Costruisci un robot seguilinea con un microcontrollore 8051

Quasi tutti i corsi di ingegneria che insegnano i microcontrollori terminano con la stessa assegnazione: costruisci un robot seguilinea su un 8051. È una buona assegnazione per un motivo che di solito non viene detto: il chip non ti dà nulla. Nessun analogWrite() per impostare la velocità di un motore, nessun analogRead() per i sensori, nessuna libreria per la scheda del driver. Ogni livello che di solito invocheresti è tuo.

È la differenza tra questo percorso di costruzione e il robot seguilinea con Arduino. Il robot è lo stesso; la profondità non lo è. Scriverai il generatore di modulazione di larghezza d’impulso (PWM) che un Arduino ha nel silicio, imparerai perché un pin dell’8051 accende un LED solo se lo colleghi al contrario e scoprirai, prima di comprare qualsiasi cosa, quanta CPU ti costa esattamente il controllo dei motori.

L’8051 è un microcontrollore a 8 bit con architettura Harvard in un package a 40 pin, di solito un AT89S52 con 8 KB di flash e 256 byte di RAM. Non ha una periferica PWM, le sue porte sono quasi bidirezionali (devi scrivere un 1 prima di leggere un ingresso) e i suoi pin assorbono più corrente di quanta ne possano fornire: per questo il LED va sul lato di assorbimento e il driver del motore H-bridge (ponte alto) ha bisogno di resistenze di pull-up per essere pilotato in modo affidabile. Questi dettagli sembrano note a margine finché il robot non fa nulla perché EA è flottante o il circuito di reset è attivo alto e tu lo hai collegato a massa.

Inizi su una breadboard con soltanto il chip, un cristallo da 11.0592 MHz e due condensatori di carico, una rete di reset e EA collegato al livello alto: il circuito minimo che esegue davvero il codice. I primi tre tutoriali ti guidano attraverso architettura e mappa della memoria, input/output general-purpose (GPIO) e interfacciamento delle porte, poi la costruzione del PWM con il Timer 0 in modalità di ricaricamento automatico a 8 bit: circa 460.8 Hz con passi del 5%, al costo di circa un quarto della CPU, un compromesso che paghi per non avere una periferica.

Da lì il percorso converge con il robot seguilinea con Arduino: lo stesso array IR (infrarosso) a riflessione ridotto a un errore ponderato, lo stesso controllo PID (Proporzionale-Integrale-Derivativo) della sterzata e lo stesso simulatore nel browser, dove trovi guadagni che affrontano bene le curve. L’albero tecnologico separa i nodi hardware da quelli dei concetti, così la prima metà richiede solo il chip e un programmatore ISP (in-system programming) come un USBasp; solo gli ultimi due nodi di costruzione richiedono telaio, motori e array.

Percorri l’albero tecnologico qui sotto in ordine. I primi tre nodi richiedono solo il chip su una breadboard, i guadagni del seguimento della linea si regolano nel simulatore del browser e solo gli ultimi due passaggi richiedono telaio e motori. I tuoi progressi vengono salvati su questo dispositivo.

Lista dei componenti

Totale: circa $35–50.

Due acquisti decidono se questo progetto è gradevole o spiacevole.

Il cristallo deve essere da 11.0592 MHz. L’8051 deriva la velocità seriale facendo traboccare il Timer 1 e, a 11.0592 MHz, ogni velocità standard dà come risultato un valore di ricaricamento intero: 9600 baud corrisponde esattamente a TH1 = 0xFD. Un cristallo da 12 MHz dà 10417 baud contro un obiettivo di 9600, un errore dell’8.5%, ben oltre il ~3% che una UART tollera. Ogni carattere arriva corrotto. Il chip funziona perfettamente finché non provi a stampare qualcosa per il debug, che è il momento peggiore in cui scoprirlo.

L’array di sensori deve avere uscite digitali, oppure devi aggiungere un ADC esterno come un ADS7828 o un ADC0808. L’8051 non ha alcun ingresso analogico. Questa è la prima cosa che il chip ti toglie e che Arduino ti dà gratuitamente; vale la pena deciderlo in modo consapevole: le uscite dei comparatori sono più semplici, ma ti fanno perdere il segnale proporzionale e regolare che rende efficace la regolazione del PID.

Il circuito minimo

Prima di qualsiasi sensore o motore, fai eseguire il codice al chip nudo su una breadboard. Sei collegamenti:

Un EA flottante è il motivo più comune per cui una prima scheda 8051 sembra morta, e non produce alcun errore, alcuna luce e nessun indizio. Controllalo per primo, ogni volta.

Un LED su P1.0 è il “hello world”: collega il catodo al pin, l’anodo tramite un resistore da 330 Ω a +5 V e scrivi 0 per accenderlo. Il pin assorbe circa 10 mA e fornisce circa 60 microampere, quindi collegato nel modo opposto luce debolmente e sembra un guasto.

Costruiscilo in traguardi

I primi tre richiedono solo il chip su una breadboard, quindi puoi essere già avanti in questo progetto prima di comprare un telaio.

Il traguardo 7 è quello per cui esiste questo progetto. Il metodo analogWrite di un Arduino non costa nulla: il PWM è generato nel silicio. Qui l’hai costruito con un interrupt del timer e si attiva decine di migliaia di volte al secondo. Misurare quale frazione della CPU consuma è la lezione: in genere è un quarto del chip, ed è ciò che acquista una periferica PWM hardware.

Che aspetto ha un buon risultato

Vale la pena dire chiaramente quest’ultima riga. Questo robot non surclasserà il robot seguilinea con Arduino. È lo stesso robot, costruito nel modo difficile, e il guadagno è la comprensione, non la prestazione. Se vuoi un robot seguilinea migliore, regola quello con Arduino. Se vuoi sapere cosa abbia fatto per te analogWrite, costruisci questo.

Risoluzione dei problemi

Da dove proseguire

Aggiungi un secondo timer e misura il tuo ciclo. Con il Timer 0 che gestisce il PWM, il Timer 1 può contare il periodo del ciclo di controllo, trasformando «sembra reattivo» in un numero. Su un chip in cui puoi contare i cicli macchina, quel numero è esattamente prevedibile: verifica la tua previsione.

Collega un LCD tramite la porta 0 e incontri davvero il problema dell’open drain, oltre ai requisiti temporali di un dispositivo realmente più lento del processore.

Poi costruisci la versione con Arduino e osserva quanto ora capisci di ogni sua riga. L’analogWrite che scrivi in una riga è la ISR a cui qui hai dedicato una serata; analogRead è l’ADC che hai dovuto aggiungere esternamente. Questo confronto è il vero risultato del progetto.