【文章內(nèi)容簡介】 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 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，同時具有快速啟動能力；擴展 Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi) ISP Flash 允許程序存儲器通過 ISP 串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于 AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將 應(yīng)用程序 下載到應(yīng)用 Flash 存儲區(qū) (ApplicationFlash Memory)。在更新應(yīng)用Flash 存儲區(qū)時引導(dǎo) Flash 區(qū) (Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW 操作。 通過將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。 ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括： C 語言 編譯器 、宏匯編、 程序調(diào)試器 / 軟件仿真器、仿真器及評估板。 ATmega16 產(chǎn)品特性 高性能、低功耗的 8 位 AVR 微處理器 RISC 結(jié)構(gòu) 條指令 個 8 位通用工作寄存器 16MHz 時性能高達 16MIPS 器 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，擦寫壽命 : 10,000 次 。 具有獨立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū)，通過片上 Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系 統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時讀寫操作 字節(jié)的 EEPROM，擦寫壽命 : 100,000 次 字節(jié)的片內(nèi) SRAM 接口 ( 與 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)兼容 ) 符合 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 功能 ,通過 JTAG 接口實現(xiàn)對 Flash、 EEPROM、熔 絲位和鎖定位的編程 (1)兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時器 /計數(shù)器 (2)一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 /計數(shù)器 (3)具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器 RTC (4)四通道 PWM 8 路 10 位 ADC， 8 個單端通道， 2個具有可編程增益 （ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道 (5)面向字節(jié)的兩線接口 (6)兩個可編程的串行 USART (7)可工作于主機 / 從機模式的 SPI 串行接口 (8)具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器 (9)片內(nèi)模擬比較器 (1)上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測 (2)片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器 (3)片內(nèi) /片外中斷源 (4)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 模式以及擴展的 Standby 模式 (1)32 個可編程的 I/O 口 (2)40 引腳 PDIP 封裝 , 44 引腳 TQFP 封裝 , 與 44 引腳 MLF 封裝 工作電壓 : ATmega16L： ATmega16： 速度等級 8MHz ATmega16L 016MHz ATmega16 ATmega16L在 1MHz, 3V, 25176。C 時的功耗 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 正常模式 : mA 空閑模式 : mA 掉電模式 : 1 μA ATmega16 引腳功能 圖 31 AVR 單片機管腳圖 VCC 電源正 GND 電源地 端口 A(PA7..PA0) 端口 A 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(fù)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 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(fù)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 。 端口 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 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 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(fù) 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)。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) 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，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)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 . RESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。門限時間見 P36Table 15。持續(xù)時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，該引腳應(yīng)直接與 VCC 連接。使用 ADC 時應(yīng)通過一個低通濾波器與 VCC 連接。 AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 ATmega16 內(nèi)核介紹 為了獲得最高的性能以及并行性， AVR 采用了 Harvard 結(jié)構(gòu)，具有獨立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行。 CPU 在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令 ( 在本文稱為預(yù)取 )。這個概念實現(xiàn)了指令的單時鐘周期運行。程序存儲器是可以在線編程的 FLASH。 快速訪問寄存器文件包括 32 個 8 位通用工作寄存器，訪問時間為一個時鐘周期。從而實現(xiàn)了單時鐘周期的 ALU 操作。在典型的 ALU 操作中，兩個位于寄存器文件中的操作數(shù)同時被訪問，然后執(zhí)行運算，結(jié)果再 被送回到寄存器文件。整個過程僅需一個時鐘周期。 