智能充電柜的設計.doc

河南城建學院 畢業(yè)設計（論文）題 目智能充電柜的設計系 別電氣與電子工程系專業(yè)電氣工程及其自動化班級 1214071學號04學生姓名王佼指導教師徐安峰 發(fā)放日期2011年3月10日河南城建學院教務處制河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文）一、主要任務與目標：1.本次設計主要任務：研究智能充電柜的設計， 并完成一下內(nèi)容：（1）自學AVR單片機的相關內(nèi)容。（2）設計電源電路。（3）設計128*64液晶顯示控制電路（4）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)。2.本次設計擬達到以下主要目標：（1）培養(yǎng)學生嚴謹治學的作風和求真務實的科學態(tài)度；（2）培養(yǎng)學生分析問題，靈活應用所學知識解決問題的能力；（3）培養(yǎng)學生通過利用各種渠道獲取自己所需知識信息的能力；（4）培養(yǎng)學生工作方案的論證、分析、執(zhí)行的能力；（5）培養(yǎng)學生利用資料進行系統(tǒng)設計的能力；（6）培養(yǎng)學生利用計算機進行大量數(shù)據(jù)計算得出可用結果的能力；（7）培養(yǎng)學生利用各種繪圖軟件繪制工程圖紙的能力；（8）培養(yǎng)學生的實驗研究和數(shù)據(jù)處理能力；（9）培養(yǎng)學生分工協(xié)作以及團隊合作的能力；（10）提高科技論文寫作方面的能力；二、主要內(nèi)容與基本要求：主要內(nèi)容：設計一個智能充電柜的顯示部分及所用的直流穩(wěn)壓電源。本設計基本要求：1.努力學習、勤于實踐、勇于創(chuàng)新，保質保量的完成畢業(yè)設計任務書規(guī)定的任務。（2（ 2.遵守紀律，保證出勤，因事、因病不能堅持正常設計，應事先向指導教師請假，否則作為曠課處理。無論任何原因，不參加時間達到1/4者，取消答辯資格，成績按不及格處理。（3） 3.獨立完成規(guī)定的設計任務，不弄虛作假，不抄襲和拷貝別人的工作內(nèi)容。否則畢業(yè)設計成績按不及格處理。4.畢業(yè)設計說明書必須符合學院有關規(guī)范要求，否則不能取得參加答辯的資格。5.每天認真書寫畢業(yè)設計日志，日志主要記載學生在畢業(yè)設計過程中所涉及的學術問題，指導教師定時檢查，并給予指導評定。三、計劃進度：1.畢業(yè)設計起止時間： 第5周第14周 2.畢業(yè)設計進度安排 第5周 ：畢業(yè)設計正式開始 ； 學生導師見面，確定畢業(yè)設計小組中每個學生的具體研究任務，借閱查閱有關學術資料，撰寫并提交開題報告。 第6周 對相關知識信息進行收集整理研究，初步確定設計方案第7周 第12周：完成具體設計任務。第13周：打印論文圖紙，按照要求裝訂論文 ；撰寫答辨提綱，進行預答辯。第14周： 畢業(yè)設計總結工作，參加答辯會。 3.畢業(yè)答辯預定時間：第14周周末四、主要參考文獻：1譚浩強著 C程序設計(第二版) 清華大學出版社 19992沈文、Eagle、詹衛(wèi)前編著 AVR單片機C語言開發(fā)入門指導 清華大學出版社 20033金春林、邱慧芳、張皆喜編著 AVR系列單片機C語言編程與應用實例 清華大學出版社 20034武鋒、陳新建編著 PIC單片機C語言開發(fā)入門 北京航空航天大學出版社 20055夏路易、石宗義編著 電路原理圖與電路板設計教程 北京希望電子出版社 20026圖形液晶顯示模塊使用手冊(第二版) 北京精電蓬遠顯示技術有限公司7郭永貞主編 數(shù)字電子技術 西安電子科技大學出版社 20008吳國經(jīng)主編 單片機應用技術 中國電力出版社 20049徐泳龍主編 單片機原理及應用 機械工業(yè)出版社 200410陸坤、奚大順等編著 電子設計技術 199711盧勝利主編 智能儀器設計與實現(xiàn) 重慶大學出版社 200312王兆安、黃俊主編 電力電子技術(第四版) 機械工業(yè)出版社 200213K.Alexander，N.O.Sadiku Fundamentals of electric Circuits 清華大學出版社 2000指導教師（簽名）： 年 月 日教研室審核意見： （建議就任務書的規(guī)范性；任務書的主要內(nèi)容和基本要求的明確具體性；任務書計劃進度的合理性；提供的參考文獻數(shù)量；是否同意下達任務書等方面進行審核。） 教研室主任簽名： 年 月 日注：任務書必須由指導教師和學生互相交流后，由指導老師下達并交教研室主任審核后發(fā)給學生，最后同學生畢業(yè)論文等其它材料一起存檔。成績評定成績評定說明一、答辯前每個學生都要將自己的畢業(yè)設計（論文）在指定的時間內(nèi)交給指導，教師，由指導教師審閱，寫出評語并預評分。二、答辯工作結束后，答辯小組應舉行專門會議按學校統(tǒng)一的評分標準和評分辦法，在參考指導教師預評結果的基礎上，評定每個學生的成績。系對專業(yè)答辯小組提出的優(yōu)秀和不及格的畢業(yè)設計（論文），要組織系級答辯,最終確定成績，并向學生公布。三、各專業(yè)學生的最后成績應符合正態(tài)分布規(guī)律。四、具體評分標準和辦法見平頂山工學院畢業(yè)設計（論文）工作條例中附錄2。五、答辯小組評分包括兩部分：（1）學生答辯情況的得分和評閱教師評分；（2）指導教師對學生畢業(yè)設計（論文）的評分畢業(yè)設計（論文）成績評定班級 1214071 姓名 王佼 學號 04綜合成績： 分（折合等級 ）答辯小組組長簽字 年 月 日答辯小組評定意見一、評語（根據(jù)學生答辯情況及其論文質量綜合評定）。