ATMEGA16(L)单片机的主要特点与内部结构
ATMEGA16(L)单片机的内部结构如图1所示。其主要组成部分及其特点介绍如下： ● 内部程序存储器（Flash）。ATMEGA16(L)内部含有16Kb的Flash存储器，支持
ISP(在系统编程)和IAP（在应用编程）。 ● 内部数据存储器（SRAM）。ATMEGA16(L)具有1K字节的SRAM，可用于存放变量数
据。 ● EEPROM。ATMEGA16(L)内置了512字节的EEPROM存贮器，可以在系统掉电时保存
一些用户信息。
● I/O接口。ATMEGA16具有32个I/O口，分为4组（PA、PB、PC、PD），每组8
位。每个I/O口可负载40mA的电流，总电流不超过200mA。
● 定时/计数器。ATMEGA16(L)有两个可分频的8位定时/计数器和一个可分频的16
位定时/计数器，带输入捕获、比较输出功能，有四个通道的PWM（脉宽调制）。 ● 中断单元。ATMEGA16(L)有20个中断源，每个中断有独立的中断向量入口地址，
所有的中断事件都有各自的使能位，可以根据需要使能或屏蔽。 ● 定时及控制单元。此单元确定系统的时钟和复位逻辑。ATMEGA16支持多种时钟
方式，有外部晶振、外部RC振荡、内部时钟和内部RC振荡等。ATMEGA16内置上电复位电路、可编程低电压检测（BOD）复位电路和带独立振荡器的看门狗，支持上电复位、外部复位、看门狗复位和低电压检测复位等复位源。 ● 模数转换器。ATMEGA16内置8通道10位精度的逐次逼近式模数转换器（ADC）.
支持单端和双端差分信号输入，内含增益可编程运算放大器。 ● SPI口。ATMEGA16的SPI口在程序下载时可以用于控制对单片机的编程，在程序
运行时是一个全双工的SPI端口，此端口可以SPI主方式运行，也可以SPI从方式运行，支持中断方式工作，比软件模拟SPI接口方便而且速度更快。
● USART。ATMEGA16的USART(通用同步/异步收发器)是一个全双工的部件，有单独
的波特率发生器，可以用较低的晶振频率产生较高的波特率，支持9位工作方式和多机通信。USART不仅可以异步工作，还可以全双工地以同步方式工作，在同步方式工作时可以有很高的通信速率。 ● 其他。如模拟比较器、二线总线（TWI）I2C等。
图1
ATMEGA16的主要管脚及其作用
ATMEG16L的管脚图（封装为双列直插DIP）如图2所示。
图2
ATMEGA16L的管脚基本上可以分为5部分，即PA、PB、PC、PD以及其它特殊用途端口（如电源VCC、地GND、复位RESET和晶振接口XTAL等）。
电源与复位电路
ATMEGA16L电源（VCC）的电压范围为2.7V~5.5V。低电压（如3.3V）下，ATMEGA16L的晶振最高为8MHz；供电电压在5V时，单片机可在16MHz的晶振下正常工作。
RESET复位引脚上的低电压引发外部复位，单片机系统恢复到初始状态。注意，该引
脚必须被拉低至少2个晶振时钟周期才能有效复位。
复位电路可以由简单的RC电路构成：
图3
该复位电路的工作原理如下： 1） 系统上电复位：在系统上电时，通过电阻R1向电容C1充电，当C1两端的电
压未达到高电平的门限电压时，Reset端输出为低电平，系统处于复位状态；当C1两端的电压达到高电平的门限电压时，Reset端输出为高电平，系统进入正常工作状态。
2） 用户手动复位：当用户按下复位键S1时，C1两端的电荷被泻放掉，Reset端
输出为低电平，系统进入复位状态，再重复以上的充电过程，系统进入正常工作状态。
两级非门电路（7404）用于去抖动和波形整形；另外，我们可以通过调整R1和C1的参数来调整复位状态的时间。
时钟电路
所谓时钟，实际上就是以一个特定频率连续不断出现的方波。单片机在每一个方波的上升沿执行指令。一条指令如果能在一个时钟周期（即方波的一个周期）内执行完，称为“单周期指令”，否则称为“多周期指令”。时钟与指令执行的关系如图4。
图4
如图所示，指令1和指令3均在一个时钟周期内指行完毕，称为“单周期指令”。指令2则占用了两个时钟周期，为“多周期指令”。
时钟源
外部晶体/陶瓷振荡电路 外部低频晶体振荡器 外部RC振荡器 内部RC振荡器 外部时钟
下面是各种时钟源的连接方法：
图5 外部晶体振荡电路作为时钟源 图6 外部RC振荡电路作为时钟源
图7 外部时钟作时钟源 图8 本书中系统采用的时钟源
I/O端口
AMEGA16总共有32个I/O口，分别是PA（8位）、PB（8位）、PC（8位）和PD（8位）。这32个I/O口都可以做为双向的输入输出端口使用。
PA、PB、PC、PD这些端口，即可以作为普通的I/O口使用，又有其附加功能。
PA口：PA口可做为8路ADC使用。这8路ADC的供电为AVCC（30管脚），地为GND（31管脚），基准电压为AREF（32管脚）。
PB口：PB7~PB4是SPI接口。PB0和PB1为计数器0和计数器1的输入端口，所谓计数器，即在规定时间内对输入信号的脉冲个数进行计算的模块。
PC口：PC0~PC1是双线串行总线接口（two-wire serial bus），亦可作为I2C接口。PC2~PC5是JTAG接口，PC6~PC7为定时器外部时钟源。
PD口：PD0~PD1为USART口。PD2~PD3为外部中断0和外部中断1的输入。PD4~PD7是定时器/计数器的比较输出及输入捕获端。
输入/输出端口的使用
AVR单片机的I/O端口为标准双向口，每个端口对应三个寄存器，即DDRX、PORTX和PINX（X为相应端口号，如对PA口来说，X为A）。各端口功能配置如下：
DDRXn PORTXn I/O 上拉 关闭 打开
备 注
三态（高阻）
提供弱上拉，低电平必须由外电路拉低，PXn脚输出电流 输出0 输出1
0 0 输入 0 1 输入
1 0 输出 1 1 输出
关闭 关闭
下面讨论如何通过对寄存器的操作来控制I/O口。（注意，在GCC中，欲对I/O口进行控制，需在程序开头部分包含“avr/io.h”的头文件，即#include (1) DDRX DDRX为端口方向寄存器（Data Direction Register of port X）。当DDRX的某一位置1时，相应管脚作为输出使用，反之，当DDRX的某一位清0时，对应的管脚作为输入使用。 例： DDRB=0xF0; 此语句将PB端口的PB0~PB3位设为输入而PB4~PB7位设为输出。 （2）PORTX PORTX为端口数据寄存器。 如果引脚设为输出时，对PORTX进行写操作即改变引脚的输出值。例如： DDRA=0xFF; // 端口A设为输出 PORTA=0xAB; // 端口A输出为10101011 如果引脚设为输入，PORTX的数据决定相应的端口的引脚是否打开上拉功能。例如： DDRA=0x00; // 端口A置为输入 PORTA=0xF0; // 端口A的0~3位不设上拉，在没有输入的情况下处于高阻态； // 端口A的4~7位设上拉，在没有输入的情况下处于高电平。 （3）PINX PINX是相应端口的输入引脚地址，如果希望读取引脚的逻辑电平值，一定要读取PINX而不是PORTX。应注意的是，PINX是只读的，不能对其赋值。 例： DDRA=0x00; // 端口A置为输入 result=PINA; // 读取A口逻辑电平值，赋给result 上面的例子均是对AVR单片机的I/O端口进行“字节操作”，即以“字节”为单位读取输入值或赋给输出值。有些时候，我们仅对某一“比特”感兴趣，这时我们可以使用GCC中“位操作”的函数（注意，以下函数仅用于I/O端口，对变量的“位操作”应通过与或逻辑运算来实现）。 (1) void sbi (uint8_t port, uint8_t bit); 此函数可以将端口寄存器PORTX中某一位置1，而其余位不变。变量类型uint8_t表示8位无符号整型变量，使用此类型需在程序开头包含“inttypes.h”头文件。 例： sbi (PORTA,3); // 将PORTA中第3位置1； （2）void cbi (uint8_t port, uint8_t bit); 此函数与sbi相反，将端口寄存器PORTX中某一位置清0，而其余位不变。 例： cbi (PORTA,5); // 将PORTA中第5位清0； （3）uint8_t bit_is_set(uint8_t port,uint8_t bit); 此函数检验PORTX中某一位置是否为 ‘1’，是则返回一个非零值，否则返回 ‘0’。 （4）uint8_t bit_is_clear(uint8_t port,uint8_t bit); 此函数检验PORTX中某一位置是否为 ‘0’，是则返回一个非零值，否则返回 ‘0’。 在实际使用中，我们常常需要不断对某一位进行查询，直至其满足一定条件后再继续执行下一步程序。GCC中提供了相应函数： （5）loop_until_bit_is_set(uint8_t pinx, uint8_t bit); 从函数名就可以很清楚知道这个函数的作用：不断进行空循环直至PINX中的某一特定位被置 ‘1’。 例： loop_until_bit_is_set(PINA, 3); PORTB=PINA; 在上例中，单片机不断检测PA3是否为 ‘1’，如果不是，则不断进行空循环直至满足条件才继续执行下一步。也就是说，如果PA3永远不为 ‘1’，则PORTB=PINA这条语句永远不会被执行。这个函数方便易用，在本书中多次出现。但读者请注意，如果条件得不到满足，程序就会进入死循环。 （6） loop_until_bit_is_clear(uint8_t pinx, uint8_t bit); 从(5)的用法很容易推导出上面这个函数的作用。 常量与变量及其占用的存储空间 ATMEGA16自带1Kbytes SRAM、16K bytes Flash、512bytes EEPROM，变量可以选择存放在SRAM或者EEPROM中，而常量可以选择存放在SRAM或者Flash中。 标准C的变量类型一般都适用于单片机的C语言，如char, float, double, unsigned int等。经常使用的整型类型在头文件 类型名 长度（单位：byte） 数值范围 int8_t 1 （8 bits） -128~127 uint8_t 1 (8 bits) 0~255 int16_t 2 (16 bits) -32768~32767 uint16_t 2 (16 bits) 0~65535 int32_t 4 (32 bits) -2147483648~2147483647 uint32_t 4 (32 bits) 0~4294967295 int64_t 8 (64 bits) -9.22*10^18~9.22*10^18 uint64_t 8 (64 bits) 0~1.844*10^19 建议使用这些整型类型名，因为这些整型类型占用多少位一目了然，比char、int、long等类型名更直观，而且其命名十分科学和有规律，容易记忆和使用。 在SRAM中定义变量和常量 如果在变量或常量的定义前不加任何参数，编译器默认将该变量或常量存放于SRAM中。 例： *在SRAM中定义一变量 uint8_t value=8; 在SRAM中创建一个1byte的变量value，并赋值为8。 *在SRAM中定义一常量 const uint16_t value=60000; 在SRAM中创建一个2 bytes的常量value，并赋值为60000。 在Flash中定义常量 AVR单片机中Flash本来是用来做程序存储空间的，但我们可以利用其存储容量大的特点，在剩余足够空间的前提下，将一些在使用中没有必要改变的数值或者字符串等存放在Flash中。当然，你也可以将其存放在SRAM中，但一来Flash比SRAM的空间大好几倍，二来这些数值或字符串在使用过程中没有必要改动，存放在Flash中会比存放在SRAM更合适。 首先，程序开头部分应包含头文件 Flash中的类型名 长度 对应于SRAM中的类型名 prog_char 8 bits uint8_t prog_int 16 bits int16_t prog_long 32 bits int32_t prog_long_long 64 bits int64_t 在Flash中定义和读取单个数值： 在Flash中创建一个常量：prog_char TEST=10; 读取该常量：int8_t result=PRG_RDB(&TEST); 在Flash中定义和读取数组： 在Flash中创建数组：prog_char TEST[10]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}; 读取TEN[5]：char result=PRG_RDB(&TEST[5]); 在Flash中定义和读取字符串： 在Flash中创建字符串： char *Setence=PSTR(“Hello, world!”); 指针*Setence指向创建的字符串的开头，即字符 ‘H’的地址。 读取字符串中某个字符：char letter=PRG_RDB(Setence+4); 执行此语句后，letter为字符 ‘o’。注意，Setence本身为地址，不必向前面两例一样用&取地址。(Setence+4)表示字符串中第5个字符（Setence本身指向第1个字符，所以加4后指向第5个字符）。 在EEPROM中读写变量 在某些场合下，我们需要对用户设置的信息进行掉电保护，这时就需要借助EEPROM等非易失性存储器。ATMega16内部集成了512 bytes的EEPROM，通过GCC提供的一些函数，我们可以很方便地对其进行读写（事实上，ICC、CodeVision等AVR单片机的C语言编译器都提供类似的函数，如果你使用的不是GCC，请参阅所使用编译器的Help文件）。 往EEPROM中写入数值： 函数eeprom_write_byte(uint16_t addr, uint8_t val)可往EEPROM的addr地址中写入值为val的1 byte信息。 