基於51微控制器的六足仿生機器人
大三上學期的期末設計,全程全手工DIY,歷時一個月，時間主要花在機器人步態的調整，為了讓機器人走得好一點，花了不少功夫,給出設計方案，僅供參考
先來看看視訊效果:連結：http://pan.baidu.com/s/1eR2d1Fc 密碼：8o8h
機器有點簡陋，當時是想要把電池做在機器人裡面的，無奈當初經費有限(100塊，買舵機就花了90多)，買的舵機不給力，加上電池後太重，機器站不起來，所以就有了視訊中連著兩條電線。
一、整體框架：
（1）設計功能：
①能完成多方向行走以及其他的自定義的動作。（前進，後撤，左右轉，避障）；
②可自動避障；
③通過手機藍芽下令他的下一步動作。
（2）功能框架：
（3）使用器材：
①STC89C52微控制器、74LS04（反相器）；
②藍芽串列埠通訊模組；
③超聲波測距模組；
④9G舵機18個；
⑤PVC線槽若干（模具）；
⑥PCB轉印板；
⑦螺絲螺母若干。
⑦keil3軟體
二、工作原理：
（1）藍芽串列埠通訊模組：
藍芽串列埠通訊模組接收手機藍芽軟體傳送字串訊號，微控制器通過串列埠通訊協議處理藍芽模組接收到的資訊，再根據資訊的內容來判斷機器人將進行的下一步行動。
（2）超聲波測距模組：
超聲波模組向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時（傳出低電平），超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時（回到高電平），根據低電平的長短來計算測量距離。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即:s=340t/2)
（3）舵機控制：
控制電路板接受來自訊號線的控制訊號，控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減速後傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓訊號到控制電路板，進行反饋，然後控制電路板根據所在位置決定電機轉動的方向和速度，從而達到目標停止。舵機的控制訊號週期為20MS的脈寬調製（PWM）訊號，其中脈衝寬度從0.5-2.5MS,相對應的舵盤位置為0－180度，呈線性變化。也就是說，給他提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持一定對應角度上，無論外界轉矩怎麼改變，直到給它提供一個另外寬度的脈衝訊號，它才會改變輸出角度到新的對應位置上。
在我們的作品中，18路舵機分成2組，分別用一個內部定時器來控制，產生對應舵機的PWM訊號（首先定時器1生成第一個舵機的脈寬，再生成第二個舵機的，到第9個舵機為止，然後定時器2以同樣方式生成剩餘的9個舵機的PWM訊號，以此往復）。
三、製作過程：
（1）模擬原理圖：
（2）PCB製作：
（3）硬體搭建：
<a>肢體制作：
材料：PVC線槽，PVC板
①模型製作：(純手工割出來的)
②舵機改造：
③整體：
四、除錯以及問題解決：
①結構問題：
我們認為，整體的外形結構是決定作品成敗的關鍵。經過多種材料的試驗，最終我們選擇了容易裁剪、硬度基本滿足的PVC線槽來改裝拼接肢體，軀體使用更厚的塑料板。經歷一週的純手工加工改造後，完成了整個模型的製作。
②供電問題：
由於我們使用的是9G舵機，效能較差，扭力不夠，無法支撐起我們設計的電源與穩壓模組，最後放棄了內嵌的電源，使用實驗室的可調電源箱通過電線來供電，無法獨立開來也是我們的唯一遺憾。
③機器抖動問題
由於89C52只有6個內部中斷，遠遠無法滿足18個舵機的控制，並且其他功能模組也要使用到內部中斷。所以我們將18路舵機分成了2組，初始時一個接一個舵機(每個舵機20ms週期)來發送PWM，但這也產生了傳送一次18路PWM的總週期長度太大（18*20=360ms），足以產生被人眼所察覺的抖動。經過反覆研究，讓當前舵機的PWM訊號在上一個PWM訊號的低電平處開始產生高電平（在上一個PWM的高電平結束後）如下圖，大大縮短了18路舵機一次動作的總週期長度（經過18路後，總週期長度為一個PWM的週期長度約20ms）,使抖動無法被人眼所觀察。
程式碼挺多，給出主要的舵機控制程式碼，程式碼看不懂沒關係，後面有解釋：
#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;
//超聲波測距
sfr T2MOD = 0XC9; //定時器2模式控制暫存器地址
sbit Trig =P3^2;
sbit Echo =P3^3;
unsigned intdistance;
uchar DZCS =0x11; //控制動作
uchar buf;
uchar sd=3;
bit flag=0; //是否傳送字元
bit CSB =0; //超聲波啟動控制位
bit HZ=0; //後退後左轉控制位
uchar PWMscan =0;
uchar PWMscan1 =0;
uchar PWMval[]={//初始姿態
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) //給一定低電平，將週期拉長
{
PWM8=0;
TH0=0xFF;
TL0=0xd2;
PWMscan=0;
TR0 = 0; //關定時器0，開定時器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) //給一定低電平，將週期拉長
{
PWM17=0;
TH1=0xFf;//b1//這是一個大概的值,由於每一組的PWMval的總和(PWMval中定時器的間隔的總和就是一個週期)不一致，
//所以會導致週期不一定是20ms，但大概可以控制在20ms左右，也是因為週期的不固定，所以才需要
TL1=0xd2;//e0//調整每一個舵機的實際的佔空比。
PWMscan1=0;
TR0 = 1;//開定時器0
