基于AVR单片机的远程通信系统.doc

1、青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计说明书（论文） I 摘 要 随着国民经济的发展，远程测控技术在工业自动化、环境监控、智能家居以及安防系统等方面都得到了长足的发展和广泛的应用，在由单片机作为终端控制器的远程监控系统中，合理的实现单片机的远程通信功能是系统成败的关键因素 ,因而有必要对单片机远程通信技术进行充分的研究。单片机远程通信系统的实现方法多种多样，它们在数据传输中使用的通信协议和网络也多不相同。单片机远程通信系统按通信网络是否需要专门铺设可以划分为单片机专用网络远程通信系统和单片机已有远程网络通信系统，单片机现场总线远程通信系统属于前一类，单片机因 特网，电力网和电话网远程通信系统属于后一

2、类。各种单片机远程通信系统的通信带宽也有着较大差别，其中基于因特网和现场总线系统的带宽要远远大于基于电力网和电话网系统的带宽。现阶段，在我国以电话线路为传输介质的窄带网络十分普及且成本低廉，在对通信带宽要求不高的环境监控，智能家居及安防系统等方面都有着广泛的应用。 AVR 单片机远程通信的多种原理、方式和方法进行研究的基础上对其进行了合理的分类，并着重研究了广泛应用于流体参数远程测量和智能住宅的单片机远程通信技术，且首创性的将现有的普通电话来电显示服务功能应用于基于 AVR 单片机远程通信技术的智能住宅安防系统中，显著提高了该系统的 关键词： 单片机，远程通信， AVR，通信协议 青岛理工大学

3、琴岛学院专科毕业设计说明书（论文） II Abstract With the rapid development of national economics, remote supervisory and control technology have made quiet great development and extensive usingin the industrial automation ,environmental monitoring ,smart-house and Security Automation System. If want to realize the re

4、mote supervisory and controlling in the systems that use the MCU as the terminal controller we must achieve the remote data exchange between the MCU and control terminal, i.e. we should achieved the remote communication of MCU. So, the researching of the remote communication of MCU is very important

5、.There are many kind of achievement of the remote communication MCU systems,and the communication protocols and networks are different in those systems. The remote communication AVR MCU systems are separated into private network communication system and existing system network communication by the n

6、etworks whether need paved. The Internet system, power-line system and telephone system are belongs to existing network, the field-bus systems are belong to private network communication system. Bandwidth is also different in those communication systems, the bandwidth in internet and field-bus syste

7、ms are wider then that in the power-line and telephone systems. Today, in our country the telephone system are universally used in the narrow band environmental monitoring、 smart-house and Security Automation System for its Low-cost.Rational categorized the philosophies and systems of the remote com

8、munication of AVR MCU based on analysis and studying, thorough searched the remote communication of MCU based on technology, observably improved the response speed and character of service of Security Automation System based on DTMF technology in smart-house by first used the Call Identify-ration se

9、rvice in the system, Key words： AVR MCU Remote communication Communication protocol 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计说明书（论文） 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪 论 . 1 1.1 国内外研究现状 . 1 1.2 本文研究的背景和意义 . 1 1.3 单片机远程通信概述 . 2 1.4 本文研究的主要内容： . 2 2 系统 平台介绍 . 4 2.1 单片机概述 . 4 2.2 单片机的应用 . 6 2.3AVR 单片机选择 . 7 3 单片机远程通信概述 . 10 3.1 OSI

10、 结构概括 . 10 3.2 单片机专用网络远程通信 . 12 3.3 单片机使用已有网络远程通信 . 14 3.4 通信基本原理 . 22 3.5 电路接口设计 . 22 3.6 MODEM 实现远程通信 . 23 3.7 软件设计 . 23 4 AVR 单片机的 RS485 通信系统的设计与实现 . 25 4.1 系 统硬件组成 . 25 4.2 信协议及数据传输过程 . 25 4.3 通 信实现 . 25 4.4ATmegal6 AVR 单片机的通信程序 . 28 结 论 . 29 致 谢 . 30 参考文献 . 31 附 录 一 . 32 附 录 二 . 35 青岛理工大学琴岛学院专科

