跳舞机器人的软件部分设计：主控单片机程序和从机程序

一、软件架构与通信协议

1、软件架构

在开始前，我们来复习一下第一期文章中提到的软件架构图。

首先介绍一下软件的架构，小π机器人的软件部分主要包含手机APP程序、上位机程序、主控单片机程序和从机程序构成。本周主要讲解主控单片机程序和从机程序，下周将讲解手机APP程序和上位机程序。小π机器人的软件架构图如下图所示：

主控单片机收到数据以后先判断是动作指令还是其他指令。如果是动作指令，直接将指令发给动作控制单片机，动作控制单片机调用不同的数组，输出不同的PWM，使舵机的转过不同角度，从而实现各种不同动作。如果是其他指令，比如三色RGB灯的控制，解析出三色的数据，输出不同电压，实现脸部变色功能。比如喇叭，可以播放SD卡中的音乐。

2、通信协议

为了方便手机与单片机之间、上位机与单片机之间、主机与从机之间的通信，我们定义了属于自己的通信协议。

通信协议的基本格式为。

例如动作指令。其中，“”代表指令结束。这句话的意思就是向前走5步。其它动作指令也是类似的。

灯光颜色选择指令由三条指令构成，分别为，和。众所周知，红、绿、蓝是光的三原色，通过控制红、绿、蓝的比例，就可以实现任意颜色的输出。R、G、B是英文红色red、绿色green、蓝色blue的首字母，分别代表红色、绿色和蓝色。R、G、B的参数变化范围为0-255，这样就可以变化出1600多万种颜色。

二、单片机选择

为了方便大家编写单片机的程序，我们采用的是完全开源的Arduino系列单片机。Arduino由一个欧洲开发团队于2005年冬季为艺术生开发，所以比较简单，容易上手。Arduino由硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)组成。下图为常用的几款Arduino。

Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OSX、Linux三大主流操作系统上运行。Arduino语言基于wiring语言开发，是对 avr-gcc库的二次封装，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后，人人都可以快速的进行开发。Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。

总之，Arduino具有跨平台、开发简单、开源的优点，所以我们采用的Arduino系列单片机。

三、运动控制简析

小π机器人有4个自由度，换句话说，小π机器人的运动主要是通过控制4个舵机来实现的。4个舵机在一定时间内依次转动不同的角度，再通过一定的排列组合，就可以实现前进、左转、右转、后退等简易动作和摇头、抬脚、晃腿、弹跳等复杂的动作。

舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线。舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。

由于一次改变PWM占空比太多，舵机转动速度过快、转动角度太大，会造成动作不协调、也不美观，而且运动过快容易造成小π机器人的不平衡。所以要控制小π机器人做一个特定的动作，只能分多次控制舵机的角度，每次只转动一点角度，延时一定时间后再次改变舵机的角度，这个延迟时间一般为几个毫秒，这样就可以使舵机比较平缓的转动相应的角度。

四、其余硬件部分程序

1、蓝牙模块

蓝牙模块使用的是HC-06，负责与手机之间进行通信。单片机与蓝牙模块之间的通信采用的是串口通信。波特率设置为115200，设置代码为Serial.begin（115200）。发送命令代码为Serial.println（””）。

2、音频播放模块

主控单片机通过vwin 人按压独立按键产生一个脉冲信号控制蓝牙音频模块，实现切换歌曲、调节音量、播放与暂停的功能。

例如，定义播放/暂停键为2号端口，初始化代码为：

pinMode(2,OUTPUT)；

产生一个脉冲信号代码为：

digitalWrite(2,HIGH)；//2号端口置为高电平

delay(200)；//延时200毫秒

digitalWrite(2,LOW)； //2号端口置为低电平

delay(1000)；//延时1秒

3、七彩LED控制

主控单片机产生三个不同PWM信号实现对七彩LED的控制，最终达到灯光秀的效果。

PWM信号是数字方波，其中频率是恒定的，但信号接通时间的一小部分（占空比）可以在0和100％之间变化。

4、触摸功能

三根触须使用的是金属材料，人摸触须时，由于端口电平的改变触发中断，执行相应的操作。

中断设置代码如下：

pinMode( pinInterrupt, INPUT)；//设置管脚为输入

//Enable中断管脚, 中断服务程序为onChange(), 监视引脚变化

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinInterrupt),onChange,CHANGE)；

5、语音互动功能

将语音以数组的形式存到SD卡中，每次进行语音互动时，提取相应的数据，产生音频输出信号，经过滤波后通过喇叭播放相应的语音。

6、SD卡模块

SD卡模块读写可以采用SPI模式或者SDIO模式读写数据。

SD库允许读取和写入SD卡，例如在Arduino以太网盾上。该库支持标准SD卡和SDHC卡上的FAT16和FAT32文件系统。它使用简短的8.3名称作为文件。传递给SD库函数的文件名可以包含用正斜杠分隔的路径，例如“directory / filename.txt”。由于工作目录始终是SD卡的根目录，因此无论是否包含前导斜杠（例如，“/file.txt”等同于“file.txt”），名称都是指同一个文件。从版本1.0开始，该库支持打开多个文件。

微控制器和SD卡之间的通信使用SPI，它发生在数字引脚11,12和13（在大多数Arduino板上）或50,51和52（Arduino Mega）上。另外，必须使用另一个引脚来选择SD卡。这可以是硬件SS引脚 - 引脚10（在大多数Arduino板上）或引脚53（在Mega上） - 或调用SD.begin（）时指定的另一个引脚。请注意，即使您不使用硬件SS引脚，也必须将其保留为输出或SD库不起作用。

这些模块的代码都比较简单、网上也有大量的例程。需要什么程序，大家自由组合就好了。

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