【正文】 第 1 頁(yè) （共 30 頁(yè)） 基于 ATmega16 單片機(jī) 的 電子時(shí)鐘 設(shè)計(jì) 物理與電子工程學(xué)院 電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) （職教） 2020 級(jí) 羅德龍 指導(dǎo)教師 宋培森 摘 要： 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展電子時(shí)鐘在日常的生活中應(yīng)用的相當(dāng)?shù)亩唷１疚慕榻B了一款基于 ATmega16 單片機(jī)為主控芯片 的數(shù)字電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)。其中主要包括 ATmega16 單片機(jī) 、獨(dú)立鍵盤、 DS1302芯片、 LCD1602液晶顯示、以及相關(guān)外圍電路 并在 PROTUES 仿真平臺(tái)上運(yùn)行。 關(guān)鍵詞： ATmega16單片機(jī) ； DS1302芯片 ； 獨(dú)立鍵盤； LCD1602 Abstract： With the development of science and technology electronic clock in the daily life of the application is quite long. This paper introduces a single chip processor as the main control chip based on ATmega16 digital electronic clock design. Include ATmega16 microcontroller, independent keyboard, DS1302 chip LCD1602, liquid crystal display (LCD), and related peripheral circuit and in PROTUES simulation platform operation. Key words： ATmega16 microcontroller； DS1302 chip； Independent keyboard； LCD1602 1 前言 液晶 顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧 等許多 優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 本文中詳細(xì)介紹了基于ATmega16 單片機(jī)控制下的 162 液晶屏顯示設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)基于 ds1302 的時(shí)鐘電路方便實(shí)用，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。 2 AVR 單片機(jī) 介紹 AVR 單片機(jī)簡(jiǎn)介 AVR單片機(jī)是 1997年由 ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置 Flash的 RISC精簡(jiǎn)指 第 2 頁(yè) （共 30 頁(yè)） 令集高速 8位單片機(jī)。 AVR的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀表儀器、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 1997 年， 由 Atmel 公司挪威設(shè)計(jì)中心的 A先生和 V先生， 利用 Atmel 公司的 Flash 新技術(shù)，共同研發(fā)出 RISC 精簡(jiǎn)指令集高速 8位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱 AVR。 Atmega16 簡(jiǎn)介 ATmega16 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的 指令集 以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega16 的 數(shù)據(jù)吞吐率 高達(dá) 1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè) 時(shí)鐘周期 內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的 數(shù)據(jù)吞吐率 。 ATmega16 有如下特點(diǎn) :16K 字節(jié) 的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時(shí)讀寫的能力 )， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個(gè)通用 I/O 口線， 32 個(gè)通用工作寄存器，用于 邊界掃描 的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的 定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 (T/C),片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測(cè)器的通用 串行接口 ， 8 路 10 位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的 ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程 看門狗定時(shí)器 ，一個(gè) SPI 串行端口 ，以及六個(gè)可以通過(guò) 軟件 進(jìn)行選擇的省電模式。 ATmega16 產(chǎn)品特性 高性能、低功耗的 8位 AVR 微處理器 先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu) 131 條指令 大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期 32 個(gè) 8位通用工作寄存器 全靜態(tài)工作 第 3 頁(yè) （共 30 頁(yè)） 工作于 16MHz 時(shí)性能高達(dá) 16MIPS 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，擦寫壽命 : 10,000 次 具有獨(dú)立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū)，通過(guò)片上 Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時(shí)讀寫 操作 512 字節(jié)的 EEPROM，擦寫壽命 : 100,000 次 1K 字節(jié)的片內(nèi) SRAM 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密 JTAG 接口 ( 與 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)兼容 ) 符合 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能 通過(guò) JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì) Flash、 EEPROM、 熔絲位 和鎖定位的 編程 外設(shè)特點(diǎn) 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和 比較器 功能的 8位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 RTC 四通道 PWM 8 路 10位 ADC， 8 個(gè)單端通道， 2 個(gè)具有可編程增益（ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道 面向字節(jié)的兩線接口 兩個(gè)可編程的串行 USART 可工作于 主機(jī) / 從機(jī)模式的 SPI 串行接口 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程 看門狗定時(shí)器 片內(nèi)模擬比較器 特殊的處理器特點(diǎn) 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè) 第 4 頁(yè) （共 30 頁(yè)） 片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的 RC 振蕩器 片內(nèi) /片外 中斷源 6 種睡眠模式 : 空閑模式 、 ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、 Standby 模式以及擴(kuò)展的 Standby 模式 u I/O 和封裝 32 個(gè)可編程的 I/O 口 工作電壓 : ATmega16L： ATmega16： ATmega16 引腳功能 VCC 電源正 GND 電源地 端口 A (PA7..PA0)做為 A/D 轉(zhuǎn)換器 的模擬輸入端。