【正文】 等級前的□內(nèi)畫“√”） 教研室主任（或答辯小組組長）： （簽名） 年 月 日 教學系意見： 系主任： （簽名） 年 月 日 南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 2 第一章 概述 第一節(jié) 緒論 課題背景 如今，隨著越來越多的 手持式電器的出現(xiàn)，對高性能、小尺寸、重量輕的電池充電器的需求也越來越大。因此需要對充電過程進行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時間、達到最大的電池容量，并防止電池損壞。從 20世紀 60年代的商 用鎳鎘和密封鉛酸電池到近幾年的鎳氫和鋰離子技術(shù)，可充電電池容量和性能得到了飛速的發(fā)展。 電池充電是通過逆向化學反應(yīng)將能量存儲到化學系統(tǒng)里實現(xiàn)的。設(shè)計充電器時要仔細了解這些特性以防止過度充電而損壞電。電池技術(shù)的持續(xù)進步也要求更復雜的充電算法以實現(xiàn)快速、安全地充電，因此，需要對充電過程進行更精確地監(jiān)控 (例如對充、放電電流、充電電壓、溫度等的監(jiān)控 )，以縮短充電時間，達到最大的電池容量，并防止電池損壞。其框圖如下： 南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 3 圖 11 智能充電器基本框圖 Atmel AVR 微處理器是當前市場上能夠以單片方式提供 Flash、 EEPROM 和 10 位 ADC的最高效的 8 位 RISC 微處理器。 Flash 可以在發(fā)貨之前再進行編程，或是在 PCB貼裝之后再通過 ISP 進行編程，從而允許在最后一分鐘進行軟件更新。 10位 A/D 轉(zhuǎn)換器可以提供足夠的測量精度，使得充好 后的容量更接近其最大容量。 AVR 是目前唯一的針對象 “C” 這樣的高級語言而設(shè)計的 8 位微處理器。 電池的安全充電 現(xiàn)代的快速充電器 ( 即電池可以在小于 3 個小時的時間里充滿電，通常是一個小時 ) 需要能夠?qū)卧妷骸⒊潆婋娏骱碗姵販囟冗M行精確地測量，在充滿 電的同時避免由于過充電造成的損壞。 最大充電電流 最大充電電流與電池容量 (C) 有關(guān)。例如，電池的容量為 750 mAh，充電電流為 750 mA，則充電電流為 1C (1 倍的電池容量 )。 過熱 電池充電是將電能傳輸?shù)诫姵氐倪^程。但不是所有的電能都轉(zhuǎn)化為了電池中的化學能。當電池充滿后，若繼續(xù)充電，則所有的電能都將轉(zhuǎn)化為電池的熱能。因此，在設(shè)計電池充電器時，對溫度進行監(jiān)控并及時停止充電是非常重要的。 密封鉛酸電池 (SLA) 密封鉛酸電池主要用于成本比空間和重量更重要的場合，如 UPS和報警系統(tǒng)的備份電池。只要電池單元電壓不超過生產(chǎn)商的規(guī)定( 典型值為 )， SLA 電池可以無限制地充電。它的優(yōu)點是相對便宜，易于使用；缺點是自放電率比較高。失效機理主要是極性反轉(zhuǎn)。為了防止損壞電池包，需要不間斷地監(jiān)控電壓 。 NiCd 電池以恒定電流的方式進行充電。這種電池的容量比 NiCd 的大。和 NiCd 電池一樣，極性反轉(zhuǎn)時電池也會損壞。和NiCd 電池一樣， NiMH 電池也為恒定電流充電。鋰電池以恒定電壓進行充電，同時要有電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。過充電將造成電池損壞，甚至爆炸。在單片機微控制器方面， ATMEL 公司有 AT89, AT90 和 ARM 三個系列單片機的產(chǎn)品。 ATMEL 在這種強大市場壓力下，發(fā)揮 Flash 存儲器的技術(shù)特長，于 1997 年研發(fā)并推出了個新配置的、采用精簡指令集 RISC(Reduced Instruction Set CPU)結(jié)構(gòu)的新型單片機，簡稱 AVR 單片機。 AVR 單片機采用 RISC 結(jié)構(gòu)，具有 1MIPS/ MHz 的高速運行處理能力 。 AVR結(jié)構(gòu)單片機的開發(fā)日的就在于能夠更好地采用高級語言（例如 C語言、 BASIC 語言）來編寫嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，從而能高效地開發(fā)出目標代碼。 AVR單片機運用 Harvard結(jié)構(gòu)，在前一條指令執(zhí)行的時候就取出現(xiàn)行的指令，然后以一個周期執(zhí)行指令。 AVR 單片機是用一個時鐘周期執(zhí)行一條指令的，它是在 8位單片機中第一個真正的 RISC 結(jié)構(gòu)的單片機。尋址空間分別為可直接訪問 8M字節(jié)的程序存儲器和 8M字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。 AVR 主要有單片機有 ATtiny、 AT90 和 ATmega 三種系列，其結(jié)構(gòu)和基本原理南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 6 都相類似 。