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摘要： 很多接觸機器人或單片機不久的朋友面對種類(lèi)繁多的單片機常會(huì )困惑，到底它們之間有何不同？制作機器人到底用哪種單片機控制比較好？當我們選擇了一種單片機后，有何捷徑能迅速掌握并應用這種單片機？本文嘗試用一種通俗易懂的方法解讀上述問(wèn)題，并設計了一種有深度的單片機控制機器人的實(shí)例，希望能起到拋磚引玉的作用。我與大家分享我使用單片機的一些經(jīng)驗，希望能讓初學(xué)者少些迷茫，讓已經(jīng)入門(mén)的朋友思維開(kāi)闊。 寫(xiě)本文時(shí)我僅有3年單片機實(shí)踐經(jīng)驗，比較了解51系列和AVR系列單片機，因此著(zhù)重討論了AVR單片機，我經(jīng)驗有限，有錯誤在所難免，希望朋友們批評指正！ 一 單片機和CPU、個(gè)人電腦的區別和聯(lián)系 這部分內容比較初級，但很多朋友剛接觸單片機時(shí)或許對下面的問(wèn)題不是很清楚。 1 什么是CPU？ CPU中文名稱(chēng)為“中央處理器”，典型代表為英特爾8086處理器，現在的奔騰X處理器都是8086的直系后代。處理器，顧名思義，其功能是處理數據，對于中央處理器，就是在數據處理中處于核心地位的處理器，聽(tīng)起來(lái)似乎很復雜，但實(shí)際上核心就是一個(gè)ALU“算術(shù)邏輯單元”。這個(gè)單元由一些數字門(mén)電路組成，僅能完成括加、減、乘、除四則運算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、比較和傳送等操作。CPU內部包含ALU，除此之外CPU還有時(shí)鐘電路，CPU運行的基本原理是：時(shí)鐘電路產(chǎn)生計數脈沖，這個(gè)脈沖控制著(zhù)一個(gè)累加器，即每產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖，累加器加1，這個(gè)累加值以16進(jìn)制數字的形式通過(guò)地址總線(xiàn)唯一選通程序儲存器中一個(gè)儲存單元（在CPU外部），這個(gè)單元將內部?jì)Υ娴某绦蛎畲a通過(guò)數據總線(xiàn)送到ALU中，ALU根據代碼不同執行不同操作，比如把某寄存器數值和某數值相加等，然后將計算結果輸出到IO口或者各個(gè)總線(xiàn)上。 總之，CPU的工作就是把程序中的命令代碼翻譯成不同任務(wù)，然后執行，輸出執行結果。CPU在一切數字計算機中都發(fā)揮了核心作用，即計算機都有CPU。 2 什么是個(gè)人電腦？ 由于CPU只有計算功能，其計算的結果需要通過(guò)顯示器、音箱輸出，而其工作的依據，即程序命令則依靠硬盤(pán)儲存，其執行任務(wù)時(shí)動(dòng)態(tài)存取的數據要保存在內存中，而人可以通過(guò)鍵盤(pán)控制程序命令的執行過(guò)程，把所有這些CPU的外設組合在一起就叫做“個(gè)人電腦”。 3 什么是單片機？ 個(gè)人電腦功能強大，計算速度快，是較為理想的計算機。但當我們需要用一個(gè)小裝置控制微波爐定時(shí)開(kāi)關(guān)時(shí)，個(gè)人電腦就顯得笨重和昂貴。因此人們設計出一種濃縮型電腦，大的有幾平方厘米，小的比米粒還小，它們叫做“單片機”——單片微型計算機。CPU是一個(gè)芯片，單片機也是一個(gè)芯片，看起來(lái)外觀(guān)差不多，它們有什么不同呢？答案是：?jiǎn)纹瑱C內除了集成有CPU外，還集成了程序儲存器ROM（可理解為硬盤(pán)）、數據儲存器RAM（可理解為內存），輸入輸出接口（可理解為顯示器、鍵盤(pán)插座），有的單片機內還集成了電機驅動(dòng)電路、視頻解碼電路、AD轉換器、無(wú)線(xiàn)傳輸電路等，使得單片機功能變得非常強大。單片機的特長(cháng)在于可以用單個(gè)芯片和簡(jiǎn)單外部電路去實(shí)現復雜的控制操作，因此非常適合機器人控制。其實(shí)在絕大多數機器人中都有單片機的影子。簡(jiǎn)單的和中等復雜的機器人可以用單片機直接控制，高度復雜的機器人用“個(gè)人電腦”或者“超級計算機”指揮許多單片機來(lái)完成機器人控制。 