很多接觸機(jī)器人或單片機(jī)不久的朋友面對種類繁多的單片機(jī)常會(huì)困惑，到底它們之間有何不同？制作機(jī)器人到底用哪種單片機(jī)控制比較好？當(dāng)我們選擇了一種單片機(jī)后，有何捷徑能迅速掌握并應(yīng)用這種單片機(jī)？本文嘗試用一種通俗易懂的方法解讀上述問題，并設(shè)計(jì)了一種有深度的單片機(jī)控制機(jī)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(jī)的一些經(jīng)驗(yàn)，希望能讓初學(xué)者少些迷茫，讓已經(jīng)入門的朋友思維開闊。
這部分內(nèi)容比較初級，但很多朋友剛接觸單片機(jī)時(shí)或許對下面的問題不是很清楚。
1 什么是CPU？
CPU中文名稱為“中央處理器”，典型代表為英特爾8086處理器，現(xiàn)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(shù)據(jù)，對于中央處理器，就是在數(shù)據(jù)處理中處于核心地位的處理器，聽起來似乎很復(fù)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(shù)字門電路組成，僅能完成括加、減、乘、除四則運(yùn)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(nèi)部包含ALU，除此之外CPU還有時(shí)鐘電路，CPU運(yùn)行的基本原理是：時(shí)鐘電路產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，這個(gè)脈沖控制著一個(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(shù)字的形式通過地址總線唯一選通程序儲(chǔ)存器中一個(gè)儲(chǔ)存單元（在CPU外部），這個(gè)單元將內(nèi)部儲(chǔ)存的程序命令代碼通過數(shù)據(jù)總線送到ALU中，ALU根據(jù)代碼不同執(zhí)行不同操作，比如把某寄存器數(shù)值和某數(shù)值相加等，然后將計(jì)算結(jié)果輸出到IO口或者各個(gè)總線上。
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(zhí)行，輸出執(zhí)行結(jié)果。CPU在一切數(shù)字計(jì)算機(jī)中都發(fā)揮了核心作用，即計(jì)算機(jī)都有CPU。
2 什么是個(gè)人電腦？由于CPU只有計(jì)算功能，其計(jì)算的結(jié)果需要通過顯示器、音箱輸出，而其工作的依據(jù)，即程序命令則依靠硬盤儲(chǔ)存，其執(zhí)行任務(wù)時(shí)動(dòng)態(tài)存取的數(shù)據(jù)要保存在內(nèi)存中，而人可以通過鍵盤控制程序命令的執(zhí)行過程，把所有這些CPU的外設(shè)組合在一起就叫做“個(gè)人電腦”。
3 什么是單片機(jī)？
個(gè)人電腦功能強(qiáng)大，計(jì)算速度快，是較為理想的計(jì)算機(jī)。但當(dāng)我們需要用一個(gè)小裝置控制微波爐定時(shí)開關(guān)時(shí)，個(gè)人電腦就顯得笨重和昂貴。因此人們設(shè)計(jì)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(jī)”——單片微型計(jì)算機(jī)。CPU是一個(gè)芯片，單片機(jī)也是一個(gè)芯片，看起來外觀差不多，它們有什么不同呢？答案是：單片機(jī)內(nèi)除了集成有CPU外，還集成了程序儲(chǔ)存器ROM（可理解為硬盤）、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器RAM（可理解為內(nèi)存），輸入輸出接口（可理解為顯示器、鍵盤插座），有的單片機(jī)內(nèi)還集成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、視頻解碼電路、AD轉(zhuǎn)換器、無線傳輸電路等，使得單片機(jī)功能變得非常強(qiáng)大。單片機(jī)的特長在于可以用單個(gè)芯片和簡單外部電路去實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制操作，因此非常適合機(jī)器人控制。其實(shí)在絕大多數(shù)機(jī)器人中都有單片機(jī)的影子。簡單的和中等復(fù)雜的機(jī)器人可以用單片機(jī)直接控制，高度復(fù)雜的機(jī)器人用“個(gè)人電腦”或者“超級計(jì)算機(jī)”指揮許多單片機(jī)來完成機(jī)器人控制。
4 學(xué)習(xí)單片機(jī)的捷徑是什么？
所謂捷徑就是少走彎路。我剛開始學(xué)單片機(jī)時(shí)走了不少彎路，很多朋友和我都有相似的經(jīng)歷，剛開始接觸單片機(jī)，面對琳瑯滿目的圖書教材，不知選擇哪本；想實(shí)踐時(shí)不知到哪買單片機(jī)；不知如何編程下載程序……
A 對于初學(xué)者仔細(xì)看本文就是學(xué)習(xí)單片機(jī)的捷徑之一。
B 到圖書館或者書店在數(shù)十本單片機(jī)書中選一本你能看懂，而且覺得案例有趣的“實(shí)在、生動(dòng)、活潑”的單片機(jī)書做為你的入門讀物。
C 建議先從51單片機(jī)學(xué)起。掌握51后再學(xué)AVR，然后學(xué)ARM、DSP等。
D 在學(xué)習(xí)過程中實(shí)踐非常必要。你需要一臺(tái)電腦。如果是臺(tái)式電腦，你可以花十幾元購買25針并口下載線，如果是筆記本電腦，你只能購買幾十元到幾百元的USB ISP編程器。
E 用萬用板自己焊一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者購買開發(fā)板。沒有必要使用昂貴的仿真器。
F 你需要上網(wǎng)下載單片機(jī)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，然后將編程線查到你的單片機(jī)電路板上，即可把程序燒到單片機(jī)中。
G 拔下編程線，然后接通單片機(jī)板電源，你可以看到單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行。
H 如果系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，首先檢查電路是否接錯(cuò)，然后檢查程序是否燒錯(cuò)，如果以上都沒毛病，研究程序是否編錯(cuò)。有時(shí)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行并不意味著有什么地方錯(cuò)了，只是某些參數(shù)沒設(shè)置好，你需要不斷運(yùn)行、修改程序、調(diào)試參數(shù)、再運(yùn)行如此往復(fù)，直到你對系統(tǒng)運(yùn)行滿意為止。有時(shí)這是一個(gè)非常艱苦的重復(fù)勞動(dòng)，調(diào)整數(shù)百次上千次，你無法回避，只能堅(jiān)定信念，勇往直前。
