超声波测距系统设计.doc

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1、摘 要超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术，主要涉及超声波的产生、传播与接收技术。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超声检测技术则使用灵敏度高但功率不大能够产生和接收各种波形的超声波换能器，常要求避免产生强烈的超声效应，着重于一些描述媒质超声波特性的物理量（如声速、衰减、声阻抗等）的测定。根据声波在空气中传播反射原理, 以超声波换能器为接口部件, 应用单片机技术对超声波在空气中的传播时间进行测量,从而设计了一套超声波检测系统。根据仪器设计时超声波传感器的选择、计数频率的确定及盲区对测量的影响,提高测量准确度的途径,重点利用软件修正误差的方法,使仪器达到了设计指标,满足

2、了工业测量的实际需要。关键词：超声波；测距；单片机AbstractThe ultrasonic wave technology is a take physics, the electron, the machinery and the material study as the foundation general technology, mainly involves the ultrasonic wave the production, the dissemination and the receive technology. The supersonic processing proc

3、essing technology often the emphatically application high efficiency continual ultrasonic wave transmitting transducer, uses some kind of supersonic effect, takes some description sound field strong and the weak the physical quantity (for example sound pressure, acoustic intensity, accoustical power

4、 rate and so on) determination; But the supersonic examination technology uses the sensitivity high the power to be able to have and to receive each kind of profile not greatly the ultrasonic wave transducer, often requests to avoid having the intense supersonic effect, emphatically in some descript

5、ion medium ultrasonic wave characteristic physical quantity (for example sonic speed, weaken, acoustic impedance and so on) determination.In this paper, according to the principle of ultrasonic transmission in the air, a suit of practical ultrasonic measuring system is designed by u sing the techniq

6、ue of Single Chip Microco(SCM ) and the ultrasonic transducer. The reason of measure in error is analyzed. When instrument is designed , the selection of ultrasonic sensor ,the ascertainment of frequency count and the influence of blind area on measurement are expounded , the approach of improving m

7、easuring accuracy is pointed out , the method of correcting error with software is expounded emphatically. Design aims are achieved , measuring demands on industry are satisfied.Keywords : ultrasonic; measuring distance; Single Chip Microco (SCM )目 录摘要IAbstractII1绪论11.1超声波测距原理及特性11.2超声波测距应用11.3超声波发射

8、头研究21.4超声波的波形及其转换和波速21.5 超声波的反射和折射31.6 声波的衰减42总体方案论证52.1 设计方案论证52.2 系统方案63 AVR单片机及超声波测距原理83.1 AVR单片机的简介83.2 AVR单片机的主要特点93.3 AVR单片机的系统结构103.4 ATmega16单片机简介123.5 超声波传感器测距原理194模块软件程序214.1温度补偿子程序214.2超声波发送子程序234.3超声波速度计算子程序234.4外部信号接受子程序244.5主程序255误差分析275.1 超声波回波的声强的影响275.2 超声波波束入射角的影响27结论30致谢31参考文献32附录

9、331绪 论根据声波在空气中传播反射原理,以超声波换能器为接口部件, 应用单片机技术对超声波在空气中的传播时间进行测量,从而设计了一套超声波检测系统。对系统硬件组成、检测原理、方法以及系统软件结构作了详细介绍,对产生测量误差的原因进行了分析,并提出了解决的途径和方法。1.1超声波测距原理及特性振动在弹性媒质内的传播称为波。频率在2020000Hz之间的机械波能为人耳所闻，称为声波；低于20Hz的机械波称为次声波；高于20000Hz的机械波称为超声波。超声波在液体、固体中的衰减很少，渗透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质射到另一种介质时，由于在两种介质中的

10、传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波形转换等现象。超声波在介质中传播时与介质作用会产生机械效应、空化效应和热效应等等。超声波的这些特性使其在检测技术中获得广泛应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速（流量）测量、超声波显微镜及超生成相等。1.2超声波测距应用 超声波流量计：测量水的流速，这是因为超声波是一种机械波，依靠介质才能传播，其传播方向受介质运动影响，因此，水可以改变传播方向。进而可以做出超声波流量计，可应以自来水、工业用水、农业用水等进行测量。还适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。 超声波测距仪：用以测量液位、井深、管道长度、建筑测量、厚度测量等。 报警器：盲人探路器、防

