用 8051 单片机做一台循迹机器人

几乎每一门教单片机的工程课程，最后的作业都是同一个：在 8051 上做一台循迹车。它之所以是个好作业，原因通常没人说——这颗芯片什么都不给你。没有 analogWrite() 让你设定电机转速，没有 analogRead() 读传感器，也没有驱动板用的库。你平时习惯调用的每一层，都要自己建起来。

这就是这条制作路线和 Arduino 循迹车之间的区别。机器人是同一台，深度却不是。你要亲手写出 Arduino 在硅片里已经做好的脉宽调制（PWM）生成器，弄明白为什么 8051 的引脚只有反接才能点亮 LED，并且在买任何东西之前就确切知道，你的电机控制究竟吃掉了多少 CPU。

8051 是一颗 40 脚封装的 8 位 Harvard 架构单片机，通常是带 8 KB 闪存和 256 字节 RAM 的 AT89S52。它没有 PWM 外设，端口是准双向的（读输入之前必须先写 1），引脚吸收的电流比提供的多——所以 LED 要接在吸收端，而电机驱动的 H 桥（高边桥）需要上拉才能被可靠驱动。这些细节听起来像脚注，直到机器人完全不动了，你才发现原因是 EA 悬空，或者复位是高电平有效而你把它接到了低电平。

你从面包板起步，只有芯片、一枚 11.0592 MHz 晶振和两个负载电容、一套复位网络，以及把 EA 拉高——这是真正能执行代码的最小电路。前三篇教程会带你走遍架构与内存映射、通用输入输出（GPIO）与端口对外接口，然后用定时器 0 的 8 位自动重装模式手搓出 PWM：大约 460.8 Hz、5% 的步进，占用大约四分之一的 CPU——这是你没有外设所必须付出的代价。

从这一步开始，路线就和 Arduino 循迹车汇合了：同样把红外（infrared）反射阵列压缩成一个加权误差，同样的 PID（比例-积分-微分）转向，以及同样在浏览器模拟器里找出能干净过弯的增益。技术树把硬件节点和概念节点分开，所以前半程只需要芯片和一支 ISP（在系统编程）烧录器（比如 USBasp），只有最后两个制作节点才需要底盘、电机和传感器阵列。

技术树按序走。前三节点面包板芯片就行，循迹增益浏览器模拟器调，后两步底盘电机要。进度这台设备存。

物料单

合计约 $35–50。

有两件买什么，会决定这个项目是做得开心还是做得痛苦。

**晶振必须是 11.0592 MHz。**8051 是靠定时器 1 溢出来产生串口波特率的，而在 11.0592 MHz 下，每一个标准波特率算出来的重装值都是整数——9600 波特率正好对应 TH1 = 0xFD。用 12 MHz 晶振，对应目标是 9600 却会算出 10417，也就是 8.5% 的误差，远超 UART 大约 3% 的容忍度。于是每一个字符到达时都是坏的。芯片在你想打印点什么来调试之前一切正常，而那恰恰是最糟糕的发现时机。

传感器阵列必须是数字输出，否则你必须外加一颗 ADC，比如 ADS7828 或 ADC0808。8051 完全没有模拟输入。这是这颗芯片从你手里拿走、而 Arduino 白送给你的第一样东西，值得有意识地做取舍：比较器输出更简单，但你会失去那个平滑的比例误差信号，而它正是让 PID 调得好的关键。

最小电路

传感器电机前，面包板光芯片跑代码先。六连接：

EA 悬空是第一块 8051 板子看起来像坏了的头号原因，而且它不产生任何报错、任何指示灯、任何线索。每次都先查它。

在 P1.0 上接一颗 LED 就是这个项目的“hello world”：负极接引脚，正极经一个 330 Ω 电阻接到 +5 V，写 0 点亮。引脚能吸收约 10 mA，却只能提供大约 60 微安，所以反过来接的话它只会发出微弱的光，看起来像是故障。

里程碑制作

前三面包板芯片就行，底盘买前走老远。

里程碑 7 正是这个项目存在的理由。Arduino 的 analogWrite 不花任何代价——PWM 是在硅片里生成的。而这里你是用一个定时器中断手搭出来的，它每秒要触发几万次。把它占用了多少比例的 CPU 量出来，就是这一课的要义：通常是整颗芯片的四分之一，而这正是硬件 PWM 外设帮你省下的东西。

做好长什么样

最后这一点值得直说：**这台机器人不会比 Arduino 循迹车更强。**它是同一台机器人，只是用更费力的方式造出来，而它的回报是理解而不是性能。如果你想做一台更好的循迹车，去调 Arduino 那台。如果你想知道 analogWrite 一直在替你做些什么，那就来造这台。

故障排查

下一步去哪

**再加一个定时器，量一量你自己的主循环。**定时器 0 跑着 PWM，定时器 1 就可以用来数控制循环的周期，把“感觉跟手”变成一个数字。在一颗你能数机器周期的芯片上，这个数字是完全可以精确预测的——去验证你的预测。

通过端口 0 接一块 LCD，你就会正面碰上开漏这个问题，外加一个确实比处理器慢得多的设备所带来的时序要求。

然后去做 Arduino 版本——并留意你现在对其中每一行的理解。那一行 analogWrite，在这里就是你要花一个晚上写的那个中断服务程序；那个 analogRead，就是你不得不外加的 ADC。这番对比才是这个项目真正的交付物。