某信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計調(diào)研報 AVR單片機

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1、大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）調(diào)研報告 學(xué)生姓名—專業(yè)班級自動化 07-4 指導(dǎo)教師— —職 稱 工程師 所在單位 自動化教研室 教研室主任 完成日期 2011 年 04 月 8 日 調(diào)研報告 1.AVR單片機簡介 AV加片機是ATME公司研制開發(fā)的一種新型單片機，它與 51單片機、PIC單片機 相比具有一系列的優(yōu)點：1:在相同的系統(tǒng)時鐘下 AVR運行速度最快；2:芯片內(nèi)部的 Flash、EEPRQMSRA廨量較大；3:所有型號的Flash、EEPRO哪可以反復(fù)燒寫、全部 支持在線編程燒寫（ISP） ; 4:多種頻率的內(nèi)部RC振蕩器、上電自動復(fù)位、看門狗、啟

2、動延時等功能，零外圍電路也可以工作； 5:每個IO 口都可以推換驅(qū)動的方式輸出高、 低電平，驅(qū)動能力強； 6 :內(nèi)部資源豐富，一般都集成 AD DA模數(shù)器;PWMSPI、 USARTTWk I2C通信口；豐富的中斷源等。目前支持 AVRI片機編譯器的語言主要有 匯編語言、C語言、BASIC語言等。其中C編譯器主要有 CodeVisionAVR AVRGCCIAR、 ICCAVR等，C語言編譯器由于它具有功能強大、 運用靈活、代碼小、運行速度快等先 天性的優(yōu)點，使得它在專業(yè)程序設(shè)計上具有不可代替的地位。 AVR單片機是1997年由 ATME公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置 Flash的RISC（Re

3、duced Instruction Set CPU） 精簡指 令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、 儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。 2.AVR的主要特性高可靠性、功能強、 高速度、低功耗和低價位，一直是衡量單片機性能的重要指標(biāo)，也是單片機占領(lǐng)市場、 賴以生存的必要條件。早期單片機主要由于工藝及設(shè)計水平不高、功耗高和抗干擾性能 差等原因，所以采取穩(wěn)妥技術(shù)方案：即采用較高的分頻系數(shù)對時鐘分頻，使得指令周期 長，執(zhí)行速度慢。以后的CMOSI片機雖然采用提高時鐘頻率和縮小分頻系數(shù)等措施， 但這種狀態(tài)并未被徹底改觀（51以及51兼容）。此間雖有某些精

4、簡指令集單片機（RISC） 問世，但依然沿襲對時鐘分頻的作法。AVRI片機的推出，徹底打破這種舊設(shè)計格局，廢 除了機器周期，拋棄復(fù)雜指令計算機（CISC）追求指令完備的做法；采用精簡指令集，以 字作為指令長度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中 （指令集中占大多 數(shù)的單周期指令都是如此），取指周期短，又可預(yù)取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí) 行指令。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。 AVRI片機硬件結(jié)構(gòu)采取 8位機與16位機的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32個寄存器文件）和單體高速輸 入/輸出的技術(shù)方案（即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯 ）。提高

5、 了指令執(zhí)行速度（1Mips/MHz）,克服了瓶頸現(xiàn)象，增強了功能；同時又減少了對外設(shè)經(jīng) 管的開銷，相對簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。故 AVR單片機在軟/硬件開銷、速度、 性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價比的單片機。 AVRI片機內(nèi)嵌高質(zhì)量的 Flash程序存儲器，擦寫方便，支持ISP和IAP,便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新、 以及嵌長壽命的EPROMT長期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內(nèi)大容量的 RAM僅能 滿足一般場合的使用，同時也更有效的支持使用高級語言開發(fā)系統(tǒng)程序 ，并可像MCS-51 單片機那樣擴展外部RAM AVRI片機的I/O線全部帶可設(shè)置的上拉電阻、可單獨

6、設(shè)定 為輸入/輸出、可設(shè)定（初始）高阻輸入、驅(qū)動能力強（可省去功率驅(qū)動器件）等特性， 使的得I/O 口的資源靈活、功能強大、可充分利用。 AVR^片機片內(nèi)具備多種獨立的時 鐘分頻器，分別供URAT I2C、SPI使用。其中與8/16位定時器配合的具有多達10位 的預(yù)分頻器，可通過軟件設(shè)定分頻系數(shù)提供多種檔次的定時時間。 AVRI片機獨有的“以 定時器/計數(shù)器（單）雙向計數(shù)形成三角波，再與輸出比較匹配寄存器配合，生成占空 比可變、頻率可變、相位可變方波的設(shè)計方法 （即脈寬調(diào)制輸出PWM）更是令人耳目一 新。增強性的高速同/異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗碼、硬件檢測和校驗偵錯、兩級接 收緩沖、波特率

