基于ATmega16单片机的电子时钟设计毕业设计.docx
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基于ATmega16单片机的电子时钟设计毕业设计
基于ATmega16单片机的电子时钟设计
摘要：
随着科学技术的发展电子时钟在日常的生活中应用的相当的多。
本文介绍了一款基于ATmega16单片机为主控芯片的数字电子时钟设计。
其中主要包括ATmega16单片机、独立键盘、DS1302芯片、LCD1602液晶显示、以及相关外围电路并在PROTUES仿真平台上运行。
关键词：
ATmega16单片机；DS1302芯片；独立键盘；LCD1602
Abstract：
Withthedevelopmentofscienceandtechnologyelectronicclockinthedailylifeoftheapplicationisquitelong.ThispaperintroducesasinglechipprocessorasthemaincontrolchipbasedonATmega16digitalelectronicclockdesign.IncludeATmega16microcontroller,independentkeyboard,DS1302chipLCD1602,liquidcrystaldisplay（LCD）,andrelatedperipheralcircuitandinPROTUESsimulationplatformoperation.
Keywords：
ATmega16microcontroller；DS1302chip；Independentkeyboard；LCD1602
1前言
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等许多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
本文中详细介绍了基于ATmega16单片机控制下的162液晶屏显示设计，此设计基于ds1302的时钟电路方便实用，电路设计简单。
2AVR单片机介绍
2.1AVR单片机简介
AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC精简指令集高速8位单片机。
AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪表仪器、通讯设备、家用电器等各个领域。
1997年，由Atmel公司挪威设计中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集高速8位单片机，简称AVR。
2.2Atmega16简介
ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与运算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
ATmega16有如下特点:
16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
2.3ATmega16产品特性
高性能、低功耗的8位AVR微处理器
先进的RISC结构
131条指令
大多数指令执行时间为单个时钟周期
32个8位通用工作寄存器
全静态工作
工作于16MHz时性能高达16MIPS
只需两个时钟周期的硬件乘法器
非易失性程序和数据存储器
16K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命:
10,000次
具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作
512字节的EEPROM，擦写寿命:
100,000次
1K字节的片内SRAM
可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密
JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）
符合JTAG标准的边界扫描功能
支持扩展的片内调试功能
通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程外设特点
两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器
一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器
具有独立振荡器的实时计数器RTC
四通道PWM
8路10位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道
面向字节的两线接口
两个可编程的串行USART
可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口
具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器
片内模拟比较器
特殊的处理器特点
上电复位以及可编程的掉电检测
片内经过标定的RC振荡器
片内/片外中断源
6种睡眠模式:
空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式uI/O和封装
32个可编程的I/O口
2.4工作电压:
ATmega16L：
2.7-5.5V
ATmega16：
4.5-5.5V
2.5ATmega16引脚功能
VCC电源正
GND 电源地
端口A（PA7..PA0）做为A/D 转换器的模拟输入端。
端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具
ATmega引脚图
有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。
端口B（PB7..PB0）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。
端口B也可以用做其他不同的特殊功能.
端口C（PC7..PC0）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。
如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5（TDI）、PC3（TMS）与PC2（TCK）的上拉电阻被激活。
端口C也可以用做其他不同的特殊功能。
端口D（PD7..PD0）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。
端口D也可以用做其他不同的特殊功能.
