基于avr单片机的智能调节器的设计--本科毕业设计论文.doc

题 目：基于AVR单片机的智能调节器的设计内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它基于AVR单片机的智能调节器设计摘要随着现代化工业生产的自动化程度越来越高，对控制水平和控制精度的要求也越来越高。为保证现代大规模工业生产能够安全、稳定、高效、连续运行，必须对生产过程中的各种重要参数进行自动控制与调节，这其中调节器扮演着重要角色。本设计的主要目的是设计一台以AVR单片机为核心的智能调节器。该调节器除了具有一般调节器的功能（PID调节、显示）外，还具有抗积分饱和、自诊断、报警和完善的通信等功能。该智能调节器的核心是ATmega8单片机，还包括A/D转换、D/A转换、显示、键盘、报警、串行通信、PWM脉宽调制等模块。采用增量式PID控制算法，能够满足大多数控制系统的控制要求，实现智能化控制。软件部分利用源代码开放，具有丰富的软件资源，驱动丰富的C-51作为软件开发平台。关键词：智能调节器；AVR单片机；PID控制 The Design of Intelligent Regulator Based on SCM AVRAbstractWith the automation degree of modernization of industrial production is getting higher and higher, the control level and control precision's request is also getting higher and higher. In order to ensure a modern large-scale industrial production of safe, stable, efficient and continuous operation, the production process must be of a variety of important parameters of automatic control and regulation. Among these regulators play an important role.The main purpose of this design is to design a intelligent regulator,which use AVR single-chip microcomputer as the core. In addition to the regulator function of the general regulator (PID adjustment, display), but also with anti-saturation points, self-diagnosis, alarming and improve communication and other functions.The core of this intelligent regulator is ATmega8 microcontroller, also includes A /D conversion, D /A conversion, display circuit, keyboard, alarming,serial communication, PWM pulse-duration modulation. This intelligent regulator uses the increase type PID control algorithm, can satisfy mostly the digital control system's control request, realizes the intellectualized control. The software part uses C-51 as a software development platform,which source code is open and has a wealth of software resources.Key words: Intelligent Regulator; SCM AVR; PID