【摘要】機器人通常采用舵機作為關(guān)節(jié)連接件，本文提出了一種基于stc單片機的通用多關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)，以stc單片機和uart串行通信接口等部分構(gòu)成硬件系統(tǒng)，用C語言開發(fā)了機器人串口調(diào)試軟件及綜合控制軟件，結(jié)合PID算法控制雙足機器人完成前后行走，翻跟頭。

【關(guān)鍵詞】STC單片機;串口通信;PID算法

1.系統(tǒng)整體設(shè)計

本設(shè)計的機器人系統(tǒng)由控制中心（MCU）模塊、舵機驅(qū)動模塊、電源管理模塊、UART串口模塊、超聲波傳感器模塊等構(gòu)成，整個系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 主芯片選擇

STC12C5410AD單片機是增強型8051單片機，單時鐘/機器周期，工作電壓5.5V一3.5V，工作頻率范圍0～35MHz，512字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，10K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲器，ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），可通過串口直接下載程序，EEPROM功能，6個16位定時/計數(shù)器，PWM（4路）/PCA（可編程計數(shù)器陣列，4路），8路10位A/D轉(zhuǎn)換，SPI同步通信口。

2.2 舵機驅(qū)動模塊

由于舵機的響應(yīng)時間對機器人控制平衡很重要，為了實現(xiàn)其快速響應(yīng)，將舵機的工作電壓提高到+6V。為了減小此時間常數(shù)，還可以通過改變舵機的安裝位置，加長力臂可以實現(xiàn)提高舵機的響應(yīng)速度。舵機的輸出轉(zhuǎn)角大小與給定的PWM信號值成線性關(guān)系，以PWM信號為系統(tǒng)輸入信號，改變PWM的占空比，實現(xiàn)舵機控制。

2.3 電源管理模塊

電源管理芯片的好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從整個系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠的角度出發(fā)，選擇了一款低壓差芯片TPS7350，該芯片最具特色的優(yōu)點是當輸出電流為100mA時，最大壓差只有35mV，只需很少的外圍器件就能滿足應(yīng)用要求。此外，充分使用該芯片的復(fù)位功能，減少了芯片的使用量，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了減小系統(tǒng)運行過程中由于電機紋波對電源的干擾，特設(shè)計了大電容與大電感組成的電容容量為1410uF的LC濾波電路，對引入電源管理芯片的電源進行濾波，保證電源芯片的正常工作電壓。

2.4 超聲波傳感器檢測電路

超聲波傳感器電路主要是實現(xiàn)測距的功能。主要由超聲波發(fā)射電路和接收電路兩部分組成。

超聲波接收電路主要使用集成電路CX20106A，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波（無信號時輸出高電平），具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力，具體見圖3。CX20106A的第5腳的電阻決定接收的中心頻率，220kΩ的電阻決定了接收的中心頻率為40kHz。當CX20106A接收到40kHz的信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入。

3.控制系統(tǒng)設(shè)計

要實現(xiàn)機器人所完成各種動作需要用到多舵機分時控制原理。具體的，給每個舵機定義一個角度所對應(yīng)的脈寬變量，并賦予初始值為舵機的中間角度。還要給定時器設(shè)定初值既是舵機PWM波脈寬初值。當每次定時器時間到產(chǎn)生溢出中斷，進入中斷服務(wù)子程序后，首先把所有的舵機控制輸出口拉低清零，再給某一位置高，并給賦予PWM脈寬的定時時間。最后移位使下次進入中斷時給下一位置高，相當于是將時間片傳遞給了下一個舵機驅(qū)動。其原理如圖2所示。

根據(jù)經(jīng)驗舵機在運行過程中要從電源吸納較大的電流，若舵機與單片機控制器共用一個電源，則舵機會對單片機產(chǎn)生較大的干擾。因此，舵機與單片機控制器采用兩個電源供電，兩者不共地，通過光耦來隔離，并且給舵機供電的電源最好采用輸出功率較大的開關(guān)電源。該舵機控制器占用單片機的個SCI串口。串口用于接收上位機傳送過來的控制命令，以調(diào)節(jié)每一個通道輸出信號的脈沖寬度。MAX232為電平轉(zhuǎn)換器，將上位機的RS232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。

圖2 舵機分時控制原理

4.系統(tǒng)軟件編程與仿真

本系統(tǒng)需設(shè)計完成的軟件包括：機器人串口調(diào)試上、下位機軟件和機器人獨立運行軟件;單片機下位機軟件。

機器人的單片機運行程序是包含有舵機的控制、完成各種動作的腳本程序、兩個主動輪直流電機的驅(qū)動程序，還有一些基本的延時、初始化設(shè)置等程序。由于程序包含的內(nèi)容較多，為了方便程序的組織，將各個功能模塊分別做成一個獨立的C程序，由主程序的頭文件包含其他所有要用到的C程序的頭文件，來調(diào)用其他C文件中的一些功能函數(shù)。程序這樣設(shè)計比較方便將各個功能進行移植。通過在頭文件中對各個端口物理地址的宏定義，在其C文件中實現(xiàn)了與物理地址的分離。當物理地址發(fā)生變化時，只需修改頭文件中的宏定義即可。

5.總結(jié)

整個硬件系統(tǒng)成本低廉，由于可以無線與電腦通信，具有良好的二次開發(fā)接口。在此硬件基礎(chǔ)上搭建的雙足步行機器人，具有避障、測距、發(fā)音、語音識別、并和電腦具有無線通信的功能，具有好的展示效果和學(xué)習(xí)效果。

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