基于AVR物联网

江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计1目录目录1摘要3第一章绪论511选题背景512国内外发展现状和趋势5第二章系统总体方案设计721智能终端设计722ATMEGA128物联网应用系统723基于KINGVIEW与单片机实时对智能终端的控制及数据采集824本章小结8第三章系统硬件的选择931智能终端硬件的选择9311单片机的选择9312模数转换芯片的选择10313步进电机驱动芯片的选择10314通信芯片的选择11314红外遥控和红外接收管的选择12315温度传感器的选择13316步进电机的选择13317液晶显示器的选择14318光敏电阻的选择1532物联网应用系统硬件的选择15321单片机的选择15322网络接口芯片的选择16323锁存器的选择17323存储器的选择1833本章小结19第四章硬件电路设计2041智能终端硬件电路设计20411晶振振荡电路及复位电路20412光强采集及AD转换电路20413串口通信电路21414步进电机驱动电路22415液晶驱动电路22415红外接收电路22415智能终端系统总图2342物联网应用系统硬件设计2343本章小结24第五章软件设计2551智能终端软件设计25511红外解码程序25512AD转换程序27江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计2513串口发送与接收程序28514步进电机驱动程序29515液晶驱动程序29516DS18B20温度传感器驱动程序31516单片机与KINGVIEW655通信程序35517主程序3652物联网应用系统软件设计38521嵌入式中的WEB页设计38522HTTP服务程序设计39523串口中断UART1服务程序4253本章小结42第六章系统调试4361物联网系统调试4362本章小结47结论48致谢49附录50参考文献51江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计3摘要本论文中介绍了关于AVR单片机以太网通信系统、系统的结构组成及工作原理，提供了基于ATMEGA128单片机和RTL8019的硬件电路图，并介绍了NUT/OS实时操作系统和RTL8019的特点。本设计介绍了基于51单片机的智能终端系统，如何采集室内环境参数，设计了终端系统原理图以及说明如何将数据通过串口将采集的数据传输到AVR单片机中，然后用户可以通过IE浏览器查询。在离线状态时，本设计介绍了51单片机与组态王KINGVIEW的通信协议，以及单片机在组态王中的通讯格式及通讯设置。通过实践证明，系统能够满足对室内环境的检测和控制，如室内温度、光强以及百叶窗的旋转角度等。电路设计方法简单成本低，而且模块具有良好的扩展性。设计中的物联网控制系统与需要联网的设备连接，可以远程实时操纵设备，并通过单片机采集数据，传输到本地计算机，并且用浏览器将信息图文并茂的显示，这样可以方便的得到实验数据，实现硬件设备的共享，也可以大大节省人力物力。【关键词】物联网、NUT/OS、组态王江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计4ABSTRACTTHISPAPERISDESCRIBEDINTHEETHERNETCOMMUNICATIONSYSTEMONTHEAVRMICROCONTROLLER,THESTRUCTUREANDWORKINGPRINCIPLEOFTHESYSTEM,PROVIDESAHARDWARECIRCUITBASEDONTHEATMEGA128MCUANDRTL8019,ANDDESCRIBESTHECHARACTERISTICSOFTHENUT/OSREALTIMEOPERATINGSYSTEMANDRTL8019THISDESIGNALSOINTRODUCESINTELLIGENTTERMINALSYSTEMBASEDON51MICROCONTROLLER,HOWTOCOLLECTTHEINDOORENVIRONMENTALPARAMETERS,THEDESIGNOFTHETERMINALSYSTEMSCHEMATICDIAGRAMANDDESCRIPTIONOFHOWTHEDATAWILLBECOLLECTEDTHROUGHTHESERIALPORTTOTRANSFERDATATOTHEAVRMICROCONTROLLER,THENTHEUSERTHROUGHTHEIEBROWSERQUERIESINTHEOFFLINESTATE,THEDESIGNMCUOF51ANDKINGVIEWCOMMUNICATIONPROTOCOLS,ANDMCUINKINGVIEWCOMMUNICATIONFORMATSANDCOMMUNICATIONSETTINGSPRACTICEHASPROVEDTHATTHESYSTEMCANMEETTHEDETECTIONANDCONTROLOFINDOORENVIRONMENTS,SUCHASINDOORTEMPERATURE,LIGHTINTENSITYANDTHEROTATIONANGLEOFTHEBLINDSTHECIRCUITDESIGNMETHODISSIMPLEANDLOWCOST,ANDTHEMODULEHASGOODSCALABILITYINTERNETOFTHINGSINTHEDESIGNOFCONTROLSYSTEMSANDEQUIPMENTTOBENETWORKEDCONNECTIVITY,REMOTEREALTIMEMANIPULATIONOFEQUIPMENTANDCOLLECTDATATHROUGHTHEMICROCONTROLLER,TRANSMITTOTHELOCALCOMPUTERANDTHEBROWSERWILLBEILLUSTRATEDDISPLAY,SOYOUCANEASILYGETTHEEXPERIMENTALDATA,TOACHIEVETHESHARINGOFHARDWAREDEVICES,CANALSOBESIGNIFICANTSAVINGSINMANPOWERANDRESOURCES【KEYWORDS】INTERNETOFTHINGS,NUT/OS,KINGVIEW江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计5第一章绪论11选题背景随着科技的发展，计算机电子技术迅猛发展，已经成为生活中不可缺少的部分。目前人们绝大多数都是采用PC进行网络数据传送，但由于成本高，限制了应用的范围。而嵌入式系统却越来越受到人们的青睐。它采用嵌入式的微处理器，支持TCP/IP协议，它已成为网络发展新阶段的标志。物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“THEINTERNETOFTHINGS”。顾名思义，物联网的意思就是物物相连的互联网。这有两层意思第一，物联网是建立在互联网之上的，是互联网的拓展和延伸；第二，其用户端扩展和延伸到了物品与物品之间，进行信息通信和交换。物联网有如下特征首先，广泛应用了各种感知技术。在物联网中部署了大量的多种传感器，每个传感器都能从外界采集信息，不同类的传感器捕获的信息不同。而且获得的数据具有实时性，按照一定的规律来采集数据，不断更新数据。其次，它是建立在互联网上的网络。物联网技术的核心和基础仍是互联网，通过各种无线和有线网络与互联网结合起来，将物体的信息准确实时地传递出去，数据传输过程中必须适应各种网络协议。还有，物联网本身也具有一种智能处理的能力，能够智能控制物体。物联网从传感器中获得数据，然后进行分析，处理处有意义的数据，来适应不同用户的需求。12国内外发展现状和趋势物联网是建立在互联网技术之上的。目前，我国物联网发展与全球同处于起步阶段，初步具备了一定的技术、产业和应用基础，呈现出良好的发展态势。把单片机应用系统和INTERNET连接也已经是一种趋势。目前无线通信网络已经覆盖各地，是实现“物联网”必不可少的设施，可以将安置在每个物品上的电子介质产生的数字信号通过无线网络传输出去。“云计算”技术的运用，使数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能。物联网技术的推广已经取得一定的成效。在多方面已经开始应用，如远程抄表，电力行业，视频监控等等。以及在物流领域和医疗领域也都日趋成熟，如物品存储及运输监测，远程医疗，个人的健康监护等。除此之外在环境监控，楼宇节能，食品等方面也开展了广泛应用。尽管在这些领域已经取得一些进展，但应认识到，物联网发展技术还存在一系列制江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计6约和瓶颈。有几个方面可以表现出来核心技术与国外差距较大，集成服务能力不够，缺乏骨干企业，应用水平不高，信息安全存在隐患。我们国家在PC架构领域还没有主动权，软件产品很少。目前，计算环境正在向以网络为中心发展，有很多产品不必也WINDOWS兼容，因此，研究单片机系统接入网络，前途宽广。13设计内容设计主要是关于基于AVRRTL8019设计的物联网应用系统，采用UTP接口与以太网相连，通过IE浏览器访问此系统，通过单击所设计WEB页中的超链接，可以实现用户密码设置，家用电器的启动与停止，电器的运行情况的测控，如温度、湿度等及并将采集到的信息反馈到IE网页等功能。以及用组态王软件作为上位机软件对数据进行采集。硬件设计时，掌握AVR单片机的用法，以及最小系统的搭建。应了解RTL8019AS的工作模式，寻址方式，与AVR之间的接口电路以及周围电路等，以及智能终端的设计和终端与AVR之间的接口电路等。终端的设计主要针于室内环境的测控以及智能窗帘的设计。设计内容包括用步进电机控制百叶窗的开合角，测量室内的光强，以及用采光系统来控制窗帘等等。软件设计时，基于AT89S52单片机的终端设计而言，近距离采用红外遥控，控制的内容主要有步进电机转动的角度，室内光强的测量以及温度的测量功能的切换。此时需要编写32位红外遥控码的识别程序，步进电机的驱动程序，DS18B20的驱动程序，对于采光系统所需要的AD转换程序，以及1602液晶驱动程序等等。采集到的数据需要通过串口传给AVR单片机，此时需要编写串口通信程序。对于AVR而言，重点在于数据的网络传输，此时需要编写或者调用RTL8019的驱动程序。通过学习HTML语言，编写嵌入式系统中的WEB页设计。进行HTTP服务程序设计时，设计的要点在于动态页面的返回，单片机程序对带参数连接的处理，对所传送过来的表单数据的处理，从而可以控制设备的状态和设备做如何运转。研究TCP/IP协议，并结合嵌入式系统的具体应用对各个协议进行不同程度的简化和改写，将改写后的TCP/IP协议嵌入单片机，完成以太网的驱动程序，保证数据能够准确传输。这个这是整个系统设计的难点。14设计的目的及其意义设计以AVR单片机为控制器，结合太网控制芯片RTL8019AS，通过RTL8019AS实现智能终端采集的数据与INTERNET网络上的数据进行互传，可以远程控制各类家用设备以及对工业环境中的数据进行采集和控制。