4 學(xué)習單片機的捷徑是什么？ 所謂捷徑就是少走彎路。我剛開(kāi)始學(xué)單片機時(shí)走了不少彎路，很多朋友和我都有相似的經(jīng)歷，剛開(kāi)始接觸單片機，面對琳瑯滿(mǎn)目的圖書(shū)教材，不知選擇哪本；想實(shí)踐時(shí)不知到哪買(mǎi)單片機；不知如何編程下載程序…… A 對于初學(xué)者仔細看本文就是學(xué)習單片機的捷徑之一。 B 到圖書(shū)館或者書(shū)店在數十本單片機書(shū)中選一本你能看懂，而且覺(jué)得案例有趣的“實(shí)在、生動(dòng)、活潑”的單片機書(shū)做為你的入門(mén)讀物。 C 建議先從51單片機學(xué)起。掌握51后再學(xué)AVR，然后學(xué)ARM、DSP等。 D 在學(xué)習過(guò)程中實(shí)踐非常必要。你需要一臺電腦。如果是臺式電腦，你可以花十幾元購買(mǎi)25針并口下載線(xiàn)，如果是筆記本電腦，你只能購買(mǎi)幾十元到幾百元的USB ISP編程器。 E 用萬(wàn)用板自己焊一個(gè)單片機最小系統，或者購買(mǎi)開(kāi)發(fā)板。沒(méi)有必要使用昂貴的仿真器。 F 你需要上網(wǎng)下載單片機編程軟件，比如51用Keil編程，AVR用CVAVR編程，在編程軟件中編好程序，然后生成HEX文件，再上網(wǎng)下載并口燒程序軟件或者USB ISP燒程序軟件，用燒程序軟件加載HEX文件，然后將編程線(xiàn)查到你的單片機電路板上，即可把程序燒到單片機中。 G 拔下編程線(xiàn)，然后接通單片機板電源，你可以看到單片機系統在運行。 H 如果系統不能正常運行，首先檢查電路是否接錯，然后檢查程序是否燒錯，如果以上都沒(méi)毛病，研究程序是否編錯。有時(shí)系統不能正常運行并不意味著(zhù)有什么地方錯了，只是某些參數沒(méi)設置好，你需要不斷運行、修改程序、調試參數、再運行如此往復，直到你對系統運行滿(mǎn)意為止。有時(shí)這是一個(gè)非常艱苦的重復勞動(dòng)，調整數百次上千次，你無(wú)法回避，只能堅定信念，勇往直前。 I 到淘寶網(wǎng)上買(mǎi)東西更方便、更便宜。 二 在單片機誕生前人們用什么控制機器人 1 模擬計算機 在數字計算機誕生前，人們用電子管、電容器和電感線(xiàn)圈、電阻搭建模擬計算機，能夠完成許多簡(jiǎn)單的計算和控制任務(wù)。所謂模擬計算機就是其計算采用的信號不是 1、0數字信號，而是電壓連續變換的模擬信號，類(lèi)似于自動(dòng)控制原理中的各種控制器采用的運算。別小看了模擬計算機，上世紀80年代中東戰爭時(shí)，阿拉伯國家使用的蘇制全自動(dòng)自行防空炮內采用模擬計算機實(shí)現計算飛機軌跡并控制火炮射擊目標。 
2 齒輪和凸輪組成的控制器 在模擬計算機誕生前，也就是蒸汽機時(shí)代，有些機械天才硬是用數百個(gè)齒輪和凸輪搭建出機械計算機，人們通過(guò)轉動(dòng)印有數字的各種齒輪，另一些齒輪就將運算結果顯示出來(lái)。機械計算機在人類(lèi)史上上曾經(jīng)是高科技產(chǎn)品，第二次世界大戰時(shí)，德國著(zhù)名的密碼機就是一種機電混合式計算機，它當時(shí)是最保密的通信工具。
3 發(fā)條和秒表和繼電器組成的控制器 在電氣時(shí)代開(kāi)始時(shí)，人們用鐘表內機械的旋轉分時(shí)控制一些繼電器的通斷，從而控制一些機床和生產(chǎn)線(xiàn)的運行。這種裝置類(lèi)似于早期洗衣機內的定時(shí)器。
三 入門(mén)首選 AT89S51系列單片機 1 簡(jiǎn)介 1980，英特爾公司開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)易的8031CPU，在當時(shí)該CPU性能不比8086差很多，但價(jià)格較便宜，因此被很多低端應用選中。由于市場(chǎng)看好，ATMEL公司購買(mǎi)了8031的內核，把Flash存儲器和加強型IO口融入進(jìn)去開(kāi)發(fā)出了AT89系列單片機。所有兼容8031指令和內核相似的單片機統稱(chēng)為51單片機，它是目前應用最廣泛的8位單片機之一。因51單片機結構簡(jiǎn)單，指令易學(xué)，應用廣泛，因此是初學(xué)單片機首選機型。