悟空悟能双足机器人教程综述.docx
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悟空悟能双足机器人教程综述
创梦智能机器人
双足竞步悟空、悟能双足机器人教程
创梦智能机器人工程部
2014.4.1
第一章：
双足竞步悟空、悟能双足机器人安装教程………3
第二章：
双足竞步悟空、悟能双足机器人快速编程指南…11
第一节:
认识单片机………………………………………11
第二节:
STC单片机介绍…………………………………13
第三节:
程序代码的编译、纠错及烧写…………………18
3.1程序代码的编译及纠错……………………18
3.1.1keil软件的安装………………………18
3.1.2keil的执行及程序编译………………21
3.2烧写软件的使用………………………24
第四节:
舵机简介…………………………………………26
第五节:
PWM信号介绍……………………………………30
第六节:
创梦控制板硬件功能介绍………………………33
第七节:
实例双足程序详解…………………………38
第八节:
如何快速会用双足程序………………………54
第一章：
双足竞步悟空、悟能双足机器人安装教程
专用舵机
头顶板
U型件
连接板
直角连接板
狭窄足脚底板
交叉足脚底板1
交叉足脚底板2
M2*6
M2自攻丝
M2螺母
第一步：
头顶板与U型件连接
第二步：
U型件与U型件
悟能交叉足：
悟空狭窄足：
第三步：
脚底板的安装
悟空狭窄足：
悟能交叉足：
第四步：
第五步：
第六步：
第七步：
第八步：
第二章：
双足竞步悟空、悟能双足机器人快速编程指南
第一节：
认识单片机
随着电子产品的多样化和普及，单片机已渐渐成为生活上不可的少的必需品了，从早上起床的电子闹钟，烹煮早餐的电磁炉定时及温控装置，上课、上班时吹冷风用的Fuzzy控制器，学校电梯控制电路，家中的电视机的遥控器，计算机及外围的控制电路以及许多的玩具应用等，这些电子产品内部都含有一个单片机。
因为单片机具有体积小、功能强大、编写容易等优点，自然就成为我们机器人中不可或缺的控制组件，这也可以减轻机器人的重量和缩小其体积，相对的，也减少对电池能量的消耗。
接下来我们来了解单片机（微电脑）。
微电脑具有和大脑一样的中央处理器，以及存储器，通过中央处理器去控制输出输入单元。
1、中央处理单元
用于指令的编码及存取，依此来控制整个系统的运作，并同时执行所有的算术与逻辑运算。
中央处理器单元是微电脑的大脑，主要负责指令的提取、分析、执行并将结果送至内存，也能控制输出输入的动作，而中央处理单元每次所能处理的信号位数则代表该CPU的位数，如4位、8位、16位等、目前的微电脑已达到64位了。
2、存储器
用来存储数据及指令的地方，CPU要执行的指令、顺序及所需要的都存放在此，是微电脑的数据仓库。
存储器又可分为：
1）ROM只读存储器，是一种可读不可写的存储器，在电路中，即使电源关闭其内部的数据或程序也不会因此而消失的，下次开启电源时，又可以再次执行，所以也称为非易失性存储器。
2）随机存储器RAM内部的数据可以随时由电路或CPU读取及存放，故其内容随时会因电源的关闭而消失，当下次开启电源时，CPU就得重新将数据写入RAM中，所以又称为易失性存储器。
3、输入/输出单元（I/OPort）-连接外界及内部之间的通道
CPU产生的各种信号可以通过输出单元到达外界，继而控制各种外围电路及设备。
相反的，外围电路及设备所要给CPU的信号，就得通过输入单元，传给CPU，这就是微电脑输出/输入单元的主要功能。
第二节：
STC单片机介绍
STC12C5A60S2单片机图片
上图为48脚单片机，常见的还有下面40脚直插型的
单片机内部结构图
常接的复位电路和时钟电路
STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8—12.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,及25万次/秒），针对点击控制，强干扰场合。
1.增强型8051CPU,1T单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051
2.工作电压；
STC12C5A60S2系列工作电压：
5.5V-3.5V（5V单片机）
STC12C5A60S2系列工作电压：
3.6V-2.2V（3V单片机）
3.工作频率范围：
0-35MHz，相当于普通8051的0-420MHz
4.应用程序空间
8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节……
5.片上集成1280字节RAM
6.通过I/O口（36/40/44个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可以设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，紧为输入/高阻，开漏每个I/O驱动能力均可以达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可以通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
8.有EEROM功能（STC12C5A60S2/AD/PWM无内部EEPROM）
9.看门狗
10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶振12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）
11.外部掉点检测电路：
在P4.6口有一个低压门槛比较器
5V单片机为1.33V，误差为5%，3.3V单片机为1.31V误差为3%