control目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 智能调节器的现状及发展趋势11.2 课题提出的意义31.3 本设计的主要内容4第二章 总体方案设计52.1 智能调节器系统组成及其功能描述52.2 调节器的控制算法62.2.1 经典PID算法62.2.2 数字式PID算法7第三章 智能调节器的硬件设计123.1 单片机介绍123.1.1 单片机的选型123.1.2 单片机的特点与性能133.1.3 单片机的引脚功能143.2 A/D输入通道设计163.2.1 模/数转换器ADC概述163.2.2 ADC输入通道及参考电源的选择173.2.3 启动ADC转换及转换时序173.2.4 噪声抑制193.3 D/A输出通道设计203.3.1 D/A原理图213.3.2 TLC5615的特点213.3.3 TLC5615的引脚功能及内部结构213.3.4 TLC5615的操作时序233.4 V/I转换电路243.5 LED数码管及显示电路253.5.1 LED的引脚功能和连接方式253.5.2 LED显示器分类及特点253.5.3 LED显示方式263.6 按键电路设计283.7 通信接口电路设计293.8 PWM脉宽调制31第四章 智能调节器的软件设计334.1 主程序设计334.2 A/D转换程序设计344.3 增量式PID控制算法程序设计344.3.1 正、反作用问题354.3.2 饱和作用的抑制354.3.3 限位问题364.3.4 带死区的PID算式364.3.5 手动/自动跟踪及手动后援问题384.4 按键处理子程序设计384.5 LED显示程序设计394.7 系统调试40结束语42参考文献43附录A 原理图45附录B 源程序46致 谢5555第一章 绪论1.1 智能调节器的现状及发展趋势14七十年代初，大规模集成电路技术取得突破，出现了成本低、性能好的微处理器，人们开始用多台微机代替一台工业控制机控制生产过程。到了八十年代初，新型传感技术、计算机技术、数据通讯与网络技术、图象显示技术、现代控制理论得到了广泛应用。发达国家的仪表厂商纷纷推出以微型计算机为基础，具有综合测控功能的智能单、多回路调节器。它是一种数字控制仪表，与模拟式调节仪表相比较，可编程调节器实现了仪表和计算机的一体化，通用性强、使用方便、性能价格比高，所以在工业控制过程中得到广泛的应用。九十年代以来，随着微处理技术的不断发展，推动智能调节器性能不断提升。从而可实现调节器的高速在线数据处理和大容量储存。同时在调节器硬件结构不断简化的同时，其可编程功能得到增强，一些复杂的控制功能可由软件来完成，并可以根据调节器内部各种运算控制模块，灵活地组态构成多种控制方案。而随着现场总线系统的迅猛发展，现场总线式仪表也成为了智能调节器新的发展趋势。智能调节器是计算机过程控制技术发展的必然产物，它虽然不具备大规模的综合测控能力，但是计算机通信技术的发展却促进其与DCS的结合，为它的进一步发展提供了良好的契机。通过通用的工业现场总线，数字调节器很容易与各种工业测控网络互联，发挥其独特的测控功能。正因为数字调节器具有广阔的应用前景，国内外厂商对数字调节器的研究和生产具有很浓厚的兴趣。 国外的如DIGITRONIK系列的KMM调节器、日本横河一北辰公司的YS-80系列调节器、FC系列的PMK调节器等。其中YS-80系列可编程调节器仅6年时间销售量就达20多万台。到80年代中后期，各厂家在原来可编程调节器的基础上，又研制出首批普及型的具有自整定功能的可编程调节器：如TOC3000SSC系统中的KMM211型可编程调节器、日本横河一北辰公司的YEWSERIES-80专家自整定调节器、美国FOXBORO公司的EXACT专家自整定调节器、日本山武·霍尼韦尔公司的SDC系列智能数字调节器等。Honeywell于1996年最新推出的UDC-6300可编程回路调节器代表了调节器的发展方向。它适用于各种工业过程控制，具有丰富功能和完美质量，并可以构成经济的DCS控制系统。总的来说，国外产品侧重向专门系统和装置的专用控制站方向发展，其产品具有以下特点： 1)智能数字调节仪表已发展成为专门用途的控制站。一台数字调节仪表有多回路组态控制，多通道开关量输入、输出逻辑控制功能。同时仪表具有多种通信协议接口，很方便与整个工厂自动化系统相连接，实现信息互通，组成集散系统和信息系统。2)人性化人机界面设计，可同时显示多种信息和多种方式。