【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、 AT90 和 ATmega 三種系列，其結(jié)構(gòu)和基本原理都相類(lèi)似。本次設(shè)計(jì)所 用到的 Atmega16L 芯片便是 ATmega 系列中的一種，在這里作為充電器的核心部件。它是一種具有 40 引腳的高性能、低功耗的 8 位微處理器。其功能特性如下： (1) 8 位 CPU。 (2) 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 (3) 非易失性數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器： 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，擦寫(xiě)壽命可達(dá)到 10,000 次以上 。 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。 512 字節(jié)的 EEPROM，可連續(xù)擦寫(xiě) 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(hù)程序的加密。 (4) 可通過(guò) JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì) FLASH、 EEPROM的編程。 (5) 32個(gè)可編程的 I/O引線(xiàn)， 40引腳 PDIP封裝。 (6) 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 。 (7) 片內(nèi) / 片外中斷源。 (8) 具有一個(gè) 10位的 AD轉(zhuǎn)換器，能對(duì)來(lái)自端口 A的 8位單端輸入電壓進(jìn)行采樣。 (9) 工作電壓： － 。 速度等 級(jí)： 0－ 8MHz。 AVR 單片機(jī)的主要特點(diǎn)如下： 10000 次以上的 Flash 程序存儲(chǔ)器。由于 AVR 采用 16位的指令，所以一個(gè)程序存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元為 16 位，即 XXXX*1116(也可理解為 8南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 11 位，即 2*XXXX*8)。 AVR 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器還是以 8 個(gè) Bit(位 )為一個(gè)單元，因此 AVR還是屬于 8位單片機(jī)。 CMOS 工藝技術(shù)，高速度 (50ns)、低功耗、具有 SLEEP(休眠 )功能。AVR 的指令執(zhí)行速度可達(dá) 50ns (20MHz)。 AVR運(yùn)用 Harvard 結(jié)構(gòu)概念，具有預(yù)取指令的特性，即對(duì)程序 存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存取使用不同的存儲(chǔ)器和總線(xiàn)。當(dāng)執(zhí)行某一指令時(shí)，下一指令被預(yù)先從程序存儲(chǔ)器中取出，這使得指令可以在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行。 (LOCK)?？啥啻尾翆?xiě)的 FLASH 具有多重密碼保護(hù)鎖死 (LOCK)功能，因此可低成本高速度地完成產(chǎn)品商品化，并且可多次更改程序 (產(chǎn)品升級(jí) )而不必浪費(fèi) 1C 或電路板，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量及競(jìng)爭(zhēng)力。 。具有 32 個(gè)通用作寄存器 (相當(dāng)于 8051 中的 32 個(gè)累加器 )，克服了單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶須現(xiàn)象， 128~4K 字節(jié) SRAM 可靈活使用指令計(jì)算，并可用功能很 強(qiáng)的 C語(yǔ)言編程，易學(xué)、易寫(xiě)、易移植。 (用編程器寫(xiě)入 )，也可使用串行在線(xiàn)編程 (ISP)方法下載寫(xiě)入，也就是說(shuō)不必將單片機(jī)芯片從系統(tǒng)上拆下，拿到萬(wàn)用編程器上燒寫(xiě)，而可直接在電路板上進(jìn)行程序的修改、燒寫(xiě)等操作，方便產(chǎn)品升級(jí)，尤其是采用 SMD 封裝，更利于產(chǎn)品微型化。 ~,電源抗干擾性能強(qiáng)。 單片機(jī)還在片內(nèi)集成了可擦寫(xiě) 100000 次的 2E PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等于又增加了一個(gè)芯片，可用于保存系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù) 、固定表格和掉電后的數(shù)據(jù)，既方便了使用，減小了系統(tǒng)的空間，又大大提高了系統(tǒng)的保密性。 8位和 16 位的計(jì)數(shù)器定時(shí)器 (C/T)，可作比較器、計(jì)數(shù)器、外部中斷和PWM（也可作 D/A ）用于控制輸出。 液晶顯示模塊 的選擇 LCD 顯示模塊是一種被動(dòng)顯示器，具有功耗低，顯示信息大，壽命長(zhǎng)和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)中得到大量使用。 液晶顯示模塊和鍵盤(pán)輸入模塊作為便攜式儀表的通用器件，在單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中也可以作為常用的程序和電路模塊進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過(guò)電 壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就顯示黑色，這樣即可顯示出圖形。 