90年代以来，由于具有一般功能的传统工业机器人的应用趋向饱和，而许多高级生产和特种应用则需要具有各种智能的机器人参与，因而促使智能机器人获得较为迅速的发展[7]。
无论从国际或国内的角度来看，复苏和继续发展机器人产业的一条重要途径就是开发各种智能机器人，以求提高机器人的性能，扩大其功能和应用领域。
今天的智能机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动，有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验；有的具有自主控制和决策能力……这些智能机器人，不仅应用各种反馈传感器，而且还运用人工智能中各种学习、推理和决策技术。
智能机器人还应用许多最新的智能技术，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、人工神经网络技术、遗传算法和遗传编程、仿生技术、多传感器集成和融合技术以及纳米技术等[6]。
1.2旅游机器人的现状和发展前景
旅游机器人需要实现的功能是在无人控制的情况下，自主的识别线路，到达各个指定的地点。
国内各个机器人大赛中都能见到寻迹机器人的踪影。
传感器有光敏电阻或者红外等等，可谓殊途同归，都是让机器人沿着事前设定好的线路行走。
旅游机器人已经被列为机器人比赛项目，例如“机器人游江苏”比赛。
拥有此功能的机器人可以运用在很多地方，如安防机器人，可以沿着设定的线路在小区内巡逻；在旅游景区，机器人可以带领游客到达各个景点，并顺利返回。
随着社会的发展，有路线识别功能的机器人必将运用在更广阔的领域[7]。
1.3毕业设计任务
此次毕业设计是以团队进行的。
设计任务是以凌阳单片机为核心，设计一个简单移动机器人的总体系统功能和各子系统功能。
重点内容包括：
旅游子系统（硬件部分、软件部分）；灭火子系统（硬件部分）。
我所在的团队的主要任务是旅游子系统的软硬件开发。
小车安装有红外光电传感器和碰状传感器，用于寻迹和检测碰撞。
要使小车能够自动识别地面的白线，完成直行、转弯以及调头等动作，并且在尽可能短的时间内到达各个指定的目的地，走完整幅地图，然后返回出发地点。
1.4各章概要
毕业论文共分五章，第一章为绪论，介绍了机器人技术的基础，此次毕业设计团队的总体任务，旅游机器人的发展现状。
第二章介绍机器人主板设计，凌阳十六位单片机SPCE061A，凌阳开发环境（IDE）[8]。
第三章介绍了旅游系统的总体结构和各个功能模块的流程图。
包括了红外寻迹传感器，碰状检测传感器，驱动电路等。
第四章介绍了旅游系统的软件设计。
第五章总结了此次毕业设计，并且提出了一些设计上的优化方案。
第二章机器人主板设计
2.1凌阳十六位单片机SPCE061
随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）等领域。
凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。
它的CPU内核采用
凌阳最新推出的
（MicrocontrollerandSignalProcessor）16位微处理器芯片（以下简称
）。
围绕
所形成的16位
系列单片机（以下简称
家族）采用的是模块式集成结构，它以
内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件[8]。
（一）凌阳单片机的特点
1、体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展
家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。
另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。
2、具有较强的中断处理能力
家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。
3、高性能价格比
家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。
另外，
的指令系统提供具有较高运算速度的16位×16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得
家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的DSP芯片廉价。
4、功能强、效率高的指令系统
指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。
5、低功耗、低电压
家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。
另外，
家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。
这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。
（二）SPCE061A简介
1、SPCE061A芯片简介
SPCE061A是继
系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。
与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。
较高的处理速度使
能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
因此，与SPCE500A相比，以
为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。
2、芯片的性能[11]
◆16位
微处理器；
◆工作电压（CPU）VDD为2.4~3.6V（I/O）VDDH为2.4~5.5V；
◆CPU时钟：
0.32MHz~49.152MHz；
◆内置2K字SRAM；
◆内置32KFLASH；
◆可编程音频处理；
◆晶体振荡器；
◆系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2μA@3.6V；
◆16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；
◆10位DAC（数-模转换）输出通道；
◆32位通用可编程输入/输出端口；
◆14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；
◆具备触键唤醒的功能；
◆使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；
◆锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
◆32768Hz实时时钟；
◆7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器；
◆声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；
◆具备串行设备接口；
◆具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；
◆内置在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）接口；
◆具有保密能力；
◆具有看门狗功能。
3、芯片的结构概览SPCE061A的结构如图2.1.1所示：
图2-1-1SPCE061A内部结构图
4、芯片的引脚排列和说明
SPCE061A的功能非常强大，2K字SRAM和32K字闪存ROM仅占一页存储空间，具体特性参数如表所示。
表2-1-1SPCE061A特性参数
特性参数
SPCE061A
工作电压
2.6V～3.6V
最大工作速率
49.152MHz
CPU
16位
SRAM容量
2K字
ROM容量（字）