例：eeprom_write_byte(0x00,0x05);// 往EEPROM的0x00地址写入数值5。 从EEPROM中读入数值： 函数uint8_t eeprom_read_byte(uint16_t addr)可从EEPROM的addr地址中读取1 byte信息。 例：uint8_t i=eeprom_read_byte(0x00);// 从EEPROM的0x00地址读取数值。 检测EEPROM是否忙： 函数eeprom_is_ready()可以检测EEPROM是否已经完成了上一次的读写任务并准备好接受下一次的读写请求，未准备好则返回0，否则返回非零值。 中断 ATMEGA16的中断源 中断源是指任何引起单片机中断的事件。不同型号的AVR单片机，其中断源的数量是不同的，ATMEGA16具有20个中断源和一个复位中断。所有中断源都有独立的中断使能位，当相应的使能位和全局中断使能位都置“1”的情况下，中断才可以发生，相应的中断服务程序才会执行。 中断源 RESET INT0 INT1 TIMER2 COMP TIMER2 OVF TIMER1 CAPT TIMER1 COMPA TIMER1 COMPB TIMER1 OVF TIMER0 OVF SPI, STC USART, RXC 复位中断 中断定义 在GCC中的中断名 SIG_NAME 外部中断请求0 SIG_INTERRUPT0 外部中断请求1 SIG_INTERRUPT1 定时/计时器2比较匹配 SIG_OUTPUT_COMPARE2 定时/计时器2溢出 SIG_OVERFLOW2 定时/计时器1捕获事件 SIG_INPUT_CAPTURE1 定时/计时器1 比较匹配A SIG_OUTPUT_COMPARE1A 定时/计时器1 比较匹配B SIG_OUTPUT_COMPARE1B 定时/计时器1 溢出 SIG_OVERFLOW1 定时/计时器0 溢出 SIG_OVERFLOW0 SPI传输完成 SIG_SPI USART接收完一个字节 SIG_UART_RECV USART,UDRE USART数据寄存器空 SIG_UART_DATA USART,TXC USART发送完一个字节 SIG_UART_TRANS ADC ANA_COMP TWI INT2 TIMER0 COMP SPM_RDY 内置模/数转换器转换完成 SIG_ADC 模拟比较器 SIG_COMPARATOR 双线串行总线接口 SIG_2WIRE_SERIAL 外部中断请求2 SIG_INTERRUPT2 定时/计时器0 比较匹配 SIG_OUTPUT_COMPARE0 存储程序空间准备好 SIG_SPM_READY EE_RDY EEPROM准备好接受读写 SIG_EEPROM_READY 对中断进行操作 GCC的中断操作，是通过关键字 “SIGNAL”和“INTERRUPT”实现的（注意，两个关键字都是大写），形式如下： SIGNAL(SIG_NAME) { 中断服务程序； /*在此中断服务程序执行中，其他中断被屏蔽，即此中断不会被其他中断所打断，此中断服务程序执行完毕，其他中断才有可能生效*/ } INTERRUPT(SIG_NAME) { 中断服务程序； /*在此中断服务程序执行中，其他中断仍有效，即此中断服务程序有可能被其他中断所打断。*/ } 在使用SIGNAL和INTERRUPT这两个关键字之前，一定要记得包含 图9 /* 程序说明：如图9所示，PB口接了八个LED，PD2（外部中断0）和PD3（外部中断1）接了两个开关。此程序的作用是：按下PD2开关，LED灯亮；按下PD3开关,LED灯灭。灯的亮灭状态在开关闭合瞬间改变。*/ #include #include SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) // 外部中断0的中断服务子程序 { PORTB=0x00; // PB输出低电平，LED上加有电压VCC，灯亮 } SIGNAL(SIG_INTERRUPT1) { PORTB=0xFF; // PB输出高电平，LED阳级和阴级的电势差接近零，灯灭 } int main(void) { PORTB=0x00; DDRB=0xFF; //初始化端口B为输出 PORTB=0x00; DDRD=0x00; GICR=((1< MCUCR中的ISC11和ISC10用来控制INT1的中断触发条件： ISC11 ISC10 说明 0 0 INT1上的低电平产生中断请求 0 1 INT1上的电平变化（从高到低或者从低到高）产生 中断请求 1 0 INT1上的下降沿产生中断请求 1 1 INT1上的上升沿产生中断请求 MCUCR中的ISC01和ISC00用来控制INT0的中断触发条件： ISC01 ISC00 说明 0 0 INT0上的低电平产生中断请求 0 1 INT0上的电平变化（从高到低或者从低到高）产生 中断请求 1 0 INT0上的下降沿产生中断请求 1 1 INT0上的上升沿产生中断请求 定时器0 (Timer0) 定时器(Timer)就像一个闹钟, 只不过它在规定时间到了以后是产生溢出信号（Overflow）而不是闹铃。 对Timer0来说，这个“定时时间”记录在寄存器TCNT0中。 TCNT0是一个8位寄存器，其寄存器值每过一个预分频时钟周期自加1，当该值达到0xFF后，如果再自加1，就会产生一个溢出信号，这个溢出信号就是寄存器TIFR中的TOV0，或者称为Timer0的溢出中断标志位。 很显然，由于溢出值是固定的（0xFF+1），我们要改变定时的长短，就只能在TCNT0的初始值上做文章。我们希望定时器在N（N<0xFF）个预分频时钟周期后溢出，就应将TCNT0设为（0xFF+1-N）。 “预分频时钟”，就是该时钟是由晶振时钟分频得到的。预分频数可以是1,8,64,256,1024。假设预分频数为8，则每8个晶振时钟周期后，TCNT0的值自加1。预分频数由寄存器TCCR0控制： TCCR0值 1 2 3 4 5 fosc /8 fosc /64 fosc /256 fosc /1024 预分频后时钟频率 fosc（fosc表示晶振时钟频率） 定时器的编程有两种方法，一是轮询方式(Polling Mode)，另一种是中断方式。 轮询方式： /* 设晶振频率为1MHz，PB口接LED（接法同图2.10）。此程序使用轮询方式查询TIFR寄存器中的TOV0位是否置 ‘1’，置 ‘1’表示定时器溢出（即所定时间已到），此时PB口输出反相，即LED不断闪烁（闪烁的频率为5Hz）。*/ #include int main(void) { uint8_t state; PORTB=0x00; //初始输出低电平 DDRB=0xFF; //PB口设为输出 TCNT0=0x9E; // 初始化TCNT0，使其定时为10Hz（100ms）; TCCR0=5; // 预分频为Ck/1024 for(;;) { do //此循环检测Timer0的溢出中断标志TOV0 state=TIFR&0x01; //TOV0是TIFR的bit0 while (state!