RESET复位输入引脚。
持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。
持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。
XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
XTAL2反向振荡放大器的输出端。
AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。
不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。
使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。
AREFA/D的模拟基准输入引脚。
2.6AVR单片机的应用区域
AVR单片机应用区域包括：
空调控制板、打印机控制板、智能电表、智能手电筒、LED控制屏和医疗设备等领域。
3162液晶显示屏介绍
162液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字等。
3.1162液晶屏显示屏的引脚定义
首先，我们来看162的引脚定义，162的引脚是很整齐的SIP单列直插封装。
表1是液晶屏的引脚定义。
表1接口信号说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
Data1/0
2
VDD
电源正极
10
D3
Data1/0
3
VEE
液晶显示偏压信号
11
D4
Data1/0
4
RS
数据命令/选择端（H/L）
12
D5
Data1/0
5
R/W
读/写信号（H/L）
13
D6
Data1/0
6
E
使能信号
14
D7
Data1/0
7
D0
Data1/0
15
LEDA
背光源正极
8
D1
Data1/0
16
LEDK
背光源
该液晶屏采用标准的16脚接口，我们只需要关注一下几个管脚:
1脚：
VSS为地电源。
2脚：
VDD接5V正电源。
3脚:
VEE,液晶屏显示偏压信号，用于调整液晶屏的显示对比度，一般会外界电位器用以调整偏压信号，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“阴影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
4脚:
RS，数据/命令选择端，即对寄存器进行选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
5脚:
R/W,读写选择端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
6脚:
E，使能信号，其实时162的逐句控制时钟信号，利用该信号的上升沿实现对液晶屏的数据传输。
7~14脚:
8位双向数据线。
15脚：
背光阳极。
16脚：
背光阴极。
3.2162液晶显示屏的指令说明
162液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
（说明：
1为高电平、0为低电平）。
162液晶屏内部模块共有11条控制指令，如表2所示。
表2控制命令表
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清屏
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
输入方式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开关
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
功能设置
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
CGRAM地址设置
0
0
0
1
A5A4A3A2A1A0
8
DDRAM地址设置
0
0
1
A6A5A4A3A2A1A0
9
忙标志/读地址计数器
0
1
BF
AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0
10
CGRAM/DDRAM数据写
1
0
写数据
11
CGRAM/DDRAM数据读
1
1
读数据
指令1：
清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H
指令3：
光标和显示模式设置
I/D：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移
S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示
C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标
B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标
指令6：
功能设置命令
DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线
N：
低电平时为单行显示，高电平时双行显示
F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符
指令7：
字符发生器RAM地址设置
指令8：
DDRAM地址设置
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据
指令11：
读数据
3.3162液晶显示屏的时序
在操作液晶屏，我们应该对它的工作时序非常熟悉，这里介绍了162液晶显示屏的两个写时序：
写指令和写入数据。
写指令，即设置162液晶显示屏的工作方式：
需要把RS置为低电平，RW置为低电平，然后将数据送到数据口D0~D7，最后E引脚一个高脉冲将数据写入。
写数据，即在液晶屏上实现显示时：
需要把RS置为高电平，RW置为低电平，然后将数据送到D0~D7，最后E引脚一个高脉冲将数据写入。
图1162液晶显示屏时序图
注意：
162液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。
当然，162提供了读忙信号的方法：
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号。
3.4162液晶屏的RAM地址映射及标准字库表
液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了128个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写和常用的符号等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。
液晶屏第一行的首地址是80H，第二行的首地址是C0H。
表3是液晶屏的GROM中的字符代码与图形对应关系。
表3字符代码与图形对应表
0000
0010
0011
0100
0101
0110
0111
0000
GRAM
0
@
P
\
p
0001
！
1
A
Q
a
Q
0010
”
2
B
R
b
R
0011
#
3
C
S
c
S
0100
$
4
D
T
d
t
0101
%
5
E
U
e
u
0110
&
6
F
V
f
v
0111
’
7
G
W
g
w
1000
（
8
H
X
h
x
1001
）
9
I
Y
i
y
1010
*
:
J
Z
j
Z
1011
+
;
K
[
k
{
1100
<
L
¥
l
|
1101
-
=
M
]
m
}
1110
.
>
N
^
n
→
1111
/
?