11、毕业设计说明书（论文） 1 1 绪 论 1.1 国内外研究现状 1.1.1 国内外研究现状 1971 年美国德州仪器 (TexaxInstrument)公司推出了第一款单片机 TMS-1000(4 位 ,无通信端口 ),它的出现无疑是近代计算机技术发展史上的重要事件，它的发展使嵌入式计算机系统实现了单片集成，并促进了通用微处理器 (CPU)向嵌入式微处理器发展。如今，嵌入式微控制器与嵌入式微 处理器作为嵌入式系统中两个重要组成部分、使现代电子技木进入到一个崭新的智能化时代，在这一发展过程中单片机的通信能力在不断提高 ,1978年各大单片机生产厂商推出的 8 位单片提供了全双工串口 ,单片机开始

12、具有了初步的通信能力 .在这之后 ,为了提高单片机有限的通信能力 ,世界各大电子组织和厂商又先后制定了多种通信接口标准和通信协议 .如采用串行通信方式的 RS-232、 RS485、 SPI、 I2C、USB 等接接口标准和协议但随着分布式测控的发展，在单片机的实际应用中又提出了使其具有总线通信能力的新要求，为此各大电子组织和厂商又 分别独立和联合推出了各种通信总线协议和接口，如广泛使用的 CAN 总线接口协议等。近年来随着计算机技术和信息技术的迅猛发展， Internet 的使用越来越普及，具有网络通信能力就成为了单片机的一种新的发展方向，为此各大厂商也都推出了各自的实现方式，在通信协议的使

13、用中主要有以下几种；一、使用完整的 TCP/IP 协议，优点是功能强大，但对硬件要求高。二、采用精简过的 TCP/IP 协议即嵌入式 ICP/IP 协议。三、开发专用的通信协议如 emNet和 emGateway.现在国内大多厂家使用的是前二者，自己开发专门用协议的很少。 1同时，曾在程控电话系统和通信设备中广泛使用的 DTMF(双音多频 )技术由于信号抗干扰能力强 ,且适合于远距离通信 ,在单片机远程通信中也占有重要的地位，并在通信系统、家庭自动化、通过电话线远程控制，及安全系统中有着广泛的应用，总之单片机通信能力正在不断的扩展和提高之中 1.1.2 单片机远程通信中需要解决的问题 现有单片

14、机远程方式方法多种多样，但没有相应的分类标准，不利于对其 进行系统的研究和分析。 单片机远程通信中的各种软件协议，尤其是网络通信中的各种通信协议较 为复杂需要用一种共周期的标准进行比对分析 。 DTMF 技术在单片机远程通信中占有重要地位需要深入研究。 基于 DTMF 技术的普通电话安防系统，依赖振铃记数来决定电话是否自 动摘机，既影响用户正常使用电话，又降低了安防系统的反应速度，需要一种可行的方法来解决这个问题。 1.2 本文研究的背景和意义 目前，为了实现远程监测，监控设备就必须具有远程通信终端，而这种通信终端大多用单片机或数字信号处理器来实现。由于监控系统的分布性及工作环境的特殊性，具青

15、岛理工大学琴岛学院专科毕业设计说明书（论文） 2 有远程通信能力的单片机终端已经成为一种普遍需要，而实现单片机远程通信的方式方法也多种多样，为了在考虑成本的前 提下提高单片机通信的质量，对单片机远程通信的接口和通信协议进行充分的研究就显得极为必要。本论文试图通过对单片机远程通信的各种实现方式的综合研究，对其进行科学合理的分类，并引入共同的通信协议分析对比模型，明析各种通信协议中不同模块的做用，同时试图通过对基于 DTMF 技术的家庭安防系统进行系统的分析，找出其存在问题利用现有技术和新技术对其性能进行提高。 1.3 单片机远程通信概述 1.3.1 单片机远程通信的概念 单片机远程通信从其字面理

16、解，远程是指非近距离的，通信则指的是信息交流，通信的双方或多方共同构成一个物理系 统，如分布在因特网，电话网两端的两个或多个单片机终端就可构成一个单片机远程通信系统。确切的理解，单片机远程通信是指本地单片机终端系统通过网络系统与远端的单片机或其他控制设备进行信息交流，如基于Internet 的单片机远程通信系统是指以 Internet 作为通信平台的单片机远程信息交流系统。 1.3.2 单片机远程通信的模式 单片机远程通信的模式一般是相距一定距离的单片机终端之间，或单片机终端与其它控制终端之间以共同的标准 也就是通信协议，完成信息的交流。而通信协议中往往包括通信中信号的电气特性和信息的传输规则