二、評分（按下表要求評定）評分項目答 辯 小 組 評 分評 閱 教 師 評 分合計（40分）完成任務情 況（5分）畢業(yè)設計（論文）質量（5分）表達情況（5分）回答問題情 況（5分）質 量（正確性、條理性、創(chuàng)造性、實用性）（10分）成果的技術水平（科學性、系統(tǒng)性）（10分）答辯小組成員簽字 年 月 日 畢業(yè)答辯說明1、答辯前，答辯小組成員應詳細審閱每個答辯學生的畢業(yè)設計（論文），為答辯做好準備，并根據(jù)畢業(yè)設計（論文）質量標準給出實際得分。2、嚴肅認真組織答辯，公平、公正地給出答辯成績。3、指導教師應參加所指導學生的答辯，但在評定其成績時宜回避。4、答辯中要有專人作好答辯記錄。指導教師評定意見一、對畢業(yè)設計（論文）的學術評語（應具體、準確、實事求是）： 簽字： 年 月 日二、對畢業(yè)設計（論文）評分按下表要求綜合評定評分表評分項目（分值）工作態(tài)度與 紀 律（10分）畢業(yè)設計（論文）完成任務情況與水平（工作量與質量）（20分）獨 立工作能力（10分）基礎理論和基本技能（10分）創(chuàng) 新能 力（10分）合 計（60分）得分河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 目錄 目 錄摘 要IThe design of a charger of intelligenceII前 言1第一章 概 述21.1課題背景21. 2充電電池特性及其充電方式31.2.1電池的安全充電31.2.2電池的背景知識31.2.3充電方法的判定41.2.3停止充電的判別方法51.3 主要芯片的選擇61. 4液晶顯示模塊的選擇8第二章 硬件電路設計92.1 液晶顯示模塊兩種訪問方式接口電路的選擇92.1.1直接訪問方式92.1.2間接控制方式92.2硬件電路主要芯片112.2.1 ATmega16L主要引腳說明112.2.2 Atmega16L的存儲器132.2.3 Atmega16L的時鐘電路142.2.4 Atmega16L的系統(tǒng)復位1423 LCD液晶顯示162.3.1 LCD的顯示原理162.3.2 液晶顯示控制驅動器182.3.3 液晶顯示模塊的特點182.4 電源電路的設計202.5硬件電路設計21第三章 軟件設計233.1.用C語言開發(fā)單片機的優(yōu)勢233.2 液晶顯示漢字或字符的原理243.3 LCD模塊的指令說明243.4 液晶顯示界面27第四章 系統(tǒng)程序流程圖284.1主程序流程圖284.2控制程序流程圖294.3顯示程序流程圖30第五章 遠程監(jiān)控部分325.1電池種類的區(qū)分顯示325.2電池節(jié)數(shù)的區(qū)分顯示325.3電壓電流和溫度的顯示32第六章 畢業(yè)設計總結336.1主要成果336.2經(jīng)驗總結和感謝33參考文獻35附錄A 程序36附錄B65河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 摘要 摘 要LCD液晶顯示已經(jīng)是人機界面的關鍵技術。本文對基于單片機的LCD液晶顯示器控制系統(tǒng)進行了研究。首先在緒論中介紹了本課題的課題背景、研究意義及完成的功能。本系統(tǒng)是以c語言來進行軟件設計，指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存儲空間。為了便于擴展和更改，軟件的設計采用模塊化結構，使程序設計的邏輯關系更加簡潔明了。使硬件在軟件的控制下協(xié)調運作。正文中首先簡單描述系統(tǒng)硬件工作原理，且附以系統(tǒng)硬件設計框圖，并介紹了單片機微處理器的發(fā)展史，論述了本次畢業(yè)設計所應用的各硬件接口技術和各個接口模塊的功能及工作過程, 并描述了8052、8279及SED1520外接電路接口的軟、硬件調試。其次闡述了程序的流程和實現(xiàn)過程。本文撰寫的主導思想是軟、硬件相結合，以硬件為基礎，來進行各功能模塊的編寫。最后對我所開發(fā)的用單片機實現(xiàn)LCD液晶顯示器控制原理的設計思想和軟、硬件調試作了詳細的論述關鍵字：單片機；LCD； 8279The design of a charger of intelligenceAbstractThe LCD manifestation has been the key technique of the man-machine interface. This text to basic proceeded the research in Micro Controller Unit liquid crystal display control system.Introduced the lesson a background of this lesson and study meaning and finished functions in introduction first.This system edits collected materials the language to proceed with single the basic language of a machine the software designs, the instruction carries out the speed quick, save memory. For the sake of easy to expand with the design adoption