毕业设计论文基于s3c2440简易学习开发板的设计与制作.doc

2011届毕业设计任务书一、课题名称：基于s3c2440简易学习开发板的设计与制作二、指导教师：粟慧龙三、设计内容与要求(小四、宋体)1. 课题概述 (五号、宋体)s3c2440简易学习开发板以三星公司S3C2440A处理器为核心，集常用硬件资源和下载接口，可以用于ARM嵌入式学习入门和开发，同时结合Linux嵌入式系统实现嵌入式的综合开发设计。2. 设计内容与要求1）主要功能能完成ARM嵌入式的基本设计与开发功能能完成ARM嵌入式学习与开发功能2）开发板主要资源核心板：Ø S3C2440A处理器，主频400MHz，可倍频至533MHz； Ø 64M字节SDRAM，可扩展到256M ； Ø 4M NOR Flash； Ø 256M字节NAND Flash； Ø 12MHz系统外部时钟源；32.768KHz的RTC时钟源； Ø 支持3.3V或5V电压供电； 扩展板：Ø 2个RS232接口； Ø 1个100M网口，采用DM9000AE，带联接和传输指示灯； Ø 内部实时时钟，带有后被锂电池接口； Ø 1个15X2的插针扩展口，包括两路spi 、1路IIC 、 4路AD 、1个GND 、1个3.3V电源 、 14个IO（包中断6个）。 Ø JTAG调试接口，可进行下载、程序仿真调试； Ø 一个温度传感器接口（提供测试程序及接口，用户可DIY）； Ø 一个红外接收头接口（提供测试程序和接口，用户可DIY）； Ø 一片IIC接口的eeprom； Ø 8位薄码开关； Ø 4*4矩阵按键； Ø 8个LED； Ø 1个PWM控制蜂鸣器。3. 提供相关资料详细的实验例程四、设计参考资料1. s3c2440中文手册2. cadence软件操作手册3. 成都国嵌培训视频五、设计说明书内容1. 封面2. 目录3. 内容摘要(200400字左右，中英文)4. 引言5. 正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）6. 结束语7. 附录(参考文献、图纸、材料清单等)六、设计进程安排第1周：资料准备与借阅，了解课题思路。第2周：设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿。第3-5周：进行毕业设计，完成说明书初稿。第6周：第一次检查，了解设计完成情况。第7周：第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。第8周：毕业答辩与综合成绩评定。七、毕业设计答辩及论文要求1、毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2、毕业设计论文要求文字要求：说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求：按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）摘 要在学习单片机的过程中，通过做了一系列的实验，从而比较容易地领会了单片机哪些枯燥、难懂的专业术语，而且此次设计的单片机开发板弥补了市场上常见的单片机实验板的一些不足，有针对性地面向最终的实用控制功能，使整个开发板分解成若干个小模块，并且每个模块引出了一些引脚，这样使用者就可以根据自己的需要连接自己的电路，增加了开发板的灵活性。本单片机开发板包括：单片机最小系统、串口、两个四位一体数码管显示电路、4*4矩阵键盘、八个LED灯、IIC电路模块、温度传感器模块、蜂鸣器电路、红外接收电路、下载电路等功能模块。通过以上的功能模块可以完成基本的单片机学习实验。关键字：单片机开发板、模块、功能、实验ABSTRACTIn the study of single chip process, through a series of experiments, easily and grasp the single chip microcomputer to what the boring and difficult professional term, and the design of the single chip microcomputer development board to make up for the market of the common SCM experiment board some shortage, have pointed to the final practical control function, make whole development board is divided into several small module, and each module raising some pin, so that users can need according to oneself connection own circuit, increase the flexibility of the development board. The single-chip microcomputer development board including: single chip minimize system, serial ports, two quaternity digital tube display circuit, 4 * 4 matrix keyboard, eight LED lamp, IIC circuit module, the temperature sensor module, a buzzer circuit, infrared receiving circuit, download circuit function module. Through the above function module can complete basic single-chip