基于单片机的六足机器人控制软件设计大学毕设论文.docx

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基于单片机的六足机器人控制软件设计大学毕设论文

常州信息职业技术学院

学生毕业设计（论文）报告

设计（论文）题目：

基于单片机的六足机器人控制

毕业设计（论文）任务书

一、课题名称：

基于单片机的六足机器人控制软件设计

二、主要技术指标：

前进速度：

25cm/s

感应障碍物距离：

1米

反应时间≤0.1s

走直线偏差≤±5º

舵机控制精度0.75º

三、工作内容和要求：

1：

研究AT89S51单片机的结构，引脚功能，工作原理。

2：

研究六足机器人的控制移动，传感器的作用距离，舵机的精度。

3：

根据AT89S51的性质和六足机器人的参数，利用KEIL软件编写，调试程序。

4：

下载程序到机器人，并根据实际情况对软件进行完善。

5：

总结经验，完成设计报告

四主要参考文献：

1温宗周《单片机原理及接口技术》北京航空航天大学2009.8

2彭为、黄科《单片机典型系统设计精讲》电子工业出版社2006.5

3刘春《自动控制计数》中国劳动社会保障出版社2004

4李众《单片机技术与项目训练》常州信息职业技术学院2009.7

学生（签名）年月日

指导教师（签名）年月日

教研室主任（签名）年月日

系主任（签名）年月日

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

基于单片机的六足机器人控制软件设计

一、选题的背景和意义：

背景：

在社会迅速发展的今天，单片机的的运用已经渗透到我们生活的每个角落，也似乎很难找到哪个领域没有单片机的足迹。

智能仪表、医疗器械，导弹的导航装置，智能监控、通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，汽车的安全保障系统，动控制领域的机器人，数码像机、电视机、全自动洗衣机的控制，电话机以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

意义：

单片机的学习、开发与应用将对于现代社会的发展，经济的繁荣，和提高满足人类日益增长的物质文化需求有着至关重要的作用。

也成就了一批又一智能化控制的工程师和科学家。

科技越发达，智能化的东西就越多。

学习单片机是社会发展的必然需求，也是我们现代高级技工所必须要掌握的技能。

二、课题研究的主要内容：

1：

通过资料查询，分析研究得出芯片各引脚功能

2：

研究单片机引脚与外接硬件的连接，得出芯片各引脚是对应哪些功能的控制。

3：

根据单片机的和机器人资料，分析出定时器选择，计数方式选择，晶振的选择

4：

结合C语言知识，利用KEIL软件编写控制六足机器人行走的程序。

5：

使用STC_SIP_V3.9软件下载程序到芯片，进行软硬件联调。

三、主要研究（设计）方法论述：

首先利用网络资源查找出AT89S51单片机的结构，引脚功能图，弄清它的工作原理，再通过资料与公式计算出PWM的精度控制，然后通过观察弄清六足机器人和单片机之间的联系，从而了解芯片的引脚和机器人功能的对应，怎样用单片机去控制六足机器人的行走，然后利用KEIL软件，编写出C语言程序，编译通过后下载到单片机，再根据实际运行情况对程序进行修改，最终完成控制程序。