11、盗报警等 定位系统：用以探测超声波发射源位置，在生活中有重要意义，如人说话、呼吸的时候不光产生声波，同样也会产生部分超声波，呼出的气体分子与空气分子碰撞就产生超声波。气管漏气，轮胎漏气，阀门泄漏、阀门气蚀、齿轮运行、电晕放电等都会产生超声波。通过接收器看以看出哪里有漏洞。1.3超声波发射头研究保持vi不随f变化，测量数据如下：（频率单位：khz，输出电压为峰峰值，单位 V）表1-1. Vo随f变化表f102030353840424550515253Vo9.528.166.085.444.323.764.326.483.281.61.926.8图1-1 超声波发送原理从图中可以得出结论：超声波发

12、射的串联谐振频率有两个，一个是40khz，一个是51khz；其对应的阻抗分别为：1.27k和3811.4超声波的波形及其转换和波速由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波在介质中传播时有三种主要波形。纵波，质点的振动方向与波的传播方向一致，它能在固体、液体和气体介质中传播。横波，质点振动方向垂直于波的传播方向，它只能在固体介质中传播。表面波，质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减；表面波质点振动的轨迹是椭圆形，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向；表面波只能在固体表面传播。当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时，除有

13、纵波的反射、折射外，还会有横波的反射和折射，如图所示。在一定条件下还能产生表面波。各种波形都符合波的反射定律和折射定律。图1-2 L入射纵波；L1反射纵波；L2折射纵波；S1反射横波；S2折射横波超声波的传播速度，取决于介质的弹性常数及介质的密度，即。由于气体和液体的剪切弹性模量为零，所以超声波在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。其波速为 （1-1）式中，K介质的体积弹性模量，它是体积（绝热的）压缩性的倒数；介质的密度。在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为： （1-2） （1-3） （1-4）式中，E固体介质的杨氏模量；固体介质的泊松比；G固体介质的剪切弹性模量；介质密度。对于固

14、体介质，介于00.5之间，因此一般可认为。1.5 超声波的反射和折射当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上将发生反射和折射，如下图。超声波的反射和折射满足波的反射定律和折射定律，即 （1-5）图1-3 超声波的反射与折射1.6 声波的衰减超声波在一种介质中传播的时候，随着距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为： （1-6） （1-7）式中，、声波在距离声源处的声压和声强；P、I声波在距离声源处的声压和声强；衰减系数。超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来之于声波的扩散，就是随着声波传播距离的增加，在单位面积波面内

15、声能量将会减弱。散射衰减是声波在固体介质中颗粒界面上的散射，或在流体介质中有悬浮粒子时使超声波散射。而声波的吸收是由于介质的导热性、黏滞性及弹性滞后造成的。介质吸收声能并转化为热能。吸收随声波频率升高而增加。吸收系数因介质材料性质而异，但晶粒越粗，声波频率越高，则衰减愈大。最大探测厚度往往收衰减系数限制。所以，工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆的浓度等量都可以利用这种原理进行测量。经常以dB/cm或dB/mm为单位来表示衰减系数。在一般探测频率上材料的衰减系数在1到几百之间。若衰减系数为1dB/mm，声波穿透1mm时，则衰减1dB,即衰减10；声波穿透20mm，则衰减20dB，即衰减90。2

16、总体方案论证本章从系统方案等一些方面来进行论证。本设计主要是进行距离的测量和报警，设计中涉及到的内容较多，主要是将单片机控制模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块、4位数码管显示模块这几个模块结合起来。而本设计的核心是超声波测距模块，其他相关模块都是在测距的基础上拓展起来的，测距模块是利用超声波传感器，之后选择合适单片机芯片，以下就是从相关方面来论述的。2.1 设计方案论证激光测距传感器激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点，它工作时先由激光传感器对准障碍物发射激光脉冲，经障碍物反射后向各个方向散射，部分散射光返回到接受传感器，能接受其微弱的光信号，从而记录并处理光脉冲发射到返回所经历的时

