北科大单片机实验报告.docx

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北科大单片机实验报告

北京科技大学

《微机原理及应用》实验报告

实验内容：

单片机及应用

班级：

智能12

姓名：

2015年1月5日

实验一AVR单片机硬件开发平台

一、实验目的

1．了解ATmega16单片机的组成。

2．认识AVR_StudyV1.1实验板的功能模块。

二、实验内容

1．了解AVR系列单片机。

2．认识AVR_StudyV1.1实验板的组成模块。

三、实验所用仪表及设备

硬件：

PC机一台、AVR_StudyV1.1实验板

四、实验步骤

了解AVR系列单片机

AVR单片机是Atmel公司1997年推出的RISC单片机。

RISC（精简指令系统计算机）是相对于CISC（复杂指令系统计算机）而言的。

RISC优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。

由于AVR采用了RISC指令，使AVR系列单片机具备1MIPS/MHz（百万条指令每秒/兆赫兹）的高速处理能力。

AVR单片机吸收了DSP双总线的特点，采用Harvard总线结构，因此单片机的程序存储器和数据存储器是分离的，并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立的寻址。

AVR单片机具有良好的集成性能。

AVR系列的单片机都具备在线编程接口，其中的Mega系列还具备JTAG仿真和下载功能；都含有片内看门狗电路、片内程序Flash、同步串行接口SPI；多数AVR单片机还内嵌了AD转换器、EEPROM、摸拟比较器、定时计数器等多种功能；AVR片机的I/O接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、LED等器件，从而省去驱动电路，节约系统成本。

AVR单片机还支持Basic、C等高级语言编程。

采用高级语言是单片机开发的发展趋势。

对单片机用高级语言编程可很容易地实现系统移植，更加灵活并加快软件的开发进程。

AVR单片机具有多个系列，包括ATtiny、AT90、ATmega。

每个系列又包括多个产品，它们在功能和存储器容量等方面有很大的不同，但基本结构和原理都类似，而且编程方也相同。

认识AVR_StudyV1.1实验板的组成模块

A区——电源

A区采用AMS1117-5.0低压降三端线性稳压器，输入电压范围为6.5~12V，输出为5V，为整个实验板的其它模块供电。

为方便做实验，将+5V和GND用排针分别引出。

B区——LCD1602

B区为字符型液晶1602接口模块，只需要将1602液晶插到J12孔内，使用杜邦线从J10处将相关接口与单片机端口相连即可。

注意，使用液晶时应将J11短路，为液晶供电。

C区——八段数码管

C区为八段共阴型数码管模块，J1为数码管的八段，高电平点亮。

J2和J3为八个数码管的位选，低电平使能。

D区——LED发光二极管

D区为8个LED发光二极管，采用共阳接法，即低电平点亮。

其中电阻为保护LED的限流电阻。

使用时只需从J7处使用杜邦线引出即可。

E区——按键

按键采用外部上拉电阻，平时J4为高电平，当按键按下时，输出低电平。

其中，电容为滤波电容，滤除按键按下时产生的尖峰毛刺。

F区——DS18B20

DS18B20是DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器，具有3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

G区——ADC区

G区通过一个滑动变阻器改变J14输出电压，可通过单片机片内AD进行采集。

H区——E2PROM

AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，采用I2C总线通信，内含256×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。

I区——蜂鸣器

I区为一个无源蜂鸣器。

无源蜂鸣器与有源蜂鸣器相比，没有内部驱动电路，如果直接加直流电压，蜂鸣器不会发声。

它的理想工作信号为方波信号，且随着频率不同发出不同的声调。

大约1K~2K，蜂鸣器最响。

J区——串口

J区位串口通信模块，采用Maxim公司的MAX232实现电平转换，以满足RS232标准电平与PC机标准串口连接。

其中，两个LED为状态指示灯。

ATmega16最小系统

主要包括复位电路、外部晶振、ISP下载接口、ADC外部参考电压。

五、思考题

1．总结ATMega16的特点和性能。

AVR单片机吸收了DSP双总线的特点，采用Harvard总线结构，因此单片机的程序存储器和数据存储器是分离的，并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立的寻址。

