AVR单片机程序设计：从小白到大师，10步解锁精通秘籍

# 1. AVR单片机概述**

AVR单片机是Atmel公司开发的一种8位微控制器，以其低功耗、高性能和丰富的外设接口而著称。它广泛应用于嵌入式系统、工业控制和消费电子产品中。

AVR单片机的核心架构包括一个8位CPU、一个程序存储器（Flash）和一个数据存储器（SRAM）。它采用哈佛架构，即程序存储器和数据存储器是物理上分开的，从而提高了指令执行效率。

AVR单片机提供了丰富的指令集，包括算术、逻辑、分支和跳转指令，以及针对特定外设的特殊指令。这些指令使开发人员能够轻松实现复杂的控制逻辑和数据处理任务。

# 2. AVR单片机编程基础

### 2.1 AVR单片机的架构和指令集

**AVR单片机的架构**

AVR单片机采用哈佛架构，即程序存储器和数据存储器是分开的。其内部结构主要包括：

- **CPU内核：**负责执行指令和处理数据。
- **程序存储器：**存储程序代码，通常为Flash存储器。
- **数据存储器：**存储数据和变量，包括RAM和EEPROM。
- **I/O端口：**用于与外部设备进行通信。
- **外设：**提供各种功能，如定时器、中断、ADC等。

**AVR单片机的指令集**

AVR单片机使用RISC（精简指令集计算机）架构，其指令集的特点是：

- **单周期指令：**大多数指令可以在一个时钟周期内执行。
- **16位指令：**指令长度为16位，简化了指令解码过程。
- **三地址指令：**指令操作数由三个寄存器指定，提高了代码效率。

### 2.2 C语言在AVR单片机上的应用

**C语言在AVR单片机上的优势**

C语言是一种高级编程语言，具有以下优势：

- **可移植性：**代码可以在不同的AVR单片机上移植，减少开发时间。
- **可读性：**C语言代码易于阅读和理解，便于维护。
- **丰富的外设库：**AVR单片机提供了丰富的C语言外设库，简化了外设编程。

**C语言在AVR单片机上的使用**

使用C语言编程AVR单片机需要以下步骤：

1. **安装编译器：**安装支持AVR单片机的C语言编译器，如AVR-GCC。
2. **创建项目：**创建一个新的项目，指定目标AVR单片机。
3. **编写代码：**使用C语言编写程序代码，包括头文件、函数和主函数。
4. **编译代码：**使用编译器将C语言代码编译为AVR单片机可执行的机器码。
5. **烧写程序：**将编译后的程序烧写到AVR单片机中。

**代码示例**

以下是一个使用C语言在AVR单片机上闪烁LED灯的代码示例：

#include <avr/io.h>

int main() {
    // 设置LED灯引脚为输出
    DDRB |= (1 << PB0);

    while (1) {
        // 打开LED灯
        PORTB |= (1 << PB0);

        // 延时100ms
        _delay_ms(100);

        // 关闭LED灯
        PORTB &= ~(1 << PB0);

        // 延时100ms
        _delay_ms(100);
    }

    return 0;
}

**代码逻辑分析**

1. `DDRB |= (1 << PB0);`：将PB0引脚设置为输出模式。
2. `PORTB |= (1 << PB0);`：将PB0引脚置为高电平，打开LED灯。
3. `_delay_ms(100);`：延时100ms。
4. `PORTB &= ~(1 << PB0);`：将PB0引脚置为低电平，关闭LED灯。
5. `_delay_ms(100);`：延时100ms。

# 3. AVR单片机外设接口**

**3.1 I/O端口和中断**

**3.1.1 I/O端口**

AVR单片机具有多个I/O端口，用于与外部设备通信。每个端口包含8个引脚，可以配置为输入或输出。引脚的配置通过端口寄存器进行控制。

**3.1.2 中断**

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，它会暂停当前执行的程序并跳转到一个中断服务程序。AVR单片机支持多种中断源，包括外部中断、定时器中断和ADC中断。