=0x01); PORTB=~PORTB; // PB口输出反相，使LED闪烁 TIFR=(1< 每过1024个晶振时钟周期，TCNT0就自加1。当TCNT0的值达到0xFF后，再过1024个晶振时钟周期后，TCNT0试图再加1，这时产生溢出信号，Timer0的溢出时间中断标志TOV0被置 ‘1’。程序的do-while 循环不断检测TOV0的值，直到TOV0为 ‘1’。对TOV0写入 ‘1’ 可以使TOV0清零，清除该标志后，就可以开始下一次定时。 “轮询方式”并不常用，大部分情况下，我们都是中断方式操作定时器的。现在，我们将上面那个程序改写成中断方式。 例程 #include SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) //Timer0溢出中断 { PORTB=~PORTB; TCNT0=0x9E; } int main(void) { PORTB=0x00; //输出值 DDRB=0xFF; TCNT0=0x9E; TCCR0=5; TIMSK=(1< TCNT0=0xFF+1− Clk Fre 其中，Clk为预分频后的时钟频率，Fre为所需定时器的频率。以上面的程序为例，晶振时钟频率为1MHz，预分频数为1024，所需定时器的频率为10Hz，则TCNT0=255+1- 1000000/1024 ≈0x9E。事实上这样的计算很麻烦，网上有AVR专用计算 10 器(AVR Calu)，专门计算AVR单片机编程中可能遇到的各种计算问题。 计数器0 (Counter0) 所谓计数器，即在规定时间内对输入信号的脉冲个数进行计算的模块。PB0为计数器0的输入端口，因此，使用计数器时，必须将PB0设为输入。 计数器的使用与定时器十分相似，每次输入信号的上升沿（或下降沿）出现的时候，TCNT0就自加，当自加到0xFF以后，再次自加的时候就会溢出。与定时器一样，TCNT0溢出时TIFR中的TOV0就置 ‘1’。 输入信号是上升沿或者下降沿触发计数器，是由TCCRO决定： TCCR0值 1 2 3 4 5 6 7 fosc /8 fosc /64 fosc /256 fosc /1024 输入信号的下降沿触发计数器 输入信号的上升沿触发计数器 预分频后时钟频率 fosc （fosc表示晶振时钟频率） 与定时器一样，计数器也有轮询模式与中断模式。由于轮询模式较少用到，下面的例程是基于中断模式的。 #include SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) //Timer0溢出中断 { PORTC=~PORTC; TCNT0=0xFF; } int main(void) { DDRB=0x00; DDRC=0xFF; TCNT0=0xFF; /* 将TCNT0初始化为0xFF，则只需输入信号出现 下降沿，TCNT0即溢出，中断服务程序被执行； 若初始化为0xFE，则出现两次下降沿TCNT0溢出一次， 执行一次中断服务程序*/ TCCR0=7; TIMSK=(1< 计数器与定时器的本质是完全一样的，区别仅在于一个是对外部信号进行计数，一个是对内部时钟进行计数。读者只要理解了定时器，就能很轻松地使用计数器了。 定时/计数器1（Timer/Counter1） Timer/Counter1是一个16位的定时/计数器，其计数值为0~65535。T/C1作为定时器和计数器时和T/C0没有多大差别，仅仅是几个寄存器的名字及计数值范围不同。 与T/C1相关的几个寄存器（只介绍与定时器和计数器相关的几个寄存器）： TCCR1A T/C1的控制寄存器，用于控制比较器、PWM等功能， 如作定时器和计数器用时，赋0值即可。 TCCR1B 与TCCR0同样作用，0~5表示作定时器用，6、7分别表示外来输入信号的下降沿和上升沿触发计数器 TCNT1L 16位计数寄存器的低8位 TCNT1H 16位计数寄存器的高8位 TIFR Timer的中断标志寄存器，轮询模式下用 TIMSK Timer的中断屏蔽寄存器，作用如T/C0中所述 例程 /* 此程序与例程2.3和2.4的作用一样，只是将定时器频率设为1Hz。*/ #include SIGNAL(SIG_OVERFLOW1) //Timer1溢出中断 { PORTB=~PORTB; TCNT1L=0x7C; TCNT1H=0xE1; } int main(void) { PORTB=0x00; DDRB=0xFF; TCNT1L=0x7C; // 定时器设为1Hz TCNT1H=0xE1; TCCR1A=0; // 设为定时器功能 TCCR1B=5; // 预分频数1024 TIMSK=(1< 液晶显示器以其微功耗、体积小、使用灵活等诸多优点在袖珍式仪表和低功耗应用系统中，得到越来越广泛的应用。液晶显示器通常可分为两大类，一是点阵型，二是字符型。点阵型液晶通常面积较大，可以显示图形；而一般的字符型液晶只有两行，面积较小，只能显示字符和一些很简单的图形，简单易控制且成本低。目前市面上的字符型液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，所以控制原理是完全相同的，为HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。 字符型LCD通常有14条引脚线，定义如下： 管脚号 管脚名 电平 输入/输出 作用 电源地 电源（+5V） 对比调整电压 1 VSS2 VCC3 VEE 4 RS 0/1 输入 0=输入指令 1=输入数据 5 R/W 0/1 输入 0=向LCD写入指令或数据 1=从LCD读取信息 6 E 1, 1→0 输入 7 DB0 0/1 输入/输出 8 DB1 0/1 输入/输出 9 DB2 0/1 输入/输出 10 DB3 0/1 输入/输出 11 DB4 0/1 输入/输出 12 DB5 0/1 输入/输出 13 DB6 0/1 输入/输出 14 DB7 0/1 输入/输出 在本系统中，LCD的连接图如2.10所示。 使能信号，1时读取信息，1→0（下 降沿）执行指令 数据总线line 0 (最低位) 数据总线line1 数据总线line2 数据总线line3 数据总线line4 数据总线line5 数据总线line6 数据总线line7(最高位) 数据总线的8条线与PB口相接，RS接PD3，R/W接PD4，E接PD5 。读者是否觉得这样的接法占用了太多的I/O口？事实上也是如此，在某些系统中，单片机的I/O口是稀缺资源，而一个LCD就占用了11个I/O口，的确有些浪费。我们会在下一节讨论这个问题。在本节的数字钟的设计中，为使读者设计的第一个系统容易上手，我们仍采用AVRAD实验板的接法（即图2.10的接法）。 HD44780内置了192个常用字符，存于CGROM中，另外还有几个允许用户自定义的字符图形RAM称为CGRAM。