毕业设计（论文）-隧道LED诱导标志控制器.doc

太原理工大学毕业设计（论文）设计说明书设计(论文)题目：隧道LED诱导标志控制器学 生： 专 业： 自动化班 级： 0703班指导教师： 设计日期：2011年6月6日太原理工大学毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：隧道LED诱导标志控制器毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：一、概述隧道LED诱导系统主要是为行驶在隧道的司机提供主动式安全行驶诱导，提高车辆安全系统，并改善隧道内照明光度状况，同时达到节约隧道照明能源的目的。二、工作原理隧道LED诱导系统由诱导发光标志和LED诱导标志控制器组成。隧道诱导系统控制器包含2 组可独立控制的输出单元，可控制安装在隧道两侧左右组不同状态的LED诱导发光标志。三、主要性能指标1、LED诱导标志： LED 颜色： 白、黄、红（绿蓝或特殊颜色） LED 平均发光强度： 白色：22cd / 红色：25cd / 黄色 24cd / 绿色：24 cd 寿命: 100,000h LED 开口角度: 10 工作电压： 24V DC 功耗： 单组6 颗LED 功耗0.45VA 20mA2、诱导标志控制器 供电系统： 85264VAC; 120370VDC，输出24V / 10A 保护方式： 短路、过载、过压、超温 安装： 直接安装在DIN rail TS35 / 7.5 or 15 导轨上 控制器尺寸： 155 x 110 x 115 mm 输出电压： 24 V DC 可输出支线量： 2 条 (两边各1 条输出线) 每条线路负载电流： 3.5 A 标称总动力： 120 VA第1页 毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：四、诱导系统控制方式1、本地拨码开关直接控制2、远程PLC 控制及组网方式3、远程RS485 控制及组网方式五、控制器功能： 八段式控制器 白天/夜间模式的输出可调整 脉冲频闪(频率可调) 控制方式： 本地拨码开关，远程PLC 控制，RS-232 和RS-485 中继功能： 拨码开关可以独立设置2 路中继 故障检测： 开路、过载检测 故障输出： 2 路独立无源故障输出点，用于远程检测 过载保护： 每条线路超过4.5A 自动保护六、设计要求1、显示灯采用高亮LED为发光元件；2、状态反馈采用继电器触点； 3、控制电路采用单片机；第2页毕业设计（论文）主要内容：查阅资料，全面了隧道LED诱导灯的工作原理技术要求，并要求做如下工作：（1）隧道LED诱导灯的相关技术标准；（2）硬件设计以及各种器件选型和设计，包括显示元件的选择和设计、光强检测传感器的选择和接口电路设计、电源模块的选型和设计；（3）绘制硬件原理图：protel99 绘制。（4）系统控制软件设计控制程序设计；通信程序设计；（5）绘制软件流程图：用Visio 绘制。（6）查阅资料：至少阅读相关论文资料10 篇（其中英文资料2 篇）。（7）程序：用C 语言或汇编语言编程。（8）整理，撰写设计论文。第3页学生应交出的设计文件（论文）：1.设计说明书一份，（4050 页，打印）主要内容包括：（1）课题的目的、意义、工作；（2）硬件设计各部分选型及简单介绍；（3）软件设计总体介绍及各部分程序模块；（4）设计难点和遗留问题（难题和解决方法，尚未解决的问题和解决思路）；（5）与设计课题相关的英文资料原文和译文；2. 硬件原理图一份； 3. 软件流程图一份；4. 程序清单一份；5. 设计说明书电子文档一份。第4页主要参考文献（资料）：1 阎石 编著：数字电路电子技术基础 ，北京，高等教育出版社，1997年第四版.2 胡汉才 编著:高档AVR单片机原理及应用 ，北京，清华大学出版社，2008.3 彭伟 编著：单片机C语言程序设计实训100例-基于AVR+Proteus仿真 ，北京，北京航空航天大学出版社，2010.4 刘海成 编著：AVR单片机原理及测控工程应用：基于ATmega48/ATmega16 ，北京，北京航空航天大学出版社，2008.专业班级自动化0703班学生李 鑫要求设计(论文)工作起止日期2011年3月1日2011年6月12日指导教师签字日期教研室主任审查签字日期系主任批准签字日期第5页摘 要 本文以隧道LED诱导标志控制器为设计对象，系统地研究了AVR单片机ATmega16在公路隧道交通诱导中的实际应用。本次设计的系统采用高亮LED为发光元件，每个诱导标志一个发光面上有6颗LED灯。发光LED用白色、黄色组合，可频闪发光，闪烁频率可调，功耗低，最大亮度是电流每组LED为20mA。LED诱导发光标志采用采用低电压（24V）直流供电方式，控制器输入交流220V市电，输出24V直流电。系统中把ATmega16单片机作为控制器运用到控制电路中，由控制器输出数字信号，采用脉冲宽度调制（PWM）技术对LED灯的亮度、闪烁频率进行统一控制，实现了安全、低能耗。