了得網工業技術_單片機技術及應用項目教程

內容簡介

本選題是中高職教育電子信息工程技術專業課程改革創新規劃教材。改變了原先以51單片機為載體，彙編語言為主要編程語言的舊有教學體繫。以"將企業真正用到的知識和技能，在學生在校學習階段繫統傳遞”為指導原則，與企業聯合研發培養方案，引入了基於軟件設計方法學的"層次化軟件設計思想”，構建了以"C語言為主，彙編語言為輔”的單片機教學體繫。本書以ATmega168PA單片機為主體，運用Atmel公司的開發環境Atmel Studio和PROGISP軟件、AVR JTAGICE仿真器，以及AVR ISP下載器，通過大量典型的多任務項目實訓詳細介紹了單片機開發的基礎知識和軟/硬件條件，繫統介紹了單片機的基本結構、定時/計數器、中斷繫統、串行通信、常用接口技術、信息顯示技術、DS18B20溫度檢測等技術內容及相應的Atmel Studio和PROGISP軟件設計基本方法。本書所有實例均采用Atmel Studio和PROGISP軟件進行仿真和實驗板進行實驗，使讀者在實踐中逐步掌握單片機的硬件結構和C語言程序設計開發方法。本書在編寫時采用"層次化軟件設計思想”，知識講解以"必須、夠用”為原則，技能培養以"緊密結合實踐”為特色，項目任務設計知識覆蓋面廣，技能要求全面。本書程序代碼具有"可讀性強、可代碼復用、可多人協作和可跨CPU移植”，這正是企業所需要程序設計人員寫出的優良的程序代碼的特征。因此本書具有跟企業要求零銜接。

作者簡介

欒秋平，女，副教授1999.7-2001.1 魯能控股有限公司技術崗位2001.2至今山東電子職業技術學院教師山東電子職業技術學院/電子信息工程技術專業帶頭人工信行指委電子信息專指委中職分委會委員

項目1與單片機的一見鐘情—記錄你與單片機的相識
任務一解剖MP4，認知智能電子產品的構成
一、拆裝MP4前的準備工作
二、拆裝MP4的注意事項
三、拆裝MP4，並認知智能電子產品的構成
任務二深入單片機的世界，構建自己的開發環境
一、認知數字電子計算機
二、認知馮?諾依曼思想
三、認知單片機
四、選擇適合學習的單片機
五、構建單片機開發環境
任務三牛刀小試，實現會唱歌的“音樂盒”
一、打開AVRWARE 例程模板，開始項目設計
二、熟悉程序的基本架構，調用聲音播放函數項目1與單片機的一見鐘情—記錄你與單片機的相識

任務一解剖MP4，認知智能電子產品的構成

一、拆裝MP4前的準備工作

二、拆裝MP4的注意事項

三、拆裝MP4，並認知智能電子產品的構成

任務二深入單片機的世界，構建自己的開發環境

一、認知數字電子計算機

二、認知馮?諾依曼思想

三、認知單片機

四、選擇適合學習的單片機

五、構建單片機開發環境

任務三牛刀小試，實現會唱歌的“音樂盒”

一、打開AVRWARE 例程模板，開始項目設計

二、熟悉程序的基本架構，調用聲音播放函數

三、編譯和下載的步驟

評價與考核

思考與練習23

項目2初識層次化軟件設計思想—點亮你的LED24

任務一直接應用寄存器點亮LED25

一、單片機控制LED發光的基本方法26

二、應用PORTC寄存器控制LED閃爍

三、程序代碼解讀

任務二控制指定LED的亮滅

一、認知C語言中的位操作

二、操縱寄存器中的指定位

三、認知C語言中的宏定義

四、置高、置低和反轉功能宏

任務三應用層次化軟件設計思想實現多路LED閃爍

一、認知層次化軟件設計思想43

二、將硬件原理圖直譯成映射層44

三、邏輯層設計47

評價與考核57

思考與練習58

項目3串轉並的方法—控制更多的LED

任務一認知“倒計時器”硬件原理

一、認知ATmega168PA單片機小繫統

二、認知74HC595內部工作原理

三、認知24路LED模塊電路控制原理

任務二編寫程序，顯示數字“0”

一、config.h文件的使用

二、74HC595配置文件的使用

三、認知74HC595的操作函數和功能宏

四、在24路LED模塊上顯示數字“0”

任務三編寫程序，實現“倒計時器”

一、數字字模的構建

二、編程實現倒計時

三、程序的優化

評價與考核

思考與練習

項目4中斷與定時器—使用數碼管表達我們的信息

任務一認知“數碼管”的顯示原理

一、認知數碼管

二、數碼管的測量

三、數碼管的字符編碼95

任務二數碼管的靜態和動態顯示97

一、數碼管的靜態顯示98

二、認知74HC138內部工作原理

三、數碼管的動態顯示

四、交替顯示字符“01234567”和“89ABCDEF”

任務三中斷與定時器

一、認知單片機中的“中斷”