**代码示例：**

// 配置端口B为输出
DDRB = 0xFF;

// 设置端口B的第5位为高电平
PORTB |= (1 << 5);

**逻辑分析：**

* `DDRB`寄存器用于配置端口B的引脚方向，将其设置为0xFF表示所有引脚都配置为输出。
* `PORTB`寄存器用于设置端口B的引脚电平，将其与`(1 << 5)`进行按位或操作，表示将端口B的第5位设置为高电平。

**3.2 定时器和计数器**

**3.2.1 定时器**

定时器用于生成精确的时间间隔。AVR单片机有多个定时器，每个定时器都有自己的控制寄存器和中断标志位。

**3.2.2 计数器**

计数器用于计数外部事件或软件事件。计数器与定时器类似，但没有中断标志位。

**代码示例：**

// 配置定时器0为CTC模式，时钟源为内部时钟，预分频为64
TCCR0A = (1 << WGM01) | (1 << WGM00);
TCCR0B = (1 << CS01) | (1 << CS00);

// 设置比较值，产生1ms的中断
OCR0A = 125;

// 启用定时器0中断
TIMSK0 |= (1 << OCIE0A);

**逻辑分析：**

* `TCCR0A`和`TCCR0B`寄存器用于配置定时器0的模式、时钟源和预分频。
* `OCR0A`寄存器用于设置比较值，当定时器计数达到比较值时，会触发中断。
* `TIMSK0`寄存器用于启用定时器0中断。

**3.3 模拟数字转换器（ADC）**

**3.3.1 ADC概述**

ADC用于将模拟信号（例如电压）转换为数字信号。AVR单片机有多个ADC通道，每个通道可以连接到不同的模拟输入引脚。

**3.3.2 ADC配置**

ADC的配置通过ADC控制寄存器进行控制。这些寄存器用于设置ADC的参考电压、分辨率和采样速率。

**代码示例：**

// 配置ADC，使用内部参考电压，10位分辨率，采样速率为125kHz
ADMUX = (1 << REFS0) | (1 << ADLAR);
ADCSRA = (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS0) | (1 << ADEN);

// 启动ADC转换
ADCSRA |= (1 << ADSC);

**逻辑分析：**

* `ADMUX`寄存器用于配置ADC的参考电压和分辨率。
* `ADCSRA`寄存器用于配置ADC的采样速率和启用ADC。
* `ADSC`位用于启动ADC转换。

# 4. AVR单片机应用实例

### 4.1 LED灯闪烁

**目标：**控制AVR单片机上的LED灯闪烁。

**步骤：**

1. **配置I/O端口：**将LED连接到单片机的I/O端口，并将其配置为输出模式。
2. **设置闪烁频率：**使用定时器或计数器来设置LED灯的闪烁频率。
3. **编写闪烁代码：**编写循环代码，在循环中交替设置LED灯的输出状态（开/关）。

**代码示例：**

#define LED_PIN 5

void main() {
    // 配置LED引脚为输出模式
    DDRB |= (1 << LED_PIN);

    // 设置定时器0为CTC模式，频率为1Hz
    TCCR0A = (1 << WGM01);
    TCCR0B = (1 << CS01) | (1 << CS00);
    OCR0A = 124;

    while (1) {
        // 当定时器0溢出时，切换LED灯状态
        if (TIFR0 & (1 << OCF0A)) {
            TIFR0 |= (1 << OCF0A);  // 清除溢出标志位
            PORTB ^= (1 << LED_PIN);  // 异或LED灯状态
        }
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 将LED连接到引脚5，并将其配置为输出模式。
* 设置定时器0为CTC模式，频率为1Hz，即每秒溢出一次。
* 在主循环中，当定时器0溢出时，切换LED灯的状态。

