自制AVR单片机开发板

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摘 要： 自制avr开发板采用Atmega16芯片，所有I/O口全部引出，与电路板上各功能模块相互匹配，可在线编程。另外，本自制开发板采用了排线连接的方式，各功能模块单独引出接口与单片机连接，提高了编程灵活性。各独立功能模电路避免了管脚复用所造成的种种干扰。同时该开发板制作简单，成本低，适合广大学习者使用制作。

关键词： ATmega16L；开发板；设备研制

0 引言

单片机技术日渐兴起，使其成为硬件设计人员和工程开发人员关注的焦点。单片机的种类也逐渐的由MCS51系列单片机发展为种类繁多、功能强大的单片机体系。单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，引领各领域技术发展。小到电子遥控玩具，大到航空航天技术等电子行业都有单片机应用的影子。为满足广大学生、爱好者、产品开发者更好掌握单片机技术，本文提出了AVR开发板设计与制作方法。

1 AVR开发板功能分配框图

（图一AVR开发板功能分布图）

1.1 功能模块图说明

A区：电源电路模块；B区：三合一功能模块；C区：直流电机模块；D区：步进电机模块；E区：RS232/RS485电路模块；F区：红外线接收模块；G区：16*16点阵及驱动模块；H区：时钟、蜂鸣器模块；I区：CSPI接口存储器模块；J区：流水灯（发光二级管）模块；K区：A/D独立发光二级管及独立按键模块；R区：CPU核心模块；L区：LCD液晶屏接口模块；M区：数码管电路模块；N区：矩阵键盘模块。

1.2 功能模块选择

部分扩展模块可单独制板，采用AVR最小系统驱动与控制扩展模块，从而简化AVR开发板。对初学者建议最小系统中设计下列功能模块区（如图一）：R区CPU核心模块、A区电源电路模块、B区三合一下载工具模块、M区数码管模块、J区流水灯模块。本文基于篇幅限制在此只与读者一起分享最小系统制作。作者将在下期刊物中将继续于大家探讨扩展模块及驱动软件制作与设计方法。

2 系统硬件设计

2.1 电源电路

（图二 AVR开发板电源电路图）

开发板由LM2575提供5V电源（如图二），LM2575为开关型稳压芯片。F1为自恢复型过流保护器件，当电流超过450mA时F1将自动切断电流。Z1、Z2为瞬态抑制二极管，当电路有大能量干扰信号时，可瞬间吸收干扰信号，仿止开发板系统电源过压，确保各个模块用电正常。本电源电路只提供12V、5V两组电源，而3.3V电源由FT232芯片单独提供。

2.2 步进电机

（图三 步进电机电路原理图）

步进电机由ULN2003芯片驱动（如图三），内部为7路三极管阵列，输出端500mA的驱动能力，可驱动0-50V的负载。输入端内部有下拉及限流电阻，外部控制信号可直接控制，不需要再加限流电阻。输出端内部有一组保护二极管，限制感性负载生产的反电动势。电路中有过流保护和滤波电路，保证电路安全稳定工作。

2.3 RS232/RS485通信接口电路

（图四 RS232/RS485通信接口原理图）

RS232与RS485两通信口共用单片机UART端，其输入信号由D3、D4控制（如图四），两路信号均为实时复用。RS232为点对点传输方式，用在计算机与电器设备间数据通信方面。RS485为差分多点传输方式，可多点间传输数据并具有较高的可靠性。RS485芯片为半双工模式需要设置输出输入状态，由Q3实现自动控制功能，当TXD向外部输出“0”时Q3导通CS控制脚置高，当TXD输出“1”时Q3截止CS被电阻拉低芯片进入接收状态。

2.4 时钟DS1302和蜂鸣器电路

DS1302时钟芯片在多种产品中大量使用（如图五）。在做程序调试使用时可用电容做后备电源，如需提高工作时间可采用法拉电容或者用钮扣电池。蜂鸣器需要外加频率信号才可驱动其发声，可通过程序输出不同频率，从而实现输出不同声音的目的。蜂鸣器控制信号与CPU的PD4引脚连接，PD4的第二功能是OC/1B，利用定时器的CTC模式，可输出所需频率信号。

（图五 时钟DS1302与蜂鸣器电路原理图）

2.5 16路流水灯电路原理图

（图六 16路流水灯地电路原理图）

16路发光二极管是串并转换接口扩展电路，采用74HC595芯片实现16路电平信号输出（如图六）。2片74HC595所有16路电平信号全部由排针引出，可作为16路控制信号使用。74HC595为SPI接口的串转并器件，SPI为同步传输接口可按需要串连更多的74HC595芯片可获得更多的电平信号。

2.6 A/D独立发光二极管、独立按键电路

（图七 独立按键、发光二级管电路原理图）

A/D采样引脚与按键复用，进行4X4按键测试时，要断开A/D采样端口。2路独立发光二极管，直接与CPU的IO口连接（如图七），方便进行最基本的I/O口输出高低电平测试，对应I/O口的第二功能是定时器OC/1A、OC/1B出输口，可以进行PWM亮度调节设计。2路独立按键同样与CPU的I/O口连接，方便进行I/O口输入信号检测实验，对应I/O口的第二功能是CPU的外部中断INT0INT1，可以进行外部中断才测试。

2.7 CPU与振荡电路

CPU采用AVRMega16芯片（如图八），电路中J8、J9为CPUI/O口引脚端子，可引出进行扩展实验，同时方便查看引脚功能。引脚标注中绿色部分为ISP下载和JTAG仿真所在引脚。外部晶体振荡器，晶振Y2为可插入式设计，可跟据需要插入相应频率的晶振。

2.8 数码管电路

（图九 数码管驱动电路原理图）

8位数码管显示电路，电路为动态扫描方式。2片74HC595分别形成8个段码和8个位选信号。整个数码管的驱动由SPI口处理，只要周期性的刷新显示值即可实验数码管显示效果。在设计制作的时候要根据数码管的实际情况设计好封装，否则制版电路将出错。

2.9 矩阵键盘电路

标准4X4矩阵键盘，由键盘、液晶、A/D采样共用CPU的PA口，三者间为分时复用。键盘电路需加2K的限流电阻（如图十），避免按键长时间按下时影响LCD通信及液晶屏的正常显示。按键采样测试时部分引脚为弱上拉状态，与其复用引脚的A/D电位器会影响I/O口电平状态，因此在按键测试时需要断开A/D采样连接（在设计时候可采用跳线帽）。

3 结语

此开发板设计功能模块多，有些模块基于本刊篇幅大小限制，相关扩展模块及驱动系统在下期与读者分享，图片中为多功能开发板，读者可按需使用扩展模块以便AVR开发板更为简洁。建议相关模块不采用AVR直接驱动，否则测试时会有不可避免的干扰问题出现。

作者开发设计的“AVR开发板”获得国家授权发明专利，该开发板体积小携带方便，为实验室外学习提供了便利，使用者可以理论与实践结合学习，通过前后比较激发了学习热情。同时“AVR单片机开发板”成本低，功能多具有较好的价值和推广前景。

基金项目：2012年广东广播电视大学校级科研项目（1207）；广东广播电视大学（广东理工职业学院）科研课题重点资助（1207）

参考文献：

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