17、 ，其中信号的电气特性通常是由硬件电路来实现，而通信规则通常是由软件来实现的。单片机远程通信的过程通常是；信息的发送端按照通信协议将信息包装后发送到接口电路，再由接口电路将其转换为符合通信协议电气规定的信号传输到通信网络中 (如因特网，电话网 )，接收端接收到通信网络中传来的信号后，再按通信协议中的规定将它还原成原来的信息。 1.3.3 单片机远程通信的分类 按照通信中信用的通信网络是否需要铺设可将单片机分为两大类： 单片机专用网络远程通信单片机专用网络通信是指在单片机远程通信中所使用的网络平台要专门铺其中主要包 括各种现场总线技术：基金会现场总线 FF(Foundation Field bu

18、s)、控制局域网络 CAN(ControllerArea Network)、局部操作网络 LonWorks(Local Operating Network)、过程现场总线 PROFIBUS(Process Field Bus) 和 HART 协议(HighwayAddressable RemoteTransducer)等。 单片机已有网络远程通信 单片机已有网络远程通信是指在单片机远程通信中所使用的网络平台不需专门铺设，而是利用已有的网络作 为通信平台，其中主要包括以下几种：因特网远程通信、电力线载波通信和电话网络通信，其中电话网通信又可细分为有线和无线两种。 1.4 本文研究的主要内容： 研

19、究现有单片机远程通信的各种实现方法，依据其在通信使用网络的不同将其进青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计说明书（论文） 3 行分类。 引入通信技术中的 OSI 七层模型，并以此为基准对单片机远程通信中的使用的各种通信协议进行分析，明晳各种通信通信协议中各个模块的层次和具体作用。 完成单片机使用 DTMF 技术实现远程通信的系统设计，其中包括具体电路的设计和软件编写，并对其抗干扰能力进行一定的分析。 对基于单片机和 DTMF 技术的电话网家庭安防系统进行分析，着重解决由于依赖振铃记数来决定电话是否自动摘机而影响用户正常使用电话的问题，提 高了安防系统的反应速度。 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计说明

20、书（论文） 4 2 系统 平台介绍 2.1 单片机概述 单片微型计算机（单片机 ） 作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。相对而言，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，并且价格低廉、可靠性高、灵活性好，开发较为容易。目前，在我国，单片机已经广泛地用于智能仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和 数据处理等各个方面。 2.1.1 单片机的发展 单片机诞生于 20 世纪 70 年代。最初的单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（ Center Process Unit,也即简称 CPU）、数据存储器（

21、 RAM）、程序存储器 (ROM)及其他 I/O 通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。现代的单片机则增加了更多的片内外设（比如定时器、计数器、串行口、中断、并行 I/O 口，甚至包括A/D 转换器、脉宽调制器 PWM 等），使得单片机的功能越来越强大，应用领域越来越广泛。因为这样一块芯片就具有一台计算机的功能，因而被 称为单片微型计算机，简称单片机。由于单片机的硬件结构和指令系统都是按照工业控制要求来设计的，常用在工业的检查、控制装置中，因而也被称为微控制器（ Micro-Controller）。 单片机按照其用途可以划分为通用型和专用型两大类。通常所说的单片机是指通用型单片机。

22、通用型单片机是把可开发资源（如 ROM， RAM， I/O 口）全部提供给使用者。专用型单片机的硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的，如：频率合成调谐器（ DDS）、 USB 控制器、收音机机芯控制器、打印机控制器等。 1单片机发展历史 20 世纪 70 年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料、新工艺尚未成熟。单片机仍处在初级的发展阶段，元器件集成规模还比较小，功能相对比较简单，一般只集成了 CPU 和 RAM，有的还将一些简单的 I/O 口集成到芯片上，像 Farichild 公司的产品就属于这一类。这样的单片机通常还需要扩展其他外围处理电路才能构成完整的

23、系统。类似的单片机还有 Zilog 公司的 Z80 微处理器。 1976 年 Intel 公司推出了 MCS-48 单片机，这个时期的单片机才是真正的 8 位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小、功能全、 价格低廉赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。 其后在 MCS-48 的鼓舞下，各半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，如 Zilog公司的 Z8 系列。到了 80年代初，单片机已经发展到了高性能阶段，如 Intel公司的 MCS-51系列， Motorola 公司的 6801 和 6802 系列 Rokwell 公司的 6501 及 6502 系列