检测电路中，选用光强检测芯片对外界光强进行检测，然后把信号送到单片机，单片机根据外界光强对Led灯的亮度进行调节。设计还完成了接口电路设计和电源模块的选型及设计。诱导控制系统可以实现本地拨码开关直接控制、远程PLC控制、远程RS485三种方式控制。另外，还可以检测断路、短路。关键词：ATmega16单片机 LED诱导灯 脉冲宽度调制AbstractThis induced signs Controller LED tunnel design object, the system studied ATmega16 AVR microcontroller induced traffic in highway tunnels in the practical application. The design of the system uses a bright LED to light emitting devices, each induced marked a light-emitting surface of a six LED lights. Light-emitting LED with white, yellow combinations, strobe light, flash frequency is adjustable, low power consumption, maximum brightness of each LED is a current as 20mA. LED illuminated signs induced by a low voltage (24V) DC power supply, controller input AC 220V, output 24V DC. ATmega16 microcontroller system to use as a controller to the control circuit, the output digital signal from the controller using pulse width modulation (PWM) technology to brightness LED lights, blinking frequency of centralized control, to achieve a safe, low power consumption. Detection circuit, the selection of light intensity detection chip for detection of light intensity on the outside, and then signal to the microcontroller, the microcontroller according to outside light intensity on the Led lights adjust the brightness. Interface circuit design also completed the design and selection and design of power modules. Induction control system can directly control the local DIP switch, remote PLC control, remote RS-485 control in three ways. In addition, it can detect open circuit, short circuit.Key words: ATmega16 microcontroller LED lights Pulse Width Modulation- II -目 录第1章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 课题应用现状11.3 本课题研究的主要内容2第2章 系统总体设计32.1 概述32.1.1 隧道LED诱导标志控制器控制系统原理框图32.1.2 可行性论证32.2 单片机功能介绍42.2.1 单片机概述42.2.2 ATmega16单片机基本功能介绍62.2.2.1 ATmega16 芯片引脚功能82.2.2.2 ATmega16 内核介绍92.3 发光二极管简介10第3章 硬件设计133.1 芯片介绍及选型133.1.1 LM3401LED驱动芯片133.1.2 MAX485芯片143.1.3 ULN2803驱动芯片153.1.4 稳压芯片7805和7824163.1.5 TSL256X芯片介绍173.1.5.1 TSL256x的引脚功能173.1.5.2 TSL256x的内部结构和工作原理183.2 各部分电路设计203.2.1 光强检测电路203.2.2 LED驱动电路213.2.3 反馈电路223.2.4 电源模块233.2.5 复位电路243.2.6 晶振电路253.2.7 串口通讯253.2.7.1 RS-485的特性253.2.7.2 RS485远程控制电路26第4章 软件设计274.1 概述274.2 RS485的程序设计284.3 PWM的程序设计294.4 传感器的程序设计294.5 主程序及说明30设计总结31参考文献33致 谢34附录1: 程序代码35附录2：主要英文参考资料及译文50附录3：硬件原理图62- ii -第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义我国是一个多山的国家,75%左右的国土是山地或重丘,公路建设中,过去的普遍做法是盘山绕行或切坡深挖。