【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的高速處理能力。早期單片機(jī)主要由于工藝及設(shè)計(jì)水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，所以采取穩(wěn)妥方案 :即采用較高的分頻系數(shù)對(duì)時(shí)鐘分頻，使得指令周期長(zhǎng)，執(zhí)行速度慢。以后的 CMOS單片機(jī)雖然采用提高時(shí)鐘頻率和縮小分頻系數(shù)等措施，但這種狀態(tài)并未被徹底改觀 (51以及 51兼容 )。此間雖有某些精簡(jiǎn)指令集單片機(jī) (RISC)問世，但依然沿襲對(duì)時(shí)鐘分頻的作法。 AVR單片機(jī)的推出，徹底打破這種舊設(shè)計(jì)格局，廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計(jì)算機(jī) (CISC)追求指令完備的做法 。采用精簡(jiǎn)指令集，以字作為指令長(zhǎng)度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中 (指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此 )，取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。 AVR單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取 8位機(jī)與 16位機(jī)的折中策略，即采用局部寄存器存堆 (32個(gè)寄存器文件 )和單體高速輸入 /輸出的方案 (即輸入捕獲寄存器、輸 出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯 )。提高了指令執(zhí)行速度 (1Mips/MHz)，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強(qiáng)了功能 。同時(shí)又減少了對(duì)外設(shè)管理的開銷，相對(duì)簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。故 AVR單片機(jī)在軟 /硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價(jià)比的單片機(jī)。 VR單片機(jī)內(nèi)嵌高質(zhì)量的 Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫方便，支持 ISP和 IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新。內(nèi)嵌長(zhǎng)壽命的 EEProm可長(zhǎng)期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內(nèi)大容量的 RAM不僅能滿足一般場(chǎng)合的使用，同時(shí)也更有效的支持使用高級(jí)語言開發(fā)系統(tǒng)程序，并 可像 MCS51單片機(jī)那樣擴(kuò)展外部 RAM。 AVR單片機(jī)的 I/O線全部帶可設(shè)置的上拉電阻、可單獨(dú)設(shè)定為輸入 /輸出、可設(shè)定 (初始 )高阻輸入、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) (可省去功率驅(qū)動(dòng)器件 )等特性，使的得 I/O口資源靈活、功能強(qiáng)大、可充分利用。 AVR單片機(jī)片內(nèi)具備多種獨(dú)立的時(shí)鐘分頻器，分別供 URAT、 I2C、 SPI使用。其中與 8/16位定時(shí)器配合的具有多達(dá) 10位的預(yù)分頻器，可通過軟件設(shè)定分頻系數(shù)提供多種檔次的定時(shí)時(shí)間。 AVR單片機(jī)獨(dú)有的 以定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (單 )雙向計(jì)數(shù)形成三角波，再與輸出比較匹配寄存器配合，生成占空比可 變、頻率可變、相位可變方波的設(shè)計(jì)方法 (即脈寬調(diào)制輸出 PWM)更是令人耳目一新。增強(qiáng)性的高速同 /異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗(yàn)碼、硬件檢測(cè)和校驗(yàn)偵錯(cuò)、兩級(jí)接收緩沖、波特率自動(dòng)調(diào)整定位 (接收時(shí) )、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用，串口功能大大超過 MCS51/96單片機(jī)的串口，加之 AVR單片機(jī)高速，中斷服務(wù)時(shí)間短，故可實(shí)現(xiàn)高波特率通訊。面向字節(jié)的高速硬件串行接口 TWI、 SPI。 TWI與 I2C接口兼容，具備 ACK信號(hào)硬件發(fā)送與識(shí)別、地址識(shí)別、總線仲裁 等功能，能實(shí)現(xiàn)主 /從機(jī)的收 /發(fā)全部4種組合的多機(jī)通信。 SPI支持主 /從機(jī)等 4種組合的多機(jī)通信。 AVR單片機(jī)有自動(dòng)上電復(fù)位電路、獨(dú)立的看門狗電路、低電壓檢測(cè)電路 BOD，多個(gè)復(fù)位源 (自動(dòng)上下電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、 BOD復(fù)位 )，可設(shè)置的啟動(dòng)后延時(shí)運(yùn)行程序，增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。 AVR單片機(jī)具有多種省電休眠模式，且可寬電壓運(yùn)行 ()，抗干擾能力強(qiáng)，可降低一般 8位機(jī)中的軟件抗干擾設(shè)計(jì)工作量和硬件的使用。 單片機(jī)的選擇 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 29 頁(yè) 目前，單片機(jī)的種類很多。本文就 51系列和 AVR單 片機(jī)進(jìn)行比較并選擇。 51 系列和 AVR單片機(jī)的比較如下：① AVR單片 ATmega16）的時(shí)鐘源（晶振、內(nèi)部 RC 等）可以不經(jīng)過分頻直接提供給CPU使用，而 51的 CPU主頻等于晶振的 12分頻， ATmega16外部提供 16M的晶振，所以 AVR單片機(jī)的運(yùn)行速度比 51單片機(jī)的運(yùn)行速度要快得多，并且 AVR單片機(jī)可提供內(nèi)容 1M、 2M、 4M、 8M等可變的 CUP頻率。② AVR具有超功能精簡(jiǎn)指令。