基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距電路的研究-畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)總說(shuō)明：.3</b></p><p>　　ABSTRACT:.5</p><p>　　第一章：超聲波測(cè)距原理論述7</p><p>　　1.1 超聲波介紹7</p><p>　　1.2 超聲波

2、測(cè)距系統(tǒng)概述9</p><p>　　1.3 超聲波測(cè)距的基本原理11</p><p>　　1.4 本課題的內(nèi)容和任務(wù)12</p><p>　　第二章 AVR單片機(jī)介紹13</p><p>　　2.1ATmega16結(jié)構(gòu)框圖16</p><p>　　2.2 AVR CPU 內(nèi)核19</p>&

3、lt;p>　　2.3 AVR ATmega16存儲(chǔ)器。19</p><p>　　2.4 AVR ATmega16系統(tǒng)時(shí)鐘19</p><p>　　2.5 系統(tǒng)控制和復(fù)位20</p><p>　　2.6 看門狗定時(shí)器20</p><p>　　2.7 ATmega16 的中斷向量（外部中斷）20</p><p&

4、gt;　　2.8 具有PWM功能的8位定時(shí)器/ 計(jì)時(shí)器21</p><p>　　2.9 比較輸出模式和波形產(chǎn)生22</p><p>　　2.10 T/C0 與T/C1 的預(yù)分頻器24</p><p>　　2.11 串行外設(shè)接口－ SPI24</p><p>　　2.12 串行外設(shè)接口－USART25</p><p

5、>　　2.13 模數(shù)轉(zhuǎn)換器25</p><p>　　2.14 JTAG 接口和片上調(diào)試系統(tǒng)26</p><p>　　第三章 硬件電路的設(shè)計(jì)26</p><p>　　3.1 電源電路設(shè)計(jì)26</p><p>　　3.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)27</p><p>　　3.3 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)27</p>

6、<p>　　3.4 數(shù)碼管顯示電路28</p><p>　　3.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)30</p><p>　　3.6 溫度補(bǔ)償電路31</p><p>　　3.6.1 溫度計(jì)算33</p><p>　　3.6.2 DSl820工作過(guò)程命令33</p><p>　　3.6.3時(shí) 序33</p&g

7、t;<p>　　3.6.4寫時(shí)間隙34</p><p>　　3.6.5讀時(shí)間隙34</p><p>　　3.6.6多路測(cè)量34</p><p>　　3.7在線通信電路設(shè)計(jì)35</p><p>　　第四章，超聲波發(fā)射電路及接收電路的設(shè)計(jì)36</p><p>　　4.1 超聲波發(fā)射電路36<

8、/p><p>　　4.1.1壓電陶瓷超聲波傳感器介紹36</p><p>　　4.1.2發(fā)射電路原理圖分析38</p><p>　　4.2 超聲波接收電路39</p><p>　　4.2.1 LC震蕩選頻電路設(shè)計(jì)：39</p><p>　　4.2.2比較電路的設(shè)計(jì)40</p><p>　　

9、4.2.3 接收電路原理圖分析40</p><p>　　第五章軟件設(shè)計(jì)43</p><p>　　5.1主程序流程圖43</p><p>　　5.2發(fā)射子程序設(shè)計(jì)44</p><p>　　5.3溫度測(cè)量子程序44</p><p>　　5.4測(cè)量子程序46</p><p>　　5.5計(jì)算

10、子程序46</p><p>　　5.6顯示驅(qū)動(dòng)子程序47</p><p>　　5.7報(bào)警子程序47</p><p>　　第六章 設(shè)計(jì)心得49</p><p><b>　　致 謝50</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)51</b></p>&