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）

工作内容

5.11

确定论文主题

5.12——5.13

寻找相关资料

5.14——5.24

阅读相关资料

5.25

借取六足机器人

5.26-5.28

对六足机器人的工作原理进行分析

5.29——6.15

编写控制程序，下载，调试

6.16-6.19

编写论文

6.20

提交论文

五、指导教师意见：

　　　　　　　　　　　　指导教师签名：

年月日

六、系部意见：

　　　　　　　　　　　系主任签名：

年月日

基于单片机的六足机器人控制软件设计

ControlsoftwareofthesixfootrobotbasedonSCM

摘要

Abstract

一前言……………………………………………………………….………….1

二单片机的选择…………………………………………………………...……2

2.1单片机的介绍………………………………………………………………2

2.2单片机的应用………………………………………………………………3

2.3单片机发展趋势…………………………………………………….…...…5

2.4AT89S5151单片机特点……………………….……………………………6

2.5AT89S51单片机引脚功能…………………….…………………….……7

三六足机器人简介………………………………………………..……………8

3.1六足机器人原理……………………………………………………..……18

3.2控制面板简介……………………………………………………..………9

3.3舵机简介…………………………………………………………….....….11

3.4传感系统…………………………………………………………….…….12

四六足机器人的控制………………………………………………………..…13

4.1六足机器人控制程序编写………………………………………….…….13

4.2六足机器人控制程序下载………………………………………….…….23

五结束语…………………………………………………………………….….24

答谢辞

参考文献

摘要

轮式移动机器人是机器人研究领域的一项重要内容．它集机械、电子、检测技术与智能控制于一体。

在各种移动机构中，轮式移动机构最为常见。

轮式移动机构之所以得到广泛的应用。

主要是因为容易控制其移动速度和移动方向。

因此．有必要研制一套完整的轮式机器人系统,并进行相应的运动规划和控制算法研究。

笔者设计和开发了基于5l型单片机的自动巡线轮式机器人控制系统。

基于仿生原理，以51单片机为控制器的核心，制作出了动作灵活、价格低廉以及模块化结构的六足机器人。

该机器人能够严格按三角步态进行行走，实现诸如直线、转弯、躲避障碍物和追踪物体等行走功能。

文中介绍了该机器人三角步态的行走原理、结构组成、控制系统和控制程序。

关键词：

单片机控制程序

AbstractRoundtype'smovingrobotisanimportantcontentsthattherobotstudiesrealm.itgathersamachine,electronicsandexaminetechniqueandintelligencecontrolattheintegralwhole.Invariousambulationorganization,theroundtypemovesorganizationthemostfamiliar.Theroundtypemovesorganizationofsogetanextensiveapplication.Mainlybecauseeasilycontrolittomovespeedandambulationdirection.Consequently.thereisnecessitytheroundfordevelopingasetofintegritytyperobotsystem,andcarryonhomologoussportprogrammingandcontrolcalculatewayresearch.Writerdesignanddevelopmentcruiselineroundthetyperobotcontrolsystemaccordingtotheautoof5ltypesinglesliceofmachine.Thisresearchdescribesthefabricationofahexapodbionicrobot,controlledbyPICmicroprocessor,walkingbasedonbionicprinciple,whichhassomeadvantagessuchassimple,activemovements,harmonyinwalkingandetc.Thisrobothassomeabilitiessuchaslinearwalking,turning,avoidingbarriers,andtrackingobjectwalkingetc.Thestructure,controlsystemandcontrolalgorithmofthisrobotareexplainedinthepaper.

Keywords:

SCM，Controlprocedures

一、前言

在社会迅速发展的今天，单片机的的运用已经渗透到我们生活的每个角落，也似乎很难找到哪个领域没有单片机的足迹。

智能仪表、医疗器械，导弹的导航装置，智能监控、通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，汽车的安全保障系统，动控制领域的机器人，数码像机、电视机、全自动洗衣机的控制，电话机以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

所以，单片机的学习、开发与应用将对于现代社会的发展，经济的繁荣，和提高满足人类日益增长的物质文化需求有着至关重要的作用。

也成就了一批又一智能化控制的工程师和科学家。

科技越发达，智能化的东西就越多。

学习单片机是社会发展的必然需求，也是我们现代高级技工所必须要掌握的技能。

二、单片机的选择

2.1单片机的简介:

一．微型计算机（SingleChipMicrocomputer）

微型计算机的主要特点：

CPU集成于一个芯片中。

单片机（MicroControllerUnit）是把组成微型计算机的各功能部件：

CPU、RAM、ROM、定时/计数器、中断控制器、并行和串行接口均集成在一个芯片中。

其一个芯片就构成了一个比较完整的计算机系统。

　　微型计算机与单片机是微电子领域的两个分支。

微型计算机的特点是运算速度快、存储容量大，适合于信息管理、科学计算等领域；而单片机的特点为体积小、价格低，适合于仪器、设备的控制，常常嵌入到仪器、设备中。

故单片机也称作微控制器（Microcontroller）。

二．单片机的生产与发展

（1）.单片机的生产：

目前世界上单片机的生产公司有上百家，如Intel、Philips、Microchip、Motorola、Siemens、NEC、AMD、Zilog、TI、Atmel等。