具有 32個(gè)通用工作寄存器（相當(dāng)于 8051中的 32個(gè)累加器，克服了單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶頸現(xiàn)象），有 128B～ 4KB個(gè) SRAM，可 靈活使用指令運(yùn)算。③ AVRI/O口是真正的雙向 I/O口，單片機(jī)讀取外部引腳電平直接通過 PINX讀取，不需要像 51那樣先給 I/O口全寫 1操作后才能讀取外部引腳電平，使得單片機(jī)讀取外部數(shù)據(jù)更容易。④ AVR內(nèi)部提供豐富的中斷及寄存器資源，光外部中斷就有 3個(gè)，定時(shí)器有 3個(gè)，豐富的寄存器資源使得可以設(shè)置外部中斷的多種觸發(fā)方式，以及設(shè)置內(nèi)部定時(shí)分頻系數(shù)，豐富的寄存器資源使得可以對(duì) AVR的 I/O口進(jìn)行多功能操作 ⑤兩者的 CPU構(gòu)架以及指令集完全不同， 51系列單片機(jī)所使用的是 CISC指令系統(tǒng)，馮諾依曼結(jié)構(gòu)體系的總線；而 AVR系列的單片機(jī)則使用的是 RISC指令系統(tǒng)，哈佛結(jié)構(gòu)的總線，AVR系列的單片機(jī)每個(gè)震蕩周期處理一條指令，而相應(yīng)的， 51系列的單片機(jī)則需要 12個(gè)震蕩周期來完成一條指令的處理。⑥針對(duì) 51系列單片機(jī)的 I/O腳所體現(xiàn)出來的弊端， AVR單片機(jī)做了相應(yīng)的改進(jìn)，即加入了控制輸入或輸出的方向寄存器，從而解決了 51系列單片機(jī) I/O腳位高電平時(shí)同為輸入和輸出的狀態(tài)。 AVR單片機(jī)的結(jié)構(gòu)介紹 AVR為采用 RISC 精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)，從而使單片機(jī)運(yùn)行速度更快，其絕大部分的指令可以在一個(gè)處理器時(shí)鐘周期內(nèi)完成。如果 使用 MIPS（ Millions of Instructions per Second每秒執(zhí)行百萬條指令數(shù)） 來衡量計(jì)算速度，一個(gè) 16MHz 時(shí)鐘頻率的 AVR 單片機(jī)可以在一秒鐘內(nèi)執(zhí)行一千六百萬條左右的指令。也就是將近 16個(gè) MIPS 的速度 AVR 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分為三部分： CPU（ Central Processing Unit）、 存儲(chǔ)器和 I/ O 口。 ATMEGA16單片機(jī)的主要特性 （ 1）高性能、低功耗的 8位微處理器 1）先進(jìn)的 RISC結(jié)構(gòu)； 2） 131條指令中大多數(shù)指令執(zhí) 行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期； 3） 32個(gè) 8位通用工作寄存器； 4）全靜態(tài)工作； 5）工作于 16MHz時(shí)性能高達(dá) 16MIPS； 6）只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。 （ 2）非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 1） 16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 FLASH： a) 擦寫壽命達(dá) 10000次 b) 具有獨(dú)立鎖定位的可選 Boot代碼區(qū) c) 通過片上 Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 , 真正的同時(shí)讀寫操作； 2) 512字節(jié)的 EEPROM,擦寫壽命 100000次； 3) 1K字節(jié)的片內(nèi) SRAM； 4) 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密。 （ 3） JTAG接口（與 ） 1）符合 JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能； 2）支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能； 3）通過 JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH、 EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。 （ 4）片上豐富的外設(shè) 1）兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 2）一個(gè)具有預(yù)分頻器、 比較功能和捕捉功能的 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 3）具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 RTC； 4）四通道 PWM； 5）8路 1位 ADC； 6）面向字節(jié)的兩線接口； 7）兩個(gè)可編程的串行 USART； 8）可工作于主機(jī) /從機(jī)模式的 SPI串行接口； 9）具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器； 10）片內(nèi)模擬比較器。 （ 5）處理器的特殊點(diǎn) 1）上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)； 2）片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器； 3）片內(nèi) /片外中斷源；4） 6種睡眠模式 : 空閑模式、 ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、待機(jī)模式以及擴(kuò)展的待機(jī)模式。 （ 6） I/O和封裝 1） 32個(gè)可編程的 I/O口； 2） 40引腳 PDIP封裝， 44引腳 TQFP封裝，以及 44引腳 MLF封裝。 （ 7）工作電壓 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 29 頁(yè) 1） ATMEGA16L： 2. 75. 5V； 2） ATMEGA16： 4. 55. 5V。 （ 8）速度等級(jí) 1） 08MHz ATMEGA16L； 2） 016MHz ATMEGA16。 （ 9） ATMEGA16的功耗 1）正常模式 : 1. 1mA； 2）空閑模式 : 0. 35mA； 3）掉電模式 : 1181。A。 ATMEGA16單片機(jī)的引腳功能 圖 ATMEGA16 的引腳圖 （ 1） VCC：數(shù)字電路的電源。 （ 2） GND：接地。 （ 3）端口 A（ PA0PA7）：端口 A為 8位雙向 I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。 其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 A也處于高阻狀態(tài)。端口 A的第 2功能是作為 A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。 （ 4）端口 B(PB0PB7)：端口 B為 8位雙向 I/O口 ,具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性 ,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí) ,若內(nèi)部上拉電阻使能 ,端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中 ,即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振 ,端口 B也處于高阻狀態(tài)。端口 B也可以用做其他不同的特殊用途。 （ 5）端口 C(PC0PC7)：端口 C為 8位雙向 I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 C也處于高阻狀態(tài)。 如果JTAG 接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)，引腳 PC5(TDI) 、 PC3(TMS) 與 PC2(TCK)的上拉電阻還是被激活。端口 C也可以用做其他不同的特殊用途。 （ 6）端口 D(PD0PD7)：端口 D為 8位雙向 I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性， 可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 D也處于高 阻狀態(tài)。端口 D也可以用做其他不同的特殊用途。 （ 7） /RESET：復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 （ 8） XTAL1：反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。 （ 9） XTAL2：反向振蕩放大器的輸出端。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 29 頁(yè) （ 10）是端口 A與 A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用 ADC時(shí) ,該引腳應(yīng)直接與 VCC連接 ,使用 ADC時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與 VCC連接。 （ 11） AREF： A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) AVR單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增 益的反相放大器，通過 XTAL1和 XTAL2端口外接作為反饋元件的片外石英晶體（或陶瓷諧振器）和電容 C1， C2組成的并聯(lián)諧振電路后便構(gòu)成片內(nèi)自己振蕩器，從而利用它內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘。連接方法如圖 。 圖 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 與傳統(tǒng)的 51單片機(jī)相比， AVR單片機(jī)內(nèi)置復(fù)位電路，并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時(shí)間，所以， AVR單片機(jī)可以不設(shè)外部上電復(fù)位電路，依然可以正常復(fù)位，穩(wěn)定工作。 若是系統(tǒng)需要設(shè)置按鍵復(fù)位電路 ,AVR單片機(jī)是低電平復(fù)位，如圖 ，設(shè)計(jì)按鍵復(fù)位電路 Mega16已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計(jì)。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時(shí)的額外時(shí)間，故 AVR外部的復(fù)位線路在上電時(shí)，可以設(shè)計(jì)得很簡(jiǎn)單：直接拉一只 10K的電阻到 VCC即可 (R0)。為了可靠，再加上一只 的 電容 (C0)以消除干擾、雜波。 D3(1N4148)的作用有兩個(gè)：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時(shí)，將 R0(10K)電阻短路，讓 C0快速放電，讓下一次來電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。 AVR在工作時(shí)，按下 S0開關(guān)時(shí)，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā) AVR芯片復(fù)位。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 29 頁(yè) 圖 復(fù)位電路 信息采集電路的設(shè)計(jì) 濕度傳感器能感受氣體中或土壤中水分含量，并轉(zhuǎn)換成可用電信號(hào)表示的傳感器最常用的是濕敏元件濕度傳感器。在此，本次設(shè)計(jì)選用的濕度傳感器 是一個(gè)簡(jiǎn)易的水分傳感器可用于檢測(cè)土壤的水分，當(dāng)土壤缺水時(shí)，模塊輸出一個(gè)高電平，反之輸出低電平。該濕度傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1）靈敏度可調(diào)； 2）工作電壓 ； 3）模塊雙輸出模式，數(shù)字量輸出簡(jiǎn)單； 4）模擬量輸出更精確設(shè)有固定螺栓孔，方便安裝； 5）電源指示燈（紅色）和數(shù)字開關(guān)量輸出指示燈（綠色）； 6）比較器采用 LM393芯片，工作穩(wěn)定 7）小模擬量輸出接口。 考慮到成本及電路的復(fù)雜程度，該系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單電路實(shí)現(xiàn)即可。本系統(tǒng)控制的土壤濕度在60%80%之間，因?yàn)橹参镆话阋酝寥浪终?土壤持水量的 60%80%時(shí)生長(zhǎng)最好。其接線圖 . 圖 檢測(cè)電路接線圖 ADC轉(zhuǎn)換模塊 在本次設(shè)計(jì)中，我們使用了 AVR單片機(jī)，因?yàn)?