11、lt;p><b>　　附錄52</b></p><p>　　基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距電路的研究</p><p>　　設(shè)計(jì)總說(shuō)明：超聲波因其指向性強(qiáng),能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),而經(jīng)常用于進(jìn)行各種測(cè)量. 如利用超聲波在水中的發(fā)射,利用超聲波在固體中的傳播,可以用作金屬探傷、醫(yī)用A 超、B 超等. 利用超聲波測(cè)距,使用單片機(jī)系統(tǒng),設(shè)計(jì)合理,計(jì)算處理也較方

12、便,測(cè)量精度能達(dá)到各種場(chǎng)合使用的要求.</p><p>　　這篇應(yīng)用性設(shè)計(jì)報(bào)告描述了一種基于AVR ATMEGA16低功耗單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，本系統(tǒng)發(fā)射器對(duì)著一個(gè)物體發(fā)射一定頻率的超聲波同時(shí)接收同頻率的超聲波，單片機(jī)通過(guò)計(jì)算從超聲波發(fā)射時(shí)刻到接收返回的超聲波時(shí)刻從而確定超聲波通過(guò)的時(shí)間，根據(jù)房間的溫度來(lái)確定超聲波在空氣中的速度大概是340m/s , AVR單片機(jī)計(jì)算二者的距離同時(shí)用3個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)的LE

13、D來(lái)顯示，顯示距離誤差大概是±1cm，最小能測(cè)量時(shí)1cm同時(shí)局限于發(fā)射器的傳感器的設(shè)定時(shí)間，最大能測(cè)量4m，超聲波測(cè)距發(fā)射距離決定與發(fā)射物的材質(zhì)和形狀，例如超聲波可能被地毯吸收，這樣測(cè)量的距離就大大的降低，假如反射波接收的頻率太低就可能不被系統(tǒng)處理，這樣顯示就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。</p><p><b>　　1設(shè)計(jì)理論：</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)應(yīng)用基于聲

14、波的反射。聲波在其傳播的介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射；反射波稱為回聲。如果聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且測(cè)量到聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間，從聲源到目標(biāo)的距離就可以精確地計(jì)算出來(lái)。這就是本應(yīng)用的測(cè)量原理。這里聲波傳播的介質(zhì)就是空氣，采用不可見(jiàn)的超聲波。 假設(shè)室內(nèi)超聲波的速度是340m/s則可以通過(guò)計(jì)算超聲波通過(guò)時(shí)間來(lái)計(jì)算距離，但是實(shí)際溫度對(duì)超聲波影響很大，通過(guò)可以研究，速度和溫度（

15、T為絕對(duì)溫度）存在一下關(guān)系：</p><p>　　由于超聲波通過(guò)的距離是2倍的實(shí)際距離，則實(shí)際距離是d/2，所以</p><p><b>　　2 電路描述：</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)用來(lái)發(fā)射和接收超聲波的設(shè)備是40hz壓電陶瓷超聲波傳感器，AVR ATMEGA16單片機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器40hz的方波來(lái)源于晶振,波接收器接收回波 由于

16、AVR ATMEGA16單片機(jī)的計(jì)時(shí)器計(jì)算40khz的分辨率是25us 是完全勝任我們的設(shè)計(jì)，我們系統(tǒng)的穩(wěn)定性來(lái)源于晶振的工作。被超聲波接收器超聲波通過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器放大對(duì)輸入a放大，相對(duì)輸入a輸出超聲波的同時(shí)觸發(fā)單片機(jī)計(jì)時(shí)器timer1 ，捕獲的回波被精確計(jì)算時(shí)間來(lái)計(jì)算距離。計(jì)數(shù)器從超聲波發(fā)射開(kāi)始計(jì)時(shí)到收到回波停止，時(shí)間被精確記錄，我們可以通過(guò)DS18B20 芯片來(lái)確定室溫，精確的確定超聲波的速度，二者的距離通過(guò) AVR ATMEGA

