【正文】 此程序的功能青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 33 為對單片機。而一般單片機的 I/O 僅有數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器，而 AVR 單片機還多了一個方向控制寄存器，用于控制 I/O 的輸入、輸出方向。程序設(shè)計中的對不同功能的初始化函數(shù)編寫了相應(yīng)的子程序，分別有單片機系統(tǒng)初始化、 USART 初始化、單片機輸出初始化、看門狗初始化子程序。程序設(shè)計流程圖如圖 41 所示。 為了防止程序跑飛，軟件中啟用了 AVR 單片機的看門狗功能。程序中單片機系統(tǒng)與 ZigBee 無線數(shù)傳模塊的通信為 USART 通信，在 USART 的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收中分別采用了USART 發(fā)送與接收中斷服務(wù)程序，這樣可以提高 MCU 的運行效率。 所有程序均采用 C 匯編語言編寫。 4. ICCAVR 提供了全部的庫源代碼及一些簡單的應(yīng)用實例 供初學(xué)者參考，特別提供庫源代碼，對開用戶理解庫函數(shù)進行剪裁和擴充。這個工程管理器還能直接產(chǎn)生 INTEL HEX 格式文件的燒寫文件和符合 AVR Studio 的調(diào)試文件（ COFF 格式）。 2. 源文件全部被組織到工程之中，文件的編輯和工程的構(gòu)筑也在 IDE 的環(huán)境中完成。 雖然使用 C 語言寫出來的代碼會比用匯編語言占用空間在 5%~20%，但是由于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，芯片的容量和速度有了大幅度的提高，占用空間大小的差異已經(jīng)不很關(guān)鍵，相比之下，應(yīng)許更注重軟件是還具有長期穩(wěn)定運行的能力，注重使用先進開發(fā)工具所帶來的時間和成本的優(yōu)勢。 C 編譯器能夠自動實現(xiàn)中斷服務(wù)程序的現(xiàn)場佑護和恢復(fù)，并且提供常用的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫，供用戶使用，使用戶藝海了重復(fù)編寫相同代碼的時間，并且 C 編譯器能夠自動生成一些硬件的初始化代碼。而用 C 語言開發(fā)時，符合 ANSIC 標(biāo)準(zhǔn)的程序基本不必修改，只要將一些與硬件相關(guān)的代碼作適度的修改，就可以方便地移植到其他各類的單片機上，甚至可以將代碼移植到 DSP 或 ARM 中。在使用 C 語言后，只要在代碼中申明一下變量的類型，編譯器就會自動分配相關(guān)資源，根本不需要人工干預(yù)，從而有效地避免了人工分配單片機資源的差錯。 4. 省去人工分配單片機資源（包括寄存器、 RAM 等）的工作。 3. 可以實現(xiàn)軟件的結(jié)構(gòu)化編程，它使得軟件的邏輯結(jié)構(gòu)變得清晰、有條理，便于開發(fā)小組計劃項目、分工合作。用 C 語言進行嵌入 式系統(tǒng)的開發(fā)，具有匯編語言編程所不可比擬的優(yōu)勢： 1. 可以大幅度加快開發(fā)進度，特別是開發(fā)一些復(fù)雜的系統(tǒng)，程序量越大，用 C 語言就越有優(yōu)勢。匯編語言作為舒張嵌入式系統(tǒng)的編程語言，具有執(zhí)行效率高等優(yōu)點，但其本身是一種低級語言，編程效率低下，且可移植性和可讀性差，維護極不方便，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的可靠性也較差。 用 C 語言開發(fā)單片機的優(yōu)勢 隨著市場競爭的日趨激烈，要求電子工程師能夠在短時間內(nèi)編寫出執(zhí)行效率高而又可靠的嵌入式系統(tǒng)的執(zhí)行代碼。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計是對利用到的控制結(jié)構(gòu)類程序做適當(dāng)?shù)南拗?，特別是限制轉(zhuǎn)向語句 (或指令 )的使用 ，從而控制了程序的復(fù)雜性，力求程序的上、下文順序與執(zhí)行流程保持一致性，使程序易讀易理解，減少邏輯錯誤和易于修改、調(diào)試。 ⑶編寫程序：根據(jù)程序框圖所表示的算法和步驟，選用適當(dāng)?shù)闹噶钆帕衅饋恚瑯?gòu)成一個有機的整體，即程序。