电子系统设计报告-基于atmega16的MINI+POV双显示时钟计.doc

北京电子科技学院电子系统设计报告题目：MINI POV 双显示时钟组员： 1 基于Atmega16的MINI POV双显示时钟设计设计任务与要求12 基于Atmega16的MINI POV双显示时钟方案的论证和选择22.1显示设计方案提出22.2主控制器22.3时钟电路部分方案42.3LED指示部分方案42. 4按键部分方案52.5电源电路设计63 基于Atmega16的MINI POV双显示时钟的系统总体结构63.1 MINI POV双显示时钟的系统功能概述64基于Atmega16的MINI POV双显示时钟系统总体设计85 智能遥控窗帘硬件电路设计96MINI POV双显示时钟系统调试147结论14参考文献15附 录16161 基于Atmega16的MINI POV双显示时钟设计设计任务与要求本MINI POV双显示时钟系统可以对利于时钟芯片在静止状态下显示十六进制的时钟和分钟，在摇动状态下显示动态的时间信息，并可以通过按键调整时间和保存时间设置，拓展部分通过红色与绿色LED的组合可以在动态状态下完成两种不同颜色的时间显示功能。本系统主要由水印开关，单片机Atmega16构成。通过不同运动状态可以显示两种不同的效果，在静止状态下通过双排LED可以显示出十六进制的时间信息，在动态状态下通过视觉暂留可以显示出动态信息。单片机的英文名称是Micro Controller unit,缩写为MCU，又称为微控制器，它是一种面向控制的大规模集成电路芯片。它具有功能强、体积小、可靠性高、应用简单灵活，因而使用非常广泛，有力地推动各行业的技术发展和更新换代。 本文首先在第二章绪论介绍了此系统的功能、技术指标以及主要内容等；在第三章论述了总体设计过程,确定了技术指标及器件的选择；第四章着重描述了系统硬件电路设计、硬件设计框图及所使用的各种芯片功能与特性；最后在第五章中具体论述单片机、中断电路、显示处理及调试。2 基于Atmega16的MINI POV双显示时钟方案的论证和选择2.1显示设计方案提出方案一：实现显示采用8*48点阵进行时间显示，特点是显示效果清晰，但体积较大，价格交贵。方案二：利用视觉暂留效应制作成MINI POV双显示时钟的时钟，特点是价格低，体积小，效果较为清晰。故采用方案2.2.2主控制器控制部分是本系统的核心，它接收用户的输入完成相应的控制逻辑功能，并将当前的工作状态等信息送显示部分显示。方案1：采用数字逻辑芯片系统有功能设置、数据装入、定时、显示、音响控制多个功能模块。各个状态保持或转移的条件依赖于键盘控制信号。由于键盘控制信号繁多，系统的逻辑状态以及相互转移更是复杂，用纯粹的数字电路或小规模的可编程逻辑电路实现该系统有一定的困难，需要用中大规模的可编程逻辑电路。这样，系统的成本就会急剧上升相对于方案2。因此，本设计并未采用这种方案。方案2：采用单片机作为整个控制系统的核心我们的设计采用了Atmega16单片机系统。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言 编译器、宏汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。综合考虑以上因素，我们采用了方案2。2.3时钟电路部分方案 方案 1：采用 MCU 内部定时器。采用单片机的定时器定时。由于当前市场上的单片机都内含定时器计数器，所以用单片机定时比较方便。另外，单片机能够实现复杂功能，能够设计出友好的人机界面接口，价格也比较便宜。但是单片机定时并不是很精准，而且掉电后会丢失时间。方案 2：使用专用时钟芯片。 使用微控制器控制专用时钟芯片实现计时控制，这种方案有着计时精度高、控制简单的优点，而且更易于实现日期 / 时间显示等计时扩展功能。 在这里我选用的是方案2，由于方案 2 具有较好的灵活性、较少的电路元器件和较高的性价比，而且通过硬件可以精确的记录时间，并且可以通过一节纽扣电池保证掉电后一段时间内不会丢失时间，完全可以满足控制需要，所以我们选择该方案完成设计。 2.3LED指示部分方案方案 1：通过单片机的一片锁存芯片进行LED的控制，这样可以节省IO口但是增加了系统的复杂度。方案 2：直接利用单片机的I/O端口直接控制，这样比较浪费IO口的使用。由于在本设计系统中单片机有充足的I/O端口资源，为了保证系统的稳定性和电路的简单化，采用方案二进行LED的指示显示。如图2-1所示电路。图2-1 LED指示灯电路2. 4按键部分方案方案 1 ：采用阵列式键盘。此类键盘是采用行列扫描方式，优点是当按键较多时可以降低占用单片机的I/O口数目，缺点是电路复杂且会加大编程难度。方案 2 ：采用独立式按键电路。每个键单独占有一根I/O接口线，每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点是当按键较多时占用单片机的I/O数目较多，优点是电路设计简单，且编程极其容易。由于该系统采用了常规设计方式，使用较多的外围芯片所以IO口充足，而且用键较少，系统资源足够用，故采用了方案二。原理图如图2-2所示。图2-2按键电路2.5电源电路设计电源电路在很大程度上决定了一个系统的稳定性，因此电源电路的设计在于本系统中也占据了重要的地位。