1、单片机课程设计说明书CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY单片机课程设计说明书项目名称： 用 MAX515 芯片调节 LED 灯亮度 二级学院： 电子信息与电气工程学院 专 业： 电 气 工 程 及 其 自 动 化 班级： 11 电卓 学生姓名： 学号： 指导教师： 马金祥 职称： 讲师 起止时间： 2013 年 6 月 21 日 2014 年 7 月 2 日 目录1.引言12.设计内容2.1 设计内容及其要求12.2 产品认知12.3LED 灯的认识22.4 产品设计原理23.系统总体结构3.1 系统结构框图33.2 主要设计框图33.3 系统原理图34.硬件设计
2、4.1 主要芯片介绍44.1.1ATMEGA1664.1.2 MAX51584.2 最小系统95. 软件设计5.1 系统软件设计整体思路115.2 系统软件设计的一般原则125.3 系统软件设计的步骤125.4 软件 AVR Studio 4 的应用125.5程序设计与调试135.6protuse仿真186.调试过程中遇到的问题及解决方法7.小结18单片机课程设计说明书8.参考文献19附录1 电路图20附录2 源程序21附录3 元器件清单33附录 4 实物图34单片机课程设计说明书1.引言单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，一
3、块芯片就成了一台计算机。 单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。目前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，录像机、摄像机、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
4、不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用尤为重要。而 AVR 单片机是各类单片机中比较典型和具有代表性的一种。本实验是基于 AVR 系列单片机所设计的，以单片机芯片 ATMEGA16 作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，实现控制 LED 的亮度。单片机课程设计说明书2.设计内容和要求2.1 设计内容：用带 SPI 接口的数/模转换芯片 MAX515 调节 LED 亮度要求：LED 灯的亮度可以自动循环调节2.2 产品认知：AVR 单片机：AVR 单片机是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 单片机。RISC（精简指令系统计算
5、机）是相对于 CISC（复杂指令系统计算机）而言的。RISC 并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。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。由于 AVR 采用了 RESC 的这种结构，使 AVR 系列单片机都具备了 1MIPS/MHz（百万条指令每秒/兆赫兹）的高速处理能力。 3 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)
6、。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。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，
7、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。 4 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，提高了通信的可靠单片机课程设计说明书性
8、，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
9、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。 5 LED 灯LED（Light Emitting Diode） ，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是 N 型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个 P-N
10、 结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是 LED 灯发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成 P-N 结的材料决定的。最初 LED 用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的 LED 在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。单片机课程设计说明书2.3LED 灯的优点：1、节能. 白光 LED 的能耗仅为白炽灯的 1/10，节能灯的 1/4.2、长寿. 寿命可达 10 万小时以上,对普通家庭照明可谓“一劳永逸“.3、可以工作在高速状态 .节能灯如果频繁的启动或关断灯丝就
11、会发黑很快的坏掉.4、固态封装，属于 冷光源 类型。所以它很方便运输和安装，可以被装置在任何微型和封闭的设备中，不怕振动，基本上用不着考虑散热。5、led 技术正日新月异的在进步，它的发光效率正在取得惊人的突破，价格也在不断的降低。一个白光 LED 进入家庭的时代正在迅速到来。6、环保，没有汞的有害物质。LED 灯泡的组装部件可以非常容易的拆装，不用厂家回收都可以通过其它人回收。7、配光技术使 LED 点光源扩展为面光源，增大发光面，消除眩光，升华视觉效果，消除视觉疲劳；8、透镜与灯罩一体化设计。透镜同时具备聚光与防护作用，避免了光的重复浪费，让产品更加简洁美观；9、大功率 led 平面集群封
12、装，及散热器与灯座一体化设计。充分保障了 led 散热要求及使用寿命，从根本上满足了 LED 灯具结构及造型的任意设计，极具 LED单片机课程设计说明书灯具的鲜明特色。10、节能显著。采用超高亮大功率 led 光源，配合高效率电源，比传统白炽灯节电 80%以上，相同功率下亮度是白炽灯的 10 倍；11、超长寿命 50,000 小时以上，是传统钨丝灯的 50 倍以上。LED 采用高可靠的先进封装工艺共晶焊，充分保障 LED 的超长寿命；12、无频闪。纯直流工作，消除了传统光源频闪引起的视觉疲劳13、绿色环保。不含铅、汞等污染元素，对环境没有任何污染；14、耐冲击，抗雷力强，无紫外线（ UV）和红
13、外线（IR）辐射。无灯丝及玻璃外壳，没有传统灯管碎裂问题，对人体无伤害、无辐射。15、低热电压下工作，安全可靠。表面温度 60 （环境温度 Ta=25时）；16、宽电压范围，全球通用 LED 灯。85V 264VAC 全电压范围恒流，保证寿命及亮度不受电压波动影响；17、采用 PWM 恒流技术，效率高，热量低，恒流精度高；18、降低线路损耗，对电网无污染。功率因数 0.9，谐波失真20%，EMI 符合全球指标，降低了供电线路的电能损耗和避免了对电网的高频干扰污染；19、通用标准灯头，可直接替换现有卤素灯、白炽灯、荧光灯20、发光效率可高达 801m/w，多种 LED 灯色温可选，显色指数高，显
14、色性好；2.4 产品设计原理：LED 一般是恒流操作的，如何改变 LED 的亮度呢？在一定的频率的方波中，调整高电平和低电平的占空比，即可实现。比如我们用低电平点亮一个 LED 灯，我们假设把一个频率周期分为 10 个时间等份，如果方波中的高低电平占空比是9：1，这是就是一个比较暗的亮度，如果方波中高低电平占空比是 10：0，这时，全部是高电平，灯是灭的。如果占空比是 5：5，就是一个中间亮度，如果高低比是单片机课程设计说明书1：9，是一个比较亮的亮度，如果高低是 0：10，这时全部是低电平，就是最亮的。实际上应用中，电视屏幕墙中的几十百万 LED 象素都是这样控制的，而且每一个象素都有红绿蓝
15、 3 个 LED，每个 LED 可以变化的亮度是几百到几万或者更多的级别，以实现真彩色的显示。还有在您的手机中，背光灯的亮度如果是可以变化的，也应该是这种工作方式。目前的城市彩灯也有很多都使用了 LED，需要控制亮度是也是 PWM 控制。 在程序中，我们将定时器 2 溢出定为 1/1200 秒。每 10 次脉冲输出一个 120HZ频率。这每 10 次脉冲再用来控制高低电平的 10 个比值。这样，在每个 1/120 秒的方波周期中，我们都可以改变方波的输出占空比，从而控制 LED 灯的亮度。单片机课程设计说明书3.系统总体结构3.1 系统结构框图：3.2 主要设计方框图如下：电压采集 降压整流 单片机处理 数模转换 扬声器发声CPUATmega16LED 灯MAX515 数模转换器最小系统
