深圳技師學(xué)院 郭惠婷

AVRduino創(chuàng)客訓(xùn)練裝置開發(fā)

深圳技師學(xué)院 郭惠婷

AVRduino創(chuàng)客訓(xùn)練裝置是一種采用AVR單片機(jī)為核心的進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和控制的電子裝置。它既可以進(jìn)行AVR單片機(jī)控制,又可以進(jìn)行Arduino項(xiàng)目轉(zhuǎn)AVR單片機(jī)控制、AVR單片機(jī)控制項(xiàng)目轉(zhuǎn)51單片機(jī)、Arduino控制項(xiàng)目。

AVR；Arduino；單片機(jī)；創(chuàng)客

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，企業(yè)對創(chuàng)客、創(chuàng)新型技能人才的需求量越來越大，對創(chuàng)客、創(chuàng)新型技能人才的要求也越來越高。

AVRduino創(chuàng)客訓(xùn)練裝置是一種采用AVR單片機(jī)為核心的進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和控制的電子裝置，它是為了支持大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新，為創(chuàng)客實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新提供技術(shù)支持和應(yīng)用技能訓(xùn)練而開發(fā)的實(shí)訓(xùn)裝置。該裝置結(jié)合AVR單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用實(shí)際，改變長期以來只重單片機(jī)基礎(chǔ)知識演示實(shí)驗(yàn)、不與應(yīng)用結(jié)合的現(xiàn)狀，將實(shí)際項(xiàng)目抽象為簡單的訓(xùn)練任務(wù)，為學(xué)生提供系統(tǒng)全面的技能訓(xùn)練，讓學(xué)生從單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)高度，確定系統(tǒng)模塊，再通過模塊化編程，協(xié)調(diào)解決應(yīng)用問題，提高AVR創(chuàng)客和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

1.項(xiàng)目AVRduino創(chuàng)客訓(xùn)練裝置簡介

AVRduino是吸收AVR開發(fā)技術(shù)和Arduino開源創(chuàng)新特點(diǎn)的開發(fā)裝置，即Arduino+AVR = AVRduino。Arduino是開源硬件和軟件的全稱，風(fēng)靡全球，創(chuàng)客資源豐富，但硬件接口少；無通用定時(shí)器、計(jì)數(shù)器；實(shí)時(shí)控制功能差等。AVR是采用RISC結(jié)構(gòu)的高級單片機(jī)，能夠采用高級語言來編寫嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，從而能高效地開發(fā)出目標(biāo)代碼，但AVR無底層驅(qū)動；帶傳感器難；I2C通信難；LCD、SPI、SD卡驅(qū)動復(fù)雜等；

本項(xiàng)目充分吸收AVR與Arduino的優(yōu)點(diǎn)，克服其各自的缺點(diǎn)開發(fā)出AVRduino創(chuàng)客訓(xùn)練裝置，本裝置采用ISP下載線結(jié)合ICCV7、WINAVR+AVRStudio軟件編程，可以完成AVR單片機(jī)的各種控制開發(fā)，采用USB下載線結(jié)合Arduino IDE軟件編程，充分利用Arduino 的優(yōu)點(diǎn)，可以完成Arduino創(chuàng)客創(chuàng)意產(chǎn)品的開發(fā)。

2.硬件電路設(shè)計(jì)及介紹

本裝置的主芯片是ATmega16，包含16KB的Flash，256字節(jié)的RAM。該裝置采用集成電路構(gòu)建的方式制成，結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、體積小、便于攜帶和使用。所需的單元電路分解為CPU控制模塊、輸入/輸出控制模塊、通信電路模塊、電源電路模塊等。

2.1 輸入/輸出控制模塊

AVR單片機(jī)ATmegal6有32個(gè)輸入/輸出端口，分別為PA、PB、PC、PD 4組8位端口，對應(yīng)于芯片的32個(gè)I/O端口引腳，所有的I/O端口都是復(fù)用的，第一功能是數(shù)字通用I/O端口，復(fù)用功能可以是中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I2C、SPI、USART、模擬比較、輸入捕捉等。為了方便進(jìn)行各項(xiàng)輸入/輸出實(shí)驗(yàn)，本裝置的4組I/O口都用排針引出，如圖1所示。以下簡略介紹本裝置的數(shù)字輸入/輸出控制電路。

2．1．1 交叉閃爍LED燈輸出控制電路

本裝置將8只LED燈連在主控芯片的PB口，為方便做交叉閃爍及流水燈等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，交叉閃爍LED燈輸出控制電路如圖2所示。

圖1

圖2

2．1．2 LED數(shù)碼管輸出顯示電路

單片機(jī)的拉電流比較小，灌電流比較大，不能用來直接驅(qū)動數(shù)碼管，所以擴(kuò)流電路是必需的，且AVR單片機(jī)只有32個(gè)I/ O口，因此不能用三級管來驅(qū)動，否則I/O口將不夠用，于是選用74HC573鎖存器來解決即擴(kuò)流又?jǐn)UI/O口的問題，電原理圖如圖3所示。PA3用于位選，用于控制哪個(gè)數(shù)碼管亮，PA4用于段選，用于控制顯示某位數(shù)字。

2．1．3 按鍵輸入控制電路

在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，即每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個(gè)按鍵加以連接，如圖4所示，矩陣按鍵與單片機(jī)的PD口連接。本裝置采用的是2腳的輕觸式按鍵，按下時(shí)導(dǎo)通，松開則斷開。

