基于51單片機(jī)的六足仿生機(jī)器人

一、整體框架：

(1)設(shè)計(jì)功能：

①能完成多方向行走以及其他的自定義的動(dòng)作。(前進(jìn)，后撤，左右轉(zhuǎn)，避障);

②可自動(dòng)避障;

③通過手機(jī)藍(lán)牙下令他的下一步動(dòng)作。

(2)功能框架：

(3)使用器材：

①STC89C52單片機(jī)、74LS04(反相器);

②藍(lán)牙串口通信模塊;

③超聲波測(cè)距模塊;

④9G舵機(jī)18個(gè);

⑤PVC線槽若干(模具);

⑥PCB轉(zhuǎn)印板;

⑦螺絲螺母若干。

⑦keil3軟件

二、工作原理：

(1)藍(lán)牙串口通訊模塊：

藍(lán)牙串口通訊模塊接收手機(jī)藍(lán)牙軟件發(fā)送字符串信號(hào)，單片機(jī)通過串口通訊協(xié)議處理藍(lán)牙模塊接收到的信息，再根據(jù)信息的內(nèi)容來判斷機(jī)器人將進(jìn)行的下一步行動(dòng)。

(2)超聲波測(cè)距模塊：

超聲波模塊向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)(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(jì)時(shí)(回到高電平)，根據(jù)低電平的長短來計(jì)算測(cè)量距離。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2)

(3)舵機(jī)控制：

控制電路板接受來自信號(hào)線的控制信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。舵機(jī)的控制信號(hào)周期為20MS的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5-2.5MS，相對(duì)應(yīng)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(huì)保持一定對(duì)應(yīng)角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎么改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)位置上。

在我們的作品中，18路舵機(jī)分成2組，分別用一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器來控制，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)舵機(jī)的PWM信號(hào)(首先定時(shí)器1生成第一個(gè)舵機(jī)的脈寬，再生成第二個(gè)舵機(jī)的，到第9個(gè)舵機(jī)為止，然后定時(shí)器2以同樣方式生成剩余的9個(gè)舵機(jī)的PWM信號(hào)，以此往復(fù))。

三、制作過程：

(1)仿真原理圖：

(2)PCB制作：

(3)硬件搭建：

《a》肢體制作：

材料：PVC線槽，PVC板

①模型制作：(純手工割出來的)

②舵機(jī)改造：

③整體：

四、調(diào)試以及問題解決：

①結(jié)構(gòu)問題：

我們認(rèn)為，整體的外形結(jié)構(gòu)是決定作品成敗的關(guān)鍵。經(jīng)過多種材料的試驗(yàn)，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(jīng)歷一周的純手工加工改造后，完成了整個(gè)模型的制作。

②供電問題：

由于我們使用的是9G舵機(jī)，性能較差，扭力不夠，無法支撐起我們?cè)O(shè)計(jì)的電源與穩(wěn)壓模塊，最后放棄了內(nèi)嵌的電源，使用實(shí)驗(yàn)室的可調(diào)電源箱通過電線來供電，無法獨(dú)立開來也是我們的唯一遺憾。

③機(jī)器抖動(dòng)問題

由于89C52只有6個(gè)內(nèi)部中斷，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足18個(gè)舵機(jī)的控制，并且其他功能模塊也要使用到內(nèi)部中斷。所以我們將18路舵機(jī)分成了2組，初始時(shí)一個(gè)接一個(gè)舵機(jī)(每個(gè)舵機(jī)20ms周期)來發(fā)送PWM，但這也產(chǎn)生了發(fā)送一次18路PWM的總周期長度太大(18*20=360ms)，足以產(chǎn)生被人眼所察覺的抖動(dòng)。經(jīng)過反復(fù)研究，讓當(dāng)前舵機(jī)的PWM信號(hào)在上一個(gè)PWM信號(hào)的低電平處開始產(chǎn)生高電平(在上一個(gè)PWM的高電平結(jié)束后)如下圖，大大縮短了18路舵機(jī)一次動(dòng)作的總周期長度(經(jīng)過18路后，總周期長度為一個(gè)PWM的周期長度約20ms)，使抖動(dòng)無法被人眼所觀察。

代碼挺多，給出主要的舵機(jī)控制代碼，代碼看不懂沒關(guān)系，后面有解釋：

#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(cè)距

sfr T2MOD = 0XC9; //定時(shí)器2模式控制寄存器地址

sbit Trig =P3^2;

sbit Echo =P3^3;

unsigned intdistance;

uchar DZCS =0x11; //控制動(dòng)作

uchar buf;

uchar sd=3;

bit flag=0; //是否發(fā)送字符

bit CSB =0; //超聲波啟動(dòng)控制位

bit HZ=0; //后退后左轉(zhuǎn)控制位

uchar PWMscan =0;

uchar PWMscan1 =0;

uchar PWMval[]={//初始姿態(tài)

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，將周期拉長

{

PWM8=0;

TH0=0xFF;

TL0=0xd2;

PWMscan=0;

TR0 = 0; //關(guān)定時(shí)器0，開定時(shí)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，將周期拉長

{

PWM17=0;

TH1=0xFf;//b1 //這是一個(gè)大概的值，由于每一組的PWMval的總和(PWMval中定時(shí)器的間隔的總和就是一個(gè)周期)不一致，

//所以會(huì)導(dǎo)致周期不一定是20ms，但大概可以控制在20ms左右，也是因?yàn)橹芷诘牟还潭ǎ圆判枰?/p>

TL1=0xd2;//e0 //調(diào)整每一個(gè)舵機(jī)的實(shí)際的占空比。

PWMscan1=0;

