AVRduino创客训练装置开发

深圳技师学院 郭惠婷

AVRduino创客训练装置开发

深圳技师学院 郭惠婷

AVRduino创客训练装置是一种采用AVR单片机为核心的进行程序设计和控制的电子装置。它既可以进行AVR单片机控制,又可以进行Arduino项目转AVR单片机控制、AVR单片机控制项目转51单片机、Arduino控制项目。

AVR；Arduino；单片机；创客

引言

随着经济的快速发展，产业结构的不断调整，企业对创客、创新型技能人才的需求量越来越大，对创客、创新型技能人才的要求也越来越高。

AVRduino创客训练装置是一种采用AVR单片机为核心的进行程序设计和控制的电子装置，它是为了支持大众创业、万众创新，为创客实现创新提供技术支持和应用技能训练而开发的实训装置。该装置结合AVR单片机开发应用实际，改变长期以来只重单片机基础知识演示实验、不与应用结合的现状，将实际项目抽象为简单的训练任务，为学生提供系统全面的技能训练，让学生从单片机系统开发高度，确定系统模块，再通过模块化编程，协调解决应用问题，提高AVR创客和学生的学习效率和产品创新设计的能力。

1.项目AVRduino创客训练装置简介

AVRduino是吸收AVR开发技术和Arduino开源创新特点的开发装置，即Arduino+AVR = AVRduino。Arduino是开源硬件和软件的全称，风靡全球，创客资源丰富，但硬件接口少；无通用定时器、计数器；实时控制功能差等。AVR是采用RISC结构的高级单片机，能够采用高级语言来编写嵌入式系统的系统程序，从而能高效地开发出目标代码，但AVR无底层驱动；带传感器难；I2C通信难；LCD、SPI、SD卡驱动复杂等；

本项目充分吸收AVR与Arduino的优点，克服其各自的缺点开发出AVRduino创客训练装置，本装置采用ISP下载线结合ICCV7、WINAVR+AVRStudio软件编程，可以完成AVR单片机的各种控制开发，采用USB下载线结合Arduino IDE软件编程，充分利用Arduino 的优点，可以完成Arduino创客创意产品的开发。

2.硬件电路设计及介绍

本装置的主芯片是ATmega16，包含16KB的Flash，256字节的RAM。该装置采用集成电路构建的方式制成，结构简单、易于制作、体积小、便于携带和使用。所需的单元电路分解为CPU控制模块、输入/输出控制模块、通信电路模块、电源电路模块等。

2.1 输入/输出控制模块

AVR单片机ATmegal6有32个输入/输出端口，分别为PA、PB、PC、PD 4组8位端口，对应于芯片的32个I/O端口引脚，所有的I/O端口都是复用的，第一功能是数字通用I/O端口，复用功能可以是中断、定时/计数器、I2C、SPI、USART、模拟比较、输入捕捉等。为了方便进行各项输入/输出实验，本装置的4组I/O口都用排针引出，如图1所示。以下简略介绍本装置的数字输入/输出控制电路。

2．1．1 交叉闪烁LED灯输出控制电路

本装置将8只LED灯连在主控芯片的PB口，为方便做交叉闪烁及流水灯等实训项目，交叉闪烁LED灯输出控制电路如图2所示。

图1

图2

2．1．2 LED数码管输出显示电路

单片机的拉电流比较小，灌电流比较大，不能用来直接驱动数码管，所以扩流电路是必需的，且AVR单片机只有32个I/ O口，因此不能用三级管来驱动，否则I/O口将不够用，于是选用74HC573锁存器来解决即扩流又扩I/O口的问题，电原理图如图3所示。PA3用于位选，用于控制哪个数码管亮，PA4用于段选，用于控制显示某位数字。

2．1．3 按键输入控制电路

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，即每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接，如图4所示，矩阵按键与单片机的PD口连接。本装置采用的是2脚的轻触式按键，按下时导通，松开则断开。