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1 模擬計(jì)算機(jī)
在數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生前，人們用電子管、電容器和電感線圈、電阻搭建模擬計(jì)算機(jī)，能夠完成許多簡單的計(jì)算和控制任務(wù)。所謂模擬計(jì)算機(jī)就是其計(jì)算采用的信號不是 1、0數(shù)字信號，而是電壓連續(xù)變換的模擬信號，類似于自動(dòng)控制原理中的各種控制器采用的運(yùn)算。別小看了模擬計(jì)算機(jī)，上世紀(jì)80年代中東戰(zhàn)爭時(shí)，阿拉伯國家使用的蘇制全自動(dòng)自行防空炮內(nèi)采用模擬計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算飛機(jī)軌跡并控制火炮射擊目標(biāo)。
2 齒輪和凸輪組成的控制器
在模擬計(jì)算機(jī)誕生前，也就是蒸汽機(jī)時(shí)代，有些機(jī)械天才硬是用數(shù)百個(gè)齒輪和凸輪搭建出機(jī)械計(jì)算機(jī)，人們通過轉(zhuǎn)動(dòng)印有數(shù)字的各種齒輪，另一些齒輪就將運(yùn)算結(jié)果顯示出來。機(jī)械計(jì)算機(jī)在人類史上上曾經(jīng)是高科技產(chǎn)品，第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，德國著名的密碼機(jī)就是一種機(jī)電混合式計(jì)算機(jī)，它當(dāng)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)代開始時(shí)，人們用鐘表內(nèi)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)分時(shí)控制一些繼電器的通斷，從而控制一些機(jī)床和生產(chǎn)線的運(yùn)行。這種裝置類似于早期洗衣機(jī)內(nèi)的定時(shí)器。
三 入門首選 AT89S51系列單片機(jī)
1 簡介
1980，英特爾公司開發(fā)出一種簡易的8031CPU，在當(dāng)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(yīng)用選中。由于市場看好，ATMEL公司購買了8031的內(nèi)核，把Flash存儲(chǔ)器和加強(qiáng)型IO口融入進(jìn)去開發(fā)出了AT89系列單片機(jī)。所有兼容8031指令和內(nèi)核相似的單片機(jī)統(tǒng)稱為51單片機(jī)，它是目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一。因51單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，指令易學(xué)，應(yīng)用廣泛，因此是初學(xué)單片機(jī)首選機(jī)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學(xué)習(xí)過程。如果學(xué)了51再學(xué)AVR和其他單片機(jī)，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)“所謂單片機(jī)都不過如此”。
2 性能
根據(jù)任務(wù)具體需要選擇最合適的單片機(jī)，使單片機(jī)資源充分利用，使系統(tǒng)性價(jià)比達(dá)到最高，同時(shí)兼顧未來擴(kuò)展需要，不一味追求高性能單片機(jī)，這就是選單片機(jī)的原則。
AT89S51有4K的Flash程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的RAM，32條IO口，中斷系統(tǒng)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(jié)構(gòu)；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 在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢在于改寫單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。
AT89S52程序儲(chǔ)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(kuò)展型51系列單片機(jī)，有的帶有AD轉(zhuǎn)換器，有的帶有比較器，有的帶有PWM，讀者可以根據(jù)自身需要選擇合適的51單片機(jī)，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(jī)學(xué)習(xí)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與過去的C51的區(qū)別在于S51支持ISP在線編程，即C51需要幾百元的編程器編程，而S51僅需一條25針并口線和非常簡單的轉(zhuǎn)換電路即可接在臺(tái)式電腦打印機(jī)接口燒程序，下載燒程序小軟件即實(shí)現(xiàn)可對 S51單片機(jī)編程。對51單片機(jī)編程一般選用Keil軟件，可采用C語言或者匯編語言，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，再燒寫到單片機(jī)中。
4 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)
A 剛開始看書時(shí)，按照書上的電路圖連線然后通電調(diào)試，但總不成功，將自己的電路和書上的電路仔細(xì)對照發(fā)現(xiàn)不了問題。原因在于很多書上的電路圖都是“簡化圖”，即省略了一些電路，而這些被省略的電路卻關(guān)乎系統(tǒng)的運(yùn)行。比如，當(dāng)單片機(jī)書講到AD轉(zhuǎn)換電路，給出的電路圖多省略了晶振和復(fù)位電路，按照AD轉(zhuǎn)換電路圖搭出來的系統(tǒng)自然不能運(yùn)行。
B 51單片機(jī)P0口輸出信號時(shí)需要上拉電阻，我經(jīng)常忘記加電阻，導(dǎo)致電路不好使。
C 51單片機(jī)31引腳需要接正極，以選擇采用內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。如果忘記給這個(gè)引腳以正確的電壓，你的單片機(jī)可能不能執(zhí)行程序。
4 應(yīng)用舉例
