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寫本文時(shí)我僅有3年單片機(jī)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，比較了解51系列和AVR系列單片機(jī)，因此著重討論了AVR單片機(jī)，我經(jīng)驗(yàn)有限，有錯(cuò)誤在所難免，希望朋友們批評(píng)指正!

一 單片機(jī)和CPU、個(gè)人電腦的區(qū)別和聯(lián)系

這部分內(nèi)容比較初級(jí)，但很多朋友剛接觸單片機(jī)時(shí)或許對(duì)下面的問(wèn)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(duì)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(tīng)起來(lái)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(guò)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?jī)?chǔ)存的程序命令代碼通過(guò)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(guò)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(guò)鍵盤控制程序命令的執(zhí)行過(guò)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(kāi)關(guān)時(shí)，個(gè)人電腦就顯得笨重和昂貴。因此人們?cè)O(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(lái)外觀差不多，它們有什么不同呢?答案是：?jiǎn)纹瑱C(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(wú)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(zhǎng)在于可以用單個(gè)芯片和簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jí)計(jì)算機(jī)”指揮許多單片機(jī)來(lái)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(kāi)始學(xué)單片機(jī)時(shí)走了不少?gòu)澛?，很多朋友和我都有相似的?jīng)歷，剛開(kāi)始接觸單片機(jī)，面對(duì)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(duì)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(jué)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(guò)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(gòu)買25針并口下載線，如果是筆記本電腦，你只能購(gòu)買幾十元到幾百元的USB ISP編程器。

E 用萬(wàn)用板自己焊一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者購(gòu)買開(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(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(méi)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(méi)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(duì)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(wú)法回避，只能堅(jiān)定信念，勇往直前。

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二 在單片機(jī)誕生前人們用什么控制機(jī)器人

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(jiǎn)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(hào)不是 1、0數(shù)字信號(hào)，而是電壓連續(xù)變換的模擬信號(hào)，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(zhēng)時(shí)，阿拉伯國(guó)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(guò)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(lái)。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(guó)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(kāi)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(jiǎn)介

1980，英特爾公司開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)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(chǎng)看好，ATMEL公司購(gòu)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(kāi)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(jiǎn)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(guò)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(guò)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(lái)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(jí)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(shì)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(cè)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(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(jiǎn)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(duì) S51單片機(jī)編程。對(duì)51單片機(jī)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，再燒寫到單片機(jī)中。

4 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

A 剛開(kāi)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(duì)照發(fā)現(xiàn)不了問(wèn)題。原因在于很多書上的電路圖都是“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(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(lái)的系統(tǒng)自然不能運(yùn)行。

B 51單片機(jī)P0口輸出信號(hào)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

四 愛(ài)好者制作機(jī)器人首選 AVR系列單片機(jī)

1 簡(jiǎn)介

AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)。高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，而AVR單片機(jī)是典型高性能單片機(jī)。

早期單片機(jī)，比如51單片機(jī)為了提高可靠性(防止數(shù)據(jù)誤讀或跑飛)采用較高的分頻系數(shù)對(duì)時(shí)鐘分頻，使得指令周期長(zhǎng)，執(zhí)行速度慢。例如51單片機(jī)需要12個(gè)晶振周期才能組成1個(gè)機(jī)器周期，而且很多指令需要2個(gè)機(jī)器周期才能執(zhí)行。AVR單片機(jī)的推出，徹底打破這種舊設(shè)計(jì)格局，廢除了機(jī)器周期，采用精簡(jiǎn)指令集，取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。AVR單片機(jī)在12個(gè)晶振周期中能執(zhí)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(fù)雜運(yùn)算時(shí)，AVR的32個(gè)寄存器可相當(dāng)于51的32個(gè)累加器，克服了51系列單片機(jī)只有單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶頸現(xiàn)象，在復(fù)雜運(yùn)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(jī)多內(nèi)部集成了多路AD轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、ISP、I2C、JTAG總線電路、UART串口、大功率IO口、看門狗等實(shí)用電路，并且很多AVR 單片機(jī)型號(hào)有EEPROM、FLASH、SRAM三種存儲(chǔ)器，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修改程序存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，即AVR單片機(jī)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(jī)望塵莫及了。

