Bouw een lijnvolgerrobot met een 8051-microcontroller

Vrijwel elke engineeringopleiding die microcontrollers behandelt, eindigt met dezelfde opdracht: bouw een lijnvolger op een 8051. Er is een goede opdracht om een reden die meestal niet wordt uitgesproken — de chip geeft je niets. Geen analogWrite() om een motorsnelheid in te stellen, geen analogRead() voor de sensoren en geen bibliotheek voor het driverbord. Elke laag die je normaal gesproken zou aanroepen, bouw je zelf.

Dat is het verschil tussen dit bouwpad en de Arduino-lijnvolger. De robot is dezelfde; de diepgang niet. Je schrijft zelf de generator voor pulsbreedtemodulatie (PWM) die in een Arduino in silicium zit, leert waarom een 8051-pin een LED alleen laat oplichten als je die omgekeerd aansluit, en ontdekt — voordat je iets koopt — precies hoeveel CPU je motorbesturing je kost.

De 8051 is een 8-bits Harvard-architectuurmicrocontroller in een 40-pins pakket, meestal een AT89S52 met 8 KB flash en 256 bytes RAM. Hij heeft geen PWM-hardware, zijn poorten zijn quasi-bidirectioneel (je moet een 1 schrijven voordat je een invoer leest) en zijn pinnen kunnen meer stroom opnemen dan ze leveren — dus de LED komt aan de sinkzijde en de H-brug van de motordriver (high-bridge) heeft pull-ups nodig om betrouwbaar te worden aangestuurd. Die details lijken voetnoten totdat de robot helemaal niets doet omdat EA zweeft of het resetcircuit actief hoog is en je het laag hebt aangesloten.

Je begint op een breadboard met alleen de chip, een kristal van 11,0592 MHz en twee belastingscondensatoren, een resetnetwerk en EA op hoog — het minimale circuit dat daadwerkelijk code uitvoert. De eerste drie tutorials voeren je door de architectuur en geheugenkaart, de algemene in-/uitvoer (GPIO) en poortinterfacing en daarna het bouwen van PWM met Timer 0 in 8-bits auto-reloadmodus: ongeveer 460,8 Hz met stappen van 5%, voor ongeveer een kwart van de CPU, een afweging die je maakt omdat er geen PWM-hardware is.

Vanaf daar loopt het pad samen met dat van de Arduino-lijnvolger: dezelfde IR-array (infrarood) wordt samengevouwen tot een gewogen fout, dezelfde PID-regeling (proportionele, integrerende en differentiërende regeling) en dezelfde browsersimulator waarin je versterkingen vindt die de bochten netjes nemen. De techniekstructuur houdt hardware- en conceptknooppunten gescheiden, zodat de eerste helft niets nodig heeft behalve de chip en een ISP-programmeur (in-system programming), zoals een USBasp, en alleen de laatste twee bouwknooppunten het chassis, de motors en de array nodig hebben.

Werk de techniekstructuur hieronder in volgorde door. De eerste drie knooppunten hebben alleen de chip op een breadboard nodig, de versterkingen voor de lijnvolger stel je af in de browsersimulator en alleen de laatste twee stappen vereisen het chassis en de motors. Je voortgang wordt op dit apparaat opgeslagen.

Stuklijst

Totaal: ongeveer $35–50.

Twee aankopen bepalen of dit project prettig of frustrerend wordt.

Het kristal moet 11,0592 MHz zijn. De 8051 bepaalt zijn seriële baudrate door Timer 1 te laten overstromen, en bij 11,0592 MHz komt elke standaardbaudrate uit op een geheel getal als herlaadwaarde — 9600 baud is exact TH1 = 0xFD. Een kristal van 12 MHz levert 10.417 baud tegen een doel van 9600, een fout van 8,5%, ver voorbij de ~3% die een UART verdraagt. Elk teken wordt daardoor foutief ontvangen. De chip werkt prima totdat je iets probeert af te drukken voor foutzoeken, het slechtst mogelijke moment om dat te ontdekken.

De sensorarray moet digitale uitgangen hebben, of je moet een externe ADC toevoegen zoals een ADS7828 of ADC0808. De 8051 heeft helemaal geen analoge invoer. Dit is het eerste wat de chip wegneemt, maar een Arduino biedt het gratis, en het is de moeite waard er bewust voor te kiezen: comparatoruitgangen zijn eenvoudiger, maar kosten je het gladde proportionele foutsignaal waarmee PID goed kan worden afgesteld.

Het minimale circuit

Zorg ervoor dat de kale chip code uitvoert op een breadboard voordat je een sensor of motor aansluit. Zes verbindingen:

Een zwevende EA is de meest voorkomende reden dat een eerste 8051-bord dood lijkt, en dit veroorzaakt geen fout, geen licht en geen aanwijzing. Controleer dit elke keer eerst.

Een LED op P1.0 is de “hello world”: sluit de kathode aan de pin, de anode via een 330 Ω-weerstand op +5 V en schrijf 0 om hem te laten oplichten. De pin neemt ongeveer 10 mA op en levert ongeveer 60 microampère; andersom aangesloten gloeit de LED zwak en lijkt het op een fout.

Bouw hem stap voor stap

De eerste drie hebben alleen de chip op een breadboard nodig. Je kunt dus ver met dit project zijn voordat je een chassis koopt.

Mijlpaal 7 is de reden waarom dit project bestaat. De analogWrite van een Arduino kost niets — de PWM wordt in silicium gegenereerd. Hier heb je hem gebouwd met een timerinterrupt, en hij vuurt tienduizenden keren per seconde. Meten welk deel van de CPU dat verbruikt is de les: doorgaans is dat een kwart van de chip, en dat is precies wat PWM-hardware je oplevert.

Hoe een goed resultaat eruitziet

Die laatste rij moet je ronduit zeggen. Deze robot presteert niet beter dan de Arduino-lijnvolger. Het is dezelfde robot, op de moeilijke manier gebouwd, en de opbrengst is begrip in plaats van prestaties. Wil je een betere lijnvolger, stel dan de Arduino-versie af. Wil je weten wat analogWrite voor je heeft gedaan, bouw dan deze.

Problemen oplossen

Waar je daarna kunt gaan

Voeg een tweede timer toe en meet je eigen lus. Met Timer 0 voor PWM kan Timer 1 de periode van je regellus tellen. Daardoor wordt “het voelt responsief” een getal. Op een chip waarop je machinecycli kunt tellen, is dat getal exact voorspelbaar — controleer je voorspelling.

Gebruik een LCD via poort 0 om het open-drainprobleem te begrijpen en de tijdsvereisten te zien van een apparaat dat werkelijk langzamer is dan de processor.

Bouw daarna de Arduino-versie — en merk op wat je nu van elke regel begrijpt. De analogWrite die je hier in één regel schrijft is de ISR waar je hier een avond aan hebt besteed; analogRead is de ADC die je extern moest toevoegen. Die vergelijking is de echte oplevering van dit project.