圖3

圖4

2.2 通信電路模塊

本裝置涉及到的通信有I2C，SPI、RS232通信等，以下只簡單介紹本裝置的RS232通信接口電路的實(shí)現(xiàn)方式。

在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí),普通的TTL或CMOS 電平無法滿足工業(yè)現(xiàn)場的抗干擾要求和各種電氣性能要求，因此本裝置采用國際電氣工業(yè)協(xié)會EIA推進(jìn)的RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)。

（1）RS232電平與TTL/CMOS電平的轉(zhuǎn)換

本裝置采用DB9作為連接器，TTL/CMOS電平采用的是0-5V的正邏輯，即 OV 表示邏輯0，5V 表示邏輯1，而RS-232采用的是負(fù)邏輯，邏輯0用+5～+15V 表示，邏輯1用-5～-15V 表示。在TTL/CMOS中，如果使用RS-232 串行口進(jìn)行通信，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX232是一種常見的RS-232 電平轉(zhuǎn)換芯片，外圍僅需少數(shù)幾個(gè)電容器即可，如圖5所示。

圖5

圖6

（2）USB到RS232的轉(zhuǎn)換

為實(shí)現(xiàn)用筆記本電腦下載程序，本裝置設(shè)置了USB轉(zhuǎn)RS-232，采用的芯片是CH340。參照CH340數(shù)據(jù)手冊，CH340T的USB下載和外擴(kuò)電源接口電路如圖6所示。

3.軟件設(shè)計(jì)及介紹

軟件設(shè)計(jì)主要包括AVRduino的Bootload開發(fā)、下載和調(diào)試，ICCV7 for AVR應(yīng)用實(shí)踐開發(fā)測試，AVRduino庫文件開發(fā)和Arduino IDE應(yīng)用實(shí)踐的開發(fā)。在軟件測試中，利用ICCV7開發(fā)軟件設(shè)計(jì)AVR單片機(jī)應(yīng)用程序，利用ISP下載線和ISP通信接口下載程序，進(jìn)行AVR單片機(jī)的輸入輸出控制技術(shù)、定時(shí)器及計(jì)數(shù)器應(yīng)用技術(shù)、中斷控制技術(shù)、串行通信技術(shù)、LCD驅(qū)動技術(shù)、模擬控制技術(shù)、模塊化編程技術(shù)的訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)。利用Arduino IDE開發(fā)軟件，進(jìn)行上述控制實(shí)驗(yàn)外，還進(jìn)行超聲傳感器、溫濕度傳感器、紅外傳感器實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行I2C、1-WIRE、SPI總線實(shí)驗(yàn)。

本裝置軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于AVRduino的Bootload開發(fā)、下載和調(diào)試。為實(shí)現(xiàn)在Arduino IDE中進(jìn)行軟件編程，使用Arduino的庫文件，通過串口交互信息，通過串口燒錄程序，就必須開發(fā)Bootload程序固化在AVR芯片中。通過Arduino IDE燒錄bootloader時(shí)，要注意“熔絲位”的設(shè)置， 熔絲字節(jié)在board.txt中描述，低位設(shè)定選擇內(nèi)部RC震蕩還是外部晶振，高位設(shè)為0xDA，高位中有關(guān)鍵的ISP位（0x20位），一旦設(shè)錯(cuò)以后就無法再通過ISP下載程序了！格式如下：

其中0xFF使用外部晶振，如使用內(nèi)部RC震蕩，設(shè)成0xE4（8MHZ），內(nèi)部晶振必須校準(zhǔn)后才能使用，本裝置使用的是外部晶振。此外，還要將主控芯片的pins_Arduino.h文件中的物理PIN與邏輯IO對應(yīng)起來，重新標(biāo)定每個(gè)物理PIN和邏輯IO的關(guān)系。

4.總結(jié)

AVRduino創(chuàng)客訓(xùn)練裝置既可以進(jìn)行AVR單片機(jī)開發(fā)訓(xùn)練，也可以采用Arduino IDE軟件編程，進(jìn)行Arduino控制的實(shí)操訓(xùn)練，其總體設(shè)計(jì)電路如圖7所示。本裝置的創(chuàng)新之處在于：

（1）為創(chuàng)客創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持

目前創(chuàng)客進(jìn)行創(chuàng)意使用的是Arduino開源硬件和軟件，初期進(jìn)行一些簡易開發(fā)尚可，深層次的開發(fā)會有較多困難，通過本訓(xùn)練裝置，為創(chuàng)客學(xué)生提供全面系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)訓(xùn)練，逐步提高創(chuàng)客的開發(fā)水平。

圖7

（2）突破AVR單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐的難點(diǎn)，將AVR單片機(jī)實(shí)際工程應(yīng)用技術(shù)貫穿于應(yīng)用技能訓(xùn)練中，讓學(xué)生系統(tǒng)地提高AVR單片機(jī)應(yīng)用能力。

[1]胡斌．電子線路基礎(chǔ)輕松入門[M]．北京:人民郵電出版社,2010．

[2]肖明耀,郭惠婷．AVR單片機(jī)應(yīng)用技能實(shí)訓(xùn)[M]．北京:中國電力出版社,2016．10

[3]李全利．單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M]．北京:高等教育出版社．2009．

郭惠婷（1991-），女，廣東梅州人，本科，助理講師，教師，研究方向：智能電子。