如果有人想不學(xué)51，直接學(xué)AVR，那么此人一定會(huì )遇到很多難題，困惑和郁悶將伴隨著(zhù)學(xué)習過(guò)程。如果學(xué)了51再學(xué)AVR和其他單片機，人們會(huì )發(fā)現“所謂單片機都不過(guò)如此”。 2 性能 根據任務(wù)具體需要選擇最合適的單片機，使單片機資源充分利用，使系統性?xún)r(jià)比達到最高，同時(shí)兼顧未來(lái)擴展需要，不一味追求高性能單片機，這就是選單片機的原則。 AT89S51有4K的Flash程序存儲器，128字節的RAM，32條IO口，中斷系統具有6個(gè)中斷源、5個(gè)終端矢量、2個(gè)中斷優(yōu)先級的中斷結構；串行口是一個(gè)全雙工的串行通信口；AT89S51的電源電壓為4.0-5.5V，AT89LS51的電源電壓為2.7-4.0V；振蕩器頻率 0-33MHz（AT89S51），0-16MHz(AT89LS51); 有ISP 在線(xiàn)編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢在于改寫(xiě)單片機存儲器內的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個(gè)強大易用的功能。 AT89S52程序儲存器容量為8KB，還有AT89S55，ROM容量更大。 有很多公司生產(chǎn)了很多擴展型51系列單片機，有的帶有AD轉換器，有的帶有比較器，有的帶有PWM，讀者可以根據自身需要選擇合適的51單片機，但要注意他們的管腳定義和編程方式。 3 使用方法 AT89S51 適于做單片機學(xué)習板、電子時(shí)鐘、超聲波測距儀等不需要采集模擬量和控制大功率外部元件的電路。S51與過(guò)去的C51的區別在于S51支持ISP在線(xiàn)編程，即C51需要幾百元的編程器編程，而S51僅需一條25針并口線(xiàn)和非常簡(jiǎn)單的轉換電路即可接在臺式電腦打印機接口燒程序，下載燒程序小軟件即實(shí)現可對 S51單片機編程。對51單片機編程一般選用Keil軟件，可采用C語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言，編完程后選擇輸出HEX文件，然后用燒程序小軟件讀取HEX文件，再燒寫(xiě)到單片機中。 4 實(shí)踐經(jīng)驗 A 剛開(kāi)始看書(shū)時(shí)，按照書(shū)上的電路圖連線(xiàn)然后通電調試，但總不成功，將自己的電路和書(shū)上的電路仔細對照發(fā)現不了問(wèn)題。原因在于很多書(shū)上的電路圖都是“簡(jiǎn)化圖”，即省略了一些電路，而這些被省略的電路卻關(guān)乎系統的運行。比如，當單片機書(shū)講到AD轉換電路，給出的電路圖多省略了晶振和復位電路，按照AD轉換電路圖搭出來(lái)的系統自然不能運行。 B 51單片機P0口輸出信號時(shí)需要上拉電阻，我經(jīng)常忘記加電阻，導致電路不好使。 C 51單片機31引腳需要接正極，以選擇采用內部程序存儲器。如果忘記給這個(gè)引腳以正確的電壓，你的單片機可能不能執行程序。
4 應用舉例
四 愛(ài)好者制作機器人首選 AVR系列單片機 1 簡(jiǎn)介 AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機。高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價(jià)位一直是衡量單片機性能的重要指標，而AVR單片機是典型高性能單片機。 早期單片機，比如51單片機為了提高可靠性（防止數據誤讀或跑飛）采用較高的分頻系數對時(shí)鐘分頻，使得指令周期長(cháng)，執行速度慢。例如51單片機需要12個(gè)晶振周期才能組成1個(gè)機器周期，而且很多指令需要2個(gè)機器周期才能執行。AVR單片機的推出，徹底打破這種舊設計格局，廢除了機器周期，采用精簡(jiǎn)指令集，取指周期短，又可預取指令，實(shí)現流水作業(yè)，故可高速執行指令。AVR單片機在12個(gè)晶振周期中能執行12條指令，從這個(gè)角度看，如果晶振頻率相同，AVR的速度是51的12倍到24倍。 