这种方法在一定程度上解决了交通问题，但不可否认的是，这同样造成了人力、物力和时间上的严重浪费。据统计资料显示，汽车翻越山岭平均时速不足30km,不到经济时速的一半，汽车的机械损坏和轮胎磨损极为严重，低等级道路的汽油耗量比高等级公路多20%一50%。随着交通技术的快速全面的发展，隧道技术被越来越广泛的运用到实际交通中。但是，公路隧道属于公路上的特殊路段，空间环境狭窄、光线变化大，不仅车速高、交通量大，而且汽车尾气排放不易散发而导致隧道内空气质量恶化视野不清，存在潜在的交通事故危险。在这种环境下，司机需要一个清晰的、明确的视觉诱导。诱导效果越好，司机驾驶越安全。 因此，在建立完善的交通控制策略的基础上，构建一个公路隧道交通控制与诱导系统是很有必要的。交通控制与诱导系统实现可以为驾驶员提供实时交通信息与环境信息，进行路线指示、车辆引导，在提高行车速度的同时降低事故严重程度及各种损失。针对这个实际问题，隧道LED诱导标志控制器正越来越广泛的被运用到公路隧道中。车辆驶入隧道，仿佛进人灯的世界，视线清楚、一片光明。隧道侧部顶端是功率较大的照明灯，每隔几米就有一个；隧道侧部下端，人行道高台边上是主要起引道作用的小灯就是LED诱导灯，这种小灯从两边看分别为不同的两种颜色组合。 隧道LED诱导系统主要是为行驶在隧道的司机提供主动式安全行驶诱导，提高车辆安全系统，并改善隧道内照明光度状况，同时达到节约隧道照明能源的目的。1.2 课题应用现状 随着我国对中西部山区公路建设投入的不断增加，以及工程施工技术的不断创新，公路隧道工程，特别是高速公路隧道工程在整个公路建设中越来越多，其中长度超过1000米的长隧道和长度超过3000米的特长隧道所占比例显著提高。由于公路隧道自身空间环境狭窄、光线变化大、空气质量恶劣等特点，使得公路隧道成为高速公路事故多发路段。近年来，改善公路隧道行车环境、加强公路隧道内事故救援和交通控制诱导越来越受到人们的重视，也针对一些长隧道、特长隧道编写了较为完善的交通控制诱导预案。为了降低这些预案进行实地演练对正常交通流的影响，帮助公路隧道运营管理人员熟悉各类交通控制诱导策略，有必要建立一个公路隧道交通诱导系统。 如今，国内外在隧道LED诱导控制系统方面的研究已经取得了很高的成就，许多公司都设计、制造并经营着这类产品，而且能够根据用户的具体需要定做针对性的产品。隧道LED诱导标志控制器正在我们的日常生活中起到越来越重要的作用，被大量的应用到交通系统中，而且将得到更加广泛的应用。隧道LED诱导标志控制器将越来越不可替代。1.3 本课题研究的主要内容本次设计的隧道LED诱导标志控制系统可简单描述为：光强检测传感器把外界光强信号及时传给单片机，通过改变占空比来调节LED灯的亮度。控制器留有与中央控制室的通信接口，可以实现本地、远程（PLC）开关量、RS485三种控制方式。如果隧道前方路面有异常情况，中央控制室将及时把信号发送到控制器，控制器通过PWM技术使LED灯实现闪烁。另外，本次设计的系统考虑了实际交通中有可能逆行的情况，当控制器检测到中央控制室传来的逆行信号时，可以在车辆逆行时实现交通诱导功能。本论文主要做了以下内容： 1.根据系统要求，确定系统的总体设计方案； 2.硬件设计。使用Protel99软件绘制原理图，包括电源模块的选型和设计、各功能 电路设计以及芯片的选型等； 3.软件设计。根据系统要求，使用C语言编辑能实现系统功能的程序代码。第2章 系统总体设计2.1 概述根据系统的设计要求，显示灯采用高亮LED为发光元件，外界光强检测采用TSL2561传感器，并把检测到的信号传送给ATmega16单片机。单片机对接收到的数字信号进行数据处理，从而改变输出电路中LED灯的亮度。此外，控制电路留有与中央控制室的接口，并可根据上位机的信号实现LED灯的闪烁，其频率可调。状态反馈采用继电器触点。系统采用八段式控制器，可以实现本地拨码开关直接控制、远程PLC 控制及组网方式和远程RS485 控制及组网方式三种控制方式。具体设计要求如下：1. 诱导标志两面发光（用白黄组合，左面白光右面黄光），发光器件采用高亮LED灯 。LED发光可频闪发光，闪烁频率可调。 2系统采用低电压（24V）直流供电方式，控制器输入交流220V市电，输出24V直流电，由控制器对LED灯的亮度、闪烁频率进行统一控制。3电源输入端设有保护开关，保持恒定电流，保证系统安全。