17、间即可测定距离，即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。其优点是测量的距离远、速度快、测量精确度高、量程范围大，缺点是对人体存在安全问题，而且制作的难度大成本也比较高。红外线测距传感器红外线测距传感器利用的就是红外线信号在遇到障碍物其距离的不同则其反射的强度也不同，根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。其优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性也差，测量距离近。超声波传感器超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20 kHz的机械波。超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波

18、发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距。在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，但价格也稍贵。从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。根据对以上三种传感器性能的比较，虽然能明显看出来激光传感器是比较理想的选择，但是它的价格却比较高，而且安全度不够高。而且汽车在行驶的过程中超声波传感器测距时应具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头。

19、2.2 系统方案此方案选择51单片机作为控制核心，所测得的距离数值由4位共阳极数码管显示，与障碍物之间的不同距离利用蜂鸣器频率的不同报警声提示，超声波发射信号由51单片机的P0.1口送出到超声波发射电路，将超声波发送出去，超声波接收电路由CX20106A芯片和超声波接收探头组成的电路构成，报警系统由蜂鸣器电路构成。本设计中将收发超声波的探头分离这样不会使收发信号混叠，从而能避免干扰，可以很好的提高系统的可靠性。本设计的汽车防撞装置的系统框图如图2.1所示。超声波接受器检波电路51单片机超声波发射器放大电路放大电路报警系统显示模块图2.1 汽车防撞装置的系统框图本设计由Keil编程软件对51单片

20、机进行编程，51单片机在执行程序后由P0.1端口产生40kHz的脉冲信号通过74LS04电路进行放大并送到到超声波发射探头，产生超声波。在超声波发射电路启动的同时单片机启动中断定时器，利用其计数的功能记录超声波发射超声波到接收到超声波回波的时间。当接收回射的超声波时，接收电路的输出端产生负跳变输出到单片机产生中断申请，执行外部中断子程序计算距离。结合各方面的因素考虑，依据设计的要求，查阅相关数据资料，选择了超声波测距传感器TR40-16Q（其中T表示超声波发射探头，R表示超声波接收探头），综合考虑设计的要求出于简便角度，选用了HC-SR04超声波集成模块。此超声波模块的最大探测距离为5 m，精

21、度可以达到0.3 cm，盲区为2 cm，而且发射扩散角不大于15，更有利于测距的准确性。而且，此模块的工作频率范围为39 kHz41 kHz左右，完全能在40 kHz工作频率工作。由于超声波的发射和接收是分开发送和接收的，所以发射探头和接收探头必须在同一条水平行直线上，这样才能准确地接收反射的回波。而由于测量的距离不同和发射扩散角所引起的误差以及超声波信号在空气中传播的过程中的超声波衰减问题，发射探头和接收探头距离不可以太远，而且还要避免发射探头对接收探头在接收信号时产生的干扰，所以二者又不能靠得太近。根据对相关资料查阅，将两探头之间的距离定在5 cm8 cm最为合适。本设计所用的HC-SR0

22、4模块的超声波探头之间的距离大约在6 cm左右。3 AVR单片机及超声波测距原理3.1 AVR单片机的简介ATMEL公司是世界上有名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟IC芯片的半导体制造公司。在单片机微控制器方面，ATMEL公司有AT89、AT90和ARM三个系列单片机的产品。ATMEL公司在其单片机产品中，融入先进的E2PROM电可擦除和Flash ROM闪速存储器技术，使得该公司的单片机具备了优秀的品质，在结构、性能和功能等方面都有明显的优势。自1983年INTEL公司推出8051单片机系列至今已有20年，ATMEL公司把8051内核与其擅长的Flash制造技术相结合，推出

