【正文】 南京工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 6 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(jìn)行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時(shí)間、達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p 壞。從 20世紀(jì) 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(xué)反應(yīng)將能量存儲(chǔ)到化學(xué)系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)充電器時(shí)要仔細(xì)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(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實(shí)現(xiàn)快速、安全地充電，因此，需要對充電過程進(jìn)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(shí)間，達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。其框圖如下： 南京工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 7 圖 11 智能充電器基本框圖 Atmel AVR 微處理器是當(dāng)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(jìn)行編程，或是在 PCB貼裝之后再通過 ISP 進(jìn)行編程，從而允許在最后一分鐘進(jìn)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(jì)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(gè)小時(shí)的時(shí)間里充滿電，通常是一個(gè)小時(shí) ) 需要能夠?qū)卧妷骸⒊潆婋娏骱碗姵販囟?進(jìn)行精確地測量，在充滿電的同時(shí)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(xué)能。當(dāng)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(jì)電池充電器時(shí)，對溫度進(jìn)行監(jiān)控并及時(shí)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(bào)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(diǎn)是相對便宜，易于使用；缺點(diǎn)是自放電率比較高。失效機(jī)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(jìn)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(shí)電池也會(huì)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(jìn)行充電，同時(shí)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?fù)p壞，甚至爆炸。在單片機(jī)微控制器方面， ATMEL 公司有 AT89, AT90 和 ARM 三個(gè)系列單片機(jī)的產(chǎn)品。 ATMEL 在這種強(qiáng)大市場壓力下，發(fā)揮 Flash 存儲(chǔ)器的技術(shù)特長，于 1997 年研發(fā)并推出了個(gè)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(jī)，簡稱 AVR 單片機(jī)。 AVR 單片機(jī)采用 RISC 結(jié)構(gòu)，具有 1MIPS/ MHz 的高速運(yùn)行處理能力 。 AVR結(jié)構(gòu)單片機(jī)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(biāo)代碼。 AVR單片機(jī)運(yùn)用 Harvard結(jié)構(gòu)，在前一條指令執(zhí)行的時(shí)候就取出現(xiàn)行的指令，然后以一個(gè)周期執(zhí)行指令。 AVR 單片機(jī)是用一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令的，它是在 8位單片機(jī)中第一個(gè)真正的 RISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)。尋址空間分別為可直接訪問 8M 字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和 8M 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 AVR 主要有單片機(jī)有 ATtiny、 AT90 和 ATmega 三種系列，其 結(jié)構(gòu)和基本原理南京工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 10 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(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，擦寫壽命可達(dá)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(shí)現(xiàn)對 FLASH、 EEPROM的編程。 (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 。 (8) 具有一個(gè) 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(jìn)行采樣。 速度等級： 0－ 8MHz。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(yùn)用 Harvard 結(jié)構(gòu) 概念，具有預(yù)取指令的特性，即對程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存取使用不同的存儲(chǔ)器和總線。 南京工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 11 (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(jī)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(jìn)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(jī)還在片內(nèi)集成了可擦寫 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。 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 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(jìn)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(jī)系統(tǒng)的接口更加簡單。 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，其主要涉及的知識包括： (1) 自學(xué) AVR 單片機(jī)的相關(guān)內(nèi)容。 (3) 設(shè)計(jì) 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(jì)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(jī)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(jī)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(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，完成開題報(bào)告。并設(shè)計(jì)一些簡單的實(shí)際電路，熟練所學(xué)內(nèi)容并加以鞏固。 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。 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(jìn)行調(diào)試，最后聯(lián)機(jī)調(diào)試。 南京工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 13 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)。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(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 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(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。如圖 21 和圖 22 所示，其中左為單片機(jī)，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(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對液晶顯示模塊的電路邊接。 (二 )間接控制方式 10K 負(fù)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(jī)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(diǎn)就是電路簡單，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。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。 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)說明書 (論文 ) 16 通過比較再結(jié)合本次設(shè)計(jì)的實(shí)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(shí)現(xiàn)，所以最終決定采用間接控制的方式來設(shè)計(jì) 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(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。 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(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉南京工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 17 低時(shí)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(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。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。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 D處于高阻狀態(tài)。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。 XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。不使用 ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與 VCC連接。 AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。這三個(gè)存儲(chǔ)器都為線性的平面結(jié)構(gòu)。因?yàn)?AVR指令為 16位或 32位，故 Flash組織成 8K?16的形式。 Flash存儲(chǔ)器至少可以擦寫 10,000次。關(guān)于 用 SPI 或 JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對 Flash 的串行下載 ，南京工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 18 將在軟件部分作詳細(xì)的介紹。 ATmega16L的全部 32個(gè)通用寄存器、 64個(gè) I/O寄存器及 1024個(gè)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(jìn)行訪問。它是作為一個(gè)獨(dú)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(fù)位 Atmega16L有五個(gè)復(fù)位源： (1) 上電復(fù)位。如果在單片機(jī)加Vcc電壓的同時(shí)，保持 RESET引腳為低電平，則可延長復(fù)位周期。引腳 RESET上的低電平持續(xù)時(shí)間大于最小脈沖寬度時(shí) MCU復(fù)位。 看門狗使能并且看門狗定時(shí)器溢出時(shí)復(fù)位發(fā)生。 Vcc RESET WDT 1 XTAL Cycle TIMEOUT RESET tTOUT TIMEOUT INTERNAL RESET