1）先进的RISC结构，131条指令,大多数指令执行时间为单个时钟周期，32个8位通用工作寄存器；采用CMOS技术，实现高速（50ns）、低功耗（μA）、具有SLEEP（休眠）功能；

2）非易失性程序和数据存储器,16K字节的系统内可编程Flash,擦写寿命:

10,000次真正的同时读写操作,512字节的EEPROM,擦写寿命:

100,000次,1K字节的片内SRAM,可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密，高度保密。

3）工业级产品。

具有大电流10～20mA（输出电流）或40mA（吸电流）的特点，可直接驱动LED、SSR或继电器。

有看门狗定时器（WDT）安全保护，可防止程序走飞，提高产品的抗干扰能力；

4）超功能精简指令，具有32个通用工作寄存器，克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象；

5）程序写入器件时，可以使用并行方式写入，也可使用串行在线下载（ISP）、在应用下载（IAP）方法下载写入；

6）通用数字I/O口的输入输出特性与PIC的HI/LOW输出及三态高阻抗HI-Z输入类同，同时可设定类同与8051结构内部有上拉电阻的输入端功能，便于作为各种应用特性所需（多功能I/O口），AVR的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口的输入/输出的真实情况；

7）许多AVR单片机具有内部的RC振荡器，提供1/2/4/8MHz的工作时钟，使该类单片机无需外加时钟电路元器件即可工作，非常简单和方便；

8）有多个带预分频器的8位和16位功能强大的计数器/定时器（C/T），除了实现普通的定时和计数功能外，还具有输入捕获、产生PWM输出等更多的功能；

2．AVR单片机存储器有哪几种类型？

有何作用？

Flash可编程存储，主要用来存放程序。

SRAM，即随机存储器RAM，SRAM数据存储器是以8位（字节）为一个存储单元，编址方式采用与工作寄存器组、I/O寄存器和SRAM统一寻址的方式。

EEPROM即电可擦除可编程存储器，EEPROM的寿命大于10万次，具有掉电后不丢失数据的特点，并且通过系统程序可以随时修改。

EEPROM数据存储器也是以8位（字节）为一个存储单元，对其的读写操作都以字节为单位。

SRAM存储单片机运行过程中产生的了临时数据；EEPROM视用户的需要而定，EEPROM存储器一般用于存放一些永久或比较固定的系统参数。

3．AVR单片机是如何实现高达1MIPS/MHz的处理能力的？

先进的RISC结构131条指令大多数指令执行时间为单个时钟周期，AVR采用了Harvard结构，具有独立的数据和程序总线。

程序存储器里的指令通过一级流水线运行。

CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令。

4．分析A区电容种类和作用。

Ａ区电容分为有极性和无极性电容，分别对电源起稳压和滤波的作用。

六、心得体会

通过本次实验我了解了AVR的单片机的基本情况，学习了AVR的基本特性。

对实验中使用的开发板有了基本的认识，了解了使用的电路板中有哪些外围设备，可以实现什么功能。

为今后的单片机学习打下了基础。

实验二AVR单片机软件开发环境

一、实验目的

1．熟悉CodeVisionAVR集成开发环境

2．掌握单片机C语言开发

二、实验内容

1．在CodeVisionAVR软件开发平台下创建一个工程并编译下载。

三、实验所用仪表及设备

硬件：

PC机一台、AVR_StudyV1.1实验板

软件：

CodeVisionAVR集成开发软件、SLISP下载软件

四、实验步骤