AVR有32個(gè)通用寄存器，在進(jìn)行大量復雜運算時(shí)，AVR的32個(gè)寄存器可相當于51的32個(gè)累加器，克服了51系列單片機只有單一累加器數據處理造成的瓶頸現象，在復雜運算時(shí)速度比51快5倍以上。由此可看出，51與AVR相比是多么慢，AVR是多么快。 AVR 系列單片機多內部集成了多路AD轉換器、電壓比較器、ISP、I2C、JTAG總線(xiàn)電路、UART串口、大功率IO口、看門(mén)狗等實(shí)用電路，并且很多AVR 單片機型號有EEPROM、FLASH、SRAM三種存儲器，可以實(shí)現實(shí)時(shí)修改程序存儲器中的內容，即AVR單片機可以自己修改自己的程序。同時(shí)AVR一般能工作在寬電壓范圍（2.7～6.0V），有的居然可以在1.8V電壓下工作。以上這些性能只是AVR眾多性能中的一部分，然而已經(jīng)讓51系列單片機望塵莫及了。 如此高性能的單片機價(jià)格居然和51單片機差不多，比如ATmega8價(jià)格為8元左右，ATmega16在13元左右，這是AVR有極高性?xún)r(jià)比的真實(shí)寫(xiě)照。
2 性能 AVR家族人丁興旺，包括ATinyAVR（微小型）、低功耗類(lèi)、ATmegaAVR高中低檔5類(lèi)單片機。它們都基于同一核心技術(shù)，但在內部集成的電路多少上有不同。不論你要做電子手表還是視頻處理，都有一款合適的AVR單片機能滿(mǎn)足你的需要。 本文只列出ATmega16中檔單片機的性能： 16KB的FLASH程序存儲器；512B的 EEPROM；1KB的SRAM；32個(gè)快速寄存器；32個(gè)大功率IO口；20個(gè)中斷；2個(gè)外部中斷口；有SPI、SUART、I2C總線(xiàn)接口；2個(gè)8位定時(shí)器；1個(gè)16位定時(shí)器；3個(gè)PWM通道；有實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；8個(gè)10位AD通道；電壓比較器；看門(mén)狗；內置時(shí)鐘振蕩器；JTAG接口；ISP在線(xiàn)編程；電壓范圍為2.7V-5.5V；外部時(shí)鐘晶振0-16MHz；有PID和多種貼片封裝。 AVR的IO口能輸出20mA和吸收40mA的電流，不僅可直接驅動(dòng)LED,甚至可直接驅動(dòng)微型直流減速電機。而且AVR的IO口可編程設置成輸入、輸出、高阻態(tài)狀態(tài)，是真正的3態(tài)IO口。和51相比使用 AVR開(kāi)發(fā)產(chǎn)品你會(huì )發(fā)現前所未有的方便和自由。 AVR單片機可上操作系統，比如UCOS2、Linux等，自主編程實(shí)現操作系統功能也很容易。 根據任務(wù)具體需要選擇最合適的單片機，使單片機資源充分利用，使系統性?xún)r(jià)比達到最高，同時(shí)兼顧未來(lái)擴展需要，不要一味選用高性能單片機，這就是選單片機的原則。 用ARM+操作系統做超聲波測距儀——殺雞用了牛刀。用AVR中檔單片機做機器視覺(jué)——有些吃不消。如果把它們調換一下，一切就恰到好處了。 3 使用方法 學(xué)AVR單片機的好書(shū)是《AVR單片機嵌入式系統原理與應用實(shí)踐》，封面見(jiàn)下圖。 AVR一般采用CVAVR 編程軟件編程，也可用GUN GCC AVR、AVR Studio軟件編程�？刹捎脜R編或C語(yǔ)言編程。燒程序前先輸出HEX文件，然后用SLISP（雙龍ISP）軟件加載，再通過(guò)ISP編程線(xiàn)或者25針并口連接線(xiàn)燒入AVR單片機，支持在線(xiàn)編程。 由于A(yíng)VR單片機最小系統很簡(jiǎn)單，就是電源+晶振（可不用）+LED+ISP接口（通電就運行，斷電就停止，不用復位電路），因此任何初學(xué)者都可以用面包板搭出AVR最小系統，并且編程實(shí)踐。 4 實(shí)踐經(jīng)驗 使用AVR單片機時(shí)注意要正確設置熔絲位，SLISP軟件就可設置，熔絲位可決定單片機是采用外部晶振還是采用內部時(shí)鐘振蕩器，如果熔絲位設置為采用外部晶振，而電路中沒(méi)有接入晶振，則AVR程序不能運行。很多初學(xué)者忽視了這一點(diǎn)，他們的AVR系統不能運行卻找不到原因。再有就是AVR的IO口在使用前需先編程設置其狀態(tài)，否則你將發(fā)現程序在運行，但IO口沒(méi)信號。
