某信息工程学院毕业设计调研报 AVR单片机

大连交通大学信息工程学院毕业设计（论文）调研报告学生姓名专业班级自动化07-4指导教师 职 称 工程师所在单位自动化教研室教研室主任完成日期2011 年 04 月 8 日调研报告1.AVR单片机简介AV加片机是ATME公司研制开发的一种新型单片机，它与 51单片机、PIC单片机 相比具有一系列的优点：1:在相同的系统时钟下 AVR运行速度最快；2:芯片内部的 Flash、EEPRQMSRA廨量较大；3:所有型号的Flash、EEPRO哪可以反复烧写、全部 支持在线编程烧写（ISP） ; 4:多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启 动延时等功能，零外围电路也可以工作；5:每个IO 口都可以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强； 6 :内部资源丰富，一般都集成 AD DA模数器;PWMSPI、 USARTTWk I2C通信口；丰富的中断源等。目前支持 AVRI片机编译器的语言主要有 汇编语言、C语言、BASIC语言等。其中C编译器主要有 CodeVisionAVR AVRGCCIAR、 ICCAVR等，C语言编译器由于它具有功能强大、运用灵活、代码小、运行速度快等先天性的优点，使得它在专业程序设计上具有不可代替的地位。AVR单片机是1997年由ATME公司研发出的增强型内置 Flash的RISC（Reduced Instruction Set CPU） 精简指 令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、 仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。2.AVR的主要特性高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、 赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能 差等原因，所以采取稳妥技术方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期 长，执行速度慢。以后的CMOSI片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施， 但这种状态并未被彻底改观（51以及51兼容）。此间虽有某些精简指令集单片机（RISC） 问世，但依然沿袭对时钟分频的作法。AVRI片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废 除了机器周期，抛弃复杂指令计算机（CISC）追求指令完备的做法；采用精简指令集，以 字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此），取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执 行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。AVRI片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32个寄存器文件）和单体高速输 入/输出的技术方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）。提高了指令执行速度（1Mips/MHz）,克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设经 管的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。AVRI片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP,便于产品的调试、开发、生产、更新、 以及嵌长寿命的EPROMT长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的RAM仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM AVRI片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定 为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性， 使的得I/O 口的资源灵活、功能强大、可充分利用。AVR片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供URAT I2C、SPI使用。其中与8/16位定时器配合的具有多达10位 的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。 AVRI片机独有的“以 定时器/计数器（单）双向计数形成三角波，再与输出比较匹配寄存器配合，生成占空 比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法 （即脉宽调制输出PWM）更是令人耳目一 新。增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接 收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性， 方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大 超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波 特率通讯。面向字节的高速硬件串行接口 TWk SPI。TWI与I2C接口兼容，具备ACKB 号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主 /从机的收/发全部4种组合 的多机通信。SPI支持主/从机等4种组合的多机通信。AVRI片机有自动上电复位电路、 独立的看门狗电路、低电压检测电路 BOD多个复位源（自动上下电复位、外部复位、看 门狗复位、BODT位）,可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。AVR 单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5-2.7V）,抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。AVR单片机技术体现了单片机集多种器件（包括FLASH?序存储器、看门狗、EEPRQM同/异步用行口、TWk SPI、A/D 模数转换器、定时器/计数器等）和多种功能（增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰 的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定 时器/计数器、具替换功能的I/O端口）于一身，充分体现了单片机技术的从“片 自为战”向“片上系统Sac过渡的发展方向。3 .热电阻工作原理热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳 定。其中柏热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成规 范的基准仪。与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电 阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就 可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即 Rt=Rt0*1+ a*（t-t0）式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0 （通常t0=0C）时对应电阻值；a 为 温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为Rt=A。e*B/t式中Ret为温度为t时的阻值；Ace、B取决于半导体材料的结构的常数。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上）， 但互换性较差，非线性严重，测温范围只有 -50300 c左右，大量用于家电和汽车用温 度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200500c范围内的温度测量，其特点是测量准 确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。