1、单片机与嵌入式系统课程实验 XXXXXXX 学院 课程设计报告 ( 2011 - 2012 年度第一学期 ) 名 称： 单片机与嵌入式系统设计 题 目： 基于 ATmega16 的比赛专用秒表设计 学 号： 学生姓名： 指导教师： 成 绩： 日期： 2011 年 12 月 25 日 单片机与嵌入式系统课程实验 基于 单片机 ATmega16的 比赛专用秒表 设计 摘要： 近几年来，人们越来越重视体育事业的发展，发展体育事业既可以促进本国人民练就强健体魄，又可以作为各国之间的竞争手段，体现各国实力。 为了创造 公平公正的体育竞争环境， 必须对 各种比赛项目的结果进行准确的记录 。 本文论述了基于
2、AVR 单片机的体育比赛专用秒表的设计与实现。 该系统以 AVR 单片机 ATmega16 为硬件核心，通过内部计时器进行准确的计时，采用 LCD 显示屏作为辅助显示模块，显示记录 的比赛成绩，当按下记录按键，会记录成绩，按下停止按键会显示记录的成绩。文中重点讲述系统的软硬件结构和功能特点，着重阐述了单片机及扩展电路的设计思路和实现方法。 在目前的使用中 ， 该系统能够可靠、稳定、准确的记录比赛时间 ， 具有推广应用价值。 关键词： AVR 单片机；计时器；按键； LCD 显示屏 单片机与嵌入式系统课程实验 Design of the Competition Dedicated Stopwat
3、ch on ATmega16 AVR Microcontroller Abstract: In recent years, there is growing emphasis on sports development, sports development both for its own people trained to physical fitness, but also as a means of competition between countries, reflecting the national strength. In order to create a fair and
4、 just competitive sports environment, must be the result of a variety of events accurate records. This article discusses the AVR-based microcontroller dedicated sports stopwatch design and implementation. The system for the AVR microcontroller ATmega16hardware core, through the internal timer for ac
5、curate timing, using the LCD screen as a secondary display module, displaying the record game results, when the record button will record the results, press the stop button will be displayed record results. The article focuses on the structure and function of the system hardware and software feature
6、s, focusing on the expansion of the circuit chip and the design ideas and implementation methods. Currently in use, the system can be reliable, stable and accurate record of playing time, with the application value. Keywords: AVR microcontroller; timer; buttons; LCD display 单片机与嵌入式系统课程实验 目 录 摘要 . II
7、 第 1 章 绪 论 .1 1.1 课题目的及意义 .1 1.2 系统设计内容 .1 第 2 章 系统概述 .3 2.1 系统设计主要原理 .3 2.2 系统硬 件设计方案 .3 2.2.1 微控制器的选择 .3 2.2.2 显示方案的确定 .4 2.3 系统软件设计方案 .5 2.3.1 微控器软件设计方案 .6 第 3 章 系统硬件设计实现 .9 3.1 主控制器最小系统 .9 3.1.1 ATmega16 简介 7 .9 3.1.2 引脚图及引脚介绍 . 10 3.1.3 单片机最小系统电路设计 . 11 3.1.3.1 电源设计 . 11 3.1.3.2 复位电路设计 . 12 3.1