将WEB页写入到单片机内，通过这些页面远程操控智能终端。通过单片机采集室内的温度、光强以及窗叶的角度，传输到本地计算机，并且通过浏览器显示，可以方便的得到数据。选用的AVR单片机已广泛地应用于工业、军事、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。最重要的是简单易学，容易开发。江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计7里面添加了用组态王来对室内环境的实时监控，不仅可以查看实时数据，也可以查看历史数据。所以整个设计对于终端的控制分为三个方面，一个是组态王控制，网络控制，以及红外控制。当不在线的时候，可以用组态王进行控制，以及现场可以用红外控制等等。实现多功能测控。第二章系统总体方案设计21智能终端设计智能终端的功能主要是实现对室内环境的参数进行采集及对日常家庭用具的控制，如对温度，光强的采集，以及对窗帘的摆动的角度进行控制。本设计是以STC89C52RC单片机为控制芯片，采用DS18B20温度传感器来采集室内温度，利用光敏电阻在太阳光的照射下阻值迅速减少的特性制成的传感器来对室内光线进行采集采集，输出的电压值在通过AD芯片进行模数转换，通过读取单片机引脚相应的高低电平，获取相应的数值，达到获取室内光强的目的。通过控制步进电机来达到控制窗叶旋转的角度。如果在室内，终端上安装了红外一体化接收头，通过编程，可以用专用遥控器或者一般的电视机遥控器等来查询室内环境的参数以及对窗叶的控制。智能终端的设计分为硬件和软件两部分组成。硬件部分主要是对环境变量的采集用到的传感器及显示装置，控制窗叶的步进电机，红外接收装置等。涉及到传感器与单片机的接口电路设计、步进电机驱动以及AD转换等等。软件部分主要为温度传感器的驱动编写，AD转换程序、步进电机驱动编写红外解码程序编写以及LCD液晶显示程序的编写等等。系统框图如图21所示。江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计8数字式温度传感器STC89C52光强采集传感器AD转换红外遥控器红外接收头LCD数据显示串口PC机/AVR步进电机图21智能终端系统框图22ATMEGA128物联网应用系统物联网应用系统主要是以ATMEGA128为控制芯片来控制以太网接口芯片实现与INTERNET网络的通信。其中，单片机中不仅要嵌入实时操作系统，还要完成对和以太网接口芯片的控制。而以太网接口芯片除了本身实现了物理层和数据链路层协议，还要通过RJ45接口与INTERNET网络进行通信。本设计是基于ETNERNUT410的HTTP应用案例进行设计，通过设计嵌入式系统中的WEB页，通过浏览器来对智能终端采集的信号进行显示和对智能终端进行控制。ATMEGA128有双串口，UART0在仿真时接入了虚拟终端，用于显示网络连接情况以及IP地址的分配情况，UART1主要用于和智能终端的通信，实现采集的数据和控制信号的传输等等。设计与调试主要分为以下几个方面1以太网控制器RTL8019的选择2NUT/OS的安装与编译3嵌入式系统中WEB页设计4,HTTP服务程序设计5编译设置6系统安装调试系统框图如图22所示。江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计9单片机以太网接口芯片RJ45接头集线器以太网PC1PC2图22物联网系统设计框图23基于KINGVIEW与单片机实时对智能终端的控制及数据采集本设计采用KINGVIEW655组态王设计软件设计的组态画面，其实控制页面来对室内温度以及光强进行实时采集，生成实时数据曲线，因为实时数据曲线只能表示当前的数据变化情况。而历史数据不能显示，所以历史数据要在历史趋势曲线画面中进行查询，以备今后查看。也可以对步进电机进行控制，并在控制页面中显示当前电机旋转的角度。在组态王软件中除了要放置各种控件之外，还要对各个控件的地址进行设置，并且与单片机中的地址相对应，单片机的数据地址就是指对应的单片机程序中定义的变量。一个单片机下可定义很多变量，每个变量对应一个寄存器。组态王在和单片机进行通信时要遵循通信协议。组态王提供的单片机的通信协议可以支持HEX和ASCII,其中ASCII开发比较简单，所以本设计采用ASCII传输协议编写了单片机程序。设计好的组态画面可以做成安装包，倘若电脑中没有安装组态软件，则可以直接对安装包进行安装，则可使用。系统图如图23所示。图23KINGVIEW控制系统框图24本章小结系统总体方案分为三个部分，智能终端设计、物联网系统设计、组态王数据采集等等。包括硬件制作和软件的编写。可分别在不同的控制状态对智能终端进行控制来对室内环境数据的采集，避免了在一种状态失效就对数据的无法采集的状态。第三章系统硬件的选择智能终端主页面控制页面历史数据页面江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计1031智能终端硬件的选择311单片机的选择STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，单片机引脚如图31所示。