TR0 = 1;//開定時(shí)器0

TR1 = 0;//關(guān)定時(shí)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

}

在實(shí)際過程中，或許是由于舵機(jī)的質(zhì)量問題，又或者是其他問題，舵機(jī)的角度控制總是難以運(yùn)用原理上的公式來控制角度，都是實(shí)際操作，手動(dòng)調(diào)整高電平的寬度，當(dāng)達(dá)到合適的值的時(shí)候，然后再把相應(yīng)的代碼記錄下來。

單片機(jī)的高電平寬度是通過定時(shí)器的兩個(gè)寄存器控制的，所以操作舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)就變成操作定時(shí)器的寄存器，再具體一點(diǎn)就是要得到TH、TL兩個(gè)值。(定時(shí)器高低位的差值對(duì)應(yīng)高電平的寬度)

在代碼上，在控制第幾路舵機(jī)的時(shí)候，TH、TL的值已經(jīng)定死了為哪一個(gè)PWMval[?]，比如第18路：

TH1=PWMval[34];

TL1=PWMval[35];

這將決定此時(shí)第18路舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是多少，那么怎么控制下一次該舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)同樣是這個(gè)道理。所以，機(jī)器人的一個(gè)姿態(tài)就可以變?yōu)檫@樣：機(jī)器人姿態(tài)→18路舵機(jī)的角度→18個(gè)TH、TL的值→一個(gè)36個(gè)元素的數(shù)組PWMval的值。

所以，一個(gè)動(dòng)作姿態(tài)就可以用這樣一個(gè)函數(shù)來確定：

void DZ(ucharPWM[])//動(dòng)作

{

uchar i;

for(i=0;i《36;i++)

PWMval[i]=PWM[i];

}

明白了這個(gè)之后，就是對(duì)每一個(gè)姿態(tài)收集數(shù)據(jù)了，在制作過程，我是把TH和TL的兩個(gè)值顯示在數(shù)碼管上，然后記錄下來的。

后面又加入了藍(lán)牙控制模塊，超聲波測(cè)距，發(fā)現(xiàn)51單片機(jī)的定時(shí)器不太夠用，改成了52系列的單片機(jī)，還一個(gè)定時(shí)器即用藍(lán)牙模塊，又用超聲波測(cè)距，現(xiàn)在想來真佩服自己。給出控制代碼，大家自行研究：

//***************************中斷初始化**************************

void Init()

{

TMOD |= 0x11;//定時(shí)器0、1

ET0 = 1;//使能定時(shí)器0中斷

TR0 = 1;//開啟定時(shí)器0，定時(shí)器1中斷在定時(shí)器0開始后才打開

ET1 = 1;//使能定時(shí)器1中斷

IT1 = 0;//外部中斷1，低電平觸發(fā) (邊沿高變低)

EX1 = 1;//開外部中斷1

//定時(shí)器2用于波特率的產(chǎn)生

SCON=0x50;

PCON=0x00;

RCAP2H=0xFF;

RCAP2L=0xDC;//設(shè)置波特率為9600

T2CON=0x34;//將定時(shí)器2設(shè)置為波特率發(fā)生器(接收和發(fā)送都用TImer2) //此處包括啟動(dòng)T2

ES=1; //串口中斷

EA = 1;//開總中斷

}

void TImer0()interrupt 1

{

task00();//控制前9路PWM

}

void timer1()interrupt 3

{

task01();//控制后9路PWM

}

void serial() interrupt 4

{

EA=0; //其余中斷全停

if(RI)

{

RI=0; //清除串行接受標(biāo)志位

flag=1;

buf=SBUF; //從串口緩沖區(qū)取得數(shù)據(jù) (i-0x30)將ASCLL碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字

switch(buf)

{

case 0x00： DZCS=0x00;break; //向前走

case 0x01： DZCS=0x01;break; //向后走

case 0x02： DZCS=0x02;break; //左轉(zhuǎn)

case 0x03： DZCS=0x03;break; //右轉(zhuǎn)

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(shí)就是每個(gè)姿態(tài)中的延時(shí)不一樣

case 0x08： sd--;break; //加速

case 0xff： CSB=!CSB;break; //啟動(dòng)關(guān)閉超聲波壁障

default：

DZCS=0x11;break; //

}

}

EA = 1; //打開總中斷

}

void start()// 超聲波測(cè)距啟動(dòng)函數(shù)

{

uchar i;

Trig=1;

for(i=0;i《20;i++)

{

_nop_();

}

Trig=0;

}

void count()// 超聲波測(cè)距函數(shù)

{

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(cè)距以及相應(yīng)的后續(xù)操作

{

EA =0;

ET0=0; //關(guān)定時(shí)器中斷0

TH1=0;

TL1=0;

TR1 =1; //檢測(cè)到距離開啟定時(shí)器1

while(!Echo); //當(dāng)echo為零時(shí)等待，中斷flag跳出等待

TR1 =0; //關(guān)閉定時(shí)器1

count(); //計(jì)算距離

if(((10《distance)(distance《30))||HZ) //當(dāng)距離小于5cm時(shí)，變換動(dòng)作哦(在中斷中變換平面感應(yīng)

{

DZCS=0x02; //向左

HZ=0;

}

if(distance《10) //當(dāng)距離小于10cm時(shí)，變換動(dòng)作哦(在中斷中變換曲面感應(yīng)

{

DZCS=0x01; //后退

HZ=1; //后退后左轉(zhuǎn)標(biāo)志

}

if(distance》30) //當(dāng)距離小于40cm時(shí)，變換動(dòng)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(dòng)作發(fā)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;

}

}

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