【文章內(nèi)容簡介】 C 語言 是 一種 高級(jí) 程序設(shè)計(jì)語言， C 語言經(jīng)過若干年的使用，可以 證明其強(qiáng)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(qiáng)大的優(yōu)越性，這就擴(kuò)大了它的使用范圍 。 C 語言相比于其他程序設(shè)計(jì)語言，最大的特點(diǎn)是可以直接控制硬件，這是 JAVA、 C等高級(jí)語言多沒有的特性，它兼顧了高級(jí)語言的特點(diǎn)，又具有匯編語言的特點(diǎn)，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(lǐng)域的主流語言。另外， C 語言還是一種結(jié)構(gòu)化語言，在 C 語言中最基本的單元就是函數(shù)，我們可以把功能接近的代碼，放在一個(gè)函數(shù)中，這樣我們的程序就成為了由一個(gè)個(gè)函數(shù)組成的整體，在主函數(shù)中我們 可以調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)某種功能， C 語言的這種特點(diǎn)使其很容易調(diào)試、修改。在 C 語言中，有很多的庫函數(shù)，如果在我們的程序中要實(shí)現(xiàn)某種功能，而這種功能在函數(shù)庫中已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)，那么我們就可以將這個(gè)函數(shù)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(shè)計(jì)中，我們采用 C 語言作為程序設(shè)計(jì)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(jī)所執(zhí)行，要想讓 C語言控制單片機(jī)運(yùn)行，需要對(duì) C 語言程序進(jìn)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(jī)開發(fā)中普遍都是使用 ICCAVR 來進(jìn)行編譯。 因此軟件設(shè)計(jì)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(gè)功能模塊來編寫程序。 上位機(jī)控制傳輸軟件 本系統(tǒng)采用 PC 機(jī)作為上位機(jī)，這樣對(duì)該系統(tǒng)的控制就變得簡單了，因?yàn)?PC 機(jī)可以直觀的反應(yīng)單片機(jī)的狀態(tài)。本系統(tǒng)中上位機(jī)的作用是存儲(chǔ)字模數(shù)據(jù)并控制單片機(jī)的顯示，通過通信系統(tǒng)將控制指令傳送到單片機(jī)中控制 LED 的顯示。 LED 點(diǎn)陣屏的顯示一般有存儲(chǔ)顯示和實(shí)時(shí)顯示兩種 。存儲(chǔ)顯示是將要顯示數(shù)據(jù)的字模通過串口由上位機(jī)發(fā)送到單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)接到上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，再接受上位機(jī)的控制信息便可以在 LED 顯示屏上顯示了。實(shí)時(shí)顯示即上位機(jī)屏幕上顯示的內(nèi)容會(huì)同步的顯示到單片機(jī)多控制的 LED 顯示屏上。兩種顯示方法相比較：實(shí)時(shí)顯示對(duì)于硬件的要求較高，對(duì)于通信系統(tǒng)的要求很高，上位機(jī)需要不斷的將更新的數(shù)據(jù)發(fā)動(dòng)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(bào)顯示屏。存儲(chǔ)濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 顯示不要求有較高的傳輸速率，對(duì)硬件要求不是很高，多用于需要較長時(shí)間在顯示屏上顯示信息的場合，上位機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī) 后，單片機(jī)便可以將其長期的顯示在屏幕上了。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不是很好，另外，從成本方面考慮，選用存儲(chǔ)顯示來設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 下載軟件 AVR 單片機(jī)的下載軟件主要有： AVRFighter ,Mucode,AVRStudio。 AVRStudio 在下載程序時(shí)，不方便設(shè)置熔絲位，而 AVRFighter ,Mucode 可以方便直觀的設(shè)置 AVR的熔絲位，所以本系統(tǒng)采用 AVRFighter 作為下載軟件。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在第二章中，討論過不同的軟硬件設(shè)計(jì)方案，選擇了最有效的 方案，在本章中詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件，其中包括 AVR 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，串口通信硬件設(shè)計(jì)， ISP下載口設(shè)計(jì)， JTAG 調(diào)試口設(shè)計(jì)， LED 點(diǎn)陣屏幕設(shè)計(jì)， LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 AVR 單片機(jī)為核心控制器件，用四塊 8*8 點(diǎn)陣相連組成 16*16 點(diǎn)陣屏，作為顯示部分，用兩片 74HC595 作為列驅(qū)動(dòng)控制，用 74LS164 作為行驅(qū)動(dòng)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(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) AVR 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括 UART 串口， AVR 芯片，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路， ISP下載口， JTAG 仿真調(diào)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(zhuǎn)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(jī)采用的是 RS232 電平， +15V 代表邏輯 0， .15V 代表邏輯 1，與單片機(jī)的邏輯電平不一致，所以采用 MAX232 芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 串口通信電路設(shè)計(jì) 在串口通信設(shè)計(jì)中，我們選用 UART 與上位機(jī)進(jìn)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(diǎn)是，收發(fā)方有相同的時(shí)鐘來協(xié)調(diào)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(shí)鐘來協(xié)調(diào)收發(fā)方。