4最大亮度是电流每组LED为20mA。5控制器可以在本地、远程（PLC）开关量、连接中继控制器或RS-232和RS485等多种方式控制可检测断路、短路。2.1.1 隧道LED诱导标志控制器控制系统原理框图 图1.1 隧道LED诱导标志控制器控制系统原理框图 2.1.2 可行性论证 系统采用八段式控制器，该控制器可以实现如下功能：1. 白天/夜间模式的输出可调整，这就可以根据隧道外亮度情况改善隧道内照明光度状况，同时达到节约隧道照明能源的目的。2. 频率可调，可以根据闪烁警示驾驶员前方有危险情况，为行驶在隧道的司机提供主动式安全行驶诱导。3. 控制方式： 本地拨码开关，远程PLC 控制，RS-232 和RS-485。(1) 当系统不需要集中控制或无法远程控制时，可采用控制器内的拨码开关进行本地直接控制LED 诱导发光标志的亮度和闪烁状态。(2) 当隧道控制室 PLC 与LED 诱导系统控制器联接后，可实现远程控制。联接方式为从控制室（PLC）布设线缆至控制器，直接将线缆联接到控制器端子上。(3) 隧道控制室计算机或 PLC 可以通过RS485 对LED 诱导系统控制器进行远程控制。联接方式为从控制室布设线缆至控制器，直接采用2 芯电缆与控制器的RS-485端口并接，网络中总控制器数量控制在32 个以内。 4. 中继功能:拨码开关可以独立设置2 路中继。5. 故障检测:开路、过载检测。6. 故障输出:2路独立无源故障输出点，用于远程检测。7. 过载保护:每条线路超过4.5A 自动保护。所以，采用这种设计方法可以实现系统功能。2.2 单片机功能介绍2.2.1 单片机概述单片机诞生于20世纪70年代末，它是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。它包括CPU、内存、内部和外部总线系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。单片机按CPU的处理能力分类目前有4位、8位、16位、32位，位数越高的单片机在数据处理能力和指令系统方面就越强，AVR、51、PIC都属于8位机。8位单片机由于内部构造简单、体积小、成本低廉，在一些较简单的控制器中应用很广。即便到了本世纪，在单片机应用中，仍占有相当的份额。8位单片机也是目前应用最广泛的单片机，在各个领域上都可以看到它的身影。在AVR、51系列、PIC单片机中，51系列最基本，同时有解密容易等缺点；PIC单片机工业抗干扰性强，各个型号的兼容性强；AVR最新的MEGA系列运行速度快。各种单片机都有各自的优缺点，使用的时候应根据需要选择。由于之前的学习中对PIC单片机接触较少，本次设计将不考虑使用PIC单片机，本文也不作介绍。51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H2FH，它既可作字节处理，也可作位处理(作位处理时，合128个位，相应位地址为OOH7FH)，使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理(包括前面所有的位功能)，只需用一条位操作指令即可。AVR单片机其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。通用寄存器一共32个(RO-R31)，前16个寄存器(R0R15)都不能直接与立即数打交道，因而通用性有所下降。而在5l系列中，它所有的通用寄存器(地址00-7FH)均可以直接与立即数打交道，显然要优于前者。AVR系列没有类似累加器A的结构，它主要是通过R16R31寄存器来实现A的功能。在AVR中，没有像5l系列的数据指针DPTR，而是由X(由R26、R27组成)、Y(由R28、R29组成)、z(由R30、R31组成)三个16位的寄存器来完成数据指针的功能(相当于有三组DPTR)，而且还能作后增量或先减量等的运行。在51系列中，所有的逻辑运算都必须在A中进行；而AVR却可以在任两个寄存器之间进行，省去了在A中的来回折腾，这些都比51系列强。AVR的专用寄存器集中在003F地址区间，无需像PIC那样得先进行选存储体的过程，使用起来比PIC方便。AVR的片内RAM的地址区间为006000DF(AT90S23131)和0060025F(AT90S85l5、AT90S8535)，它们占用的是数据空间的地址，这些片内RAM仅仅是用来存储数据的，通常不具备通用寄存器的功能。当程序复杂时，通用寄存器R0一R31就显得不够用；而51系列的通用寄存器多达128个(为AVR的4倍)，编程时就不会有这种感觉。AVR的I/O脚类似PIC，它也有用来控制输入或输出的方向寄存器，在输出状态下，高电平输出的电流在10mA左右，低电平吸入电流20mA。虽不如PIC，但比51系列强。AVR单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提升，且电路简单，故障率低，可靠性高，成本低廉。