### 4.2 按键检测

**目标：**检测AVR单片机上的按键按下事件。

**步骤：**

1. **配置I/O端口：**将按键连接到单片机的I/O端口，并将其配置为输入模式。
2. **检测按键按下：**使用中断或轮询的方式检测按键按下事件。
3. **编写按键检测代码：**编写代码来处理按键按下事件，例如执行特定操作。

**代码示例：**

#define BUTTON_PIN 2

void main() {
    // 配置按键引脚为输入模式，并启用上拉电阻
    DDRD &= ~(1 << BUTTON_PIN);
    PORTD |= (1 << BUTTON_PIN);

    // 启用外部中断0
    EIMSK |= (1 << INT0);
    EICRA |= (1 << ISC00);

    sei();  // 启用全局中断

    while (1) {
        // 在中断服务程序中处理按键按下事件
    }
}

ISR(INT0_vect) {
    // 按键按下，执行操作
}

**代码逻辑分析：**

* 将按键连接到引脚2，并将其配置为输入模式，并启用上拉电阻。
* 启用外部中断0，并设置中断触发方式为下降沿触发。
* 在中断服务程序中处理按键按下事件，例如执行特定操作。

### 4.3 液晶显示器（LCD）控制

**目标：**使用AVR单片机控制液晶显示器（LCD）。

**步骤：**

1. **连接LCD：**将LCD连接到单片机的I/O端口。
2. **初始化LCD：**发送初始化指令到LCD，设置显示模式、字符集等。
3. **写入数据：**发送数据指令到LCD，显示特定字符或字符串。

**代码示例：**

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

void lcd_init() {
    // 发送初始化指令
    LCD_DATA_PORT = 0x38;  // 8位数据模式，2行显示
    _delay_ms(1);
    LCD_DATA_PORT = 0x0C;  // 显示开，光标关
    _delay_ms(1);
    LCD_DATA_PORT = 0x06;  // 光标向右移动
    _delay_ms(1);
    LCD_DATA_PORT = 0x01;  // 清屏
    _delay_ms(1);
}

void lcd_write_char(char c) {
    // 发送数据指令
    LCD_DATA_PORT = c;
    _delay_ms(1);
}

void lcd_write_string(char *str) {
    while (*str) {
        lcd_write_char(*str);
        str++;
    }
}

void main() {
    lcd_init();
    lcd_write_string("Hello, world!");
}

**代码逻辑分析：**

* 包含必要的头文件。
* 定义LCD初始化、写入字符和写入字符串的函数。
* 在主函数中，初始化LCD并显示"Hello, world!"字符串。

# 5. SPI、I2C）

### UART（通用异步收发传输器）

UART是一种串行通信接口，用于在两台设备之间传输数据。它使用两条线，一条用于发送数据（TX），另一条用于接收数据（RX）。UART通信的优点是简单易用，并且可以实现长距离通信。

**参数说明：**

* 波特率：数据传输速率，单位为比特/秒。
* 数据位：每个字符中传输的数据位数，通常为8位。
* 停止位：数据传输结束后发送的停止位数，通常为1位或2位。
* 奇偶校验：一种错误检测机制，可以检测数据传输中的错误。

**代码示例：**

#include <avr/io.h>

// 初始化UART
void uart_init(unsigned long baud) {
  // 设置波特率
  UBRR0H = (unsigned char)(baud >> 8);
  UBRR0L = (unsigned char)baud;

  // 设置数据位、停止位和奇偶校验
  UCSR0C = (1 << UCSZ01) | (1 << UCSZ00);  // 8位数据位
  UCSR0C |= (1 << USBS0);  // 1位停止位
  UCSR0C |= (1 << UPM01);  // 无奇偶校验
}

// 发送一个字符
void uart_putc(char c) {
  // 等待发送缓冲区为空
  while (!(UCSR0A & (1 << UDRE0)));