3)仪表向网络化方向发展，许多仪表有开放式DeviceNet、Profibus、CC-Link、Ethernet-Link多种总线接口，方便连接工厂自动化系统。4)由于仪表自身的发展，数字调节仪表在某些领域比采用DCS、 PLC等方案控制更有效，性价比更高，存在和发展的空间很大。国内的如西安仪表厂的DDZ-S系列仪表中的可编程调节器；广东肇庆仪表厂的CS-900系列单回路至三回路可编程调节器等。目前，国内针对智能数字调节器的开发己经进入高速发展时期，各种新型智能数字调节仪表不断推出。例如，浙大中控集团开发的现场总线式智能数字调节器以基于HART协议的现场总线替代传统的（4-20）mA变送方式，实现了模拟通讯向数模混合通讯方式的转变。此外，各种无模型控制器己经开始出现，实现了对非线性、大时滞等系统的较好控制。 总的来说，国内产品具有以下特点： 1)近年来国产数字调节仪表、有了长足进步，这归功于民营科技企业作出的重大贡献。主要数字调节仪表制造商有：上润精密仪器有限公司、虹润精密仪器有限公司、厦门宇光电子技术有限公司、厦门安东电子有限公司等，其年产量均达到几万台规模。2)国内产品在市场上数量占绝对优势，但也表现出常规品种多，特色品种少，各家产品之间缺少特色。3)仪表在性能、外观、可靠性方面比国外同类产品稍逊。4)具有通信功能已是数字调节仪表和记录仪表的常规功能，但目前仅有Modbus、RS-485、RS-232形式，开放性较差，较难接入工厂总线自动化系统。从国内外数字调节器的特点可以看出，国内外发展水平还是存在一定差距的。目前国内设计者已经高度重视这一块，针对智能数字调节器的开发也进入高度发展时期，相信可以很快改变这一现状。1.2 课题提出的意义智能调节器是工业控制系统中最常见的控制仪表之一，与传统的模拟调节器相比，智能调节器应用了微处理机等先进技术，具有信息存储、逻辑判断、精确、快速计算等特点。虽然随着DCS系统在我国的迅速发展，给智能调节器的应用带来了一定的冲击，但是昂贵的DCS系统对于那些规模不大、自动化程度不高的企业来说性价比并不高。而随着微处理器技术的发展，调节器的功能不断完善，DCS系统的各项功能己经可以用通用微型计算机加数字调节器的组合来实现。因此设计一款显示直观、控制精度高、物美价廉的数字调节器对于那些中小型企业来说是十分有意义的。随着微电子和微处理器的迅速发展，数字调节器的功能也在不断增强，但同时控制系统对仪表的要求也越来越高。不仅要求数字调节器有较高的可靠性，较多的功能，还需能做各种控制运算，能与其它测控设备通信共同实现复杂控制。因而传统的8/16位单片机渐渐显现出软硬件资源不足的问题。嵌入式系统是一种软硬件可扩充或删减的专业计算机系统，它以面向应用为主，是将计算机技术，半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合的产物。相对于传统的8/16单片机，嵌入式系统具有速度高、容量大、扩充性能良好，实时性好，并可执行多任务操作系统的特点。而AVR3体系结构已被公认是业界领先的8位嵌入式RISC微处理结构。在AVR嵌入式系统的基础上设计智能数字调节器，具有功耗小，功能完备、精度高、速度快、存储容量大和功能可扩展的特点。目前测控自动化系统还多采用RS-485总线方式进行数据通信。RS-485总线具有形式简单、造价低等优点，但随着科技的发展，RS-485总线的总线效率低、系统实时性差、通信可靠性低、单总线可挂接节点少等缺点慢慢地暴露出来，给用户带来极大的不便。AVR单片机内含有1个可编程的异步串行USART接口，主/从SPI串行接口，双线串行接口，是增强型的高速同/异步串行通信，具有硬件产生校验码、硬件检错和校验帧错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串行接口能力大大超过MCS-51/96单片机的串行接口，加之AVR单片机速度高、中断响应时间短，故可实现高波特率通信。1.3 本设计的主要内容本文在深入研究国内外数字调节器发展现状及其工作原理基础上，结合实际工业需要，设计了这款应用8位AVR芯片作为中央处理器；采用稳定可靠的总线系统保证调节器通信的可靠性和高速实时性；利用源代码开放，具有丰富的软件资源，驱动丰富的C-51作为软件开发平台；同时为提高数字控制器对各种大惯性、纯滞后等对象的控制效果，采用了数字式PID增量控制算法的智能调节器。该设计的智能数字调节器除了具有一般调节器的功能（调节、显示、PID运算等）外，还具有自诊断和报警、抗积分饱和、时钟显示、完善的通信等功能。