AVR与51系列单片机相比具有一系列的优点，用通俗的说法主要体现在这几个方面：一、简便易学，费用低廉。首先，对于非专业人员来说，选择AVR单片机的最主要原因，是进入AVR单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以学习AVR单片机的开发。单片机初学者只需一条ISP下载线，把编辑、调试通过的软件程序直接在线写入AVR单片机，即可以开发AVR单片机系列中的各种封装的器件。AVR单片机因此在业界号称“一线打天下”。其次，AVR单片机便于升级。AVR程序写入是直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作，这样便于产品升级。再次，AVR单片机费用低廉。学习AVR单片机可使用ISP在线下载编程方式(即把PC机上编译好的程序写到单片机的程序存储器中)，不需购买仿真器、编程器、擦抹器和芯片适配器等，即可进行所有AVR单片机的开发应用，这可节省很多开发费用。程序存储器擦写可达10000次以上，不会产生报废品。二、高速、低耗、保密。首先，AVR单片机是高速嵌入式单片机：1、AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行。2、多累加器型，数据处理速度快。AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行。3、中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。其次，AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。有的器件最低1.8 V即可工作。 再次，AVR单片机保密性能好。它具有不可破解的位加密锁Lock Bit技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。三、I/O口功能强,具有A/D转换等电路1. AVR单片机的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。工业级产品，具有大电流(灌电流)1040 mA,可直接驱动可控硅SSR或继电器，节省了外围驱动器件。2. AVR单片机内带模拟比较器，I/O口可用作A/D转换，可组成廉价的A/D转换器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。3. 部分AVR单片机可组成零外设元件单片机系统，使该类单片机无外加元器件即可工作，简单方便，成本又低。4. AVR单片机可重设启动复位,以提高单片机工作的可靠性。有看门狗定时器实行安全保护,可防止程序走乱(飞),提高了产品的抗干扰能力。四、AVR单片机有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。定时/计数器T/C有8位和16位,可用作比较器。计数器外部中断和PWM(也可用作D/A)用于控制输出，某些型号的AVR单片机有34个PWM，是作电机无级调速的理想器件。AVR单片机有串行异步通讯UART接口,不占用定时器和SPI同步传输功能,因其具有高速特性，故可以工作在一般标准整数频率下,而波特率可达576K。2.2.2 ATmega16单片机基本功能介绍ATmega16是基于增强的AVR RISC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1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega16 AVR 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，即RWW)，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(TQFP 封装) 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。 工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。 2.2.2.1 ATmega16 芯片引脚功能表2.1 ATmega16 芯片引脚功能表引脚名称引脚功能说明端口A(PA7.PA0)端口A作为A/D转换器的模拟输入端，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A处于高阻状态。端口B(PB7.PB0)端口B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)端口C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)端口D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 2.2.2.2 ATmega16 内核介绍 图2.1 ATmega16单片机的结构方框图 为了获得最高的性能及并行性， AVR 采用了Harvard 结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU 在执行一条指令的同时读取下一条指令，实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的FLASH。 