23、了片内集成可重复擦写10000次以上Flash程序存储器、低功耗、8051内核的AT89系列单片机。该系列的典型产品有AT84C51、AT84C52、AT89C1051、AT84C2051，在我国的单片机市场上占有相当大的份额，得到了广泛的使用。由于8051本身结构的先天性不足和近年来各种采用新型结构和新技术的单片机不断涌现，现在的单片机市场是百花齐放。ATMEL在这种强大市场压力下，发挥Flash存储器的技术特长，与1997年研发并推出了全新配置的、采用精简指令集RISC（Reduced Instruction Set CPU）结构的新型单片机，简称AVR单片机。精简指令集RISC结构是20

24、世纪90年代开发出来的，综合了半导体集成技术和软件性能的新结构。AVR单片机采用RISC结构，具有1MIPS/MHz的高速运行处理能力。为了缩短产品进入市场的时间，简化系统的维护和支持，对于有单片机组成的嵌入式系统来说，用高级语言编程已成为一种标准编程方法。AVR结构单片机的开发目的就在于能够更好的采用高级语言（例如C语言、BASIC语言）来编写嵌入式系统的系统程序，从而能更高效地开发出目标代码。为了对目标代码大小、性能及功能进行优化，AVR单片机的结构中采用了大型快速存储寄存器组和快速的单调周期指令系统。传统的基于累加器的结构单片机，如8051，需要大量的程序代码，以实现在累加器和存储器之间

25、的数据传输。而在AVR单片机中，采用32个通用工作寄存器组，用32个通用工作寄存器代替了累加器，从而避免了在传统结构中累加器和存储器之间的数据传送造成的瓶颈现象。AVR单片机运用Harvard结构，在前一条指令执行的时候就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。在其他的CISE以及类似的RISE结构的单片机中，外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期，这种分频最大达12倍（8051）。AVR单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，它是在8位单片机中第一个真正的RISE结构的单片机。由于AVR单片机采用了Harvard结构，所以它的程序存储器和数据存储器是分开组织和寻址的。寻址空间分别为

26、可直接访问1128K字节的程序存储器和64K字节的数据存储器。同时，由32个通用工作寄存器所构成的寄存器组被双向映射，因此，可以采用读写寄存器和读写片内快速SRAM存储器两种方式来访问32个通用工作寄存器。AVR单片机采用低功率、非挥发的COMS工艺制造，内部分别集成Flash、E2PROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器。除了可以通过SPI口和一般的编程器对AVR单片机的Flash程序存储器和E2PROM数据存储器进行编程外，绝大多数的AVR单片机还具有在线编程（ISP）的特点，这给学习和使用AVR单片机带来了极大的方便。3.2 AVR单片机的主要特点AVR单片机吸取了PIC及8051单

27、片机的有点，同时还做了一些重大改进，其主要的优点如下： 片内集成可擦10000次以上的Flash程序存储器。由于AVR采用16位的指令，所以一个程序的存储单元为16位，即XXXX*16（也可以理解为8位，即2*XXXX*8）。AVR的数据存储器还是以8个Bit（位）为一个单元，因此AVR还是属于8位单片机。 采用COMS工艺技术，高速度（50ns）、低功耗（A）、具有SLEEP（休眠）功能。AVR单片机的指令执行速度可达50ns（20MHz），而耗电则在1A2.5mA之间（典型功耗，WDT关闭时为100nA）。AVR运用Harvard结构概念，具有欲取指令的特性，即对程序存储和数据存取使用不同

28、的存储器和总线。当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中取出，这使得指令可以在每一个时钟周期内执行。 高度保密（LOCK）。可多次擦写的FLASH具有多重密码保护锁死（LOCK）功能，因此可低成本高速度地完成产品商品化，并且可多次更改程序（产品升级）而不必浪费IC或电路板，大大提高了产品的质量及竞争力。 工业级（WDT）产品。具有大电流（灌电流）10mA20mA或40mA（单一输出）的特点，可直接驱动SSR或继电器。有看门狗定时器（WDT）安全保护，可防止程序飞走，提高产品的抗干扰能力。 超功能精简指令。具有32个通用工作寄存器（相当于8051中的32个累加器），克服了单一累加器数据处理

