基于单片机的自动量程照度计LCD.doc

天津理工大学2005届本科毕业设计论文基于单片机的自动量程照度计（LCD显示）摘要在建筑、影视和医疗卫生等行业中，照度的测量是很常见的。本文设计了一种具有自动量程转换功能、成本低的LCD显示照度计。本系统是以AVR单片机为核心部件的测量系统，它包括信号采集、信号放大、A/D转换、LCD显示等接口部分。首先，本文选用了光谱响应范围宽，响应时间短，光电转换效率高、PN结面积大的的硅光电池作为照度计的光电转换的探头，提高了测量的精度和范围。其次，本文重点做了以下工作: (1)自动量程转换电路的设计:由于可见光照射硅光电池时产生的光电流范围太大，为了保证A/D转换的精度，本文选用CD4066四模拟开关来实现量程之间的切换，量程切换由单片机控制。(2)显示电路的设计:本系统选用LCD显示 (3)标度变换方式的选择:本系统采用了软件控制，克服了硬件控制费用高、占用线路板面积大，被标度变换的信号不很准确，阻值受温度、湿度等环境的变化而漂移的缺点。关键词: 硅光电池;自动量程转换;A/D转换;AVR单片机；LCDBased on single-chip microcomputer according to the auto-range meter (LCD display)ABSTRACTIn the construction, and health, such as film and television industry, illuminance measurements are very common .In this paper, the design of an automatic conversion range, low-cost LCD display according to meters. The system is based on AVR microcontroller core component of the measurement system, It includes signal acquisition, signal amplification, A / D converter, LCD display interface part. First of all, this paper selected a wide range of spectral response, short response time, high photoelectric conversion efficiency, PN junction area of silicon photovoltaic cells according to meters as the photoelectric conversion of the probe, the measurement accuracy and scope. Secondly , the focus of this paper to do the following work: (1) Auto-range conversion circuit design: As the visible light irradiation of silicon photocell photocurrent generated is too large in size, in order to ensure the A / D conversion accuracy, the paper selected four CD4066 analog switch to switch between the achievement of range, range switch from SCM.(2) show that the design of circuits: LCD display of the system chosen(3) transform the way scaling options: The system uses a software control, to overcome the high cost of hardware control, circuit board area occupied by the scale transformation of the signal is not very accurate, and resistance by the temperature, humidity and other environmental changes the shortcomings of the drift.Key Words: Silicon photovoltaic cells Automatic conversion range A / D conversion AVR Single Chip LCD目 录摘要ABSTRACT第一章绪论1.1本课题的研究背景和意义1.2照度计的现状及发展方向1.3课题研究的内容及特点第二章照度计的工作原理2.1照度计的分类比较2.1.1照度计的分类2.1.2照度计的比较2.2照度计的工作原理2.2.1照度计的测试原理2.2.2照度计的结构原理2.2.3使用要求2.3 光电传感器的选型2.3.1硅光电池的工作原理2.3.2硅光电池的基本特性和参数第三章基于单片机的自动量程照度计硬件系统设计3.1 系统硬件总体设计方案3.2光电转换与信号放大模块3.2.1电路的设计3.2.2运算放大器的选择3.3自动量程转换电路3.3.1设计原理3.3.2工作原理及主要元器件简介3.4 AVR单片机介绍3.4.1 ATmega16芯片3.4.2 ATmega16工作过程3.5 LCD的显示模块3.5.1 LCD的选型3.5.2 LCD的驱动芯片3.5.3 T6963C芯片3.5.4 LCD的电路设计第四章基于单片机的自动量程照度计系统软件设计4.1 单片机的开发语言及环境的选择4.2 程序设计思路4.3 典型功能模块的实现4.3.1.