如此高性能的單片機(jī)價(jià)格居然和51單片機(jī)差不多，比如ATmega8價(jià)格為8元左右，ATmega16在13元左右，這是AVR有極高性價(jià)比的真實(shí)寫照。

2 性能

AVR家族人丁興旺，包括ATinyAVR(微小型)、低功耗類、ATmegaAVR高中低檔5類單片機(jī)。它們都基于同一核心技術(shù)，但在內(nèi)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(jī)能滿足你的需要。

本文只列出ATmega16中檔單片機(jī)的性能：

16KB的FLASH程序存儲(chǔ)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;看門狗;內(nèi)置時(shí)鐘振蕩器;JTAG接口;ISP在線編程;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(qū)動(dòng)LED,甚至可直接驅(qū)動(dòng)微型直流減速電機(jī)。而且AVR的IO口可編程設(shè)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(xiàn)前所未有的方便和自由。

AVR單片機(jī)可上操作系統(tǒng)，比如UCOS2、Linux等，自主編程實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)功能也很容易。

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(lái)擴(kuò)展需要，不要一味選用高性能單片機(jī)，這就是選單片機(jī)的原則。

用ARM+操作系統(tǒng)做超聲波測(cè)距儀——殺雞用了牛刀。用AVR中檔單片機(jī)做機(jī)器視覺(jué)——有些吃不消。如果把它們調(diào)換一下，一切就恰到好處了。

3 使用方法

學(xué)AVR單片機(jī)的好書是《AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)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編程線或者25針并口連接線燒入AVR單片機(jī)，支持在線編程。

由于AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)很簡(jiǎn)單，就是電源+晶振(可不用)+LED+ISP接口(通電就運(yùn)行，斷電就停止，不用復(fù)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(tǒng)，并且編程實(shí)踐。

4 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

使用AVR單片機(jī)時(shí)注意要正確設(shè)置熔絲位，SLISP軟件就可設(shè)置，熔絲位可決定單片機(jī)是采用外部晶振還是采用內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器，如果熔絲位設(shè)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(yùn)行。很多初學(xué)者忽視了這一點(diǎn)，他們的AVR系統(tǒng)不能運(yùn)行卻找不到原因。再有就是AVR的IO口在使用前需先編程設(shè)置其狀態(tài)，否則你將發(fā)現(xiàn)程序在運(yùn)行，但I(xiàn)O口沒(méi)信號(hào)。

4 應(yīng)用舉例

五 高級(jí)機(jī)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(nèi)核設(shè)計(jì)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(gòu)買后生產(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(jī)。ARM一般為32位單片機(jī)，適于處理大量復(fù)雜數(shù)據(jù)，很多ARM裝上了UCOS2、Windows CE、Linux操作系統(tǒng)，能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序。ARM廣泛應(yīng)用于手機(jī)、MP3、GPS導(dǎo)航儀、吸塵機(jī)器人等產(chǎn)品上。

六 音頻視頻處理首選 DSP

1 簡(jiǎn)介

DSP數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱DSP)，它是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。

在高速小車巡線、語(yǔ)音識(shí)別等領(lǐng)域DSP被廣泛應(yīng)用。但如果僅用DSP檢測(cè)幾個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)、控制幾個(gè)電機(jī)顯得大材小用。

七 新興控制器 FPGA

1簡(jiǎn)介

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需要通過(guò)可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來(lái)，就好像一個(gè)電路試驗(yàn)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(shù)字邏輯電路就能控制的小車，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(xiàn)數(shù)字電路功能去控制小車。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(jī)的運(yùn)行。因FPGA通過(guò)編程即可修改它模擬的電路結(jié)構(gòu)，因此在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試中很方便，很多愛(ài)好者嘗試用FPGA做機(jī)器人控制器。

八 更多可供選擇的單片機(jī)

我們選擇學(xué)一款單片機(jī)前首先要考慮自己面對(duì)的實(shí)際任務(wù)需要什么性能的單片機(jī)，然后在眾多性能滿足要求的單片機(jī)中作出選擇。此時(shí)我們還要考慮不同單片機(jī)的 “應(yīng)用廣泛程度”，比方說(shuō)：當(dāng)我們要做一個(gè)電子大賽智能小車，有AVR單片機(jī)和PIC單片機(jī)可滿足任務(wù)需要，如何在兩者中作出選擇需要考慮哪種單片機(jī)學(xué)起來(lái)比較容易、學(xué)習(xí)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(jī)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，AVR單片機(jī)的資料比較豐富。

