基于STC12C5A60S2单片机窄足的小机器人

此款窄足竟步机器人为四自由度机器人，以STC12C5A60S2为控制芯片，以RDS3115MG作为运动舵机，以灰度寻线传感器作为检测器件，以航模电池作为能源动力。文章首先从机器人整体系统出发，制定了总体设计方案，再根据总体方案进行了关键器件的选型，最后完成了各部分机构的详细设计工作。经过硬件设计、组装，软件设计、编写，整体调试，最终实现窄足竟步机器人的功能。

【关键词】窄足竟步机器人；STC12C5A60S2；角度调整算法

1 硬件设计

1.1 控制模块设计

STC12C5A60S2

STC12C5A60S2单片机属于增强型51，他兼容传统的51单片机，但是它与传统51相比，在速度性能与资源方面都有了很大的提升。在众多的51系列单片机中，要算国内STC 公司的1T增强系列更具有竞争力，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASHROM，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。

1.2 电路设计

稳压板上的主要部件LM2596：

LM2596系列是德州仪器（TI）生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。提供的有：3.3V、5V、12V及可调（-ADJ）等多个电压档次产品。

1.3 寻迹模块设计

灰度传感器的工作原理：

利用物体不同的反光率，从而改变光敏电阻的阻值而引起其两端电压的变化，实现信号的产生或改变。大多作为机器人的传感器，比如巡迹小车就是使用灰度传感器 作为信号输入。灰度传感器在巡迹小车上的应用，巡迹小车是利用跑道上绿白之间的色差实现灰度传感器输入不同的信号到单片机。

红外传感器的工作原理：

由于比赛要求绕过障碍物，小组成员决定选用红外传感器，红外传感器具有如下性质与优点：

利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。

1.4 运动模块设计设计

根据所学知识，及生活中的经验，机器人主体结构设计适合采用4舵机结构，相对6舵机结构重心低，行走快捷稳健，足形状采用交叉足。此款双足竟步机器人选用交叉足，为了保持稳定性。我们选择在双脚出安放铝板，为了增加重量和是机器人稳定运行。

2 软件设计

交叉足机器人有四个自由度，采用四个舵机通过设定其角度来完成直行，左偏，右偏，转弯等动作。

2.1 舵机的角度控制

舵机有三根线，分别是电源线、地线和信号线，电源与地之间为6V的电压，信号线为PWM输入来控制舵机的角度。

比如我们选择一个单片机的引脚，通过设置定时器让其产生1.5MS的高电平，然后再产生18.5MS的低电平的20MS的周期信号，那么舵机就会转到90度角度了，高电平时间0.5MS到2.5MS之间不同的信号对应不同的角度。

对于如何更好的产生PWM信号来精确地控制的舵机旋转的角度，这里我们采用了一种新的更加高效的方法。传统的方法为在定时器中断函数中设定变量来计时执行函数，这样不容易实现精确的时间控制，自然舵机的角度就不能实现精确地控制。在设计的工程中，我们利用TH0和TH1寄存器，如果系统的晶振为12M，那么TH0自增或者自减1就是精确的1us。

2.2 舵机的速度控制

在整个动作中，如果不对舵机的速度进行控制，那么走起来就会很抖，很不稳定，所以有必要来对舵机的速度进行控制使之既能稳定又能快速的完成动作目标。但是舵机本身速度不能通过硬件控制，所以只能通过软件来进行控制。

对舵机的速度，我们采用差补法来进行控制，设定舵机的起始角度和终止角度分别为point_aim和point_now，将角度差通过分成更小的角度来完成，便可以达到减速的效果。

2.3 动作分析

机器人要完成动作分为直走，左偏，右偏，左转弯四大动作，都是靠四个舵机的角度的转换来完成的，我们将机器人分为上下两部分，上面为左腰右腰，下面为左脚右脚，机器人的每个动作我们可以用动作组来完成，每行动作组就是机器人的一个状态，以微秒为单位，那么四个舵机中值点分别是1520、1500、1460、1470，增大数值则舵机就会逆时针旋转一个角度，反之顺时针。

进行算法调整的重要性，由于每次开始左旋转的位置方向都能保证每次都一样，那么这样的一个系统随机性就会很大，跑偏的可能性就会很大，因此经小组讨论后决定化随机为确定，每次转过黑线后都会踩到黑线。调整算法需要靠A灰度传感器来完成，抬起的角度使灰度传感器可以检测到黑白线，然后右脚进行右偏，使会灰度传感器偏离黑色区域，即达到安全区域，为了避免转出之后机身前进的方向偏左，需要进行两侧角度调整，这样一来，每次调整的最后都会使机身朝向正前方，回到之前转弯之前，使用角度调整从一定程度上那个提高了系统的穩定性。

参考文献

[1]聂荣等.实例解析PCB设计技巧[M].北京：机械工业出版社，2006[2]竞赛秘书处，电磁组竞赛车模路径检测设计参考方案（版本1.0）.2010（01）.

[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1998.

作者简介

姜云鹏（1995-），男，大学本科学历。山东省烟台市海阳市人。就读于山东科技大学。研究方向为电气工程及其自动化。

李振民（1995）男，山东省临沂市郯城县人，本科学历。就读于山东科技大学。研究方向为机械设计制造及其自动化。

作者单位

山东科技大学 山东省青岛市 266590