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1、无线窗帘开关控制系统设计摘 要随着生活质量的日益改善和生活节奏的不断加快，人们的工作、生活日益信息化。信息化社会改变了人们的生活方式与工作习惯，使得家居系统的智能化成为一种消费需求，智能家居系统越来越被重视。因此，将家庭中各种通信设备、家用电器和家庭安保装置通过家居控制系统进行整合，并进行远程控制和管理，已经成为近年来一个热门研究课题。首先，本文在概述了智能家居系统和ZigBee的基础上提出了以ZigBee无线传感器网络为家庭控制子网，以家用PC机作为家庭网关和家居控制中心，以嵌入式系统为终端的智能家居系统设计方案。与传统家居系统相比，利用ZigBee技术实现智能家居系统，具有免布线，维护方便
2、，运行费用低，功耗小，对家居内部各种数据进行无线采集和传输等特点。其次，本文对ZigBee无线通信技术做了全面的研究分析，介绍了ZigBee技术的由来、发展历程及其特点。在对比了几种短距离无线网络的基础上确定了使用ZigBee无线通信技术实现智能家居的可行性。再次，本文介绍了以ATmega16和顺舟科技生产的SZ05嵌入式模块组成的窗帘控制终端的设计过程，以此终端配合驱动电机实现窗帘的开、关、停等动作。 该项目是通过ZigBee无线传输技术实现窗帘控制系统的设计。主要包括驱动电机的控制与无线数据传输功能。其中ZigBee传输技术，实现了物联网中设备与设备的通信；嵌入式开发技术主要是为了实现物联
3、网中设备的控制。关键词：智能家居；物联网；单片机；无线窗帘AbstractAlong with the quality of life improving and accelerating the pace of life, peoples work and life is becoming more and more information. Information society has changed peoples life style and working habits, makes the intelligent household system has become a kin
4、d of consumption demand, the smart home system is more and more attention. Will be in the family, therefore, all kinds of communication equipment, household appliances and home security devices through the home control system integration, and remote control and management, has become a hot research
5、topic in recent years.At first, this article provides an overview and ZigBee smart home system based on ZigBee wireless sensor network is proposed based on home control subnet, with household PC as the family gateway and home control center, intelligent household system based on embedded system term
6、inal design. Compared with the traditional household system, intelligent household system with ZigBee technology, and has no wiring, easy maintenance, low operating cost, low consumption, the household within the various characteristics of data acquisition and wireless transmission.Secondly, based o
7、n ZigBee wireless communication technology has made the comprehensive research and analysis, introduces the origin, development process and characteristics of the ZigBee technology. In contrast are determined on the basis of several short-range wireless network using the ZigBee wireless communicatio