29、造成的瓶颈现象，1284K字节SRAM可灵活使用指令运算，并可用功能很强的C语言编程，易学、易写、易移植。 程序写入器件可以并行写入（用编程器写入），也可以使用串行在线编程（ISP）方法下载写入，也就是说不必将单片机芯片从系统上拆下，拿到万用编程器上烧写，而可直接在电路板上进行程序的修改、烧写等操作，方便产品升级，尤其是采用SMD封装，更利于产品微型化。 除了并行I/O口输入/输出特性与PIC的HI/LOW输出及三态高阻抗HI-Z输入相同外，还设定与8051系列内部上有上拉电阻的输入端功能相似的功能，以适应各种实际应用特性所需（多功能I/O口）。只有AVR才是真正的I/O口，能正确反应I/O口

30、输入/输出的真实情况。 单片机内集成了模拟比较器，I/O口可作A/D转换用，组成廉价的A/D转换器。像8051一样，AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断，而不会像PIC那样，所有向量都在同一向量地址发生，需要由程序判别后才可响应，从而失去了控制的最佳机会。 同PIC一样，AVR单片机可重新设置启动复位。AVR也有内部电源上电启动计数器，可降低电平复位（RESET）直接接到VCC端。当系统上电时利用内部的RC看门狗定时器可延迟MCU启动，执行系统程序。这种延时可使I/O口稳定后再执行程序，提高了单片机的工作可靠性，同时也省略了外加的复位延时电路。 具有休眠省电功能（POWER

31、DOWN）及闲置(IDLE)低功耗功能的工作方式。 AT90S1200等部分AVR器件具有内部的RC振荡器，提供1KHz8KHz的工作 时钟，使该类单片机无需外加晶振等时钟电路原件即可工作简单方便。有8位和16位的计数器/定时器（C/T），可作比较器、计数器、外部中断和PWM（也可作D/A）用于控制输出。 有串行异步通信UART硬件接口电路，采用单独的波特率发生器，并不占用定时器。有SPI传输功能。因其高速，故可以在一般标准整数频率下工作，而波特率可达576Kbps。 AT90S4414及AT90S8515具有可扩展外部存储器达64KB的能力，它们的引脚排列及功能与8051相似，即可替代805

32、1系列单片机（8751/8452）的应用系统。当然，在硬件、软件上也带来很多有点（WDT看门狗，模拟比较器作A/D，PWM作D/A等）。 工作电压范围为2.7V6.0V，电源抗干扰能力强。 多通道的10位A/D及实时时钟（RTC）。具有8路10位A/D器件的有AT90S4434、 AT90S8535，具有6路10位A/D器件的有AT90S2333、AT90S4433。 AVR单片机还在片内集成了可擦写100000次。3.3 AVR单片机的系统结构为了提高MCU并行处理的运行效率，AVR单片机采用了程序存储器和数据存储器使用不同的存储空间和存储总线的Harvard结构。算术逻辑单元（ALU）使用

33、单级流水线操作方式对程序存储器进行访问，在执行当前一条指令，也完成了从程序存储器中取出下一条将要执行指令的操作，因此执行一条指令仅需要一个时钟周期。图为AVR单片机的系统结构图。图3-1 AVR单片机的系统结构图在AVR的硬件内核中，有一个有32个访问操作时间只需要一个时钟周期的8位通用工作寄存器所组成的“快速访问寄存器组”。“快速访问”意味着在一个时钟周期内执行一个完整的ALU操作。在一个标准的ALU操作中包含了三个过程：即从寄存器组中取出两个操作数，操作数被执行，将执行结果写入目的寄存器中。这三个过程是在一个时钟周期内完成的，构成一个完整的ALU操作。在32个通用工作寄存器中，有6个寄存器