24、等，此外，日本的著名电气公司 NEC 和 HITACHI 都相继开发了具有自己特色的专用单片机。 80 年代，世界各大公司竞相研制出品种多、功能强的单片机，约有几十个系 列， 300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了 CPU、 RAM、 ROM、数目青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计说明书（论文） 5 繁多的 I/O 接口、多种中断系统，甚至还有一些带 A/D 转换器。单片机的功能越来越强大， ROM 和 RAM 的容量也越来越大，其发展到了一个全新的阶段，应用领域更加广泛，许多电子产品均走向利用单片机控制的智能化发展道路。 在众多品种的单片机中， MCS-51 系列是我国较早

25、引进的 Intel 公司的单片机产品。由于其性能优良，已经被国内外用户广泛认可和采用，占据了重要的市场份额。单片机产品的性能在不断提高，技术在不断更新换代。近几年，一 些公司面向市场推出以 8051为内核、独具特色、性能卓越的新型系列单片机，如 ATMEL 公司的 AT89 系列， Philips公司的 80C51 系列， ADI 公司的 ADuC 系列，以及 SIEMENS 等公司也都在 8051 的基础上先后推出了新型兼容机。就通用单片机而言，世界上著名的计算机厂家投放市场的产品就有 50 多个系列， 400 多个品种。单片机产品已占整个微机产品的 80%以上，其中 8 位单片机的产量又占

26、整个单片机产量的 60%以上， 8 位单片机在最近若干年将仍是工业检测，控制应用的主角。 1997 年 ,由 ATMEL 公司挪威设计中心利 用 ATMEL 公司的 Flash 新技术 , 共同研发出 RISC 精简指令集的高速 8 位单片机，简称 AVR。 2.1.2 单片机的特征和应用 单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、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。 一、简便易学，费用低廉 首先，对于非专业人员来说，选择 AVR 单片机的最主要原因，是进入 AVR 单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以

27、学习 AVR 单片机的开发。单片机初学者只需一条 ISP 下载线，把编辑、调试通过的软 件程序直接在线写入 AVR 单片机，即可以开发 AVR 单片机系列中的各种封装的器件。 AVR 单片机因此在业界号称 “一线打天下 ”。 其次， AVR 单片机便于升级。 AVR 程序写入是直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作，这样便于产品升级。 再次， AVR 单片机费用低廉。学习 AVR 单片机可使用 ISP 在线下载编程方式 (即把PC 机上编译好的程序写到单片机的程序存储器中 )，不需购买仿真器、编程器、擦抹器和芯片适配器等，即可进行所有 AVR 单片机的开发应用，这可节省很多开发费用。程序存储器

28、擦写可达 10000 次以上，不会产生报废品。 二 、高速、低耗、保密 首先， AVR 单片机是高速嵌入式单片机： 1、 AVR 单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行。 2、多累加器型，数据处理速度快。 AVR 单片机具有 32 个通用工作寄存器，相当于有 32 条立交桥，可以快速通行。 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计说明书（论文） 6 3、中断响应速度快。 AVR 单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。 其次， AVR 单片机耗能低。对于典型功耗情况， WDT 关闭时为 100nA，更适用于电池供电的应用设备。有的

29、器件最低 1.8 V 即可工作。 再次， AVR 单片机保 密性能好。它具有不可破解的位加密锁 Lock Bit 技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。 三、 I/O 口功能强 ,具有 A/D 转换等电路 1. AVR 单片机的 I/O 口是真正的 I/O 口，能正确反映 I/O 口输入 /输出的真实情况。工业级产品，具有大电流 (灌电流 )10 40 mA,可直接驱动可控硅 SCR 或继电器，节省了外围驱动器件。 2. AVR 单片机内带模拟比较器， I/O 口可用作 A/D 转换，可组成廉价的 A/D 转换器。ATmega48/8/16 等器件具有 8 路 10 位 A/D