mold a logic for turning construction, making procedure designing relation that change, software more shorter and more easier to understand. Make hardware control in software descended to moderate the operation.The text inside describes the system hardware work principle in brief first, and attach with the system hardware design frame diagram, combine development history that introduced the single a machine microprocessor, discuss this graduate design a function for applied each hardware connecting a people the technique connects with each one a mold piece and work processes, combine to describe in a specific way 8052,8279 and the SED1520 circumscribes the electric circuit connects oscular and soft, the hardware adjusts to try. Expatiated the process of the procedure the next in order with realizes process. The predominance thought that this text compose is soft, the hardware combines together, regarding hardware as the foundation, proceed the plait of each function mold piece write.Develop to me finally of use the single a machine realizes the design thought that the liquid crystal display of LCD control principle with soft, the hardware adjusted to try to make the detailed treatise.Keywords Micro Controller Unit Microprocessor LCD 8279II66河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 前言前 言隨著越來越多的電器的出現(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。電池技術的持續(xù)進步也要求更復雜的充電算法以實現(xiàn)快速、安全的充電。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。AVR 已經(jīng)在競爭中領先了一步，被證明是下一代充電器的完美控制芯片。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。由于程序存儲器為Flash，因此可以不用象MASK ROM一樣，有幾個軟件版本就庫存幾種型號。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。EEPROM 可用于保存標定系數(shù)和電池特性參數(shù)，如保存充電記錄以提高實際使用的電池容量。10位A/D 轉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。而其他方案為了達到此目的，可能需要外部的ADC，不但占用PCB 空間，也提高了系統(tǒng)成本。AVR 是目前唯一的針對像 “C”這樣的高級語言而設計的8 位微處理器。C 代碼似的設計很容易進行調整以適合當前和未來的電池，而本次智能型充電器顯示程序的編寫則就是用C語言寫的。由于我所設計的智能充電柜是又多個充電器組合在一起，故，就本設計就只說闡述了一個充電器電路的設計。河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 第一章 概述第一章 概 述1.1課題背景如今，隨著越來越多的電器的出現(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。電池技術的持續(xù)進步也要求更復雜的充電算法以實現(xiàn)快速、安全的充電。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。與此同時，對充電電池的性能和工作壽命的要求也不斷地提高。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，可充電電池容量和性能得到了飛速的發(fā)展。目前各種電器使用的充電電池主要有鎳鎘電池（NiCd）、鎳氫電池（NiMH）、鋰電池（Li-Ion）和密封鉛酸電池（SLA）四種類型。電池充電是通過逆向化學反應將能量存儲到化學系統(tǒng)里實現(xiàn)的。由于使用的化學物質的不同，電池有自己的特性。