第二章 总体方案设计2.1智能调节器系统组成及其功能描述一般的控制器或控制设备均具有显示和调节功能，即实测量的显示功能和电位器调节设备功能。电位器作为一种模拟器件，具有连续调节能力，但容易出现接触不良的问题，而且数字化发展方向不吻合。目前虽有数字电位器可供选用，但分辨率普遍较低，抽头数最高的如XICOR公司的X9110，只有1024个抽头，即1024级，不能适应某种特殊要求。数字化调节器的研究正是基于这种背景。该数字化调节器具有显示和调节功能，而且是按键操作，克服了电位器旋钮不能密封的固有缺陷，可广泛应用于电位器调节的应用场合。数字化调节器的主要功能是调节和显示，具体设计要求如下：1调节功能具有电压和电流两种调节方式。2显示功能同时显示实测值和调节设定值；采用数码管显示，能适应不同的照明环境要求；8位显示，前4位是实测值，后4位是设定值，各自的首位用面板文字“电压”或“电流”的指示灯表示电压或电流，用“电压细步”或“电流细步”的指示灯表示目前为细分设定状态。本设计中所设计的智能调节器除了具有一般的调节和显示功能外，还具有自诊断和报警、抗积分饱和、时钟显示、完善的通信等功能。其硬件大致由以下部分组成：CPU、A/D转换、D/A转换、键盘电路、数码管显示、MAX232通信电路、报警电路以及V/I转换电路。如图2.1所示：2.2 调节器的控制算法在调节器的设计与工作过程中，调节器的控制算法起着至关重要的作用。调节器控制理论23经历了古典控制理论、现代控制理论、智能控制理论，古典控制算法又包括模拟PID算法和数字式PID算法；现代控制算法包括最优控制、随机控制、自适应控制等；智能控制算法包括模糊控制、神经网络控制、专家控制、仿人智能控制、遗传算法等。PID控制算法是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛用于过程控制和运动控制中。数字式PID控制算法是将模拟PID离散化得到，各参数有着明显的物理意义，调整方便。2.2.1 经典PID算法在连续时间控制系统中，PID控制器应用得非常广泛。其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。在模拟调节系统中，PID控制算法的模拟表达式12为： 式（2.1）式中，为调节器的输出信号；为偏差信号，它等于给定量与输出量之差；为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。其控制框图如图2.2所示：PID控制器是一种线性控制器，输出量和给定量之间的误差是时间的函数。 式（2.2）由比例，积分，微分的线性组合，构成控制量，这种控制方式具有上述三种控制方式，因而被称为比例(Proportional)、积分(Integrating)，微分(Differentiation)控制，简称PID控制。在实际应用中，根据受控对象的特性和控制的性能要求，可以灵活地采用不同的控制组合，构成比例(P)控制器、比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器或是比例积分微分(PID)控制器。比例控制能够迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能彻底消除稳态误差。随着比例放大系数的加大，系统会逐渐变得不稳定，因此需要进行积分控制。积分控制的作用是，当系统存在误差时，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差，只要有充分的时间，积分控制就能够完全消除误差，从而消除稳态误差。但是积分作用太强会引起系统超调加大，甚至使系统出现振荡，此时又需要引入微分控制。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。应用PID控制，就是根据具体情况适当地调整比例放大系数，积分时间,和微分时间，使整个控制系统达到满意的控制效果。2.2.2 数字式PID算法在数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。连续的时间信号，必须经过离散化后，变成数字量，才能用计算机进行数据处理与存储。在数字计算机中，计算和处理积分、微分时，只能用数值计算去逼近。