4 應用舉例
五 高級機器人控制器 ARM 1 簡(jiǎn)介 ARM是一個(gè)公司名，他們基于同一內核設計了很多高性能處理器，這些處理器都叫ARM。該技術(shù)被很多公司購買(mǎi)后生產(chǎn)出了集成很多功能電路的ARM芯片，使得ARM成為高性能單片機。ARM一般為32位單片機，適于處理大量復雜數據，很多ARM裝上了UCOS2、Windows CE、Linux操作系統，能夠同時(shí)運行多個(gè)程序。ARM廣泛應用于手機、MP3、GPS導航儀、吸塵機器人等產(chǎn)品上。
六 音頻視頻處理首選 DSP 1 簡(jiǎn)介 DSP數字信號處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)，它是一種獨特的微處理器，是以數字信號來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號，再對數字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實(shí)際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運行速度可達每秒數以千萬(wàn)條復雜指令程序，遠遠超過(guò)通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。 在高速小車(chē)巡線(xiàn)、語(yǔ)音識別等領(lǐng)域DSP被廣泛應用。但如果僅用DSP檢測幾個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)、控制幾個(gè)電機顯得大材小用。 七 新興控制器 FPGA 1簡(jiǎn)介 FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現的，系統設計師可以根據需要通過(guò)可編輯的連接把FPGA內部的邏輯塊連接起來(lái)，就好像一個(gè)電路試驗板被放在了一個(gè)芯片里。簡(jiǎn)單說(shuō)，如果使用者想開(kāi)發(fā)一個(gè)用簡(jiǎn)單數字邏輯電路就能控制的小車(chē)，又嫌搭電路麻煩，他就可用軟件給一個(gè)FPGA編程讓它實(shí)現數字電路功能去控制小車(chē)。即FPGA可被用來(lái)模擬各種電路。有的FPGA甚至能模擬51單片機的運行。因FPGA通過(guò)編程即可修改它模擬的電路結構，因此在系統實(shí)驗、調試中很方便，很多愛(ài)好者嘗試用FPGA做機器人控制器。 八 更多可供選擇的單片機 我們選擇學(xué)一款單片機前首先要考慮自己面對的實(shí)際任務(wù)需要什么性能的單片機，然后在眾多性能滿(mǎn)足要求的單片機中作出選擇。此時(shí)我們還要考慮不同單片機的 “應用廣泛程度”，比方說(shuō)：當我們要做一個(gè)電子大賽智能小車(chē)，有AVR單片機和PIC單片機可滿(mǎn)足任務(wù)需要，如何在兩者中作出選擇需要考慮哪種單片機學(xué)起來(lái)比較容易、學(xué)習資料容易獲取、可供參考的程序和案例更加豐富、哪種單片機更容易獲得編程軟件和下載器等。筆者感覺(jué)要想做智能小車(chē)，AVR單片機的資料比較豐富。 世界上有種類(lèi)繁多的單片機，它們當中絕大多數都可用來(lái)控制機器人，但存在一個(gè)是否合適的問(wèn)題。比如PLC是可編程控制器，當然可以用來(lái)控制愛(ài)好者手中的機器人，但PLC多用于工業(yè)控制領(lǐng)域，設備龐大價(jià)格昂貴，同時(shí)不易獲得用PLC控制小型機器人的資料。愛(ài)好者選擇學(xué)一種單片機前，首先得明確自己要用單片機干什么，然后再選最合適的單片機學(xué)習。學(xué)單片機重在學(xué)精一兩種單片機，如果有人泛泛地學(xué)ARM、PLC、PIC、凌陽(yáng)、DSP、FPGA等所有有名的單片機，那么他將無(wú)法擁有真正的深度開(kāi)發(fā)能力。