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AVR MEGA16学习板使用说明 V2.0

AVR MEGA16 学习板使用说明
稳定、实用
AVR 开发网
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AVR MEGA16 学习板使用说明
目录
一、系统概述
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 简介 ……………………………………………………………………………………………… 实物图片 ………………………………………………………………………………………… 适用对象 ………………………………………………………………………………………… 硬件资源 ………………………………………………………………………………………… 实验项目 ………………………………………………………………………………………… 3 3 3 3 4
二、硬件原理分析
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 接口说明 ………………………………………………………………………………………… 跳线说明 ………………………………………………………………………………………… 电源电路 ………………………………………………………………………………………… 晶振电路 ………………………………………………………………………………………… ISP 下载及复位电路 ……………………………………………………………………………… JTAG 仿真电路 …………………………………………………………………………………… LCD 液晶屏接口…………………………………………………………………………………… RS232 电路 …………………………………………………………………………………… 发光二极管及按键电路 ………………………………………………………………………… 蜂鸣器电路 ………………………………………………………………………………………… ADC 电位器 …………………………………………………………………………………… 数码管及 HC595 电路 ………………………………………………………………………… EEPORM 存储器电路 ………………………………………………………………………… 实时时钟 DS1302 ……………………………………………………………………………… 板载 AVR ISP 下载线电路 …………………………………………………………………… 5 5 6 6 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 10
三、建立开发环境
3.1 3.2 3.3 AVR mega16 学习板硬件平台 …………………………………………………………………… 11 ICCAVR 程序编写及编译环境 …………………………………………………………………… 12 AVR STUDIO 程序仿真及编程环境 ………………………………………………………… 12
四、学习板练习入门
4.1 4.2 4.3 4.4 如何使用学习板进行学习 ………………………………………………………………………… 实验程序修改及编译 ……………………………………………………………………………… 程序 ISP 下载 …………………………………………………………………………………… 芯片熔丝位 ………………………………………………………………………………………… 13 13 16 19
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AVR MEGA16 学习板使用说明
一、系统概述
1.1 AVR MEGA16 学习板简介:
简单实用是本学习板的最大特点,安排了最常用的典型的功能电路,芯片 IO 口资源精心分配,最 大限度发挥芯片特性。学习板布局合理,模块划分清晰符合正常使用习惯。人性化设计,实验板专门 集成有 AVR 下载电路,极大方便使用者。 AVR MEGA16 学习板是入门首选,具有 AVR 单片机典型功能特性(通用性好)、同时具有 ISP 下载 和 JTAG 仿真接口(典型工具接口)、DIP 封装(易于更换)、再加上自带 ISP 电路,可畏最佳组合。
