【文章內(nèi)容簡介】 ，考慮到電路的簡單和成本等因素，選用 ATMEL 公司的 ATmega64單片機作為處理器，它內(nèi)含 64K 字節(jié)的系統(tǒng)可編程 Flash，其編程和擦除完全用電實現(xiàn)；其外部晶振為 20M，也就是做為時鐘頻率；并且價格低廉，運行速度快。用 ATmega64，加上相應的時鐘和復位電路就組成了最小系統(tǒng)，采用外接鍵盤操作控制輸出三角波、正弦波、方波等波形，同時也可以用鍵盤方便的調(diào)整頻率的變化，并且還可以將頻率和波形顯示到 TG12864 液晶顯示屏上。 ATmega64 單片機用來實行某一波形發(fā)生程序，向由R2R 網(wǎng)絡制作 成的 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸入端發(fā)送數(shù)據(jù)，然后從 D/A 輸出端輸出一個小階梯的波形，正弦波通過低通濾波器濾波得到平滑的波形。同時使用 AVR 自帶的 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集從控制電壓輸出幅度的滑動變阻器出來的電壓值并顯示在液晶上。從結(jié)構(gòu)上來看，單片機函數(shù)發(fā)生器主要由單片機結(jié)構(gòu)的計算機系統(tǒng)和各種功能接口組成。本設計桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告 第 4 頁 共 43 頁 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖 圖 硬件設計的結(jié)構(gòu)框圖 單片機 ATmega64 的簡介 ATmega64 是 ATMEL公司生產(chǎn)的價格 便宜、資源豐富、功能強大的 AVR單片機。該單片機具有 64K 的系統(tǒng)內(nèi)可編程 FLASH、 2K 的 EEPROM， 4K 字節(jié) SRAW，擦寫可達 10 萬次，可以用來存儲狀態(tài)信息， 4 個定時器 /計數(shù)器，可用來設置溢出中斷、 53 個 IO 引腳，具有較大的電流驅(qū)動能力，可以直接驅(qū)動液晶顯示器和數(shù)碼管而省去驅(qū)動電路、面向字節(jié)的 TWI 串行接口，可以外掛其它設備節(jié)省 IO 口、 2 個可編程串行 USART接口支持全雙工通用同步 /異步串行通信、 8 通道 10 位 A/D 通道， 具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個 SPI 串行端口，與 標準 兼容的，可用于訪問片上調(diào)試系統(tǒng)及編程的 JTAG 接口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式的 CPU 停止工作， AVR 單片機 液晶顯示 4 4 矩陣鍵盤 R2R網(wǎng)絡 運放 方波 低通濾波器 運放 正弦波 運放 三角波 PE0(RXD0/PDI)2PE1(TXD0/PDO)3PE2(XCK0/AIN0)4PE3(OC3A/AIN1)5PE4(OC3B/INI4)6PE5(OC3C/INT5)7PE6(T3/INT6)8PE7(IC3/INT7)9PB0(SS)10PB1(SCK)11PB2(MOSI)12PB3(MISO)13PB4(OC0)14PB5(OC1A)15PB6(OC1B)16PB7(OC2/OC1C)17PD0(SCL/INT0)25PD1(SDA/INT1)26PD2(RXD1/INT2)27PD3(TXD/INT3)28PD4(IC1)29PD5(XCK1)30PD6(T1)31PD7(T2)32TOSC2/PG318TOSC1/1PG419PG0(WR)33PG1(RD)34PG2(ALE)43PA0(AD0)51PA1(AD1)50PA2(AD2)49PA3(AD3)48PA4(AD4)47PA5(AD5)46PA6(AD6)45PA7(AD7)44PC0(A8)35PC1(A9)36PC2(A10)37PC3(A11)38PC4(A12)39PC5(A13)40PC6(A14)41PC7(A15)42PF0(ADC0)61PF1(ADC1)60PF2(ADC2)59PF3(ADC3)58PF4(ADC4/TCK)57PF5(ADC5/TMS)56PF6(ADC6/TDO)55PF7(ADC7/TDI)54PEN1RESET20XTAL223XTAL124VCC21VCC52AVCC64AREF62GND22GND53GND63圖 Atmega64 的管腳圖 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告 第 5 頁 共 43 頁 而 SRAW、 T/C、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作； 掉電模式時晶體振蕩器停 止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時終止 CPU 和除了異步定時器與 ADC 以外所有 I/O 模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲； Standly 模式下只有晶振或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動的能力；擴展 Standly 模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。 Atmega64 引腳介紹 VCC 數(shù)字電路的電源 GND 地 A（ PA7… PA0） 端口 A 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電 路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 A 處于高阻狀態(tài)。端口 A 也可以用做其他不同的特殊功能。 B（ PB7… PB0） 端口 B 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稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，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。 C（ PC7… PC0） 端口 C 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稱的驅(qū)動特性，可 以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 C 處于高阻狀態(tài)。端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能。 D（ PD7… PD0） 端口 D 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稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，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。 