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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;
}
【基于51单片机的六足仿生机器人】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;
}
}

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