使用CodeVisionAVR软件的CodeWizardAVR功能，创建一个简单的工程，编译并下载。

新建项目

（1）打开CodeVisionAVR（版本V2.03.4），打开File->New，选择Project->OK，弹出一个Confirm对话框，选择Yes。

如图2.1所示。

图2.1

（2）在弹出的CodeWizardAVR窗口中进行选择。

在Chip选项卡中：

Chip->ATmega16，Clock->4MHz。

在Port选项卡中：

选择PortA，修改Bit0为Out，OutputValue改为1。

如图2.2所示。

图2.2

（3）在CodeWizardAVR窗口中，File->Generate,SaveandExit，创建新工程。

如图2.3所示。

图2.3

将新生成的源程序（.c），工程文件（.prj），CodeWizardAVR文件（.cwp），保存在一个新建文件夹下。

如图2.4所示新生成的源程序。

图2.4

（4）修改源程序

在源程序在开始处添加#include。

在while

（1）处添加四句语句。

如图2.5所示。

图2.5

（5）保存。

编译项目

选择Project->BuildAll（Ctrl+F9），弹出Information窗口，其中Noerrors,Nowarnings表示编译成功。

如果出现错误，根据错误提示修改源程序。

下载程序

由于CodeVisionAVR自带的下载软件CodeProgrammer修改熔丝位不够灵活，我们选用双龙公司的SLISP进行程序下载。

（1）打开SLISP，在通信参数设置及器件选择项目中，按照图2.7进行设置。

图2.7

（2）点击Flash选项，在工程文件夹下找到Exe文件夹，选择xx.hex文件。

在弹出的空闲存贮器填充对话框，点击确定。

（3）编程选项修改。

图2.9

（4）配置熔丝位：

点击编程选项中配置熔丝。

切换到设置设置导航模式，如图2.10所示。

图2.10

选择Int.RCOsc.4MHz;Start-uptime:

6CK+64ms这一项;其余项不要修改。

此时右上角配置位数值变为：

E399FF。

点击确定。

（5）检查实验板J5、J6短路帽是否插上，没有要插上。

将下载器与PC机并口相连，另一端连接实验板ISP接口。

使用杜邦线将D区任意一个LED灯与PA0相连。

检查无误后上电。

（6）点击编程，如图2.11所示为编程成功。

观察LED，发现它在一闪一闪。

图2.11

五、思考题

1用CodeWizardAVR创建工程的有什么优点？

CodeWIzardAVR有特定功能的头文件，可以直接调用，不用再去编写一些程序，比如delay.h等。

CodeWizardAVR中的工程向导可以省去很多的初始化的代码，以及程序的框架。

CodeWizardAVR中的中断函数可以提供自动的现场保护和断点回复功能，可以方便的使用中断。

2创建工程的过程中应注意哪些问题？

应注意正确配置各参数，以及目标芯片，防止配置错误，导致程序无法正常工作，甚至损坏电路板。

3AVR熔丝位有哪些作用？

编程时应注意哪些问题？

（特别注意时钟及加密）

熔丝是一个保护知识产权的设计。

烧断熔丝后，片内的程序就不可以被读出来也不能被改写，只能用来运行。

AVR芯片使用熔丝来设定时钟、启动时间、一些功能的使能、BOOT区设定、当然还有最让初学者头疼的保密位,烧录程序时需要设定好熔丝位，不然设不好会锁芯片。

六、实验现象

LED灯一闪一灭，间隔时间为半秒钟

七、遇到的问题及解决方法

1、我的电脑是64位，安装codeversion总是失败，于是我安装的AtmelStudio,编程的时候需要设置CPU频率，头文件也与Codeversion不同，比如。