但在国内广泛应用的只有Intel系列和MicrochipPIC系列，

（2）.单片机的发展：

　　第1阶段（1976~1980）：

单片机发展初级阶段。

集成了8位CPU、RAM、ROM、定时器、并行口（无串行口）等部件，但性能低，寻址范围小（≤4KB），中断系统、定时器也简单。

典型机型：

IntelMCS-48系列。

　第2阶段（1980~1983）：

高性能单片机阶段。

此阶段的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统，多个16位定时/计数器，片内ROM、RAM的容量加大，寻址范围达64KB。

典型机型：

IntelMCS-51系列。

　　第3阶段（1983~80年代末）：

16位单片机和高性能8位机并行发展阶段。

此阶段Intel推出16位单片机MCS-96系列，其他公司也推出了各种16位单片机。

同时高性能8位单片机的性能更为完善。

　　第4阶段（90年代）：

单片机在集成度、功能、速度、可靠性等方面全面发展，如采用FlashROM，加入了一些特殊功能部件（AD转换器，PWM输出，监视定时器WDT，DMA，调制解调器，通信控制器，浮点运算单元等）。

　　至今，单片机的性能已比较完善，且专业化的特点很强，为各种应用提供了很大的方便。

2.2单片机的应用

单片机由于体积小，价格低，功耗低、控制功能强且控制逻辑可由软件来实现，因此可以很方便地完成由一般数字电路很难实现的控制逻辑。

所以在测控系统，智能仪表，机电一体化产品，智能接口，智能民用产品，机器人等领域得以广泛应用。

　1.在智能仪器仪表上的应用（如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量）只需结合不同类型的传感器即可控制，使得仪表达到数字化。

智能化、微型化（示波器）。

2.在工业控制中的应用（如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等）多用于构成多样的控制系统，数字采集系统。

设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构，在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。

（图）

3.在家用电器中的应用（洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、及其他音响视频器材，电子秤量设备等）极大的方便了我们的生活。

4.在计算机网络和通信领域中的应用（手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、集群移动通信，无线电对讲机等）利用单片机的通讯接口可以方便的与计算机进行数据通，为在计算机网络通讯设备间的应用提供了很好的物质条件。

　　7.单片机在汽车设备领域中的应用（如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等）

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

8．多机应用

　　利用单片机的串行接口和并行接口，多个单片机子系统可以彼此进行通信，构成一个网络。

可以构成一个集散式的控制系统，从而控制和处理大量的控制对象和信息，且可以通过并行运算方式来提高处理速度。

总之在单片机系统中，单片机是作为控制中枢，数字电路器件是作为外围电路，二者是相辅相成的。

2.3单片机的发展趋势

目前，为了适应各种嵌入式系统的应用需求，单片机将向着高集成度、增强工能。

提高速度、降低成本和功耗等方向发展。

这组要表现在以下几个方面。

1处理性能的增强：

单片机的处理性能取决于其内部数据总线宽度、指令执行速度、片内存储器容量等指标。

近几年发展起来的16位和32位单片机就体现了这个发展趋势。

2增强功能：

未来单片机的增强功能主要在网络功能。

A/D和D/A功能、ISP功能、DMA功能、显示器驱动等方面另外为了能有效地保护嵌入式系统的知识产权，对单片机内部软件的加密是必要的，单片机的内部的程序代码存储器带有加密特性是单片机的一种增强功能。

3高集成度：

随着集成电路技术的和工艺的不断提高，单片机技术的发展及其应用领域不断拓展提高单片机的集成度，增加片内功能器件，减少外围器件的扩展，实现真正的“单片”系统已成为发展趋势集成更多的I/O端口和特殊接口，直接驱动LED、VFD、LCD等显示器，带有直接中断方式键盘端口等。