E（ PE7… PE0） 端口 E 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稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 E 處于高阻狀態(tài)。端口 E 也可以用做其他不同的特殊功能。 F（ PF7… PF0） 端口 F 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稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 D 處于高阻狀態(tài)。如果 JTAG 接口使能，即使復位出現(xiàn)引腳 PC7（ TDI）、 PC5（ TMS）桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告 第 6 頁 共 43 頁 與 PC4（ TCK）的上拉電阻被激活。除去移出數(shù)據(jù)的 TAP 態(tài)外， TD0 引腳為高阻態(tài)。 端口 F 也是 JTAG 接口。 G（ PG7… PG0） 端口 G 為 5 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稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 G 處于高阻狀態(tài)。 端口 G 也可以用做其他不同的特殊功能。 RESET 復位輸入引腳。持續(xù)時 間超過最小門限時間的低電平引起系統(tǒng)復位。 XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。 XTAL2 反向振蕩放大器輸出端。 AVCC AVCC 是端口 F 與 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源。不使用 ADC 時該引腳應該直接與 VCC 鏈接。使用 ADC 時應通過一個低通濾波器與 VCC 連接。 AREF A/D 模擬基準輸入引腳 PEN SPI 串行編程模式的編程使能引腳。在上電復位時保持引腳為低，芯片進入 SPI 串行編程模式，在正常工作時 PEN 無效。 Atmega64I/O 特性分析 （ 1）分析 IO 引腳 Pxn。 DDRxn 只有為 1 時，可控單向開關(guān)才工作， PORTxn 的數(shù)值才能通過可控單向開關(guān)送到 Pxn。 結(jié)論： DDRxn=1 時，為輸出狀態(tài)。輸出值等于 PORTxn。所以 DDRxn 為方向寄存器。圖 IO 口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告 第 7 頁 共 43 頁 PORTxn 為數(shù)據(jù)寄存器。 （ 2）分析上拉電阻。 E 的電位為 0 時，即 D 為 1 時，上拉電阻有效。從與門的輸入分析，只有以下的條件同時滿足時，上拉電阻才有效 PUD 為 0 DDxn 為 0 PORTxn 為 1 結(jié)論是：只有 DDxn=0 即管腳定義為輸入狀態(tài)，并且 PORTxn=1，而且 PUD 設置為0 時，上拉電阻才有效。 （ 3）分析 Pxn 及 SLEEP。只有當 SLEEP=0 時，可控開關(guān) 2 才導通， SD1 不工作，施密特觸發(fā)器的輸入等于 Pxn，信號送到同步器后讀取。 結(jié)論： Pxn 無論在輸入或輸出狀態(tài)都能被 AVR 讀取。 SLEEP=0 的輸入才能讀取。 （ 4） AVR 的 IO 端口的使用注意事項： 如果有引腳未被使用，建議這些引腳賦予一個確定電平。最簡單的保證未用引腳具有確定電平的方法是使能能部上拉。 如果定義了引腳的輸入狀態(tài)，就要立即回讀，可以在回讀前，插入一句 _nop()。系統(tǒng)復位時， DDR 全為 0， Port 也全部為 0，故上拉電阻在復位時會失效。 電源模塊設計 本設計中，采用的是三固穩(wěn)壓電源，三端固定穩(wěn)壓器的主要特點：輸出穩(wěn)定性好、使用方便、輸出過流、過熱自動保護。其中， CW78XX 系列穩(wěn)壓器輸出固定的正電壓，如 7805 輸出為 +5V。CW79XX 系列穩(wěn)壓器輸出固定的負電壓，如 7905 輸出 5V。輸入與輸出端之間的電壓不得低于 3V；輸入端接電容 E1 、 E2 可以進一步濾除紋波，輸出端電容 E E4， C C2 能改善負載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)壓工作。 鍵盤模塊設計 在計算機控制系統(tǒng) 中，數(shù)據(jù)和控制信號的輸入主要使用鍵盤。鍵盤接口，尤其是鍵入信號的軟件處理方法是影響系統(tǒng)使用和操作性能的重要因素。鍵盤接口及其軟件的任務主要有以下幾個方面： （ 1）檢測并判斷是否有按鍵按下； （ 2）按鍵開關(guān)的延時消抖功能； （ 3）計算并確定按鍵的健值； （ 4）根據(jù)計算出鍵值進行一系列的動作處理和實行。 一般常用的鍵盤設 計有：獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。 （ 1）獨立鍵盤 在單片機控制系統(tǒng)中，常常只需要到功能鍵。少量的功能鍵一般采用獨立式結(jié)構(gòu)，獨立式按鍵是各個按鍵相互獨立的接通一條輸入數(shù)據(jù)線，每個鍵的工作不會影響其它的I/O 口。這是較簡單的鍵盤結(jié)構(gòu)。當某一個鍵閉合時，相應的 I/O 口線電平變化（高電平或者低電平）。當程序檢測到變化的 I/O 口線電平時，就可以執(zhí)行相應的功能。 這種鍵盤的優(yōu)點是電路簡單；缺點是當鍵數(shù)較多時，要占用較多的 I/O 線。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告 第 8 頁 共 43 頁 （ 2）矩陣式鍵盤： 矩陣式鍵盤的按鍵按 N 行 M 列，每個按鍵占據(jù)行列的一個交點，需要的 IO 口數(shù) 目是 N+M，容許的最大按鍵數(shù)是 N M。顯然，矩陣式鍵盤可以減少與微機接口的連線數(shù)，簡化電路結(jié)構(gòu)。 本設計使用到的鍵盤較多，因而使用矩陣式鍵盤。 顯示模塊 方案一：使用液晶顯示屏顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。液晶顯示屏（ TG12864）具有輕薄短小，平面顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，能顯示漢字及各種符號，可以繪制曲線和簡單的圖像，分辨率高，抗干擾能力強和顯示形式靈活等優(yōu)點。 方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼顯示管。數(shù)碼管（ LED）受外界環(huán)境影響小，顯示明