基于單片機的雙足機器人系統設計

【摘要】機器人通常采用舵機作為關節連接件，本文提出了一種基于stc單片機的通用多關節機器人控制系統，以stc單片機和uart串行通信接口等部分構成硬件系統，用C語言開發了機器人串口調試軟件及綜合控制軟件，結合PID算法控制雙足機器人完成前后行走，翻跟頭。

【關鍵詞】STC單片機;串口通信;PID算法

1.系統整體設計

本設計的機器人系統由控制中心（MCU）模塊、舵機驅動模塊、電源管理模塊、UART串口模塊、超聲波傳感器模塊等構成，整個系統構成一個閉環控制系統。硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構

2.系統硬件電路設計

2.1 主芯片選擇

STC12C5410AD單片機是增強型8051單片機，單時鐘/機器周期，工作電壓5.5V一3.5V，工作頻率范圍0～35MHz，512字節片內數據存儲器，10K字節片內Flash程序存儲器，ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程），可通過串口直接下載程序，EEPROM功能，6個16位定時/計數器，PWM（4路）/PCA（可編程計數器陣列，4路），8路10位A/D轉換，SPI同步通信口。

2.2 舵機驅動模塊

由于舵機的響應時間對機器人控制平衡很重要，為了實現其快速響應，將舵機的工作電壓提高到+6V。為了減小此時間常數，還可以通過改變舵機的安裝位置，加長力臂可以實現提高舵機的響應速度。舵機的輸出轉角大小與給定的PWM信號值成線性關系，以PWM信號為系統輸入信號，改變PWM的占空比，實現舵機控制。

2.3 電源管理模塊

電源管理芯片的好壞直接影響系統的穩定性。從整個系統的穩定可靠的角度出發，選擇了一款低壓差芯片TPS7350，該芯片最具特色的優點是當輸出電流為100mA時，最大壓差只有35mV，只需很少的外圍器件就能滿足應用要求。此外，充分使用該芯片的復位功能，減少了芯片的使用量，提高了系統的穩定性。為了減小系統運行過程中由于電機紋波對電源的干擾，特設計了大電容與大電感組成的電容容量為1410uF的LC濾波電路，對引入電源管理芯片的電源進行濾波，保證電源芯片的正常工作電壓。

2.4 超聲波傳感器檢測電路

超聲波傳感器電路主要是實現測距的功能。主要由超聲波發射電路和接收電路兩部分組成。

超聲波接收電路主要使用集成電路CX20106A，它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。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波（無信號時輸出高電平），具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力，具體見圖3。CX20106A的第5腳的電阻決定接收的中心頻率，220kΩ的電阻決定了接收的中心頻率為40kHz。當CX20106A接收到40kHz的信號時，會在第7腳產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。

3.控制系統設計

要實現機器人所完成各種動作需要用到多舵機分時控制原理。具體的，給每個舵機定義一個角度所對應的脈寬變量，并賦予初始值為舵機的中間角度。還要給定時器設定初值既是舵機PWM波脈寬初值。當每次定時器時間到產生溢出中斷，進入中斷服務子程序后，首先把所有的舵機控制輸出口拉低清零，再給某一位置高，并給賦予PWM脈寬的定時時間。最后移位使下次進入中斷時給下一位置高，相當于是將時間片傳遞給了下一個舵機驅動。其原理如圖2所示。

根據經驗舵機在運行過程中要從電源吸納較大的電流，若舵機與單片機控制器共用一個電源，則舵機會對單片機產生較大的干擾。因此，舵機與單片機控制器采用兩個電源供電，兩者不共地，通過光耦來隔離，并且給舵機供電的電源最好采用輸出功率較大的開關電源。該舵機控制器占用單片機的個SCI串口。串口用于接收上位機傳送過來的控制命令，以調節每一個通道輸出信號的脈沖寬度。MAX232為電平轉換器，將上位機的RS232電平轉換成TTL電平。

圖2 舵機分時控制原理

4.系統軟件編程與仿真

本系統需設計完成的軟件包括：機器人串口調試上、下位機軟件和機器人獨立運行軟件;單片機下位機軟件。

機器人的單片機運行程序是包含有舵機的控制、完成各種動作的腳本程序、兩個主動輪直流電機的驅動程序，還有一些基本的延時、初始化設置等程序。由于程序包含的內容較多，為了方便程序的組織，將各個功能模塊分別做成一個獨立的C程序，由主程序的頭文件包含其他所有要用到的C程序的頭文件，來調用其他C文件中的一些功能函數。程序這樣設計比較方便將各個功能進行移植。通過在頭文件中對各個端口物理地址的宏定義，在其C文件中實現了與物理地址的分離。當物理地址發生變化時，只需修改頭文件中的宏定義即可。

5.總結

整個硬件系統成本低廉，由于可以無線與電腦通信，具有良好的二次開發接口。在此硬件基礎上搭建的雙足步行機器人，具有避障、測距、發音、語音識別、并和電腦具有無線通信的功能，具有好的展示效果和學習效果。

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