這是能否編制出高質(zhì)量程序的關(guān)鍵。 程序設(shè)計是一件復(fù)雜的工作，為了把復(fù)雜的工作條理化，就要有相 應(yīng)的步驟和方法。對于單片機系統(tǒng)，往往需要同時考慮單片機的軟硬件資源分配和功能分配。課題中繼電器模塊具體設(shè)計如圖 311 所示。提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。 圖 310 G6S2F 固態(tài)繼電器內(nèi)部框圖 各引腳功能： 引腳 功能 1 繼電器線圈輸入 +端 3 常閉輸出 1 4 常開、常閉公共端 1 5 常開輸出 1 8 常開輸出 2 9 常開、常閉公共端 2 10 常閉輸出 2 12 繼電器線圈輸入 端 繼電器模塊具體設(shè)計 本課題中的驅(qū)動電機為 220V 交流電機，單片機的輸出不能直接用于對驅(qū)動電機的控制，故硬件設(shè)計中通過增加繼電器模塊設(shè)計。 繼電器模塊內(nèi)部框圖 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 27 歐姆龍固態(tài)繼電器 G6S2F 具有兩路常開與兩路常閉輸出，可實現(xiàn)控制電路中的兩路同時輸出 [9]。該模塊的具體設(shè)計如圖 37（ b）所示。 模塊 電源 內(nèi)部框圖 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 26 AMS1117 是一個正向低壓降穩(wěn)壓器， 具有固定輸出和可調(diào)輸出兩個版本，輸出電壓等級多，輸出電壓精度高，且內(nèi)部具有過熱和限流保護功能，其內(nèi)部電路框圖如圖 39 所示。 AMS1117內(nèi)部集成過熱保護和限流電路，是電池供電和便攜式計算機的最佳選擇。 AMS1117 模塊電源 AMS1117 是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，在 1A 電流下壓 為 。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 25 圖 38 LS03高壓模塊電源內(nèi)部電路框圖 各引腳功能： 引腳 功能 1 +Vo 3 Vo 7 Vin(N) 10 CAP 12 +Vin(L) 高壓模塊電源具體設(shè)計 高壓模塊電源用于將 220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C應(yīng)用的 5V電壓，為 繼電器輸出模塊 供電，并可經(jīng)過再次穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換為 ATmega16單片機和 ZigBee模塊所使用的。% (typ) 負載效應(yīng) (10%~100%) 177。 [7]產(chǎn)品特點如下： 1. 超寬輸入電壓 :100～ 400VDC(85～ 264VAC) 2. 輸出短路和過溫保護 3. 高效率、高功率密度 4. 低功耗、綠色環(huán)保 5. 多種型號可供選購 6. 工業(yè)級產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計 輸入特性： 輸入電壓范圍 100～ 400VDC(85～ 264VAC) 輸入電流 40mA(typ) 漏電流 無 外接保險絲（推薦值） 輸出特性： 輸出電壓設(shè)定精度 177。 LS03 系列 是金升陽為客戶提供的小型封裝形式的高效綠色 模塊電源，該系列電源采用包封工藝具有交直流兩用、輸入電壓范圍寬、高效率、高可靠性、低功耗、安全隔離等優(yōu)點，廣泛適用于 工業(yè)、辦公、民用等設(shè)備。 圖 37 電源模塊電路設(shè)計 LS03 高壓模塊電源 變壓模塊使用金升陽科技有限公司生產(chǎn)的 LS03 系列高壓 ACDC 模塊電源。 電源 模塊 考慮到驅(qū)動電機電源為交流 220V 供電，所以本系統(tǒng)的電源設(shè)計為使用市電（交流 220V）供電，再經(jīng)過集成變壓、穩(wěn)壓模塊進行電壓 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中使用的直流 5V 和 ，電源模塊設(shè)計如圖 37 所示。 