快速访问寄存器文件包括32 个8 位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。从而实现了单时钟周期的ALU 操作。在典型的ALU 操作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件。整个过程仅需一个时钟周期。 寄存器文件里有6个寄存器可以用作3个16位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。这些附加的功能寄存器即为16 位的X、Y、Z 寄存器。ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。ALU也可以执行单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。 程序流程通过有/ 无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间。大多数指令长度为16 位，亦即每个程序存储器地址都包含一条16 位或32 位的指令。 程序存储器空间分为两个区：引导程序区(Boot 区) 和应用程序区。这两个区都有专门的锁定位以实现读和读/ 写保护。用于写应用程序区的SPM 指令必须位于引导程序区。 在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器(PC) 保存于堆栈之中。堆栈位于通用数据SRAM，因此其深度仅受限于SRAM 的大小。在复位例程里用户首先要初始化堆栈指针SP。这个指针位于I/O 空间，可以进行读写访问。数据SRAM 可以通过5 种不同的寻址模 式进行访问。 AVR有一个灵活的中断模块。控制寄存器位于I/O空间。状态寄存器里有全局中断使能位。每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。 I/O 存储器空间包含64 个可以直接寻址的地址，作为CPU 外设的控制寄存器、SPI，以及其他I/O 功能。映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址0x20 - 0x5F。2.3 发光二极管简介发光二极管简称LED，是 Light Emitting Diode)的缩写。简单来说，发光二极管是利用二极管内电子与空隙结合过程中能量转换产生光的输出。 图2.2 发光二极管的电路图形符号a)新图形符号 b)旧图形符号图2.3 发光二极管的发光原理图具体地说，LED发光原理如下：发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。 假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数m以内产生。 光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷铝镓（GaAIAs）发光二极管等；按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等；若按功率来区别可分为小功率（HG 400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）发光二极管：另外还有多色、变色发光二极管等等.第3章 硬件设计3.1 芯片介绍及选型根据系统的设计要求，本次设计需要选择满足要求的功能芯片，并根据芯片功能设计能够实现系统功能的电路。下面将逐一进行所选芯片的介绍。3.1.1 LM3401LED驱动芯片图3.1 LM3401LED驱动芯片引脚图表3.1 LM3401LED驱动芯片引脚功能表引脚引脚名称描 述1CS电流检测引脚。连接到漏极的PFET2DIM调光输入引脚。当点心低，HG的驱动器是关闭的。可连接到一个逻辑电平PWM信号3SNS电流反馈PIN码LED阴极。从这个引脚连接到地的电阻设置LED电流的DC4HYS滞后调整脚。从这个引脚连接到GND的电阻设置滞后窗口5GND接地引脚6HG栅极驱动输出。连接到PFET的栅极。7VIN电源输入8ILIM调整端电流限制。从这个引脚连接一个电阻来的PFET源设置限流门限LM3401LED驱动芯片是美国国家半导体公司(National Semiconductor Corporation)近日添加的一款新的LED驱动器。这款LM3401LED驱动器可以驱动1W至5W的高亮度LED，尤其适用于工业, 汽车以及通用照明系统。