基于51单片机的六足仿生机器人

一、整体框架：

(1)设计功能：

①能完成多方向行走以及其他的自定义的动作。(前进，后撤，左右转，避障);

②可自动避障;

③通过手机蓝牙下令他的下一步动作。

(2)功能框架：

 

(3)使用器材：

①STC89C52单片机、74LS04(反相器);

②蓝牙串口通信模块;

③超声波测距模块;

④9G舵机18个;

⑤PVC线槽若干(模具);

⑥PCB转印板;

⑦螺丝螺母若干。

⑦keil3软件

二、工作原理：

(1)蓝牙串口通讯模块：

蓝牙串口通讯模块接收手机蓝牙软件发送字符串信号，单片机通过串口通讯协议处理蓝牙模块接收到的信息，再根据信息的内容来判断机器人将进行的下一步行动。

(2)超声波测距模块：

超声波模块向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时(传出低电平)，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(回到高电平)，根据低电平的长短来计算测量距离。(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)

(3)舵机控制：

控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制(PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5-2.5MS，相对应的舵盘位置为0-180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上。

在我们的作品中，18路舵机分成2组，分别用一个内部定时器来控制，产生对应舵机的PWM信号(首先定时器1生成第一个舵机的脉宽，再生成第二个舵机的，到第9个舵机为止，然后定时器2以同样方式生成剩余的9个舵机的PWM信号，以此往复)。

三、制作过程：

(1)仿真原理图：

 

(2)PCB制作：

 

(3)硬件搭建：

《a》肢体制作：

材料：PVC线槽，PVC板

①模型制作：(纯手工割出来的)

 

②舵机改造：

 

③整体：

 

四、调试以及问题解决：

①结构问题：

我们认为，整体的外形结构是决定作品成败的关键。经过多种材料的试验，最终我们选择了容易裁剪、硬度基本满足的PVC线槽来改装拼接肢体，躯体使用更厚的塑料板。经历一周的纯手工加工改造后，完成了整个模型的制作。

②供电问题：

由于我们使用的是9G舵机，性能较差，扭力不够，无法支撑起我们设计的电源与稳压模块，最后放弃了内嵌的电源，使用实验室的可调电源箱通过电线来供电，无法独立开来也是我们的唯一遗憾。

③机器抖动问题

由于89C52只有6个内部中断，远远无法满足18个舵机的控制，并且其他功能模块也要使用到内部中断。所以我们将18路舵机分成了2组，初始时一个接一个舵机(每个舵机20ms周期)来发送PWM，但这也产生了发送一次18路PWM的总周期长度太大(18*20=360ms)，足以产生被人眼所察觉的抖动。经过反复研究，让当前舵机的PWM信号在上一个PWM信号的低电平处开始产生高电平(在上一个PWM的高电平结束后)如下图，大大缩短了18路舵机一次动作的总周期长度(经过18路后，总周期长度为一个PWM的周期长度约20ms)，使抖动无法被人眼所观察。

代码挺多，给出主要的舵机控制代码，代码看不懂没关系，后面有解释：

#include《reg52.h》

#include《intrins.h》

#include《dongzuo.h》

#define ucharunsigned char

#define uintunsigned int

//PWM

sbit PWM0 = P1^0;

sbit PWM1 = P1^1;

sbit PWM2 = P1^2;

sbit PWM3 = P1^3;

sbit PWM4 = P1^4;

sbit PWM5 = P1^5;

sbit PWM6 = P3^4;

sbit PWM7 = P3^5;

sbit PWM8 = P3^6;

sbit PWM9 = P3^7;

sbit PWM10 = P2^0;

sbit PWM11 = P2^1;

sbit PWM12 = P2^2;

sbit PWM13 = P2^3;

sbit PWM14 = P2^4;

sbit PWM15 = P2^5;

sbit PWM16 = P2^6;

sbit PWM17 = P2^7;

//超声波测距

sfr T2MOD = 0XC9; //定时器2模式控制寄存器地址

sbit Trig =P3^2;

sbit Echo =P3^3;

unsigned intdistance;

uchar DZCS =0x11; //控制动作

uchar buf;

uchar sd=3;

bit flag=0; //是否发送字符

bit CSB =0; //超声波启动控制位

bit HZ=0; //后退后左转控制位

uchar PWMscan =0;

uchar PWMscan1 =0;

uchar PWMval[]={//初始姿态

0xf8，0x8f，0xf7，0x05，0xf9，0x8c，/*5*/ 0xfa，0x0d，0xf8，0x0b，0xf9，0x67，/*b*/ 0xfa，0xd4，0xf7，0x94，0xf9，0xcb，/*11*/