二、定時器

三、應用定時器中斷實現數碼的顯示

評價與考核

思考與練習

項目5獨立式按鍵—多功能秒表的設計與制作129

任務一認知輕觸機械式觸點開關按鍵130

一、什麼是輕觸機械式觸點開關按鍵132

二、輕觸按鍵動作的時序分析

三、按鍵抖動時間

四、按鍵的硬件消抖

任務二獨立式按鍵設計

一、認知獨立式按鍵

二、按鍵的軟件消抖

三、設計具有“啟動/繼續”、“暫停”與“復位”的秒表

任務三設計具有倒計時功能的多功能秒表

一、認知蜂鳴器151

二、倒計時時間的調整153

三、實現秒表倒計時165

評價與考核179

思考與練習180

項目6IIC總線—萬年歷的設計與制作181

任務一認知智能設備中的實時時鐘182

一、認知實時時鐘184

二、實時時鐘模塊的內部組成

三、認知SD2405實時時鐘模塊

四、SD2405實時時鐘模塊的硬件電路設計

任務二認知IIC總線

一、認知總線

二、總線的分類

三、認知IIC總線

四、IIC總線的特點

任務三使用C語言模擬IIC總線192

一、IIC總線的結構和工作原理

二、IIC總線典型信號的C語言實現

三、單字節數據的發送與接收

四、實際器件的讀寫操作

五、理解完整的IIC驅動程序

任務四設計顯示當前時間的萬年歷

一、認知SD2405的寄存器

二、認知BCD碼

三、使用結構體表示當前時間

四、解讀SD2405驅動程序

五、在數碼管上顯示當前時間

評價與考核

思考與練習

項目7異步串行通信—與計算機之間傳遞信息

任務一理解數據通信的基本概念

一、認知數據通信

二、認知數據通信的有線傳輸媒質

三、認知數據通信的無線傳輸媒質

四、認知數據通信的傳輸模式

任務二認知異步串行總線

一、認知通用異步串行總線UART

二、認知衡量UART傳輸速率的方法

三、認知UART的總線標準接口

四、使用計算機中的串口

任務三操縱單片機中的UART

一、理解UART的硬件結構

二、理解UART硬件驅動的初始化

三、理解UART硬件驅動的數據發送與接收

四、在計算機上顯示實時時鐘的當前時間

任務四修正萬年歷的時間

一、正確判斷協議的開始

二、進一步提高程序的運行效率

三、在中斷函數中實現UART數據的接收

四、處理UART接收到的數據

五、使用計算機控制教學開發板

評價與考核

思考與練習

項目8單總線—溫度測量報警繫統

任務一認知溫度測量的基本方法

一、認知有關溫度測量的基礎知識

二、認知接觸式測溫方法

三、認知非接觸式測溫方法

四、電量式測溫方法

任務二認知集成測溫芯片DS18B20

一、認知DS18B20測量溫度的基本原理

二、認知DS18B20的內部結構和器件特點

三、理解DS18B20的硬件連接方式

任務三DS18B20的驅動程序設計

一、分析單總線時序

二、理解單總線初始化、寫、讀時序

三、理解DS18B20寄存器分布及其使用方法

四、實現DS18B20的驅動程序

任務四在數碼管上顯示當前溫度

一、溫度的數碼管顯示

二、理解MiniUart接收完整數據包的本質

三、理解MiniUart的程序實現

四、使用MiniUart進行數據接收

任務五設計具有實時時間顯示的溫度測量報警繫統

一、用按鍵切換時間和溫度顯示

二、通過計算機讀取、設置時間

三、編寫程序，實現高溫報警功能

評價與考核

思考與練習

參考文獻

前言

單片機技術的發展日新月異，單片機技術的應用日益廣泛地滲透到生產生活的方方面面。人們對單片機技術的向往日益強烈，但是卻仍然有不少人對學習單片機技術心存敬畏，裹足不前。這一方面是由於單片機確實是一門技術含量比較高的學問，學習起來有一定的難度；另一方面也是由於傳統的學習方式人為地加大了學習單片機技術的困難。實際上，隨著單片機技術的發展，單片機學習工具與科學的學習方式也在相應地發生變化。進入科學的學習軌道，單片機技術的學習就可以達到事半功倍的效果。
一、本教材的特點
本教材大膽創新，銳意改革，改變了原先以51單片機為載體，彙編語言為主要編程語言的舊有教學體繫。以“將企業真正用到的知識和技能，在學生在校學習階段繫統傳遞”為指導原則，與企業聯合研發培養方案，引入了基於軟件設計方法學的“層次化軟件設計思想”，構建了以“C語言為主，彙編語言為輔”的多型單片機教學體繫。此教學體繫采用自頂而下的思想，構建教學內容，由淺入深，由簡入繁，通過真實案例，傳遞企業真正需求的知識和內容，課程具備可伸縮性，可以適應不同職業學院學生、教師的不同特點及學習需求，並將促進學生職業技能與培養學生職業精神高度融合，在一定程度上可以整體提升學生職業能力、人文素質和職業素養。