設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。我公司所設計的用電器所用電池主要有鎳鎘電池（NiCd）、鎳氫電池（NiMH）、鋰電池（Li-Ion）和密封鉛酸電池（SLA）四種類型，而且，我公司生產(chǎn)的用電器大部分是每個工人必有一個的，使用充電器是不能滿足要求的，而且造價昂貴，因此，我公司根據(jù)客戶要求，設計了可供這四種電池充電的智能充電柜。由于這四種電池的特性不同，為防止損壞，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。因此，智能型充電電路通常包括了恒流恒壓控制環(huán)路、電池電壓監(jiān)測電路、電池溫度檢測電路、外部顯示電路(LED或LCD顯示)等基本單元。其框圖如下：圖1.1 智能型充電電路框圖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。由于程序存儲器為Flash，因此可以不用象MASK ROM一樣，有幾個軟件版本就庫存幾種型號。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。EEPROM 可用于保存標定系數(shù)和電池特性參數(shù)，如保存充電記錄以提高實際使用的電池容量。10位A/D 轉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。而其他方案為了達到此目的，可能需要外部的ADC，不但占用PCB 空間，也提高了系統(tǒng)成本。AVR 是目前唯一的針對象 “C”這樣的高級語言而設計的8 位微處理器。1. 2充電電池特性及其充電方式電池充電是通過逆向化學反應將能量存儲到化學系統(tǒng)里實現(xiàn)的，由于使用的化學物質的不同，電池的特性也不同，其充電的方式也不大一樣。1.2.1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) 需要能夠對單元電壓、充電電流和電池溫度進行精確地測量，在充滿電的同時避免由于過充電造成的損壞。1.2.2電池的背景知識我公司生產(chǎn)的電器主要使用如下四種電池： 密封鉛酸電池 (SLA) 鎳鎘電池 (NiCd) 鎳氫電池(NiMH) 鋰電池(Li-Ion)在正確選擇電池和充電算法時需要了解這些電池的背景知識。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。SLA 電池以恒定電壓進行充電，輔以電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。只要電池單元電壓不超過生產(chǎn)商的規(guī)定( 典型值為2.2V)， SLA 電池可以無限制地充電。鎳鎘電池(NiCd) NiCd 電池目前使用得很普遍。它的優(yōu)點是相對便宜，易于使用；缺點是自放電率比較高。典型的NiCd 電池可以充電1000 次。失效機理主要是極性反轉。在電池包里第一個被完全放電的單元會發(fā)生反轉。為了防止損壞電池包，需要不間斷地監(jiān)控電壓。一旦單元電壓下降到1.0V 就必須停機。NiCd 電池以恒定電流的方式進行充電。鎳氫電池(NiMH) 在輕重量的手持設備中如手機、手持攝象機，等等鎳氫電池是使用最廣的。這種電池的容量比NiCd 的大。由于過充電會造成NiMH 電池的失效，在充電過程中進行精確地測量以在合適的時間停止是非常重要的。和NiCd 電池一樣，極性反轉時電池也會損壞。NiMH 電池的自放電率大概為20%/ 月。和NiCd 電池一樣，NiMH 電池也為恒定電流充電。鋰電池 (Li-Ion) 和本文中所述的其他電池相比，鋰電池具有最高的能量/ 重量比和能量/ 體積比。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。當充電電流下降到生產(chǎn)商設定的最小電流時就要停止充電。過充電將造成電池損壞，甚至爆炸。1.2.3充電方法的判定 SLA 電池和鋰電池的充電方法為恒定電壓法要限流； NiCd 電池和NiMH 電池的充電方法為恒定電流法，且具有幾個不同的停止充電的判斷方法。最大充電電流 最大充電電流與電池容量(C) 有關。最大充電電流往往以電池容量的數(shù)值來表示。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)。若涓流充電時電流為C/40，則充電電流即為電池容量除以40。過熱 電池充電是將電能傳輸?shù)诫姵氐倪^程。能量以化學反應的方式保存了下來。但不是所有的電能都轉化為了電池中的化學能。一些電能轉化成了熱能，對電池起了加熱的作用。當電池充滿后，若繼續(xù)充電，則所有的電能都將轉化為電池的熱能。在快速充電時這將使電池快速升溫，若不及時停止充電就會造成電池的損壞。因此，在設計電池充電器時，對溫度進行監(jiān)控并及時停止充電是非常重要的。1.2.3停止充電的判別方法電池的不同應用場合及工作環(huán)境限制了對判斷停止充電的方法的選擇。有時候溫度不容易測得，但可以測得電壓，或者是其他情況。本文以電壓變化率(-dV/dt) 為基本的判斷停止充電的方法，而以溫度和絕對電壓值為輔助和備份。但是本文所描述的硬件支持以下講述的所有的方法。t 時間這是決定何時停止充電的最簡單的方法。通常用于快速充電時的后備方案。有時也作為普通充電 (14 - 16 小時) 方法的基本方案。適用于各種電池。V 電壓當電壓超出上限時停止充電。通常與恒定電流充電配合使用。最大電流由電池決定，通常為1C。