多功能實驗開發(fā)板畢業(yè)設(shè)計

1、鄭州輕工業(yè)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 AVR多功能實驗開發(fā)板的設(shè)計學(xué)生姓名 楊飛專業(yè)班級 電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)05-1 學(xué) 號 200511010140 院 （系） 技術(shù)物理系 指導(dǎo)教師(職稱) 張曉冬(助教)完成時間 2009 年 5 月 24 日 目 錄中文摘要英文摘要1引言12課題研究背景22.1市場上單片機(jī)實驗開發(fā)板情況22.2課題研究的意義33課題研究內(nèi)容43.1研究主要內(nèi)容43.2主要方案選擇44主要器件的原理及應(yīng)用54.1ATmega165性能5引腳說明74.1.34.1.3 AVR CPU 內(nèi)核94.2STC89C5210性能10內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及外部管腳圖114.374HC595

2、芯片資料12芯片特點12輸出能力12芯片描述13參考數(shù)據(jù)13引腳說明134.4高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列ULN200315概述與特點15外部管腳圖15極限值164.5DS18B20溫度采集芯片16芯片特性16的內(nèi)部結(jié)構(gòu)17溫度傳感器的存儲器18使用中注意事項194.6DS130219概述194.6.2DS1302 的基本組成和工作原理214.6.3DS1302 內(nèi)部寄存器214.724C0221位串行 E2PROM21工作特性和可靠參數(shù)22概述22極限參數(shù)23可靠性參數(shù)23功能描述234.7.7管腳描述234.812864液晶顯示24概述24基本特性25方框圖26外形尺寸圖26模塊接口說明27模

3、塊主要硬件構(gòu)成說明27信號285整體電路設(shè)計295.1主控制MCU模塊295.2DS1302時鐘模塊315.374HC595串轉(zhuǎn)并模塊325.48*8點陣模塊325.5數(shù)碼管模塊335.6流水燈模塊345.7串行通信模塊355.8液晶顯示模塊365.9直流/步進(jìn)電機(jī)模塊375.10蜂鳴器/繼電器模塊375.11實驗板電路總體概括385.12結(jié)束語39致謝40參考文獻(xiàn)41附錄142附錄243附錄 344AVR多功能實驗開發(fā)板的設(shè)計摘 要本實驗開發(fā)板是綜合AVR和51單片機(jī)的多功能實驗板，采用ATMEL公司的中高檔MCUATmega16L和深圳宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52作為實驗開發(fā)板的“雙核”

4、CPU。兩種CPU的共同之處是均支持在線編程，不需為下載程序而專門購置所謂的編程器，徒增成本。另外，本實驗開發(fā)板采用了排線連接的方式，將各部分功能模塊單獨引出插頭以供實驗，這樣不僅提高了編程的靈活性而且給學(xué)習(xí)者以自由的編程思路；單獨的功能模塊使得電路減少了更或者說是避免了管腳復(fù)用所造成的種種干擾。再者，考慮到AVR和51的驅(qū)動差異，特有數(shù)碼管和8*8點陣的驅(qū)動添加，從而使AVR和51的各部分試驗功能得以吻合。該實驗開發(fā)板的實驗功能齊全，實驗?zāi)K數(shù)量不低于實驗開發(fā)箱，但成本卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實驗開發(fā)箱，比較適合學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)使用。關(guān)鍵詞 ATmega16L STC89C52 實驗開發(fā)板THE EXPERIM

5、ENTAL DEVELOPMENT OF MULTI-FUNCTION BOARD FOR AVRABSTRACTThis experiment exploitation board be the experiment board synthesizing AVR and 51 monolithic machine multiple functions, In adopt the ATMEL companys, STC89C52 that top grade MCU ATmega16L and the grand Shenzhen crystal company produce develop

6、s unnatural dicaryon CPU as the experiment. Two place of growing the CPU common are to support the online programming equally , specially, buy the so-called programming implement , increase cost only to download procedure . The experiment has developed the way that board has adopt to link up row gle

7、am besides , Originally , the function module has drawn forth an attachment plug to provide an experiment alone with every part , such has improved the programming flexibility not only giving a free programming of learner a train of thought; The feasible circuit of single-handed function module has

8、decreased by more in other words , being to have avoided what pin multiplexing brings about a variety of disturbances. Moreover, think to AVR and 51s drive difference, proper numerical code and 8*8lattice drive addition, Make AVR and every 51s parts test that the function can be fitted thereby. The

9、experiment function owing an experiment the board developing is all in readiness , The experiment module is not lower than the chest developing an experiments , the chest developing an experiments but over lower than the experiment , the learner comparatively suitable learns being put into use but.K