世界上有種類繁多的單片機(jī)，它們當(dāng)中絕大多數(shù)都可用來(lái)控制機(jī)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(dāng)然可以用來(lái)控制愛(ài)好者手中的機(jī)器人，但PLC多用于工業(yè)控制領(lǐng)域，設(shè)備龐大價(jià)格昂貴，同時(shí)不易獲得用PLC控制小型機(jī)器人的資料。愛(ài)好者選擇學(xué)一種單片機(jī)前，首先得明確自己要用單片機(jī)干什么，然后再選最合適的單片機(jī)學(xué)習(xí)。學(xué)單片機(jī)重在學(xué)精一兩種單片機(jī)，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(jī)，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(jī)為例，初學(xué)者可以用它實(shí)現(xiàn)小燈交替閃爍，中級(jí)技術(shù)人員可以用它控制參加比賽的機(jī)器人，而真正的高級(jí)開(kāi)發(fā)人員可以用AVR實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)、無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛、坦克火控系統(tǒng)……

AVR單片機(jī)過(guò)時(shí)了嗎?

有初學(xué)者甚至中級(jí)開(kāi)發(fā)人員認(rèn)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(tái)，或者MSP430將代替51系列單片機(jī)，或者FPGA將取代所有單片機(jī)等。這種看法不對(duì)，因?yàn)椴煌瑔纹瑱C(jī)都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有哪種單片機(jī)是完美的，在不同場(chǎng)合用最合適的單片機(jī)，發(fā)揮它們各自的特長(zhǎng)，而不存在ARM一統(tǒng)天下，取代所有其他型號(hào)單片機(jī)的可能性。試想，原本十幾元的電子表因?yàn)椴捎肁RM控制買到幾百元，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(jī)：比較適于機(jī)器人開(kāi)發(fā)，是美國(guó)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(hào)處理器。具有Flash存儲(chǔ)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(jī)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(yùn)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(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗、模擬比較器、定時(shí)器、串口0、1、硬件乘法器、液晶驅(qū)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(jī)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(duì)低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。

PIC單片機(jī)：可用于機(jī)器人開(kāi)發(fā)，是8位單片機(jī)，產(chǎn)品種類豐富，采用精簡(jiǎn)指令集，有不錯(cuò)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，引腳驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可直接連接繼電器控制強(qiáng)電。自帶看門狗，有睡眠和低功耗模式。很多性能不如AVR和MSP430系列單片機(jī)，但因其有特殊優(yōu)點(diǎn)，也被廣泛應(yīng)用。

凌陽(yáng)單片機(jī)：比較適于機(jī)器人開(kāi)發(fā)，以16位計(jì)算機(jī)為核心，集成不同規(guī)模的RAM、ROM和其他豐富的功能電路，使用者可以根據(jù)自己需要選擇集成了特定功能電路的凌陽(yáng)單片機(jī)。凌陽(yáng)單片機(jī)指令系統(tǒng)提供出具有較高運(yùn)算速度的16位，16位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用添加了DSP功能，因此凌陽(yáng)適合進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別。在我國(guó)凌陽(yáng)單片機(jī)在學(xué)校比較常見(jiàn)，應(yīng)用實(shí)例較多，可作為機(jī)器人愛(ài)好者選用的單片機(jī)。

九 實(shí)例：用AVR單片機(jī)創(chuàng)造機(jī)器生命

1 什么是機(jī)器生命

機(jī)器生命就是一個(gè)能自主生存的機(jī)器，一個(gè)自動(dòng)為生存下去而奮斗的機(jī)器。對(duì)于機(jī)器生命來(lái)說(shuō)，生存的含義就是不斷電，繼續(xù)運(yùn)行。機(jī)器生命具有完全自主決策、自主行動(dòng)、活動(dòng)于未知世界、不需人類參與就能持續(xù)運(yùn)行并且自我維護(hù)等特征。影片《終結(jié)者》中的天網(wǎng)就是超級(jí)機(jī)器生命?！杜Z5號(hào)》描述了一個(gè)機(jī)器人從無(wú)生命到有生命的過(guò)程。