8、n technology to realize the feasibility of intelligent household,Again, this paper introduces the ATmega16 and boat SZ05 embedded module of science and technology production of curtain design process of the control terminal, to cooperate terminal drive motor to achieve open and close of the curtain,
9、 stop motion, etc.This project is through the ZigBee wireless transmission technology can realize the function of the curtain control system design. Mainly includes the motor driver and the realization of the function of wireless data transmission. The ZigBee transmission technology, realized the co
10、mmunication devices and equipment in the Internet of things; Embedded development technology is mainly in order to realize the Internet of things in the control of the equipment.Key words： Smart home; The Internet of things; Single chip microcomputer; Wireless curtain目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 课题背景1
11、1.2研究现状及发展趋势21.3课题研究的目的和意义31.4本文结构内容安排32 ZigBee技术与AVR单片机概述42.1 ZigBee技术的演变与进展42.2 ZigBee技术特点及应用领域52.3 SZ05-L-STD无线数传模块概述72.4 AVR单片机概述103系统硬件设计183.1单片机主控模块193.2ZigBee模块213.3电源模块233.4继电器控制模块264 系统软件设计294.1用C语言开发单片机的优势294.2 ICCAVR编译器简介304.3软件设计314.4上位机软件设计37结 论41致 谢42参考文献43附 录1：44英文文献44附 录2：49中文文献49附 录
12、3：53硬件原理图531 绪 论1.1 课题背景随着社会经济的发展、生活质量的日益改善和生活节奏的不断加快，人们的工作、生活日益信息化。信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的家庭住宅系统提出了挑战。人们对于家居的要求已经不仅仅是物理意义上的生存空间，更为关注的是一个高度安全性、方便、舒适的生活环境、先进的通讯设备、完备的信息终端、自动化和智能化的家用电器、信息资源使用的网络化的需求等等，现代的家居设计理念越来越追求便捷化、高效化与智能化，家居设备的高度智能化已经成为一种强烈的消费需求。同时在科学技术的快速发展的推动下，实现这种需求已经不再是天方夜谭。由于电子技术的进步，家居产
13、品已与计算机、网络通信技术紧密地结合在一起，智能化的家用电子电器产品应运而生，智能家居系统越来越得到人们的重视，使得家居智能化势在必然。迄今为止，智能家居还没有一个普遍认同的统一的定义。通常智能家居系统利用先进的计算机和网络通讯技术将与家居生活有关的各种各样的子系统，通过特定的网络有机地结合在一起，通过科学管理，让家居生活更加舒适、有效、安全和节能。与传统的家居相比，智能家居不仅仅具有传统的居住和实用功能，还提供了舒适安全、高品位的宜人的家庭生活空间，并且提供全方位的信息交换功能，确保家庭内部与外界之间保持良好的交流与沟通，增强家居生活的安全性，节约能耗，帮助人们有效安排时间，优化人们的生活和
14、工作方式。智能家居网络通常能够分为家庭数据网络和家庭控制网络两种：家庭数据网络，提供高速率的数据传输服务，如家用计算机和数字电视、视频和音频播放器、资源共享及高速上网等；家庭控制网络，提供便捷的和低速率的控制和互连网络，用于灯光照明控制、家电控制、家居安防、家居环境监测以及家庭应急求助等功能。智能家庭控制网络是智能住宅系统的重要组成部分，家庭控制网络子网和远程管理是该系统的重点和难点。与家居数据通信网络的应用目的不一样，数据通信网络中音、视频等大数据传输需要高速的数据通信接口，而家居控制系统需要的是经济、低功耗的控制网络，该控制网络的主要功能在于设备的连接与控制，基本上无需高速的通信方式来支撑