所謂深度開(kāi)發(fā)，以AVR單片機為例，初學(xué)者可以用它實(shí)現小燈交替閃爍，中級技術(shù)人員可以用它控制參加比賽的機器人，而真正的高級開(kāi)發(fā)人員可以用AVR實(shí)現機器視覺(jué)、無(wú)人機自動(dòng)駕駛、坦克火控系統…… AVR單片機過(guò)時(shí)了嗎？ 有初學(xué)者甚至中級開(kāi)發(fā)人員認為因ARM性能一般比AVR性能高，因此ARM將代替AVR，AVR將退出歷史舞臺，或者MSP430將代替51系列單片機，或者FPGA將取代所有單片機等。這種看法不對，因為不同單片機都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有哪種單片機是完美的，在不同場(chǎng)合用最合適的單片機，發(fā)揮它們各自的特長(cháng)，而不存在A(yíng)RM一統天下，取代所有其他型號單片機的可能性。試想，原本十幾元的電子表因為采用ARM控制買(mǎi)到幾百元，誰(shuí)能受得了？因此不要覺(jué)得 AVR已經(jīng)過(guò)時(shí)，學(xué)完51就直接學(xué)ARM，或者覺(jué)得學(xué)51沒(méi)用，直接學(xué)ARM，否則你將碰壁。 MSP430系列單片機：比較適于機器人開(kāi)發(fā)，是美國德州儀器推向市場(chǎng)的一種16位、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合信號處理器。具有Flash存儲器，中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。MSP430系列單片機的電源電壓采用的是 1.8~3.6V 電壓。因而可使其在1MHz的時(shí)鐘條件下運行時(shí)，芯片的電流會(huì )在200~400uA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1uA。MSP430系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門(mén)狗、模擬比較器、定時(shí)器、串口0、1、硬件乘法器、液晶驅動(dòng)器、10位/12位ADC、16位 Sigma-Delta AD、直接尋址模塊（DMA）、IO端口、基本定時(shí)器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。MSP430 系列單片機引進(jìn)了JTAG技術(shù)，不僅使開(kāi)發(fā)工具變得簡(jiǎn)便，而且價(jià)格也相對低廉，并且還可以實(shí)現在線(xiàn)編程。 PIC單片機：可用于機器人開(kāi)發(fā)，是8位單片機，產(chǎn)品種類(lèi)豐富，采用精簡(jiǎn)指令集，有不錯的開(kāi)發(fā)環(huán)境，引腳驅動(dòng)能力強，可直接連接繼電器控制強電。自帶看門(mén)狗，有睡眠和低功耗模式。很多性能不如AVR和MSP430系列單片機，但因其有特殊優(yōu)點(diǎn)，也被廣泛應用。 凌陽(yáng)單片機：比較適于機器人開(kāi)發(fā)，以16位計算機為核心，集成不同規模的RAM、ROM和其他豐富的功能電路，使用者可以根據自己需要選擇集成了特定功能電路的凌陽(yáng)單片機。凌陽(yáng)單片機指令系統提供出具有較高運算速度的16位，16位的乘法運算指令和內積運算指令，為其應用添加了DSP功能，因此凌陽(yáng)適合進(jìn)行語(yǔ)音識別。在我國凌陽(yáng)單片機在學(xué)校比較常見(jiàn)，應用實(shí)例較多，可作為機器人愛(ài)好者選用的單片機。 九 實(shí)例：用AVR單片機創(chuàng )造機器生命 1 什么是機器生命 機器生命就是一個(gè)能自主生存的機器，一個(gè)自動(dòng)為生存下去而奮斗的機器。對于機器生命來(lái)說(shuō)，生存的含義就是不斷電，繼續運行。機器生命具有完全自主決策、自主行動(dòng)、活動(dòng)于未知世界、不需人類(lèi)參與就能持續運行并且自我維護等特征。影片《終結者》中的天網(wǎng)就是超級機器生命�！杜Z5號》描述了一個(gè)機器人從無(wú)生命到有生命的過(guò)程。 N.