图3.7说明了CGROM和CGRAM与字符的对应关系。 地址0x00-0x0F为用户自定义的字符图形RAM，0x20-0x7F为标准的ASCII码，0xA0-0xFF为日文字符和希腊文字符，其余地址（0x10-0x1F及0x80-0x9F）没有定义。 除了CGROM和CGRAM外，LCD内部还有一个DDRAM（Display Data RAM），用于存放待显示内容。LCD控制器的指令系统规定，在送待显示字符代码的指令之前，先要送DDRAM的地址，实际上是待显示的字符显示位置。16*2的字符型LCD的DDRAM地址与显示位置的对应关系如图2.11。（注意：下文中提到DDRAM的内容即是待显示的字符内容，DDRAM的地址即对应字符的位置）。 图2.12 DDRAM地址与显示位置的对应关系 用户定义的字符发生器存储器（CGRAM）并不常用。 假设我们要在第1行第2列写入字符 ‘A’，这时我们先写入第1行第2列对应的DDRAM的地址：01H（参见图2.11），然后再往DDRAM中写入0x41（参写图2.10），这样LCD的第1行第2列就会出现字符 ‘A’了。也就是说，DDRAM的内容对应于所要显示的字符地址（图2.10），而DDRAM的地址就对应于显示字符的位置（图2.11）。 那么我们如何对DDRAM的内容和地址进行操作呢？下面是HD44780的指令集及其设置说明，请读者浏览该指令表并找出对DDRAM的内容和地址进行操作的指令。 表2.16 清屏指令表 指令功能 指令编码 执行时间 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1.64ms 功能：1. 清除液晶显示器，即将DDRAM的内容全部填入“空白”的ASCII码 20H 2. 光标归位，即将光标撤回液晶显示屏的左上方 3. 将地址计数器（AC）的值设为0 表5.17 光标归位指令表 指令功能 指令编码 执行时间 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 光标归位 1.64ms 0 0 0 0 0 0 0 0 1 X 功能：1. 把光标撤回到液晶显示器的左上方 2. 把地址计数器（AC）的值设置为0 3. 保持DDRAM的内容不变 表5.18 进入模式设置指令表 指令功能 指令编码 执行时间 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 进入模式设置 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 40us 功能：设定每次写入1位数据后光标的移位方向，并且设定每次写入的一个字符是否移动。参数设定的情况如下表所示： 位名 I/D S 设置 0=写入新数据后光标右移 1=写入新数据后光标左移 0=写入新数据后显示屏不移动 1=写入新数据后显示屏整体右移1 个字符 表2.19 显示开关控制指令表 指令功能 指令编码 执行时间 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 显示开关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 40us 功能：控制显示器开/关、光标显示/关闭以及光标是否闪烁。参数设定的情况如下表所示： 位名 D C B 设置 0=显示功能关 1=显示功能开 0=无光标 1=有光标 0=光标闪烁 1=光标不闪烁 表2.20 设定显示屏或光标移动方向指令表 指令功能 指令编码 执行时间 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 设定显示屏或光标移动方向 功能：使光标移位或使整个显示屏幕移位。参数设定的情况如下表所示： S/C R/L 设定情况 0 0 光标左移1格，且AC值减1 0 1 光标右移1格，且AC值加1 1 0 显示器上字符全部左移一格，但光标不动 表2.21 功能设定指令表 指令功能 指令编码 执行时间 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 功能设定 40us 0 0 0 0 1 DL N F X X 1 1 显示器上字符全部右移一格，但光标不动 0 0 0 0 0 1 S/C R/L X X 40us 功能：设定数据总线位数、显示的行数及字型。参数设定的情况如下表所示： 位名 DL N F 设置 0=数据总线为4位 1=数据总线为8位 0=显示1行 1=显示2行 0=5*7点阵/每字符 1=5*10点阵/每字符 表2.22 设定CGRAM地址指令表 指令功能 指令编码 执行时间 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 设定CGRAM地址 功能：设定下一个要存入数据的CGRAM的地址 0 0 0 1 CGRAM的地址（6位） 40us 表2.23 设定DDRAM地址指令表 指令功能 指令编码 执行时间 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 设定DDRAM地址 功能：设定下一个要存入数据的DDRAM的地址 0 0 1 DDRAM的地址（7位） 40us 表2.24 读取忙信号或AC地址指令表 指令功能 指令编码 执行时间 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 读取忙碌信号或AC地址 0 1 BF AC内容（6位） 40us 功能： 1. 读取忙碌信号BF的内容，BF=1表示液晶显示器忙，暂时无法接收单片机送来的数据或指令；当BF=0时，液晶显示器可以接收单片机送来的数据或指令。 2. 读取地址计数器（AC）的内容 表2.25 数据写入DDRAM或CGRAM指令一览表 指令功能 指令编码 执行时间 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 数据写入到DDRAMCGRAM中 功能：1. 将字符码写入DDRAM，以使液晶显示屏显示出相对应的字符 2. 将使用者自己设计的图形存入CGRAM 表2.26 从CGRAM或DDRAM读出数据的指令一览表 指令功能 指令编码 执行时间 或 1 0 要写入的数据D7-D0 40us RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 从CGRAM或DDRAM读出数据 功能：读取DDRAM或CGRAM中的内容 1 1 读出的数据(D7-D0) 40us 使能位E对执行LCD指令起着关键的作用，E有两个有效状态，高电平（’1’）和下降沿（1→0）。 当E为高电平时，如果R/W为 ‘0’则LCD从单片机读入指令或者数据；R/W为 ‘1’时，则单片机可以从LCD中读出状态字（BF忙状态）和地址。 