N.維納(Norbert Wiener，1894～1964)寫《控制論》時(shí)創(chuàng)造出第一個(gè)機(jī)器生命Wiener龜，這個(gè)機(jī)器龜僅有2個(gè)電子管組成的模擬計(jì)算機(jī)，但它卻能實(shí)現(xiàn)真正的烏龜覓食、睡覺(jué)、探索、逃避等行為，其表現(xiàn)如同一個(gè)有生命的生物一樣。機(jī)器龜上面有太陽(yáng)能電池，當(dāng)自身電池快用完前，機(jī)器龜樂(lè)于尋找一個(gè)光線充足的地方充電，充滿電后可能找個(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(yù)知它的行蹤，因?yàn)樗皇前凑粘绦蜻\(yùn)行的，就如同我們自己一樣。后來(lái)維納在他的機(jī)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(duì)機(jī)器龜訓(xùn)練，維納通過(guò)搖鈴可控制機(jī)器龜?shù)男袨?。正如有生物學(xué)家訓(xùn)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(jī)器寵物

我們今天有先進(jìn)的單片機(jī)，制作一個(gè)更好的機(jī)器生命其實(shí)不難。機(jī)器生命遠(yuǎn)比按固定程序運(yùn)行的機(jī)器人好玩，就如同寵物狗比玩具狗好玩一樣。我們?cè)O(shè)想的機(jī)器生命可以是一個(gè)小型履帶式機(jī)器人，帶有太陽(yáng)能板，能感受光線強(qiáng)弱，障礙物距離和碰撞，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，該機(jī)器生命具有語(yǔ)音識(shí)別功能。試想你學(xué)習(xí)一天，回到寢室，叫一聲TONY，你的機(jī)器寵物轉(zhuǎn)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(xiàn)?如何設(shè)計(jì)電路?如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)?

這個(gè)機(jī)器生命方案采用ATmega16單片機(jī)做控制器，單片機(jī)的8路AD通道和其余24個(gè)IO接口都被使用。AVR單片機(jī)AD轉(zhuǎn)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(jī)器生命的程序較復(fù)雜，而AVR單片機(jī)適合進(jìn)行快速?gòu)?fù)雜運(yùn)算。本設(shè)計(jì)的電路板上除了ATmega16單片機(jī)外，還有2個(gè)LG9110 電機(jī)驅(qū)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(jí)愛(ài)好者動(dòng)手制作。

LCD采用通用1602模塊，支持3位控制線4位數(shù)據(jù)線，如果你采用IO口復(fù)用技術(shù)，可用6條線控制LCD模塊。

此方案涉及光電檢測(cè)、自動(dòng)充電、語(yǔ)音識(shí)別、超聲波測(cè)距、鍵盤(4個(gè)碰撞開(kāi)關(guān))、LCD液晶顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，這些都是動(dòng)手做簡(jiǎn)單機(jī)器人的基本技術(shù)，如果愛(ài)好者能把這個(gè)機(jī)器生命做好，那么你的電路設(shè)計(jì)、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和編程能力都會(huì)有很大的提高。

這個(gè)機(jī)器生命的技術(shù)含量相當(dāng)于20世紀(jì)70年代國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的先進(jìn)水平。當(dāng)時(shí)已經(jīng)有很多非常精密和復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人被應(yīng)用，但這種簡(jiǎn)單的機(jī)器人怎么能稱作先進(jìn)呢?因?yàn)榧夹g(shù)的復(fù)雜和技術(shù)的先進(jìn)不是一個(gè)概念，復(fù)雜+精密不一定等于先進(jìn)。先進(jìn)的東西不一定復(fù)雜和精密。

