【文章內容簡介】 C 語言 是 一種 高級 程序設計語言， C 語言經過若干年的使用，可以 證明其強大性，C 語言最初是用來開發(fā) UNIX 操作系統(tǒng)，在 C 語言在其編譯效率、執(zhí)行速度等方面顯示出了強大的優(yōu)越性，這就擴大了它的使用范圍 。 C 語言相比于其他程序設計語言，最大的特點是可以直接控制硬件，這是 JAVA、 C等高級語言多沒有的特性，它兼顧了高級語言的特點，又具有匯編語言的特點，其執(zhí)行速率也是很快的。所以 C 語言成為了嵌入式開發(fā)領域的主流語言。另外， C 語言還是一種結構化語言，在 C 語言中最基本的單元就是函數，我們可以把功能接近的代碼，放在一個函數中，這樣我們的程序就成為了由一個個函數組成的整體，在主函數中我們 可以調用相應的函數來實現某種功能， C 語言的這種特點使其很容易調試、修改。在 C 語言中，有很多的庫函數，如果在我們的程序中要實現某種功能，而這種功能在函數庫中已經得以實現，那么我們就可以將這個函數庫直接包含在我們的程序中，可以減少我們自己多要編寫的代碼量。 綜合比較了兩種語言，在本系統(tǒng)設計中，我們采用 C 語言作為程序設計語言。 系統(tǒng)軟件編譯器介紹 用 C語言編寫好的程序不能直接被單片機所執(zhí)行，要想讓 C語言控制單片機運行，需要對 C 語言程序進行編譯，所以編譯程序是不可缺少的。支持 AVR 用 C 語言編程的編譯器 主要有： ICCAVR 編譯器和 AVRStudio 編譯器。目前在單片機開發(fā)中普遍都是使用 ICCAVR 來進行編譯。 因此軟件設計最終方案為采用 C 語言為編程語言， ICCAVR為編譯工具按照控制、通信、顯示等幾個功能模塊來編寫程序。 上位機控制傳輸軟件 本系統(tǒng)采用 PC 機作為上位機，這樣對該系統(tǒng)的控制就變得簡單了，因為 PC 機可以直觀的反應單片機的狀態(tài)。本系統(tǒng)中上位機的作用是存儲字模數據并控制單片機的顯示，通過通信系統(tǒng)將控制指令傳送到單片機中控制 LED 的顯示。 LED 點陣屏的顯示一般有存儲顯示和實時顯示兩種 。存儲顯示是將要顯示數據的字模通過串口由上位機發(fā)送到單片機內，單片機接到上位機發(fā)來的數據，再接受上位機的控制信息便可以在 LED 顯示屏上顯示了。實時顯示即上位機屏幕上顯示的內容會同步的顯示到單片機多控制的 LED 顯示屏上。兩種顯示方法相比較：實時顯示對于硬件的要求較高，對于通信系統(tǒng)的要求很高，上位機需要不斷的將更新的數據發(fā)動到 LED 屏幕上，通信開銷交大，此種顯示方式多用于廣場的新聞播報顯示屏。存儲濟南大學畢業(yè)設計 顯示不要求有較高的傳輸速率，對硬件要求不是很高，多用于需要較長時間在顯示屏上顯示信息的場合，上位機將數據發(fā)送到單片機 后，單片機便可以將其長期的顯示在屏幕上了。 本系統(tǒng)設計中，對于實時性要求不是很好，另外，從成本方面考慮，選用存儲顯示來設計系統(tǒng)。 下載軟件 AVR 單片機的下載軟件主要有： AVRFighter ,Mucode,AVRStudio。 AVRStudio 在下載程序時，不方便設置熔絲位，而 AVRFighter ,Mucode 可以方便直觀的設置 AVR的熔絲位，所以本系統(tǒng)采用 AVRFighter 作為下載軟件。 濟南大學畢業(yè)設計 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 在第二章中，討論過不同的軟硬件設計方案，選擇了最有效的 方案，在本章中詳細設計系統(tǒng)的硬件，其中包括 AVR 單片機最小系統(tǒng)的設計，串口通信硬件設計， ISP下載口設計， JTAG 調試口設計， LED 點陣屏幕設計， LED 驅動電路設計。 硬件系統(tǒng)的總體設計 本系統(tǒng)采用 AVR 單片機為核心控制器件，用四塊 8*8 點陣相連組成 16*16 點陣屏，作為顯示部分，用兩片 74HC595 作為列驅動控制，用 74LS164 作為行驅動控制，系統(tǒng)硬件總體方框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)硬件總體框圖 AVR 單片機最小系統(tǒng)設計 AVR 單片機最小系統(tǒng)包括 UART 串口， AVR 芯片，復位電路，時鐘電路， ISP下載口， JTAG 仿真調試接口，電源供電接口。