自动量程转换4.3.2 A/D转换软件的实现方法4.3.3 LCD的显示控制第五章设计过程中遇到的问题、解决办法及系统改进展望5.1设计过程中遇到的问题及其解决办法5.2系统的改进参考文献附录1 主要元器件清单附录2 源程序清单致 谢第一章 绪论11课题的研究背景及意义人类和一切生物都生活在光的世界里，没有光，生命活动就会终止。人类在利用自然光源和发嚷人造光源的实践中，无时无刻不在进行着光度的相对比较。在日常的生产和生活中，光度学有着非常广泛的应用，因此，许多厂家开发出各种各样的光度测量仪。光度测量仪有着广泛的应用。近二十年来，随着对材料和产品质量愈来愈严格的要求和控制，对材料的辐射度和光度特性的测量也日趋重要，它已成为光度测量的一个重要部分，如逆反光材料、发光材料等的光度测量，一些物体的反光特性，可以用亮度计进行非接触测量，随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，各种照明设备质量的提高，都需要使用光度测量仪器进行测量。各种汽车、摩托车等前照灯，各种照明灯具的光通墩的测量，热辐射体的红色比,荧光粉的相对亮度的测量都离不开光度测量仪器。还有，教室照明关系到孩子的视力，隧道和道路照明关系到行车安全，体育场的照明情况测量等等，可以说，光度测量与人们的生活密切联系着。由于照度测量的原理比较简单，所以照度测量是目前最流行的光度测量形式。照度计是光度测量仪的一种,目前主要广泛应用于科研、生产、军工、电子、轻纺、影视、建筑、交通以及医疗保健和卫生防疫等专业领域。随着人类居住环境和生活水平的提高， 绿色照明工程越来越被人们所关注，现在照度计正在走入人们的生活。目前，照度计分为常用指针式和专用的数显式，常用的指针式需手动的进行量程换档，操作麻烦且测量精度不高，专用数显式的测量精度很高，但测量范围有限，功能太多且成本偏高。随着计算机技术、电子技术和通信技术的迅猛发展，尤其是集成芯片和电路的问世，功能日趋完善，成本不断降低，使得各种智能化仪器应用越来越多，以单片机为核心的照度计，具有智能化、操作方便、硬件电路简单的特点：所以设计低成本，应用范围广， 的照度计是非常必要。随着微电子技术、计算机技术、软件技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。纵览目前国内外的照度计，往往需要人为换量程确定数值而且误差偏大。为了研究体积比较小、功能强大、自动量程的照度计，充分利用现代单片机技术，研究了基于单片机的自动量程照度计，人机界面友好、操作方便，具有十分重要的意义.1.2照度计的现状及发展方向当前照度计基本上分为两种方案，一种方案是采用光电传感器元件把光信号转变成电信号、电信号经过放大和A/D转换，最后由LED数码管或LCD显示出测量数据。显示出测量数据：另一方案就是在A/D转换器后面再加一个单片机来控制整个系统的工作。同时传感器配制V()修正滤光片，符合国际照明委员会(CIE)定的人跟视觉特性，并配有余弦校正器， 使传感器对不同角度光的响应值符合余弦法则，对点、线、面光源及各种不同顏色的可见充能准确测量.照度计作为一种数字式仪表随着新技术和新工艺的不断发展，将有以下发展趋势：(1)最先应用新的科学研究成果，高新技术大量采用仪器仪表装置不仅本身已成为髙技术的新产品，而且利用新原理、新概念、新技术、新材料和新工艺等最新科技成果集成的仪器仪表装置和系统层出不穷。模块化的发展方向（2）模块化的发展方向新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。预计在不久的将来，照度计将由标准化、通用化、系列化的模块构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大的方便。表面安装技术（SMT）和表面安装元器件（SMD）将获得普遍应用。这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突破。所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路(SMIC）和表面安装元件，用粘贴工艺直接安装在印刷板上，再用波峰焊接机焯接，由此取代传统的打孔焊接工艺，使印剧板安装密度大为增加，可靠性得到明显提高。(3)安全性仪器仪表在设计和使用中的安全性，对于生产厂家和广大用户都是至关重要的问题。一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路，并使之符合国际标准（例如美国UL认证，欧洲GS认证，1S09001国际标准质量认证）；另一方面用户必须安全操作，时刻注意仪表上的各种安全警告指示。仪表的保护电路在于最大限度的减小或防止因误操作而造成的危害。(4)操作简单化(5)技术指标不断提高仪器仪表在提高检测控制技术指标上是永远的追求，仪器仪表的技术指标水平是一个国家仪器仪表发展水平的量化标志。(6)不断徼型化、智能化、精美化1.3课题研究的内容及特点基于单片机的自动量程照度计（LCD显示）帮助工作人员测量照度的仪器。既可以自动转换量程又可以进行LCD显示。主要研究的课题内容是：一种具有自动量程转换功能、测量精度高、成本低的数显照度计。系统是以单片机AVR为核心部件的测量系统，它包括信号采集、信号放大、AD转换、液晶显示等通信接口部分。量程的自动转化通过单片机自动进行，并将输出结果显示到LCD上面. 