12.时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为5%到10%以内）用户在下载用户程序时，可选择使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：
5.0V单片机为：
11M-17M3.3V单片机为：
8M-12M精度要求不高时，可以选择使用内部时钟但是因为有制造误差和温漂，以实际测试为准
13.共4个16位定时器
两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但是有独立的波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可实现2个16位定时器
14.3个时钟输出口，可以有T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟
15.外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块,PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，TO/P3.4，T1/P3.5,RxD/3.0，CCP0/P1.3（也可以通过寄存器设置到P4.2）,CCP1/P1.4（也可以通过寄存器设置到P4.3）
16.PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列，2路）
17.A/D转换，10位精度ADC,共8路，转换速速可达到250K/S（每秒钟25万次）
18.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2（可以通过寄存器设置到P4.2），TxD2/P1.3（可以通过寄存器设置到P4.3）
19.通过全双工异步串行口（UART）,由于STC12系列是高速的8051，可以再用定时器或PCA软件实现多串口
20.工作温度范围：
-40-+85（工业级）/0-75（商业级）
21.封装：
LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC-44，QFN-40
第三节：
程序代码的编译、纠错及烧写
3.1程序代码的编译及纠错
3.1.1keil软件的安装
（1）在附带的资料里面找到（keil4+破解+汉化）这个文件夹，点进去然后双击C51v901.exe
（2）接下来出来如图所示的界面，点击Next
（3）在Iagreeto前面的方框打钩，再点击Next
（4）以后一直点击Next，最后出来如下图所示的界面就点击finish就完成安装了
（5）下面最主要就是破解了，打开keil4这个软件，点击file如图所示的界面，选择LicenseManagement
（6）接着在下面界面中，把CID里面的数字复制下来，不要关闭这个界面
（7）然后在Keil4+破解+汉化中找到KEIL_Lic.exe点击打开，把刚才复制的CID码粘贴到下面CID后面方框里，点击Generate，接着会出来一串数字，把它复制下来然后粘贴到上图NewLicenseIDCode（LIC）后面的方框，再点击AddLIC就搞定了！
再把这个关掉就破解成功了！
3.1.2keil的执行及程序编译
安装编程软件现在就是该怎么使用了！
（1）第一步就是新建工程，见下图的界面点击蓝条选项就是新建工程，然后根据提示选择程序保存位置，还有就是选择芯片型号，如果没有你需要的芯片型号，你可以添加或者选择AT89C51这个型号的也是可以的！
（2）然后就要添加文件了，从file里面第一项就是添加，把自己下的程序打出来，在保存一下再添加到工程目录下。
（3）现在就该编译程序了，点击
，如果编译没通过下面方框会出来如图所示的对话框，然后双击errorc202回用箭头指出错误的地方，根据错误修改就好
（4）如果没有出错，就对输出选择生成HEX文件，点击Flash然后选择如图所示的蓝条
（5）得到如下图的界面，
（6）上面的界面在选择output得到下面界面，在CreateHEXFile前面打勾，点击ok就行。
然后重新编译一下就可以生成HEX文件了。
3.2烧写软件的使用
烧写软件首先要用的硬件有STCISP烧写器，首先就得给该硬件安装驱动，这个驱动的可以有驱动人生、360驱动、驱动精灵等都可以安装。
安装完成就得看看驱动安装怎么样，查看电脑的设备管理器，安装完成就会出现端口（COM2）不同电脑可能COM口不一样，但是COM口编号要记下来。
在附带的资料里面找到STC-ISP下载软件，将这个文件夹打开，打开如下图所示，然后双击击蓝条这个文件。
接下来有几个选项要选择，首先是芯片型号的选择这里是STC12C5A60S2
然后就是端口的选着上面电脑的端口是COM2然后改成COM就好
然后就是文件的选择，点击打开文件，选择编译好的文件的HEX文件
然后就是下载了，可能会提示给MCU上电的，直接给单片机上电就好了！
有的下载器有冷启动就不会提示上电的！
第四节：
舵机简介
微型伺服电机内部结构：
伺服电机（外形见图1）内部包括一只小型直流电机；变速齿轮组；反馈可调电位器及电子控制板处理输入的脉冲信号。
舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。
其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。
位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。
一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。
依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。