8、.3.3 晶振电路设计 . 13 3.1.3.4 串口通信电路设计 . 14 3.2 LCD 显示屏的显示电路设计 . 15 第 4 章 系统软件设计实现 . 17 4.1 总体软件设计 . 17 总 结 . 19 参考文献 . 20 附录 1 ATmega16 的引脚图 . 21 附录 2 系统设计部分程序 . 22 北京电子科技学院单片机与嵌入式系统课程实验 第 1 页 共 30 页 第 1 章 绪 论 本章主要介绍本次设计的研究背景、目的与作用，以及在本次设计的主要内容和设计技术指标。 1.1 课题目的及意义 近年来随着计算机在社会领域的渗透 ， 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动
9、传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针 对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。目前 AVR 单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。 AVR 单片机广泛应
10、用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域， AVR 单片机的应用如此广泛而又潜力，因而也不用质疑其生命力 1。 本课题需要完成一个完整系统的设计，涉及到电子技术、计算机应用等多学科知识，是一个硬软件相结合的设计性题目。本课题融知识性与趣味性于一体，提供了一个有力的了解小家电设计技术的平台，能提高检索文献资料的能力、电子系统设计的能力、实际动手的能力。而且可以通过这次设计，很好的掌握系统设计的工作流程、开发步骤；熟悉单片机开发的通用编程语言。 1.2 系统设计内容 本设计的题目是 “基于单片机 ATMega16 的 体育比赛专用秒表 设计 ”。选择ATMe
11、ga16 单片机为系统的主控芯片，采用 内部单片机计时器进行计时，通过按键进行控制记录数据和停止显示数据。 系统设计详细任务如下： （ 1）整体方案的确定：包括单片机的选型，用 AVR 单片机作为主控器，分析北京电子科技学院单片机与嵌入式系统课程实验 第 2 页 共 30 页 ATmegal16 单片机与 计时器 等部件实现软、硬件接口的技术以及数据显示方案：熟悉湿度传感器工作原理，确定其与 AVR 单片机的接口设计方案。 （ 2）数据显示模块设计：系统使用 LCD 显示， 能够显示时间变化，并在按下停止先后显示出 8 组记录的数据 。 （ 3） AVR 单片机最小系统的设计。 实现所有的硬件
12、、软件设计、系统整体 调试、形成可以正常运行的产品为本次设计的最终目标。 论文将从系统的设计总体方案；硬件、软件的设计实现等方面进行介绍。 北京电子科技学院单片机与嵌入式系统课程实验 第 3 页 共 30 页 第 2 章 系统概述 本章分为三个部分，主要介绍本次设计的系统的主要设计原理，给出硬件选择以及软件设计的最终方案。 2.1 系统设计主要原理 秒表 是 体育竞技 中很重要的部分，根据采用的 计时元件 和 记录 方法的不同，其精度也不同，因而对 时间 数据采集的精度也不同，这样就给 比赛的 现场 测试 带来了很大的不便，我们在 对计时器 的研究和设计过程中查阅了大量的资料和成果，提出了能够
13、实现 精确测量并记录时间 的系 统设计方案。 系统由 单片机内部计时器进行计时 ， 通过按键控制开始、记录数据和停止并显示数据，数据结果通过 LCD 显示屏进行显示，结果记录完之后可以选择清零重新计时 。 2.2 系统硬件设计方案 2.2.1 微控制器的选择 目前，再电子系统研究与设计中，常用的微控器有 MC51 单片机、 PIC 单片机、AVR 单片机和 ARM 芯片。 方案一： 采用 ARM 作为微控器 ARM 微处理器已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于 ARM 技术的微处理器应用约占据了 32 位 RISC 微处理器75以上 的市场份额。但是
14、， ARM 技术往往需要第三方工具、软件的支持，且 ARM系列处理器很少集成片上硬件资源，实际产品成本方面， ARM 配置外设价格较高，PCB 版也好设计，往往还需要考虑信号的完整性等，因此，对于初学者来说，使用起来不是很方便。 方案二： 采用 PIC 单片机作为微控器 PIC 单片机速度快，片内资源丰富，抗干扰能力强，价格便宜。但没有地址总线，不适宜做大系统，而且只能使用汇编指令，虽然筒单，但不适合写大程序。 CPU 采用 RISC 结构，分别仅有 33， 35， 58 条指令，采用 Harvard 双总线结构，运行速度快，北京电子科技学院单片机与嵌入式系统课程实验 第 4 页 共 30 页