10、EY WORDSATmega16L，STC89C52， experiment develops board引言隨著單片機(jī)課程在大學(xué)工科類專業(yè)的開設(shè)和普及，單片機(jī)課程已經(jīng)日益成為不可缺少的重點課程?？萍嫉陌l(fā)展和自動化的日漸興起，使得單片機(jī)成為硬件設(shè)計人員和工程開發(fā)人員關(guān)注的焦點。單片機(jī)的種類也逐漸的由Inter的51單片機(jī)發(fā)展為種類繁多、功能強(qiáng)大的單片機(jī)體系。我們所學(xué)的課程往往太過偏重于理論，雖然開設(shè)有實驗課，但實驗室終究是不可能整日開放的，而且買一套實驗室里的實驗開發(fā)設(shè)備對學(xué)生來說是一筆不小的數(shù)目。為此，市面上出現(xiàn)了諸多種類和性能的單片機(jī)實驗開發(fā)板，以滿足初學(xué)者的編程鍛煉需要。本實驗開發(fā)板綜合

11、了AVR和51的單片機(jī)作為板子的CPU，外部設(shè)置了種類齊全的實驗?zāi)K，而且考慮到AVR和51單片機(jī)之間的驅(qū)動差異，特別添加了數(shù)碼管和8*8點陣的驅(qū)動電路；開發(fā)板采用排線連接，各實驗?zāi)K均設(shè)有連接端口，這種方式的設(shè)計不局限編程思維，使學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的想法使用單片機(jī)端口；AVR和51同處一板，這樣等于擁有了兩套不同種類單片機(jī)的開發(fā)板，當(dāng)然，在51單片機(jī)的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)AVR會更容易了解和掌握AVR單片機(jī)的性能。該開發(fā)板的功能不亞于實驗室的實驗開發(fā)箱，但是成本卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開發(fā)箱，這為單片機(jī)初學(xué)者提供了性價比超高的實驗平臺。而且具備完善的實驗源程序，對初學(xué)者的單片機(jī)語言學(xué)習(xí)更有幫助。大部分獨立模塊之間可

12、以同時進(jìn)行實驗或者進(jìn)行復(fù)用，實驗開發(fā)板MCU外擴(kuò)插槽為雙排插槽，可為電路復(fù)用準(zhǔn)備。課題研究背景市場上單片機(jī)實驗開發(fā)板情況在現(xiàn)在的市場中，單片機(jī)實驗開發(fā)板的種類繁多，特別是僅僅51單片機(jī)實驗開發(fā)板就琳瑯滿目，試驗功能也不盡相同。但是占據(jù)開發(fā)板市場排行之首的仍然是51實驗開發(fā)板，這是由于51單片機(jī)是其他種類單片機(jī)的始祖，人們已經(jīng)習(xí)慣了用51單片機(jī)去做一些智能控制。當(dāng)然，其他新品種的單片機(jī)實驗開發(fā)板也不在少數(shù)，只是人們對這種新品種單片機(jī)仍缺乏認(rèn)識和信任，也或者說是先入為主吧，所以這些新型的單片機(jī)實驗開發(fā)板在數(shù)目和氣勢上必然會劣于51。(1)51實驗開發(fā)板 在目前的高校單片機(jī)課程中，51單片機(jī)占百分之

13、九十以上，所以51開發(fā)板必然會成為高校單片機(jī)試驗設(shè)備所必須的，而且它也是單片機(jī)實驗開發(fā)板中的領(lǐng)頭軍，因此51開發(fā)板在市場中所占的份額也是最大的。(2)AVR實驗開發(fā)板AVR單片機(jī)作為新一代高性能低功耗的單片機(jī)，其性能優(yōu)點讓之脫穎而出。但市面上的AVR實驗開發(fā)板數(shù)目很少，在大學(xué)課程里仍很少開設(shè)，但是基于AVR單片機(jī)的電路已經(jīng)開始普遍。就AVR單片機(jī)實驗開發(fā)板來說，確實有一定開發(fā)價值。(3)其他種類單片機(jī) 在單片機(jī)大家庭當(dāng)中，除了前兩種之外還有Microchip 單片機(jī)、TI 公司的 MSP430 系列單片機(jī)、凌陽單片機(jī)、Motorola 單片機(jī)、Zilog 單片機(jī)、Scenix單片機(jī)、NEC單片