TR1 = 0;//關定時器1
}
PWMscan1++;
}
void timer0()interrupt 1
{
task00();//控制前9路PWM
}
void timer1()interrupt 3
{
task01();//控制後9路PWM
}
在實際過程中，或許是由於舵機的質量問題，又或者是其他問題，舵機的角度控制總是難以運用原理上的公式來控制角度，都是實際操作，手動調整高電平的寬度，當達到合適的值的時候，然後再把相應的程式碼記錄下來。
微控制器的高電平寬度是通過定時器的兩個暫存器控制的，所以操作舵機的轉動就變成操作定時器的暫存器，再具體一點就是要得到TH、TL兩個值。(定時器高低位的差值對應高電平的寬度)
在程式碼上，在控制第幾路舵機的時候，TH、TL的值已經定死了為哪一個PWMval[?]，比如第18路：
TH1=PWMval[34];
TL1=PWMval[35];
這將決定此時第18路舵機的轉動角度是多少,那麼怎麼控制下一次該舵機的轉動角度呢？答案很簡單，就是把PWMval[34];PWMval[35];的值修改一下就可以了，其他的舵機同樣是這個道理。所以，機器人的一個姿態就可以變為這樣：機器人姿態→18路舵機的角度→18個TH、TL的值→一個36個元素的陣列PWMval的值。所以，一個動作姿態就可以用這樣一個函式來確定：
void DZ(ucharPWM[])//動作
{
uchar i;
for(i=0;i<36;i++)
PWMval[i]=PWM[i];
}
明白了這個之後，就是對每一個姿態收集資料了，在製作過程，我是把TH和TL的兩個值顯示在數碼管上，然後記錄下來的。
後面又加入了藍芽控制模組，超聲波測距，發現51微控制器的定時器不太夠用，改成了52系列的微控制器，還一個定時器即用藍芽模組，又用超聲波測距，現在想來真佩服自己。給出控制程式碼，大家自行研究:
//***************************中斷初始化**************************
void Init()
{
TMOD |= 0x11;//定時器0、1
ET0 = 1;//使能定時器0中斷
TR0 = 1;//開啟定時器0,定時器1中斷在定時器0開始後才打開
ET1 = 1;//使能定時器1中斷
IT1 = 0;//外部中斷1，低電平觸發 (邊沿高變低)
EX1 = 1;//開外部中斷1
//定時器2用於波特率的產生
SCON=0x50;
PCON=0x00;
RCAP2H=0xFF;
RCAP2L=0xDC;//設定波特率為9600
T2CON=0x34;//將定時器2設定為波特率發生器(接收和傳送都用Timer2) //此處包括啟動T2
ES=1; //串列埠中斷
EA = 1;//開總中斷
}
void timer0()interrupt 1
{
task00();//控制前9路PWM
}
void timer1()interrupt 3
{
task01();//控制後9路PWM
}
void serial() interrupt 4
{
EA=0; //其餘中斷全停
if(RI)
{
RI=0; //清除序列接受標誌位
flag=1;
buf=SBUF; //從串列埠緩衝區取得資料 (i-0x30)將ASCLL碼轉換成數字
switch(buf)
{
case 0x00: DZCS=0x00;break; //向前走
case 0x01: DZCS=0x01;break; //向後走
case 0x02: DZCS=0x02;break; //左轉
case 0x03: DZCS=0x03;break; //右轉
case 0x04: DZCS=0x04;break; //橫著左
case 0x05: DZCS=0x05;break; //橫著右
case 0x06: DZCS=0x06;break; //揮爪子
case 0x07: sd++;break; //減速,其實就是每個姿態中的延時不一樣
case 0x08: sd--;break; //加速
case 0xff: CSB=!CSB;break; //啟動關閉超聲波壁障
default:
DZCS=0x11;break; //
}
}
EA = 1; //開啟總中斷
}
void start()// 超聲波測距啟動函式
{
uchar i;
Trig=1;
for(i=0;i<20;i++)
{
_nop_();
}
Trig=0;
}
void count()// 超聲波測距函式
{
unsigned int time,timeH,timeL;
timeH=TH1;
timeL=TL1;
time=timeH*256+timeL;
distance=time*1.7/100;
}
void Inter()interrupt 2//外部中斷1在次完成測距以及相應的後續操作
{
EA =0;
ET0=0; //關定時器中斷0
TH1=0;
TL1=0;
TR1 =1; //檢測到距離開啟定時器1
while(!Echo); //當echo為零時等待，中斷flag跳出等待
TR1 =0; //關閉定時器1
count(); //計算距離
if(((10<distance)&&(distance<30))||HZ) //當距離小於5cm時，變換動作哦（在中斷中變換平面感應
{
DZCS=0x02; //向左
HZ=0;
}
if(distance<10) //當距離小於10cm時，變換動作哦（在中斷中變換曲面感應
{
DZCS=0x01; //後退
HZ=1; //後退後左轉標誌
}
if(distance>30) //當距離小於40cm時，變換動作哦（在中斷中變換
{
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)//動作發生改變，則回到平衡
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;
}
}