1.2 AVR MEGA16 学习板实物图片:
1.3 产品定位:
AVR Mega16 学习板专为 AVR 单片机初学者设计,在校师生、单片机爱好者、单片机专业人员 入门均适合在这块块上学习。
1.4 硬件资源:
? AT Mega16 芯片,内包含有:16K Flash、1K SRAM、512Byte EEPROM。 ? CPU 可自行更换为 AT Mega32,以实现更大容量需要。 ? 8 位 LED 发光二极管。 ? 4 位动态扫描 LED 数码管。 ? 8 个输入按键、1 个中断输入按键、1 个复位按键。 ? 1 路 RS232 接口。 ? 1 个无源蜂鸣器,输出频率可控,可进行乐曲输出实验。 ? 1 个 A/D 输入可调电位器。 ? AT24C02,I2C 总线器件,EEPROM 数据存储器,256Byte EEPROM。 ? 74HC595,SPI 总线器件,SPI 总线并口扩展器件,8 位移位寄存器。 ? DS1302,实时时钟芯片。 ? DS18B20 接口,开放接口可方便与其它器件连接。(DS18B20 选配) ? LCD 接口,液晶显示屏接口,可接 LCD1602 及 LCD12864 液晶屏。(LCD 选配) ? AVR JTAG 仿真接口,AVR ISP 下载接口。(工具选配) 硬件特色部分: ? 超强电源网络,过流、过压、反向、静电,软硬兼施大小统吃,极大限度的保证学习板和电脑的安 全,硬件稳定性决不是一般学习板能达到的。 ? 集成 AVRISP 下载器,可直接给芯片写程序,自成硬件平台,只要一块学习板即可进行学习,即 方便又低成本极大方便使用者。
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1.5 实验项目: 标准实验:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. LED 流水灯实验 LED 显示与按键实验 蜂鸣器实验电平驱动 蜂鸣器实验定时器 CTC 驱动 定时器 PWM 实验 定时器中断实验 外部中断实验 SPI 同步数据传输实验 数码管动态显示实验
10. ADC 模数转换实验 11. UART 串口实验 A-查询方式通信 12. UART 串口实验 B-中断方式通信 13. 片内 EEPROM 读写实验 14. 片外 TWI 接口 EEPROM 读写实验 15. 看门狗及复位实验 实验包含:上电复位、外部复位、掉电复位、看门狗超时复位,全面了解单片机的复位,复位 对单片机的稳定性至关重要,我们一定要全面理解复位。 16. DS18B20 温度显示实验(需要外接 DS18B20) 17. DS1302 实时时钟数码管显示 18. DS1302 实时时钟 LCD1602 显示(需要外接 LCD1602) 19. LCD1602 字符液晶屏显示实验(需要外接 LCD1602) 20. LCD12864 点阵液晶屏显示实验(需要外接 LCD12864)
增强型综合实验:
21. 蜂鸣器播放乐曲实验 充分发挥定时器的 CTC 调频功能和定时中断特性,由 CTC 和中断配合实现,无需主程序干预 即可播放。为定时 CTC 模式及计时中断模式配合的典范。 主程序、乐曲表、播放模块各自独立运行,由指针调用,程序架构清晰严紧,有很大的参考价 质。 22. UART 串口高级实验 此实验主要向大家展视带协议的数据传输方式,把大家从单字节的思维里带出来,认识真正的 具有实际意义数据通信。程序中内定有典型的通信协议,并以全中断方式编写,程序合理高效, 处理机制原理可直接用于项目中。 23. Boot Loader 自编程实验 AVR 单片机自编程实验, 属于串口通信和 AVR 单片机里面的高难度实验, 上位机使用标准 AVR ISP 下载软件,无需编写上位机软件,简单方便入手。
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二、硬件原理分析
2.1 接口说明