15、。在智能家居网络中，我们要考虑以下特点：（1） 低成本：大量的家电和传感器终端节点是家庭控制网络中控制的主要对象，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。（2） 跨平台：智能家居系统的使用环境是一个家居环境，整个系统中有着错综复杂的平台，不能强制要求用户能够对系统进行复杂的配置和管理，网络环境下各种资源的自组织和协同工作显得非常重要。（3） 可扩展性：能够在系统主架构不做改动的情况下进行维护和扩展，加入新的家居设备。（4） 远程控制：移动终端设备能够接入Internet并登录到智能家居控制系统中，进行信息交互，实现远程监控和控制。传统的家居智能控制系统一般采用有线方式来组建，如同轴电缆
16、、USB、CAN总线等。但有线网络具有布线麻烦，可扩展性差等固有的缺点，限制了有线网络技术在智能家居系统中的发展。因此，将无线网络技术应用于家庭网络己成为大势所趋。这不仅仅因为无线网络具有更大的灵活性、流动性，省去了布线的麻烦，更重要的是它符合家居控制网络的通讯特点。无线家居网络将人们生活与工作的广袤空间浓缩于人类的双手可以掌控的距离。红外、蓝牙、ZigBee、WiFi等一系列无线网络技术的进一步发展，必将大大促进家居设备无线化、智能化的进程。本文研究设计的智能家居系统中的无线窗帘控制在家庭组网中采用ZigBee技术，它是一种近距离、低成本、低能耗、低数据速率的无线网络技术，它符合IEEE80
17、2.15.4标准，是IEEE工作组专门为短距离通讯制定的标准。11.2研究现状及发展趋势智能家居的概念起源较早，但一直没有具体的实现案例。世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现，美国联合科技公司在美国康乃迪克州哈特佛市的一座旧式大楼的改造中将智能建筑的概念应用于大楼的供电、安保、照明等设备，使用计算机对大厦进行监测和控制，并提供了先进的语音、数据通信和资讯等方面的信息服务，该栋智能型建筑的诞生，揭开了智能家居发展的序幕。此后，一些经济、技术比较发达的国家先后提出了各种各样的智能家居解决方案。智能家居系统在法国、加拿大、日本等国都有广泛应用。1998年5月，在新加坡举办的“家庭电器与电子消费品
18、国际展览会”上，“未来之家”进行了现场演示，该系统是一套完善的家庭智能化系统。它的系统功能主要包括三表远程抄送功能、安保报警功能、家电控制功能、高速数据传输功能、家庭智能控制面板等。在展会上参与演示的家庭智能化系统距离真正的市场应用还尚需时日，但是科学技术的发展使得人们更加坚定了追求高品质生活方式的信心，智能家居作为高品质信息生活的代表得到越来越多的瞩目。智能家居网络技术在国内的发展始于20世纪90年代末，到2000年左右智能家居概念开始得到大范围的宣传，使我国的普通居民开始了解并接受了智能家居的概念。如今各小区的开发商在住宅小区和住宅的设计阶段也已经较多地考虑了智能化基础设施的建设，少数高档
19、的住宅小区己经配套了相当完善的智能家庭网络，很多开发商已经将住宅“智能化”作为一个“亮点在房地产销售的广告中大量宣传。从消费者的角度来看，智能家居的需求就是以实用为核心，力求家具设备的实用化、易用化和人性化，这就决定了家居智能控制系统的发展方向：无线化、网络化。对普通用户来说，最为使用方便的应用就是在家庭之外的任何地方通过手机等移动终端在手中可远程控制家庭中的一切电器设备，这正是远程移动通信技术在智能家居领域大受青睐的原因。1.3课题研究的目的和意义智能家居网络技术的发展使得我国居民对智能家居的需求得以增加，同时对智能家居也有了更高的要求。本着智能家居的需求就是以实用为核心，以家居设备的实用化
20、、易用化和人性化为原则，本文针对智能家居系统中的无线窗帘进行了研究。本课题是基于ATmega16和顺舟科技生产的ZigBee无线数传模块组成的窗帘控制终端，以此终端配合驱动电机实现窗帘的开、关、停等动作。可以实现智能家居系统中的上位机与控制终端的无线通信。1.4本文结构内容安排本文针对基于ZigBee无线通信技术的智能家居系统进行了研究，主要工作是对无线遥控窗帘的控制终端进行硬件和软件的设计，以实现通信ZigBee通信来控制窗帘的开、关、停等动作。本论文的结构安排如下：第一章：绪论。主要论述了本论文的选题背景，课题研究的意义及国内智能家居系统的现状和发送趋势。第二章：ZigBee技术的演变与进
21、展。主要对ZigBee技术的由来、发展、特点进行论述，对本课题设计使用到的ZigBee无线数传模块进行技术参数进行详细描述。对AVR单片机的特点进行概述，并对本课题设计中使用到的AVR单片机技术分模块进行详细描述。第三章：系统硬件设计。本章具体完成系统的硬件设计，详细描述了各硬件模块的技术参数，硬件设计中的设计技巧，并对设计电路图进行讲解。第四章：系统软件设计。本章具体完成系统的软件设计，论述了使用C语言进行软件开发的优、缺点，对软件开发工具ICC AVR的特点进行概述。使用结构化编程，基于编写的软件设计流程图进行分模块设计。对各个子函数的功能、设计进行了详细的编写说明。最后对本课题设计的上位