為了防止充電時電流過大導致電池過熱，此時電流限制是非常關鍵的。這個方法是鋰電池的基本充電和停止方案。實際鋰電池充電器往往在達到最大電壓之后還繼續(xù)進行第二階段的充電，以達到100% 的電池容量。對于NiCd 電池和NiMH 電池本方法可以作為后備的判斷停止充電方案。-dV/dt 電壓變化率這個判斷停止充電的方法利用了負的電壓變化率。對于某些類型的電池，當電池充滿后繼續(xù)充電將導致電壓的下降。此時本方案就非常合適了。這個方法通常用于恒定電流充電，適用于對NiCd 電池和NiMH 電池的快速充電。I 電流當充電電流小于某個預先設定的數(shù)值時停止充電。通常用于恒定電壓充電法。適用于SLA電池和鋰電池。T 溫度絕對溫度可以作為NiCd 電池和NiMH電池停止充電的依據(jù)，但是更適合于作為備份方案。溫度超出設定值時任何電池都得停止充電。dT/dt 溫度上升速率快速充電時溫度的變化率可以作為停止充電的依據(jù)。請參考電池生產(chǎn)商的規(guī)范(NiCd電池的典型值為1oC/min) 適用于NiCd 電池NiMH 電池。DT 超出環(huán)境溫度的溫度值當電池溫度和環(huán)境溫度之差超過一定門限時需要停止充電。此方法可以作為NiCd 電池和SLA 電池停止充電的方案。在寒冷環(huán)境中充電時這個方法比絕對溫度判定法更好由于大多數(shù)系統(tǒng)往往只有一個溫度探頭，只好將充電之前的溫度作為環(huán)境溫度。dV/dt = 0 零電壓差這個方法與-dV/dt 方法極其類似，而且在電壓不會再升高的情況下更準確。 適用于NiCd電池和NiMH 電池。本參考設計完全實現(xiàn)了電池充電器設計的最新技術，可以對各種流行的電池類型進行快速充電而無須修改硬件，從而圍繞單個硬件平臺實現(xiàn)一個完整的充電器產(chǎn)品系列。只需要將新的充電算法通過ISP 下載到處理器的FLASH 存儲器就可以得到新的型號。很顯然，這種方法可以大大縮短新產(chǎn)品上市的時間，而且只需要庫存一種硬件。本設計提供完整的適合SLA、NiCd、NiMH 和Li-Ion 電池的庫函數(shù)。1.3 主要芯片的選擇ATMEL公司是世界上有名的生產(chǎn)高性能、低功耗、非易失性存儲器和各種數(shù)字模擬IC芯片的半導體制造公司。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。由于8051本身結構的先天性不足和近年來各種采用新型結構和新技術的單片機的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)在的單片機市場是百花齊放。ATMEL在這種強大市場壓力下，發(fā)揮Flash存儲器的技術特長，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)結構的新型單片機，簡稱AVR單片機。精簡指令集RISC結構是20世紀90年代開發(fā)出來的，綜合了半導體案成技術和軟例-性能的新結構。AVR單片機采用RISC結構，具有1MIPS/ MHz的高速運行處理能力。為了縮短產(chǎn)品進入市場的時間，簡化系統(tǒng)的維護和支持，對于由單片機組成的嵌入式系統(tǒng)來說，用高級語言編程已成為一種標準編程方法。AVR結構單片機的開發(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。為了對目標代碼大小、性能及功耗進行優(yōu)化，AYR單片機的結構中采用了大型快速存取寄存器組和快速的單周期指令系統(tǒng)。AVR單片機運用Harvard結構，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。在其他的CISC以及類似的RISC結構的單片機中，外部振蕩器的時鐘被分頻降低到傳統(tǒng)的內(nèi)部指令執(zhí)行周期，這種分頻最大達12倍(8051)。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結構的單片機。由于AVR單片機采用了Harvard結構，所以它的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開組織和尋址的。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。同時，由32個通用工作寄存器所構成的寄存器組被雙向映射，因此，可以采用讀寫寄存器和讀寫片內(nèi)快速SRAM存儲器兩種方式來訪問32個通用工作寄存器。AVR主要有單片機有ATtiny、AT90和ATmega三種系列，其結構和基本原理都相類似。本次設計所用到的Atmega16L芯片便是ATmega系列中的一種，在這里作為充電器的核心部件。它是一種具有40引腳的高性能、低功耗的8位微處理器。其功能特性如下： (1) 8位CPU。(2) 先進的RISC 結構：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。具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程。512 字節(jié)的EEPROM，可連續(xù)擦寫100,000 次。1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM，可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密。(4) 可通過JTAG接口實現(xiàn)對FLASH、EEPROM的編程。