方案 1 ：采用USB供电每台PC都有一个USB（通用串行总线）端口，它可以为外设提供500mA的5V+5%供电。带电源的USB集线器也能提供这种供电能力。用USB端口可以为外部电路供电，在没有其他直流电源的情况下，这种方式很有用。方案 2 ：采用电池供电这种方案最为简单，方便，通过4个5号电池的串联，来提供电源所需的电压，操作方便安全，电路简单。综合以上情况，为了减小体积和节约成本，我们选择了方案2。3 基于Atmega16的MINI POV双显示时钟的系统总体结构3.1 MINI POV双显示时钟的系统功能概述功能：系统主要实现功能是:Atmega16单片机接水印开关的外部中断,单片机根据外部中断,进行显示的处理，通过不同状态和功能显示出不同内容。组成及框图：本系统是通过遥控器发送红外线信号使红外一体接收管接收红外信号，一体接收管将红外信号转为TTL信号发送给单片机，单片机通过外部中断捕获TTL信号，并解码信息。传感器电路、控制、LED指示电路设计等将在以下章节作详细地设计。水印开关LED指示电路单 片 机 Atmega16 时钟电路 图3-1 系统硬件电路应用：从实用的角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献。此MINI POV双显示时钟系统具有创新多、高精度等优点、响应速度快，这种系统将会有良好的应用。4基于Atmega16的MINI POV双显示时钟系统总体设计硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。单片机通过INT0输入水银开关的信号，通过PA和PB显示LED信息。MINI POV双显示时钟的硬件设计思路：本次设计单片机部分的硬件框图如 图41所示。CPU执行单元LED显示复位电路 按键时钟电路 图4-1 单片机部分硬件框图具体详细的叙述将在下面的章节中逐一介绍。5 智能遥控窗帘硬件电路设计硬件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以确定电路图的正确性，以及工艺结构的设计加工、印制板的制作、样机的组装等。高性能、低功耗的8位AVR微处理器；先进的RISC 结构；131条指令；大多数指令执行时间为单个时钟周期；32个8位通用工作寄存器；全静态工作；工作于16MHz时性能高达16MIPS；只需两个时钟周期的硬件乘法器；非易失性程序和数据存储器；16K 字节的系统内可编程Flash，擦写寿命: 10,000次；具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作；512 字节的EEPROM，擦写寿命: 100,000次；1K字节的片内SRAM；可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密；JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容)；符合JTAG 标准的边界扫描功能；支持扩展的片内调试功能；通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器具有独立振荡器的实时计数器RTC四通道PWM8路10位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道面向字节的两线接口两个可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器片内模拟比较器特殊的处理器特点上电复位以及可编程的掉电检测片内经过标定的RC振荡器片内/片外中断源l 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby模式32个可编程的I/O口40引脚PDIP封装, 44引脚TQFP封装, 与44引脚MLF封装ATmega16L：2.7 - 5.5VATmega16：4.5 - 5.5V速度等级8MHz ATmega16L0-16MHz ATmega16ATmega16L在1MHz, 3V, 25C时的功耗正常模式: 1.1 mA空闲模式: 0.35 mA掉电模式: 1 A2.1.2 ATmega16 引脚功能引脚名称 引脚功能说明VCC 电源正GND 电源地端口A(PA7.PA0) 端口A 做为A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。端口B(PB7.PB0) 端口B 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能.端口C(PC7.PC0) 端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能.端口D(PD7.PD0) 端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能.RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P36Table 15。