3.6、单片机接口与外设

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,怎样实现我们的构想,?,在上面的课程里，我们学习了如何实现我们的构想：,软件编译、仿真调试和下载运行,硬件电路的设计制作流程,怎样实现我们的构想,?,具体涉及,单片机的接口与外设,以机器蛇的舵机控制介绍有关接口与外设,怎样实现我们的构想,?,单片机的接口与外设,以,ATmega8,的串口控制舵机,本次课程主要内容,介绍认识单片机常用接口。,体会单片机系统的简单外围应用开发。,学习掌握,ATmega8,的串口和舵机控制。,一、单片机典型的接口基础知识,经典的单片机接口,1、,IO,口,这个是我们最为常见的单片机接口，广义的说，任何接口都可以认为是,IO,口（,Input / Output ），,是数据传输的必需通道。,有双向和单向之分，象普通的,51,系列单片机，它们的,IO,口都是双向的，而对基于,RISC,的,AVR,单片机来说它的,IO,口是单向的。,经典的单片机接口,单片机,IO,口一般来说都是,8,位并行的，带有锁存功能，不需要再外置锁存器。,这样的数据通道一般来说制约了单片机的处理能力和位数。,也有一些单片机是,16,位的,IO。,经典的单片机接口,（2）,SCI,串行通信接口,SCI（Serial Communication Interface）,也是由,Motorola,公司推出的。,它是一种通用异步通信接口,UART，,与,MCS-51,的异步通信功能基本相同。,经典的单片机接口,（3）,SPI,总线串行外围设备接口,SPI（Serial Peripheral Interface）,总线技术是,Motorola,公司推出的一种同步串行接口。,Motorola,公司生产的绝大多数,MCU（,微控制器）都配有,SPI,硬件接口，如,68,系列,MCU。SPI,总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强。所以，与,SPI,有关的软件就相当简单，使,CPU,有更多的时间处理其他事务。,经典的单片机接口,（4）,TWI,总线接口（即,I2C,总线）,I2C（Inter-IC）,总线,10,多年前由,Philips,公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。,它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。,在主从通信中，可以有多个,I2C,总线器件同时接到,I2C,总线上，通过地址来识别通信对象。,经典的单片机接口,（5）,AD、DA,模数、数模转换接口,多数单片机都带有这样的接口，可以直接实现数位的,AD、DA,转换。,经典的单片机接口,（,6）,USB,通用串行总线,USB（Universal Serial Bus）,是由,Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom,等7,家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。,它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展,PC,连接外设范围的目的。快速是,USB,技术的突出特点之一，,USB,的最高传输率可达12,Mbps,比串口快100倍，比并口快近10倍，而且,USB,还能支持多媒体。,它可以由外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要自己单独的供电系统。,二、单片机典型的外设基础知识,（1,）传感器,传感器的作用是将非电参量转化为电参量，即是通过使用传感器将各种物理变量、物质特性（温度、湿度、压力、速度、位移等等）转换为可以电测的量（电流、电压、功率等等）。,传感器通常有两个作用：,其一是敏感作用，感知被测物理量的变化，完成对被测对象的信号拾取；,其二是变换作用，完成非电量到电量的转换。,经典的外设,根据它的输出电信号是模拟量还是数字量，传感器分为模拟式传感器和数字式传感器。,根据变换原理，传感器可以分为参量型和发电型两种。,经典的外设,（2,）舵机,舵机在我们前述的课程中已经有所讲述。舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中，飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。其他应用：船模上用来控制尾舵，车模中用来转向等等。,凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现。,一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成， 舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计,5,k、,直流电机、控制电路板等。,经典的外设,（3,）存储器,存储器的种类非常多，按照使用的功能分成两大类：,RAM（Random Access Memory）,随机存储器,ROM（Read Only Memory）,只读存储器；,常用的存储器主要包括：,动态随机存取存储器,（,Dynamic Random Access Memory）DRAM；,静态随机存取存储器,（,Static Random Access Memory）SRAM；,可编程只读存储器,（,Programmable Read Only Memory）PROM；,可擦编程只读存储器,（,Erasable Programmable Read Only Memory）EPROM；,电可擦编程只读存储器,（,Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）EEPROM；,快可擦编程只读存储器,（,Flash Erasable Programmable Read Only Memory）Flash EPROM；,视频随机存取存储器,（,Video Random Access Memory） VRAM；,经典的外设,（4,）键盘,不同于我们,PC,的键盘，这里指的是广义的键盘，可以是软键盘，或是键盘矩阵，按钮矩阵，实现键盘功能的都可以称作键盘。