7、自動調(diào)整定位（接收時）、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性， 方便程序編寫，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實現(xiàn)多機通信系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用，串口功能大大 超過MCS-51/96單片機的串口，加之AVR單片機高速，中斷服務(wù)時間短，故可實現(xiàn)高波 特率通訊。面向字節(jié)的高速硬件串行接口 TWk SPI。TWI與I2C接口兼容，具備ACKB 號硬件發(fā)送與識別、地址識別、總線仲裁等功能，能實現(xiàn)主 /從機的收/發(fā)全部4種組合 的多機通信。SPI支持主/從機等4種組合的多機通信。AVRI片機有自動上電復(fù)位電路、 獨立的看門狗電路、低電壓檢測電路 BOD多個復(fù)位源（自動上下電復(fù)位、外部復(fù)位、看 門狗復(fù)位、BODT位）,可設(shè)

8、置的啟動后延時運行程序，增強了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。AVR 單片機具有多種省電休眠模式，且可寬電壓運行（ 5-2.7V）,抗干擾能力強，可降低一 般8位機中的軟件抗干擾設(shè)計工作量和硬件的使用量。 AVR單片機技術(shù)體現(xiàn)了單片機集 多種器件（包括FLASH?序存儲器、看門狗、EEPRQM同/異步用行口、TWk SPI、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器/計數(shù)器等）和多種功能（增強可靠性的復(fù)位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾 的休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定 時器/計數(shù)器、具替換功能的I/O端口……）于一身，充分體現(xiàn)了單片機技術(shù)的從“片 自為戰(zhàn)”向“片上系統(tǒng)Sac過渡的發(fā)展

9、方向。 3 .熱電阻工作原理 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn) 定。其中柏?zé)崾亲璧臏y量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成規(guī) 范的基準儀。 與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進行溫度測量的，即電 阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，?可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。 金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即 Rt=Rt0*[1+ a*（t-t0）] 式中，Rt為溫度t時的阻值；Rt0為溫度t0 （通常t0=0C）時對應(yīng)電阻值；a

10、 為 溫度系數(shù)。 半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為 Rt=A。e*B/t 式中Ret為溫度為t時的阻值；Ace、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。 相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上）， 但互換性較差，非線性嚴重，測溫范圍只有 -50~300 c左右，大量用于家電和汽車用溫 度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于-200~500c范圍內(nèi)的溫度測量，其特點是測量準 確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。 4 .I2C總線介紹： 由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，在單個芯片集成CPUZ及組成一個單獨工 作系統(tǒng)所必須的ROM RAM I/O端口、A

11、/D、D/A等外圍電路和已經(jīng)實現(xiàn)，這就是常說的 單片機或微控制器。目前，世界上許多公司生產(chǎn)單片機，品種很多：包括各種字長的CPU 各種容量和品種的ROM RAM以及功能各異的I/O等等。但是，單片機品種規(guī)格有限， 所以只能選用某種單片機再進行擴展。擴展的方法有兩種：一種是并行總線，另一種是 用行總線。由于用行總線連線少，結(jié)構(gòu)簡單，往往不用專用的母板和插座而直接用導(dǎo)線 連接各個設(shè)備即可。因此，采用串行總線大大簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計。 PHILIPS公司早在 十幾年就前推出了 I2C申行總線，它是具備多主機系統(tǒng)所需的包括裁決和高低速設(shè)備同 步等功能的高性能用行總線。 4.1 編輯本段I2C總線定義

12、 I2C（Inter—Integrated Circuit）總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總 線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻 設(shè)備開發(fā)，如今主要在服務(wù)器經(jīng)管中使用，其中包括單個組件狀態(tài)的通信。例如經(jīng)管員 可對各個組件進行查詢，以經(jīng)管系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài)， 如電源和系統(tǒng)風(fēng)扇。 可隨時監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了經(jīng) 管。 4.2 編輯本段I2C總線特點 I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此 I2C總 線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管

13、腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本?？偩€ 的長度可高達25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。I2C總線 的另一個優(yōu)點是，它支持多主控， 其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主 總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當(dāng)然，在任何時間點上只能有一個主 控。 編輯本段I2C總線工作原理 4.3 總線的構(gòu)成及信號類型 I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU 與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路 均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路 和模塊

14、都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主 控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。 CPU發(fā) 出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路， 確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這 樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關(guān)。 I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號， 它們分別是：開始信號、結(jié)束信號 和應(yīng)答信號。 開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。 結(jié)束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，

15、結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。 應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接U^到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平 脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應(yīng) 答信號，CPU接收到應(yīng)答信號后，根據(jù)實際情況做出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未 收到應(yīng)答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。 這些信號中，起始信號是必需的，結(jié)束信號和應(yīng)答信號，都可以不要。 目前有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了 I2C接口。帶有I2C接口的單片機有：CYGNAL 的 C8051F0XX 系歹U, PHILIPSP87LPC7XX 系歹U, MICROCHIP 的 PIC16C6XX 系列 等。很多外圍器件