开发过程中在考虑系统总体设计和数据库结构设计的同时，还应体现以下设计特点：1：操作性：自动量程照度计必须做到傻瓜式操作方便个人使用。2：实用性：整个仪器应立足于工业农业及家庭使用。有助于材料的储存，眼睛的保护,皮肤的保养，像机拍摄，作物种植 等等有关工业农业生活中的问题。通过自动量程照度计可以随时随地轻松，方便，快捷的获取该点的照度值。3：准确性：选用了光谱响应范围宽，响应时间短，光电转换效率高、PN结面积大的的硅光电池作为照度计的光电转换的探头，并把它做成一个单独的光探头，提高了测量的精度和范围。其次，光电转换前置放大电路的设计：为了提高照度计的测量准确度，确保光电间的线性关系，本设计把运算放大器接成电流电压变换器的形式，一方面可得到零负载效应；另一方面，短路电流通过反馈电阻变成电压量，实际效果相当于流过一个负载电阻形成的压降。(2)自动量程转换电路的设计：由于可见光照射硅光电池时产生的光电流范围太大，保证AD转换的精度，量程的切换有单片机自动进行保证了测量过程中的误差小精度高的特点。第二章 照度计的工作原理2.1照度计的分类比较2.1.1照度计的分类 照度计主要分为三种：硅光电池，光敏二极管，光敏三极管2.1.2照度计的比较（1） 硅光电池：硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。（2） 光敏二极管：光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。（3） 光敏三极管：光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。2.2照度计的测试原理和方法2.2.1照度计的测试原理 照度是受照平面上接受的光通量的面密度。照度汁是用于测量被照面上的光照度的仪器，是光照度测量中用得最多的仪器之一。照度计(或称勒克斯计)是一种专门测量光度、亮度的仪器仪表。就是测量光照强度(照度) 是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比。照度计通常是由硒光电池或硅光电池和微安表组成2.2.2照度计的结构原理 照度计由光度头（又称受光探头，包括接收器、V（）对滤光器、余弦修正器）和读数显示器两部分组成。其结构见图1。 图1 照度计的结构原理图 光电池是把光能直接转换成电能的光电元件。当光线射到硒光电池表面时，入射光透过金属薄膜4到达半导体硒层2和金属薄膜4的分界面上，在界面上产生光电效应。产生电位差的大小与光电池受光表面上的照度有一定的比例关系。这时如果接上外电路，就会有电流通过，电流值从以勒克斯（Lx）为刻度的微安表上指示出来。光电流的大小取决于入射光的强弱和回路中的电阻。照度计有变档装置，因此可以测高照度，也可以测低照度。2.2.3使用要求 （1）光电池应用直线性好的硒(Se)光电池或硅(Si）光电池;长时间工作仍能保持良好的稳定性,且灵敏度高;高E时选用高内阻的光电池,其灵敏度低而线性好,受强光照射不易受损（2）内付有V()修正滤光片,适宜用异色温光源的照度,误差小（3）光电池前加一块余弦角度补偿器(乳白玻璃或白色塑料)原因是入射角大时,光电池偏离余弦定则（4）照度计应工作在室温或接近室温下(光电池漂移随温度改变而发生改变）2.3 光电传感器的选型目前,光电检测技术中常用到的一些光电检测器件有硅光电池、光敏二极管、光敏三极管、PNI光敏电阻、光敏电池以及CCD阵列等一些半导体器件。通过比较只有硅光电池是最理想的选择，它不需要外加电源就能直接把光能转换成电能， 而且光电流和照度成线性；它的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近；它的响应时间短、性能稳定,光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等优点。故选择硅光电池作为此系统的光电检测器件。2.3.1硅光电池的工作原理硅光电池是一种利用光生伏特效应制成的光电转换器件，通过将光信号转变为电信号来检测待测量。光电池工作原理，当光照射P-N结时，原子受激发而产生电子一空穴对，由于电子和空穴分别向两极移动而产生电动势，两板接入电路就能产生电流了,。硅光电池是-种直接把光能转换成电能的丰导体器件。它的结构很简单，核心是一个大面积的P-N结，如图 硅光电池响应时间短（10-1010-6s),光电池转换效率高（目前转换效率高达27.5%的硅光电池已经研制成功）。若有1m3的这种光电池，在足够的阳光照射下，可以产生100多瓦的电能。 硅光电池主要有两个方面的应用，即作为电源和作为光电检测器件的应用。硅光电池作为测量元件使用时，应当作电流源，不宜做电压源。第三章 基于单片机的自动量程照度计硬件系统设计3.1 系统硬件总体设计方案3.2光电转换与信号放大模块3.2.1电路的设计3.2.2运算放大器的选择 1、运算放大器的原理运放如下图有两个输入端a，b和一个输出端o.也称为倒向输入端(反相输入端),非倒向输入端(同相输入端)和输出端.当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压的零位,它相当于电路中的参考结点.)之间,且其实际方向从a 端指向公共端时,输出电压U实际方向则自公共端指向o端,即两者的方向正好相反.当输入电压U+加在b端和公共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同.为了区别起见,a端和b 端分别用-和+号标出,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性.电压的正负极性应另外标出或用箭头表示.