在串口通信中采用 MAX232 芯片作為電平轉換芯片， AVR 單片采用的是 TTL 電平： +5V 代表邏輯 1,0V 代表邏輯 0 而 PC機采用的是 RS232 電平， +15V 代表邏輯 0， .15V 代表邏輯 1，與單片機的邏輯電平不一致，所以采用 MAX232 芯片進行電平轉換。 串口通信電路設計 在串口通信設計中，我們選用 UART 與上位機進行通信，串行通信可分為同步串行通信與異步串行通信。同步串行通信的代表有 SPI、 IIC，這種通信 的最顯著特點是，收發(fā)方有相同的時鐘來協(xié)調雙方的發(fā)送。異步串行通信的代表是 UART，在這種通信方式里，我們沒有統(tǒng)一的時鐘來協(xié)調收發(fā)方。收發(fā)方數據一致性的保證是波特率，在這種發(fā)送方式中，每個數據幀的格式是一位起始位，后跟若干數據位，奇偶校驗位， 單 片 機 74HC595 列驅動 74HC164 行驅動 LED 點陣模塊 時鐘電路 復位電路 濟南大學畢業(yè)設計 停止位。數據位的位數我們可以在配置寄存器中進行設置，而選用奇偶校驗也可以在配置寄存器中進行設置，這樣就可以保證了數據發(fā)送的正確性質了。 串口通信電路原理圖如圖 所示，在 DB9 中只用到 3 跟線，其中第五管腳接地，第二管腳接到 MAX232 的第 14 管腳，在 MAX232 中 11 管腳輸入的數據經過電平轉換從 14 管腳發(fā)送出去，傳送到上位機中，其中 11 管腳接單片機的串口發(fā)送端。DB9 的第 3 管腳接到單片機的 13 管腳上，上位機發(fā)送的數據通過 13 管腳進行電平轉換，從 MAX232 的第 12 管腳發(fā)送出去，傳送到單片機的串口接收端。 圖 串口通信電路原理圖 復位電路設計 復位電路是確保單片機最小系統(tǒng)中不可缺少的一部分，當單片機上電后，單片機會自動運行存儲在 FLASH 中的程序，當程序出現問題時候，我們希望程序重新開始執(zhí)行，那么我們會使用到復位，單片機重新開始執(zhí)行程序，我們會 在自小系統(tǒng)中設置一個按鍵，當手按下，單片機會自動復位，這種復位叫做上電復位。另一種復位是上電復位，但我們打開電源時候，單片機會自動復位，從 FLASH 開始處，執(zhí)行程序。 復位電路工作原理如圖 所示，當系統(tǒng)上電時，電流經過 10K 電阻和 10uF 電容，系統(tǒng)導通，此時在電容的正極上是低電平，而 AVR 單片機是低電平復位，所以此時單片機復位。在上電過程中，電容有個充放電的過程，所以上電后瞬間電容又放電。此電路中還有手動復位的功能，當按下按鍵時，電流經過 10K 電阻，又經過 1K電阻，電路導通，此時在 10K 電阻兩端有個很大 的壓降， 10K 電阻 RESET 端為低電平，單片機復位。 濟南大學畢業(yè)設計 圖 復位電路 單片機的下載口 在 PC機上寫好的程序要下載到單片機里才能控制單片機的 IO 口輸出高低電平，從而控制 LED 點陣屏亮滅。對于 AVR 單片機來說，可以有兩種下載程序的方法，一種通過 ISP 在線下載，一種通過 JTAG 仿真調試，在調試后程序自動下載到單片機里，同時 JTAG 仿真調試可以很方便的找出程序中的錯誤，有利于調試，所以在的最小系統(tǒng)中也加入了 JTAG 口。 ISP 下載口的電路原理圖如圖 所示，接口的 2 管腳接 VCC， 10 管腳接 GND ,在下載器上可以通過跳線設置通過下載線給單片機供電，接口的第 3 管腳懸空， 9 接到單片機的程序下載口上，這樣通過下載器就可以向單片機里下載程序了。 JTAG 仿真調試口電路原理圖如圖 所示，其中 9 分別接到單片機的JTAG 調試口，在 AVRStudio 開發(fā)環(huán)境中，可以通過 JTAG 仿真調試逐句執(zhí)行程序語句來觀察單片機控制的 LED 顯示屏的現象還幫助調試。同時也可以用仿真調試器來圖 ISP 下載口 濟南大學畢業(yè)設計 給系統(tǒng)供電。 圖 JTAG 下載口 AVR 單片機的時鐘電 路 對于 AVR 單片機來說，片內已經集成了晶振，可以采用外部晶振提供時鐘源，也可以通過設置單片機的熔絲位來改用內部晶振。但是，在系統(tǒng)對時鐘要求嚴格的場合應選用外部晶振。在本系統(tǒng)中，由于要用到串口通信，在串口通信中要用波特率來保持上位機跟單片機傳輸數據的一致。