本书将教学机器人引入单片机课程，在整个课程学习过程中采用基于系统化项目的学习方法，将单片机的I/O端口资源、定时器和中断系统、键盘接口技术、A/D和D/A扩展等教学内容融入到一系列循序渐进的教学机器人制作和竞赛项目中，直接在项目应用和竞赛过程中学习单片机技术，提升单片机的学习效率，最后通过归纳总结，获得对整个单片机系统设计的知识和技能。后续的专业课程中可以继续使用单片机去解决一些实际的问题。所有的项目也继续使用C语言作为开发语言，这样可以进一步强化C语言学习效果，同时让学生在毕业时具备应用C语言和单片机完成专业系统程序开发的能力。 本书的编写彻底打破了传统的教学方法和教学体系结构，解决了单片机课程抽象、难学和学习效果差的难题。

前 言 机电一体化又名机械电子工程，对于高职院校一般称其为机电一体化，而对于普通高校的相关专业来说则根据教育部的要求称为机械电子工程。机电一体化是20世纪70年代由日本提出来的用于描述机械工程和电子工程有机结合的一个术语。在工业发达国家，无论是大学还是职业技术学院，都已经认识到，未来的工业系统，尤其是先进的机电系统的设计、制造、运行和维护，将属于那些懂得怎样去优化和控制机械和电子系统之间联系的人。因此，对于机电一体化人才的培养，除了必须懂得机械和电子的相关知识外，还必须掌握机械与电子之间的联系及系统集成、优化和控制的方法。 无论是普通本科的机电一体化教育还是高职层次的机电一体化教育，其核心的内容是相同的，都是要向学生传授机电一体化对象的相关知识和技能，只是程度的深浅不同。普通本科的机电一体化教育希望培养学生具有机电一体化系统的分析、设计和制造能力，而高职机电一体化专业的教育则定位于培养学生对某些典型机电系统的分析、维护、检测与维修能力。这两种能力的真正培养，都依赖于学生对机电一体化系统的组成、结构和各组成部件之间的联系有比较深刻的理解和掌握。因此，从能力或者技能的培养角度看，普通本科机械电子专业培养的技能或者能力必须包含高职机电一体化专业培养的技能或者能力，反过来说，高职机电一体化培养的能力是普通本科培养能力的子集。 无论是本科机电一体化教育还是高职机电一体化教育，目前基本都是相对独立的借鉴原有机械工程和电子工程的教学内容和教学方法，而对于如何培养学生掌握机械和电子之间的联系并对系统进行优化和控制的能力，却总是缺乏很好的经验和方法，而这却恰恰是机电一体化的精华所在，这就是我国机电一体化教育思想和教育实践比较落后的真正原因。 要真正搞好机电一体化教育，必须从机电一体化的系统特征出发，采用基于工程系统的教学和实训方法，或者说叫做基于工程对象的工学结合教学方法，当然也可以叫做基于项目的教学法。基于工程系统的教学和实训方法是第二次世界大战后随着系统论、控制论和信息论的同时被发现并不断应用于工程实践而出现的工程教育方法论。对信息、控制和系统的认识和发现，深刻改变了人们对整个世界的根本看法，世界不仅存在着和运动着，而且是一个包含着丰富信息内容的不断发展和创生着的世界。世界是一个大系统，而且世界的内部处处是系统。信息论与系统论的发现不仅使信息工程、控制工程和系统工程成为现代工程教育的一个独立专业，同时也成为其他创新工程专业所必备的基础课程。机械电子工程或者机电一体化工程就是传统的机械工程与信息与控制技术结合产生的创新工程学科，而且已经成为工程学科的核心内容。 在信息与控制技术出现以前，人们认识自然和改造自然的方法主要是以经典自然科学为基础的机械方法。机械方法把自然或人工系统看做互不联系的各个部分简单相加的总和，把系统的运动看做一个个孤立过程的总和，即机械的世界观和方法论。机械的世界观决定了工程教育的内容就是工程世界的机械模型，它把工程教育分解成一门门孤立的课程和实践，然后通过简单的相加，以期达到工程教育的目的。由于历史与政治的原因，我国现行的教育体系和教育思想仍旧是以机械的世界观和方法论为基本指导思想，而在国外教育发达国家，随着信息和控制技术向各种传统学科的渗透，相应的传统工程和创新工程专业的教学思想都已经完成了从机械的方法论向系统的方法论转变。 按照系统方法论的观点对机电一体化专业进行改革，才能从根本上改变机电一体化专业的教学思想和教学方法，使之与现有的工业发展需求相匹配。系统方法论的观点就是将机电一体化专业的专业基础课和专业课的教学和实验放到某个具体的、典型的机电对象中进行，而不是分割教学、分割实践，这样通过多门课程同时实践一个典型机电类对象或研究系统，有助于学生理解专业、课程之间的内在联系，整体和部分之间的联系，让学生在掌握和理解单门课程知识的同时，掌握了系统工程的方法。 机电一体化专业教育作为整个工程教育的一个子系统，遵从工程教育的一般规律与方法，而且只有站在整个工程教育的高度来全面系统地思考机电一体化教育改革问题，才能从根本上解决机电一体化专业教育改革的本质问题，对机电一体化专业教学课程体系的改革和实践其实也就是对整个工程教育改革的实践探索，通过实践来检验我们倡导的工程教育改革的理念和方法的正确性。 