O
_
o
←
4ds1302芯片介绍
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。
工作电压宽达2.5～5.5V。
采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
DS1302的外部引脚分配如图2所示及内部结构如图3所示。
DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。
图2引脚图
图3内部结构
各引脚的功能为：
Vcc1：
主电源；Vcc2：
备份电源。
当Vcc2>Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2SCLK：
串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；
I/O：
三线接口时的双向数据线；
CE：
输入信号，在读、写数据期间，必须为高。
该引脚有两个功能：
第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。
DS1302有下列几组寄存器：
1DS1302有关日历、时间的寄存器共有12个，其中有7个寄存器（读时81h～8Dh，写时80h～8Ch），存放的数据格式为BCD码形式。
表4Ds1302有关日历、时间的寄存器
度寄存器
写寄存器
BIT7
BIT6
BIT5
BIT4
BIT3
BIT2
BIT1
BIT0
范围
81h
80h
CH
10秒
秒
00—59
83h
82h
10分
分
00—59
85h
84h
12/～24
0
10A/P
时
时
1-12/0-23
87h
86h
0
0
10日
日
1—31
89h
88h
0
0
0
10月
月
1—12
8Bh
8Ah
0
0
0
0
0
周日
1—7
8Dh
8Ch
10年
年
00—99
8Fh
8Eh
WP
0
0
0
0
0
0
0
——
小时寄存器（85h、84h）的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。
当为高时，选择12小时模式。
在12小时模式时，位5是，当为1时，表示PM。
在24小时模式时，位5是第二个10小时位。
秒寄存器（81h、80h）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。
当该位置为1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；当该位置为0时，时钟开始运行。
控制寄存器（8Fh、8Eh）的位7是写保护位（WP），其它7位均置为0。
在任何的对时钟和RAM的写操作之前，WP位必须为0。
当WP位为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。
②DS1302有关RAM的地址
DS1302中附加31字节静态RAM的地址见表所示。
表5静态RAM
读地址
写地址
数据范围
C1h
C0h
00—FFh
C3h
C2h
00—FFh
C5h
C4h
00—FFh
、
、
、
、
、
、
FDh
FCh
00—FFh
③DS1302的工作模式寄存器
所谓突发模式是指一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
表6工作模式
工作模式寄存器
读寄存器
写寄存器
时钟突发模式寄存器
CLOCKBURST
BFh
BEh
RAM突发模式寄存器
RAMBURST
FFh
FEh
④此外，DS1302还有充电寄存器等。
2读写时序说明
DS1302是SPI总线驱动方式。
它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。
要想与DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。
1
RAM
A4
A3
A2
A1
A0
RD
～CK
～WR
控制字（即地址及命令字节）
控制字的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。
位6：
如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1（A4～A0）：
指示操作单元的地址；位0（最低有效位）：
如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。
控制字总是从最低位开始输出。
在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。
同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。
数据读写时序如图4。
图4数据读写时序
5仿真软件介绍
5.1PROTUES简介
Protues软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。
5.2PROTUES的特点
1.原理布图
2.PCB自动或人工布线
3.SPICE电路仿真
4.互动的电路仿真。
用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
5.仿真处理器及其外围电路。
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues建立了完备的电子设计开发环境。
5.3PROTUES工作界面介绍
PROTUES的工作界面是一种标准的windows界面，如下图所示，包括标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。
图5PROTUES界面图
6硬件设计
6.1系统框图
本系统所包含模块：
主控芯片ATmega16、LCD1602液晶显示模块、独立键盘模块、指示灯电路、DS1302时钟模块、以及电源。
另外还有背光电压显示电路。
图6
6.2PROTUES仿真图及电路原理图
PROTUES仿真图
电路原理图
6.3独立键盘
该键盘是三路独立的按键回路，当D端口读取的电平为高电平时不动作，说明没有按键按下；当任意一个电路的按键按下时，该段口读取的电平就为低电平执行相应的操作。
按钮主要功能：
K1：
按下此按钮可以执行对时间的更改且相应的时间指示灯点亮；对应键值为：
00001011。
K2：
按下此按钮可以实现时间地址的切换并且相应的指示灯点亮；对应键值为：
00001101。
K3：
按下此按钮可以执行对时间的增1操作，对应键值为：
00001110。
图7
6.4背光电压显示
电位器的中间分为两路，一路接液晶的Vee端，另一路接单片机PA3端。
经过软件处理后将值显示在液晶屏上。
模数转换：
AD转换结果：
ADC=Vin*1024/Vref
ADC多工选择寄存器－ADMUX
图8
图9
Bit7:
6–REFS1:
0:
参考电压选择
如Table83所示，通过这几位可以选择参考电压。
如果在转换过程中改变了它们的设置，只有等到当前转换结束（ADCSRA寄存器的ADIF置位）之后改变才会起作用。
如果在AREF引脚上施加了外部参考电压，内部参考电压就不能被选用了。
表7参考电压选择
REFS1
REFS0
参考电压
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