因此在数字计算机中PID控制规律的实现也必须用数值逼近的方法，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续一时间PID算法的微分方程，变为描述离散一时间PID算法的差分方程。 式（2.3)式中是控制量的基值，即稳态时PID控制器的输出值；是第k次采样时刻的控制，为比例放大系数，为积分放大系数，为微分放大系数，为采样周期。式（2.3）称为位置式PID制算法。由位置式PID控制算法推导出： 式（2.4）其中， 式（2.5） 式（2.6） 式（2.7）公式(2.4)称为增量式PID控制算法，从该表达式已经看不出P、I、D作用的直接关系，只表示了各次误差量对控制作用的影响。从式(2.4)看出，数字增量式PID算法，只要贮存最近的三个误差采样值、即可当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量时，该算法可以起到很好的控制效果。本设计中就是采用了增量式数字PID算法。因为增量式数字PID有很多优点：（1）由于计算机输出的是增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉；（2）在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出值等于阀门的原始开度，才能保证手动/自动地无扰动切换，这将给程序设计带来困难。而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法易于实现手动/自动的无扰动切换；（3）不产生积分失控，所以容易获得较好的调节品质。2.2.2.1 数字PID采样周期的选择241选择采样周期的重要性采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果越接近连续控制。对大多数算法，缩短采样周期可使控制回路性能改善，但采样周期缩短时，频繁的采样必然会占用较多的计算工作时间，同时也会增加计算机的计算负担，而对有些变化缓慢的受控对象无需很高的采样频率即可满意地进行跟踪，过多的采样反而没有多少实际意义。2选择采样周期的原则采样定理 最大采样周期 式（2.8）式中为信号频率组分中最高频率分量。3. 选择采样周期应综合考虑的因素（1） 给定值的变化频率加到被控对象上的给定值变化频率越高，采样频率应越高，以使给定值的改变通过采样迅速得到反映，而不致在随动控制中产生大的时延。（2） 被控对象的特性 考虑对象变化的缓急，若对象是慢速的热工或化工对象时，T一般取得较大。在对象变化较快的场合，T应取得较小。 考虑干扰的情况，从系统抗干扰的性能要求来看，要求采样周期短，使扰动能迅速得到校正。（3） 使用的算式和执行机构的类型采样周期太小，会使积分作用、微分作用不明显。同时，因受微机计算精度的影响，当采样周期小到一定程度时，前后两次采样的差别反映不出来，使调节作用因此而减弱。执行机构的动作惯性大，采样周期的选择要与之适应，否则执行机构来不及反应数字控制器输出值的变化。（4） 控制的回路数要求控制的回路越多时，相应的采样周期越长，以使每个回路的调节算法都有足够的时间来完成。控制的回路数n与采样周期T有如下关系： 式（2.9）式中，是第j个回路控制程序的执行时间。采样周期的选择方法有两种，一种是计算法，一种是经验法。计算法由于比较复杂，特别是被控系统各个环节时间常数难以确定，所以工程上用得比较少。工程上应用最多的还是经验法。所谓经验法实际上是一种凑试法，即根据人们在工作实践中积累的经验以及被控对象的特点、参数，先粗选一个采样周期T，送入计算机控制系统进行试验，根据对被控对象的实际控制效果，反复修改T，直到满意为止。2.2.2.2 数字PID控制的参数选择1.参数选择的原则要求和整定方法（1） 原则要求被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统与环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述各项要求是困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。（2） PID参数整定方法理论计算法依赖被控对象准确的数学模型（一般较难做到）。工程整定法不依赖被控对象准确的数学模型，直接在控制系统中进行现场整定（简单易行）。2.