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2 反向振荡放大器的输出端。AVCC AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。AREF A/D 的模拟基准输入引脚。2.1.3 ATmega16 内核介绍右边为AVR 结构的方框图为了获得最高的性能以及并行性， AVR 采用了Harvard 结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU 在执行一条指令的同时读取下一条指令( 在本文称为预取)。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的FLASH。快速访问寄存器文件包括32 个8 位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。从而实现了单时钟周期的ALU 操作。在典型的ALU 操作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件。整个过程仅需一个时钟周期。寄存器文件里有6 个寄存器可以用作3 个16 位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。这些附加的功能寄存器即为16 位的X、Y、Z 寄存器。ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。ALU也可以执行单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。程序流程通过有/ 无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间。大多数指令长度为16 位，亦即每个程序存储器地址都包含一条16 位或32 位的指令。程序存储器空间分为两个区：引导程序区(Boot 区) 和应用程序区。这两个区都有专门的锁定位以实现读和读/ 写保护。用于写应用程序区的SPM 指令必须位于引导程序区。在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器(PC) 保存于堆栈之中。堆栈位于通用数据SRAM，因此其深度仅受限于SRAM 的大小。在复位例程里用户首先要初始化堆栈指针SP。这个指针位于I/O 空间，可以进行读写访问。数据SRAM 可以通过5 种不同的寻址模式进行访问。AVR 存储器空间为线性的平面结构。AVR有一个灵活的中断模块。控制寄存器位于I/O空间。状态寄存器里有全局中断使能位。每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。I/O 存储器空间包含64 个可以直接寻址的地址，作为CPU 外设的控制寄存器、SPI，以及其他I/O 功能。映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址0x20 - 0x5F。AVR单片机的型号标识解析1. 型号紧跟的字母，表示电压工作范围。带“V”：1.8-5.5V；若缺省，不带“V”：2.7-5.5V。例：ATmega48-20AU，不带“V”表示工作电压为2.7-5.5V。2. 后缀的数字部分，表示支持的最高系统时钟。例：ATmega48-20AU，“20”表示可支持最高为20MHZ的系统时钟。3. 后缀第一（第二）个字母，表示封装。“P”：DIP封装，“A”：TQFP封装，“M”：MLF封装。例：ATmega48-20AU，“A”表示TQFP封装。4. 后缀最后一个字母，表示应用级别。“C”：商业级，“I”：工业级（有铅）、“U”工业级（无铅）。例：ATmega48-20AU，“U”表示无铅工业级。ATmega48-20AI，“I”表示有铅工业级。AVR 8-Bit MCU的最大特点与其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特点是： 哈佛结构，具备1MIPS / MHz的高速运行处理能力； 超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象； 快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发； 作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力； 片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠； 大部分AVR片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等； 大部分AVR除了有ISP功能外，还有IAP功能，方便升级或销毁应用程序。AVR单片机的应用区域目前，AVR已被广泛用于： 空调控制板 打印机控制板 智能电表 智能手电筒 LED控制屏 医疗设备 GPS从市场角度看AVR单片机 性价比：AVR大部分型号的性价比较高，性价比表现突出的型号有：atmega48