0xfa，0xad，0xfc，0xdd，0xfb，0x58，/*17*/ 0xfa，0xe9，0xfc，0xfc，0xfb，0x39，/*1d*/ 0xfc，0x18，0xfc，0xca，0xfb，0x00/*23*/

};

void delay(uint a)

{

uchar j;

for(a;a》0;a--)

for(j=0;j《112;j++)

;

}

void task00()

{

if(PWMscan==1) //第1路PWM。

{

PWM0=1;

TH0=PWMval[0];

TL0=PWMval[1];

}

else if(PWMscan==2) //第2路PWM。

{

PWM0=0;

PWM1=1;

TH0=PWMval[2];

TL0=PWMval[3];

}

else if(PWMscan==3) //第3路PWM。

{

PWM1=0;

PWM2=1;

TH0=PWMval[4];

TL0=PWMval[5];

}

else if(PWMscan==4) //第4路PWM。

{

PWM2=0;

PWM3=1;

TH0=PWMval[6];

TL0=PWMval[7];

}

else if(PWMscan==5) //第5路PWM。

{

PWM3=0;

PWM4=1;

TH0=PWMval[8];

TL0=PWMval[9];

}

else if(PWMscan==6) //第6路PWM。

{

PWM4=0;

PWM5=1;

TH0=PWMval[10];

TL0=PWMval[11];

}

else if(PWMscan==7) //第7路PWM。

{

PWM5=0;

PWM6=1;

TH0=PWMval[12];

TL0=PWMval[13];

}

else if(PWMscan==8) //第8路PWM。

{

PWM6=0;

PWM7=1;

TH0=PWMval[14];

TL0=PWMval[15];

}

else if(PWMscan==9) //第9路PWM。

{

PWM7=0;

PWM8=1;

TH0=PWMval[16];

TL0=PWMval[17];

}

else if(PWMscan==10) //给一定低电平，将周期拉长

{

PWM8=0;

TH0=0xFF;

TL0=0xd2;

PWMscan=0;

TR0 = 0; //关定时器0，开定时器1

TR1 = 1;

}

PWMscan++;

}

void task01()

{

if(PWMscan1==1) //第10路PWM。

{

PWM9=1;

TH1=PWMval[18];

TL1=PWMval[19];

}

else if(PWMscan1==2) //第11路PWM。

{

PWM9=0;

PWM10=1;

TH1=PWMval[20];

TL1=PWMval[21];

}

else if(PWMscan1==3) //第12路PWM。

{

PWM10=0;

PWM11=1;

TH1=PWMval[22];

TL1=PWMval[23];

}

else if(PWMscan1==4) //第13路PWM。

{

PWM11=0;

PWM12=1;

TH1=PWMval[24];

TL1=PWMval[25];

}

else if(PWMscan1==5) //第14路PWM。

{

PWM12=0;

PWM13=1;

TH1=PWMval[26];

TL1=PWMval[27];

}

else if(PWMscan1==6) //第15路PWM。

{

PWM13=0;

PWM14=1;

TH1=PWMval[28];

TL1=PWMval[29];

}

else if(PWMscan1==7) //第16路PWM。

{

PWM14=0;

PWM15=1;

TH1=PWMval[30];

TL1=PWMval[31];

}

else if(PWMscan1==8) //第17路PWM。

{

PWM15=0;

PWM16=1;

TH1=PWMval[32];

TL1=PWMval[33];

}

else if(PWMscan1==9) //第18路PWM。

{

PWM16=0;

PWM17=1;

TH1=PWMval[34];

TL1=PWMval[35];

}

else if(PWMscan1==10) //给一定低电平，将周期拉长

{

PWM17=0;

TH1=0xFf;//b1 //这是一个大概的值，由于每一组的PWMval的总和(PWMval中定时器的间隔的总和就是一个周期)不一致，

//所以会导致周期不一定是20ms，但大概可以控制在20ms左右，也是因为周期的不固定，所以才需要

TL1=0xd2;//e0 //调整每一个舵机的实际的占空比。

PWMscan1=0;

TR0 = 1;//开定时器0

TR1 = 0;//关定时器1

}

PWMscan1++;

}

void TImer0()interrupt 1

{

task00();//控制前9路PWM

}

void TImer1()interrupt 3

{

task01();//控制后9路PWM

}

在实际过程中，或许是由于舵机的质量问题，又或者是其他问题，舵机的角度控制总是难以运用原理上的公式来控制角度，都是实际操作，手动调整高电平的宽度，当达到合适的值的时候，然后再把相应的代码记录下来。

单片机的高电平宽度是通过定时器的两个寄存器控制的，所以操作舵机的转动就变成操作定时器的寄存器，再具体一点就是要得到TH、TL两个值。(定时器高低位的差值对应高电平的宽度)

在代码上，在控制第几路舵机的时候，TH、TL的值已经定死了为哪一个PWMval[?]，比如第18路：

TH1=PWMval[34];