（1）設計理念的選取單片機技術的發展日新月異，單片機技術的應用日益廣泛地滲透到生產生活的方方面面。人們對單片機技術的向往日益強烈，但是卻仍然有不少人對學習單片機技術心存敬畏，裹足不前。這一方面是由於單片機確實是一門技術含量比較高的學問，學習起來有一定的難度；另一方面也是由於傳統的學習方式人為地加大了學習單片機技術的困難。實際上，隨著單片機技術的發展，單片機學習工具與科學的學習方式也在相應地發生變化。進入科學的學習軌道，單片機技術的學習就可以達到事半功倍的效果。
一、本教材的特點
本教材大膽創新，銳意改革，改變了原先以51單片機為載體，彙編語言為主要編程語言的舊有教學體繫。以“將企業真正用到的知識和技能，在學生在校學習階段繫統傳遞”為指導原則，與企業聯合研發培養方案，引入了基於軟件設計方法學的“層次化軟件設計思想”，構建了以“C語言為主，彙編語言為輔”的多型單片機教學體繫。此教學體繫采用自頂而下的思想，構建教學內容，由淺入深，由簡入繁，通過真實案例，傳遞企業真正需求的知識和內容，課程具備可伸縮性，可以適應不同職業學院學生、教師的不同特點及學習需求，並將促進學生職業技能與培養學生職業精神高度融合，在一定程度上可以整體提升學生職業能力、人文素質和職業素養。
（1）設計理念的選取
應用“層次化軟件設計思想”構建多型單片機教學體繫，繫統設計上具備完善的可移植性，可在多種上面上常用的單片機進行程序設計（如AVR繫列，MSP430繫列，ARM7繫列，STM32繫列等）。
（2）編程語言的選取
很多高職院校在編程語言選擇上以彙編語言為主，使用彙編語言的優點是代碼緊湊、運行效率高，但缺點非常明顯，主要表現在對目標單片機硬件結構的依賴上，造成代碼移植困難，開發不同體繫的單片機必須進行新的硬件結構和指令的學習，而且彙編語句抽像、不易理解、功能弱，這直接導致編程效率低下。
與彙編語言相比，采用面向單片機的C語言作為開發工具有著顯著的優點：
① C語言是一種結構化程序設計語言，使得編制的程序易於閱讀、修改和維護；
② C程序具備完善的模塊化結構，便於分工協作，易於實現程序的分發與共享。
③ C語言是為廣泛使用的編程語言，具備豐富的函數庫，有效地減少編程的工作量。
（3）軟件設計思想的選取
引入企業直接需求的軟件設計思想，不是停留在以流程圖為主的傳統過程化教學思維模式。以流程圖為主的傳統過程化教學模式，在具體企業項目實踐中，缺點突出，主要表現在：可讀性差、程序代碼不可重復利用，不可多人協作，不具可移植性。應用這樣編寫的單片機程序代碼是不符合企業對項目需求的。
本教材引入了層次化的軟件設計思想，采用軟件分層的方式進行軟件設計，應用此思想設計的單片機程序代碼具有：可讀性強、代碼可重復利用、可多人協作和可在各種類型的單片機上進行移植等眾多優點。對學生及進行層次化軟件設計思想的灌輸，可以使學生從單片機的起始學習就形成優良的軟件設計思想，並為後續課程和今後企業項目實踐奠定堅實的基礎。
二、本教材的內容組織
“單片機技術及應用”課程在內容組織上依據學生的認知規律，使用企業真實研發案例與過程進行項目化教學，理論與實踐相結合，配合必要的實訓環節。其內容組織如下：
項目1：與單片機的一見鐘情—記錄你與單片機的相識
項目2：初識層次化軟件設計思想—點亮你的LED
項目3：串轉並的方法—控制更多的LED
項目4：中斷與定時器—使用數碼管表達我們的信息
項目5：獨立式按鍵—多功能秒表的設計與制作
項目6：IIC總線—萬年歷的設計與制作
項目7：異步串行通信—與計算機之間傳遞信息
項目8：單總線—溫度測量報警繫統
本書由欒秋平、宋維任主編，崔立功任副主編，張訓華主審。參與編寫本教材的還有李文秀、袁麗艷、郭軍等老師。其中宋維老師並為本書設計了配套實驗板。由於編者水平有限，書中難免有不足與疏漏之處，敬請廣大讀者指正。
為便於讀者學習，本書專門配備了自行設計的單片機實驗板供學習者選用。單片機實驗板設計的與眾不同之處在於充分考慮到了硬件設計的需要，在電路布線時盡可能留下硬件設備的接口而不是將硬件與單片機的連接固定，以提高軟件設計的靈活性與多樣性，使得實驗板增添了難得的硬件設計功能。為方便教師教學與學生自學，本書還配有教學電子資料包可供免費下載。
後作者竭誠希望本書能為讀者學習單片機應用技術提供幫助，願為讀者的學習提供熱忱服務，並希望與廣大讀者多進行溝通與交流。

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