输入/输出口线P00P07P0口8位双向口线P10P17P1口8位双向口线P20P27P2口8位双向口线P30P37P3口8位双向口线ALE地址锁存控制信号ALEPSEN外部程序存储器选通信号EA访问程序存储器控制信号RST复位信号XTAL1和XTAL2外接晶体引线端VSS地线VCC5V电源STC89C52RC单片机有如下特点18K字节程序存储空间2512字节数据存储空间3内带4K字节EEPROM存储空间4可直接使用串口下载5AT89S52单片机68K字节程序存储空间7256字节数据存储空间8没有内带EEPROM存储空间图31STC89C52引脚图312模数转换芯片的选择江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计11在A/D转换器中，是将模拟信号转换成数字信号，一般的A/D转换过程通过采样保持、量化和编码这三个步骤完成的，即首先对输入的模拟电压信号采样，采样结束后进入保持时间，在这段时间内将采样的电压量转化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果，然后开始下次采样。模拟量到数字量的转换过程框图如图32所示。采样图32模拟量数字量转换过程框图本设计中选取逐次比较型单片集成A/D转换器ADC0804。它是早期的A/D转换器，因其价格低廉而要求不高被广泛应用。采用CMOS工艺20引脚集成芯片，分辨率为8位，转换时间为100微秒，输入电压范围为05V。芯片内具有三态输出数据锁存器，可直接连接在数据总线上。ADC0804引脚分布图如图33所示。各引脚作用如下VIN（）、VIN（）两个模拟信号输入端。DB7DB0数字信号输出端。AGND模拟信号接地。DGND数字信号接地。CLK时钟信号的输入端。CLKR内部时钟发生器的外接电阻端。CS片选信号输入端。WR写信号输入，低电平启动A/D转换。RD读信号输入，低电平输出端有效。INTRA/D转换结束信号，低电平表示本次转换已完成。VREF/2参考电平输入，决定量化单位。VCC芯片电源5V输入。图33ADC0804引脚图313步进电机驱动芯片的选择ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成。该电路的特点如下ULN2003的每一对达林顿都串联一个27K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。模拟信号数字信号量化江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计12ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500MA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003采用DIP16或SOP16塑料封装。ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压50V,电流500MA,输入电压5V,适用于TTLCOMS。ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350MA，9脚可以悬空。比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。ULN2003由七个硅NPN达林顿管组成。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003芯片引脚介绍引脚17CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。引脚8接地。引脚9该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。引脚1016脉冲信号输出端，对应71脚信号输入端。引脚如图34所示图34ULN2003内部原理及引脚图314通信芯片的选择MAX232是MAXIM公司为RS232串口设计的电平转换芯片，使用5V电源供电。引脚介绍第一部分是由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成电荷电路。为的是产生12V和12V两个电源，提供给串口电平需要。第二部分是由7、8、9、10、11、12、13、14脚组成双数据通道。其中的13脚、12脚、11脚、14脚为第一个数据通道。7脚、8脚、9脚、10脚构成第二个数据通道。第三部分是供电，15脚GND、16脚VCC（5V）。主要特点1符合所有的RS232C标准2只需要单一的5V电源提供电压3功耗低，典型供电电流5MA江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计134内部集成2个RS232C驱动器5高集成度，片外最低只需4个电容即可工作引脚如图35所示。图35MAX232引脚图314红外遥控和红外接收管的选择1红外遥控器编码遥控器编码分好几种，常见的32位编码码和42位编码，目前我手中遥控器就是32位编码，如图1所示，当有按键时就会产一个912MS低电平和45MS高电平的起始码，接着是16位系统码，系统码能区别不同的电器设备，防止不同的遥控码互相干扰，接下来是8位数据码和8位数据反码,间隔23MS的高电平后，再发一个结束码，与启始码完全一样的。发送波形如图36所示。图36遥控码波形2硬件连接接收电咱我们使用一化红外接红外接收管1838，不需要任何外接无件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，实物如图37所示。江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计14图37红外一体接收管315温度传感器的选择在本设计中采用DS18B20作为温度传感器。