(5) 32個可編程的I/O引線，40引腳PDIP封裝。(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。(7) 片內(nèi)/ 片外中斷源。(8) 具有一個10位的AD轉換器，能對來自端口A的8位單端輸入電壓進行采樣。(9) 工作電壓：2.75.5V。速度等級：08MHz。AVR單片機的主要特點如下：1.片內(nèi)集成可擦寫10000次以上的Flash程序存儲器。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)。AVR的數(shù)據(jù)存儲器還是以8個Bit(位)為一個單元，因此AVR還是屬于8位單片機。2.采用CMOS工藝技術，高速度(50ns)、低功耗、具有SLEEP(休眠)功能。AVR的指令執(zhí)行速度可達50ns (20MHz)。AVR運用Harvard結構概念，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。當執(zhí)行某一指令時，下一指令被預先從程序存儲器中取出，這使得指令可以在每一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行。3.高度保密(LOCK)。可多次擦寫的FLASH具有多重密碼保護鎖死(LOCK)功能，因此可低成本高速度地完成產(chǎn)品商品化，并且可多次更改程序(產(chǎn)品升級)而不必浪費1C或電路板，大大提高了產(chǎn)品的質量及競爭力。4.超功能精簡指令。具有32個通用作寄存器(相當于8051中的32個累加器)，克服了單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶須現(xiàn)象，1284K字節(jié)SRAM可靈活使用指令計算，并可用功能很強的C語言編程，易學、易寫、易移植。5.程序寫入器件可以并行寫入(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。6.工作電壓范圍為2.7V6.0V,電源抗干擾性能強。7.AVR單片機還在片內(nèi)集成了可擦寫100000次的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。8.有8位和16位的計數(shù)器定時器(C/T)，可作比較器、計數(shù)器、外部中斷和PWM（也可作D/A ）用于控制輸出。1. 4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。液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊作為便攜式儀表的通用器件，在單片機系統(tǒng)的開發(fā)過程中也可以作為常用的程序和電路模塊進行整體設計。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。在單片機系統(tǒng)中使用液晶顯示模塊作為輸出器件有以下優(yōu)點:(1) 顯示質量高液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，因此液晶顯示器畫質高而且不會閃爍。(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。(3) 體積小，重量輕(4) 功率消耗小液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅動IC上，因此耗電量比其它顯示器要小得多。河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 第二章 硬件電路設計第二章 硬件電路設計經(jīng)過前面對充電器原理、液晶模塊、ATmega16L等的總體了解和掌握以及對各種元器件和電路圖的分析和比較后，現(xiàn)在就可以開始進入硬件電路的設計了。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。2.1 液晶顯示模塊兩種訪問方式接口電路的選擇單片機與液晶顯示模塊之間的連接方式分為直接訪問方式和為間接控制方式兩種。如圖2-1和圖2-2所示，其中左為單片機，右為液晶顯示模塊。2.1.1直接訪問方式直接訪問方式就是將液晶顯示模塊的接口作為存儲器或I/O設備直接掛在單片機總線上，單片機以訪問存儲器或I/O設備的方式操作液晶顯示模塊的工作。直接訪問方式的接口電路如圖2-1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。電位器用于顯示對比度的調節(jié)。2.1.2間接控制方式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。單片機通過對這些接口的操作，以達到對液晶顯示模塊的控制。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。電路圖如圖2-2所示。在圖中以 P1口作為數(shù)據(jù)口，P3.4為CSA，P3.3為CSB，P3.2為使能端，P3.1為R/W和P3.0為D/I信號。電位器用于顯示對比度的調節(jié)。PD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6PD7RDWEP2.3P2.2P2.1P2.0DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7GNDVCCV0E/CSA/CSBR/WD/I10K數(shù)據(jù)總線GND +5V電位器 負電源3 1 2 A11 A10 A9 A8 MPU LCM接口圖2. 