Соберите робота, следующего по линии, на микроконтроллере 8051

Почти каждый инженерный курс по микроконтроллерам заканчивается одним заданием: собрать робота, следующего по линии, на 8051. Задание хорошее по причине, о которой обычно не говорят: микросхема не даёт ничего. Нет analogWrite() для задания скорости двигателя, нет analogRead() для датчиков, нет библиотеки для платы драйвера. Каждый обычно доступный слой здесь нужно реализовать самостоятельно.

Именно в этом различие между данным маршрутом сборки и роботом, следующим по линии, на Arduino. Робот тот же, но глубина другая. Вы напишете генератор широтно-импульсной модуляции (PWM), который в Arduino реализован кремнием, узнаете, почему вывод 8051 зажигает светодиод (LED) только при обратном подключении, и до покупки компонентов точно выясните, сколько CPU потребляет управление двигателями.

8051 — 8-битный микроконтроллер с гарвардской архитектурой в корпусе с 40 выводами, обычно AT89S52 с 8 KB Flash и 256 байт RAM. У него нет периферийного модуля PWM, его порты квазидвунаправленные (перед чтением входа нужно записать 1), а его выводы пропускают больше тока, чем подают, поэтому светодиод подключают со стороны стока, а для надёжного управления H-мостом драйвера двигателей нужны подтягивающие резисторы. Эти подробности кажутся примечаниями, пока робот вообще ничего не делает из-за неподключённого или заземлённого EA или потому, что схема сброса активна на верхнем уровне, а вы подключили её к нижнему.

Сначала вы работаете на макетной плате только с микросхемой, кварцевым резонатором 11.0592 MHz, двумя нагрузочными конденсаторами, схемой сброса и EA на верхнем уровне — это минимальная схема, действительно выполняющая код. Первые три руководства проводят вас через архитектуру и карту памяти, универсальный ввод-вывод (GPIO) и сопряжение с портами, а затем создание PWM из таймера 0 в 8-битном режиме автоматической перезагрузки: около 460.8 Hz с шагом 5%; это занимает примерно четверть CPU — плата за отсутствие периферийного модуля.

Далее пути объединяются с роботом, следующим по линии, на Arduino: тот же массив инфракрасных (IR) датчиков отражения сводится к взвешенной ошибке, тот же ПИД-регулятор (PID) с пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющими управляет движением, а в том же браузерном симуляторе вы находите коэффициенты для прохождения поворотов. Дерево проекта разделяет аппаратные и концептуальные узлы, поэтому первая половина требует только микросхемы и ISP-программатора, например USBasp, и лишь последним двум узлам сборки нужны шасси, двигатели и массив датчиков.

Выполните приведённое ниже дерево проекта по порядку. Первые три узла требуют только микросхемы на макетной плате, коэффициенты движения по линии настраиваются в браузерном симуляторе, и лишь последним двум этапам нужны шасси и двигатели. Ваш прогресс сохраняется на этом устройстве.

Перечень компонентов

Итого: примерно $35–50.

Две покупки определяют, будет ли проект приятным или мучительным.

Кварцевый резонатор должен быть 11.0592 MHz. Контроллер 8051 формирует скорость последовательной передачи через переполнение таймера 1, и при 11.0592 MHz каждая стандартная скорость даёт целое значение перезагрузки: 9600 бод в точности соответствует TH1 = 0xFD. Кварцевый резонатор 12 MHz даёт 10417 бод вместо целевых 9600, то есть ошибку 8.5%, что значительно превышает примерно 3%, допустимые для UART. Каждый символ приходит повреждённым. Микросхема работает идеально, пока не попытаетесь вывести что-либо для отладки, — это худшее время для такого открытия.

Массив датчиков должен иметь цифровые выходы, иначе необходимо добавить внешний ADC, например ADS7828 или ADC0808. У 8051 вообще нет аналогового входа. Это первое, что микросхема отнимает, но Arduino предоставляет бесплатно, и решение стоит принять осознанно: выходы компараторов проще, но не дают плавного пропорционального сигнала ошибки, необходимого для качественной настройки ПИД-регулятора.

Минимальная схема

До подключения любых датчиков и двигателей добейтесь, чтобы микросхема без дополнительной обвязки выполняла код на макетной плате. Шесть соединений:

Незаземлённый EA — самая частая причина того, что первая плата с 8051 кажется нерабочей, и он не вызывает ни ошибки, ни света, ни каких-либо указаний. Проверяйте его первым, каждый раз.

Светодиод на P1.0 — это «привет, мир»: подключите катод к выводу, анод через резистор 330 Ω к +5 V и запишите 0, чтобы включить свет. Вывод пропускает около 10 mA, но подаёт лишь примерно 60 мкА, поэтому при обратном подключении светодиод слабо светится и выглядит неисправным.

Сборка по этапам

Первые три этапа требуют только микросхемы на макетной плате, поэтому до покупки шасси можно продвинуться далеко по этому проекту.

Этап 7 — ради него существует этот проект. Вызов analogWrite в Arduino ничего не стоит: PWM генерируется кремнием. Здесь вы создали его через прерывание таймера, и оно срабатывает десятки тысяч раз в секунду. Измерение доли CPU, которую это потребляет, — главный урок: обычно это четверть микросхемы, и именно её покупает аппаратный периферийный модуль PWM.

Как выглядит хороший результат

Последнюю строку стоит назвать прямо. Этот робот не превзойдёт робота, следующего по линии, на Arduino. Это тот же робот, собранный трудным способом, и польза заключается в понимании, а не в производительности. Если нужен более качественный робот, следующий по линии, настраивайте сборку на Arduino. Если нужно понять, что всё это время делал за вас analogWrite, соберите этот вариант.

Диагностика неисправностей

Куда двигаться дальше

Добавьте второй таймер и измерьте собственный контур. Когда таймер 0 создаёт PWM, таймер 1 может измерять период контура регулирования и превращать ощущение отзывчивости в число. На микросхеме, где можно подсчитывать машинные циклы, это число точно предсказуемо — проверьте свой прогноз.

Подключите жидкокристаллический дисплей (LCD) через порт 0, и вы полностью столкнётесь с проблемой открытого стока, а также с требованиями по времени устройства, которое действительно медленнее процессора.

Затем соберите версию на Arduino — и обратите внимание, сколько теперь вы понимаете в каждой её строке. Вызов analogWrite, занимающий одну строку, здесь потребовал вечера на ISR; analogRead — это ADC, который пришлось добавить снаружи. Именно это сравнение и составляет реальный результат проекта.