常用的工程整定法（1） 扩充临界比例度法适用于有自平衡特性的被控对象整定数字调节器参数的步骤是： 选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。 去掉积分和微分作用，逐渐增大比例度系数直至系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态(稳定边缘)，记下此时的临界比例系数及系统的临界振荡周期。选择控制度。 式（2.10）通常，当控制度为1.05时，就可以认为DDC与模拟控制效果相当。根据选定的控制度，查表求得T、KP、TI、TD的值。（2） 响应曲线法适用于多容量自平衡系统参数整定步骤如下： 让系统处于手动操作状态，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来，然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。图2.2 阶跃响应曲线 用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图2.2所示。 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间，被控对象时间常数以及它们的比值。 由求得的、及查表，即可求得数字调节器的有关参数、及采样周期。 （3） 归一参数定法令，。则增量型PID控制的公式简化为 式（2.11）改变，观察控制效果，直到满意为止。2.2.2.3 数字PID控制的工程实现图2.3 数字PID控制的工程实现第三章 智能调节器的硬件设计3.1 单片机介绍单片机又称单片微控制器，它是把一个计算机系统集成到一片芯片上，概括的讲：一片芯片就成了一台计算机。单片机技术是计算机技术的一个分支,是智能调节器的核心元件，调节器智能化的实现以及智能化程度主要依赖于所选用的单片机的性能与特点。而高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场赖以生存的必要条件。3.1.1 单片机的选型传统单片机工艺及设计水平不高、功耗高、抗干扰性能差、指令周期长、执行速度慢，最典型的代表是C51单片机。自从AVR单片机推出以后，彻底改变了这种状态。它采用精简指令集，硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，采用局部寄存器存堆和单体高速输入/输出的方案。这样，既提高了指令执行速度，克服了瓶颈现象，增强了功能；又减少了对外设管理的开销，相对化了硬件结构，降低了成本。AVR与传统C51单片机的区别为：简单的说，CPU构架不同，虽然都是8位的，但指令集不同，AVR是用RISC的，哈佛结构的总线；51是用CISC，冯诺依曼结构的总线。跟AVR单片机相比，51内部资源少，速度慢，但学习简单，是用的最多最精典的单片机。AVR是后来才出来的，工艺上远超过51，内部资源丰富，速度快。AVR单片机的先进性和特点还有很多，如脉宽调制(PWM)输出，看门狗定时器，休眠模式(低功耗)的应用，片内A/ D转换器的使用，异、同步串口通信，软件等。所以对于现在一般的嵌入式控制应用，AVR单片机是一个很好的选择。本设计中我选用的是AVR单片机中ATmega系列中的一个子集ATmega8。ATmega83是具有AVR RISC结构的低功耗的CMOS8微处理器。ATmega8是一个非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点，但由于采用了小引脚封装（PDIP为28和TQFP/MLF为32），所以其价格仅与低档单片机相当，成为具有极高性价比、深受广大用户喜爱的单片机。3.1.2 单片机的特点与性能3ATmega8是AVR高档单片机中内部接口丰富、功能齐全、性能价格比最好的品种。它的主要性能如下：l 高性能，低功耗的8位AVR微控制器。l 先进的RISC精简指令集结构：ú 130条功能强大的指令，大多数为单时钟周期指令；ú 32个8位通用工作寄存器；ú 工作在16MHz时具有16MI/S的性能；ú 片内集成硬件乘法器（执行速度为2个时钟周期）；ú 完全静态操作。l 片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器：ú 8K字节的在线Flash程序存储器，擦写次数大于1000次；ú 支持在线编程（ISP）和在线应用自编程（IAP）；ú 具有独立加密位的BOOT代码区，通过芯片上的BOOT区内引导程序，实现在线自编程；ú 512B的,擦写次数大于100000次；ú 1KB的内部SRAM；ú 可编程的程序加密位。