learning experiments. Key word: SCM development board, modules, functions, the experiment目录摘 要9ABSTRACT10目录11绪 论12第一章 方案论证和选择131.1 单片机的选用131.2 时钟芯片的选用131.3 温度传感器的选用131.4 红外接收头的选用11.5 蜂鸣器驱动方式的选用11.6 方案确定1第二章 开发板硬件设计22.1 硬件设计方框图22.2 AT89S51单片机模块32.3 DS18B20温度传感器72.4 IIC总线接口102.5 PWM控制蜂鸣器142.6 RS232接口162.7 红外接收头接口192.8 4*4矩阵按键202.9 八个LED21第三章 开发板软件设计22第四章 开发板电路制作、调试分析264.1 电路的制作264.2 电路的调试26第五章 设计心得27第六章 开发板设计的参考资料29致谢30附录31附录一31附录二32附录三33绪 论单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 在计算机出现以前，有不少能工巧匠做出了不少精巧的机械。 进入电器时代后，人们借助电气技术实现了自动控制机械，自动生 产线甚至自动工厂，并且大大地发展了控制理论。然而，在一些大 中型系统中自动化结果均不理想。只有在计算机出现后，人们才见 到了希望的曙光。如今借助计算机逐渐实现了人类的梦想。但是，计算机出现后的相当长的时间里，计算机作为科学武器，在科学的 神圣殿堂里默默地工作，而工业现场的测控领域并没有得到真正的 应用。只有在单片机（Microcontroller)出现后，计算机才真正 地从科学的神圣殿堂走入寻常百姓家，成为广大工程技术人员现代 化技术革新，技术革命的有利武器。目前，单片机在民用和工业测 控领域得到最广泛的应用。彩电，冰箱，空调，录像机，VCD，遥 控器，游戏机，电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地溶入我们每个人的生活之中。第1章 方案论证和选择根据设计要求，结合设计情况和设计成本，对系统主要部分的电路方案的叙述如下。1.1 单片机的选用方案一：选用AT89S52单片机，AT89S52单片机是一种低功耗，高性能的CMOS微处理器，片内有8K字节的存储空间，128字节RAM、4个8位并口、一个全双工串行口、2个16位定时/计数器，寻址范围64K。并且可以在线进行重复编程、快速擦除、快速写入程序，能重复擦除/写入1000次左右，数据保存时间为10年。方案二：选用AT89S51单片机，AT89S51单片机片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。综上所述，在本设计中，考虑到本人对单片机的运用熟练程度和单片机的功能领域，选择ATMEL公司生产的AT89S51单片机作为本设计的微控制器。1.2 时钟芯片的选用方案一：DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压在2.5V-5.5V。微功耗、外围电路简单、精度高、工作稳定可靠等优点。方案二： DS12887是DALLAS公司生产的实时日历时钟芯片，其主要功能包括非易失性时日历时钟、报警器、百年历和114字节的非易失静态RAM，内部还有128字节的RAM的单元，但是由于它是串行接口，外界单片机需要接许多引脚，才能达到很好的控制。综上所述，在本设计中，结合实际问题及其单片机的I/O线，选用DS1302，控制方便，体积小，价格便宜，方便本设计的使用。1.3 温度传感器的选用方案一：温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，精度可达土0.5摄氏度，测量温度范围为55°C +125°C (67°F +257°F) ，体积小，价格便宜等特点。方案二：采用红热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范文，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。而且适用热敏电阻，需要用到十分复杂的算法，一定程度上增加了了软件实现的难度。综上所述，在本设计中，考虑到本人对DS18B20运用熟练程度，选择DS18B20的温度传感器。1.4 红外接收头的选用方案一：采用红外对管进行数据传输，红外对管是红外线发射管与关敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用的时候的总称。人们习惯把红外线发射管和红外线接收管称为红外对管。红外对管的外形与普通圆形的发光二极管类似。因此，初接触红外对管者，较难区分发射管和接收管。方案二：红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中，成为一体化红外接收头。内部电路包括外测二极管，放大器，限副器，带通滤波器，积分电路，比较器等。红外接收头的种类很多，引脚定义也不同，一般都有三个引脚，包括供电脚，接地和信号输出脚。根据发射端调制载波的不同应选用相应解调频率的接收头。综上所述，在本设计中，结合实际问题，我们选用方案二红外接收头。1.5 蜂鸣器驱动方式的选用方案一：采用PWM 输出口直接驱动，PWM 输出口直接驱动是利用PWM 输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。在单片机的软件设置中有几个系统寄存器是用来设置PWM 口的输出的，可以设置占空比、周期等等，通过设置这些寄存器产生符合蜂鸣器要求的频率的波形之后，只要打开PWM 输出，PWM 输出口就能输出该频率的方波，这个时候利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了。