維納（Norbert Wiener，1894～1964）寫(xiě)《控制論》時(shí)創(chuàng )造出第一個(gè)機器生命Wiener龜，這個(gè)機器龜僅有2個(gè)電子管組成的模擬計算機，但它卻能實(shí)現真正的烏龜覓食、睡覺(jué)、探索、逃避等行為，其表現如同一個(gè)有生命的生物一樣。機器龜上面有太陽(yáng)能電池，當自身電池快用完前，機器龜樂(lè )于尋找一個(gè)光線(xiàn)充足的地方充電，充滿(mǎn)電后可能找個(gè)地方睡懶覺(jué)，或者探索未知世界，它有避免碰撞和避免到傾斜地方的趨向，我們無(wú)法預知它的行蹤，因為它不是按照程序運行的，就如同我們自己一樣。后來(lái)維納在他的機器龜上又加了一個(gè)電子管，三個(gè)電子管連接成簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)對機器龜訓練，維納通過(guò)搖鈴可控制機器龜的行為。正如有生物學(xué)家訓練狗使得狗聽(tīng)到搖鈴聲后就流口水。
2 我們可以自己動(dòng)手做一個(gè)機器寵物 我們今天有先進(jìn)的單片機，制作一個(gè)更好的機器生命其實(shí)不難。機器生命遠比按固定程序運行的機器人好玩，就如同寵物狗比玩具狗好玩一樣。我們設想的機器生命可以是一個(gè)小型履帶式機器人，帶有太陽(yáng)能板，能感受光線(xiàn)強弱，障礙物距離和碰撞，為了實(shí)現人機互動(dòng)，該機器生命具有語(yǔ)音識別功能。試想你學(xué)習一天，回到寢室，叫一聲TONY，你的機器寵物轉身飛快跑向你，那種感覺(jué)只有寵物的創(chuàng )造者才能體會(huì )……
3 如何實(shí)現？如何設計電路？如何設計結構？ 這個(gè)機器生命方案采用ATmega16單片機做控制器，單片機的8路AD通道和其余24個(gè)IO接口都被使用。AVR單片機AD轉換頻率高于音頻，可以用來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的語(yǔ)音采集。機器生命的程序較復雜，而AVR單片機適合進(jìn)行快速復雜運算。本設計的電路板上除了ATmega16單片機外，還有2個(gè)LG9110 電機驅動(dòng)芯片、2個(gè)LM386音頻功放芯片，和LM393電壓比較器芯片，再加上少量電阻電容和三極管，電路簡(jiǎn)潔，適合初學(xué)者和中級愛(ài)好者動(dòng)手制作。 LCD采用通用1602模塊，支持3位控制線(xiàn)4位數據線(xiàn)，如果你采用IO口復用技術(shù)，可用6條線(xiàn)控制LCD模塊。 此方案涉及光電檢測、自動(dòng)充電、語(yǔ)音識別、超聲波測距、鍵盤(pán)（4個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)）、LCD液晶顯示、電機驅動(dòng)等技術(shù)，這些都是動(dòng)手做簡(jiǎn)單機器人的基本技術(shù)，如果愛(ài)好者能把這個(gè)機器生命做好，那么你的電路設計、調試經(jīng)驗和編程能力都會(huì )有很大的提高。 這個(gè)機器生命的技術(shù)含量相當于20世紀70年代國際機器人領(lǐng)域的先進(jìn)水平。當時(shí)已經(jīng)有很多非常精密和復雜的工業(yè)機器人被應用，但這種簡(jiǎn)單的機器人怎么能稱(chēng)作先進(jìn)呢？因為技術(shù)的復雜和技術(shù)的先進(jìn)不是一個(gè)概念，復雜+精密不一定等于先進(jìn)。先進(jìn)的東西不一定復雜和精密。
A 尋光 我們可以用光電二極管來(lái)檢測光線(xiàn)強弱。當然也可以用光敏電阻。將光敏電阻和一個(gè)固定電阻串聯(lián)接在電源正負極之間，光敏電阻靠近正極一側。從光敏電阻和固定電阻連接點(diǎn)引出導線(xiàn)接到ATmega16的AD轉換輸入口。當強光照在光敏電阻時(shí)，光敏電阻阻值變小，因此其壓降變小，而固定電阻分壓增多，引出的AD檢測電位升高，被單片機轉化為數字量后判斷光線(xiàn)增強。機器生命有5個(gè)光電傳感器，其中4個(gè)面向機器人前后左右四個(gè)方向，另一個(gè)指向太陽(yáng)能板所面對的方向。通過(guò)編程可以讓機器人自主移動(dòng)到光線(xiàn)最強的地方。 B 充電 本設計采用4.8V鎳氫充電電池為系統供電。太陽(yáng)能電池板正負極通過(guò)一個(gè)三極管與電池正負極相連。有一個(gè)電壓比較器比較電池電壓與太陽(yáng)能板的壓差，如果壓差高于某值，比較器控制三極管導通，太陽(yáng)能電池板對充電電池充電。充電電池電壓上升，當高于某值時(shí)控制三極管關(guān)斷，結束充電。為使太陽(yáng)能板能對電池組充電，要求太陽(yáng)能板在陽(yáng)光直射下輸出電壓高于8V。