,经典的外设,（5,）液晶显示（东南大学，等离子）,液晶显示,LCD（Liquid Crystal Display）,液晶是一种既具有液体的流动性又具有光学特性的有机化合物。,它的透明度和呈现的颜色受外加电场的影响，利用这一特性便可制成字符显示器。,液晶的最大优点是功耗很小，每平方厘米的功耗在,1,uW,以下。它的工作电压也很低，在,1,V,一下仍能工作。,经典的外设,液晶显示器在电子表以及各种小型、便携式仪器、仪表中得到了广泛的应用。,它本身不会发光，仅仅靠反射外界光线显示字形，所以亮度很差。此外，它的响应速度较低（在,10,ms200ms,范围），这就限制了它在快速系统中的应用。,三、单片机控制舵机运动简介,在机器人控制系统中，最常见的就是,上位机和下位机控制,，即,上位机,（通常是,PC）,发送相关的执行指令（包含有一些可变规律的参数），介质通常是串行总线或者局域网络，,下位机,的工作主要就是执行上位机的指令，并根据相关参数调整运动方式。,在这个实验型的,SOLIDSNAKE,机器蛇控制系统中，同样是采用这种基本的形式构成的。,PWM,波形的生成,只要控制输出波形高电平的时间，可以调整舵机的摆角，实现控制舵机的运动了。,控制路线是：,PCPC,端串口,串口电平转换芯片,单片机串口（已经被单片机集成）,单片机,单片机,IO,舵机,机器蛇舵机控制,舵机运动控制简介,舵机的控制信号为周期是,20,ms,的脉宽调制（,PWM）,信号,其中脉冲宽度从,0.5,ms-2.5ms，,相对应舵盘的位置为,0180,度，呈线性变化,在周期,T=20ms,中通过占空比控制舵机的角度,舵机运动控制简介,1.5,ms,等于,90,度,0,.5,ms,等于,0,度,公式：,时间,= 0.5 +,度数,/ 90,舵机的引脚：,_,| * | * | * |,-,| | |_,| |_ |,| | |,信 号,VCC GND,舵机运动控制简介,舵机电源线,舵机地线,舵机,PWM,信号线,串口,串口和舵机控制的,C,语言实现,串口和舵机控制的,C,语言实现,在,AVR,单片机中，只要实现对串口缓冲寄存器,UDR0,的读写，就可以实现从串口读、写一次数据。一般来说，一次只能读写一个字节。,如下例实现了连续向外发送,10,个字节的信息（站在,MCU,的角度上）：,void uart0_trans(void),/use uart0 to transport test code,unsigned char i;,for(i=0;i10;i+)UDR0=i+30;,串口和舵机控制的,C,语言实现,mega8,中，每发送完一个字节，会给系统产生一个中断，中断向量号是,14,，可以添加相应的中断服务程序：,#,pragma,interrupt_handler uart0_tx_isr:14,void uart0_tx_isr(void),/character has been transmitted,串口和舵机控制的,C,语言实现,接收也是一样，缓冲区每接收到一个字节，都会触发一个中断，向量号是,12,，可以在服务程序中处理接收到的信号：,#,pragma,interrupt_handler uart0_rx_isr:12,void uart0_rx_isr(void),/,uart,has received a character in UDR,unsigned char temp;,temp = UDR0;,串行异步通讯,串行异步通讯是把一个字符看作一个独立的信息单元，每一个字符中的各位是以固定的时间传送。,因此，这种传送方式在同一字节内部是同步的，而字符间是异步的。,在异步通信中收发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位，而在字符结束时发送,12,各停止位。当接收器检测到起始位时，便能知道借着是有效的字符位，于是开始接收字符，检测到停止位时，就将接收到的有效字符装载到接收缓冲器中。,串口的组成,串口由阴阳两种接口组成。,最常使用的信号引脚是,TD、RD,和,SG，,因此最简单的串口调试只需要包含,3,条引线就可以了。,在,RS232（,一种串行工业总线标准）标准中，利用,RD、TD,作为接收、发送信号线，加入地线，约定好通讯的波特率，实现串行信号传输。（距离）,串口电平转换电路,PC,的串口是,TTL,信号12,V，,我们一般使用的电路板上，电源信号和,TTL,电平是,5,V,的（在低功耗电路中是,3.3,V,的）,为此，需要做串口的电平转换。这一部分电路已经有相应的生产厂商做出了各种集成芯片，例如,MAXIM,公司的,MAX232/MAX233,芯片，就是实现,5,V,电路中和,PC,实现串口通信的电平转换芯片，而,MAX3232/MAX3233,可以实现,3.3,V,的电平转换。具体的电路如下图所示：,串口电平转换电路,这一部分接,PC,机,这一部分接单片机,MAX3232,串口电平转换芯片,四、实验的主要内容,实验内容一,完成,PC,与,AVR,串口的通讯,使用串口调试助手发送一个或一组数据，当单片机接收到数据时，控制舵机旋转,30,度角,实验的主要内容,作业提交：,提交你编写的,C,代码使用串口控制舵机,写出实验报告,实验的主要内容,实验内容二,（选作）,利用已经学习的单片机硬件开发方法和单片机软件调试方法，实现系统的外围设备开发，可以实现驱动器，实现电机，可以实现键盘、液晶的显示等等。,实验的主要内容,作业提交,（选作）,：,提交你自己设想并实现的单片机控制系统，提交功能原理文档、电路原理说明、原理图、,PCB,图、控制代码。,注意事项与关键问题,使用舵机时，请格外小心，舵机是易损件。,请注意使用串口插针时的方向问题，如果插接反了，或者被短路，可能会将,PC,端串口烧毁，一定要注意。,使用时应该尽量使电路板绝缘放置。,回顾一下本次讲述的内容,经典的单片机接口,经典的单片机外设,单片机控制舵机运动简介,实验要求与作业提交,下一讲的主要内容,通信协议的基本知识和制定原则,结合机器蛇的功能和通信需求介绍其通信协议的制定,通过上下位机通信控制舵机实现机器蛇的运动控制,谢谢大家,Thanks a lot！,