22、机软件功能进行了简单介绍。2 ZigBee技术与AVR单片机概述2.1 ZigBee技术的演变与进展ZigBee的基础是IEEE802.15.4，它是IEEE无线个人区域网（Personal Area Network，PAN）工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4（ZigBee技术标准）。ZigBee不只是802.15.4的名字。因为IEEE仅规范了低级媒体控制层（MAC）层和物理层协议所以ZigBee联盟对其网络显示屏协议和API进行了标准化。IEEE802.15.4完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4KB，或者作为Hub或路由器的协调器的32KB。每个协调器可连接多
23、达255个节点，几个协调器则可形成一个网络，而对路由器传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys公司、日本Mitsubishi公司、美国Motorola公司及荷兰Philips半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“ZigBee联盟”，以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准。这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。2.1.1ZigBee技术的由来在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管在许多优点，但仍存在着许多
24、缺陷。对工业、家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，且功耗大、距离近、组网规模太小等，因此这些领域对无线通信的需求越来越强烈。正因为如此，经过人们的长期努力，ZigBee协议于2004年正式制定。ZigBee是一个由可多达65000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，十分类似现有移动通信的CDMA网或GSM网。其中每一个ZigBee网络数传类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离从标准的75m到扩展后的几百米，甚至几公里。另外，整个ZigBee网络还可以与现胡的其他各种网络链接。例如，可以通过互联网在北京监控云南某地的一个Zig
25、Bee控制网络。不同的是，ZigBee网络主要为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要为语音通信而建立。每个移动基站价值一般都在百万人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象连接，例如与传感器连接直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，与多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点（RFD）无线连接。每个ZigBee网络节点（FFD和RFD）可支持多达31个的传感器和受控设备，并且每一个传感器和受控设备还可以有8种不同的接口方式。
26、另外，ZigBee可以采集和传输数字量和模拟量。2.1.2ZigBee技术的发展历程ZigBee是以IEEE802.15.4标准为基础发展起来的无线通信技术。2000年12月，工作小组成立，负责起草IEEE802.15.4标准。2002年10月，ZigBee联盟当时的成员有Philips Semiconductor、Honeywell、Mitsubishi、Invensys和Motorola等。2004年12月，ZigBee1.0标准（又称为ZigBee2004）出台，之后于2005年9月公布并提供下载。2006年12月又对ZigBee1.0进行了修订，推出了ZigBee1.1版（又称为Zig
27、Bee2006）.ZigBee1.1对原有ZigBee1.0作了若干修改，例如新增ZCL（ZigBee Cluster Library）、群化式装置（Group Device）、多播（Multicast）功效，以及直接通过无线方式（Over The Air，OTA）进行组态配置。此外还移除了KVP（Key Value Pair）的信息格式。然而ZigBee1.1依然无法达到最初的理想，此标准又于2007年10月完成再次修订（称为ZigBee2007/PRO，或者ZigBee PRO或ZigBee2007），推出了ZigBee Pro Feature Set（简称ZigBee PRO）的新标准。