所以的系統(tǒng)采用外部晶振的工作方式。如圖 為單片機的時鐘電路。 AVR 單片機最小系統(tǒng) AVR 單片機最小系統(tǒng)是單片機能夠正常工作時，所需要連接的最少管腳數，一般AVR 單片機要能夠工作需要接電源、地、晶振、下載口。圖 為 AVR 單片 機的最小系統(tǒng)原理圖，在本系統(tǒng)中，由于采用了 74HC595 芯片及 74HC164芯片實現串行數據轉換為并行數據，所以在的系統(tǒng)中只用到少量的 IO 口，這樣其他圖 時鐘電路 濟南大學畢業(yè)設計 的 IO 口可以用來控制其他的外設，達到減少 IO 口的目的。在畫原理圖的過程中，我大量的使用了網絡標號，網絡標號相同的結點可以正常的連接起來，這樣可以避免在畫電路原理圖時，采用大量的連線。采用網絡標號可以達到模塊化的目的，這樣畫較為復雜的電路原理圖時，可以很整潔清晰的表達出來。也有利于原理圖的糾錯，避免了復雜難看的線路連接網絡。其實， AVR 單片機內部已經集成了很多外 圍設備接口，在 AVR 單片機內部集成了晶振，所以在 AVR 最小系統(tǒng)中可以不畫外圍晶振，最簡單的 AVR 最小系統(tǒng)只需要兩根電源線， 4 根程序下載線。由于在本系統(tǒng)中，我們用到了串口，所以需要設置波特率，那么對于時鐘源的精確度就有要求了。所以我們采用外部晶振的方式，采用 的晶振來為系統(tǒng)提供電源。 LED 點陣屏設計及驅動電路設計 驅動電路設計 圖 AVR 單片機最小系統(tǒng) 濟南大學畢業(yè)設計 本系統(tǒng)中采用兩片 74HC595 和兩片 74HC164 將串行數據轉換為并行數據，在LED 點陣屏設計時，采用三極管來驅 動顯示屏，這樣可以是每個二極管的亮度都達到飽和。圖 為三極管組成的驅動電路。在電路中，采用的是 PNP 型三極管，三極管的基極接到 74HC164 的輸出端，發(fā)射極接到電源，集電極接到 LED 點陣屏上，這樣當 74HC164 某個管腳輸出低電平時，其對應的三極管導通，電流通過三極管流到 LED 點陣屏，點亮相應的二極管。當 74HC164 輸出高電平時，其對應的三極管不能導通，所驅動的發(fā)光二極管不會被點亮。這樣就能很好的控制發(fā)光二極管的亮滅了。 圖 三極管驅動電路 行驅動電路設計 在行驅動 電路中，采用 2 片 74HC164 來擴展 IO 口， 74HC164 的輸出通過 的電阻接到三極管的基極。圖 為 74HC164 的管腳圖。 濟南大學畢業(yè)設計 圖 74HC164 74HC164 是一種串入并出的芯片，在本設計中，將芯片的 2 管腳接在一起，使 2 管腳成為線與的關系，數據從 2 管腳串行進入芯片，時鐘線接在第 8 管腳，在每個時鐘周期的上升沿，串行數據寫入芯片內，在 8 個時鐘周期后，數據就并行的從芯片輸出。同時，芯片的第 13 管腳，也是芯片的級聯管腳，可以將第 13 管 腳接到下一片芯片的輸入端，這樣就可以輸出 16 位并行數據了。圖 為本設計中 74HC164的級聯圖，本系統(tǒng)中用單片機的 IO 口模擬芯片輸入的數字時鐘，通過 IO 口不斷的拉高拉低來實現時鐘的效果，在每次的上升沿數據就寫入到了芯片內， 16 個上升沿后，16 位數據就在 IO 口準備好了，輸出到 16 個三極管的基極，為低電平的 IO 口所對應的三極管導通，三極管驅動相應的發(fā)光二極管點亮。 列驅動電路設計 在列驅動電路里，用了兩片 74HC595 來擴展 IO 口， 74HC595 芯片的功能類似 于74HC164，但 74HC595 芯片帶有鎖存功能，在時鐘引腳上，每來一個上升沿，串行 圖 74HC164 級聯效果圖 濟南大學畢業(yè)設計 數據就向高位移位，待 8 為數據都準備好時，在鎖存時鐘引腳上來一個上升沿，就打開鎖存端口，并行數據發(fā)出。 74HC595 輸出端接在限流電阻端，限流電阻另一端接在了 LED 點陣屏幕上。圖 為 74HC595 的引腳圖。 其中第 14 管腳為數據輸入管腳，第 9 管腳為級聯管腳，本設計中將兩片 595 芯片級聯起來，當低位芯片滿八位時，通過級聯端口向高位移位，第 11 管腳為 595 芯片的時鐘輸入端，每次在 11 管腳上產生 一個上升沿時，串行數據就向前移動一位，第 12 管腳為 595 芯片的數據鎖存端，當在 12 管腳上產生上升沿時，鎖存輸出打開，595 中的數據并行輸出。第 13 管腳為 595 的使能端，在本