舵机为求转速快、耗电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达。
为了适合不同的工作环境，有防水及防尘设计的舵机；并且因应不同的负载需求，舵机的齿轮有塑胶及金属之区分，金属齿轮的舵机一般皆为大扭力及高速型，具有齿轮不会因负载过大而崩牙的优点。
较高级的舵机会装置滚珠轴承，使得转动时能更轻快精准。
滚珠轴承有一颗及二颗的区别，当然是二颗的比较好。
目前新推出的FET舵机，主要是采用FET（FieldEffectTransistor）场效电晶体。
FET具有内阻低的优点，因此电流损耗比一般电晶体少。
伺服电机的工作原理：
伺服电机是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示：
减速齿轮组由电机驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲最终趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。
标准的伺服电机有三条控制线。
分别为：
电源、地及控制。
电源线与地线用于提供内部的直流电机及控制电路所需的能源，电压通常介于4V—6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。
甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。
伺服电机的电源引线：
伺服电机电源引线三条线中橙色的线是控制线，连到控制芯片上。
红色的线是电源正极线，工作电压是5V。
黑色的是地线。
伺服电机的控制：
伺服电机的控制端需输入周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms—2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很严格。
下表表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂在180˙范围内转动时与输入脉冲的对应关系：
舵机的技术参数：
厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸（mm）、扭力（kg-cm）、速度（秒/60°）、测试电压（V）及重量（g）等基本资料。
扭力的单位是kg-cm，意思是在摆臂长度1公分处，能吊起几公斤重的物体。
这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则扭力愈小。
速度的单位是sec/60°，意思是舵机转动60°所需要的时间。
电压会直接影响舵机的性能，例如FutabaS-9001在4.8V时扭力为3.9kg、速度为0.22秒，在6.0V时扭力为5.2kg、速度为0.18秒。
若无特别注明，JR的舵机都是以4.8V为测试电压，Futaba则是以6.0V作为测试电压。
所谓天下没有白吃的午餐，速度快、扭力大的舵机，除了价格贵，还会伴随著高耗电的特点。
因此使用高级的舵机时，务必搭配高品质、高容量的镍镉电池，能提供稳定且充裕的电流，才可发挥舵机应有的性能。
伺服电机使用的注意事项：
伺服舵机转角在0~180°，当高电平脉冲大于2.5ms，，一般没有自我保护的舵机，都会使转角超出正常的范围，使内部直流电机处于堵转状态，一两分钟就会使舵机发烫，甚至烧坏舵机。
使用时，尽量让舵机在-45°到45°之间转动，这范围内舵机转角也更精准。
第五节：
PWM信号介绍
1、PWM信号定义
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。
具体的时间宽窄协议参考下列讲述。
我们目前使用的舵机主要依赖于模型行业的标准协议，随着机器人行业的渐渐独立，有些厂商已经推出全新的舵机协议，这些舵机只能应用于机器人行业，已经不能够应用于传统的模型上面了。
优点是已经产业化，成本低，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。
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；
（2）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0.5mS---2.5mS之间；
（2）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；
（3）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。
我们采用的是8位STC12C5A60S2CPU，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
2．PWM信号控制精度制定
1DWT=8uS;250DWT=2mS
时基寄存器内的数值为：
（#01H）01——（#0FAH）250。
共185度，分为250个位置，每个位置叫1DWT。
则：
185÷250=0.74度/DWT
PWM上升沿函数：
0.5mS+N×DWT
0uS≤N×DWT≤2mS
0.5mS≤0.5Ms+N×DWT≤2.5mS
3、舵机控制方法
舵机的转角达到185度，由于采用8位CPU控制，所以控制精度最大为256份。
目前经过实际测试和规划，分了250份。
具体划分参见“PWM信号控制精度制定”。
将0—185分为250份，每份0.74度。
控制所需的PWM宽度为0.5ms—2.5ms，宽度2ms。
2ms÷250=8us；
所以得出：
PWM信号高电平持续的时间=度数/8μs+500μs
舵机角度=0.74×N
PWM=0.5+N×DWT；（DWT=8us）
