Robot seguidor de línea con microcontrolador 8051

Casi todos los cursos de ingeniería que enseñan microcontroladores terminan con el mismo ejercicio: construir un seguidor de línea sobre un 8051. Es un buen ejercicio por una razón que normalmente no se dice: el chip no le da nada. No hay analogWrite() para fijar la velocidad de un motor, ni analogRead() para los sensores, ni biblioteca para la placa del driver. Cada capa a la que normalmente llamaría, la construye usted.

Esa es la diferencia entre este itinerario de construcción y el seguidor de línea con Arduino. El robot es el mismo; la profundidad no. Va a escribir el generador de modulación por ancho de pulso (PWM) que un Arduino tiene en silicio, aprender por qué un pin del 8051 enciende un LED solo si lo cablea al revés, y averiguar —antes de comprar nada— exactamente cuánto CPU le está costando su control de motores.

El 8051 es un microcontrolador de 8 bits de arquitectura Harvard en un encapsulado de 40 pines, normalmente un AT89S52 con 8 KB de flash y 256 bytes de RAM. No tiene periférico PWM, sus puertos son cuasibidireccionales (hay que escribir un 1 antes de leer una entrada), y sus pines drenan más corriente de la que sourcing es capaz — así que el LED va en el lado de sumidero y el puente en H del driver de motores (high-bridge) necesita pull-ups para ser manejado de forma fiable. Esos detalles suenan a notas al pie hasta que el robot no hace absolutamente nada porque EA está flotante o porque el circuito de reset es activo a nivel alto y usted lo puso a masa.

Empieza en una protoboard solo con el chip, un cristal de 11.0592 MHz y dos condensadores de carga, una red de reset y EA a nivel alto: el circuito mínimo que realmente ejecuta código. Los tres primeros tutoriales le llevan por la arquitectura y el mapa de memoria, la entrada/salida de uso general (GPIO) y el interfaz de puertos, y luego construir PWM a partir del Timer 0 en modo de autorrecarga de 8 bits: unos 460.8 Hz con pasos del 5 %, con un coste aproximado de un cuarto de la CPU, un intercambio que paga por no tener periférico.

A partir de ahí el camino converge con el seguidor de línea de Arduino: el mismo array de reflectancia IR (infrarrojo) colapsado en un error ponderado, el mismo control PID (Proporcional-Integral-Derivativo), y el mismo simulador en el navegador donde encuentra ganancias que toman las curvas con limpieza. El árbol tecnológico mantiene separados los nodos de hardware y de concepto, así que la primera mitad no necesita más que el chip y un programador ISP (programación en sistema) como un USBasp, y solo los dos últimos nodos de construcción necesitan el chasis, los motores y el array.

Recorra el árbol tecnológico de abajo en orden. Los tres primeros nodos no necesitan más que el chip en una protoboard, las ganancias del seguimiento de línea se ajustan en el simulador del navegador, y solo los dos últimos pasos necesitan el chasis y los motores. Su progreso se guarda en este dispositivo.

Lista de materiales

Total: aproximadamente $35–50.

Dos compras deciden si este proyecto es agradable o miserable.

El cristal debe ser de 11.0592 MHz. El 8051 deriva su velocidad en baudios del desbordamiento del Timer 1, y a 11.0592 MHz toda velocidad estándar sale como un valor de recarga entero: 9600 baudios es exactamente TH1 = 0xFD. Un cristal de 12 MHz da 10417 baudios frente a un objetivo de 9600, un error del 8.5 %, muy por encima del ~3 % que tolera una UART. Cada carácter llega corrupto. El chip funciona perfectamente hasta el momento en que intenta imprimir algo para depurar, que es el peor momento posible para descubrirlo.

El array de sensores debe tener salidas digitales, o debe añadir un ADC externo como un ADS7828 o un ADC0808. El 8051 no tiene entrada analógica en absoluto. Esta es la primera cosa que el chip le quita y que un Arduino le da gratis, y vale la pena decidirlo a conciencia: las salidas de comparador son más simples pero le cuestan la señal de error proporcional suave que hace que el ajuste de PID funcione bien.

El circuito mínimo

Antes de cualquier sensor o motor, consiga que el chip desnudo ejecute código en una protoboard. Seis conexiones:

EA flotante es el motivo número uno de que una primera placa con un 8051 parezca muerta, y no produce ningún error, ninguna luz y ninguna pista. Compruébelo primero, siempre.

Un LED en P1.0 es el «hola mundo»: cablee el cátodo al pin, el ánodo a través de una resistencia de 330 Ω a +5 V, y escriba 0 para encenderlo. El pin drena unos 10 mA y en modo fuente da unos 60 microamperios, así que cableado al revés brilla tenuemente y parece un fallo.

Construir por hitos

Los tres primeros solo necesitan el chip en una protoboard, lo que significa que puede llevar usted mucho camino dentro de este proyecto antes de comprar un chasis.

El hito 7 es el que hace que este proyecto exista. El analogWrite de un Arduino no cuesta nada: el PWM se genera en silicio. Aquí lo construyó usted con una interrupción de timer, y se dispara decenas de miles de veces por segundo. Medir qué fracción de su CPU consume eso es la lección: típicamente es un cuarto del chip, y es justo lo que le compra un periférico PWM por hardware.

Cómo se ve un buen resultado

Esa última fila conviene decirla sin rodeos. Este robot no superará al seguidor de línea con Arduino. Es el mismo robot, construido por el camino difícil, y el retorno es comprensión y no rendimiento. Si quiere un mejor seguidor de línea, ajuste el de Arduino. Si quiere saber qué ha estado haciendo analogWrite por usted, construya este.

Resolución de problemas

Hacia dónde llevarlo después

Añada un segundo timer y mida su propio bucle. Con el Timer 0 generando el PWM, el Timer 1 puede contar el periodo de su bucle de control, lo que convierte «se siente responsivo» en un número. En un chip donde puede contar ciclos de máquina, ese número es exactamente predecible: verifique su predicción.

Interfaz de una LCD por el puerto 0 y se topa de verdad con el problema del colector abierto, más con los requisitos de temporización de un dispositivo que es genuinamente más lento que el procesador.

Y después construya la versión con Arduino, y fíjese en lo que ahora entiende de cada línea. El analogWrite que usted escribe en una línea es la ISR en la que invirtió una tarde aquí; el analogRead es el ADC que tuvo que añadir por fuera. Esa comparación es la verdadera entrega de este proyecto.