省去了模数转换芯片，直接读取度数。1DS18B20的主要特性1）单线接口仅需一根接口线与MCU连接；2）无需外围元件；3）可由接口线提供能量，也可由5V电源供电；4）温范围55125，在1085时精度为05；5）912位温度读数；6）在使用12位分辨率时，A/D转换最长为750MS，使用9位分辨率时，转换时间为9375MS；7）用户可以自设定温度报警上下限，其值在断电后仍可保存；8）报警搜索命令可识别哪片DS18B20超温度限。DS18B20的引脚如图38。DS18B20引脚定义1）I/O数字信号输入/输出端；2）GND为接地端；3）VDD为外接电源输入端。图38DS18B20引脚图316步进电机的选择本设计中选择的步进电机为28BYJ48步进电机，如图39简单介绍一下步进电机的工作原理。步进电机脉冲转化为角位移，就是说当步进驱动器每接收到一个脉冲时，步进电机按规定的方向转动一个步进角。于是角位移量就可以通过控制脉冲个数来控制。从而准确定位。同时又可以通过调整脉冲频率，从而达到调速的目的。江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计15图3928BYJ48步进电机步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5VDC12V。常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（ABCDA。），双（双相绕组通电）四拍（ABBCCDDAAB。），八拍（AABBBCCCDDDAA。）。绕组通电方式如表31所示。表31步进电机各绕组通电方式号线颜色123456785红4橙3黄2粉1蓝317液晶显示器的选择本设计选用的1602工业字符型液晶，能够同时显示16X02即32个字符。（16列2行）。1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形。实物如图310所示。图3101602液晶1工作参数如表32表32工作参数显示容量16X2个字符工作电压45V55V工作电流20MA（50V）最优电压50V字符尺寸295X435（WXH）MM江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计162接口信号说明如表33表33接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2DATA2VDD电源正极10D3DATA3VL偏压信号11D4DATA4RSDATA命令选择12D5DATA5R/W读写选择端（H/L）13D6DATA6E使能信号14D7DATA7D0DATAI/O15BLA背光电源正极8D1DATAI/O16BLK背光电源负极318光敏电阻的选择对于室内光线的采集，采用光敏电阻制成的一个对光线采集的传感器电路。光敏电阻两端的输出电压经过AD转换后输出，其数值由单片机读出。再送入液晶显示或者经串口发送。光敏电阻如图311所示。图311光敏电阻外形32物联网应用系统硬件的选择321单片机的选择在物联网应用系统中，单片机选择ATMEGA128，因为在本次设计中，要在单片机里面嵌入实时操作系统。NUT/OS实时操作系统支持两种AVR单片机，一种是ATMEGA128，一种是ATMEGA103，综合考虑，选择ATMEGA128。引脚如图312所示。引脚说明VCC数字电路的电源。GND地。端口APA7PA0端口A为8位双向I/O口，并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。复位发生时端口A为三态。端口BPB7PB0端口B为8位双向I/O口，并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。复位发生时端口B为三态。端口CPC7PC0端口C为8位双向I/O口，并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。复位发生时端口C为三态。在ATMEGA103兼容模式下，端口C只能作为输出，而且在复位发生时不是三态。端口DPD7PD0端口D为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计17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。复位发生时端口D为三态。端口EPE7PE0端口E为8位双向I/O口，并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。复位发生时端口E为三态。端口FPF7PF0端口F为ADC的模拟输入引脚。如果不作为ADC的模拟输入，端口F可以作为8位双向I/O口，并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。端口GPG4PG0端口G为5位双向I/O口。RESET复位引脚。XTAL1片内时钟和反向振荡器放大器输入。XTAL2反向振荡器放大器输出。AVCCAVCC为端口F以及ADC转换器的电源。AREFAREF为ADC的模拟基准输入脚。PENPEN是SPI串行下载的使能引脚。图312TMEGA128引脚图322网络接口芯片的选择网络接口芯片选用RTL8019AS,RTL8019AS收发可达到10MBPS的速率，内置16KB的SRAM，可以方便的与微处理器进行连接。