它是一種具有 40 引腳的高性能、低功耗的 8 位微處理器。 (2) 先進的 RISC 結(jié)構(gòu)： 131 條指令 – 大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期 32個 8 位通用工作寄存器 全靜態(tài)工作 (3) 非易失性數(shù)據(jù)和程序存儲器： 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，擦寫壽命可達到 10,000 次以上 。 512 字節(jié) 的 EEPROM，可連續(xù)擦寫 100,000 次。 (4) 可通過 JTAG接口實現(xiàn)對 FLASH、 EEPROM的編程。 (6) 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的 8位定時器 / 計數(shù)器，一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的 16位定時器 / 計數(shù)器 。 (8) 具有一個 10位的 AD轉(zhuǎn)換器，能對來自端口 A的 8位單端輸入電壓進行采樣。 速度等級： 0－ 8MHz。由于 AVR 采用 16 位的指令，所以一個程序存儲器的存儲單元為 16位，即 XXXX*1116(也可理解為 8位，即 2*XXXX*8)。 CMOS 工藝技術(shù)，高速度 (50ns)、低功耗、具有 SLEEP(休眠 )功能。 AVR 運用 Harvard 結(jié)構(gòu)概念，具有預取指令的特 性，即對程序存儲和數(shù)據(jù)存取使用不同的存儲器和總線。 南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 7 (LOCK)。 。 (用編程器寫入 )，也可使用串行在線編程 (ISP)方法下載寫入，也就是說不必將單片機芯片從系統(tǒng)上拆下，拿到萬用編程器上燒寫，而可直接在電路板上進行程序的修改、燒寫等操作，方便產(chǎn)品升級，尤其是采用 SMD 封裝，更利于產(chǎn)品微型化。 單片機還在片內(nèi)集成了可擦寫 100000 次的 2E PROM 數(shù)據(jù)存儲器，等于又增加了一個芯片，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。 液晶顯示模塊 的選擇 LCD顯示模塊是一種被動顯示器，具有功耗低，顯示信息大，壽命長和抗干擾能力強等優(yōu)點，在低功耗的單片機系統(tǒng)中得到大量使用。液晶顯示的原理是利用液晶的物理 特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就顯示黑色，這樣即可顯示出圖形。 (2)數(shù)字式接口 液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單。 第二節(jié) 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)和要求 智能充電器的設(shè)計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)計的 LCD 顯示部分，其主要涉及的知識包括： (1) 自學 AVR 單片機的相關(guān)內(nèi)容。 (3) 設(shè)計 128*64 液晶顯示控制電路和用 C 語言編制 LCD 顯示程序，用圖形方式顯示充電器電壓、電流等參數(shù)。 這次設(shè)計要解決的關(guān)鍵問題是如何用 Atmega16L 芯片控制 LCD 模塊及用 C語言編制相應(yīng)的顯示程序．隨著單片機的開發(fā)應(yīng)用，其相應(yīng)的匯編編程和所暴露的問題也越來越多，逐漸引入了高級語言， C 語言就是其中的一種。而對于 AVR 單片機的相關(guān)知識和液晶顯示模塊的使用，則完全是一片空白。為了更有效地完成這個課題，特列出了如下計劃： 表 11 畢業(yè)設(shè)計進度表 起止時間 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)計的整體方案，完成開題報告。并設(shè)計一些簡單的實際電路，熟練所學內(nèi)容并加以鞏固。 第 9~12 周 1. 設(shè)計 LCD顯示電路，電源電路，用 Protel99 繪制原理圖，和同學一起完成整個充電電路原理圖，并繪制印制電路板。 第 13~15 周 焊接調(diào)試電路，根據(jù)各部分的作用對硬件電路進行調(diào)試，最后聯(lián)機調(diào)試。 南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 9 這次畢業(yè)設(shè)計是由郭偉同 學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，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。