14、機(jī)等等。這些品牌單片機(jī)大部分的八位單片機(jī)還是51內(nèi)核，用作實驗板的較少。課題研究的意義單片機(jī)課程在大學(xué)工科類專業(yè)的開設(shè)和普及，使單片機(jī)課程成為不可缺少的重點課程。而且單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，學(xué)習(xí)單片機(jī)的必要性有目共睹。實驗室具備單片機(jī)實驗設(shè)備，但實驗室終究是不可能整日開放的，而且買一套實驗室里的實驗開發(fā)設(shè)備對學(xué)生來說是一筆不小的數(shù)目。市面上所出售的單片機(jī)實驗開發(fā)板往往功能不太齊全，而且單片機(jī)固定不變，使學(xué)習(xí)者必須去學(xué)習(xí)某一種單片機(jī)而沒有其它單片機(jī)的實驗設(shè)備，從而造成了單片機(jī)學(xué)習(xí)的局限。鑒于此，設(shè)計AVR多功能實驗開發(fā)板，打破單一的單片機(jī)實驗的種類局限，而且對這兩種不同的單片機(jī)兼容了實驗?zāi)K，讓學(xué)

15、習(xí)者用同音、模塊做不同的單片機(jī)實驗。另外，該開發(fā)板的獨立接線模塊可以用來做非本板的實驗，比如說用其它的單片機(jī)來控制該開發(fā)板上的實驗?zāi)K。開發(fā)板綜合了AVR和51的單片機(jī)作為板子的CPU，外部設(shè)置了種類齊全的實驗?zāi)K，而且考慮到AVR和51單片機(jī)之間的驅(qū)動差異，特別添加了數(shù)碼管和8*8點陣的驅(qū)動電路；開發(fā)板采用排線連接，各實驗?zāi)K均設(shè)有連接端口，這種方式的設(shè)計不局限編程思維，使學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的想法使用單片機(jī)端口；AVR和51同處一板，這樣等于擁有了兩套不同種類單片機(jī)的開發(fā)板，當(dāng)然，在51單片機(jī)的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)AVR會更容易了解和掌握AVR單片機(jī)的性能。該開發(fā)板的功能不亞于實驗室的實驗開發(fā)箱，但是

16、成本卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開發(fā)箱，這為單片機(jī)初學(xué)者提供了性價比超高的實驗平臺。而且具備完善的實驗源程序，可以輔助學(xué)習(xí)單片機(jī)語言，減少單片機(jī)學(xué)習(xí)中的彎路。課題研究內(nèi)容研究主要內(nèi)容(1) ATmega16L的外部接口及擴(kuò)展；(2) STC89C52的外部接口及擴(kuò)展；(3) 數(shù)碼管驅(qū)動電路及程序；(4) 8*8點陣驅(qū)動電路及程序；(5) 74HC595串轉(zhuǎn)并電路及程序；(6) 4*4鍵盤電路及程序；(7) 時鐘模塊DS1302電路及程序；(8) 液晶模塊12864/1602電路及程序；(9) 溫度采集模塊18B20電路及程序；(10) 直流/步進(jìn)電機(jī)電路及PWM調(diào)速程序；(11) 紅外接收模塊SM3381電路；

17、(12) 串行通信模塊電路MAX232；(13) 流水燈、PS/2接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換、蜂鳴器、繼電器，EEP電路等等主要方案選擇(1)實驗板中的AVR主控器芯片選用ATMEL公司的ATmega16L，這是一款很特別的多接口芯片,而且在接口設(shè)計方面的表現(xiàn)很優(yōu)秀。其較高于51的驅(qū)動電流可以直接驅(qū)動小型繼電器等器件，它也是AVR單片機(jī)的典型芯片。(2)實驗板中的51芯片采用STC89C52，它支持串口下載程序，免去了編程器，比較適合作為51實驗板的典型芯片。(3)整板電路采用5V電壓，因此所用芯片器件均采用5V的，包括繼電器、直流電機(jī)等。主要器件的原理及應(yīng)用ATmega16ATmega16L性能(1)

18、高性能、低功耗的 8 位 AVR微處理器1(2)先進(jìn)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 工作于 16 MHz 時性能高達(dá) 16 MIPS 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器(3) 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash， 擦寫壽命 : 10,000 次 具有獨立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū)通過片上 Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時讀寫操作 512 字節(jié)的 EEPROM 擦寫壽命 : 100,000 次 1K 字節(jié)的片內(nèi) SRAM 可以對鎖定位進(jìn)行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密(4) JTAG

19、接口 ( 與 IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容 ) 符合 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能 通過 JTAG 接口實現(xiàn)對 Flash、 EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程(5) 外設(shè)特點 兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時器 / 計數(shù)器 一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 / 計數(shù)器 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器 RTC 四通道 PWM 8 路 10 位 ADC，8 個單端通道，TQFP 封裝的 7 個差分通道，2 個具有可編程增益 （1x, 10x, 或 200x）的差分通道 面向字節(jié)的兩線接口 兩個可編程的串行 USART 可工作于主機(jī) /