在單片機(jī)系統(tǒng)中使用液晶顯示模塊作為輸出器件有以下優(yōu)點(diǎn) : (1)顯示質(zhì)量高 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 12 液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，因此液晶顯示器畫(huà)質(zhì)高而且不會(huì)閃爍。 (2)數(shù)字式接口 液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單。 (3)體積小，重量輕 (4)功率消耗小 液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng) IC 上，因此耗電量 比其它顯示器要小得多。 第二節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 智能充電器的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩大部分，本人的主要任務(wù)是完成充電器設(shè)計(jì)的 LCD 顯示部分，其主要涉及的知識(shí)包括： (1) 自學(xué) AVR 單片機(jī)的相關(guān)內(nèi)容。 (2) 設(shè)計(jì)電源電路。 (3) 設(shè)計(jì) 128*64 液晶顯示控制電路和用 C 語(yǔ)言編制 LCD 顯示程序，用圖形方式顯示充電器電壓、電流等參數(shù)。 (4) 手工焊接和 ICCAVR 編譯器的應(yīng)用。 這次設(shè)計(jì)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何用 Atmega16L 芯片控制 LCD 模塊及用 C語(yǔ)言編制相應(yīng)的顯示程序．隨著單片機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，其相應(yīng)的匯編編程和所暴露的問(wèn)題也越來(lái)越多，逐漸引入了高級(jí)語(yǔ)言， C 語(yǔ)言就是其中的一種。在大一時(shí)就曾接觸過(guò) C 語(yǔ)言，由于時(shí)間較短，重視程度不夠，后來(lái)又一直沒(méi)用過(guò)，只能對(duì)它有 一個(gè)大概的了解。而對(duì)于 AVR 單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)和液晶顯示模塊的使用，則完全是一片空白。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，就不得不花大量的時(shí)間在這些基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)上。為了更有效地完成這個(gè)課題，特列出了如下計(jì)劃： 表 11 畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度表 起止時(shí)間 工 作 內(nèi) 容 第 1~2 周 熟悉課題的基本要求，查閱相關(guān)資料，初步擬定設(shè)計(jì)的整體方案，完成開(kāi)題報(bào)告。 第 3~8 周 1. 自學(xué)這次課題所涉及的相關(guān)內(nèi)容，包括 C語(yǔ)言基礎(chǔ)知識(shí)， AVR單片機(jī)（主要是 Atmega16L 芯片）和 ICCAVR 編 譯器的使用以及液晶顯示的相關(guān)內(nèi)容。并設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的實(shí)際電路，熟練所學(xué)內(nèi)容并加以鞏固。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 13 2. 熟悉繪圖軟件 Protel99 的使用。 第 9~12 周 1. 設(shè)計(jì) LCD顯示電路，電源電路，用 Protel99 繪制原理圖，和同學(xué)一起完成整個(gè)充電電路原理圖，并繪制印制電路板。 2. 編寫(xiě)顯示程序。 第 13~15 周 焊接調(diào)試電路，根據(jù)各部分的作用對(duì)硬件電路進(jìn)行調(diào)試，最后聯(lián)機(jī)調(diào)試。 最后數(shù)周 寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，完成全部畢業(yè)設(shè)計(jì)。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是由郭偉同學(xué)和本人共同 合作完成，由他完成充電部分的硬件電路的設(shè)計(jì)，和這邊的顯示部分相結(jié)合，共同完成智能充電器的設(shè)計(jì)。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 14 第二章 硬件電路設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)前面對(duì)充電器原理、液晶模塊、 ATmega16L 等的總體了解和掌握以及對(duì)各種元器件和電路圖的分析和比較后，現(xiàn)在就可以開(kāi)始進(jìn)入硬件電路的設(shè)計(jì)了。在本章里，首先將介紹一下液晶模塊訪問(wèn)方式的兩種接口電路，然后對(duì) LCD 顯示電路原理圖作一個(gè)詳細(xì)的介紹，接著介紹充電電路中所用到的各種芯片和元器件的原理和一些功能，最后對(duì) PROTEL99 的使用和 PCB 板的繪制以及焊接做一簡(jiǎn)單介紹，然后再將自己的設(shè)計(jì)思想和同組人所設(shè)計(jì)的兩部分結(jié)合，達(dá)成統(tǒng)一。 第一節(jié) 液晶顯示模塊兩種訪問(wèn)方式接口電路的 選擇 單片機(jī)與液晶顯示模塊之間的連接方式分為直接訪問(wèn)方式和為間接控制方式兩種。如圖 21 和圖 22 所示，其中左為單片機(jī)，右為液晶顯示模塊。 (一 ) 直接訪問(wèn)方式 數(shù)據(jù)總線(xiàn) GND +5V 電位器 負(fù)電源 1 3 2 74LS00 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 RD WE DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 GND VCC V0 E /CSA /CSB R/W D/I 10K 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 15 A11 A10 A9 A8 MPU 圖 21 直接訪問(wèn)方式電路圖 LCM 接口 直接訪問(wèn)方式就是將液晶顯示模塊的接口作為存儲(chǔ)器或 I/O設(shè)備直接掛在單片機(jī)總線(xiàn)上，單片機(jī)以訪問(wèn)存儲(chǔ)器或 I/O 設(shè)備的方式操作液晶顯示模塊的工作。直接訪問(wèn)方式的接口電路如圖 21 所示，在圖中，單片 機(jī)通過(guò)高位地址 A11 控制CSA， A10 控制 CSB，以選通液晶顯示屏上各區(qū)的控制器；同時(shí)用地址 A9 作為R/W 信號(hào)控制數(shù)據(jù)總線(xiàn)的數(shù)據(jù)流向；用地址 A8 作為 D/I 信號(hào)控制寄存器的選擇，E(使能 )信號(hào)由 RD 和 WE 共同產(chǎn)生，這樣就實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)液晶顯示模塊的電路邊接。電位器用于顯示對(duì)比度的調(diào)節(jié)。 (二 )間接控制方式 10K 負(fù)電源 GND DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 /CSA /CSB E R/W D/I VCC V0 GND 電 位 器 +5V 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 16 MPU LCM 接口 圖 22 間接控制方式電路圖 間接控制方式是單片機(jī)通過(guò)自身的或系統(tǒng)中的并行接口與液晶顯示模塊連接。單片機(jī)通過(guò)對(duì)這些接口的操作，以達(dá)到對(duì)液晶顯示模塊的控制。這種方式的特點(diǎn)就是電路簡(jiǎn)單，控制時(shí)序由軟件實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)高速單片機(jī)與液晶顯示模塊的接口。電路圖如圖 22所示。在圖中以 P1口作為數(shù)據(jù)口， 為 CSA， 為 CSB， 為使能端， 為 R/W 和 D/I 信號(hào)。電位器用于顯示對(duì)比度的調(diào)節(jié)。 通過(guò)比較再結(jié)合本次設(shè)計(jì)的實(shí)際條件，由于 Atmega16L 芯片沒(méi)有 WR、 RD管腳，而且為了使電路簡(jiǎn)單且方便軟件實(shí)現(xiàn)，所以最終決定采用間接控制的方式來(lái)設(shè)計(jì) LCD 顯示電路。 第二節(jié) 硬件電路主要芯片 ATmega16L 主要引腳說(shuō)明 以下是 ATmega16L的引腳配置： 圖 23 ATmega16L 芯片引腳 引腳說(shuō)明： VCC 數(shù)字電路的電源 GND 地 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 17 端口 A(PA7～ PA0) 端口 A 作為 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(duì)稱(chēng)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) 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(duì)稱(chēng)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 B 處于高阻狀態(tài)。 端口 C(PC7～ PC0) 端口 C 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖 器具有對(duì)稱(chēng)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 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(duì)稱(chēng)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)。 RESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過(guò)最小門(mén)限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)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相連。 AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 18 Atmega16L的存儲(chǔ)器 AVR結(jié)構(gòu)有兩個(gè)主要 的存儲(chǔ)空間：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間和程序存儲(chǔ)器空間，此外，Atmega16L還有一個(gè) EEPROM存儲(chǔ)器以保存數(shù)據(jù)。這三個(gè)存儲(chǔ)器都為線(xiàn)性的平面結(jié)構(gòu)。 (1) Atmega16L具有 16K字節(jié)的在線(xiàn)編程 Flash， 用于存儲(chǔ)程序指令代碼。因?yàn)?AVR指令為 16位或 32位，故 Flash組織成 8K?16的形式。用戶(hù)程序的安全性要根據(jù)Flash程序存儲(chǔ)器的兩個(gè)區(qū)： 引導(dǎo) (Boot) 程序區(qū)和應(yīng)用程序區(qū)，分開(kāi)來(lái)考慮 。 Flash存儲(chǔ)器至少可以擦寫(xiě) 10,000次