比如频率为2000Hz 的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为500s，这样只需要把PWM 的周期设置为500s，占空比电平设置为250s，就能产生一个频率为2000Hz 的方波，通过这个方波再利用三极管就可以去驱动这个蜂鸣器了。方案二：采用I/O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。利用I/O 定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。比如为2500Hz 的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为400s，这样只需要驱动蜂鸣器的I/O 口每200s 翻转一次电平就可以产生一个频率为2500Hz，占空比为1/2duty 的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。综上所述，在本设计中，考虑到本人对单片机的熟悉和联系本设计的要求，我们选择了较简单的方案一，PWM控制蜂鸣器。1.6 方案确定综合上面方案：本设计采用“AT89S51单片机、DS18B20温度传感器、红外接收头接口、PWM控制蜂鸣器等”。第2章 开发板硬件设计2.1 硬件设计方框图AT89S51单片机最小系统数码管显示模块DS1302时钟模块按键模块IIC电路红外接收头电路LED电路串口电路PWM控制蜂鸣器电路图2.1 硬件设计方框图2.2 AT89S51单片机模块AT89S51 为 ATMEL 所生产的可电气烧录清洗的 8051 相容单芯片，其内部程序代码容量为4KB，低功耗，高性能的单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。ATMEL公司的功能强大，低价位。AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，如图2-1。2.2.1 主要性能参数1. 与MCS-51产品指令系统完全兼容2. 4K字节在系统编程（ISP）Flash 闪速存储器3.1000次擦写周期4. 4.0-5.5V的工作电压范围5. 全静态工作模式：0HZ-33MHZ6. 三级程序加密锁7. 128*8字节内部RAM8. 32个可编程I/O口线9. 2个16位定时/计数器10 6个中断源11 全双工串行UART通道12 低功耗空闲和掉电模式13 中断可从空闲模式唤醒系统14 看门狗（WDT）及双数据指针15 掉电标示和快速编程特性16 灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式） 图2.2 AT89S51单片机引脚图和实物图2.2.2 功能特性概述以及引脚功能AT89S51提供以下标准功能：4K字节闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中到内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一个硬件复位。引脚功能说明：MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片Vcc:电源电压GND:地(1) P0.0P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的3932号端子）。 (2) P1.0P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的18号端子）。 (3) P2.0P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的2128号端子）。 (4) P3.0P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的1017号端子）。 (5) 这4个I/O口具有不完全相同的功能P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.1所示：表2.1 单片机P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6/WR(外部数据存储器写选通)P3.7/R0(外部数据存储器读选通)RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE/PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址所存允许）输出脉冲用于所存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会所存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压VPP。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.2.3 单片机中断AT89S51共有5个中断向量：2个外部中断（INT0和INT1），两个定时中断（Timer0和Timer1）和一个串行中断。这些中断源各自的禁止和使能位参见特殊功能寄存器的IE。IE也包含总中断控制位EA，EA清0，将关闭所有中断。值得注意的是表中的IE.6和IE.5没有定义，用户也不要访问这些位，它是保留为以后的AT89产品作扩展用途。定时器0和定时器1的中断标志TF0和TF1，它是定时器溢出时的S5P2时序周期被置位，该标志保留至下个时序周期。