RTL8019AS采用100脚PQFP封装，其主要引脚功能如下引脚14,97100中断控制INT07引脚33复位控制引脚34使能控制角AEN,低电平有效引脚6,17,70,89数字电源，5V引脚14,28,83,86数字地GND引脚47,57模拟电源5V引脚44,52模拟地引脚5,713,15,16,1827ISA地址总线引脚3643,87,88,9095ISA数据总线江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计18引脚31ROM读操作控制引脚32ROM写操作控制引脚62RX接收数据引脚63TX发送数据引脚58,59接收数据引脚45,46发送数据引脚50,51外接晶体引脚29ISAI/O读使能引脚30ISAI/O写使能引脚779346连续数据输出引脚789346连续数据输入引脚799346连续数据时钟如图313所示图313RTL8019AS323锁存器的选择这里选择锁存器的作用是扩展PA口，使其8个引脚既可以作为数据线使用也可以用作地址线使用。锁存器选择为74HC573。74HC573跟LS/AL573的管脚一样，如图314。器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存，具体功能如表34。其中X不用关心，Z高阻抗。输出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上操作电压范围20V60V低输入电流10UA江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计19CMOS器件的高噪声抵抗特性图31474HC573表3474HC573功能表输入输出输出使能所存使能DQLHHHLHLLLLX不变HXXZ引脚分配情况如表35。表3574HC573引脚分配情况引脚号符号名称及功能1OE三态输出使能输入（低电平）2、3、4、5、6、7、8、9D0D7数据输入12、13、14、15、16、17、18、19QOQ7三态锁存输出11LE锁存使能输入10GND接地（0V）20VCC电源电压323存储器的选择NUT/OS实时操作系统通常都被使用在需要创建嵌入式以太网或一些复杂且实时性要求较高的场合，一般需要扩展32K的SRAM，所以这里选择62256。62256是32K的低功耗静态RAM存储器，用PA和PC来扩展RAM。该芯片共有地址线15根，可提供32K的字节空间。62256引脚功能如表36。表3662256引脚说明引脚号引脚说明A0A14地址总线D0D7输入/输出口CS端口选择WE输入使能OE输出使能江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计20VCC电源使能VSS接地管脚图如图315所示。图31562256管脚图33本章小结上述元器件为设计中的主要元件，有核心控制器、设备驱动元件以及传感器等等，原件根据设备的运作条件选取，皆符合设备的运转要求，本章中注明了元件的各参数，元件管脚图等等，为电路设计做了良好的铺垫。江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计21第四章硬件电路设计41智能终端硬件电路设计411晶振振荡电路及复位电路1晶振振荡电路单片机芯片中的高增益反相放大器，其输入端为引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。通过这两个引脚在芯片外并接石英晶体振荡器和两只电容（通常取30PF）。石英晶体为一敏感元件，与电容构成振荡回路，为片内放大器提供正反馈和振荡所需的相移条件，从而构成一个稳定的自激振荡器。电路如图41所示。图41晶振电路2复位电路复位电路用于产生复位信号，是单片机系统中有一不可或缺的部分。它通过RST引脚送入单片机，与单片机的第9引脚连接，进行复位操作。复位电路的好坏直接影响单片机系统工作的可靠性。复位方式有两种手动和加电复位。加电复位是指通过专用电路产生复位信号。它是系统的原始复位方式，发生在开机加电时，是系统自动完成的。加电复位是基本的、任何单片机系统都具有的功能。而手动复位也应通过专用电路实现。在单片机系统中，手动复位是必须具有的功能。在调试或运行程序时，若遇到死机、死循环等情况，手动复位是摆脱这种局面的最常用的方法。这时，手动复位所完成的是一次重新启动操作。在实际系统中，总是把加电复位电路和手动复位电路结合在一起，形成一个既能加电复位又能手动复位的公用复位电路。本设计中采用手动复位，电路如图42所示。图42复位电路江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计22412光强采集及AD转换电路光强采集电路由光敏电阻和一个1K电阻组成，然后取光敏电阻两端电压接A/D转换器ADC0804。ADC0804的D0至D7脚于单片机AT89S52的P1口相接。在本设计中VREF/2接一个010K电位器作为A/D转换器ADC0804调节输入电压，从而一定程度上调整测量精确度。如图43光强采集电路。图43光强采集及AD转换电路413串口通信电路采集的光强信号参数经A/D转换后，在单片机中进行处理。MAX232的第7脚T2OUT接单片机TXD端P31发送数据，第8脚R2IN接单片机RXD端P30接收数据。TTL电平从单片机的TXD端发出，经过MAX232转换为RS232电平后从MAX232的14脚T1OUT发出，连接至PC机的串口座的第2脚RXD端，至此计算机接收到数据。