而E的下降沿指示LCD执行其读入的指令或者显示其读入的数据。下面是HD44780的时序图： 图2.13 对初学者来说，只要记住，在将E置高电平前，先设置好RS和R/W信号，在E下降沿到来之前要准备好写入的命令字或数据。我们只需在适当的地方加上延时就可以满足时序要求了。 例程2.7: /*本程序没有main()函数，仅将LCD的几个常用操作写成相应的函数，做成”LCD.h”的头文件，下文中如遇到#include “LCD.h” 之类的命令，即包含此头文件。*/ #define LCDPORT PORTB // 数据总线接在PB口 #define LCDDDR DDRB #define LCDPIN PINB #define En_H sbi(PORTD,5) // En接PD5 #define En_L cbi(PORTD,5) #define RW_R sbi(PORTD,4) //R/W接PD4 #define RW_W cbi(PORTD,4) #define RS_H sbi(PORTD,3) // RS接PD3 #define RS_L cbi(PORTD,3) #define DelaytE Delay(10) #define Clear_Screen Write_Command(0x01) //定义清屏语句 void Delay(uint16_t time) //延时程序 { while (time>0) {time--;} } void En_Toggle(void) //产生一个使能脉冲 { En_H; //拉高使能位 DelaytE; //保持高电平一定时间 En_L; //拉低使能位，产生一个下降沿 DelaytE; //保持低电平一定时间 } /*不断检测LCD的忙标志（BF），直到其为 ‘0’，表示可以执行下一条指令*/ void Wait_Until_Ready(void) { RW_R; // 设为读状态 RS_L; // 所读为状态位 LCDDDR=0x00; //单片机设为输入，用以读取LCD的忙标志 LCDPORT=0x00; En_H; DelaytE; loop_until_bit_is_clear(LCDPIN,7); //不断循环，直至BF=’0’ En_L; } void Write_Command(uint8_t Command) //向LCD写入命令字 { RW_W; // 置为写状态 RS_L; // 写入的是命令字 LCDDDR=0xFF; LCDPORT=Command; // 写命令字 En_Toggle(); // 产生使能脉冲，在下降沿开始执行指令 Wait_Until_Ready(); // 等待指令指行完毕 } void Write_Data(uint8_t Data) // 写入数据（所需显示的字符的地址） { RW_W; RS_H; // 写入的是数据 LCDDDR=0xFF; LCDPORT=Data; En_Toggle(); Wait_Until_Ready(); } void Write_Position(uint8_t row,uint8_t colum) // 设字符位置 { uint8_t p; if (row==1) {p=0x80+colum-1; Write_Command(p); } else {p=0xC0+colum-1; Write_Command(p); } } void Write_String(uint8_t *s) // 写入字符串 { for (;*s!='\\0';s++) Write_Data(*s); } void Initialize_LCD(void) // LCD初始化 { Write_Command(0x38); // 设为8位接口模式，显示2行字符 Write_Command(0x06); // 写入新数据后光标右移 Write_Command(0x0C); // 显示功能开，不显示光标 Clear_Screen; //清屏 } 我们看看下面这个小程序 例程2.8: #include int main(void) { DDRD=0xFF; PORTD=0x00; DDRB=0xFF; PORTB=0x00; Initialize_LCD(); //初始化LCD Write_Position(1,1); // 字符位置：第1行第1列 Write_Data('a'); // 显示字符 ‘a’ Write_Data(0x62); // 在第1行第2列显示字符 ‘b’ Write_Position(2,1); // 字符位置：第2行第1列 Write_String(\"Hello world!\"); // 显示字符串 “Hello world!” for (;;) {} } 需要在LCD上显示一个字符的时候，有两种途径： （1）通过查表（图2.11）获得该字符在CGROM里的地址add，用Write_Data(add)使LCD显示该字符。（如例程2.8中显示字符’b’的方法） （2）如果我们需要LCD显示的是标准ASCII码，则可以直接采用Write_Data(‘字符’)的方法。（如果例程2.8中显示字符’a’的方法） 另外值得注意的是，当我们设定了字符显示的位置，并且写入一个字符后，DDRAM的地址自动加1，也就是说，我们在第1行第1列写入一个字符后，如果我们不对字符显示位置重新设置的话，再写入一个字符，则这个新的字符后出现在第1行第2列。 4*4矩阵式键盘的使用 单片机系统中常用的按键有直接式和矩阵式两种。 直接式按键十分简单，一端接Vcc，一端接单片机的I/O口（设为输入），当按键按下时，单片机的I/O口为高电平，通过对I/O口电平的检测就可以知道按键是否按下。其优点是简单易行，连接方便，但每个按键要占用一个I/O口，如果系统中需要很多按键时，用这种方法会占用大量的I/O口，甚至将单片机的所有I/O口都用上仍不能满足要求。 矩阵式键盘控制起来比直接式按键要麻烦得多，但其优点也是很明显的，那就是节省I/O口。设矩阵式键盘有m行n列，则键盘上有（m*n）个按键，而它只需要占用(m+n)个I/O口。当我们需要很多按键时，用矩阵式键盘显然比直接式按键要合理得多。 矩阵式键盘的接法，通常有三种（其余的接法一般都是由这三种接法稍加改变而得，基本原理是完全一样的），下面我们一一介绍。 图10 矩阵键盘接法A 行列电平值与按键的对应关系表： 列/PC3~PC0（输出） 行/PC7~PC4（输入） 按键 1000 0001 0 1000 0010 1 1000 0100 2 1000 1000 3 0100 0001 4 0100 0010 5 0100 0100 6 0100 1000 7 0010 0001 8 0010 0010 9 0010 0100 A 0010 1000 B 0001 0001 C 0001 0010 D 0001 0100 E 0001 1000 F 表2.19 因为我们无法预计什么时候有键按下，也无法预测究竟是哪一列上的键被按下，所以我们只能对键盘的列线(PC3~PC0)进行扫描，同时读取键盘的行线（PC7~PC4）的电平值。