收發(fā)方數(shù)據(jù)一致性的保證是波特率，在這種發(fā)送方式中，每個(gè)數(shù)據(jù)幀的格式是一位起始位，后跟若干數(shù)據(jù)位，奇偶校驗(yàn)位， 單 片 機(jī) 74HC595 列驅(qū)動(dòng) 74HC164 行驅(qū)動(dòng) LED 點(diǎn)陣模塊 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 停止位。數(shù)據(jù)位的位數(shù)我們可以在配置寄存器中進(jìn)行設(shè)置，而選用奇偶校驗(yàn)也可以在配置寄存器中進(jìn)行設(shè)置，這樣就可以保證了數(shù)據(jù)發(fā)送的正確性質(zhì)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(shù)據(jù)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換從 14 管腳發(fā)送出去，傳送到上位機(jī)中，其中 11 管腳接單片機(jī)的串口發(fā)送端。DB9 的第 3 管腳接到單片機(jī)的 13 管腳上，上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過 13 管腳進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從 MAX232 的第 12 管腳發(fā)送出去，傳送到單片機(jī)的串口接收端。 圖 串口通信電路原理圖 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 復(fù)位電路是確保單片機(jī)最小系統(tǒng)中不可缺少的一部分，當(dāng)單片機(jī)上電后，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行存儲(chǔ)在 FLASH 中的程序，當(dāng)程序出現(xiàn)問題時(shí)候，我們希望程序重新開始執(zhí)行，那么我們會(huì)使用到復(fù)位，單片機(jī)重新開始執(zhí)行程序，我們會(huì) 在自小系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)按鍵，當(dāng)手按下，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，這種復(fù)位叫做上電復(fù)位。另一種復(fù)位是上電復(fù)位，但我們打開電源時(shí)候，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，從 FLASH 開始處，執(zhí)行程序。 復(fù)位電路工作原理如圖 所示，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，電流經(jīng)過 10K 電阻和 10uF 電容，系統(tǒng)導(dǎo)通，此時(shí)在電容的正極上是低電平，而 AVR 單片機(jī)是低電平復(fù)位，所以此時(shí)單片機(jī)復(fù)位。在上電過程中，電容有個(gè)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(dòng)復(fù)位的功能，當(dāng)按下按鍵時(shí)，電流經(jīng)過 10K 電阻，又經(jīng)過 1K電阻，電路導(dǎo)通，此時(shí)在 10K 電阻兩端有個(gè)很大 的壓降， 10K 電阻 RESET 端為低電平，單片機(jī)復(fù)位。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 復(fù)位電路 單片機(jī)的下載口 在 PC機(jī)上寫好的程序要下載到單片機(jī)里才能控制單片機(jī)的 IO 口輸出高低電平，從而控制 LED 點(diǎn)陣屏亮滅。對(duì)于 AVR 單片機(jī)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(diào)試，在調(diào)試后程序自動(dòng)下載到單片機(jī)里，同時(shí) JTAG 仿真調(diào)試可以很方便的找出程序中的錯(cuò)誤，有利于調(diào)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(shè)置通過下載線給單片機(jī)供電，接口的第 3 管腳懸空， 9 接到單片機(jī)的程序下載口上，這樣通過下載器就可以向單片機(jī)里下載程序了。 JTAG 仿真調(diào)試口電路原理圖如圖 所示，其中 9 分別接到單片機(jī)的JTAG 調(diào)試口，在 AVRStudio 開發(fā)環(huán)境中，可以通過 JTAG 仿真調(diào)試逐句執(zhí)行程序語句來觀察單片機(jī)控制的 LED 顯示屏的現(xiàn)象還幫助調(diào)試。同時(shí)也可以用仿真調(diào)試器來圖 ISP 下載口 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 給系統(tǒng)供電。 圖 JTAG 下載口 AVR 單片機(jī)的時(shí)鐘電 路 對(duì)于 AVR 單片機(jī)來說，片內(nèi)已經(jīng)集成了晶振，可以采用外部晶振提供時(shí)鐘源，也可以通過設(shè)置單片機(jī)的熔絲位來改用內(nèi)部晶振。但是，在系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘要求嚴(yán)格的場合應(yīng)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(jī)跟單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)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(jī)的時(shí)鐘電路。 AVR 單片機(jī)最小系統(tǒng) AVR 單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)能夠正常工作時(shí)，所需要連接的最少管腳數(shù)，一般AVR 單片機(jī)要能夠工作需要接電源、地、晶振、下載口。