30、。 3. 部分 AVR 单片机可组成零外 设元件单片机系统，使该类单片机无外加元器件即可工作，简单方便，成本又低。 4. AVR 单片机可重设启动复位 ,以提高单片机工作的可靠性。有看门狗定时器实行安全保护 ,可防止程序走乱 (飞 ),提高了产品的抗干扰能力。 四、有功能强大的定时器 /计数器及通讯接口 定时 /计数器 T/C 有 8 位和 16 位 ,可用作比较器。计数器外部中断和 PWM(也可用作D/A)用于控制输出，某些型号的 AVR 单片机有 3 4 个 PWM，是作电机无级调速的理想器件。 AVR 单片机有串行异步通讯 UART 接口 ,不占用定时器和 SPI 同步传输功能 ,因其具

31、有高速特 性，故可以工作在一般标准整数频率下 ,而波特率可达 576K。 2.2 单片机的应用 单片机以其卓越的性能、小巧的体积、极高的性价比，在国民经济的各个域中得到了广泛的应用。但是由于单片机自身的一些特点，在实际应用中又有着自己的应用特性和应用范围。 1应用特点 (1)小巧灵活 由于单片机内部包含了计算机的基本功能部件，能满足很多应用领域对硬件功能的基本要求，因此能方便地组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表。 (2)可靠性高 单片机内 CPU 访问存储器和各种外设的接口的总线大多数在芯片内部，因此不易受到外界环境的干扰；同时由于体积小，在很多恶劣的环境下，容易采取对系统进行电磁屏蔽

32、等措施。 (3)使用方便，容易扩展 系统扩展方便，简化了硬件设计，同时市场上提供了各种成熟的开发工具，具有很强的软硬件调试功能和辅助设计手段。 (4)性价比高，容易产品化 单片机市场需求量大，厂商一次可以进行大量的生产，青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计说明书（论文） 7 同时很多厂商竞争，单片机的价格一直很具有优势。很多特性缩短了单片机应用系统从样机到正式产品的过渡过程，缩短了研制周期，可使成果迅速转换成生产力。 2应用领域 智能化管理及过程控制等领域，大 致可分如下几个 方面。 (1)在智能仪器仪表上的应用 单片机广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、

33、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素 和 压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化 和 微型化，且功能比起采用 分立器件 或数字电路更加强大。例如精密的测量设备 (功率计 、 示波器 和 各种分析仪 )。 (2)在工业控制中的应用 单片机可以构成形式多样的控制系统 和 数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理 、 电梯智能化控制 和 各种报警系统 、 与计算机联网构成二级控制 系统等。 (3)在家用电器中的应用 现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭 煲 、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电 和 其他音响视频器材 ， 再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 家用

34、电器涉及到千家万户，需求非常大，配上单片机后的家用电器在功能上更加智能化，深得用户的欢迎。廉价的单片微机在家用电器上的应用前途十分广阔。 (4)在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信 。 2.3AVR 单片机选择 2.3.1 AVR 单片机的型号标识解析 在现代化工业生产和高精 度测试中，我们需要相当精确的 信号 来帮助判断设备性能指标。采用压控振荡器得到的频率不够精确 。 Mega 系列单片机是 Atmel公司于 2002 年起陆续推出的。这款 AVR 增强型单片机具有速度快，抗干扰能力强，价格低廉等诸多好处。为了加快 AVR 单片机的

35、软件编制， Atmel及第三方提供的研发工具多种多样，程式研发方便有效。该单片机内部 FLASH 结构功能灵活，加锁后非常难解密，能最大限度地保护知识产权。 AVR 单片机能广泛应用于通信、野外测试、汽车电子、医疗器械等领域，并且适用于各种低电压、低功耗的场合。 1.型号紧跟的字 母，表示电压工作范围。带 “V”： 1.8-5.5V；若缺省，不带 “V”： 2.7-5.5V。 例： ATmega48-20AU，不带 “V”表示工作电压为 2.7-5.5V。 2. 后缀的数字部分，表示支持的最高系统时钟。 例： ATmega48-20AU， “20”表示可支持最高为 20MHZ 的系统时钟。 3. 后缀第一（第二）个字母，表示封装。 “P”： DIP 封装， “A”： TQFP 封装， “M”：MLF 封装。 例： ATmega48-20AU， “A”表示 TQFP 封装。 4. 后缀最后一个字母，表示应用级别。 “C”：商业 级， “I”：工业级（有铅）、 “U”