C 語(yǔ)音識別 用AVR單片機的高速AD檢測功能能實(shí)現簡(jiǎn)單的語(yǔ)音識別。聲音信號被駐極體電容話(huà)筒接收后送至LM386音頻功放芯片放大和過(guò)濾后送至單片機AD轉換口，單片機對音頻信號幅值采樣轉化為一組數字，然后對這組進(jìn)行取方差運算，得出一個(gè)特征值，該特征值可以用于簡(jiǎn)單的語(yǔ)音識別。比如你發(fā)一個(gè)“e”，方差應該比較小，如果你發(fā)“p”爆破音，方差應該較大。當然，如果你用更復雜的數據處理，會(huì )得到更好的識別效果。本設計使用了2路聲音信號，目的是讓單片機判斷出聲源的大體方位。 D 超聲波測距 用AVR的1個(gè)IO口輸出40KHz信號送至超聲波發(fā)射電路，當超聲波遇到障礙物返回后，被超聲波接收頭接收，信號經(jīng)CX20106A解碼芯片處理，得到一個(gè)低電平脈沖，用該脈沖引發(fā)AVR單片機中斷，AVR通過(guò)檢查發(fā)波和收到回波之間的時(shí)間差即可算出障礙物距離。 E 電機驅動(dòng) 本設計采用2片LG9110電機驅動(dòng)芯片驅動(dòng)兩臺直流減速電機。LG9110輸出最大電流為800mA，僅需要2條控制線(xiàn)與單片機IO口直接相連即可控制一臺電機正反轉或者停止。LG9110僅有8個(gè)引腳，使用非常方便。 F 讓機器生命更聰明 我的這個(gè)機器生命設計方案能實(shí)現最酷的效果是：白天，陽(yáng)光明媚，機器生命跑到陽(yáng)光底下曬太陽(yáng)，太陽(yáng)光會(huì )隨著(zhù)時(shí)間變化，機器生命能自動(dòng)跑到最合適的位置享受日光浴。到了晚上，機器生命會(huì )找個(gè)安靜的地方閉目養神，等待明天太陽(yáng)升起。你可以訓練機器生命，讓它知道自己的名字叫什么。比如你叫著(zhù)它的名字，同時(shí)站在它面前用強光照射它的太陽(yáng)能電池板，如此反復訓練，會(huì )使機器生命聽(tīng)到自己名字后向聲源方向跑去，在距離聲源一定遠處停止，因為以往這樣做它都能享受強光照射并充電。這就如同真正的寵物狗，你叫它名字它就跑到你跟前希望能獲得食物。這一切都是完全能夠實(shí)現的，關(guān)鍵就在于編程序實(shí)現它。 G 想象無(wú)極限，你的機器寵物將無(wú)所不能 以上方案中，ATmega16的功能被發(fā)揮到極致，以至于沒(méi)有空閑的IO口，系統不能再擴展了。如果你用ATmega128單片機做，那么它擁有53個(gè) IO口，30多個(gè)中斷，128Kb的程序存儲器，4Kb的RAM，使得你能編寫(xiě)更復雜的程序、儲存更多的動(dòng)態(tài)數據、連接更多的外設，你的機器生命將變得非常有生命力。比如加入三軸加速度傳感器、地磁傳感器、GPS定位、雨水傳感器甚至攝像頭、無(wú)線(xiàn)通信模塊等，重新設計一個(gè)堅固和強勁的底盤(pán)，你的機器生命就可以在室外自由探索了。 以上芯片外設來(lái)源說(shuō)明：在淘寶上購買(mǎi)很容易 底盤(pán)：340元的高級履帶式1：16電動(dòng)坦克模型 加速度傳感器、地磁傳感器：美國AD公司的40元ADXL330加速度傳感器 GPS定位：幾十元的車(chē)載外置GPS天線(xiàn) 最后，我想說(shuō)，機器人是非常好玩的，只要你有想象力，有毅力，努力研究實(shí)踐就能創(chuàng )造奇跡。 作者：劉天龍 1986年生 愛(ài)好廣泛，喜愛(ài)機器人技術(shù) 期待開(kāi)發(fā)各種各樣的機器人產(chǎn)品 郵箱：spurtltl@126.com 2010 2 5 注有LTL Robot字樣的案例均為作者制作 來(lái)源：機器人天空 |
