超声波测距扩展卡的设计.docx
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超声波测距扩展卡的设计
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、周边设备集成度高的微控制器，价格也需控制，能让中国的学生以可以承受的价格获得世界上先进的智能机器人计算平台。
Motorola生产的68HC11，以极少的周边芯片获得了齐全的功能，8个模拟口，5个输入捕捉，3个PWM输出，16位地址，8位数据总线，串口，以及4个通用I/O。
同时，充分考虑到软件开发工具问题。
因为没有优秀方便的软件开发工具，硬件只能成为专有系统，而无法成为开发平台。
68HC11的自下载功能，使我们拥有了纯软件开发调试的优秀工具JC。
JC即可用于开发高层应用软件，又便于开发低层驱动，还能交互调试。
1.2.4能力风暴机器人的开发能力
（1）软件开发能力
标准C语言子集，简洁的专业程序员语言支持浮点运算、指针、多维数组；先进的多任务操作系统ASOS；便于学习的图形化交互式Ｃ语言；众多的驱动程序和应用程序代码，在高手的基础上学习编程。
（2）能力风暴机器人AS-UⅡ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。
（3）机械扩展能力
1至32个直流电机；1至4个步进电机交流伺服电机；1至32个继电器、电继阀、记忆合金；1至32个灯泡、电热丝、蜂鸣器。
扩展实例：
灭火风扇，机械手臂，装饰彩灯等。
（4）电子扩展能力
１至几百路８位模拟输入；３至几十路输出捕捉；３２路数字式输出。
扩展实例：
超声测距卡，红外测距卡，６路伺服电机驱动卡，８路输入输出。
第2章
超声波测距扩展卡的设计
2.1超声波扩展卡设计思路
2.1.1超声波简介
超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。
在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。
超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。
2.1.2超声波测距原理
2.1.2.1超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：
一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
在本次设计中我们采用市场上较为普遍的型号为TR40-16B的超声波传感器。
TR40-16B是分体式超声波传感器，共分为接收和发射两部分。
其中，标有T的是发射部分，标有R的是接收部分。
压电式超声波发生器原理
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
若对发送传感器内谐振频率为40KHz的压电陶瓷片（双晶振子超声波传感器）施加40KHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40KHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播（疏密程度可由控制电路调制），并传给波接收器。
接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“-”极的40KHz正弦电压。
因该高频电压幅值较小，故必须进行放大。
超声波传感器使得驾驶员可以安全地倒车，其原理是利用探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并及时发出警告。
所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉警告，其警告表示是探测到了在盲区内障碍物的距离和方向。
这样，在狭窄的地方不管是泊车还是开车，借助倒车障碍报警检测系统，驾驶员心理压力就会减少，并可以游刃有余地采取必要的动作。
2.1.2.2超声波测距原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：
s=340t/2。
这就是所谓的时间差测距法。
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
测距的公式表示为：
L=C×T
式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。
在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。
通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。
超声波测距误差分析
根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。
时间误差当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=340m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。
测距时间误差△t<（0.001/344）≈0.000002907s即2.907ms。
在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。
使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。
由于本方案设计只用到八位数据传输，因此测量误并主要体现在传送数据上。
5米定时计数器的最大值为72E3H,左移一位后的高八位为E5H,转化成十进制后是229，测量误差为5m/229=21.8mm。
2.1.3课题设计的任务和要求