16、如存儲器、監(jiān)控芯片等也提供 I2C接口 I2C總線是一種用于IC器件之間連接的雙向二線制總線，所謂總線它上面可以掛多 個器件，并且通過兩根線連接，占用空間非常的小，總線的長度可長達 25英尺，并且 能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持4個組件。它的另一優(yōu)點是多主控，只要能夠進行 接收和發(fā)送的設(shè)備都可以成為主控制器，當(dāng)然多個主控不能同一時間 工作。 I2C總線有兩根信號線，一根為 SDA （數(shù)據(jù)線），一根為SCL （時鐘線）。任何時 候時鐘信號都是由主控器件產(chǎn)生。 編輯本段I2C總線操作 I2C規(guī)程運用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，則定義為發(fā)送器，器件接收數(shù) 據(jù)則定義為接收器。

17、主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。 總線必須由主器 件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產(chǎn) 生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為 高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變被用來表示起始和停止條件。 控制字節(jié) 在起始條件之后，必須是器件的控制字節(jié)，其中高四位為器件類型識別符（不同的芯 片類型有不同的定義，EEPROM 一般應(yīng)為1010）,接著三位為片選，最后一位為讀寫 位，當(dāng)為1時為讀操作，為0時為寫操作。 寫操作 寫操作分為字節(jié)寫和頁面寫成兩種操作，對于頁面寫根據(jù)芯片的一次裝載的字節(jié)不同 有所不同。

18、讀操作 讀操作有三種基本操作：當(dāng)前地址讀、隨機讀和順序讀。圖 4給出的是順序讀的時序 圖。應(yīng)當(dāng)注意的是：最后一個讀操作的第9個時鐘周期不是 不關(guān)心”。為了結(jié)束讀操作， 主機必須在第9個周期內(nèi)發(fā)出停止條件或者在第 9個時鐘周期內(nèi)保持SDA為高電平、 然后發(fā)出停止條件。 編輯本段I2C總線應(yīng)用 目前有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了 I2C接口。帶有I2C接口的單片機有：CYGNAL 的 C8051F0XX 系歹U, PHILIPSP87LPC7XX 系歹U, MICROCHIP 的 PIC16C6XX 系列 等。很多外圍器件如存儲器、監(jiān)控芯片等也提供 I2C接口。 4. 4功能和如何實現(xiàn)

19、I2C總線控制器和I2C設(shè)備。I2C總線控制器為微控制器或微處理器提供控制 I2C總 線的接口，它控制所有I2C總線的特殊序列、協(xié)議、仲裁、時序，這里指 MPC8250提 供的I2C總線控制接口。I2C設(shè)備是指通過I2C總線與微控制器或微處理器相連的設(shè)備， 如EEPROM 、 LCD驅(qū)動器等，這里指 EEPROM。 在一個串行數(shù)據(jù)通道中.I2C總線控制器可以配置成主模式或從模式。開發(fā)過程中， MPC8250的I2C總線控制器工作在主模式，作為主設(shè)備；與總線相連的 I2C設(shè)備為 AT24C01A型EEPROM，作為從設(shè)備。主設(shè)備和從設(shè)備都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。 總線必須由主設(shè)備控制，主設(shè)

20、備產(chǎn)生用行時鐘控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止 條件。 5進度表 日期 計劃完成內(nèi)容 第1周 查閱資料，分解課題任務(wù)，完成進度表 第2周 整理完成3000字調(diào)研報告 第3周 完成3000字的外文翻譯  第4周 熟悉AVRS列ATmega16切片機的指令和硬件結(jié)構(gòu) 第5周 熟悉傳感器PT100型熱電阻測溫原理和I2C總線 第6周 第7周 溫度控制系統(tǒng)的總體技術(shù)方案設(shè)計 進行電路的電子器件選型 第8周 溫度控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 第9周 進行電路模塊的測試 第10周 對設(shè)計的總電路進行調(diào)試 第11周 整理資

21、料，寫畢業(yè)設(shè)計說明書 第12周 修改并完善畢業(yè)設(shè)計說明書 第13周 修改并完善畢業(yè)設(shè)計說明書 第14周 制作POWERPOINT備論文答辯 6參考文獻 [1]秦曾煌.電工學(xué)一一電子技術(shù).北京：高等教育出版社，2004. [2]趙家貴.電子電路設(shè)計.北京：中國計量出版社，2005 [3]王魁漢.溫度測量技術(shù)的發(fā)展.世界儀表與自動化編，1997, 1(1) : 25-29 [4]蔡萍，趙輝.現(xiàn)代檢測技術(shù)與系統(tǒng).北京：高等教育出版社，2002 [5]周培森.自動檢測與儀表.北京：清華大學(xué)出版社，1996 [6]李華.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2001 [7]李維計，郭強.液晶顯示應(yīng)用技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2000 [8]江海波，王卓然，耿德根.深入淺出AVR—片機一一從ATmega48/88/168開始.北 京：中國電力出版社,2008. [9]曹越.劉超.馮進良.基于AVR單片機的精明溫度計控制系統(tǒng)設(shè)計.儀表用戶， 2008.6 [10]AtmelCorporation Atmega8DataSheet.2008