基于单片机的双足机器人系统设计
【摘要】机器人通常采用舵机作为关节连接件，本文提出了一种基于stc单
片机的通用多关节机器人控制系统，以stc单片机和uart串行通信接口等部分构
成硬件系统，用C语言开发了机器人串口调试软件及综合控制软件，结合PID
算法控制双足机器人完成前后行走，翻跟头。
【关键词】STC单片机;串口通信;PID算法
1.系统整体设计
本设计的机器人系统由控制中心（MCU）模块、舵机驱动模块、电源管理
模块、UART串口模块、超声波传感器模块等构成，整个系统构成一个闭环控制
系统。硬件组成框图如图1所示。
图1 系统整体结构
2.系统硬件电路设计
2.1 主芯片选择
STC12C5410AD单片机是增强型8051单片机，单时钟/机器周期，工作电压
5.5V一3.5V，工作频率范围0～35MHz，512字节片内数据存储器，10K字节片
内Flash程序存储器，ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），可通过串口
直接下载程序，EEPROM功能，6个16位定时/计数器，PWM（4路）/PCA（可
编程计数器阵列，4路），8路10位A/D转换，SPI同步通信口。
2.2 舵机驱动模块
由于舵机的响应时间对机器人控制平衡很重要，为了实现其快速响应，将舵
机的工作电压提高到+6V。为了减小此时间常数，还可以通过改变舵机的安装位
置，加长力臂可以实现提高舵机的响应速度。舵机的输出转角大小与给定的PWM
信号值成线性关系，以PWM信号为系统输入信号，改变PWM的占空比，实现
舵机控制。
2.3 电源管理模块
电源管理芯片的好坏直接影响系统的稳定性。从整个系统的稳定可靠的角度
出发，选择了一款低压差芯片TPS7350，该芯片最具特色的优点是当输出电流为
100mA时，最大压差只有35mV，只需很少的外围器件就能满足应用要求。此外，
充分使用该芯片的复位功能，减少了芯片的使用量，提高了系统的稳定性。为了
减小系统运行过程中由于电机纹波对电源的干扰，特设计了大电容与大电感组成
的电容容量为1410uF的LC滤波电路，对引入电源管理芯片的电源进行滤波，
保证电源芯片的正常工作电压。
2.4 超声波传感器检测电路
超声波传感器电路主要是实现测距的功能。主要由超声波发射电路和接收电
路两部分组成。
超声波接收电路主要使用集成电路CX20106A，它是一款红外线检波接收的
专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率
38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波接收电路。
实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度
和较强的抗干扰能力，具体见图3。CX20106A的第5脚的电阻决定接收的中心
频率，220kΩ的电阻决定了接收的中心频率为40kHz。当CX20106A接收到40kHz
的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外
部中断引脚作为中断信号输入。
3.控制系统设计
要实现机器人所完成各种动作需要用到多舵机分时控制原理。具体的，给每
个舵机定义一个角度所对应的脉宽变量，并赋予初始值为舵机的中间角度。还要
给定时器设定初值既是舵机PWM波脉宽初值。当每次定时器时间到产生溢出中
断，进入中断服务子程序后，首先把所有的舵机控制输出口拉低清零，再给某一
位置高，并给赋予PWM脉宽的定时时间。最后移位使下次进入中断时给下一位
置高，相当于是将时间片传递给了下一个舵机驱动。其原理如图2所示。
根据经验舵机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流，若舵机与单片机控制
器共用一个电源，则舵机会对单片机产生较大的干扰。因此，舵机与单片机控制
器采用两个电源供电，两者不共地，通过光耦来隔离，并且给舵机供电的电源最
好采用输出功率较大的开关电源。该舵机控制器占用单片机的个SCI串口。串口
用于接收上位机传送过来的控制命令，以调节每一个通道输出信号的脉冲宽度。
MAX232为电平转换器，将上位机的RS232电平转换成TTL电平。
图2 舵机分时控制原理
4.系统软件编程与仿真
本系统需设计完成的软件包括：机器人串口调试上、下位机软件和机器人独
立运行软件;单片机下位机软件。
机器人的单片机运行程序是包含有舵机的控制、完成各种动作的脚本程序、
两个主动轮直流电机的驱动程序，还有一些基本的延时、初始化设置等程序。由
于程序包含的内容较多，为了方便程序的组织，将各个功能模块分别做成一个独
立的C程序，由主程序的头文件包含其他所有要用到的C程序的头文件，来调
用其他C文件中的一些功能函数。程序这样设计比较方便将各个功能进行移植。
通过在头文件中对各个端口物理地址的宏定义，在其C文件中实现了与物理地
址的分离。当物理地址发生变化时，只需修改头文件中的宏定义即可。
5.总结
整个硬件系统成本低廉，由于可以无线与电脑通信，具有良好的二次开发接
口。在此硬件基础上搭建的双足步行机器人，具有避障、测距、发音、语音识别、
并和电脑具有无线通信的功能，具有好的展示效果和学习效果。
参考文献
[1]胡汉才.高档AVR单片机原理及应用.北京：清华大学出版社，2007.
[2]张培仁，等.十六位单片微处理器原理及应用（凌阳SPCE061A）.北京：
清华大学出版社，2005.
[3]梁磊，王树强，许芹.多路PWM信号产生算法研究.电气电子教学学报，
2008;30（4）：47—49.
[4]崔坤征，罗均，谢少荣，等.一种用于动态障碍物探测的超声波系统的研
制.机电工程，2005;22（6）：44—48.
[5]谢黎明，赵军，杨虹，等.红外线人体感应控制语音系统的研究.科学技术
与工程，2008;8（7）：1798—1801.