28、此新标准ZigBee联盟更专注3种应用类型的拓展，包括家庭自动化（Home Automation，HA）、建筑/商业大楼自动化（Building Automation，BA）和先进抄表基础建设（Advanced Meter Infrastructure，AMI）。经过多年的发展，ZigBee技术已经趋于成熟，软硬件方面的发展也非常迅速，并有免费公开的协议栈供大家使用，如TI公司推出的ZigBee协议栈（Z-Stack）提供免费下载。本课题中使用的是上海顺舟科技有限公司生产的SZ05系列ZigBee嵌入式无线数传模块。2.2 ZigBee技术特点及应用领域2.2.1ZigBee技术特点ZigBe
29、e技术特点包括以下几方面：可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，通常时延都在1530ms之间。网络容量大：可支持高达65000个节点。安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。高保密性：采用64位出厂编号，并支持AES-128加密数据传输速率低：只有10250 KB/s，更专注于低传输应用。功耗低：
30、在低功耗待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者一起引以为傲的独特优势。成本低：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，且ZigBee协议免收专利费，所以大大降低了成本。优良的网络拓扑能力：ZigBee设备具有无线网络自愈能力，ZigBee具有星、树和网状网络结构的能力，因此通过ZigBee无线网络拓扑能简单地覆盖广阔范围。有效范围大：有效覆盖范围为1075m（通过功放可以在低功耗条件实现1000m以上的通信距离），具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通家庭或办公室事环境。工作频段灵活：使用
31、的频段为2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免护照频段。表2.1 ZigBee与其他技术的比较IrDA蓝牙Wi-FiZigBee工作频率红外线2.4G2.4G2.4G/868/915MHz有效物理范围20cm1.2m10m左右25100m10m100m最大传输速率16Mbps1Mbps11Mbps250kbps, 20/40kbps网络节点273265000最大功耗数mw100mw100mw30mw主要用途直线短距离遥控个人网络无线局域网家庭网络传感器网络表2.1给出了上述几种短距离无线通信技术在通信距离、功耗、传输速率、连接设备数上的差别和性能比较。不难看出
32、，无论是红外技术、蓝牙技术、无线局域网技术还是ZigBee技术，它们都具有各自的优缺点，能够适用于不同的应用场合。 从表2.1中几种无线传输的属性中我们可以看到ZigBee的应用范围是低速率远距离的。这造就了ZigBee低功耗信息传输的优势。两节普通的5号干电池可以使用6个月到2年的时间，免去充电和更换电池的麻烦。ZigBee节点所属类别主要分3种，分别是协调器（Coodinator）、路由器（Router）、终端（End Device）。统一网络中至少需要一个协调器，也只能有1个协调器，负责各个节点16位地址分配（自动分配）。理论上可以连接65536个节点。组网方式千变万化，如图2-1所示。
33、图2-1 ZigBee组网形式2.2.2ZigBee技术的应用领域ZigBee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。ZigBee的应用领域很广，这里就不一一列举了。随着技术日益成熟以及价格的下降，ZigBee在大多领域取代原始的无线是毋庸置疑的。举个最简单的例子，终端节点和协调器的最大通讯距离为200米，我们在200米的地方加入1个点作为路由器，那么终端就可以通过路由器转发，也就是说通讯距离可达400米。而且
34、新节点加入现有网络极为方便。我们姑且可以先把ZigBee当成普通的无线模块应用。22.3 SZ05-L-STD无线数传模块概述顺舟科技SZ05-L系列ZigBee无线串口通信模块，采用了加强型的ZigBee无线技术，符合工业标准应用的无线数据通信设备，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现多设备间的数据透明传输；可组MESH型的网状网络结构。SZ05系列无线通信模块数据接口包括：TTL电平收发接口、标准串口RS232数据接口，可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通讯，串口通信使用方法简单便利，可以大大