A 尋光

我們可以用光電二極管來(lái)檢測(cè)光線強(qiáng)弱。當(dāng)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(fù)極之間，光敏電阻靠近正極一側(cè)。從光敏電阻和固定電阻連接點(diǎn)引出導(dǎo)線接到ATmega16的AD轉(zhuǎn)換輸入口。當(dāng)強(qiáng)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(cè)電位升高，被單片機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后判斷光線增強(qiáng)。機(jī)器生命有5個(gè)光電傳感器，其中4個(gè)面向機(jī)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(duì)的方向。通過(guò)編程可以讓機(jī)器人自主移動(dòng)到光線最強(qiáng)的地方。

B 充電

本設(shè)計(jì)采用4.8V鎳氫充電電池為系統(tǒng)供電。太陽(yáng)能電池板正負(fù)極通過(guò)一個(gè)三極管與電池正負(fù)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(dǎo)通，太陽(yáng)能電池板對(duì)充電電池充電。充電電池電壓上升，當(dāng)高于某值時(shí)控制三極管關(guān)斷，結(jié)束充電。為使太陽(yáng)能板能對(duì)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(shí)別

用AVR單片機(jī)的高速AD檢測(cè)功能能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的語(yǔ)音識(shí)別。聲音信號(hào)被駐極體電容話筒接收后送至LM386音頻功放芯片放大和過(guò)濾后送至單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換口，單片機(jī)對(duì)音頻信號(hào)幅值采樣轉(zhuǎn)化為一組數(shù)字，然后對(duì)這組進(jìn)行取方差運(yùn)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(shí)別。比如你發(fā)一個(gè)“e”，方差應(yīng)該比較小，如果你發(fā)“p”爆破音，方差應(yīng)該較大。當(dāng)然，如果你用更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，會(huì)得到更好的識(shí)別效果。本設(shè)計(jì)使用了2路聲音信號(hào)，目的是讓單片機(jī)判斷出聲源的大體方位。

D 超聲波測(cè)距

用AVR的1個(gè)IO口輸出40KHz信號(hào)送至超聲波發(fā)射電路，當(dāng)超聲波遇到障礙物返回后，被超聲波接收頭接收，信號(hào)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(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)

本設(shè)計(jì)采用2片LG9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流減速電機(jī)。LG9110輸出最大電流為800mA，僅需要2條控制線與單片機(jī)IO口直接相連即可控制一臺(tái)電機(jī)正反轉(zhuǎn)或者停止。LG9110僅有8個(gè)引腳，使用非常方便。

F 讓機(jī)器生命更聰明

我的這個(gè)機(jī)器生命設(shè)計(jì)方案能實(shí)現(xiàn)最酷的效果是：白天，陽(yáng)光明媚，機(jī)器生命跑到陽(yáng)光底下曬太陽(yáng)，太陽(yáng)光會(huì)隨著時(shí)間變化，機(jī)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(jī)器生命會(huì)找個(gè)安靜的地方閉目養(yǎng)神，等待明天太陽(yáng)升起。你可以訓(xùn)練機(jī)器生命，讓它知道自己的名字叫什么。比如你叫著它的名字，同時(shí)站在它面前用強(qiáng)光照射它的太陽(yáng)能電池板，如此反復(fù)訓(xùn)練，會(huì)使機(jī)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(yuǎn)處停止，因?yàn)橐酝@樣做它都能享受強(qiáng)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?qū)崿F(xiàn)的，關(guān)鍵就在于編程序?qū)崿F(xiàn)它。

G 想象無(wú)極限，你的機(jī)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(tǒng)不能再擴(kuò)展了。如果你用ATmega128單片機(jī)做，那么它擁有53個(gè) IO口，30多個(gè)中斷，128Kb的程序存儲(chǔ)器，4Kb的RAM，使得你能編寫更復(fù)雜的程序、儲(chǔ)存更多的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、連接更多的外設(shè)，你的機(jī)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)線通信模塊等，重新設(shè)計(jì)一個(gè)堅(jiān)固和強(qiáng)勁的底盤，你的機(jī)器生命就可以在室外自由探索了。

以上芯片外設(shè)來(lái)源說(shuō)明：在淘寶上購(gòu)買很容易

底盤：340元的高級(jí)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(guó)AD公司的40元ADXL330加速度傳感器

GPS定位：幾十元的車載外置GPS天線

最后，我想說(shuō)，機(jī)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。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人單片機(jī)性能特點(diǎn)使用經(jīng)