（1）超声测距卡能发射超声波并检测被障碍物反射回来的声波，测量出两者的时间差，然后根据声音在空气中传播的速度，计算出障碍物与机器人之间的距离。
在机器人比赛中可对周围环境进行探测，确定对手所在的方位。
（2）Protel格式的电路原理图和印刷电路板图各一张。
（3）自制的无线通讯模块一块。
（4）利用VJC1.6编程工具调试通过。
2.1.4方案设计比较
2.1.4.1方案一：
发射电路与接收电路如图2.1所示。
超声波的发射电路由LM555定时器构成40KHz的多谐振荡器。
LM555第3引脚输出端经过功率放大后驱动超声波传感器TR40-16，使之发射出超声波信号。
电路工作电压12V。
图2.1方案一的超声波发射电电路
超声波接收电路超声波接收电路主要由接收换能器、功率放大电路、比较及控制等环节组成。
9当超声波遇到障碍物返回时，超声波接收传感器TR40-16接收由于回波电压的数量级在毫伏量级,并且在距离较远的情况下，回波更弱，因而必须将信号放大。
如图2所示,设计中采用高速精密放大器LM318。
其带宽为15M,第1级放大50倍，第2级电路接可变电阻，理论放大倍数50倍这样两级放大倍数最大可达到2500倍，能充分满足因为较远距离传播而变得相当微弱的信号得到足够增益。
然后由LM567（音频检测器芯片）来完成信号的滤波、检波、选频等功能。
图2.2方案一的超声波接收电路
该方案优点：
接收电路具有滤波功能，能最大幅度地减小干扰的影响，发射电路由555定时器上的可调电阻可以很方便地调整发射频率。
该方案缺点：
该方案使用集成元件较多，体积较大。
2.1.4.2方案二：
发射电路
图2.3方案二的发射电路
发射电路如图2.3所示。
单片机信号经与非门后经过三极管放大，直接传送到超声波发射传感器。
图2.4方案二的超声波接收电路
接收电路如图2.4所示，接收过来的信号经两级放大后直传入单片机。
优点：
发射接收电路简单，成本低，制作方便。
缺点：
发射频率不能够调整，在机器人足球比赛当中若每个机器人的发射频率相同，则容易互相干扰，因此测距可靠性要差一些。
接收电路没有滤波过程，容易形成干扰。
综合两种方案的优缺点，本设计选择使用第一种方案。
第3章系统硬件结构设计
3.1系统主要结构
在方案一中超声测距的电路主要组成如图3.1所示
图3.1系统的主要构成
3.251系列单片机功能结构特点
5l系列单片机中典型芯片（AT89C51）采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时/计数器TO和T1，4个8b的I/O端：
P0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。
特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（E~PROM），使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。
该系列单片机引脚与封装如图3.2所示。
单片机与一般的微型机比较有如下优点。
体积小
由于单片机内部包含了计算机的基本功能部件，能满足很多应用领域对硬件功能的基本要求。
因此单片机组成的就用系统结构简单，小而全。
可靠性高
单片机内CPU访问存储器、I/O接口的信息传输线（即总线）大多数在芯片内部，因此不易受外界的干扰：
另一方面，由于单片机体积小，在应用环境比较差的情况下，容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施。
所以单片机应用系统的可靠性比一般的微机系统高得多。
控制功能强
单片机面向控制，它的实时控制功能特别强。
CPU可以直接对I/O口进行各种操作，运算速度高，时钟可达16MHz以上。
对实时事件的响应和处理速度快。
使用方便
由于单片机内部功能强，系统扩展方便，因此应用系统的硬件设计非常简单，又因为市场上提供多种多样的单片机开发工具，它们具有很强的软硬件调试功能和辅助设计功能。
性价比高
由于单片机功能强，价格便宜，其应用系统的印板小，接插件少，安装调试简单等一系列原因，使单片机应用系统的性能价格比高于一般的微机系统。
图3.2AR89C51的引脚示意图。
5l系列单片机提供以下功能：
4KB存储器；256BRAM；32条I/O线；2个16b定时/计数器；5个2级中断源；1个双向的串行口以及时钟电路。
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。
充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。
3.2.1AT89C51的引脚介绍
以下只对在本设计当中就用到的引脚作简要介绍。
RST/VPD（9脚）复位信号
时钟电路工作后芯片内部进行初始复位，复位后P0-P3口输出高电平，初值07H写入堆栈指针SP，清0程序计数器PC和其他特殊功能寄存器。
EA/Vpp（31引脚）片外程序存储器地址选择信号
若EA接地，则不使用内部程序存储器，不管地址大小，取指时总是访问外部程序存储器。
本超声波测距扩展卡并不需要外部存储器，故该引脚直接接高电平。
AT89C51的I/O口
AT89C51单片机有4个双向位I/O口P0-P3，P0为三态双向口，负载能力为8个LSTTL门电路，P1-P3为准双向口，负载能力为4个LSTTL门电路。
P3口作第二功能口使用时实际上际上是系统具有控制功能的控制线。
3.2.2AT89C51的定时计数系统
一般单片机内部都设有定时计数器，因为有的测控系统是按时间间隔定时控制的，如定时对物理过程的采样等。
虽然可以通过延时程序实现定时，但这会降低CPU的工作效率。
如果能利用一个可编程的实时时钟获得延时定时，就可以提高CPU的工作效率。
另外，也有一些测控系统是根据外部信号的计数结果来实现控制的。
必须对外部随机事件进行计数。
因此，单片机内部一般都设置可编程的定时计数器，以简化系统设计，提高系统功能。