接口编号 J1 COM1 COM2 CN1 CN2 5V 电源输入 RS232 接口 RS232 接口 LCD 液晶显示屏接口 JTAG 仿真器接口 说明 做串口通信实验。 AVRISP 下载专用接口。 可接 LCD1602 和 12864 两种屏,通过排线与显 示屏连接。 JTAG 仿真调试接口。 1、 默认方式为内部 AVRISP 下载电路为主机上 U1 单片机进行编程。 2、 同样外部 AVRISP 下载线也可从此接口为学 习板上 U1 单片机编程。 3、 学习板上 AVRISP 也可以对外部 AVR 芯片进 行编程,使用此功能时切记取出学习板上 U1 主控芯片。 备注 电源由 PC 机 USB 口获取,请勿使用外部电源。
CN3
ISP 下载接口(双向)
2.2 跳线说明
跳针编号 JP3 5V 电源接口 说明 备注 可以输出测量等,此接口与 USB 口相连,请勿输 入高压,以防损坏 USB 接口。 CPU 所有引脚均由 JP1、JP2 引出。 通过短路块实现与各功能模块之间的连接。 取出短路块 IO 口与功能电路分离, IO 口可由杜邦 线引出于其它自制电路连接。 BUZ_EN - 蜂鸣器使能。 SPI_EN - 数码管显示使能。 LED_EN - 发光二极管显示使能。 AD0_EN - AD0 电位器 RW2 接通控制。 AD1_EN - AD1 外部接口 JP5 接通控制。 PWM - PWM 输出端口,PWM 及 GND。 RTC_V1 - RTC 时钟电路备用电源接口。 开放接口,可以进行外部扩展使用。如 DS1302 等。
JP1、JP2
CPU 接口连接端子
JP4
各功能模块使能控制
JP5
3 线接口
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AVR MEGA16 学习板使用说明 2.3 电源电路
MEGA16 学习板电源由 PC 机 USB 提供,PC 机 USB 接口正常可输出 5V 电压 500mA 电流。 电路中 F1 为自恢复保险丝,主要为了防止电流过大。L1、C21、C22 组成电流滤波电路,为学习板 提供稳定的电源。Z1 为瞬态抑制二极管,其特点是可瞬间吸收大能量的干扰信号,主要作用是仿止学习 板系统电源过压,保护整个系统的安全。 带有电源指示电路及电源引出端子,方便进行实验扩展。
2.4 晶振电路
外部晶体振荡器,晶振 Y1 为可插入式设计,可跟据需要插入相应频率的晶 振。 AVR 单片机默认使用内部 1MHz 频率的 RC 振荡器。如需使用外部晶体则 需要修改熔丝位,将时钟选择为外部无源振荡器。一般选择倒数 1-5 项均可,时 钟选项较多,极易选错而导致芯片锁住,请大家不要轻易尝试其它选项。 AVR MEGA16 芯片有两种频率范围,0-8MHz 和 0-16MHz,装晶振时请注 意不要超出芯片范围,具体请看芯片手册。
2.5 ISP 下载接口
ISP 下载接口,ISP 接口主要作用是为芯片下载程序,编译好的 程序由 ISP 接口下载到芯片里面,然后开始运行。程序烧写修改均通 过 ISP 接口完成,无需取下芯片,非常方便。 为了让系统能够正常运行,请在复位脚上拉一个 2-10K 的电阻, 为复位脚提供可靠电平。除此之外无需接任何元件,以免影响芯片及 ISP 正常工作。
2.6 JTAG 仿真接口
JTAG 仿真接口,仿真器主要用来仿真调试程序,监控芯片及程 序的变化情况,通过断点、单步运行、全速运行、查看芯片资源等功 能,实现对程序运行的深入分析,帮助开发人员分析程序效率及查找 BUG 等。 仿真器同时也具有程序编程功能,这部分功能及操作方法与上 面 ISP 下载部分重叠。 JTAG 接口数据线里 TDO 引脚需要接一上拉 2-10K 的电阻。其 它引脚不用,芯片内部均已提供上拉。
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AVR MEGA16 学习板使用说明 2.7 LCD 液晶屏接口
图中 RW1 为液晶对比度调节电位器,Q5 为液晶屏背光控制电路。 LCD 液晶显示接口, 液晶可接 LCD1602 和 LCD12864 两种液晶显示屏。 LCD12864 液晶与上面 CN1 接口按顺序一一对应连接即可。LCD1602 液晶需要对引线进行适当调整,上图中虚线部分即为 LCD1602 的接线对应关系。
2.8 RS232 电路
RS232 接口电路,实现学习与 PC 机的数据通信,数据线有 RC 滤波电路,保护 RS232 引脚安全。 COM1 口为学习板实验用接口,进行 AVR MEGA16 芯片与 PC 机之间的数据通信实验。 COM2 口为板载 AVR ISP 功能电路专用。