32K闪存ROM
并行I/O端口A
IOA15～0
并行I/O端口B
IOB15～0
音频输出方式
DAC×2
中断源
TimerA/B，时基信号发生器，外部中断，触键唤醒
唤醒源
IOA7～0
其他中断源
定时器/计数器
双16位加计数定时器/计数器
双通道PWM输出
UART
具备
ADC
7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器（ADC）
（三）凌阳SPCE061A单片机的输入/输出接口
输入/输出接口（也可简称为I/O口）是单片机与外设交换信息的通道。
输入端口负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。
输出端口负责向外界输送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。
内有并行和串行两种方式的I/O口。
并行口线路成本较高，但是传输速率也很高；与并行口相比，串行口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。
SPCE061A有两个16位通用的并行I/O口：
A口和B口。
这两个口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。
A口的IOA0—IOA7用作输入口时具有唤醒功能，即具有输入电平变化引起CPU中断功能。
在那些用电池供电、追求低能耗的应用场合，可以应用CPU的睡眠模式（通过软件设置）以降低功耗，需要时以按键来唤醒CPU，使其进入工作状态。
例如：
手持遥控器、电子字典、PDA、计算器、移动电话等。
I/O端口结构
SPCE061A提供了位控制结构的I/O端口，每一位都可以被单独定义用于输入或输出数据。
通常，对某一位的设定包括以下3个基本项：
数据向量Data、属性向量Attribution和方向控制向量Direction。
3个端口内每个对应的位组合在一起，形成一个控制字，用来定义相应I/O口位的输入输出状态和方式。
例如，假设需要IOA0是下拉输入管脚，则相应的Data、Attribution和Direction的值均被置为“0”。
如果需要IOA1是带唤醒功能的悬浮式输入管脚，则Data、Attribution和Direction的值被置为“010”。
与其它的单片机相比，除了每个I/O端口可以单独定义其状态外，每个对应状态下的I/O端口性质电路都是内置的，在实际的电路中不需要再次外接。
例：
设端口A口为带下拉电阻的输入口，在连接硬件时无需在片外接下拉电路。
A口和B口的Data、Attribution和Direction的设定值均在不同的寄存器里，在进行I/O口设置时要特别注意这一点。
同样B具有常规的与A口相同的输入/输出端口，此外，B口还有一些特殊的功能。
在UART通讯中用到的有：
IOB7Rx通用异步串行数据接收端口
IOB10Tx通用异步串行数据发送端口
依靠B口的特殊功能来实现数据的传输。
（四）61板
61板是SPCE061A精简开发板的简称，是“凌阳大学计划”专为电子爱好者和高校学生进行课程设计、毕业设计及电子竞赛所设计的，以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发－仿真－实验板。
硬件电路包括电源电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分）、复位电路等，让学生在掌握软件设计的同时，熟悉单片机硬件的设计制作，锻炼动手能力。
而且它的体积小，采用电池供电，方便随身携带。
图2-1-261板接口说明图
（五）凌阳
开发环境（IDE）
凌阳十六位单片机集成开发环境集软件编辑、编译、仿真、链接、在线编程、在线调试等众多功能于一体。
具有友好的交互界面、下拉菜单、快捷键和快速访问命令列表等，使我们的编程、调试工作更加方便且高效。
此外，它的软件仿真功能可以在不连接开发板的情况下模拟硬件的各项功能来调试程序，使得原本复杂的软硬件结合的设计工作变得简单方便。
2.2PROTEL介绍
protel是最流行的电路设计及仿真的软件，目前版本有许多，如protel99,protel99seprotel2004,protelDXP,protel2006.随着版本的更新，它的功能越来越强大，对新器件的支持也越来越多。
使用最广的应该还是protel99SE。
所以我们也选用此软件作电路设计。
Protel99se的特点：
◆可生成30多种格式的电气连接网络表；
◆强大的全局编辑功能；
◆在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；
◆同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络
◆既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；
◆满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）；
◆支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件；
◆强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；
◆智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；
◆提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；
◆放置汉字功能；
◆可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；
◆智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；
◆方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；
◆独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；
◆强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；
◆经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；
图2.2Protel99se
2.3机器人主板分析
2.3.1电源电路
图2-3-1电源电路
此为两路开关电源电路,一路经LM2575开关稳压滤波后变VCC得到+5V电压,此电压可以给下面的74HC14,L298前置级，LD1117稳压块的输入等作电源。
图2-3-23.3V稳压电路
另一路经LM2576开关稳压成约11V的稳定电压Vmotor给电机驱动芯片L298作驱动电源。
其中Vout2=1.23*（1+R8/R7）,这里R8=8.2K，R7=1K，Vout2=1.23*（1+8.2/1）=11.316V。
LM2576，LM2575的效率比流行的三端线性稳压器要高得多，其输入电压范围广，低功耗，可使用现成的标准电感，带热关断及电流限制保护。
图2-3-2为3.3V稳压电路。
稳定电压AVDD，VDD给凌阳CPU供电。
2.3.2红外发射接收电路
图2-3-338KHz信号发生电路
从信号发生器生成的38KHz方波信号经三极管8550放大供给三个红外发射管工作。
IS4，IS5，IS6分别接红外发射管。
其中发射功率可以通过VR64，VR63，VR62调节。
接收管用的是HS0038，分别接IR1的1，2，3脚，如图2-3-5。
HS0038接收到信号则1变为低电平，发光二极管点亮提示已探测到。
这样子对传感器的调节方便了很多。
图2-3-4发射电路
图2-3-5红外接收电路
2.3.3电机驱动电路
图2-3-6电机驱动电路
L298具有外围元件简单，工作稳定性好的特点。
L298集成块是
升级会员 