AT89C51内部有两个定时计数器，分别称为定时计数器0和定时计数器1简称T0、T1，它们都具备定时计数功能，有4种工作方式可以选择。
在超声波测距扩展卡的设计中我们需要定时计数器的定时功能，定时功能的工作方式是对芯片内的机器周期计数，或者说计数脉冲来自芯片内部，每来一个机器周期，计数器加1，直到计数器满，再来一个机器周期，定时计数器全部回0，这就是溢出。
每个机器周期的时固定（振为12MHz，机器周期为1μs，晶振为6MHz，机器周期为2μs）。
与定时计数器有关的控制寄存器共有4个，分别是TCON,TMOD,IE,IP特殊功能寄存器。
根据TMOD寄存器中的M1和M0位的设定，定时计数器可选择4种不同的工作方式。
根据超声测距的要求我们选择工作方式1。
方式1是16位计数结构，定时器计数器由TH的全部高8位和TL的全部低8位组成。
3.2.3AT89C51的中断系统
计算机工作时由于系统内外某种原因而发生的随机事件，计算机必须尽可能快终止正在运行的原程序，转向相应的处理程序为其服务，待处理完毕，再返回去执行被中止的原程序，这个过程就是中断。
引起中断的设备或原因称为中断源。
一个计算机系统的中断源会有多个，用来管理这些中断的逻辑称为中断系统。
采用中断的优点有：
分时操作；
实时处理；
故障处理。
AT89C51单片机中有5个中断源，外部有两个中断请求输入，INT0，INT1。
内部有3个中断请求。
定时计数器T0，T1和片内串行口。
当系统产生中断请求时，5个中断源中的请求标志根子别由特殊功能寄存器TCON和SCON的相位来锁存。
3.3LM555定时器介绍
图3.3LM555定时器内部结构图
LM555定时器的电路和外引线排列如图3.3所示。
LM555/LM555C系列是美国国家半导体公司的时基电路。
我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一种通用集成电路。
LM555/LM555C系列功能强大、使用灵活、适用范围宽，可用来产生时间延迟和多种脉冲信号，被广泛用于各种电子产品中。
555时基电路有双极型和CMOS型两种。
LM555/LM555C系列属于双极型。
优点是输出功率大，驱动电流达200mA。
而另一种CMOS型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率要小得多，输出驱动电流只有几毫安
LM555时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。
其中6脚为阀值端（TH），是上比较器的输入。
2脚为触发端（TR），是下比较器的输入。
3脚为输出端（OUT），有0和1两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。
7脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。
4脚为复位端（R），叫上低电平（<0.3V）时可使输出端为低电平。
5脚为控制电压端（CV），可以用它来改变上下触发电平值。
8脚为电源（VCC），1脚为地（GND）。
一般可以把LM555电路等效成一个大放电开关的R-S触发器。
这个特殊的触发器有两个输入端：
阀值端（TH）可看成是置零端R，要求高电平；触发端（TR）可看成是置位端S，低电平有效。
它只有一个输出端OUT，OUT可等效成触发器的Q端。
放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的反Q端控制：
反Q=1时DIS端接地；反Q=0时DIS端悬空。
此外这个触发器还有复位端R，控制电压端CV，电源端VCC和接地端GND。
这个特殊的R-S触发器有两个特点：
（1）两个输入端的触发电平要求一高一低：
置零端R即阀值端TH要求高电平，而置位端S即触发端TR则要求低电平。
（2）两个输入端的触发电平，也就是使它们翻转的阀值电压值也不同，当CV端不接控制电压是，对TH（R）端来讲，>2/3VCC是高电平1，<2/3VCC是低电平0；而对TR（S）端来讲，>1/3VCC是高电平1，<1/3VCC是低电平0。
如果在控制端CV加上控制电压VC，这时上触发电平就变成VC值，而下触发电平则变成1/2VC。
可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。
图3.4是由LM555定时器组成的多谐振荡器，Ra与Rb和C是外接元件。
接通电源Vcc后，它Ra与Rb对电容C充电，当Uc上升略高于2/3Ucc时，电压输出为0。
这时内部的三极管导通，电容通过Rb与三极管放电，当Uc下降略低于1/3Vcc时，电压输出为1。
图3.4由LM555定时器构成的双稳态触发器电路图
图3.5超声波测距发射电路
超声波发射电路如图3.5所示。
超声波发射过程中三极管需要接+12V电压，必须接一个升压元件，在此我人选择LT1073作为升压元件对+5V稳压电源升压。
图3.612V电压升压电路
超声波发射电路如图3.6所示。
当需要发射超声波时，由单片机发送高电平信号，送入4脚RESET端，LM555定时计数器开始工作。
LM555定时器输出的功率还不能够完全驱动TR40－16，因此在输出端接功率放大电路。
本设计采用互补对称功率放大电路。
互补对称功率放大电路主要由两个三极管组成，型号分别为9012与9013。
在LM555输出端接一个0.1uF的电容起隔直通交的作用。
3.4LM567介绍
接收电路当中用到了LM567音频选择器。
LM567音频选择器原理如图3.7所示。
图3.7LM567内部原理图
。
LM567是一片锁相环电路，采用8脚双列直插塑封。
其5、6脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC。
其
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