17、16精確的計(jì)算同時(shí)在3個(gè)數(shù)碼管上顯示出來(lái)，一旦顯示出來(lái)，單片機(jī)就進(jìn)入休眠狀態(tài)來(lái)節(jié)省電力能源。這篇設(shè)計(jì)的主要電路分析。</p><p>　　傳感器的輸出驅(qū)動(dòng)電路直接由9V 電池供電并提供驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器由一個(gè)二進(jìn)制非門CD4049電路實(shí)現(xiàn)的。其中一個(gè)非門用來(lái)為驅(qū)動(dòng)器的一側(cè)提供180 度的相移信號(hào)。另一側(cè)由相內(nèi)信號(hào)驅(qū)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)使輸出端的電壓提高了一倍，為發(fā)射傳感器提供了足夠的電壓。兩個(gè)門并聯(lián)連接以便每一側(cè)能夠?yàn)閭鞲?/p>

18、器提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流。電容耦合阻斷了到傳感器的直流通路。因?yàn)镃D4049 工作于9V 而AVR ATMEGA16工作于Vcc=5V。 AVR ATMEGA16和輸出驅(qū)動(dòng)器之間的邏輯電平是不匹配的，可以雙極性晶體管就作為這兩種邏輯電平之間的轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　由LC選頻放大器對(duì)超聲波接收器接收的回波在40KHz 時(shí)提供充分的高增益。選擇并丟棄除了40KHz 之外的頻率。運(yùn)算放大器的輸出端連接到比較器LM3

19、93的輸入端。 比較器LM393 的參考電平內(nèi)部選擇為0V。當(dāng)接收到回聲時(shí)電壓高于參考電平從而觸發(fā)比較器的輸出。然后觸發(fā)單片機(jī)的INT0.</p><p>　　本文在了解超聲波測(cè)距原理的基礎(chǔ)上，完成了基于時(shí)差測(cè)距原理的一種超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，其中為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)測(cè)量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，在硬件上增加了溫度傳感器測(cè)溫電路，采取聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測(cè)量相結(jié)合的辦法對(duì)聲速進(jìn)行修正，降低了溫度變化對(duì)測(cè)距精度的影響。針對(duì)

20、噪聲環(huán)境中超聲波測(cè)距的情況，本文討論了一種基于時(shí)延的估計(jì)方法，可有效地降低噪聲對(duì)測(cè)距的干擾，有利于提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距 AVR atmega16 DS18B20 </p><p>　　ABSTRACT: In different occasions , the demands of the precision on ultrasoni

21、c distance measuring system are different .Usually , the error of the ultrasonic distance measuring system is large , so they cannot be satisfied with the demands in some occasions. This article takes temper A Ture accou

22、nt into the ult rasonic distance measuring system and makes it have higher precision han before and increases the function of broadcasting the result . It can apply in more occasions and be felt more con</p><p

23、>　　This design application report describes a distance-measuring system based on ultrasonic sound utilizing the AVR atmega16 ultralow-power microcontroller. The system transmits a burst of ultrasonic sound waves towar

24、ds the subject and then receives the corresponding echo. The time taken for the ultrasonic burst to travel the distance from the system to the subject and back to the system is accurately measured by the AVR atmega16. As

25、suming the speed of sound in air at room temperature to be 340m/s,</p><p>　　1 Theory of Operation </p><p>　　This application is based on the reflection of sound waves. Subjects whose Dimensions

26、are larger than the wavelength of the impinging sound waves reflect them; the reflected waves are called the echo. If the speed of sound in the medium is known and the time taken for the sound waves to travel the distanc

27、e from the source to the subject and back to the source is measured, the distance from the source to the subject can be computed accurately. This is the measurement principle of this application</p><p>　　The

28、 distance d is computed by the formula Since the sound waves travel twice the distance between the source and the subject, the actual distance between the source and the subject will be d/2.</p><p>　　2 Cir

29、cuit Description</p><p>　　The devices used to transmit and receive the ultrasonic sound waves in this application are 40-kHz ceramic ultrasonic transducers. AVR ATMEGA16 drives the transmitter transducer wit