表2.2 中断控制寄存器DS1302的日历、时间寄存器及其控制字寄存器名命令字取值范围各位内容写操作读操作76543210秒寄存器80H81H00-59CH10SECSEC分钟寄存器82H83H00-59010MINMIN小时寄存器84H85H01-12或00-231224010/APHRHR日期寄存器86H87H0-28，29，30，310010DATEDATE月份寄存器88H89H011200010MMONTH周年寄存器8AH8BH010700000DAY年份寄存器8CH8DH00-9910 YEARYEAR2.3 DS18B20温度传感器DS18B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度，信息经过单线接口送人DS18B20或从DS18B20送出，因此从主机到DS18B20仅需一条线（和地线）。DS18B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个DS18B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DS18B20可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DS18B20的测量范围从-55到+125，增量值为0.5，可在1s（典型值）内把温度变换成数字。每一个DS18B20包括一个唯一的64位长的序号，该序号值存放在DS18B20内部的ROM（只读存贮器）中。开始8位是产品类型编码（DS18B20编码均为10H）。接着的48位是每个器件唯一的序号。最后8位是前面56位的CRC（循环冗余校验）码。DS18B20都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长；采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。2.3.1 DS18B20的特性·单线接口：仅需一根口线与MCU连接·无需外围元件·由总线提供电源·测温范围为-55125，精度为0.5·九位温度读数·A/D变换时间为200ms·用户自设定温度报警上下限，其值是非易失性的·报警搜索命令可识别哪片DS1820超温度限2.3.2 DS18B20引脚及功能DS18B20引脚如下图：图2.3.2 DS18B20芯片封装结构DS18B20引脚功能如下表：表2.3 DS18B20引脚功能序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。2.3.3 DS18B20工作原理及应用DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：ROM 只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM。RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。2.3.4 DS18B20工作流程DS18B20工作流程图如下：初始化跳到ROM命令温度转换命令时间到初始化读温度数据是否匹配ROM命令发读温度命令图2.3.4 DS18B20工作流程2.3.5电路连接图温度传感器原理如下图：图2.3.5 温度传感器原理图2.4 IIC总线接口I2C（Inter-Integrated Circuit,又称IIC）总线是一种由PHILIPS公司开发的串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，它具有如下特点。1.只有两条总线线路：一条串行数据线（SDA），一条串行时钟线（SCL）。 2.每个连接到总线的器件都可以使用软件根据它的惟一的地址来识别。3.传输数据的设备间是简单的主/从关系。4.主机可以用作主机发送器或主机接收器。5.它是一个真正的多主机总线，两个或多个主机同时发起数据传输时，可以通过冲突检测和仲裁来防止数据被破坏。6.串行的8位双向数据传输，位速率在标准模式下可达100kbit/s，在快速模式下可达400 kbit/s，在高速模式下可达3.4M bit/s。7.片上的滤波器可以增加抗干扰功能，保证数据的完整。8.连接到同一总线上的IC数量只受到总线的最大电容400pf的限制。下图是一条IIC总线上多个设备相连的例子。SDASCLIIC设备1IIC设备2.。IIC设备n图2.4 IIC总线设备互连2.4.1 IIC总线接口特性传统的单片机串行接口的发送和接收一般都分别各用一条线，如MCS-51系列的TXD 和RXD，而I2C 总线则根据器件的功能通过软件程序使其工作于发送或接收方式。当某个器件向总线上发送信息时，它就是发送器（也叫主器件），而当其从总线上接收信息时，又成为接收器（也叫从器件）。主器件用于启动总线上传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。I2C 总线的控制完全由挂在总线上的主器件送出的地址和数据决定，在总线上，既没有中心机也没有优先级。总线上主和从（即发送和接收）的关系取决于此时数据传送的方向。SDA 和SCL 都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到电源端。连接总线器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能，当总线空闲时，两根线都是高电平。I2C 总线上数据的传输速率在标准模式下可达100kbit/s 在快速模式下可达400kbit/s 在高速模式下可达3.4Mbit/s 连接到总线的接口数量只由总线电容是400pF 的限制决定。2.4.2 IIC总线的信号类型IIC总线在传送数据过程中共有3种类型信号：开始信号、结束信号和响应信号。开始信号（S）：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号（P）：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。响应信号（ACK）：接收器在接收到8位数据后，在第9个时钟周期，拉低SDA电平。开始和结束信号都是由主器件产生。在开始信号以后，总线即被认为处于忙状态，其它器件不能再产生开始信号。