机电一体化创新实践教材就是根据系统论设计和编写的一套工学结合教材，包括5门课程，按照系统层次特点，循序渐进，并行推进，并结合具体的机器人工程对象，做中学，学中做，最大限度地提高学生的学习兴趣和学习主动性。具体教材列表如下。 机电一体化创新实践教材 教 材 类 型 教 材 名 称 教 学 课 时 拓 展 空 间 配 套 平 台 基础入门 C语言原来可以这样学 80学时 教学机器人竞赛项目 C语言教学机器人套件 专业基础 单片机技术及应用 60学时 各种单片机智能机器人制作项目 单片机教学机器人套件 机电一体化测控技术 60学时 机电一体化传感器应用项目 LabView和现代传感器测控平台 专业课 机电一体化技术与应用 60学时 各种机电一体化设备和生产线 XY工作台的编程、调试控制平台 数控机床的装配与调试 80学时 各种机电装备的装调 三坐标数控铣床装调套件 因为是创新实践教材，所以每本教材都必须配套相应的硬件设备方能达到最佳的教学效果。前两本教材都使用同一类教学机器人套件对象，不同的只是单片机教学机器人套件包含了更多的项目配件，这样做的原因除了便于读者循序渐进地学习以外，也是为了减少读者的成本支出，虽然这个支出在目前的商业社会中显得微不足道。机电一体化测控技术使用的是一些典型的缩微机电一体化系统模型，包括转子台和直线运动模块等，通过智能控制模块、数据采集模块和LabView软件对这些模型进行测量和控制。专业课平台使用的都是数控工作台，不同的是控制平台不同。机电一体化平台使用PC加运动控制器来控制，便于掌握和了解机电一体化设备的控制原理、控制思想和控制部件，而数控机床的装配和调试采用的则是完整的数控系统，同工业的数控装备接轨。对于这些项目所需要用到的传感器和耗材，都可以到网站www.openirobot.com上去搜寻或登录www.szopen.cn咨询。 机电一体化的教学改革是一项长期复杂的系统工程，需要我们不断地实践、归纳、修改和再实践。本套教材的出版只是我们长期改革实践的第一步，其中肯定有许多问题和不足，我们真诚地欢迎读者和用户在使用过程中及时指出，以帮助我们不断改进！ 编著者 2014年1月

目 录 第一讲 单片机最小系统电路和搭建 （1） 任务1 AT89S52单片机最小系统的搭建 （3） 任务2 用搭建的最小系统控制两轮机器人运动 （6） 扩展阅读 （10） 工程素质和技能归纳 （13） 科学精神的培养 （13） 第二讲 单片机并行I/O端口应用——机器人信息显示 （15） 任务1 控制8个LED发光二极管闪烁 （15） 任务2 流水灯控制 （17） 任务3 数码管显示 （19） 任务4 字符型LCD液晶显示模块和广告机器人的制作 （23） 扩展阅读 （30） 工程素质和技能归纳 （31） 科学精神的培养 （32） 第三讲 定时器和中断系统——机器人速度测量与控制 （33） 任务1 简易数字编码器的安装和电机转速的测量 （33） 任务2 用PID控制算法控制小车速度 （43） 任务3 简易里程计的设计 （55） 扩展阅读 （61） 工程素质和技能归纳 （69） 科学精神的培养 （69） 第四讲 单片机计时与键盘接口技术——机器人计时 （70） 任务1 用8位八段数码管制作简易秒表 （70） 任务2 裁判机器人的制作——测量选手的反应时间 （81） 任务3 具有简单设置功能的计时机器人制作 （84） 任务4 具有简单设置功能的时钟机器人制作 （97） 工程素质和技能归纳 （106） 科学精神的培养 （107） 第五讲 A/D、D/A转换接口与漫游机器人制作 （108） 任务1 基于红外测距导航的漫游机器人的制作和编程 （109） 拓展知识 （116） 任务2 红外测距云台导航机器人的制作 （116） 任务3 D/A转换和机器人LED的亮度控制 （123） 工程素质和技能归纳 （127） 科学精神的培养 （128） 第六讲 SPI接口与温湿度检测机器人的制作 （129） 任务1 温湿度传感器与温湿度测量 （129） 任务2 温湿度检测机器人的制作 （140） 工程素质和技能归纳 （140） 科学精神的培养 （141） 第七讲 综合比赛项目——机器人游中国高级竞赛 （142） 竞赛任务 （142） 任务1 采用RFID读卡器读取RFID卡号 （143） 任务2 利用语音芯片播报景点 （152） 任务3 实现机器人游中国高级竞赛任务 （157） 工程素质和技能归纳 （171） 科学精神的培养 （171） 第八讲 综合比赛项目——教育机器人灭火比赛 （172） 学习背景 （172） 竞赛任务 （172） 任务1 确定完成比赛所需的传感器和灭火装置 （174） 任务2 确定超声波传感器连接端口和编写测距函数 （176） 任务3 安装火焰传感器和灭火风扇，编写寻找火源和灭火程序 （178） 任务4 灭火比赛程序设计 （180） 工程素质和技能归纳 （192） 科学精神的培养 （192）