基于单片机的双足机器人系统设计

【摘要】机器人通常采用舵机作为关节连接件，本文提出了一种基于stc单片机的通用多关节机器人控制系统，以stc单片机和uart串行通信接口等部分构成硬件系统，用C语言开发了机器人串口调试软件及综合控制软件，结合PID算法控制双足机器人完成前后行走，翻跟头。

【关键词】STC单片机;串口通信;PID算法

1.系统整体设计

本设计的机器人系统由控制中心（MCU）模块、舵机驱动模块、电源管理模块、UART串口模块、超声波传感器模块等构成，整个系统构成一个闭环控制系统。硬件组成框图如图1所示。

图1 系统整体结构

2.系统硬件电路设计

2.1 主芯片选择

STC12C5410AD单片机是增强型8051单片机，单时钟/机器周期，工作电压5.5V一3.5V，工作频率范围0～35MHz，512字节片内数据存储器，10K字节片内Flash程序存储器，ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），可通过串口直接下载程序，EEPROM功能，6个16位定时/计数器，PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列，4路），8路10位A/D转换，SPI同步通信口。

2.2 舵机驱动模块

由于舵机的响应时间对机器人控制平衡很重要，为了实现其快速响应，将舵机的工作电压提高到+6V。为了减小此时间常数，还可以通过改变舵机的安装位置，加长力臂可以实现提高舵机的响应速度。舵机的输出转角大小与给定的PWM信号值成线性关系，以PWM信号为系统输入信号，改变PWM的占空比，实现舵机控制。

2.3 电源管理模块

电源管理芯片的好坏直接影响系统的稳定性。从整个系统的稳定可靠的角度出发，选择了一款低压差芯片TPS7350，该芯片最具特色的优点是当输出电流为100mA时，最大压差只有35mV，只需很少的器件就能满足应用要求。此外，充分使用该芯片的复位功能，减少了芯片的使用量，提高了系统的稳定性。为了减小系统运行过程中由于电机纹波对电源的干扰，特设计了大电容与大电感组成的电容容量为1410uF的LC滤波电路，对引入电源管理芯片的电源进行滤波，保证电源芯片的正常工作电压。

2.4 超声波传感器检测电路

超声波传感器电路主要是实现测距的功能。主要由超声波发射电路和接收电路两部分组成。

超声波接收电路主要使用集成电路CX20106A，它是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力，具体见图3。CX20106A的第5脚的电阻决定接收的中心频率，220kΩ的电阻决定了接收的中心频率为40kHz。当CX20106A接收到40kHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。

3.控制系统设计

要实现机器人所完成各种动作需要用到多舵机分时控制原理。具体的，给每个舵机定义一个角度所对应的脉宽变量，并赋予初始值为舵机的中间角度。还要给定时器设定初值既是舵机PWM波脉宽初值。当每次定时器时间到产生溢出中断，进入中断服务子程序后，首先把所有的舵机控制输出口拉低清零，再给某一位置高，并给赋予PWM脉宽的定时时间。最后移位使下次进入中断时给下一位置高，相当于是将时间片传递给了下一个舵机驱动。其原理如图2所示。

根据经验舵机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流，若舵机与单片机控制器共用一个电源，则舵机会对单片机产生较大的干扰。因此，舵机与单片机控制器采用两个电源供电，两者不共地，通过光耦来隔离，并且给舵机供电的电源最好采用输出功率较大的开关电源。该舵机控制器占用单片机的个SCI串口。串口用于接收上位机传送过来的控制命令，以调节每一个通道输出信号的脉冲宽度。MAX232为电平转换器，将上位机的RS232电平转换成TTL电平。

图2 舵机分时控制原理

4.系统软件编程与仿真

本系统需设计完成的软件包括：机器人串口调试上、下位机软件和机器人独立运行软件;单片机下位机软件。

机器人的单片机运行程序是包含有舵机的控制、完成各种动作的脚本程序、两个主动轮直流电机的驱动程序，还有一些基本的延时、初始化设置等程序。由于程序包含的内容较多，为了方便程序的组织，将各个功能模块分别做成一个独立的C程序，由主程序的头文件包含其他所有要用到的C程序的头文件，来调用其他C文件中的一些功能函数。程序这样设计比较方便将各个功能进行移植。通过在头文件中对各个端口物理地址的宏定义，在其C文件中实现了与物理地址的分离。当物理地址发生变化时，只需修改头文件中的宏定义即可。

5.总结

整个硬件系统成本低廉，由于可以无线与电脑通信，具有良好的二次开发接口。在此硬件基础上搭建的双足步行机器人，具有避障、测距、发音、语音识别、并和电脑具有无线通信的功能，具有好的展示效果和学习效果。

参考文献

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