反转放大器和非反转放大器如下图： 一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压2、运算放大器类型按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。1通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例A741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。2高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid1G1T,IB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。3低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。4高速型运算放大器在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、A715等,其SR=5070V/us,BWG20MHz。5低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为2V18V,消耗电流为50250A。目前有的产品功耗已达W级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。6高压大功率型运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达150V,A791集成运放的输出电流可达1A。7.可编程控制运算放大器在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出,就必须改变运算放大器得放大倍数.例如:有一运算放大器得放大倍数为10倍,输入信号为1mv时,输出电压为10mv,当输入电压为0.1mv时,输出就只有1mv,为了得到10mv就必须改变放大倍数为100.程控运放就是为了解决这一问题而产生得.例如PGA103A,通过控制1,2脚的电平来改变放大的倍数. 3、运算放大器主要参数1.共模输入电阻(RINCM)该参数表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。2.直流共模抑制(CMRDC)该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。3.交流共模抑制(CMRAC)CMRAC用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。4.增益带宽积(GBW)增益带宽积AOL * 是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。5.输入偏置电流(IB)该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。6.输入偏置电流温漂(TCIB)该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。TCIB通常以pA/C为单位表示。7.输入失调电流(IOS)该参数是指流入两个输入端的电流之差。8.输入失调电流温漂(TCIOS)该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。TCIOS通常以pA/C为单位表示。9.差模输入电阻(RIN)该参数表示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。 10.输出阻抗(ZO)该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。11.输出电压摆幅(VO)该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，VO一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。12.功耗(Pd)表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，Pd通常定义在空载情况下。13.电源抑制比(PSRR)该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力，PSRR通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。 14.转换速率/压摆率(SR)该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR通常以V/µs为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。15.电源电流(ICC、IDD)该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。16.单位增益带宽(BW)该参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。17.输入失调电压(VOS)该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。18.输入失调电压温漂(TCVOS)该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以µV/C为单位表示。19.