MAX232的13脚连接PC机串口座的第3脚TXD端，PC机发送数据。串口通信电路如图44所示。江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计23图44串口通信电路414步进电机驱动电路在PROTEUS中，选择MOTORSTEPPER，这是四相步进电机，六个端子，其中两个公共端与ULN2003A的COM端相连接，并且一同连接到5V电源上，ULN2003的ABCD四相与P2口相连接。具体接线如图45所示。图45步进电机驱动电路415液晶驱动电路液晶显示电路主要有YJD1602A1组成，其中D0D7连接至单片机的P1口，其中命令选择端RS连接到P36,读写选择端连接至P37，使能端连接到P27，具体的液晶驱动电路如图46所示。江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计24图46液晶驱动电路415红外接收电路红外接收电路采用红外一体化接收头，其中三个引脚，一个接地，一个接电源，还有一个数据输出引脚接外部中断0，采用中断的方式对红外波形进行解码。其红外电路如图47所示。图47红外接收电路415智能终端系统总图智能终端系统总图由温度采集电路、光强采集电路、步进电机驱动电路、液晶显示屏驱动电路、红外接收电路、晶振电路、复位电路、AD转换电路、串口通信电路等组成。智能终端系统总图如图48所示。江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计25图48智能终端系统总图42物联网应用系统硬件设计ATMETA128的位数据总线AD0AD7直接和RTL8019AS的数据总线低8位SD0SD7相连接，RTL8019AS的高8位数据总线AD8ADL5浮空不使用。RTL8019AS地址总线SA0SA4与74HC573锁存后的51单片机地址总线低5位A0A4相连，SA5SA7接地，SA8SA9接高电平，SAL0SAL9接地，RTL8019AS的I/O地址为300H。当访问外部RAM或I/0接口时，单片机通过PA口和PC口输出地址信息，ALE输出地址锁存信号，WR、RD输出读写控制信息，通过PA口传数据。因此，系统的数据总线由PA口提供，标号为D0D7，系统的地址总线由PC口和锁存器的输出O007提供，标号为A0A15。RTL8019AS中断输出为INT0INT7，分别对应于IRQ29、IRQ3、IRQ4、MQ5、IRQL0、IRQLL、IRQL2和IRQL5，此处选择INTO是由中断请求是通过选择引脚IRQS0IRQS2决定的。由于IRQS0IRQS2都处于悬空状态，决定了INT0IRQ29中断输出引脚，中断输出引脚与IRQS0IRQS2的对应关系如表41所示。表41中断输出引脚与IRQS0IRQS2对应关系表IRQS2IRQS1IRQS0中断输出引脚中断号000INT0IRQ2/9001INT1IRQ3010INT2IRQ4011INT3IRQ5100INT4IRQ10101INT5IRQ11110INT6IRQ12111INT7IRQ15RTL8019AS的R与ATMEGA128的复位引脚直接相连，IOCSL6B引脚通过27K的电阻连接到江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计26GND，存储器读写SMEMWB、SMEMRB连接到VCC。JP连接到电源电压VCC，选择跳线方式。由LEDL、LED2控制的发光二极管的状态由RTL8019AS寄存器页面3的CONFIG3配置寄存器决定，用来指示RTL8019AS的工作状态。电路如图49所示。图49物联网应用系统总图43本章小结本章中主要说明了各个模块电路的接线方式以及各系统总图接线，说明了各个模块电路的功能，以及在整个系统的具体实现方式。经过PROTEUS仿真后运行良好，为下一步的电路焊接做好基础。第五章软件设计51智能终端软件设计511红外解码程序以脉宽为0565MS、间隔056MS、周期为1125MS的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0565MS、间隔1685MS、周期为225MS的组合表示二进制的“1”，其波形如图51所示。图51“0”、“1”组合波形江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计27用COOLEDITPRO21软件对红外信号进行采集因为本身条件有限，没有用示波器对红外一体接收头输出的波形进行采集和判别。所以就用音频软件对红外输出波形进行识别和记录。将平时不用的废旧耳机的功放部分剪掉，露出部分铜线。然后在铜线外接一个1K的电阻，因为红外管脚输出的电流较大，所以电阻起限流作用。另外一头直接插在麦克的输入端。此时确保无误后，此时可按下红外遥控器上的按键，观察输出波形，如图52所示。图52红外遥控码波形得到红外遥控码波形之后，需要对其进行解码，也就是“0”，“1”的判别，具体的判别方式如图53。图53“0”、“1”的判别方式（左图为“0”，右图为“1”）所以得知图52的红外遥控码波形用户码为00000000，用户反码为11111111，数据码为00011000，数据反码为11100111。在编写红外解码程序可以参考波形下方的时间轴来确定波形的跳变的时间，可以更方便的进行程序的编写。