微处理器在科技教育教学之应用例-自走车

1、微處理器在科技教育教學之應用例-自走車或許你會懷疑微處理器對中學生學習而言，是不是太艱深了點？我想很多人都會有此疑問。答案是否定的。以往教師們為了教授電子傳播中數位電路方面的課程，往往需要花費很多時間，從基本的邏輯閘（包括反閘、或閘、及閘）開始教起，接著得教布林代數、卡諾圖、組合邏輯、順序邏輯等等，這豈是一個生活科技老師所能負荷的，一方面太過艱深，一方面應用有限。以往為了做一個霹靂燈的電路，需要用到三、四顆IC，電路又十分複雜，要引起學生興趣十分困難。所以數位電路應用方面的教學一直被生活科技教師排除於教學計畫之外。這種現象是非常可惜的但也是現實。然而，微處理器的出現似乎可以突破這個窘境，經過我

2、將近一年的微處理器（以8051為例）教學實驗，我跳過布林代數、卡諾圖、組合邏輯、順序邏輯等等部分，直接教授單晶片，似乎不會影響學生學習微處理器的興趣與成效。個人分析認為其因素如下：1. 微處理器麻雀雖小，五臟俱全。8051為40支腳的IC，它是一顆微控制器(microcontroller)，它擁有一個8位元的CPU、記憶單元(4Kbytes ROM、128Bytes RAM)、4組8位元輸出入埠、計時/計數器、中斷控制器、串列傳輸功能等等。它的功能強大，Intel發表它至今，雖然已經十幾年，依然獨領風騷，活躍於自動控制界中，舉凡工廠自動化、智慧家電、消費性電子產品、電動玩具、電子寵物等等，皆可

3、看見它的蹤跡。2. 8051所需設備簡單。教授或學習8051所需的成本甚低，一台約2仟元的IC燒錄器，我想對於負擔是非常輕的。3. 8051的基本電路簡單。8051的硬體接線簡單，很多應用只需它自個一顆IC，加上一些被動元件（如電阻、電容等等）即可完成。與傳統數位電路有如天壤之別。4. 程式撰寫容易。因為8051的基本電路非常簡單，要讓它怎麼工作，就需要撰寫程式，告訴8051要做些什麼事。與傳統數位電路教學不同之處，8051需要教授組合語言或C語言程式的撰寫，這方面恰巧可以培養學生邏輯思考的能力。或許你會擔心8051組合語言非常難懂難教；不要擔心，8051程式的教學可採用模組的方式來教授，學生

4、只要透過剪貼、複製、搬移等步驟，便可輕輕鬆鬆學會程式撰寫。5. 成就感容易獲得。以往為了做一個基本電路，往往需要經過冗長耗時的設計與接線，一個電路往往需要好幾個IC才能完成，費時費力，做出來的東西又不怎麼新奇，學生的興趣往往大打折扣。8051剛好相反，簡單的硬體接線，加上幾行的程式，很簡單就可以達成以往設計繁複的電路相同的功能，不引起學生驚訝與興趣才奇怪。我以最近在國內較常見的無人駕駛自走車競賽為例，發展出簡化的自走車版本，利用簡單的材料來設計自走車。簡化版的自走車可分為車體、步進馬達控制電路與紅外線感應器電路等三部分（如圖1所示），分別介紹如下 ：一、車體車殼可採用現成的壓克力盒（如1.44

5、M磁片盒）或鋁盒，動力方面採用兩顆二相步進馬達，另外以椅輪當作輔助輪，構成車體。二、步進馬達控制電路如圖2虛線以外電路，只需一顆8051、8顆PNP電晶體及一些被動元件即可完成。其中其中石英晶體與2顆20PF電容構成振盪電路提供8051單晶片工作時脈(clock)，0.1uF電容作為電源啟動時，重置(reset)8051用。其中步進馬達種類、接線與控制方法，在中學工藝教育教育月刊第28卷4期個人電腦介面控制應用(二)-步進馬達控制一文中有詳細介紹，在此不加贅述。左馬達由埠1第0至3腳控制，右馬達由埠2第0至3腳控制。三、紅外線感應器電路本自走車採用兩顆CNY70紅外線感測器，當作自走車的眼睛，