34、可以合并成3个16位的，用于对数据存储器空间进行间接寻址的间接地址寄存器（存放地址指针），以实现高效的地址计算。这3个16位的间接地址寄存器称为：X寄存器、Y寄存器和Z寄存器。其中Z寄存器还能作为间接寻址程序存储器空间的地址存储器，用于在Flash程序存储器空间进行查表操作。算术逻辑单元（ALU）支持存储器之间，立即数与寄存器之间的算术与逻辑运算功能。ALU也执行单一的16位格式，只有少数指令为32位格式。因此，AVR的程序存储器单元为16位，即每个地址单元存放一个单一16位指令字，而一条32位的指令则要占据2个程序存储器单元。在进入中断和子程序调用过程时，程序计数器PC的返回地址将被存储于堆

35、栈中。堆栈空间将占用数据存储器（SRAM）中一段连续的地址，因此，堆栈空间的大小仅受到系统总的数据存储器（SARM）的大小以及系统程序对SRAM的使用量的限制。用户程序应在系统上电复位后，对一个16位的堆栈指针寄存器SP进行初始化设置（或在子程序和中断程序被执行之前）。可以使用对I/O寄存器空间进行读写访问的指令对堆栈指针寄存器SP进行操作。在AVR中，说有的存储器空间都是线性的。数据存储器（SRAM）可以通过5种不同的寻址方式进行访问。AVR的中断控制由I/O寄存器空间的中断控制寄存器和状态寄存器中的全局中断使能位组成。每个中断都分别对应一个中断向量（中断入口地址）。所有的中断向量构成了中断

36、向量表，该中断向量表位于Flash程序存储器空间的最前面。中断的中断向量地址越小，其中断的优先级越高。I/O空间为连续的64个I/O寄存器空间，它们分别对应MCU各个外围功能的控制和数据寄存器地址，如控制寄存器、定时器/计数器、A/D转换器及其他的I/O功能等。I/O寄存器空间可使用I/O寄存器访问指令直接访问，也可将其映射为通用工作寄存器组后的数据存储器空间，使用数据存储器访问指令进行访问。I/O寄存器空间在数据存储器空间的映射地址为$0020$005F。3.4 ATmega16单片机简介产品特性： 高性能、低功耗的8位AVR微处理器 先进的RISC结构 131 条指令 大多数指令执行时间为

37、单个时钟周期 32个8 位通用工作寄存器 全静态工作 工作于16 MHz时性能高达16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 16K字节的系统内可编程Flash擦写寿命: 10,000次 具有独立锁定位的可选Boot代码区通过片上Boot程序实现系统内编程真正的同时读写操作 512 字节的EEPROM擦写寿命: 100,000次 1K字节的片内SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密图3-2 单片机简图 JTAG 接口(与IEEE 1149.1标准兼容) 符合JTAG标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM

38、、熔丝位和锁定位的编程 外设特点： 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC 四通道PWM 8路10位ADC8个单端通道TQFP封装的7个差分通道2个具有可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USART 可工作于主机/从机模式的SPI串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点： 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC振荡器 片内/ 片外中断源 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC噪声抑制模式、

39、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby模式 I/O和封装 32个可编程的I/O口 40引脚PDIP封装, 44引脚TQFP封装, 与44引脚MLF封装 工作电压： ATmega16L：2.75.5V ATmega16：4.55.5V 速度等级： 0 8 MHz ATmega16L 016 MHz ATmega16 ATmega16L在1MHz, 3V, 25C时的功耗： 正常模式: 1.1mA 空闲模式: 0.35mA 掉电模式: 1A 引脚说明：1、四组I/O口说明：端口A(PA7.PA0)：端口A作为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8位双向I/O口，具有可编程的

40、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，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。端口B(PB7.PB0)：端口B为8位双向I/O口，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，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口B的第二功能：表3-1 端口功能表端口引脚第二功能PB7SCK (SPI总线的串行时钟)PB6MISO (SPI总线的主机输入/从机输出信号)PB

41、5MOSI (SPI总线的主机输出/从机输入信号)PB4SS (SPI从机选择引脚)PB3AIN1 (模拟比较负输入) OC0 (T/C0输出比较匹配输出)PB2AIN0 (模拟比较正输入) INT2 (外部中断2输入)PB1T1 (T/C1外部计数器输入)PB0T0 (T/C0外部计数器输入)XCK (USART外部时钟输入/输出)2、引脚配置如下： SCK端口B, Bit 7SCK：SPI通道的主机时钟输出，从机时钟输入端口。工作于从机模式时，不论DDB7设置如何，这个引脚都将设置为输入。工作于主机模式时，这个引脚的数据方向由DDB7控制。设置为输入后，上拉电阻由PORTB7控制。 MIS