20、從機(jī)模式的 SPI 串行接口 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器 片內(nèi)模擬比較器(6) 特殊的處理器特點 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器 片內(nèi) / 片外中斷源 6 種睡眠模式 : 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴(kuò)展的 Standby 模式(7)I/O 和封裝 32 個可編程的 I/O 口 40 引腳 PDIP 封裝 , 44 引腳 TQFP 封裝 , 與 44 引腳 MLF 封裝(8) 工作電壓 : ATmega16L：2.7 - 5.5V ATmega16：4.5 - 5.5V(9) 速度等級 0 - 8 MHz

21、ATmega16L 0 - 16 MHz ATmega16(10) ATmega16L 在 1 MHz, 3V, 25C 時的功耗 正常模式 : 1.1 mA 空閑模式 : 0.35 mA 掉電模式 : 低I/O緩沖DR配合/W進(jìn)行寫數(shù)據(jù)或指令高DRI/O緩沖配合R進(jìn)行讀數(shù)據(jù)或指令低/低高無動作 忙標(biāo)志:BFBF標(biāo)志提供內(nèi)部工作情況.BF=1表示模塊在進(jìn)行內(nèi)部操作,此時模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù).BF=0時,模塊為準(zhǔn)備狀態(tài),隨時可接受外部指令和數(shù)據(jù). 利用STATUS RD 指令,可以將BF讀到DB7總線,從而檢驗?zāi)K之工作狀態(tài). 字型產(chǎn)生ROM（CGROM）字型產(chǎn)生ROM（CGROM）提供81

22、92個此觸發(fā)器是用于模塊屏幕顯示開和關(guān)的控制。DFF=1為開顯示（DISPLAY ON),DDRAM 的內(nèi)容就顯示在屏幕上，DFF=0為關(guān)顯示（DISPLAY OFF)。DFF 的狀態(tài)是指令DISPLAY ON/OFF和RST信號控制的。 顯示數(shù)據(jù)RAM（DDRAM）模塊內(nèi)部顯示數(shù)據(jù)RAM提供642個位元組的空間，最多可控制4行16字（64個字）的中文字型顯示，當(dāng)寫入顯示數(shù)據(jù)RAM時，可分別顯示CGROM與CGRAM的字型；此模塊可顯示三種字型，分別是半角英數(shù)字型(16*8)、CGRAM字型及CGROM的中文字型，三種字型的選擇，由在DDRAM中寫入的編碼選擇，在0000H0006H的編碼中（

23、其代碼分別是0000、0002、0004、0006共4個）將選擇CGRAM的自定義字型，02H7FH的編碼中將選擇半角英數(shù)字的字型，至于A1以上的編碼將自動的結(jié)合下一個位元組，組成兩個位元組的編碼形成中文字型的編碼BIG5（A140D75F），GB（A1A0-F7FFH）。 字型產(chǎn)生RAM(CGRAM)型產(chǎn)生RAM提供圖象定義(造字)功能, 可以提供四組1616點的自定義圖象空間，使用者可以將內(nèi)部字型沒有提供的圖象字型自行定義到CGRAM中，便可和CGROM中的定義一樣地通過DDRAM顯示在屏幕中。 地址計數(shù)器AC地址計數(shù)器是用來貯存DDRAM/CGRAM之一的地址,它可由設(shè)定指令暫存器來改變

24、，之后只要讀取或是寫入DDRAM/CGRAM的值時，地址計數(shù)器的值就會自動加一，當(dāng)RS為“0”時而R/W為“1”時，地址計數(shù)器的值會被讀取到DB6DB0中。 整體電路設(shè)計該部分將介紹AVR/51實驗開發(fā)板的實驗?zāi)K分類及功能主控制MCU模塊此部分為實驗板的核心部件，分為ATmega16L和STC89C52，用于實現(xiàn)不同單片機(jī)的實驗控制。(1)ATmega16L部分的電路及擴(kuò)展插頭電路如圖5-1所示：圖5-1 ATmega16L及擴(kuò)展電路(2) STC89C52部分的電路及擴(kuò)展插頭電路如圖5-2所示：圖5-2 STC89C52及擴(kuò)展電路兩部分的復(fù)位電路如下：(1) ATmega16L復(fù)位電路如下圖5-3所示：圖5-3 ATmega16L復(fù)位電路(2) STC89C52復(fù)位電路如下圖5-4所示14：圖5-4 STC89C52復(fù)位電路DS1302時鐘模塊DS1302作為本開發(fā)板時鐘模塊的時鐘芯片，可與單片機(jī)進(jìn)行通信，給單片機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)時鐘，可進(jìn)行年月日的設(shè)置，并通過通信口將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，從而將時間信息顯示出來，本實驗開發(fā)板在程序上，將該部分模塊與數(shù)碼管結(jié)合起來顯示時間。時鐘模塊的電路原理圖如下