主器件在结束信号以后退出主器件角色，经过一段时间过，总线被认为是空闲的。图2.4.2 开始和停止信号图2.4.3 IIC总线的时钟信号在I2C 总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL 时钟线上的所有器件的逻辑“与”完成的。SCL 线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时钟信号变为低电平，将使SCL 线上所有器件开始并保护低电平期。此时，低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不影响SCL 线的状态，这些器件将进入高电平等待的状态。当所有器件的时钟信号都变为高电平时，低电平期结束，SCL 线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后，第一个结束高电平期的器件又将SCL 线拉成低电平。这样就在SCL 线上产生一个同步时钟。可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件决定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件决定。2.4.4 IIC数据格式IIC总线数据传输采用时钟脉冲逐位串行传送方式，在SCL的低电平期间，SDA线上高、低电平能变化。在SCL为的高电平期间，SDA上数据必须保持稳定，以便接收器采样接收，时序如下图图2.4.4 数据传输时序图IIC总线发送器送到SDA线上的每个字节必须为8位长，传送时高位在前，低位在后。与之对应，主器件在SCL线上产生8个脉冲，第9个脉冲低电平期间，发送器释放SDA线，接收器把SDA线拉低，以给出有一个接收确认位，第九个脉冲高电平期间，发送器收到这个确认位然后开始下一字节的传送，下一个字节的第一个脉冲低电平期间接收释放SDA。每个字节需要9个脉冲，每次传送的字节数是不受限制的。IIC总线的数据传送格式是在IIC总线开始信号后，送出的第一字节数据是用来选择从器件地址的，其中前7位为从机地址码，第8位为方向为（R/W）。方向位为“0”表示发送，即主器件把信息写到所选择的从器件中，方向位为“1”表示主器件将从从器件中读信息。格式如下：位数12345678内容1010A2A1A0R/W注：前4位固定为1010开始信号后，系统中得各个器件将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即被主器件寻址的器件，其接收信息还是发送信息则由第8位（R/W）决定。发送完第一个字节后再开始发送数据信号。数据传输必须带响应。相关的响应时钟脉冲由主机产生，当主器件发送完一字节的数据后，接着发出对应的SCL线上的一个时钟（ACK）认可位，此时钟内主器件释放SDA线，一字节传送结束，而从器件的响应信号将SDA线拉成低电平，使SDA在该时钟的高电平器件为稳定的低电平。从器件的响应信号结束后，SDA线返回高电平，进入下一个传送周期。通常被寻址的接收器在接收到的每个字节后必须产生一个响应。当从机不能响应从机地址时，从机必须使数据线保持高电平，主机然后产生一个停止条件终止传输或者产生重复起始条件开始新的传输。如果从机接收器响应了从机地址但是在传输了一段时间后不能接收更多数据字节，主机必须再一次终止传输。这个情况用从机在第一个字节后没有产生响应来表示。从机使数据线保持高电平，主机产生一个停止或重复起始条件。完整的数据传送过程如图所示。图2.4.5 完整的数据传送过程2.5 PWM控制蜂鸣器PWM(脉冲宽度调制)简单的讲是一种变频技术之一，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。如果还不是很清楚，好吧，来看看我们实际生活中的例子，我们的电风扇为什么扭一下按扭，风扇的转速就会发生变化；调一下收音机的声音按钮，声音的大小就会发生变化；还有待会儿我们要讲的蜂鸣器也会根据不同的输入值而发出不同频率的叫声等等！这些都是PWM的应用，都是通过PWM输出的频率信号进行控制的。2.5.1 蜂鸣器的种类和工作原理蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的区别：这个“源”字是不是指电源，而是指震荡源，即有源蜂鸣器内有振荡源而无源蜂鸣器内部没有振荡源。有振荡源的通电就可以发声，没有振荡源的需要脉冲信号驱动才能发声。2.6.2 蜂鸣器驱动设计及电路由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，很简单，这里就不对自激蜂鸣器进行说明了。这里只对必须用1/2duty 的方波信号进行驱动的他激蜂鸣器进行说明。单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种：一种是PWM 输出口直接驱动，另一种是利用I/O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。由于这里要介绍两种驱动方式的方法，所以在设计模块系统中将两种驱动方式做到一块，即程序里边不仅介绍了PWM 输出口驱动蜂鸣器的方法，还要介绍I/O 口驱动蜂鸣器的方法。所以，我们将设计如下的一个系统来说明单片机对蜂鸣器的驱动：系统有两个他激蜂鸣器，频率都为2000Hz，一个由I/O 口进行控制，另一个由PWM 输出口进行控制；系统还有两个按键，一个按键为PORT 按键，I/O 口控制的蜂鸣器不鸣叫时按一次按键I/O 口控制的蜂鸣器鸣叫，再按一次停止鸣叫，另一个按键为PWM 按键，PWM 口控制的蜂鸣器不鸣叫时按一次按键PWM输出口控制的蜂鸣器鸣叫，再按一次停止鸣叫。 由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。2.5.3 蜂鸣器工作原理蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