l 外部（Peripheral）性能：ú 2个具有比较模式的带预分频的8位定时/计数器；ú 1个具有可预分频的16位定时/计数器，具有比较模式和捕捉模式；ú 1个具有独立振荡器的异步实时时钟（RTC）；ú 3个PWM通道，可实现任意小于16位的相位和频率可调的PWM脉宽调制输出；ú TQFP和MLF封装的8通道ADC，其中6个通道为10位精度，2个通道为8位精度；ú PDIP封装的6通道的ADC，其中4个通道为10位精度，2个通道为8位精度；ú 1个可编程的异步串行USART接口，支持同步、异步以及多机通信自动地址识别；ú 双线串行接口，支持主/从、收/发四种工作方式，支持自动总线仲裁；ú 1个主/从、收/发的SPI同步串行接口；ú 带片内RC振荡器的可编程看门狗定时器；ú 片内模拟比较器。l 特殊的微控制器（MCU）性能：ú 上电复位和可编程欠电压监测；ú 已校准的内部RC振荡器；ú 外部和内部中断源18个；ú 五种休眠模式：空闲、ADC降噪、省电、掉电、等待。l I/O口和封装：ú 23个可编程的I/O口，可任意定义I/O的输入/输出方向；输出时为推挽输出，驱动能力强，可直接驱动LED等大电流负载；输入口可定义为三态输入，可以设定带内部上拉电阻，省去外接上拉电阻；ú 28脚PDIP封装，32脚TQFP封装和32脚MLF封装。l 工作电压：ú 2.7V5.5V(ATmega8L)；ú 4.5V5.5V(ATmega8)。l 运行速度：ú 08MHz(ATmega8L)；ú 016MHz(ATmega8)。l 功耗(在4MHz、3V、25条件下)：ú 工作模式：3.6mA；ú 空闲模式：1.0mA；ú 掉电模式：0.5A。3.1.3 单片机的引脚功能ATmega8由三种不同形式的封装：PDIP、TQFP和MLF。本设计中采用PDIP封装形式，见图3.1所示。外部引脚定义如下： 图3.1 ATmega8L的PDIP封装引脚图n VCC：（数字）电源。n GND：电源地。n PortB(PB7PB0)：B端口是一个8位双向的I/O端口（可位操作），每个引脚都有内部上拉电阻。B端口的输出缓冲器具有双向（输出和吸收）大电流的驱动能力。B端口作为输入方式，且内部上拉电阻有效时，如果外部引脚被拉低，B端口将输出电流。当复位时，即使系统时钟还没有工作，B口仍呈现三态。通过系统时钟选择位设置，PB6可作为振荡放大器和外部时钟操作电路的输入（XTAL1），PB7可作为晶振放大器的输出。如果采用内部RC晶振作为芯片时钟源，此时设置ASSR寄存器中的AS2位为“1”时，PB7、PB6可作为异步定时器/计数器2的输入端口TOSC2、TOSC1使用。n PortC(PC6PC0)：C端口是一个7位的带内部上拉电阻的双向I/O端口（可位操作）。C端口的输出缓冲器具有双向（输出和吸收）大电流的驱动能力。C端口作为输入方式，且内部上拉电阻有效时，如果外部引脚被拉低，C端口将输出电流。当复位时，即使系统时钟还没有工作，C口仍呈现三态。PC6/：对RSTDISBL熔丝编程，可将PC6作为一个I/O口使用。PC6的电气特性与端口C的其他引脚不同。当未对RSTDISBL熔丝编程时，PC6作为复位输入引脚。即使系统时钟没有工作，当在该引脚上出现超过两个时钟周期的低电平时，将产生复位信号，使系统复位。n PortD(PD7PD0)：D端口是一个8位的带内部上拉电阻的双向I/O端口（可位操作）。D端口的输出缓冲器具有双向（输出和吸收）大电流的驱动能力。D端口作为输入方式，且内部上拉电阻有效时，如果外部引脚被拉低，D端口将输出电流。当复位时，即使系统时钟还没有工作，D口仍呈现三态。D端口是一个复用端口，还提供ATmega8单片机的许多特殊接口功能。n XTAL1：内部振荡放大器的输入端。n XTAL2：内部振荡放大器的输出端。n AVCC：A/D转换器的电源，当端口（PC3PC0）和PC7、PC6用于ADC时，AVCC应通过低通滤波器连接到VCC上。在不使用ADC时，则该引脚应直接连接到VCC上，需要注意的是端口PC5、PC4的电源是由VCC提供。n AREF：是A/D转换器的参考电源输入端。n ADC7、ADC6：仅存在于TQFP和MLF封装中，在采用TQFP和MLF封装的芯片中，AD