这款芯片的输入电压范围极广，可以输出恒定电流来控制LED亮度。此外，较低的反馈电压有助于减少功耗。 这款高效的LM3401 LED驱动器适用于4.5V至35V的输入电压，可输出3A以上的驱动电流，而且电流大小可以灵活调节，占空比高达100%。此外，这款芯片的反馈电压仅为0.2V，而电流感测准确度极高，不超过3%的误差，因此可为LED提供恒定电流，确保LED灯光颜色稳定。LM3401 LED驱动器的技术规格如下：LM3401芯片是一款高效率的迟滞PFET开关控制器，可为串联LED提供恒定的驱动电流，卓越的性能可以确保输出的光线颜色稳定。该芯片设有可调节的迟滞窗口，在元件选择和简化系统设计方面有很强的灵活性。芯片的另一优点是无需加设外置补偿电路。这款芯片可以感测LED的稳压电流，然后将LED电流与0.2V的低反馈电压互相比较，无需加设输出电容器也可控制反馈恒流。LM3401芯片设有可编程的过流过压保护功能，而且还可通过DIM输入引脚利用PWM输入信号控制光暗。封装方面，这款芯片采用8引脚的迷你型SOIC封装。3.1.2 MAX485芯片 图3.2 MAX485芯片引脚图 表3.2 MAX485发送与接收功能表发 送接 收输 入输 出输 入输出REDEDIZ(B)Y（A）REDEA-BROX110100+0.2V1X101000-0.2V000X高阻高阻00输入开路1X0X高阻高阻10X高阻MAX485芯片是半双工通信芯片，用于RS-485通信的低功耗收发器，器件中具有一个驱动器和一个接收器。具有如下主要特点：（1） 单+5V供电；（2） 静态电流300uA；（3） 驱动器有过载保护；（4） 最大共模输入电压输入范围-7V+12V；（5） 传输速率2.5Mb/s；（6） 有接受驱动使能端；（7） 可驱动32个负载。驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。3.1.3 ULN2803驱动芯片ATmega16单片机 的驱动能力不足时，则需要采用ULN2803增加驱动力。图3.3 ULN2803驱动芯片的引脚图表3.3 ULN2803驱动芯片的极限参数表最大输出电压VCE50V最大输入电压VIN30V最大连续输出电流IC500mA最大连续输入电流IIN25mA主要直流参数如下：集电极发射极间饱和压降VCE(sat):IC=100mA，IIN=250uA时，典型0.9V，最大1.1V；IC=350mA，IIN=500uA时，典型1.3V，最大1.6V。输入电流IIN（ON）：VIN=3.85时，典型0.93mA,最大1.35mA；输入电压VIN（ON）：VCE=2V，IC=200mA时，最大2.4V；IC=300mA时，最大3.0V。3.1.4 稳压芯片7805和78247805和7824是电子产品常见的三端稳压集成电路，正电压输出。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。 用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7805表示输出电压为正5V，7824表示输出电压为正24V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。78系列芯片在降压电路中应注意以下事项： 1输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； 2输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿； 3 输入输出压差也不能太小,大小效率很差。 3.1.5 TSL256X介绍 TSL2560和TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。该芯片可广泛应用于各类显示屏的监控，目的是在多变的光照条件下，使得显示屏提供最好的显示亮度并尽可能降低电源功耗；还能够用于街道光照控制、安全照明等众多场合。该芯片的主要特点如下：1.可编程配置许可的光强度上下阈值，当实际光照度超过该阈值时给出中断信号；2. 数字输出符合标准的SMBus(TSL2560)和I2C(TSL2561)总线协议；3. 模拟增益和数字输出时间可编程控制；4. 1.25 mm1.75 mm超小封装，在低功耗模式下，功耗仅为0.75 mW；5. 自动抑制50 Hz/60 Hz的光照波动。3.1.5.1 TSL256x的引脚功能 TSL256x有2种封装形式： 6LEAD CHIPSCALE和6LEAD TMB。封装形式不同，相应的光照度计算公式也不同。图3.4为这两种封装形式的引脚分布图。图3.4 TSL256x封装图 表3.4 引脚功能表引脚名称引脚功能其他描述引脚1电源引脚工作电压范围是2.73.5V引脚2器件访问地址选择引脚由于该引脚电平不同，该器件有3个不同的访问地址。见表4.5引脚3信号地其工作电压范围是2.73.5V。引脚4I2C或SM Bus总线