本设计采用终端方式对红外进行解码，将解出来的数值存储在数组中，程序如下VOIDTIM0VOIDINTERRUPT1UCHARCOUNTCOUNT/对从一次中断到下一次中断进行计数VOIDINTERSVR1VOIDINTERRUPT2USING1DELAY_10US10/红外波形去抖动TR01/打开定时器TCTH0256TL0/提取中断时间间隔时长TH00/将定时器清零TL00江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计28IFTCIMINBFORA0A0I/复位脉冲，总线拉低480微妙DS1I4WHILEI0IBITTMPREADBITVOID/读位UINTIBITDATDS0I/单总线拉低15微妙之内释放总线，让DS18B20把数据传到单总线上DS1IIDATDSI8WHILEI0IRETURNDAT江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计36UCHARTMPREADVOID/读数据UCHARI,J,DATDAT0FORI1I1/读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在DAT里RETURNDATVOIDTMPWRITEBYTEUCHARDAT/写数据到DS18B20UINTIUCHARJBITTESTBFORJ1J1IFTESTB/写“1”DS0II/单总线拉低5微妙DS1/释放单总线I8WHILEI0IELSEDS0/写“0”I8WHILEI0I/单总线拉低60微妙DS1/释放总线IIVOIDTMPCHANGEVOIDDSRESETDELAY1TMPWRITEBYTE0XCC/跳过ROM江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计37TMPWRITEBYTE0X44/启动温度转换UINTTMPFLOATTT/获取温度UCHARA,BDSRESETDELAY1TMPWRITEBYTE0XCC/跳过ROMTMPWRITEBYTE0XBE/发出读温度命令ATMPREADBTMPREADTEMPBTEMP基于AVR单片机的物联网系统设计INDOOR_STATUSHTML网页程序如下TITLE_STYLEFONTFAMILY黑体FONTSIZE24PXRED_STYLEFONTFAMILY黑体FONTSIZE60PXCOLORFF0000BLK_STYLEFONTFAMILY黑体FONTSIZE60PXCOLOR000000SSMAINHTML网页程序如下江苏师范大学指导老师季广中设计者虞风江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计42522HTTP服务程序设计对于静态页面的返回，C程序中不需要单独提供动态生成响应页面的函数,NUT/OS会自动响应并返回客户端单击链接所请求的HTML页面。本程序设计的要点在于动态页面的返回，单片机程序对带参数链接的处理，对所传送过来的表单数据的处理。下面是3个链接所指向的URL，通过它们来获取温度、光强和角度。ADMIN/MCU_CONTROLCGIPARAWENDUADMIN/MCU_CONTROLCGIPARALIGHTSTRONGADMIN/MCU_CONTROLCGIPARAJIAODU为了保护MCU_CONTROLCGI程序，链接前面添加了ADMIN/，程序中通过调用NUT/OS的API函数NUTREGISAUTH来保护ADMIN路径下的文件，调用语句如下NUTREGISTERAUTH（”ADMIN”,ADMIN_PASSWORD）；函数说明注册一个授权条目保护指定目录，防止未经授权的读取。参数说明ADMIN需要保护的目录名。ADMIN_PASSWORD读取该目录必须注册，这个字符串应该包含用户名和密码，中间用冒号隔开。如”YUFENG123456”上述3个链接中的某一个被最先请求时，由于URL前面添加了ADMIN/，浏览器会弹出对话框，要求输入拥有该目录权限的用户账号和密码。本例中将初始账号和密码设置为“YUFENG”、“123456”。由于主程序中将CGI请求MCU_CONTROLCGI注册给函数MCU_CONTROL，执行语句如下NUTREQISTERCGI（”MCU_CONTROLCGI”,MCU_CONTROL）；函数说明注册一个CGI函数。参数说明MCU_CONTROLCGI为函数名。MCU_CONTROL为客户端调用以注册的CGI函数应该使用的名字。返回值0，其他返回1。通过密码验证后，对MCU_CONTROLCGI的请求将交由函数MCU_CONTROL来处理，该函数的参数为文件流对象STREAM和请求对象REQ，通过调用NUT/OS的API函数NUTHTTPGETPARAMETERNAME与NUTHTTPGETPARAMETERVALAUE分别获得URL中“”后面所带的参数名及参数值，由所获取的参数信息即可得知用户发出了何种请求。PARA_NAMENUTHTTPGETPARAMETERNAME（REQ,0）；函数说明取得一个请求函数的名字。参数说明REQ请求对象。PARA_NAMENUTHTTPGETPARAMETERVALUE（REQ,0）；函数说明江苏师范大学科文学院基于AVR单片机物联网系统设计43取得一个请求参数的值。参数说明REQ请求对象。在设计中，对于系统中的温度、光强、角度以及步进电机的角度完全由浏览器控制。其中这些状态的返回通过调用函数CREATE_STATUS_WEBPAGE来完成。部分程序如下CREATE_STATUS_WEBPAGEFILESTREAM,INTTEMPER,INTLIGHT,INTANGLEU_CHARI/待输出状态WEB页的