基于STC12C5A60S2單片機窄足的小機器人

此款窄足竟步機器人為四自由度機器人，以STC12C5A60S2為控制芯片，以RDS3115MG作為運動舵機，以灰度尋線傳感器作為檢測器件，以航模電池作為能源動力。文章首先從機器人整體系統出發，制定了總體設計方案，再根據總體方案進行了關鍵器件的選型，最后完成了各部分機構的詳細設計工作。經過硬件設計、組裝，軟件設計、編寫，整體調試，最終實現窄足竟步機器人的功能。

【關鍵詞】窄足竟步機器人；STC12C5A60S2；角度調整算法

1 硬件設計

1.1 控制模塊設計

STC12C5A60S2

STC12C5A60S2單片機屬于增強型51，他兼容傳統的51單片機，但是它與傳統51相比，在速度性能與資源方面都有了很大的提升。在眾多的51系列單片機中，要算國內STC 公司的1T增強系列更具有競爭力，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內的具有大容量程序存儲器且是FLASH工藝的，如STC12C5A60S2單片機內部就自帶高達60K FLASHROM，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC系列單片機支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。寫入單片機內的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。

1.2 電路設計

穩壓板上的主要部件LM2596：

LM2596系列是德州儀器（TI）生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩壓芯片，它內含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準穩壓器（1.23v），并具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路。提供的有：3.3V、5V、12V及可調（-ADJ）等多個電壓檔次產品。

1.3 尋跡模塊設計

灰度傳感器的工作原理：

利用物體不同的反光率，從而改變光敏電阻的阻值而引起其兩端電壓的變化，實現信號的產生或改變。大多作為機器人的傳感器，比如巡跡小車就是使用灰度傳感器 作為信號輸入。灰度傳感器在巡跡小車上的應用，巡跡小車是利用跑道上綠白之間的色差實現灰度傳感器輸入不同的信號到單片機。

紅外傳感器的工作原理：

由于比賽要求繞過障礙物，小組成員決定選用紅外傳感器，紅外傳感器具有如下性質與優點：

利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質。任何物質，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，反應快等優點。

1.4 運動模塊設計設計

根據所學知識，及生活中的經驗，機器人主體結構設計適合采用4舵機結構，相對6舵機結構重心低，行走快捷穩健，足形狀采用交叉足。此款雙足竟步機器人選用交叉足，為了保持穩定性。我們選擇在雙腳出安放鋁板，為了增加重量和是機器人穩定運行。

2 軟件設計

交叉足機器人有四個自由度，采用四個舵機通過設定其角度來完成直行，左偏，右偏，轉彎等動作。

2.1 舵機的角度控制

舵機有三根線，分別是電源線、地線和信號線，電源與地之間為6V的電壓，信號線為PWM輸入來控制舵機的角度。

比如我們選擇一個單片機的引腳，通過設置定時器讓其產生1.5MS的高電平，然后再產生18.5MS的低電平的20MS的周期信號，那么舵機就會轉到90度角度了，高電平時間0.5MS到2.5MS之間不同的信號對應不同的角度。

對于如何更好的產生PWM信號來精確地控制的舵機旋轉的角度，這里我們采用了一種新的更加高效的方法。傳統的方法為在定時器中斷函數中設定變量來計時執行函數，這樣不容易實現精確的時間控制，自然舵機的角度就不能實現精確地控制。在設計的工程中，我們利用TH0和TH1寄存器，如果系統的晶振為12M，那么TH0自增或者自減1就是精確的1us。

2.2 舵機的速度控制

在整個動作中，如果不對舵機的速度進行控制，那么走起來就會很抖，很不穩定，所以有必要來對舵機的速度進行控制使之既能穩定又能快速的完成動作目標。但是舵機本身速度不能通過硬件控制，所以只能通過軟件來進行控制。

對舵機的速度，我們采用差補法來進行控制，設定舵機的起始角度和終止角度分別為point_aim和point_now，將角度差通過分成更小的角度來完成，便可以達到減速的效果。

2.3 動作分析

機器人要完成動作分為直走，左偏，右偏，左轉彎四大動作，都是靠四個舵機的角度的轉換來完成的，我們將機器人分為上下兩部分，上面為左腰右腰，下面為左腳右腳，機器人的每個動作我們可以用動作組來完成，每行動作組就是機器人的一個狀態，以微秒為單位，那么四個舵機中值點分別是1520、1500、1460、1470，增大數值則舵機就會逆時針旋轉一個角度，反之順時針。

進行算法調整的重要性，由于每次開始左旋轉的位置方向都能保證每次都一樣，那么這樣的一個系統隨機性就會很大，跑偏的可能性就會很大，因此經小組討論后決定化隨機為確定，每次轉過黑線后都會踩到黑線。調整算法需要靠A灰度傳感器來完成，抬起的角度使灰度傳感器可以檢測到黑白線，然后右腳進行右偏，使會灰度傳感器偏離黑色區域，即達到安全區域，為了避免轉出之后機身前進的方向偏左，需要進行兩側角度調整，這樣一來，每次調整的最后都會使機身朝向正前方，回到之前轉彎之前，使用角度調整從一定程度上那個提高了系統的穩定性。

參考文獻

[1]聶榮等.實例解析PCB設計技巧[M].北京：機械工業出版社，2006[2]競賽秘書處，電磁組競賽車模路徑檢測設計參考方案（版本1.0）.2010（01）.

[2]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1998.

作者簡介

姜云鵬（1995-），男，大學本科學歷。山東省煙臺市海陽市人。就讀于山東科技大學。研究方向為電氣工程及其自動化。

李振民（1995）男，山東省臨沂市郯城縣人，本科學歷。就讀于山東科技大學。研究方向為機械設計制造及其自動化。

作者單位

山東科技大學 山東省青島市 266590