AVRduino創客訓練裝置開發

深圳技師學院 郭惠婷

AVRduino創客訓練裝置開發

深圳技師學院 郭惠婷

AVRduino創客訓練裝置是一種采用AVR單片機為核心的進行程序設計和控制的電子裝置。它既可以進行AVR單片機控制,又可以進行Arduino項目轉AVR單片機控制、AVR單片機控制項目轉51單片機、Arduino控制項目。

AVR；Arduino；單片機；創客

引言

隨著經濟的快速發展，產業結構的不斷調整，企業對創客、創新型技能人才的需求量越來越大，對創客、創新型技能人才的要求也越來越高。

AVRduino創客訓練裝置是一種采用AVR單片機為核心的進行程序設計和控制的電子裝置，它是為了支持大眾創業、萬眾創新，為創客實現創新提供技術支持和應用技能訓練而開發的實訓裝置。該裝置結合AVR單片機開發應用實際，改變長期以來只重單片機基礎知識演示實驗、不與應用結合的現狀，將實際項目抽象為簡單的訓練任務，為學生提供系統全面的技能訓練，讓學生從單片機系統開發高度，確定系統模塊，再通過模塊化編程，協調解決應用問題，提高AVR創客和學生的學習效率和產品創新設計的能力。

1.項目AVRduino創客訓練裝置簡介

AVRduino是吸收AVR開發技術和Arduino開源創新特點的開發裝置，即Arduino+AVR = AVRduino。Arduino是開源硬件和軟件的全稱，風靡全球，創客資源豐富，但硬件接口少；無通用定時器、計數器；實時控制功能差等。AVR是采用RISC結構的高級單片機，能夠采用高級語言來編寫嵌入式系統的系統程序，從而能高效地開發出目標代碼，但AVR無底層驅動；帶傳感器難；I2C通信難；LCD、SPI、SD卡驅動復雜等；

本項目充分吸收AVR與Arduino的優點，克服其各自的缺點開發出AVRduino創客訓練裝置，本裝置采用ISP下載線結合ICCV7、WINAVR+AVRStudio軟件編程，可以完成AVR單片機的各種控制開發，采用USB下載線結合Arduino IDE軟件編程，充分利用Arduino 的優點，可以完成Arduino創客創意產品的開發。

2.硬件電路設計及介紹

本裝置的主芯片是ATmega16，包含16KB的Flash，256字節的RAM。該裝置采用集成電路構建的方式制成，結構簡單、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ATmegal6有32個輸入/輸出端口，分別為PA、PB、PC、PD 4組8位端口，對應于芯片的32個I/O端口引腳，所有的I/O端口都是復用的，第一功能是數字通用I/O端口，復用功能可以是中斷、定時/計數器、I2C、SPI、USART、模擬比較、輸入捕捉等。為了方便進行各項輸入/輸出實驗，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訓項目，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數碼管輸出顯示電路

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

2．1．3 按鍵輸入控制電路

在鍵盤中按鍵數量較多時，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，而是通過一個按鍵加以連接，如圖4所示，矩陣按鍵與單片機的PD口連接。本裝置采用的是2腳的輕觸式按鍵，按下時導通，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通信接口電路的實現方式。

在遠距離數據傳輸時,普通的TTL或CMOS 電平無法滿足工業現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協會EIA推進的RS-232接口標準。

（1）RS232電平與TTL/CMOS電平的轉換

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 串行口進行通信，必須進行電平轉換。MAX232是一種常見的RS-232 電平轉換芯片，外圍僅需少數幾個電容器即可，如圖5所示。

圖5

圖6

（2）USB到RS232的轉換

為實現用筆記本電腦下載程序，本裝置設置了USB轉RS-232，采用的芯片是CH340。參照CH340數據手冊，CH340T的USB下載和外擴電源接口電路如圖6所示。

3.軟件設計及介紹

軟件設計主要包括AVRduino的Bootload開發、下載和調試，ICCV7 for AVR應用實踐開發測試，AVRduino庫文件開發和Arduino IDE應用實踐的開發。在軟件測試中，利用ICCV7開發軟件設計AVR單片機應用程序，利用ISP下載線和ISP通信接口下載程序，進行AVR單片機的輸入輸出控制技術、定時器及計數器應用技術、中斷控制技術、串行通信技術、LCD驅動技術、模擬控制技術、模塊化編程技術的訓練實驗。利用Arduino IDE開發軟件，進行上述控制實驗外，還進行超聲傳感器、溫濕度傳感器、紅外傳感器實驗，進行I2C、1-WIRE、SPI總線實驗。

本裝置軟件設計的難點在于AVRduino的Bootload開發、下載和調試。為實現在Arduino IDE中進行軟件編程，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Bootload程序固化在AVR芯片中。通過Arduino IDE燒錄bootloader時，要注意“熔絲位”的設置， 熔絲字節在board.txt中描述，低位設定選擇內部RC震蕩還是外部晶振，高位設為0xDA，高位中有關鍵的ISP位（0x20位），一旦設錯以后就無法再通過ISP下載程序了！格式如下：

其中0xFF使用外部晶振，如使用內部RC震蕩，設成0xE4（8MHZ），內部晶振必須校準后才能使用，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對應起來，重新標定每個物理PIN和邏輯IO的關系。

4.總結

AVRduino創客訓練裝置既可以進行AVR單片機開發訓練，也可以采用Arduino IDE軟件編程，進行Arduino控制的實操訓練，其總體設計電路如圖7所示。本裝置的創新之處在于：

（1）為創客創意實現提供技術支持

目前創客進行創意使用的是Arduino開源硬件和軟件，初期進行一些簡易開發尚可，深層次的開發會有較多困難，通過本訓練裝置，為創客學生提供全面系統的應用技術訓練，逐步提高創客的開發水平。

圖7

（2）突破AVR單片機教學實踐的難點，將AVR單片機實際工程應用技術貫穿于應用技能訓練中，讓學生系統地提高AVR單片機應用能力。

[1]胡斌．電子線路基礎輕松入門[M]．北京:人民郵電出版社,2010．

[2]肖明耀,郭惠婷．AVR單片機應用技能實訓[M]．北京:中國電力出版社,2016．10

[3]李全利．單片機原理及應用技術[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。