35、简短模块的嵌入匹配时间进程。本课题中使用顺舟科技生产的SZ05-L-STD ZigBee无线数传模块3，此模块的性能特点如下：产品主要功能：有线TTL、IO与无线ZigBee的相互转换，通过无线ZigBee进行组网通信。无线功能强大：具备中继路由和终端设备功能无线功能强大：具备中继路由和终端设备功能通信距离较远：最大视距传输距离800米抗干扰能力强：2.4GDSSS扩频技术串口应用灵活：透明方式或指令格式传输，最高波特率115200发送模式灵活：广播发送或目标地址发送模式可选节点类型灵活：中心节点、路由节点、终端节点可任意设置组网能力较强：星型网、树型网、链型网、网状网网络容量较大：16信道可
36、选，65535个网络ID可任意设置SZ05系列无线通信模块分为中心协调器、路由器和终端节点，这三类设备具备不同的网络功能，中心协调器是网络的中心节点，负责网络的发起组织、网络维护和管理功能；路由器负责数据的路由中继转发，终端节点只进行本节点数据的发送和接收。中心协调器、路由器和终端节点这三种类型的设备在硬件结构上完全一致，只是设备嵌入软件不同，只需通过跳线设置或软件配置即可实现不同的设备功能。本设计中使用的终端节点为SZ05-L-STD无线数传模块。模块外观如图2-2所示。图2-2 Z05-L-STD Zigbee无线数传模块SZ05-L-STD实物图2.3.1 SZ05-L-STD无线数传模
37、块技术参数本课题中使用的SZ05-L-STD无线数传模块可以通过软件的形式进行参数设置，这一特点使得组网更加简单易行。可以通过软件设置网络结构，如星型、链型、树型、网状网（MESH）等；网络结点的ID地址；通信波特率等。具体的设置方式请参考顺舟科技公司编写的SZ05系列ZigBee嵌入式无线数传模块用户手册进行设置，不再一一叙述。这里列出SZ05-L-STD无线数传模块具体技术参数，如表2.2所示。表2.2 Z05-L-STD Zigbee无线数传模块技术参数无线频率2400-2485M 2.4G ISM免费频段无线速率固定250K串口速率波特率1200-115200可设置调制方式DSSS 直
38、序扩频信道模式16信道（间隔5M），可指定或自动选择最佳信道信道检测CSMA/CA网络结构星型、链型、树型、网状网（MESH）网络ID65535个可指定节点类型中心节点、路由节点、终端节点可设置发送模式透明传输或指令格式定位信息RSSIIO应用12个IO口可扩展输入电压DC 3.7V5V休眠电流20uA(3.3V供电)发射功率SZ05-L- STD：3dbmSZ05-L-PRO：18dbm接收灵敏度SZ05-L- STD：-92dbmSZ05-L-PRO：-92dbm接口类型TTL、IO设备天线2.4G 内置PCB陶瓷天线工作温度-40+75工作湿度10%90%不结露模块尺寸SZ05-L-ST
39、D：27mm X 17mm（长X宽）SZ05-L-PRO：29mm X 17mm（长X宽）2.4 AVR单片机概述ATMEL公司是世界上著名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟IC芯片的半导体制造公司。在微控制器方面，ATMEL公司有基于8051内核、AVR内核和ARM内核的三大系列单片机产品（确切地讲，最后一款应称为嵌入式微处理器）。ATMEL公司在其单片机产品中融入了先进的EEPROM电可擦除和Flash ROM存储器技术，使其单片机产品具备了优秀的品质，在结构、性能和功能等方面都有明显的优势。ATMEL公司的AVR是8位单片机中第一个真正采用RISC结构的单片机。它采用了大
40、型快速存取寄存器组、快速单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得AVR单片机具有高达1MIPS/MHz的高速运行处理能力。为了满足市场和产品的不同需求，ATMEL公司对AVR单片机进行过两次的调整和改进，在对内部资源进行相应的扩展或删减的基础上，形成了以tinyAVR、megaAVR和XMEGA3大系列为主的10个品种、近百种型号的产品，以满足和适应各种层次的应用。43个大系列所有型号的AVR单片机都采用相同的AVR CPU内核架构，指令系统兼容，只是在内部资源的配备、存储器容量大小以及片内集成功能接口部件的数量和性能上有所不同。不同型号的AVR单片机封装形式也不一样，引脚数最少的只有6脚
41、，最多的达到100脚，价格也从几元到几十元不等，可以满足不同场合、不同应用的需求，用户可以根据需要选择。表2.2给出了3大系列基本资源配置。表2.3 AVR单片机3大系列基本资源配置表8位AVR CPU（RISC架构）存储器配备系列封装FlashSRAMEEPROMTinyAVR632脚512字节8KB32512字节0512字节megaAVR28100脚4256KB512字节16KB512字节4 KBXMEGA44100脚16384KB832KB24 KB从表2.3中可以看出，megaAVR系列单片机刚属于中档产品，其性能不仅优越，同时也有非常好的性价比。例如，引脚数最少（28脚）的ATmeg
