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Design of the Competi
2、tion Dedicated Stopwatch on ATmega16 AVR MicrocontrollerAbstract: 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 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 d
3、esign and implementation. The system for the AVR microcontroller ATmega16hardware core, through the internal timer for accurate 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 features, focusing on the expansion of the circuit chip and the design ideas and imple
4、mentation 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 目 录摘要I第1章 绪 论11.1 课题目的及意义11.2 系统设计内容1第2章 系统概述32.1 系统设计主要原理32.2 系统硬件设计方案32.2.1 微控制器的选择32.2.2 显示方案的确定42.3 系统软件设计方案52.3.1 微控器软件设计方案6第3章 系统硬件设计实现93.1 主控制器最小系统93.1.1 ATmega16简介793.1.2 引脚图及引脚介绍103.1.3 单片机最小系统电路设计113.1.3.1 电源设计113.1.3.2 复位电路设计123.1.3.3 晶振电路设计133.1.3.4 串口通信电路设计143.2 LCD显示屏的显示电路设计15第4章 系统软件设计实现17
5、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
6、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ATMega16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、软件设计
7、、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。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
8、份额。但是，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，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3AVR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
9、系列单片机中多指令周期的出现。传统的MCS51系列单片机所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（LightEmittingDiode）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
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