TL1=PWMval[35];

这将决定此时第18路舵机的转动角度是多少，那么怎么控制下一次该舵机的转动角度呢?答案很简单，就是把PWMval[34];PWMval[35];的值修改一下就可以了，其他的舵机同样是这个道理。所以，机器人的一个姿态就可以变为这样：机器人姿态→18路舵机的角度→18个TH、TL的值→一个36个元素的数组PWMval的值。

所以，一个动作姿态就可以用这样一个函数来确定：

void DZ(ucharPWM[])//动作

{

uchar i;

for(i=0;i《36;i++)

PWMval[i]=PWM[i];

}

明白了这个之后，就是对每一个姿态收集数据了，在制作过程，我是把TH和TL的两个值显示在数码管上，然后记录下来的。

后面又加入了蓝牙控制模块，超声波测距，发现51单片机的定时器不太够用，改成了52系列的单片机，还一个定时器即用蓝牙模块，又用超声波测距，现在想来真佩服自己。给出控制代码，大家自行研究：

//***************************中断初始化**************************

void Init()

{

TMOD |= 0x11;//定时器0、1

ET0 = 1;//使能定时器0中断

TR0 = 1;//开启定时器0，定时器1中断在定时器0开始后才打开

ET1 = 1;//使能定时器1中断

IT1 = 0;//外部中断1，低电平触发 (边沿高变低)

EX1 = 1;//开外部中断1

//定时器2用于波特率的产生

SCON=0x50;

PCON=0x00;

RCAP2H=0xFF;

RCAP2L=0xDC;//设置波特率为9600

T2CON=0x34;//将定时器2设置为波特率发生器(接收和发送都用TImer2) //此处包括启动T2

ES=1; //串口中断

EA = 1;//开总中断

}

void TImer0()interrupt 1

{

task00();//控制前9路PWM

}

void timer1()interrupt 3

{

task01();//控制后9路PWM

}

void serial() interrupt 4

{

EA=0; //其余中断全停

if(RI)

{

RI=0; //清除串行接受标志位

flag=1;

buf=SBUF; //从串口缓冲区取得数据 (i-0x30)将ASCLL码转换成数字

switch(buf)

{

case 0x00： DZCS=0x00;break; //向前走

case 0x01： DZCS=0x01;break; //向后走

case 0x02： DZCS=0x02;break; //左转

case 0x03： DZCS=0x03;break; //右转

case 0x04： DZCS=0x04;break; //横着左

case 0x05： DZCS=0x05;break; //横着右

case 0x06： DZCS=0x06;break; //挥爪子

case 0x07： sd++;break; //减速，其实就是每个姿态中的延时不一样

case 0x08： sd--;break; //加速

case 0xff： CSB=!CSB;break; //启动关闭超声波壁障

default：

DZCS=0x11;break; //

}

}

EA = 1; //打开总中断

}

void start()// 超声波测距启动函数

{

uchar i;

Trig=1;

for(i=0;i《20;i++)

{

_nop_();

}

Trig=0;

}

void count()// 超声波测距函数

{

unsigned int time，timeH，timeL;

timeH=TH1;

timeL=TL1;

time=timeH*256+timeL;

distance=time*1.7/100;

}

void Inter()interrupt 2//外部中断1在次完成测距以及相应的后续操作

{

EA =0;

ET0=0; //关定时器中断0

TH1=0;

TL1=0;

TR1 =1; //检测到距离开启定时器1

while(!Echo); //当echo为零时等待，中断flag跳出等待

TR1 =0; //关闭定时器1

count(); //计算距离

if(((10《distance)&&(distance《30))||HZ) //当距离小于5cm时，变换动作哦(在中断中变换平面感应

{

DZCS=0x02; //向左

HZ=0;

}

if(distance《10) //当距离小于10cm时，变换动作哦(在中断中变换曲面感应

{

DZCS=0x01; //后退

HZ=1; //后退后左转标志

}

if(distance》30) //当距离小于40cm时，变换动作哦(在中断中变换

{

DZCS=0x00; //向前

HZ=0;

}

TR1=1;

ET0=1;

EA = 1;

}

void main()

{

Init();

while(1)

{

uchar DZCST;//，i;

if(CSB)

start();

if(DZCST!=DZCS)//动作发生改变，则回到平衡

DZ(PH1);

if(sd==0)

sd=1;

switch(DZCS)

{

case0x00:DZXQ(sd);break;

case0x01:DZXH(sd);break;

case0x02:DZXZ(sd);break;

case0x03:DZXY(sd);break;

case0x04:DZHZZ(sd);break;

case0x05:DZHZY(sd);break;

case0x06:DZZZ(sd);break;

default：

DZ(PH1);

}

DZCST=DZCS;

}

}