近年来，单片机结合专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC）和精简指令集计算机（ReducedInstructionSetComputer,RISC）技术，发展为嵌入式处理器（EmbeddedProcessor），适用于数据与数值分析、信号处理、智能机器人及图像处理等高技术领域。

2.4AT89S51单片机特点

由于我做的小实验用的是AT89S51单片机所以下面我就详细介绍AT89S51通过它来反映单片机的开发应用过程！

我们知道Atmel公司的单片机主要为89C51、89C52、89C2051、89C55WD等

以及高性能的AT89LV51、AT89C4051、AT89S51、AT89S52AT89S53等

我所用的AT89S51是一个低功耗，高性能的8位单片机片内含有8KISPD（in-systemprogrammableDownloadable）串行编程可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器器件采用ATMEI公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准的MCS-51指令系统及80C51引脚的结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51具有以下特性：

兼容MCS-51指令系统，32个双向I/O口，2个16位可编程定时/计数器、全双工UART串行中断口线、两个外部中断源、中断唤醒省电模式、看门狗（WDT）电路、灵活的ISP字节和分页编程、4KB可反复擦写ISPFlashROM、4.5V—5.5V工作电压、时钟频率0—3MHZ、128*8bit内部RAM、低功耗空闲和省电模式、三级加密位、软件空闲和省电功能、双数据寄存器指针。

功能强大的AT89S51可为许多嵌入式应用式控制性应用系统提供高性价比的解决方案！

2.5AT89S51管脚介绍：

•EA/VPP：

访问外部程序存储器控制信号/编程电源

•ALE/PROG：

低8位地址锁存信号/编程脉

GND：

地线。

VCC：

+5V电源。

RST/VPD：

复位、备用电源

RXD：

串行通信收接口（SCI）

TXD：

串行通信发接口（SCI）

INT0外部中断0

INT1外部中断1

T0定时器0TXAL2接外部晶振

T1定时器1TXAL1接外部晶振

P0.0～P0.7：

P0口8位双向口线。

P1.0～P1.7：

P1口8位双向口线。

P2.0～P2.7：

P2口8位双向口线。

P3.0～P3.7：

P3口8位双向口线。

三、六足机器人简介

3.1　仿生六足机器人的原理

六足仿生机器人采用六足昆虫的行走步态,步行时把6条足分为两组,以一边的前足后足与另一边的中足为一组,形成一个三角架支撑机体。

因此在同一时间,只有一组的3条足起支撑作用,前足用爪固定物体后拉动虫体前进,中足用以支撑并举起所属一边的身体,后足则推动机体前进,同时使机体转向。

行走时机体向前,并稍向外转,3条足同时行动,然后再与另一组3条足交替进行[2]。

直线行走时的步态如图1所示。

机器人开始运动时左侧的2号腿和右侧的4、6号腿抬起,准备向前摆动,另外3条腿1、3、5处于支撑状态,支撑机器人本体确保机器人的原有重心位置处于3条支撑腿所构成的三角形内,使机器人处于稳定状态不至于摔倒,见图1a;摆动腿2、4、6向前跨步,见图1b,支撑腿1、3、5一

面支撑机器人本体,一面在小型直流驱动电机和皮带传动机构的作用下驱动机器人本体,使机器人机体向前运动一个半步长S,见图1c;在机器人机体移动到位

时,摆动腿2、4、6立即放下,呈支撑态。

使机器人的重心位置处于2、4、6三条支撑腿所构成的三角形稳定区内,原来的支撑腿1、3、5已抬起并准备向前跨步,见图1d摆动腿1、3、5向前跨步,见图1e,支撑腿2、4、6此时一面支撑机器人本体,一面驱动机器人机体使机器人机体向前运动一个步长S,见图1f,如此不断重复步态a-b-c-d-e-f-a,循环往复实现机器人不断向前运动