4 .I2C总线介绍：由于大规模集成电路技术的发展，在单个芯片集成CPUZ及组成一个单独工 作系统所必须的ROM RAM I/O端口、A/D、D/A等外围电路和已经实现，这就是常说的 单片机或微控制器。目前，世界上许多公司生产单片机，品种很多：包括各种字长的CPU 各种容量和品种的ROM RAM以及功能各异的I/O等等。但是，单片机品种规格有限， 所以只能选用某种单片机再进行扩展。扩展的方法有两种：一种是并行总线，另一种是 用行总线。由于用行总线连线少，结构简单，往往不用专用的母板和插座而直接用导线 连接各个设备即可。因此，采用串行总线大大简化了系统硬件设计。PHILIPS公司早在十几年就前推出了 I2C申行总线，它是具备多主机系统所需的包括裁决和高低速设备同 步等功能的高性能用行总线。4.1 编辑本段I2C总线定义I2C（InterIntegrated Circuit）总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总 线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频 设备开发，如今主要在服务器经管中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如经管员 可对各个组件进行查询，以经管系统的配置或掌握组件的功能状态， 如电源和系统风扇。 可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了经 管。4.2 编辑本段I2C总线特点I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此 I2C总 线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线 的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线 的另一个优点是，它支持多主控，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主 控。编辑本段I2C总线工作原理4.3 总线的构成及信号类型I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU 与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路 均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路 和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主 控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路， 确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这 样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的IC在接U到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平 脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应 答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的判断。若未 收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。目前有很多半导体集成电路上都集成了 I2C接口。带有I2C接口的单片机有：CYGNAL 的 C8051F0XX 系歹U, PHILIPSP87LPC7XX 系歹U, MICROCHIP 的 PIC16C6XX 系列 等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供 I2C接口I2C总线是一种用于IC器件之间连接的双向二线制总线，所谓总线它上面可以挂多 个器件，并且通过两根线连接，占用空间非常的小，总线的长度可长达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持4个组件。它的另一优点是多主控，只要能够进行 接收和发送的设备都可以成为主控制器，当然多个主控不能同一时间工作。I2C总线有两根信号线，一根为 SDA （数据线），一根为SCL （时钟线）。任何时 候时钟信号都是由主控器件产生。编辑本段I2C总线操作I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数 据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产 生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为 高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。控制字节在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯 片类型有不同的定义，EEPROM 一般应为1010）,接着三位为片选，最后一位为读写 位，当为1时为读操作，为0时为写操作。写操作写操作分为字节写和页面写成两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同 有所不同。读操作读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。图 4给出的是顺序读的时序 图。应当注意的是：最后一个读操作的第9个时钟周期不是 不关心”。为了结束读操作， 主机必须在第9个周期内发出停止条件或者在第 9个时钟周期内保持SDA为高电平、 然后发出停止条件。编辑本段I2C总线应用目前有很多半导体集成电路上都集成了 I2C接口。带有I2C接口的单片机有：CYGNAL 的 C8051F0XX 系歹U, PHILIPSP87LPC7XX 系歹U, MICROCHIP 的 PIC16C6XX 系列 等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供 I2C接口。4. 4功能和如何实现I2C总线控制器和I2C设备。I2C总线控制器为微控制器或微处理器提供控制I2C总线的接口，它控制所有I2C总线的特殊序列、协议、仲裁、时序，这里指 MPC8250提 供的I2C总线控制接口。I2C设备是指通过I2C总线与微控制器或微处理器相连的设备， 如EEPROM 、 LCD驱动器等，这里指 EEPROM。在一个串行数据通道中.I2C总线控制器可以配置成主模式或从模式。开发过程中， MPC8250的I2C总线控制器工作在主模式，作为主设备；与总线相连的 I2C设备为 AT24C01A型EEPROM，作为从设备。主设备和从设备都可以工作于接收和发送状态。 总线必须由主设备控制，主设备产生用行时钟控制总线的传输方向，并产生起始和停止 条件。5进度表日期计划完成内容第1周查阅资料，分解课题任务，完成进度表第2周整理完成3000字调研报告第3周完成3000字的外文翻译第4周熟悉AVRS列ATmega16切片机的指令和硬件结构第5周熟悉传感器PT100型热电阻测温原理和I2C总线第6周第7周温度控制系统的总体技术方案设计进行电路的电子器件选型第8周温度控制系统硬件电路设计第9周进行电路模块的测试第10周对设计的总电路进行调试第11周整理资料，写毕业设计说明书第12周修改并完善毕业设计说明书第13周修改并完善毕业设计说明书第14周制作POWERPOINT备论文答辩6参考文献1秦曾煌.电工学一一电子技术.北京：高等教育出版社，2004.2赵家贵.电子电路设计.北京：中国计量出版社，20053王魁汉.温度测量技术的发展.世界仪表与自动化编，1997, 1(1) : 25-294蔡萍，赵辉.现代检测技术与系统.北京：高等教育出版社，20025周培森.自动检测与仪表.北京：清华大学出版社，19966李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社， 20017李维计，郭强.液晶显示应用技术.北京：电子工业出版社，20008江海波，王卓然，耿德根.深入浅出AVR片机一一从ATmega48/88/168开始.北 京：中国电力出版社,2008.9曹越.刘超.冯进良.基于AVR单片机的精明温度计控制系统设计.仪表用户，2008.610AtmelCorporation Atmega8DataSheet.2008