6、以便感測軌道的左、右極限，供8051修正行進方向，如圖2虛線所示電路，電源提供偏壓給CNY70後，紅外線LED將發射出紅外線，當紅外線被反射，光電晶體將受到激發而飽和，輸出零電位。反之，則輸出高電位。需注意兩顆紅外線感測器需相鄰6mm以下，以便左、右極限感測器都位於黑色膠帶範圍內。兩顆感測器分別接到埠0的第1及0腳。步進馬達控制電路紅外線感測器電路車體後輔助輪圖1 無人駕駛自走車外觀圖2 自走車完整硬體接線圖整個硬體接線如圖2所示，非常精簡。硬體接線完成後，皆下來就是程式的撰寫工作。自走車的程式方塊圖如圖3所示：一、 初始化程式開始先進行初始化設定，包括設定程式起點位址與步進馬達的驅動方式。二

7、、 前進並讀取左、右極限感測器狀態此時為無窮迴圈起點。車子開始前進並讀取左、右極限感測器狀態。當右邊感測器為0，左邊感測器為1，表示車子向右偏離航道，如果當右邊感測器為1，左邊感測器為0表示車子向左偏離航道，如果左、右感測器皆為0表示沒有偏離航道。三、 修正方向當車子向右偏離時，命令左輪停止轉動，右輪持續轉動以便車子向左修正行進方向；當車子向左偏離時，命令右輪停止轉動，左輪持續轉動以便車子向右修正行進方向。四、 返回迴圈起點，繼續前進並讀取左、右極限感測器狀態。依此方塊圖所示，自走車就可以沿著黑色膠帶前進，偏離軌道時自動修正，正所謂無人駕駛自走車。圖5 無人駕駛自走車會沿著黑色膠帶前進，自動修

8、正方向初始化無窮迴圈起點讀取左、右極限感測器狀態是否偏離航道？判斷偏離方向？向左偏離向右偏離無左馬達停止轉動，向左修正右馬達停止轉動，向右修正左右馬達轉動，向前進圖3 無人駕駛自走車程式方塊圖依據此方塊圖撰寫8051組合語言程式如下（以組合語言為例）：ORG00H;初始化模組JMPSTARTORG50HSTART:MOVR1,#11001100B;二相激磁,控制左輪MOVR2,#11001100B;二相激磁,控制右輪MAIN:;無窮迴圈起點讀取感測器狀態MOVA,P0;讀取PORT0ANLA,#00000011B;取出P0.0與P0.1CJNEA,#00000011B,TURN;判斷是否偏離航

9、道FORWARD:;自走車前進模組程式MOVA,R1;左輪前進MOVP1,ARRAMOVR1,A;右輪前進MOVA,R2MOVP2,ARLAMOVR2,ACALLDELAY;步進馬達速度控制JMPMAIN;跳回無窮迴圈起點TURN:CJNEA,#00000001B,RIGHT;判斷偏離方向LEFT:;向左修正模組MOVA,R2;右輪轉動，左輪停止MOVP2,A;車子向左修正RLAMOV R2,ACALLDELAY;步進馬達速度控制JMPMAIN;跳回無窮迴圈起點RIGHT:;向右修正模組MOVA,R1;左輪轉動，右輪停止MOVP1,A;車子向右修正RRAMOVR1,ACALLDELAY;步進馬

10、達速度控制JMPMAIN;跳回無窮迴圈起點DELAY:;步進馬達速率控制模組MOVR5,#1;可改變R6的設定值，以MOVR6,#20;改變車子的速率。D1:MOVR7,#249DJNZR7,$DJNZR6,D1DJNZR5,DELAYRETEND程式碼結束我利用顏色方塊標明以對映方塊圖，由此來看，8051程式的撰寫並無想像中難，只要以模組化的概念進行教學，成效應可達成。程式撰寫完畢後，將其組譯為執行檔後，再利用燒錄器將程式燒錄至8051後，將8051裝置於自走車上，便完成一部神奇的自走車。期末並可舉辦自走車競速，自走車越野等競賽，提高同學參與興趣，寓教於樂。由於8051擁有上述特點，易學易用，結合硬體與軟體的教學，讓學生體會科技的創新與應用，實在是值得在中學階段來推廣它。以美國為例，每年舉辦的全美中小學生機械人大賽及太陽能車大賽，其盛況不亞於任何學科競