图1　机器人步态示意图

3.2控制板简介：

除了机器人机体本身以外，还有很重要的一个部分就是机器人的控制器系统。

汉库生产的控制板具有很好的操作性。

在中国，大学里教授最为广泛的单片机应该就是MCS-51。

我们的控制板采用STC12T54单片机，指令周期大大缩减，运行效率大大提高。

这样做是为了我们的机器人能够作出更加完美的动作，或者加入一些新型的传感器，使机器人“感知”这个世界。

控制板的俯视图如下图所示

STC12C5410AD

控制板连线见下图：

此控制板所用主要器件简介

1关于电平特性

数字电路中只有两种电平：

高和低

单片机为TTL电平：

高+5V低0V

RS232电平：

计算机的串口

高-12V低+12V

所以计算机与单片机之间通讯时需要加电平转换芯片max232。

Max系统工作如下图所示：

2STC12C5410AD芯片机器最小工作系统图：

3.3舵机简介：

舵机本身是一个位置随动系统。

它是由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成的。

通过内部的位置反馈，使它的舵盘输出转角正比于给定的控制信号，因此对于它的控制可以使用开环控制方式。

舵机体积十分小巧。

机器人使用它是非常合适的。

由于六足机器人用到了八位单片机，我们的舵机需要的是方波信号。

单片机的精度直接影响了舵机的控制精度，

PWM信号为脉宽调制信号，其特点在于他的上升沿与下降沿之间的时间宽度

目前，北京汉库科技的HG14-M舵机可能是这个过渡时期的产物，它采用传统的PWM协议，优缺点一目了然。

优点是已经产业化，成本较低，旋转角度大（目前所生产的都可达到185度）；缺点是控制比较复杂，毕竟采用PWM格式。

但是它是一款数字型的舵机，其对PWM信号的要求较低：

（1）不用随时接收指令，减少CPU的疲劳程度；

可以位置自锁、位置跟踪，这方面超越了普通的步进电机

其PWM格式注意的几个要点：

（1）上升沿最少为0.5mS，为0.5-2.5mS之间；（对应舵机旋转0-180度）

（2）HG14-M数字舵机下降沿时间没要求，目前采用0.5Ms就行；也就是说PWM波形可以是一个周期1mS的标准方波；

HG0680为塑料齿轮模拟舵机，其要求连续供给PWM信号；它也可以输入一个周期为1mS的标准方波，这时表现出来的跟随性能很好、很紧密

PWM的控制精度控制

我们采用的是8位STC12C5410ADCPU，其数据分辨率为256，那么经过舵机极限参数实验，得到应该将其划分为250份。

那么0.5mS---2.5Ms的宽度为2mS=2000uS。

2000uS÷250=8uS

则：

PWM的控制精度为8us

我们可以以8uS为单位递增控制舵机转动与定位。

舵机可以转动185度，那么185度÷250=0.74度，

则：

舵机的控制精度为0.74度

3.4机器人传感器系统：

为了使机器人更好的“感知”这个世界，我们可以给它装上合适的传感器。

传感器的总类有很多，为了实现不同的功能，我们可以选着不同的传感器！

经过我们的考察御姐和机器人的性质我们选用了红外传感器：

另外我们也可以选择超声波传感器：

它是通过超声波发送与接受时间差计算出被测物体距离，TTL数字输出。

测量机器人与前方障碍物之间的距离，可以用于机器人精确避障。

测量范围:

17cm~2m。

0模拟输出:

PWM模拟输出。

工作电压:

5VDC采样率:

20次/秒。

05.工作温度:

-40℃到+85。

存储温度:

-40℃到+125℃

四、六足机器人的控制

4.1六足机器人的控制程序：

控制程序：

//小车说明:

当HIGH>1.5ms，右边前进，左边后退

//当HIGH<1.5ms，右边后退，左边前进

//右边接P1.1;左边接P1.0

//P3.7-前、P3.5-左、P3.6-右接红外传感器；

//当传感器检测到障碍时，输出为低。

//----