1 直接訪問方式電路圖數(shù)據(jù)總線 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1 P3.0DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0/CSA/CSBER/WD/IVCCV0GND電位器+5V 10K 負電源 GND MPU LCM接口圖2. 2 間接控制方式電路圖通過比較再結合本次設計的實際條件，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計LCD顯示電路。2.2硬件電路主要芯片2.2.1 ATmega16L主要引腳說明以下是ATmega16L的引腳配置：圖2. 3 ATmega16L芯片引腳引腳說明：VCC 數(shù)字電路的電源GND 地端口A(PA7PA0) 端口A 作為A/D 轉換器的模擬輸入端。端口A 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。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。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7PB0) 端口B 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。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。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。端口C(PC7PC0) 端口C 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。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。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C 處于高阻狀態(tài)。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。端口D(PD7PD0) 端口D 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。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)。RESET 復位輸入引腳。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。XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。AVCCAVCC是端口A與A/D轉換器的電源。不使用ADC時，該引腳應直接與VCC連接。使用ADC時應通過一個低通濾波器與VCC相連。AREFA/D 的模擬基準輸入引腳。2.2.2 Atmega16L的存儲器AVR結構有兩個主要的存儲空間：數(shù)據(jù)存儲器空間和程序存儲器空間，此外，Atmega16L還有一個EEPROM存儲器以保存數(shù)據(jù)。這三個存儲器都為線性的平面結構。(1) Atmega16L具有16K字節(jié)的在線編程Flash，用于存儲程序指令代碼。因為AVR指令為16位或32位，故Flash組織成8K16的形式。用戶程序的安全性要根據(jù)Flash程序存儲器的兩個區(qū)：引導(Boot) 程序區(qū)和應用程序區(qū)，分開來考慮。Flash存儲器至少可以擦寫10,000次。Atmega16L的程序存儲器為13位，因此可以尋址8K的存儲器空間。關于用SPI 或JTAG 接口實現(xiàn)對Flash 的串行下載，將在軟件部分作詳細的介紹。(2) 數(shù)據(jù)存儲器的尋址方式分為5種：直接尋址、帶偏移量的間接尋址、間接尋址、帶預減量的間接尋址和帶后增量的間接尋址。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。(3) ATmega16L 包含512 字節(jié)的EEPROM 數(shù)據(jù)存儲器。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 的壽命至少為100,000 次擦除周期。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。2.2.3 Atmega16L的時鐘電路單片機的時鐘用于產(chǎn)生工作所需要的時序，其連接電路如下圖：圖2. 4 晶體振蕩器連接圖XTAL1 與XTAL2 分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出，考慮到其最大頻率不超過8MHz，這里選用的晶振為7.3728MHz。2.2.4 Atmega16L的系統(tǒng)復位Atmega16L有五個復位源：(1) 上電復位。電源電壓低于上電復位門限Vpot時，MCU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。Vcc Vpot VpotRESET Vrst VrstTIME-OUTINTERINAL tTOUT tTOUT RESET 圖2. 5 RESET引腳與VCC相連時， 圖2. 6 RES