在本章里，首先將介紹一下液晶模塊訪問方式的兩種接口電路，然后對 LCD 顯示電路原理圖作一個詳細的介紹，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 PROTEL99 的使用和 PCB 板的繪制以及焊接做一簡單介紹，然后再將自己的設(shè)計思想和同組人所設(shè)計的兩部分結(jié)合，達成統(tǒng)一。如圖 21 和圖 22 所示，其中左為單片機，右為液晶顯示模塊。直接訪問方式的接口電路如圖 21 所示， 在圖中，單片機通過高位地址 A11 控制CSA， A10 控制 CSB，以選通液晶顯示屏上各區(qū)的控制器；同時用地址 A9 作為R/W 信號控制數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)流向；用地址 A8 作為 D/I 信號控制寄存器的選擇，E(使能 )信號由 RD 和 WE 共同產(chǎn)生，這樣就實現(xiàn)了單片機對液晶顯示模塊的電路邊接。 (二 )間接控制方式 10K 負電源 GND 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通過自身的或系統(tǒng)中的并行接口與液晶顯示模塊連接。這種方式的特點就是電路簡單，控制時序由軟件實現(xiàn)，可以實現(xiàn)高速單片機與液晶顯示模塊的接口。在圖中以 P1 口作為數(shù)據(jù)口， CSA， 為 CSB， 為使能端， 為 R/W 和 為 D/I信號。 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 /CSA /CSB E R/W D/I VCC V0 GND 電 位 器 +5V 南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 12 通過比較再結(jié)合本次設(shè)計的實際條件，由于 Atmega16L芯片沒有 WR、 RD 管腳，而且為了使電路簡單且方便軟件實現(xiàn)，所以最終決定采用間接控制的方式來設(shè)計 LCD 顯示電路。 端口 A 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。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。 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。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 13 低時將輸出電流。 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 。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。如果 JTAG接口使能，即使復位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。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。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)。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。 XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。不使用 ADC時，該引腳應(yīng)直接與 VCC連接。 AREF A/D 的模擬基準輸入引腳。這三個存儲器都為線性的平面結(jié)構(gòu)。因為 AVR指令為 16位或 32位，故 Flash組織成 8K? 16的形式。 Flash存儲器至少可以擦寫 10,000次。關(guān)于 用 SPI 或 JTAG 接口實現(xiàn)對 Flash 的串行下載 ，南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 14 將在軟件部分作詳細的介紹。 ATmega16L的全部 32個通用寄存器、 64個 I/O寄存器及 1024個字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)SRAM可以通過所有上述的尋址模式進行訪問。它是作為一個獨立的數(shù)據(jù)空間而存在的，可以按字節(jié) 讀寫。EEPROM 的訪問由地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器決定。 Atmega16L的系統(tǒng)復位 Atmega16L有五個復位源： (1) 上電復位。如果在單片機加Vcc電壓的同時，保持 RESET引腳為低電平，則可延長復位周期。引腳 RESET上的低電平持續(xù)時間大于最小脈沖寬度時 MCU復位。 看門狗使能并且看門狗定時器溢出時復位發(fā)生。 Vcc RESET WDT 1 XTAL Cycle TIMEOUT RESET tTOUT TIMEOUT INTERNAL RESET 圖 28 看門狗復位時序圖 (4) 掉電檢測復位。 (5) JTAG AVR復位。 第三節(jié) LCD液晶顯示 LCD的顯示原理