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AVR MEGA16 学习板使用说明 2.9 发光二极管及按键电路
按键通过 CPU 短路块连接到 CPU 的 PA 口,PA 口第二功能为 ADC,此接口被安排为输入使用。同 时两路 ADC 也引自 PA 口,因为按键为开路状态所以正常时不会对两路 ADC 产生影响。 发光二极管通过 CPU 短路块连接到 CPU 的 PB 口, 此接口被安排为显示接口, 所有与显示有关的均 与些接口连接。 发光二极管为低电平点亮,总开关由 JP4 模块总控制组中的 LCD_EN 控制。
2.10 蜂鸣器电路
Q6、R6、R36 组成蜂鸣器驱动电路,蜂鸣器由 JP4 模块总控制组中的 BB 控制,另一端与 CPU 的 OC1A 脚连接。此蜂鸣器为无源蜂鸣器,需要外加频率信号才可驱动其发声,这样我们可通过程序输出不 同频率,从而实现输出不同声音的目的。
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AVR MEGA16 学习板使用说明 2.11 ADC 电位器
ADC 实验电路,主要由 RW2 电位器实现 ADC 采样电压实验,JP5 为开放式 ADC 接口,接口上带 有上拉电阻,很容易与外部热敏电阻、光敏电阻等组成测量电路,此接口可与 DS18B20 直接连接。 两部分电路由 JP4 模块总控制组控制,另一端与 PA 口连接,不用时请将控制短路块取出。
2.12 数码管及 HC595 电路
数码管显示电路,电路为动态扫描方式,串并转换芯片 74HC595 提供段码电平,Q1-Q4 实现位选。 74HC595 由 PB4-PB7 实现驱动,Q1-Q4 由 PB0-PB3 控制,数码管的显示由 PB 全全控制处理。 数码显示总开关由由 JP4 模块总控制组中的 SPI_EN 控制,需要显示时请插上此短路块。
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AVR MEGA16 学习板使用说明 2.13 EEPORM 存储器电路
IIC 接口 24C02 电路,24C02 为 EEPROM 存 储器,可重复擦写,掉电数据不丢失。 AVR 芯片内置有 EEPROM 存储器,安排外部 EEPROM 存储器主要是方便让大家学习 IIC 接口。 数据信号线通过 CPU 短路块与芯片 TWI 接口 相连,TWI 与 IIC 接口兼容。
2.14 实时时钟 DS1302
DS1302 为典型的实时时钟芯片,数据信号 线通过 CPU 短路块与 PC2-PC4 相连。 由 PC2-PC4 与 JTAG 接真接口复用,所以 JTAG 仿真和 DS1302 不可同时使用。 如需同时使 用可用杜邦线将信号线取到其它 CPU 管脚。 DS1302 备用电源接口,引出到了 JP4 排针上,可外接电池实现时钟掉电运行实验。
2.15 板载 AVR ISP 下载线电路
AVR ISP 下载线电路为 AVR MEGA16 学习特有功能电路,可实现对学习板主芯片 AVR MEGA16 的程序编程及熔丝位修改等操作,极大方便用户使用。 AVR ISP 下载线通过学习板上 COM2 口与 PC 机连接,数据传输为标准 RS232 信号,如电路没有 串口,可购买 USB 转串口线,扩展串口。 AVR ISP 下载接口与 CPU 的 ISP 引脚直接内连,无需任何设置即可从上位机对主芯片进行编程, 在 AVR ISP 电路不工作时会自动释放主芯片 ISP 接口。
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三、建立开发环境
3.1 AVR MEGA16 学习板硬件平台