寄存器文件里有 6 個寄存器可以用作 3 個 16 位的間接尋址寄存器指針 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 以尋址數(shù)據(jù)空間，實現(xiàn)高效的地址運算。其中一個指針還可以作為程序存儲器查詢表的地址指針。這些附加的功能寄存器即為 16 位的 X、 Y、 Z 寄存器。 ALU支持寄存器之間以及寄存器和常數(shù)之間的算術(shù)和邏輯運算。 ALU也可 以執(zhí)行單寄存器操作。運算完成之后狀態(tài)寄存器的內(nèi)容得到更新以反映操作結(jié)果。 程序流程通過有 / 無條件的跳轉(zhuǎn)指令和調(diào)用指令來控制，從而直接尋址整個地址空間。大多數(shù)指令長度 為 16 位，亦即每個程序存儲器地址都包含一條 16 位或 32 位的指令。 程序存儲器空間分為兩個區(qū)：引導(dǎo)程序區(qū) (Boot 區(qū) ) 和應(yīng)用程序區(qū)。這兩個 都有專門的鎖定位以實現(xiàn)讀和讀 / 寫保護。用于寫應(yīng)用程序區(qū)的 SPM 指令必須位于引導(dǎo)程序區(qū)。 在中斷和調(diào)用子程序時返回地址的程序計數(shù)器 (PC) 保存于堆棧之中。堆棧位于通用數(shù)據(jù) SRAM，因此其深度僅受限于 SRAM 的大小。在復(fù)位例程里用戶首先要初始化堆棧指針 SP。這個指針位于 I/O 空間，可以進行讀寫訪問。數(shù)據(jù) SRAM 可以通過 5 種不同的尋址模式進行訪問。 AVR 存儲器空間為線性的平面結(jié)構(gòu)。 AVR有一個靈活的中斷模塊。控制寄存器位于 I/O空間。狀態(tài)寄存器里有全局中斷使能位。每個中斷在中斷向量表里都有獨立的中斷向量。各個中斷的優(yōu)先級與其在中斷向量表的位置有關(guān)， 中 斷向量地址越低，優(yōu)先級越高。 I/O 存儲器空間包含 64 個可以直接尋址的地址，作為 CPU 外設(shè)的控制寄存器、 SPI，以及其他 I/O 功能。映射到數(shù)據(jù)空間即為寄存器文件之后的地址 0x20 0x5F。 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 基本的 AVR 硬件線路，包括以下幾部分： ● 復(fù)位線路 。 ● 晶振線路 。 ● ISP 下載接口 。 ● JTAG 仿真接口 。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 ● 電源 。 (1)復(fù)位線路的設(shè)計 Mega16 已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時的額外 時間，故 AVR 外部的復(fù)位線路在上電時，可以設(shè)計得很簡單：直接拉一只 10K 的電 阻到 VCC 即可 (R6)。 為了可靠，再加上一只 的電容 (C0)以消除干擾、雜波。 D3(1N4148)的作用有兩個：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在 Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時，將 R1(10K)電阻短路，讓 C0 快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的 復(fù)位。 當(dāng) AVR 在工作時，按下 S0開關(guān)時，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā) AVR 芯片復(fù)位。 重要說明：實際應(yīng)用時，如果你不需要復(fù)位按鈕，復(fù)位腳可以不接任何的零件，AVR 芯片也能穩(wěn)定工作。即這部分不需要任何的外圍零件。 圖 32 復(fù)位電路設(shè)計 （ 2） 晶振電路的設(shè)計 Mega16 已經(jīng)內(nèi)置 RC 振蕩線路，可以產(chǎn)生 1M、 2M、 4M、 8M 的振蕩頻率。不過， 內(nèi)置的畢竟是 RC 振蕩，在一些要求較高的場合，比如要與 RS232 通信需要比較精確的波特率時，建議使用外部的晶振線路。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 早期的 90S 系列，晶振兩端均需要接 22pF 左右的電容。 Mega 系列實際使用時，這兩只小電容不接也能正常工作。不過為了線路的規(guī)范化，我們?nèi)越ㄗh接上。 重要說明：實際應(yīng)用時，如果你不需要太高精度的頻率，可以使用內(nèi)部 RC 振 蕩。即這部分不需要任何的外圍零件。 圖 33 晶振電路設(shè)計 (3)JTAG 仿真接口設(shè)計 仿真接口也是使用雙排 2＊ 5插座。需要一只 10K 的上拉電阻 。 重要說明：實際應(yīng)用時，如果你不想使用 JTAG 仿真，并且不想受四只 10K 的上拉 電 阻的影響，可以將 JP1－ JP4 斷開。 圖 34 JTAG 方針接口 (4)ISP 下載接口設(shè)計 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 ISP 下載接口，不需要任何的外圍零件。使用雙排 2＊ 5 插座。由于沒有外圍零件，故（ MOSI）、（ MISO）、（ SCK）、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受 ISP 的干擾。 RST 連接倒 RESET ，為了 減小圖片大小這里沒 有畫出，你可以從本頁頂上的那個圖片看出來。 重要說明：實際應(yīng)用時，如果你想簡化零件，可以不焊接 2＊ 5 座。但在 PCB設(shè)計時最好保留這個空位，以便以后升級 AVR 內(nèi)的軟件。 圖 35 JTAG 方針接口設(shè)計圖 (5)電源設(shè)計 AVR 單片機最常用的是 5V 與 兩種電壓。本線路以 轉(zhuǎn)換成 5V 直流電壓，電路需要變壓器把 220 交流電壓轉(zhuǎn)換成 28V 交流電，再通過整流器，把交流電轉(zhuǎn)化成直流電，通過 7809 和 7805 三端正電源穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)化成直流 5V。電源如圖 36。 220v28vD?DiodeD?DiodeD?DiodeD?DiodeVin VoutGND7089Volt RegVin VoutGND7085Volt RegC?Cap Semi100nFC?Cap SemiC?Cap Semi100uFC?Cap Semi+5 圖 36 電源電路設(shè)計圖 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 溫度采集單元設(shè)計 DS18B20 的特點 DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的一個線式數(shù)字溫度傳感器，具有 3 引腳 TO－ 92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－ 55℃ ～＋ 125℃, 可編程為 9 位～ 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達 ℃ ，被測溫度用符號擴展的 16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個 DS18B20 可以并聯(lián)到 3 根或 2 根線上， CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信，占用微 處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點使 DS1