基于STC12C5A的双足机器人设计

陈长菊 曾星 陈忠

摘要：本文介绍了一种双足机器人设计方法，采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。该系统由单片机最小系统、稳压驱动模块、舵机模块、传感器模块等模块构成，机器人通过面阵CCD光电传感器模块和光电开关采集数据，经过主控芯片处理数据来进行路况判断，由单片机调整pwm波占空比改变舵机的运动状态，从而达到控制机器人运动状态的目的。传感器的加入使系统具有良好的鲁棒性。通过光电管检测遇到的障碍物，然后进行转弯，避免撞上障碍物。

关键词：STC12；舵机；面阵；CCD；光电管

1 引言

随着社会的发展、生产力的提高，机器人与自动化技术越来越成为热门的研究领域。在机器人的移动方式中，如果选择步行，那么在运动过程中还要考虑机器人是否会跌倒，所以双足步行机器人几乎是最难设计的。本文接下来将会介绍一种简单的双足机器人设计，该机器人可以根据路况调整自己的运动方向、运动速度等。

2 系统方案论证

从控制器模块、舵机模块、电源模块、传感器模块和避障模块5个方面进行系统论证。

2.1 控制器模块的论证和选择

方案1：采用STC89C51作为系统控制器。它的技术成熟，成本低。STC89C51为八位单片机，数据转换速度慢，且实时性不好，难以实时实现复杂的控制算法，不利于高精度的控制。

方案2：采用Freescale最新一系列32为单片机，MKL26Z256VLL4具有丰富的外设资源和优异的处理性能。它由标准片上外围设备组成，Cortex-M0+内核，256KB的Flash存储器、32KB的RAM、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口，DMA模块，TPM、LPTM定时器模块，一组6通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8通道10路模数转换器、6通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29路独立的数字I/O接口、20路带中断和唤醒功能的数字I/O接口、5个增强型CAN总线接口，单片机内的锁相环电路可使性能和能耗适应具体操作的需要。

方案3：STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒），针对电机控制，强干扰场合，此芯片便于运用，功能能够满足双足机器人功能的实现，且其相较于MKL26Z256VLL4成本较低。

综上，该系统需要独立的脉宽调制模块，出于对系统高效、节能等方面的考虑选择方案3。

2.2 舵机论证与选择

方案1：采用DS3115舵机，扭矩15kg/cm，工作电压4.8V-7.2V，重量较轻。

方案2：采用SG90舵机，扭矩较小，但重量仅为9g，利于机器人的行走灵敏。

综上，考虑到机器人整体的重量，扭矩过小无法承受将近1kg的机器人，所以选择有较大扭矩的DS3115舵机更为可行，选择方案1。

2.3 电源模块论证与选择

方案1、采用开关电源供电，其优点是能够提供稳定的5V电压，但是占用资源过大，且要求独立的系统供电。

方案2、采用8V独立电源进行供电，通过稳压芯片AMS1117-5将8V电源电压转变成5V提供给舵机和单片机等芯片。

综上，方案2符合制作要求，多路分别供电，更易控制，选择方案2。

2.4 传感器模块论证与选择

方案1、灰度传感器。通过灰度传感器检测地面环境。灰度传感器是模拟传感器，有一只发光二级管和一只光敏电阻，安装在同一面上，灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同的原理进行颜色辨别，从而控制机器人的运动。

方案2、通过面阵CCD光电传感器采集地面信息，使机器人安全行走。面阵CCD光电传感器按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到地面某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值。从而控制机器人的运动。

综上，由于地面环境错综复杂，灰度传感器判断范围过小，无法准确判断复杂情况，而面阵CCD光電传感器能够检测一大片区域，检测结果更加准确也更加稳定。为实现良好的准确性和稳定性.选择方案2。

2.5 避障模块论证与选择

方案1、采用HC-SR04超声波模块，该模块可提供2cm-100cm的非接触式距离检测功能，测距精度可达高到3mm.但是程序比方案2复杂。

方案2、把一只光电开关装在双足机器人的足上，安装简易，程序控制简单，可以检测到障碍物的存在，通过对障碍物的检测来确定是否转向躲避障碍物。

综上，光电开关可以满足设计需求，超声波模块价格过于昂贵且编程复杂，所以选择方案2。

3 系统设计

双足机器人的结构是所有部件的载体也是设计双足机器人的最基本的和首要的工作。它必须能够具有像人一样前进、转弯、避障等基本功能，因此自由度的配置必须合理。

首先分析双足机器人的运动过程和行走步骤：重心右移（先右腿支撑）、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、左腿放下、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从机器人的行动步骤来看，每条腿的自由度至少需要两个，才能满足系统设计的要求。

1、舵机：本系统为四个自由度，共采用4个舵机参与机器人的拐弯、前行等运动；

2、传感器的设计安装：本系统共采用了两种传感器：面阵CCD光电传感器和光电管，面阵CCD光电传感器用来循迹，安在机器人的双足上；光电管用来检测障碍，在机器人两侧各安置1个；

3、系统电路板的固定：系统电路板采用胶接的方式与机器人主体连接在一起；

4、架体支撑系统：本系统两足用了轻便材料铝板，足底摩擦力适中，既能支撑起4个舵机、1块电池和系统板的重量，还使机器人总体质量较轻，利于机器人的快速行走；

5、头颈结构设计：头颈部分是系统的中枢，PCB板上焊有稳压驱动系统，舵机控制端子、传感器端子等。

4 机器人主要参数汇总报告

参考文献：

[1]阎石.数字电子技术基础（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2009

[2]黄智伟，王彦，陈文光等.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：电子工业出版社，2007

[3]聂荣等，实例解析PCB设计技巧[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]张睿.零点工作室.Altium Designer 10.0原理图与PCB设计[M].北京：电子工业出版社.2007

[5]梅晓榕，柏桂珍，张卯瑞，自动控制元件及线路（第四版）.北京：科学出版社，2008.