PC3~PC0按下述的4种组合依次输出，不断循环： PC3 PC2 PC1 PC0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 表2.20 图11 矩阵键盘接法B 我们再来看矩阵键盘接法B（图11）。很容易看出，此接法与接法C的原理类似，只是将下拉电阻变成上拉电阻。在没有键被按下的情况下，PC7~PC4被上拉电阻稳定在高电平。如果某一键被按下，而该键对应的列线为低电平，则对应的单片机输入口读到的电平值为 ‘0’。与接法A同理，任一时刻的PC3~PC0的输出只能有一个为 ‘0’。 我们只要将扫描信号变成下面的4种组合就行了： PC3 PC2 PC1 PC0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 其行列电平值与按键的对应关系如下表： 列/PC3~PC0（输出） 行/PC7~PC4（输入） 按键 0111 1110 0 0111 1101 1 0111 1011 2 0111 0111 3 1011 1110 4 1011 1101 5 1011 1011 6 1011 0111 7 1101 1110 8 1101 1101 9 1101 1011 A 1101 0111 B 1110 1110 C 1110 1101 D 1110 1011 E 1110 0111 F 图12 矩阵键盘接法C 图12为SL-AVRAD实验板上键盘的接法， /* 此函数每次执行都产生一个扫描信号（四位，任一时刻只有一位为 ‘0’）加于列线上，同时读取行线上的电平值以判断扫描信号为 ‘0’的列上是否有键按下。如果此函数 被执行4次后，即经过一轮扫描后，没有发现按键被按下，则输出16（键盘值从0到15，因此16用以指示无效值）。另外，用LastNum存上次读到的按键值，CurrentNum存本次读到的按键值，如果两次读到的按键值同，亦输出16 。换句话说，无论用户按一个键按多久，都只返回一个有效值，当成一次按键。*/ /*注：此函数一般用于定时器中断中或主循环中，即本函数需隔一定的时间（10ms为宜）被执行一次，才能起到键盘扫描的作用。*/ uint8_t Keyboard(void) //键盘扫描函数，返回一个键值或16（无效值） { static uint8_t ScanCode=0xF7,TempNum=16,LastNum=16,CurrentNum=16,Times=0; switch(ScanCode) // 扫描信号 { case 0xF7:ScanCode=0xFB; break; //扫描信号：0111→1011 case 0xFB:ScanCode=0xFD; break; // 1011→1101 case 0xFD:ScanCode=0xFE; break; // 1101→1110 case 0xFE:ScanCode=0xF7; break; // 1110→0111 default: ScanCode=0xF7; break; } /*在main()函数里需将DDRC设成0x0F，即PC7~PC4为输入，PC3~PC0为输出。 下面PORTC=ScanCode意味着，将PC7~PC4设为带上拉功能的输入， 而PC3~PC0输出扫描信号。*/ PORTC=ScanCode; switch(PINC) // 解读行列电平值与按键值的关系 { /*TempNum记录读到的键值，由于此键值需经进一步处理， 所以是暂时数值（TempNum）。Times用以记录没有读到有效键值的次数， 如果次数达到4次（即扫描一轮后没有发现有效键值）， 就表示没有键按下。*/ case 0xE7:TempNum=0;Times=0;break; case 0xD7:TempNum=1;Times=0;break; case 0xB7:TempNum=2;Times=0;break; case 0x77:TempNum=3;Times=0;break; case 0xEB:TempNum=4;Times=0;break; case 0xDB:TempNum=5;Times=0;break; case 0xBB:TempNum=6;Times=0;break; case 0x7B:TempNum=7;Times=0;break; case 0xED:TempNum=8;Times=0;break; case 0xDD:TempNum=9;Times=0;break; case 0xBD:TempNum=10;Times=0;break; case 0x7D:TempNum=11;Times=0;break; case 0xEE:TempNum=12;Times=0;break; case 0xDE:TempNum=13;Times=0;break; case 0xBE:TempNum=14;Times=0;break; case 0x7E:TempNum=15;Times=0;break; default:{ Times++; if (Times==4) { TempNum=16; Times=0; } }break; } /*对读到的键值进行处理，每个有效键值仅返回一次*/ LastNum=CurrentNum; CurrentNum=TempNum; if (CurrentNum==LastNum) return(16); else return(CurrentNum); } 下面给出一个在定时器中断中使用键盘扫描的小程序： #include #include \"Key.h\" //此文件包含上面的Keyboard()函数 SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) { uint8_t Keynum=16; TCNT0=0xB2; Keynum=Keyboard(); //读取键盘值 Write_Position(1,1); /*如果键值在0~9之间，就在LCD第1行第1列显示出来。 (Keynum+0x30)表示取键值的ASCII码。*/ if (Keynum<10) Write_Data((Keynum+0x30)); } int main(void) { DDRC=0x0F; //输出或者输入？ PORTC=0xFF; //上拉及其输出值 DDRD=0xFF; //输出 PORTD=0x00; //初值 DDRB=0xFF; PORTB=0x00; Initialize_LCD(); TCCR0=5; TCNT0=0xB2; TIMSK=(1< 本系统是在SL-AVRAD实验板上实现的。系统时钟用的是8MHz晶振，显示器为16*2字符型LCD，输入设备为4*4矩阵式键盘。 本系统分为三个基本模块：计时模块、调时模块、时制转换模块。功能模块示意图如图2.17所示。 