单片机数控机床改造

目 录

第一章 绪论 1
1.1 课题的研究内容及意义 1
1.2 国内外的研究现状和发展趋势 1
1.3 单片机的发展方向 2
第二章 硬件设计 4
2.1 微处理器单元 4
2.2 SPI接口应用单元 6
2.2.1 ATMEGA8 SPI接口介绍 6
2.2.2 SPI接口与NOKIA3310液晶电路 7
2.2.3 SPI与实时时钟DS1302电路 8
2.3 IIC接口应用单元 10
2.3.1 ATMEGA8IIC接口介绍 10
2.3.2 AT24C02存储器电路 11
2.3.3 ATMEGA8的IIC主从通信电路 12
2.4 RS232电平转换单元 14
第三章 软件设计 17
3.1 NOKIA3310LCD模块 17
3.1.1 ATMEGA8 SPI接口相关寄存器介绍 17
3.1.2 SPI接口的初始化 19
3.1.3 NOKIA3310LCD初始化显示字符 20
3.2 DS1302模块 21
3.2.1 ATMEGA8模拟SPI端口的实现 21
3.2.2 DS1302日期时间的读取与修改 21
3.3 AT24C02模块 23
3.3.1 ATMEGA8 IIC接口相关寄存器的介绍 24
3.3.2 IIC主机初始化 25
3.3.3 AT24C02的读写 26
3.4 IIC主从模块 29
3.4.1 IIC从机初始化 29
3.4.2 ATMEGA8 IIC主、从机通信的实现 30
3.5 USART模块 32
3.5.1 USART串口相关寄存器的功能 32
3.5.2 USART串口初始化 33
3.5.3 USART串口接收发送 34
第四章 调试 35
4.1 硬件电路测试 35
4.2 软硬件结合调试 35
4.2.1 微处理器基本电路调试 35
4.2.2 USART串口调试 36
4.2.3 NOKIA3310LCD部分调试 37
4.2.4 DS1302部分调试 38
4.2.5 AT24C02部分调试 38
总结与展望 40
参考文献 41
致谢 42
附录 44

第一章 绪论

1.1 课题的研究内容及意义
该课题以ATmega8为主要研究对象。ATmega8是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高档单片机。在AVR家族中，ATmega8是一种非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机ATmega系列的全部性能和特点。但由于采用了小引脚封装(为DIP28和TQFP/MLF32)，所以其价格仅与低档单片机相当，再加上AVR单片机的系统内可编程特性，使得无需购买昂贵的仿真器和编程器也可进行单片机嵌入式系统的设计和开发，同时也为单片机的初学者提供了非常方便和简捷的学习开发环境[1]。ATmega8的这些特点，使其成为一款具有极高性能价格比的单片机，深受广大单片机用户的喜爱，在产品应用市场上极具竞争力，被很多家用电器厂商和仪器仪表行业看中，从而使ATmega8迅速进入大批量的应用领域。根据ATmega8这些优良的特点，该课题对其丰富的串行接口：SPI、IIC、UART进行研究与实验，实现串口通信。
该课题对AVR单片机的串口通信进行研究,它适应当前信息时代发展的需求,在通信、机械、医药等方面都可以得到广泛的应用。其应用前景是十分广泛的。近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应实时检测和自动控制的单片机应用系统用正在不断地走向深入，同时

带动传统控制检测日新月益更新。其中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
1.2 国内外的研究现状和发展趋势
国外自上世纪60年代出现第一台工业过程控制系统以来已经过三代产品的发展变化，随着计算机技术及产品的发展，单片机应用得到飞速发展。
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU和SoC三大阶段。SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，这个阶段主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。创新模式获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，这个阶段主要的技术发展方向是：在不断扩展满足嵌入式应用要求时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家身上。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势将MCS51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此当回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips公司的历史功绩。
AVR单片机的优势特征[2]：
（1）简便易学，费用低廉。首先，对于非专业人员来说，选择AVR单片机的最主要原因，是进入AVR单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以学习AVR单片机的开发。其次，AVR单片机便于升级。AVR程序写入是直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作，这样便于产品升级。 再次，AVR单片机费用低廉。
（2）高速、低耗、保密。AVR单片机是高速嵌入式单片机，达到1M指令每MHz，
是51单片机的12倍。AVR单片机保密性能好。它具有不可破解的位加密锁Lock Bit技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。
（3）I/O口功能强,内置接口多，具有A/D转换等电路。
（4）有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。
1.3 单片机的发展方向
单片机自 70 年代问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善。单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：定时器，比较器，A/D转换器，D/A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。例如，Infineon公司的C505C、C515C、C167CR、C167CS-32FM、81C90；Motoro

la公司的68HC08AZ 系列等。特别是在单片机C167CS-32FM中，内部还含有2个CAN。因此，这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列；Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并且内部含有死区控制等功能。特别引人注意的是：现在有的单片机已采用所谓的三核（TrCore）结构。这是一种建立在系统级芯片（System on a chip）概念上的结构。这种单片机由三个核组成：一个是微控制器和DSP核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路（ASIC）。这种单片机的最大特点在于把DSP和微控制器同时做在一

个芯片上。虽然从结构定义上讲，DSP是单片机的一种类型，但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等上面。把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。这是目前单片机最大的进步之一。这种单片机最典型的有Infineon公司的TC10GP；Hitachi公司的SH7410，SH7612等。这些单片机都是高档单片机，MCU都是32位的，而DSP采用16或32位结构，工作频率一般在60MHz以上[2]。
单片机在几十年的发展，技术进步主要体现在以下两个方面：
（1）功耗、封装及电源电压的进步
现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节作方式。
（2）工艺上的进步
在的单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了0.6m以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35m甚至是0.25m技术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。

《DZ1001 AVR单片机串行通信接口研究20800》大学论文网编辑于2011年10月22日！