  // 发送字符
  UDR0 = c;
}

// 接收一个字符
char uart_getc() {
  // 等待接收缓冲区有数据
  while (!(UCSR0A & (1 << RXC0)));

  // 返回接收到的字符
  return UDR0;
}

### SPI（串行外设接口）

SPI是一种高速串行通信接口，用于连接微控制器和外围设备。它使用四条线，一条用于发送数据（MOSI），一条用于接收数据（MISO），一条用于时钟（SCK），还有一条用于片选（CS）。SPI通信的优点是速度快，并且可以连接多个外围设备。

**参数说明：**

* 时钟频率：SPI通信的时钟频率，单位为赫兹。
* 数据位：每个字符中传输的数据位数，通常为8位或16位。
* 模式：SPI通信的模式，包括时钟极性和时钟相位。

**代码示例：**

#include <avr/io.h>

// 初始化SPI
void spi_init(unsigned long clock_freq) {
  // 设置时钟频率
  SPCR |= (1 << SPR0) | (1 << SPR1);  // 分频64

  // 设置数据位数
  SPCR |= (1 << DORD);  // MSB first

  // 设置模式
  SPCR |= (1 << CPHA) | (1 << CPOL);  // 模式0

  // 启用SPI
  SPCR |= (1 << SPE);
}

// 发送一个字节
void spi_putc(char c) {
  // 等待发送缓冲区为空
  while (!(SPSR & (1 << SPIF)));

  // 发送字节
  SPDR = c;
}

// 接收一个字节
char spi_getc() {
  // 等待接收缓冲区有数据
  while (!(SPSR & (1 << SPIF)));

  // 返回接收到的字节
  return SPDR;
}

### I2C（两线接口）

I2C是一种低速串行通信接口，用于连接微控制器和外围设备。它使用两条线，一条用于数据传输（SDA），另一条用于时钟（SCL）。I2C通信的优点是简单易用，并且可以连接多个外围设备。

**参数说明：**

* 时钟频率：I2C通信的时钟频率，单位为赫兹。
* 地址：每个I2C设备的唯一地址。

**代码示例：**

#include <avr/io.h>

// 初始化I2C
void i2c_init(unsigned long clock_freq) {
  // 设置时钟频率
  TWSR = 0;  // 分频4
  TWBR = (unsigned char)((F_CPU / clock_freq) - 16) / 2;

  // 启用I2C
  TWCR |= (1 << TWEN);
}

// 发送一个字节
void i2c_putc(char c) {
  // 等待总线空闲
  while (TWCR & (1 << TWINT));

  // 发送起始信号
  TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWSTA);

  // 等待起始信号发送完成
  while (!(TWCR & (1 << TWINT)));

  // 发送设备地址
  TWDR = (0x50 << 1);  // 写入地址

  // 等待地址发送完成
  while (!(TWCR & (1 << TWINT)));

  // 发送数据
  TWDR = c;

  // 等待数据发送完成
  while (!(TWCR & (1 << TWINT)));

  // 发送停止信号
  TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWSTO);
}

// 接收一个字节
char i2c_getc() {
  // 等待总线空闲
  while (TWCR & (1 << TWINT));

  // 发送起始信号
  TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWSTA);

  // 等待起始信号发送完成
  while (!(TWCR & (1 << TWINT)));

  // 发送设备地址
  TWDR = (0x50 << 1) | 1;  // 读入地址

  // 等待地址发送完成
  while (!(TWCR & (1 << TWINT)));

  // 发送重复起始信号
  TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWSTA);

  // 等待重复起始信号发送完成
  while (!(TWCR & (1 << TWINT)));

  // 发送读命令
  TWDR = 0;

  // 等待读命令发送完成
  while (!(TWCR & (1 << TWINT)));

  // 接收数据
  TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEA);

  // 等待数据接收完成
  while (!(TWCR & (1 << TWINT)));

  // 发送停止信号
  TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWSTO);

  // 返回接收到的数据
  return TWDR;
}