42、a8，在市场上的价格大约10元人民币，却具备了1KB的SRAM、8KB的Flash、512字节的EEPROM，2个8位和1个16位共3个超强功能的定时/计数器等多种功能的接口和特性。在AVR系列单片机中，ATmega16是一款中档功能的AVR芯片，它的引脚数为40（44TQFP），在片内集成了1KB的SRAM、16KB的Flash、512字节的EEPROM，2个8位、1个16位共3个超强功能的定时/计数器，以及USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI(I2C)、片内高精度RC振荡器等多种功能的接口和特性。本课题中使用的即为ATmega16（工业级）单片机。2
43、.4.1 ATmega16的特点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，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。其主要特点如下：1) 先进的RISC 结构 131条机器指令，且大多数指令的执行时间为单个系统时钟周期 32个8位通用工作寄存器 工作于16 MHz 时性能高达16MIPS 配备只需2个时钟周期的硬件乘法器2) 片内含有较大容量、非易失性的程序和数据存储器 16KB在线可编程（ISP）Flash程序存储器（擦写寿命: 大于10000 次）
44、采用Boot load技术支持IAP功能 1KB的片内SRAM数据存储器，可实现3级锁定的程序加密 512字节片内在线可编程EEPROM数据存储器（擦写寿命: 大于10000 次）3) 片内含JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) 支持符合JTAG标准的边界扫描功能用于芯片检测； 支持扩展的片内在线调试功能； 可通过JTAG口对片内的Flash、EEPROM、配置熔丝位和锁定加密实现下载编程4) 外围接口 2个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 1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 4通道PWM 8路
45、10位ADC 面向字节的两线接口TWI（兼容I2C硬件接口） 1个可编程、增强型全双工，支持同步/异步通信的串行接口USART 1个可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口（支持ISP程序下载） 片内模拟比较器 内含可编程的具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器5) 其他特点 片内含上电复位电路以及可编程的掉电检测复位电路BOD 片内含有1/2/4/8MHz经过标定的、可校正的RC振荡器可作为系统时钟使用， 多达21个各种类型的片外部中断源 有6种休眠模式支持节电方式 工作电压范围宽：ATmega16L为2.75.5V，ATmega16为4.55.5V 运行速度快：ATmega16L为08M
46、Hz，ATmega16为016MHz 低功耗：ATmega16L工作在1MHz、3V、25时的典型功耗：正常工作模式为1.1mA，空闲工作模式为0.35mA，掉电工作模式为1uA。2.4.2 AVR单片机的内核结构本课题中的硬件平台主要以ATmega16单片机（工业级）为核心，ATmega16是ATMEL公司生产的一款中档功能的AVR芯片，它的引脚数为40（44TQFP），在片内集成了1KB的SRAM、16KB的Flash、512字节的EEPROM，2个8位、1个16位共3个超强功能的定时/计数器，以及USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI(I2C)、片内
47、高精度RC振荡器等多种功能的接口和特性。图2-3为典型的AVR单片机的内核结构图。5为了提高MCU并行处理的运行效率，AVR单片机采用了程序存储器和数据图2-3 AVR单片机的内核结构示意图存储器使用不同存储空间和存取总线的Harvard结构。算术逻辑单元（ALU）使用单级流水线操作方式对程序存储器进行访问，在执行当前一条指令的同时，也完成了从程序存储器中取出下一条将要执行指令的操作，因此执行一条指令的时间仅需要一个时钟周期。 在AVR的内核中，由32个访问操作只需要一个时钟周期的8位通用工作寄存器组成了“快速访问寄存器级”。“快速访问”意味着在一个时钟周期内执行一个完整的ALU操作。这个ALU操作中包含3个过程：从寄存器组中取出两个操作数；操作数被执行；将执行结果写回目的寄存器中。这3个过程是在一个时钟周期内完成的 ，构成一个完整的ALU操作。AVR单片机的算术逻辑单元（ALU）支持寄存器之间、立即数与寄存器之间的算术与逻辑运算功能，以及单一寄存器操作。每个运算操作的结果将影响和改变状态寄存器（SREG）的值。AVR的中断控制由I/O寄存器空间的中