圖 36 ZigBee 模塊電路設(shè)計 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 23 電路連接引腳說明如下： 引腳 標(biāo)識 功能 7 RUN 連接 ZigBee 模塊運行指示燈 8 NET 連接 ZigBee 模塊聯(lián)網(wǎng)指示燈 9 ALARM 連接 ZigBee 模塊告警指示燈 10 SZ_SLEEP 控制 ZigBee 模塊進入睡眠模式 20 RXD0 異步串行通信接口。 無線數(shù)傳模塊 接線圖 順舟 SZ05LSTD 無線數(shù)傳模塊擁有多種串口數(shù)據(jù)接口，方便用戶安裝和使用，有 RS23 RS48 TTL 等三種數(shù)據(jù)接口，具體的接線引腳如 圖 35 所示 [3]： 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 22 圖 35 SZ05LSTD 引腳圖 ZigBee 模塊 具體設(shè)計 ZigBee 模塊主要負責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，接收上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)并發(fā)送給單片機主控模塊進行數(shù)據(jù)的處理； 在單片機主控模塊處理完畢后， 接收單片機發(fā) 送來的數(shù)據(jù)并通過無線數(shù)傳方式傳給上位機。由于接口電平模式兼容 AVR 單片機，因此采用電路直連方式，與 CPU 的異步串行接口交叉連接。 SZ05 模塊，支持RS485， RS232（ TTL）接口形式，因此在實現(xiàn)過程中選用第二種 RS232（ TTL）模式。 模塊 順舟科技 SZ05L系列 ZigBee無線串口通信模塊，采用了加強型的 ZigBee無線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，它具有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點和特性；可實現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；可組 MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 22 OPEN1_CON 控制窗簾開。 20 OPEN3_CON 控制窗簾停。 10 TXD0 異步串行通信 接口。 8 XTAL1 晶振電路。 4 ATmega16 單片機程序下載接口 ，與 ISP 下載接口連接。 2 MISO ATmega16 單片機程序下載接口 MISO，與 ISP 下載接口連接。電路設(shè)計如圖 34 所示。從 ZigBee 模塊接收上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)和指令，在正確接收到數(shù)據(jù)后對上位機進行信息的反饋。ATmega16 單片機的具體技術(shù)特點已在第 2 章進行了細致的描述，這里不再做描述。其 硬件 系統(tǒng) 連接實物圖 如圖 31 所示，主控板實物 圖如圖 32 所示，硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖 33 所示。 其中 ZigBee 無線數(shù)傳模塊為 順舟科技有限公司生產(chǎn)的 SZ05 嵌入式模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)上位機與終端的通信。接收器支持與發(fā)送器相同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，同時由硬件實現(xiàn)并完成數(shù)據(jù)幀錯誤、接收數(shù)據(jù)溢出和校驗錯誤的檢測。青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 17 數(shù)據(jù)接收單元用作異步數(shù)據(jù)的接收。 發(fā)送器部分由 1 個單獨的寫入緩沖器（發(fā)送 UDR）、 1 個串行移位寄存器、校驗位發(fā)生器和用于處理不同幀結(jié)構(gòu)的控制邏輯電路構(gòu)成?？刂萍拇嫫鳛樗械哪K共享。其主要特點如下： ? 全雙工操作（相互獨立的接收數(shù)據(jù)寄存器和發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器）； ? 