正常一套 AVR 开发平台可以包含 AVR 实验板、AVR 下载线、AVR 仿真器,要组建一个可以学习最 小平台致少需要一个学习板和一种工具。 AVR 实验板即是进行 AVR 实验的硬件平台,提供有成熟典型的功能电路,配套有典型实验程序,方 便使用者快速的了解 AVR 单片机的软硬件组成结构及一般应用方法。 AVR 下载线是用来为实验板上芯片烧写程序的,AVR 下载线通过 ISP 接口为芯片下载程序,特点是 直接在电路板上对芯片编程,芯片无需拔出,使用标准接口一致性非常好。几乎所有的 AVR 芯片都具有 ISP 接口,ISP 接口与芯片 IO 口之间为分时复用。 AVR 仿真器是用来仿真调试芯片程序的,可设置断点、单步运行、变量查看、寄存器查看等,可以 更高效的分析程序运行情况。AVR 仿真器同时也具有程序烧写功能,这部分功能和 ISP 下载功能特点相 同,只是使用的是 JTAG 接口,支持此接口的芯片并不是很多,这点大家需要注意。支持芯片数量上不如 ISP 下载线好,功能方便要比 ISP 下载线先进很多。 AVR MEGA16 学习板自带 AVR 下载线功能,这样有了学习实验平台同时也具有了下载工具,所以 一块 MEGA16 学习板即可组成一个最小学习平台。 仿真器可根据自身需要判断是否购买,当然有了仿真器学习效率更高。
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AVR MEGA16 学习板使用说明 3.2 ICCAVR 程序开发环境
说明:ICCAVR V6.31A 是 AVR 单片机 C 语言开发软件,软件集成有编辑、代码生成、编译、程序 下载等功能,软件简单易学,目前国内商业开发中用的最多的软件。 安装:ICCAVR 软件安装,打开光盘进入“开发软件\iccavr”目录,双击“iccavr6.31A.exe”可执行 文件进行软件安装,安装过程中使用默认设置就可以了。 使用:软件同目录下有 ICCAVR 软件的使用说明,如果没书的话可以系统性的把它看一下,相信对 ICCAVR 软件会有一个大概了解的,起码使用没的问题。同时说明书目录下有《AVR 单片机 C 语言入门 指导》一书的电子版,这本书写的非常好,讲的很全面,从基础到高级,典型的开发环境也有讲解。
3.3 AVR STUDIO 调试及编程环境
说明: AVR STUDIO V4.13 是 ATMEL 公司专为 AVR 单片机设计的一款免费软件,软件集成了编 辑、汇编、仿真、下载等功能,是一个很强大的开发平台。不过它不支持高级语言的编译,如 C 语言等需 要借助外部高级语言编译软件来完成。 安装: AVR STUDIO 软件安装,打开光盘进入“开发软件\avr studio”目录下,直接双击安装“AVR Studio V4.13 b528.exe”,安装过程使用默认设置。 使用:软件同目录下有 AVR STUDIO 软件的使用说明,可以对 AVR STUDIO 有个初步认识。 AVRMEGA16 学习板需要用到的 AVR ISP 程序下载功能在本说明中有讲解,AVR JTAG 程序仿真部分 的使用说明在仿真器光盘里面有讲。
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四、学习板练习入门
4.1 如何使用学习板进行学习
经过上面的说明及学习,我们已经了解了学习板的大体功能、硬件系统组成、软件安装,现在我们要 在 AVR MEGA16 学习板上运行第一个程序。下面给出第一个程序的完整操作过程,其它例子程序操作方 法与其相同,以第一个例子为基础进行后面例子的学习。 例子尽量写的简单易懂,你在学习的时候要举一反三,对例子进行各种型式的修改,看每次修改后的 结果,这样有助于加深影像。一开始的时候一定要打好基础,不要急着做后面的高级功能实验,基础最重 要。大虾与菜鸟的真正差别是基本功,而不是什么高级的东西。 AVR 单片机默认使用内部 1MHz 频率的 RC 振荡器。如需使用外部晶体则需要修改熔丝位,将时钟 选择为外部无源振荡器。一般选择倒数 1-5 项均可,时钟选项较多,极易选错而导致芯片锁住,请大家不 要轻易尝试其它选项。 上面我们大概的学习了硬件和软件,还有一样非常重要的东西书千万不要忘了,在学习过程中书是第 一位的,它会让你的知识更全面。正常的学习过程应该是先看书、再了解软件、然后开始动手实验,最后 是三者相结合。
4.2 实验程序的修改和编译:
1、 首先把光盘中的例子程序复制到电脑硬盘上、并去掉只读属性。 2、 调入第一个 LED 流水灯实验工程文件:打开 ICCAVR 软件,点菜单 Project->Open。
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3、 找到刚才复制的例子程序,选择第一个实验 001-LED 打开。因为项目文件夹位置有变动所在在打开时 会有错误提示,我们直接确认就可以了。