输入电容(CIN)CIN表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容(另一输入端接地)。20.输入电压范围(VIN)该参数指运算放大器正常工作(可获得预期结果)时，所允许的输入电压的范围，VIN通常定义在指定的电源电压下。21.输入电压噪声密度(eN)对于运算放大器，输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源，eN通常以 nV / 根号Hz 为单位表示，定义在指定频率。22.输入电流噪声密度(iN)对于运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端，通常以 pA / 根号Hz 为单位表示，定义在指定频率。 3.3自动量程转换电路3.3.1设计原理3.3.2工作原理及主要元器件简介1.四模拟开关CD4066(1) CD4066电子开关结构CD406 6 是一个内含 四组类比开关的 IC ,芯片结构如图 3 所示 。所谓类比开关就是能利用控制端的数位信号 ,来决定输入端类比信号是否能到达输出端的元件 。CD4066类比开关 , 信号两端均可作为输入端或输出端 ,也就是说其中一端若为输入端 ,另一端就是输出端了,另外 CD4066的频率响应也非常好 , 高达1MHz以上 。因此可以利用 CD4066对四路模拟量进行切换测量。 (2)CD4066功能特点D4066 集成电路内部主要由四路功能完全相同的电子开关组成，各组开关分别受其相应引脚输入的电平控制，使电子开关接通或断开。它们的控制引脚为13脚(控制与间开关)、脚(控制与间开关)、脚(控制与间开关)、12脚(控制与11间开关)。 3.4 AVR单片机介绍AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AVR的主要特性：高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位 , 一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后的 CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(51以及51兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世,但依然沿袭对时钟分频的作法。 AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。 AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。提高了指令执行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。 AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的EEProm可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序,并可像MCS-51单片机那样扩展外部 RAM。 AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使的得I/O口资源灵活、功能强大、可充分利用。 AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供URAT、I2C、SPI使用。其中与8/16位定时器配合的具有多达10 位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。AVR单片机独有的“以定时器/计数器（单）双向计数形成三角波，再与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法(即脉宽调制输出PWM)”更是令人耳目一新。增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。 面向字节的高速硬件串行接口TWI、SPI。TWI与I2C接口兼容，具备ACK信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主/从机的收/发全部4种组合的多机通信。SPI支持主/从机等4种组合的多机通信。 AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源(自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位)，可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。 AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5-2.7V），抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。 AVR单片机技术体现了单片机集多种器件(包括FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等)和多种功能(增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具替换功能的I/O端口 )于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统SoC”过渡的发展方向。 综上所述，AVR单片机博采众长，又具独特技术，不愧为8位机中的佼佼者。 