支持同步或異步傳輸操作； ? 同步傳輸操作時，可采用主機時鐘同步，也可采用從機時鐘同步； ? 獨立的高精度波特率發(fā)生器，不占用定時 /計數(shù)器； ? 擴展的、支持 5～ 9 位數(shù)據(jù)位和 1 位和 2 位停止位的串行數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)； ? 由硬件支持的奇偶校驗位的發(fā)生和數(shù)據(jù)校驗； ? 硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)溢出檢測 ； ? 硬件實現(xiàn)的幀錯誤檢測； ? 包括錯誤起始位檢測的噪聲濾波器和數(shù)字低通濾波器； 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 16 ? 配備 3 個完全獨立的中斷源： TX 發(fā)送完成、 TX 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空和 RX 接收完成； ? 支持多機通信模式； ? 支持倍（高）速異步通信模式； 圖 25 為 ATmega16 的全雙工通用同步 /異步串行收發(fā)模塊 USART 收發(fā)器的接口硬件結(jié)構(gòu)方框圖。 芯片 RESET 復(fù)位后，所有 I/O 口的默認狀態(tài)為輸入方式，上拉電阻無效，即 I/O 為輸入高阻三態(tài)。因此 AVR 單片機的 I/O 口驅(qū)動能力非常強，能夠直接驅(qū)動 LED 發(fā)光二極管、數(shù)碼管等。當(dāng) I/O 口設(shè) 置為輸入方式時，引腳內(nèi)部還配置有上拉電阻，這個內(nèi)部的上拉電阻可通過編程設(shè)置為上拉有效或上拉無效。 2) I/O 引腳 I/O 引腳共 32 只，分成 PA、 PB、 PC 和 PD 4 個 8 位端口，它們?nèi)渴强删幊炭刂频碾p（多）功能復(fù)用的 I/O 端口。 芯片復(fù)位輸入引腳。 GND 芯片接地引腳，使用時接地， XTAL2 片內(nèi)反相振蕩放大器的輸出端。不使用 ADC 時，直青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 15 接連接到電源正極；使用 ADC 時，應(yīng)通過一個低通電源濾波器與VCC 連接。 (a)PDIP40 封裝 (b)TQFP/MLF44 封裝 圖 24 ATmega16 的引腳與封裝示意圖 各引腳的功能如下： 1) 電源、系統(tǒng)晶振、芯片復(fù)位引腳 VCC 芯片供電（片內(nèi)數(shù)字電路電源）輸入引腳，使用時連接到電源正極。 從圖中可以看出， ATmega16 內(nèi)部的主要構(gòu)成部分如下： ? AVR CPU 部分 ? 程序存儲器 Flash ? 數(shù)據(jù)存儲器 RAM 和 EEPROM ? 各種功能的外圍接口、 I/O 口，以及它們相關(guān)的數(shù)據(jù)、控制、狀態(tài)寄存器等 ATmega16 的外部引腳與封裝 ATmega16 單片機有 3 種形式封裝： PDIP40（雙列直插）、 TQFP44（方形）和 MLF44（貼片形式）。 I/O 寄存器空間可使用 I/O 寄存器訪問指令直接訪問，也可將 其映射為通用工作寄存器組后的數(shù)據(jù)存儲器空間，使用數(shù)據(jù)存儲器訪問指令進行操作。中斷的中斷向量地址越小，其中斷的優(yōu)先級越高。每個中斷都分別對應(yīng)一個中斷向量（中斷入口地址）。每個運算操作的結(jié)果將影響和改變狀態(tài)寄存器（ SREG）的值。這 3 個過程是在一個時鐘周期內(nèi)完成的 ，構(gòu)成一個完整的 ALU 操作?！翱焖僭L問”意味著在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一個完整的 ALU 操作。算術(shù)邏輯單元（ ALU）使用單級流水線操作方式對程序存儲器進行訪問，在執(zhí)行當(dāng)前一條指令的同時，也 完成了從程序存儲器中取出下一條將要執(zhí)行指令的操作，因此 執(zhí)行一條指令的時間僅需要一個時鐘周期。圖 23 為典型的 AVR 單片機的內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖。其主要特點如下： 1) 先進的 RISC 結(jié)