图2.17 简易数字钟功能模块示意图 例程2.11: #include #include /*下面定义了几个全局变量。 Hour、Minute和Second分别指当前时间的时、分、秒；State表示当前所处的状态，State=0表示正常计时状态，1表示处于调时状态，2表示处于调整时制状态；T12指示当前的时制，0为24小时制，1为12小时制。*/ uint8_t Second=0,Minute=0,Hour=0; uint8_t State=0, T12=0; void Display_Time(void) //显示当前时间 { /* HourH,MinuteH,SecondH表示时、分、秒十位上的数， HourL,MinuteL,SecondL 表示时、分、秒个位上的数。*/ uint8_t HourH,HourL,MinuteH,MinuteL,SecondH,SecondL; if ((Hour>=12)&&(T12==1)) //12小时制下，中午12点以后时间的表示 { HourH=(Hour-12)/10+0x30; HourL=(Hour-12)%10+0x30; Write_Position(1,9); Write_String(\"PM\"); } else { HourH=Hour/10+0x30; HourL=Hour%10+0x30; if (T12==1) //12小时制下，中午12点以前时间的表示 { Write_Position(1,9); Write_String(\"AM\"); } } MinuteH=Minute/10+0x30; //将分钟的十位数转为标准ASCII码 MinuteL=Minute%10+0x30;//将分数的个位数转为标准ASCII码 SecondH=Second/10+0x30; SecondL=Second%10+0x30; Write_Position(1,1); Write_Data(HourH); //lcd.h Write_Data(HourL); Write_Data(':'); Write_Data(MinuteH); Write_Data(MinuteL); Write_Data(':'); Write_Data(SecondH); Write_Data(SecondL); } void Display_T12(void) //显示当前时制 { Clear_Screen(); Write_Position(1,1); if (T12==0) Write_String(\"24 H\"); else Write_String(\"12 H\"); } void Adjust_Time(uint8_t Position) //调时函数 { switch(Position) { case 0: //调小时 if (Hour==23) Hour=0; else Hour++; break; case 1: //调分钟 if (Minute==59) Minute=0; else Minute++; break; case 2: Second=0;break; //调秒（将秒数清零） default:{}break; } } SIGNAL(SIG_OVERFLOW1) //Timer1中断，中断频率为1Hz { TCNT1H=0x85; TCNT1L=0xEE; if (Second==59) // 时、分、秒的进位关系 { Second=0; if (Minute==59) { Minute=0; if (Hour==23) Hour=0; else Hour++; } else Minute++; } else Second++; } SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) // scan keyboard { uint8_t Keynum=16; /*Position指示当前所调的参数，0：小时；1：分；2：秒；*/ static uint8_t Position=0; TCNT0=0xB2; Keynum=Keyboard(); //取键值 switch (State) { case 0: //在正常计时状态下 { if (Keynum==0) State=1; //检测到按键0，变为调时状态 Write_Command(0x0C); // 不显示光标 Display_Time(); // 显示当前时间 } break; case 1: //在调时状态下 { Display_Time(); switch(Keynum) { case 0: State=2;break; //检测到按键0，变为时制转换状态 /*按键1用来改变当前所调的参数， 按键2用来调整时间*/ case 1: if (Position==2) Position=0; // change position else Position++; break; case 2: Adjust_Time(Position);break; //++ default:{};break; } Write_Command(0x0F); //光标闪烁（详见2.6.1节指令表） switch(Position) //指示光标闪烁的位置 { case 0:Write_Position(1,2);break; // move to position case 1:Write_Position(1,5);break; case 2:Write_Position(1,8);break; default:{}break; } }break; case 2: //时制转换模块 { if (Keynum==0) State=0; //检测到按键0回到正常计时 else if (Keynum==1) // 按键1用以改变当前时制 { if (T12==0) T12=1; else T12=0; } Write_Command(0x0C); // 不显示光标 Display_T12(); //显示当前时制 }break; default:{}break; } } void Init_Device(void) //对所用端口和计数器寄存器值进行初始化 { DDRC=0x0F; PORTC=0xFF; DDRD=0xFF; PORTD=0x00; DDRB=0xFF; PORTB=0x00; Initialize_LCD(); //lcd.h TCCR1A=0; // for timer1 worked as timer TCCR1B=4; // 256 divide TCNT1H=0x85; //1s TCNT1L=0xEE; TCCR0=5; //1024 divide TCNT0=0xB2; TIMSK=(1< Init_Device(); sei(); for (;;) {} } 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容