具体如下：

2、下载器和烧录软件也与实验室不同：

下载器：

USBASP

烧录器：

八、心得体会

本次实验，我学习了单片机的软件环境。

使用CodeVisionAVR软件的工程创建向导功能，创建了一个简单的工程，编译并下载。

在此过程中的设置是：

Chip->ATmega16，

Clock->4MHz。

按照需要配置各IO端以及定时器等。

编译后，要注意观察Information窗口，观察是否有错误或警告以及它们所在的位置。

下载过程中，一定要保证单片机与PC机连接正确，即串口连接好且单片机上电。

实验三I/O口操作实验

一、实验目的

1．掌握ATmega16I/O口操作相关寄存器

2．掌握CodeVisionAVR软件的使用

3.复习C语言，总结单片机C语言的特点

二、实验内容

1.设计一个简单控制程序，功能是8个LED逐一循环发光0.5s，构成“流水灯”。

2.设计一个4种闪烁方式交替循环的彩灯，闪烁方式如图3.1所示：

图3.14种不同控制方式的转换图

三、实验所用仪表及设备

硬件：

PC机一台、AVR_StudyV1.1实验板

软件：

CodeVisionAVR集成开发软件、SLISP下载软件

四、实验步骤

硬件接线图：

根据图3.2所示，使用杜邦线将AVR_StudyV1.1实验板PA口与LED相连。

图3.2

新建工程，实现实验内容1。

根据电路图，LED属于共阳接法，所以PORTA输出低电平时灯点亮。

PORTA初始化：

DDRA=0xFF;//PA口工作为输出方式

PORTA=0xFF;//PA口输出全1，LED全灭

“流水灯”程序控制：

1、PA0=0点亮LED0PORTA=0b11111110=~（1<<0）

2、PA1=0点亮LED1PORTA=0b11111101=~（1<<1）

3、PA2=0点亮LED2PORTA=0b11111011=~（1<<2）

……

7、PA6=0点亮LED6PORTA=0b10111111=~（1<<6）

8、PA7=0点亮LED7PORTA=0b01111111=~（1<<7）

9、PA0=0点亮LED0PORTA=0b11111110=~（1<<0）

……

根据控制流程，总结出：

可以利用移位运算实现“流水灯”的设计。

主函数：

voidmain（void）

{

unsignedcharposition=0;//position为控制位的位置

PORTA=0xFF;//PA口输出全1，LED全灭

DDRA=0xFF;//PA口工作为输出方式

while

（1）

{

PORTA=~（1<

if（++position>=8）position=0;

delay_ms（500）;

};

}

新建工程，实现实验内容2。

提示：

在CVAVR中，提供intrand（void）和voidsrand（intseed）函数，产生随机数。

函数包含在头文件stdlib.h中，具体内容查阅CVAVR帮助文档。

其中task1（），task2（），task3（），task4（）分别完成框图中要求的功能。

voidtask1（void）

{

unsignedcharposition,i;

position=0;

i=16;

while（i--）

{

PORTA=~（0x80>>position）;

if（++position>=8）

position=0;

delay_ms（500）;

}

PORTA=0xFF;

}

voidtask2（void）

{

unsignedcharposition,i;

position=0;

i=16;

while（i--）

{

PORTA=~（1<

if（++position>=8）

position=0;

delay_ms（500）;

}

PORTA=0xFF;

}

voidtask3（void）

{

bitposition;

unsignedchari;

position=1;

i=16;

while（i--）

{

if（position）

{

PORTA=0b10101010;

}

else

{

PORTA=0b01010101;

}

position=!

position;

delay_ms（500）;

}

PORTA=0xFF;

}

voidtask4（void）

{

unsignedchari;

i=16;

while（i--）

{

PORTA=（unsignedchar）rand（）;

delay_ms（500）;

}

PORTA=0xFF;

}

voidmain（void）

{

PORTA=0xFF;

DDRA=0xFF;

while

（1）

{

task1（）;delay_ms（500）;

task2（）;delay_ms（500）;

task3（）;delay_ms（500）;

task4（）;delay_ms（500）;

};

}

下载程序，观察实验现象。

注意熔丝位的配置，选择内部4MHz时钟。

五、实验现象

实验内容１

流水灯从左往右依次亮和熄灭

实验内容２

四种状态交替

六、思考题

1、总结AVRI/O口的特点及编程流程。

作为通用数字I/O使用时，所有AVRI/O端口都具有真正的读-修改-写功能。

这意味着用SBI或CBI指令改变某些管脚的方向（或者是端口电平、禁止/使能上拉电阻）时不会无意地改变其他管脚的方向（或者是端口电平、禁止/使能上拉电阻）。

输出缓冲器具有对称的驱动能力，可以输出或吸收大电流，直接驱动LED。

所有的端口引脚都具有与电压无关的上拉电阻。

用户程序需要首先对要使用的I/O口进行初始化设置，根据实际需要设定使用I/O口的工作方式（输出还是输入）。

数据寄存器PORTx：

当DDRx为1，作为输出引脚时，写入引脚要输出的电平状态，作为输出引脚可输出高低电平。

当DDRx为0作为输入引脚时，可配置上拉电阻.