总结，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系列单片机的选型 AVR单片机系列齐全,可适用于各种不同场合的要求。AVR单片机有3个档次: 低档Tiny系列AVR单片机: 主要有Tiny11/12/13/15/26/28等； 中档AT90S系列AVR 单片机: 主要有AT90S1200/2313/8515/8535等； (正在淘汰或转型到Mega中)高档ATmega系列AVR单片机: 主要有ATmega8/16/32/64/128（ 存储容量为8/16/32/64/128 KB）以及ATmega8515/8535等。 AVR也是自动电压调节器的缩写3.4.1 ATmega16芯片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算数逻辑单元(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。1、 ATmega16引脚图2、 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。本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash允许程 序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用 Flash存储区时引导 Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内， 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3.4.2 ATmega16工作过程3.5 LCD的显示模块3.5.1 LCD数码管的选择3.5.2 LCD的驱动芯片T6963C芯片 1.T6963C 的主要特性：1显示格式（通过管脚变成可以选择） 列数：（可显示字符列数）：32，40，64，80 行数：（可显示字符行数）：2，4，6，8，10，12，14，16，20，24，28，32 极限显示尺寸为80列X30行，但由于工作频率高为5.5MHz，所以实际上最大显示尺寸为80列X8行或者40列X16行 2字符字根（可以通过管脚变成选择）水平点数：5.6.7.8 垂直点数 8（固定） 因此可以实现字根为：5X8,6X8,7X8,8X8四种点阵字符，对于徒刑模式也应定义一个字根，通常在徒刑模式为了合理的实用显示存储器，选择水平点阵数最好为8，振荡频率并不因字根的选择而变化。3显示占空 1/16-1/1284字符发生器：内置字符发生器ROM内，已内置了128个常用的字符，外加字符发生器 可定义一个128个（80H-FFH码）字符或者256个（00H-FFH）自定义字符，这一点通过软件设置实现。5外加显示存储器 最大寻址64K，通过软件可以将其划分为文本区，图形区和外加字符发生器字符点阵数据区。6 再由CPU进行数据读写之间显示字屏上无噪声（干扰）7具有内置振荡电路：使用内置振荡电路时，外加电容，当采用晶体时：外加电容20-30PF，陶瓷时30-10PF片内已置有反馈电阻：典型值为900K T6963C也可以实用外时钟信号，此时 X1作为时钟信号的输入端 X0端开路。8除了具有内置RAM之外 东芝大规模LCD驱动器都可以与T6963C芯片相连。9由于T6963C芯片相连接。10在文本方式具有属性功能2.描述： T6963C是大规模点阵图形式液晶显示控制器，他被用于控制大规模液晶显示驱动芯片和显示数据存储器，它具有一条8位并行数据总线和一组控制总线通过这些总线可以很方便的与多种MPU微处理器进行指令或数据传递可以直接与CPU相连接。 T6963C有一个内置自负发生器ROM，内有128个5X7点阵的ASCII字符，它还具有外加字符发生器功能，可以使用户自定义所需文字或图形，它可控制外加显示存储器RAM，可直接寻址显示存储器64K，这一存储器可以很方便的被设置成文本，图形和外字符发生器的显示数据存储区 显示窗口能够在设置的存储区内自由移动， 通过编程设置，选择不同的逻辑组合，T6963C支持很宽范围的LCD格式，能够被用于文本模式，图形模式。及文本-徒刑的组合模式，诸如正常显示反显示 闪烁 翻页 滚屏 及动画 等丰富的显示功能。 3.引脚图：4.引脚功能3.5.4 LCD的电路设计第四章 基于单片机的自动量程照度计系统软件设计4.1 单片机的开发语言及环境的选择在一个自动控制系统中.系统的硬件是系统实现功能的物理基础，但是只有硬件而无软件的系统是无法工作的。软件是系统的灵魂，系统依靠软件实现其各个功能。并且软件编制的合理可以有效的发挥、扩展硬件的功能，还可以完善抗干扰能力，因此软件编制是本控制系统设计的另一个重点.。单片机系统只有硬件还不能工作，必须有软件来控制单片机运行.-般实时测控系统应用软件的特点是输入输出功能强，实时性强，可靠性髙。采用汇编语言或C语言来编制程序,采用C语言编制程序有其自身的优点,.因而汇编出的目的程序占用内存间小且执行速度快，易于实现中断管理及模拟(或数字)量输入输出等、代码效率髙的特点,便于实现控制系统的软件设计。，因此在本系统的程序设计中都采用C语言的编制方式。运行环境：4.2 程序设计思路4.3 典型功能模块的实现4.3 典型功能模块的实现4.3.1.自动量程转换4.3.2 A/D转换软件的实现方法4.3.3 LCD的显示控制第五章设计过程中遇到的问题、解决办法及系统改进展望5.1设计过程中遇到的问题及其解决办法参考文献附录1 主要元器件清单附录2 源程序清单致谢袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