端口 A 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具 ATmega引腳圖 有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使 系統(tǒng)時(shí)鐘 還未起振，端口 A 處于 高阻狀態(tài) 。 端口 B(PB7..PB0)為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使 系統(tǒng) 第 5 頁(yè) （共 30 頁(yè)） 時(shí)鐘 還未起振，端口 B 處于 高阻狀態(tài) 。端口 B 也可以用做其他不同的特殊功能 . 端口 C(PC7..PC0) 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使 系統(tǒng)時(shí)鐘 還未起振，端口 C 處于 高阻狀態(tài) 。如果 JTAG 接口 使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能 。 端口 D(PD7..PD0)為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性 ，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 D 處于 高阻狀態(tài) 。端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能 . RESET 復(fù)位輸入 引腳 。持續(xù)時(shí)間超過(guò)最小門限時(shí) 間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。 XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。 AVCC AVCC 是端口 A與 A/D轉(zhuǎn)換器 的電源。不使用 ADC 時(shí)，該 引 腳 應(yīng)直接與 VCC 連接。使用 ADC 時(shí)應(yīng)通過(guò)一個(gè)低通濾波器與 VCC 連接。 AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入 引腳 。 AVR 單片機(jī)的應(yīng)用區(qū)域 AVR 單片機(jī)應(yīng)用區(qū)域包括： 空調(diào)控制板 、 打印機(jī)控制板 、 智能電表 、 智能手電筒 、 LED 控制屏 和 醫(yī) 療設(shè)備 等領(lǐng)域。 3 162 液晶顯示屏介紹 162 液晶模塊是一種用 5x7點(diǎn)陣圖形來(lái)顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為 1 行 16 個(gè)字、 2 行 16 個(gè)字等 。 第 6 頁(yè) （共 30 頁(yè)） 162 液晶屏顯示屏的引腳定義 首先，我們來(lái)看 162 的引腳定義， 162 的引腳是很整齊的 SIP 單列直插封裝。表 1是液晶屏的引腳定義。 表 1 接口信號(hào)說(shuō)明表 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 1 VSS 電源地 9 D2 Data 1/0 2 VDD 電源正極 10 D3 Data 1/0 3 VEE 液晶顯示偏壓信號(hào) 11 D4 Data 1/0 4 RS 數(shù)據(jù)命令 /選擇端 (H/L) 12 D5 Data 1/0 5 R/W 讀 /寫信號(hào) (H/L) 13 D6 Data 1/0 6 E 使能信號(hào) 14 D7 Data 1/0 7 D0 Data 1/0 15 LEDA 背光源正極 8 D1 Data 1/0 16 LEDK 背光源 該液晶屏 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16腳接口 ，我們只需要關(guān)注一下幾個(gè)管腳 : 1 腳： VSS 為地電源 。 2 腳： VDD 接 5V 正電源 。 3 腳 :VEE,液晶屏顯示偏壓信號(hào)，用于調(diào)整液晶屏的顯 示對(duì)比度，一般會(huì)外界電位器用以調(diào)整偏壓信號(hào)， 接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn) 生 “ 陰 影 ” ，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè) 10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。 4 腳 :RS，數(shù)據(jù) /命令選擇端，即對(duì) 寄存器 進(jìn)行 選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器 。 5 腳 :R/W,讀寫選擇端， 高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作 。 6 腳 :E，使能信號(hào)，其實(shí)時(shí) 162的逐句控制時(shí)鐘信號(hào)，利用該信號(hào)的上升沿實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶屏的數(shù)據(jù)傳輸。 7~14 腳 :8 位雙向數(shù)據(jù)線。 15 腳：背光陽(yáng)極。 16 腳：背光陰極。 第 7 頁(yè) （共 30 頁(yè)） 162 液晶顯示屏的指令說(shuō)明 162 液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過(guò)指令編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。（說(shuō)明： 1 為高電平、 0 為低電平） 。 162 液晶屏內(nèi)部模塊共有 11 條控制指令，如表 2所示。 表 2 控制命令表 序號(hào) 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光標(biāo)返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 輸入方式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 顯示開關(guān) 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 功能設(shè)置 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 CGRAM地址設(shè)置 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0 8 DDRAM地址設(shè)置 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 9 忙標(biāo)志 /讀地址計(jì)數(shù)器 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 10 CGRAM/DDRAM數(shù)據(jù)寫 1 0 寫數(shù)據(jù) 11 CGRAM/DDRAM數(shù)據(jù)讀 1 1 讀數(shù)據(jù) 指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標(biāo)復(fù)位到地址 00H位置 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H 指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移 S: 屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無(wú)效 指令 4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無(wú)光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