圖 為 AVR 單片 機(jī)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(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，所以在的系統(tǒng)中只用到少量的 IO 口，這樣其他圖 時(shí)鐘電路 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 的 IO 口可以用來控制其他的外設(shè)，達(dá)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(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)相同的結(jié)點(diǎn)可以正常的連接起來，這樣可以避免在畫電路原理圖時(shí)，采用大量的連線。采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)可以達(dá)到模塊化的目的，這樣畫較為復(fù)雜的電路原理圖時(shí)，可以很整潔清晰的表達(dá)出來。也有利于原理圖的糾錯(cuò)，避免了復(fù)雜難看的線路連接網(wǎng)絡(luò)。其實(shí)， AVR 單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)集成了很多外 圍設(shè)備接口，在 AVR 單片機(jī)內(nèi)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(shè)置波特率，那么對(duì)于時(shí)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(diǎn)陣屏設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 圖 AVR 單片機(jī)最小系統(tǒng) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中采用兩片 74HC595 和兩片 74HC164 將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，在LED 點(diǎn)陣屏設(shè)計(jì)時(shí)，采用三極管來驅(qū) 動(dòng)顯示屏，這樣可以是每個(gè)二極管的亮度都達(dá)到飽和。圖 為三極管組成的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)陣屏上，這樣當(dāng) 74HC164 某個(gè)管腳輸出低電平時(shí)，其對(duì)應(yīng)的三極管導(dǎo)通，電流通過三極管流到 LED 點(diǎn)陣屏，點(diǎn)亮相應(yīng)的二極管。當(dāng) 74HC164 輸出高電平時(shí)，其對(duì)應(yīng)的三極管不能導(dǎo)通，所驅(qū)動(dòng)的發(fā)光二極管不會(huì)被點(diǎn)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(qū)動(dòng)電路 行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 在行驅(qū)動(dòng) 電路中，采用 2 片 74HC164 來擴(kuò)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(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 74HC164 74HC164 是一種串入并出的芯片，在本設(shè)計(jì)中，將芯片的 2 管腳接在一起，使 2 管腳成為線與的關(guān)系，數(shù)據(jù)從 2 管腳串行進(jìn)入芯片，時(shí)鐘線接在第 8 管腳，在每個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿，串行數(shù)據(jù)寫入芯片內(nèi)，在 8 個(gè)時(shí)鐘周期后，數(shù)據(jù)就并行的從芯片輸出。同時(shí)，芯片的第 13 管腳，也是芯片的級(jí)聯(lián)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(shù)據(jù)了。圖 為本設(shè)計(jì)中 74HC164的級(jí)聯(lián)圖，本系統(tǒng)中用單片機(jī)的 IO 口模擬芯片輸入的數(shù)字時(shí)鐘，通過 IO 口不斷的拉高拉低來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的效果，在每次的上升沿?cái)?shù)據(jù)就寫入到了芯片內(nèi)， 16 個(gè)上升沿后，16 位數(shù)據(jù)就在 IO 口準(zhǔn)備好了，輸出到 16 個(gè)三極管的基極，為低電平的 IO 口所對(duì)應(yīng)的三極管導(dǎo)通，三極管驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。 列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 在列驅(qū)動(dòng)電路里，用了兩片 74HC595 來擴(kuò)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(shí)鐘引腳上，每來一個(gè)上升沿，串行 圖 74HC164 級(jí)聯(lián)效果圖 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)就向高位移位，待 8 為數(shù)據(jù)都準(zhǔn)備好時(shí)，在鎖存時(shí)鐘引腳上來一個(gè)上升沿，就打開鎖存端口，并行數(shù)據(jù)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(diǎn)陣屏幕上。圖 為 74HC595 的引腳圖。 其中第 14 管腳為數(shù)據(jù)輸入管腳，第 9 管腳為級(jí)聯(lián)管腳，本設(shè)計(jì)中將兩片 595 芯片級(jí)聯(lián)起來，當(dāng)?shù)臀恍酒瑵M八位時(shí)，通過級(jí)聯(lián)端口向高位移位，第 11 管腳為 595 芯片的時(shí)鐘輸入端，每次在 11 管腳上產(chǎn)生 一個(gè)上升沿時(shí)，串行數(shù)據(jù)就向前移動(dòng)一位，第 12 管腳為 595 芯片的數(shù)據(jù)鎖存端，當(dāng)在 12 管腳上產(chǎn)生上升沿時(shí)，鎖存輸出打開，595 中的數(shù)據(jù)并行輸出。第 13 管腳為 595 的使能端，在本