角度
0
45
90
135
185
N
0
62
125
187
250
PWM
0.5ms
1ms
1.5ms
2ms
2.5ms
第六节：
创梦控制板硬件功能介绍
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。
创梦智能机器人生产的控制板具有很好的操作性。
目前市面上使用最广泛的是51系列单片机，我们的控制板采用STC12C5A60S2单片机，大部分元器件采用全表贴工艺。
此控制板设计合理，扩展了STC12C5A60S2系列单片机的六个端口以供双足使用。
电路板上面的主要元件：
CPU：
STC12C5A60S2，48pinLQFP封装
IO口：
此电路板共扩展6个IO口，给双足六个舵机控制
智能稳压：
该电路板采用LM2596可调稳压芯片，解决了舵机联动电压波动比较大的问题，还可以通过电位器调节改变舵机的供电电压，这样就可以使机器人运行在一个最佳的电压状态下！
一键快速启动：
本控制板加了一个启动按钮，就是在机器人在电源开启状态下，按下按钮机器人快速动起来，这在比赛的时候不必停留一两秒机器人才开始启动！
扩展电源管理模块：
只要插上电源管理模块可以实现低压报警，电视实时监控，不必担心在电池电量不佳的情况下让机器人运行！
控制板原理图：
创梦双足控制板实物图：
该控制板使用简介：
从上面图片中可以看出该板子是专门为双足机器人设计的，各个接口按键简单介绍一下：
首先是电源接口配备了PCB专用插孔，采用两片锂电供电；接着就是10P下载接口和专用下载器给该控制板下载程序，下载线也是采用专用10P线；然后还有就是程序启动按键，它和单片机的P3.0引脚接着，程序检测低电平信号，有这个信号机器人立马启动；然后就是有就是六个舵机的接口，上面J1到J6分别就是六个舵机，让机器人背对自己，右手边从上到下依次为：
J1、J2、J3；然后左手边从上到下依次为：
J4、J5、J6。
控制板上面对应的有：
J1、J2、J3、J4、J5、J6。
注意舵机白色是信号线，白色头插在靠近芯片端，黑色端插在板子靠近外面！
这里需要强调几个注意：
（1）7.4V电源的正负问题，一般情况下，红色线是正极，黑色线是负极。
（2）舵机接线统一遵守标准：
在控制板上靠内侧即靠近单片机的一端是控制信号线，中间是电源（稳压后正端），最外面的是地（GND）。
电压检测模块的简介：
该电压检测模块也采用STC芯片控制，单片机自带十位数模转换，可以准确的测出电池和舵机供电电压，这个板子是专门为创梦双足控制板设计的，能够在使用机器人前使用知道电池的使用情况，避免了机器人在没电的情况下造成机器人损坏！
上面可调报警电压根据自己实际情况调节所需的报警电压！
图片如下：
两个连接图片如下：
第七节：
实例双足程序详解
/***********************************************
创梦智能机器人公司
文件名称：
robot_test.c
文件内容：
狭窄足程序
创建人：
创梦智能机器人
创建时间：
2014/4/16
***********************************************/
#include//芯片头文件寄存器已经修改
#include//数学函数
#include//延时程序通过示波器测试
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
ucharposition[8];//用于记录8个舵机的位置
ucharpick_up[8];//kouchu[8];各个io口轮流输出是屏蔽其它位
uchararr[8];//提供排序空间paixu_ncha[8]=0;中间过度用
uchart0bit=0;//定时器0周期相同标志位
ucharN;
//关于扫尾值的参数
ucharzsax=15;//14h,z平面sa修正参数
ucharpsax=10;//15h,p平面sa修正参数交互2
ucharzsag=20;//16h,z平面sa过渡参数
ucharpsag=20;//17h,p平面sa过渡参数
/*************************************************************************************
函数名称：
voidlow_level_500u
函数功能：
PWM信号低电平时间子程序，控制舵机PWM信号的低电平时间决定舵机转动的速度积分思想
输入：
time
输出：
无
*************************************************************************************/
voidlow_level_500u（uinttime）
{
uinti;
for（i=0;i{delay500us
（1）;}
}
/*************************************************************************************
函数名称：
voidt0_init
函数功能：
t0定时器初始化，用于舵机2.5ms定时
输入：
无
输出：
无
备注：
没有开启定时
*************************************************************************************/
voidt0_init（void）
{
TMOD=TMOD&0xf0;//初始化定时器1的计数方式为方式1无用
TMOD=TMOD|0x01;
TH0=0xee;//晶振22.1184MHz,2.5Ms定时ee00
TL0=0x00;
ET0=1;
EA=1;
t0bit=1;
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