4、 程序编辑修改:打开工程文件后,能看到右边的工程窗口中显示出包含的程序文件,双击打开 main.c 文件,程序显示在编辑区,这即是 C 语言程序文件内容了。请仔细看文件头部的注释信息,以了解程 序实验原理及学习目标等。 在基本了解了程序的思路后可以试着修改一些参数以得到不同的运行效果, 以加深我们对程序的理解。
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5、 程序编译:点击菜单 Project->Rebuild All,对工程进行完全编译。程序编译主要是将我们编写的高级 语言程序转化为机械语言,以便 CPU 执行,生成与工程名称相同文件,扩展名为 Hex。同时会生成供 AVR STUDIO 软件仿真使用的扩展名为 cof 的文件,对程序的软件硬件仿真均通过这个文件实现。
6、 工程编译完成,下面信息栏提示成功及资源情况。
7、 到这里学习板的工程文件操作我们已经学完了,刚才最后一步操作会生成一个 HEX 烧写文件,在下面 我们会学习把 HEX 文件烧录到芯片中。
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AVR MEGA16 学习板使用说明 4.3 程序 ISP 下载(烧录):
程序下载就是把程序写到芯片里面去,程序只有写到芯片里面去才有意义,CPU 被写入程序后就会按 照我们程序命令执行了。硬件组成在上面已经说明过了,不明白的请看上面硬件系统组成。 1、 打开 AVR STUDIO 软件, 点击下图中图标, 进入下载操作。 或点菜单: Tools->Program AVR->Connect。
2、 在此步选择工具类型为 STK500 or AVRISP,端口选 Auto 自动,最后点 Connect 连接。端口我们选 择自动,软件会自动扫描所有串口,试找到下载线所在端口,然后与之建立数据连接。注:此时实验 板上必需插在 COM2 端口,电脑这边应使用 COM1-COM4 端口号,特别是 USB 转串口的一般生成的 OCM 号都比较大,要记得把 COM 号改一下。
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3、 如硬件连接正常,则会显示如下窗口,Program 编程面板主要是一些与芯片编程有关功能选择,具体 各部分功能图片中有文件注明,其它没用到的选项我们保持不动。因为我们是 AVR MEGA16 学习板, 所以选择芯片型号 ATMega16。点击下图中圆圈,进入下一步。
4、 选择我们前面在 ICCAVR 软件中编译时生成的 HEX 文件, 然后打开。 (HEX 文件正常存放在 ICCAVR 工程文件夹里)
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5、 打开 HEX 文件后,就可以给芯片烧写程序了,点击 Progrem 编程按钮进行程序下载,窗口下方的信 息栏会提示下载状态。
到此我们的第一个实验程序已学习完成,程序已经写入芯片时面,现在可以看到 AVR MEGA16 学习 板上的 8 个发光二极管来回显示。 恭喜,你已经进入 AVR 单片机世界,上面已经带你一起完成了第一个程序,后面的实验就要你自己多 努力了。 不要急着把所有例子做完,像前面这些简单一点的,最好一个一个摸透,并根据自己的想法进行一些 功能改进,这样我们才会有长进。 学习过程中有什么困难不懂的地方,可以向我们咨询。同时欢迎到论坛一起学习,建议参加论坛的辅 导学习。
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AVR MEGA16 学习板使用说明 4.4 芯片熔丝位:
AVR 单片机的熔丝配置一直是初学者难理解也是最容易出错的地方,熔丝位用好了功能很强大,瞎弄 会锁住芯片,在这里特地为大家讲解一下。 AVR Studio 将各种配置进行了组合,这样配置起来就方便多了。基本上不需要查数据手册,能看懂一 点英文就可以根据功能需求直接配置了。 下面在 ATmega16 芯片基础上进行说明, 不同芯片之间可能有一 点不同。 AVR Studio 软件熔丝配置窗口如下:
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