15、 低工 作电压，低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，一次性编程，小体积，适用于用量大、档次低、价格敏感的产品。 方案三： 采用 AVR 单片机作为微控器 3 AVR 单片机采用的 RISC 优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令：并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。AVR 单片机的程序存储器和数据存储器是分离的，并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立的寻址。在 AVR 单片机中， CPU 执行当前指令时取出将要执行的下一条指令放入寄存器中，从而可以避免传统 MCS51 系列单 片机中多指令周期的出现。传统的 MCS51 系列单片机所
16、有的数据处理都是基于一个累加器的，因此累加器与程序存储器、数据存储器之间的数据转换就成了单片机的瓶颈；在 AVR单片机中，寄存器由 32 个通用工作寄存器组成，并且任何一个寄存器都可以充当累加器，从而有效地避免了累加器的瓶颈效应，提高了系统的性能。 综上所述， AVR 单片机与 51 单片机、 PIC 单片机相比运行效率高很多、芯片内部的 Flsah、 EEPROM、 SRAM 容量较大、全部支持在线编程擦写、每个 I/O 口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强、内部资源丰 富，一般都集成 AD、DA 模数转换器； PWM； SPI、 USART、 TWI、 I2C 通信口；丰富的
17、中断源等。现在比较流行 的型号是 ATmega8/16。所以，本设计选用 ATmega16 单片机作为主控芯片。 2.2.2 显示方案的确定 LED 和 LCD 是目前普遍采用的两种显示技术。 方案 一 ： 采用 LED 显示技术 LED 是发光二极管（ Light Emitting Diode）的英文缩写，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。 LED 应用可分为两大类：一是 LED 单管应用，包括背光源 LED，红外线 LED 等；另外就是 LED 显示屏。目前，中国在 LED 基础材料制造方面与国际还存在着一定的差距，但就 LED 显示屏而言，中国的设计和生产技术水平基本与国际
18、同步。 LED 显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等特点。 方案 二 ： 采用 LCD 显示技术 北京电子科技学院单片机与嵌入式系统课程实验 第 5 页 共 30 页 LCD 是液晶显示屏的全称，主要有 TFT、 UFB、 TFD、 STN 等几种类型的液晶显示屏。其主要特点是：低压应用，低驱动电压，固体化使用安全性和可靠性提高；平板化，又轻薄，节省了大量原材料和使用空间；低功耗， 节省了大量的能源；品种多样，使用方便灵活、维修、更新、升级容易等许多特点。显示范围覆盖了从 1 英寸至 40 英寸范围
19、内的所有显示器的应用范围以及投影大平面，是全尺寸显示终端；显示质量从最简单的单色字符图形到高分辨率，高彩色保真度，高亮度，高对比度，高响应速度的各种规格型号的视频显示器；显示方式有直视型，投影型，透视式，也有反射式。环保特性好，无辐射、无闪烁，对使用者的健康无损害。 简单地说， LCD 与 LED 是两种不同的显示技术， LCD 是由液态晶体组成的显示屏，而 LED 则是由发光二极管组成的显示屏。 LCD 显示器 与 LED 显示器相比， LCD在亮度、功耗、 重量 等 多 方面，都更具优势。所以，在本设计中，采用 LCD 显示技术 5。 2.3 系统软件设计方案 系统软件 就是 单片机应用软
20、件。单片机应用软件主要实现 时间的技术 、 按键的控制 、 LCD 显示屏的显示 等功能 。 系统软件部分的设计主要包括主程序和中断服务程序。其中主程序的功能是完成系统的初始化、 按键的查询控制 。中断服务程序根据中断源来编写需要执行的内容。系统的主程序流程图 如下图图 2-1 所示： 北京电子科技学院单片机与嵌入式系统课程实验 第 6 页 共 30 页 2.3.1 微控器软件设计方案 常用的单片机编程语言是汇编和 C 语言。 方案一： 使用汇编语言 汇编语言（ Assembly Language）是面向机器的程序设计语言。在汇编语言中，用助记符（ Memoni）代替操作码，用地址符号（ Symbol）或标号（ Label）代替地址码。这样用符号代替机器语言的二进制码，就把机器语言变成了汇编语言。汇编语言是面向具体机型的，它离不开具体计算机的指令系统，因此，对于不同型号的计算机，有着不同的结构的汇编语言，而且，对于同一问题所编制的汇编语言程序在不同种类图 2-1 系统主程序流程图