42、O端口B, Bit 6MISO：SPI通道的主机数据输入，从机数据输出端口。工作于主机模式时，不论DDB6设置如何，这个引脚都将设置为输入。工作于从机模式时，这个引脚的数据方向由DDB6控制。设置为输入后，上拉电阻由PORTB6控制。 MOSI端口B, Bit 5MOSI：SPI 通道的主机数据输出，从机数据输入端口。工作于从机模式时，不论DDB5 设置如何，这个引脚都将设置为输入。当工作于主机模式时，这个引脚的数据方向由DDB5控制。设置为输入后，上拉电阻由PORTB5 控制。 SS端口B, Bit 4SS：从机选择输入。工作于从机模式时，不论DDB4设置如何，这个引脚都将设置为输入。当此引

43、脚为低时SPI被激活。工作于主机模式时，这个引脚的数据方向由DDB4控制。设置为输入后，上拉电阻由PORTB4 控制。 AIN1/OC0端口B, Bit 3AIN1：模拟比较负输入。配置该引脚为输入时，切断内部上拉电阻，防止数字端口功能与模拟比较器功能相冲突。OC0：输出比较，匹配输出：PB3引脚可作为T/C0比较匹配的外部输出。实现该功能时，PB3引脚必须配置为输出(设DDB3为1) 。在PWM模式的定时功能中，OC0引脚作为输出。 AIN0/INT2端口B, Bit 2AIN0，模拟比较正输入。配置该引脚为输入时，切断内部上拉电阻，防止数字端口功能与模拟比较器功能相冲突。INT2，外部中断

44、源 2：PB2引脚作为MCU的外部中断源。 T1端口B, Bit 1T1， T/C1计数器源。T0/XCK端口B, Bit 0T0，T/C0计数器源。XCK，USART外部时钟。数据方向寄存器(DDB0) 控制时钟为输出(DDB0 置位) 还是输入(DDB0 清零)。只有当USART 工作在同步模式时， XCK引脚激活。SPIMSTR INPUT 和SPI SLAVE OUTPUT构成了MISO信号，而MOSI可以分解为SPI MSTROUTPUT 和SPI SLAVE INPUT。端口C(PC7.PC0) ：端口C为8位双向I/O口，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，

45、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，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C的第二功能：表3-2 引脚功能表端口引脚第二功能PC7TOSC2(定时振荡器引脚2)PC6TOSC1(定时振荡器引脚1)PC5TDI(JTAG测试数据输入)PC4TDO(JTAG测试数据输出)PC3TMS(JTAG测试模式选择)PC2TCK(JTAG测试时钟)PC2SDA(两线串行总线数据输入/输出线)PC1SCL(两线串行总线时钟线

46、)第二功能配置如下： TOSC2 端口C, Bit 7TOSC2，定时振荡器引脚2：当寄存器ASSR的AS2位置1，使能T/C2的异步时钟，引脚PC7与端口断开，成为振荡器放大器的反向输出。在这种模式下，晶体振荡器与该引脚相联，该引脚不能作为I/O引脚。 TOSC1 端口C, Bit 6TOSC1，定时振荡器引脚1：当寄存器ASSR的AS2位置1，使能T/C2的异步时钟，引脚PC6与端口断开，成为振荡器放大器的反向输出。在这种模式下，晶体振荡器与该引脚相联，该引脚不能作为I/O引脚。 TDI 端口C, Bit 5TDI，JTAG测试数据输入：串行输入数据移入指令寄存器或数据寄存器(扫描链)。当JTAG接口使能，该引脚不能作为I/O引脚。 TDO 端口C, Bit 4TDO，JTAG测试数据输入：串行输入数据移入指令寄存器或数据寄存器(扫描链)。当JTAG接口