第2讲AVR单片机输入输出口

单片机内部结构

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AVR单片机结构框图

MEGA16通用I/O 接口基本结构与应用

ATmega16 芯片有PORTA、PORTB、PORTC、PORTD（简称PA、PB、PC、PD）4 组8 位，共32 路通用I/O 接口，分别对应于芯片上32 根I/O 引脚。所有这些I/O 口都是双（有的为3）功能复用的。其中第一功能均作为数字通用I/O 接口使用，而复用功能则分别用于中断、时钟/计数器、USART、I2C 和SPI 串行通信、模拟比较、捕捉等应用。

图6-1 为通用I/O 口的基本结构示意图。从图中可以看出，每组I/O 口配备三个8 位寄存器，它们分别是方向控制寄存器DDRx，数据寄存器PORTx，和输入引脚寄存器PINx（x=A\\B\\C\\D）。I/O 口的工作方式和表现特征由这3 个I/O 口寄存器控制。

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方向控制寄存器DDRx 用于控制I/O 口的输入输出方向，即控制I/O 口的工作方式为输出方式还是输入方式。

当DDRx=1 时，I/O 口处于输出工作方式。此时数据寄存器PORTx 中的数据通过一个推挽电路输出到外部引脚。AVR 的输出采用推挽电路提高了I/O 口的输出能力，当PORTx=1 时，I/O 引脚呈现高电平，同时可提供输出20mA 的电流；而当PORTx=0 时，I/O 引脚呈现低电平，同时可吸纳20mA 电流。因此，AVR 的I/O 在输出方式下提供了比较大的驱动能力，可以直接倾动LED 等小功率外围器件。

当DDRx=0 时，I/O 处于输入工作方式。此时引脚寄存器PINx 中的数据就是外部引脚的实际电平，通过读I/O 指令可将物理引脚的真实数据读入MCU。此外，当I/O 口定义为输入时（DDRx=0），通过PORTx 的控制，可使用或不使用内部的上拉电阻。

表中的PUD 为寄存器SFIOR 中的一位，它的作用相当AVR 全部I/O 口内部上拉电阻的总开关。当PUD=1 时，AVR 所有I/O 内部上拉电阻都不起作用（内部不上拉）；而PUD=0 时，各个I/O 口内部上拉电阻取决于DDRXn 的设置。

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I/O口使用小结

1） 使用AVR 的I/O 口，首先要正确设置其工作方式，确定其工作在输入方式还是输入方式。 2） 当I/O 工作在输入方式，要读取外部引脚上的电平时，应读取PINxn 的值，而不是PORTxn 的值。

3） 当I/O 工作在输入方式，要根据实际情况使用或不使用内部的上拉电阻。 4） 一旦将I/O 口的工作方式由输出设置成输入方式后，必须等待一个时钟周期后才能正确的读到外部引脚PINxn 的值。

例6.1 简易彩灯控制系统 1) 硬件电路设计：

发光二极管一般为砷化镓半导体二极管，其电路入图6-5所示。当电压U1 大于U2 约1V 以上时，二极管导通发光。当导通电流大于5mA 时，人的眼睛就可以明显地观察到二极管的发光，导通电流越大，亮度越高。一般导通电流不要超过10mA，否则将导致二极管的烧毁或I/O 引脚的烧毁。因此在LED 二极 管电路中要串接一个限流电阻，阻值在100～500Ω之间，调节阻值的大小可以控制发光二极管的发光亮度。导通电流与限流电阻之间的关系由下面的计算公式确定：

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式中，Vled 为LED 的导通电压。

由于AVR 的I/O 口输出“0”时，可以吸收最大40mA 的电流，因此采用控制发光二极管

负极的设计比较好。8 个LED 发光二极管控制系统的硬件电路见图6-6。

2) 软件设计

ATmega16 的PA 口工作在输出方式下，8 个引脚分别控制8 个发光二极管。 当I/O 口输出“0”时LED 导通发光，输出“1”时LED 截止熄灭。 下面给出一个简单的控制程序，其完成的功能是8 个LED 逐一循环发光1 秒，构成“走马灯”

#include

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#include void main(void) {

char position = 0; // position 为控制位的位置 PORTA=0xFF; // PA 口输出全1，LED 全灭 DDRA=0xFF; // PA 口工作为输出方式 while (1) {

PORTA = ~(1<if (++position >= 8) position = 0; delay_ms(1000); }; }

例6.2 控制恒温箱的加热的硬件电路设计恒温箱的加热源采用500W 电炉，电炉的工作电压220v，电流2.3A。选用HG4200 继电器，开关负载能力为5A/AC220V，继电器吸合线圈的工作电压5v，功耗0.36W，计算得吸合电流 为0.36/5 = 72mA。设计控制电路如图6-8。I/O引脚输出“1”时，三极管导通，继电器吸合，电炉开始加热。I/O 引脚输出“0”时，三极管截止，继电器释放，加热停止。

练习1：8 个LED 逐一点亮0.5s，左移循环2 轮（16 次）控制初值=&B11111110 练习2：8 个LED 逐一点亮0.5s，右移循环2 轮（16 次）控制初值=&B01111111 练习3：8 个LED 随机点亮，每次0.5s，共16 次，控制值=随机数

练习4：8 个LED 间隔点亮0.5s，明暗交替16 次，控制初值=&B10101010

练习5：8 个LED依次点亮1s，第一次亮一个，第二次亮两个，……，第八次亮八个，反复进行

提示：：在CVAVR 中，提供int rand (void)和void srand(int seed)函数，请参考CVAVR 手册，尝试使用这两个函数

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