端口输入引脚PINx：

只读寄存器。

可以用来读取外部电平的变化。

2）当DDRx=1时，I/O口处于输出工作方式，PORTx=1，输出高电平；PORTx=1，输出低电平；

3）当DDRx=0时，I/O口处于输入工作方式，PORTx=1，输入，使能内部上拉电阻，PORTx=0，高阻态。

PINx的值代表端口输入值。

2、复习C语言位运算相关内容。

3、查阅相关资料，总结随机数、伪随机数，并举例说明在实际中的应用。

真随机数是使用物理现象产生的，伪随机数通过一个固定的、可以重复的计算方法产生。

如使用随机数表等方式产生，其中在C语言中，使用的是伪随机数，产生时如果没有进行随机数种子的设置，将会在不同次的运行中产生相同的随机序列。

随机数在一些概率模拟，随机算法，如遗传算法，随机重新开始的爬山法等算法中有很多应用。

4、修改实验内容一，实现从左到右依次先点亮一个发光二极管，再点亮两个，……，八个全部点亮，然后一个一个依次熄灭。

while

（1）

{

//Placeyourcodehere

PORTA=0b11111110;

while（PORTA）

{

delay_ms（500）;

PORTA=PORTA<<1;

}

PORTA=0b11111110;

while（PORTA!

=0xFF）

{

PORTA=~（PORTA<<1）;

}

};

}

七、遇到的问题及解决方法

在寝室自己电脑上做实验时，LED灯亮和灭切换非常慢，我始终没搞清是怎么回事，于是将源程序中的delay_ms=500,改得很小，这样就切换得快了。

后来发现是因为在使用自己电脑的烧录软件时没有配置熔丝位，

八、心得体会

通过实验实现8个LED逐一循环发光的“流水灯”，以及设计出了一个4种闪烁方式交替循环的彩灯。

在完成了硬件部分的连接工作后，在软件环境下，进行程序的改写。

由于LED属于共阳极接法，所以PORTA输出低电平时灯点亮，“流水”效果由移位运算实现。

实验二，对四种显示方法分别编写相应的子函数代码，并在主函数中一次调用。

下载程序过程中，选择内部4MHz时钟。

本次实验，着重对各端口使用部分的操作练习。

通过实验指导书的讲解，我了解到使用端口使LED灯闪亮的操作原理，并在实验操作中，对实验内容二增加了新的闪烁方式。

空白页

实验四数码管显示实验

一、实验目的

（1）掌握ATMega16的I/O输出特性和使用。

（2）了解数码管的内部结构，掌握数码管动态扫描的原理和设计方法。

二、实验内容

（1）单个数码管字符显示，控制一个数码管循环显示显示“0”－“F”16个字符。

（2）综合实验：

设计一个秒表系统。

三、实验所用仪表及设备

硬件：

PC机一台、AVR_StudyV1.1实验板

软件：

CodeVisionAVR集成开发软件、SLISP下载软件

四、实验步骤

新建项目，实现实验内容1。

建立数码管字型字段编码表（共阴数码管）：

flashunsignedchar

led_7[16]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,

0x7F,0x6F,0x77,0x7C,0x39,0x5E,0x79,0x71};

关键字flash表示将数据存放到Flash中，LED_7数组中的量都是固定值，将它们存放到Flash中不会占用有限的Ram资源。

数码管要显示0，使用下面语句：

PORTA=LED_7[0];

建立新项目，实现实验内容2。

硬件连接图如图4.3所示。

图4.3

数码管的动态显示函数：

voiddisplay（void）//扫描显示函数，执行时间12ms

{

chari;

for（i=0;i<=5;i++）

{

PORTA=led_7[dis_buff[i]];

if（point_on&&（i==2||i==4））PORTA|=0x80;

PORTC=position[i];

delay_ms

（2）;