图3

图4

2.2 通信电路模块

本装置涉及到的通信有I2C，SPI、RS232通信等，以下只简单介绍本装置的RS232通信接口电路的实现方式。

在远距离数据传输时,普通的TTL或CMOS 电平无法满足工业现场的抗干扰要求和各种电气性能要求，因此本装置采用国际电气工业协会EIA推进的RS-232接口标准。

（1）RS232电平与TTL/CMOS电平的转换

本装置采用DB9作为连接器，TTL/CMOS电平采用的是0-5V的正逻辑，即 OV 表示逻辑0，5V 表示逻辑1，而RS-232采用的是负逻辑，逻辑0用+5～+15V 表示，逻辑1用-5～-15V 表示。在TTL/CMOS中，如果使用RS-232 串行口进行通信，必须进行电平转换。MAX232是一种常见的RS-232 电平转换芯片，外围仅需少数几个电容器即可，如图5所示。

图5

图6

（2）USB到RS232的转换

为实现用笔记本电脑下载程序，本装置设置了USB转RS-232，采用的芯片是CH340。参照CH340数据手册，CH340T的USB下载和外扩电源接口电路如图6所示。

3.软件设计及介绍

软件设计主要包括AVRduino的Bootload开发、下载和调试，ICCV7 for AVR应用实践开发测试，AVRduino库文件开发和Arduino IDE应用实践的开发。在软件测试中，利用ICCV7开发软件设计AVR单片机应用程序，利用ISP下载线和ISP通信接口下载程序，进行AVR单片机的输入输出控制技术、定时器及计数器应用技术、中断控制技术、串行通信技术、LCD驱动技术、模拟控制技术、模块化编程技术的训练实验。利用Arduino IDE开发软件，进行上述控制实验外，还进行超声传感器、温湿度传感器、红外传感器实验，进行I2C、1-WIRE、SPI总线实验。

本装置软件设计的难点在于AVRduino的Bootload开发、下载和调试。为实现在Arduino IDE中进行软件编程，使用Arduino的库文件，通过串口交互信息，通过串口烧录程序，就必须开发Bootload程序固化在AVR芯片中。通过Arduino IDE烧录bootloader时，要注意“熔丝位”的设置， 熔丝字节在board.txt中描述，低位设定选择内部RC震荡还是外部晶振，高位设为0xDA，高位中有关键的ISP位（0x20位），一旦设错以后就无法再通过ISP下载程序了！格式如下：

其中0xFF使用外部晶振，如使用内部RC震荡，设成0xE4（8MHZ），内部晶振必须校准后才能使用，本装置使用的是外部晶振。此外，还要将主控芯片的pins_Arduino.h文件中的物理PIN与逻辑IO对应起来，重新标定每个物理PIN和逻辑IO的关系。

4.总结

AVRduino创客训练装置既可以进行AVR单片机开发训练，也可以采用Arduino IDE软件编程，进行Arduino控制的实操训练，其总体设计电路如图7所示。本装置的创新之处在于：

（1）为创客创意实现提供技术支持

目前创客进行创意使用的是Arduino开源硬件和软件，初期进行一些简易开发尚可，深层次的开发会有较多困难，通过本训练装置，为创客学生提供全面系统的应用技术训练，逐步提高创客的开发水平。

图7

（2）突破AVR单片机教学实践的难点，将AVR单片机实际工程应用技术贯穿于应用技能训练中，让学生系统地提高AVR单片机应用能力。

[1]胡斌．电子线路基础轻松入门[M]．北京:人民邮电出版社,2010．

[2]肖明耀,郭惠婷．AVR单片机应用技能实训[M]．北京:中国电力出版社,2016．10

[3]李全利．单片机原理及应用技术[M]．北京:高等教育出版社．2009．

郭惠婷（1991-），女，广东梅州人，本科，助理讲师，教师，研究方向：智能电子。