30、h 40-kHz square-wave signal derived from the crystal oscillator, and the receiver transducer receives the echo. The Timer1in the AVR is configured to count the 40-kHz crystal frequency such that the time measurement reso

31、lution is 25 μs, which is more than adequate for this application. The measurement time base is ver</p><p>　　The output drive circuit for the transducer is powered directly from the 9-V battery and provides

32、drive to the ultrasonic transmitter. The is achieved by a bridge configuration with hex inverter gates CD4049. One inverter gate is used to provide a 180-degrees phase-shifted signal to one arm of the driver. The other a

33、rm is driven by the in-phase signal. This configuration doubles the voltage swing at the output and provides the required to the transmitter transducer. Two gates are connected in pa</p><p>　　Operational amp

34、lifier NPN is made of by Circuit ,This amplifier has a high-gain bandwidth and provides sufficiently high gain at 40 kHz. The amplified ultrasonic signal swings above and below this virtual midrail. provides selectivity

35、and rejection of unwanted frequencies other than 40kHz. The output of the operational amplifier is connected to the ComparatorLM393 input of the ATMEGA16 via port pin INT0. The Comparator LM393 reference is internally se

36、lected to be 0.5VCC. When no ultrasonic echo </p><p>　　Based on the comprehension of measuring distance principle by ultrasonic, the paper completes an hardware design which based on time difference measurin

37、g distance theory , In order to improve the measurement accuracy and system stability further, we add a temperature sensor in the hardware design and adopt the improved method which combines sound velocity presetting wit

38、h medium temperature measurement to mend the sound velocity. By this means, the influence of temperature variation on distance m</p><p>　　Keywords: distance-measuring system based on ultrasonic AVR atmega16

39、 DS18B20</p><p>　　第一章：超聲波測(cè)距原理論述</p><p><b>　　1.1 超聲波介紹</b></p><p>　　超聲波是指振動(dòng)頻率大于20KHz以上的，人在自然環(huán)境下無(wú)法聽(tīng)到和感受到的聲波。超聲波因其可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播，可傳遞很強(qiáng)的能量，產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，

40、可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學(xué)的變化，從而產(chǎn)生一系列力學(xué)的、熱學(xué)的、電磁學(xué)的和化學(xué)的超聲效應(yīng)，包括以下4種效應(yīng)： </p><p>　?、贆C(jī)械效應(yīng)。超聲波的機(jī)械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。當(dāng)超聲波流體介質(zhì)中形成駐波時(shí) ,懸浮在流體中的微小顆粒因受機(jī)械力的作用而凝聚在波節(jié)處，在空間形成周期性的堆積。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時(shí)，由于

41、超聲波的機(jī)械作用而引起的感生電極化和感生磁化（見(jiàn)電介質(zhì)物理學(xué)和磁致伸縮）。 </p><p>　　②空化作用。超聲波作用于液體時(shí)可產(chǎn)生大量小氣泡 。一個(gè)原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)的降低使原來(lái)溶于液體的氣體過(guò)飽和，而從液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體“撕開(kāi)”成一空洞，稱為空化?？斩磧?nèi)為液體蒸氣或溶于液體的另一種氣體，甚至可能是真空。因空化作用形成的小氣泡會(huì)隨周圍介質(zhì)的振動(dòng)而不斷運(yùn)動(dòng)

42、、長(zhǎng)大或突然破滅。破滅時(shí)周圍液體突然沖入氣泡而產(chǎn)生高溫、高壓，同時(shí)產(chǎn)生激波。與空化作用相伴隨的內(nèi)摩擦可形成電荷，并在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。在液體中進(jìn)行超聲處理的技術(shù)大多與空化作用有關(guān)。 ③熱效應(yīng)。由于超聲波頻率高，能量大，被介質(zhì)吸收時(shí)能產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)。 </p><p>　?、芑瘜W(xué)效應(yīng)。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學(xué)反應(yīng)。例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過(guò)氧化氫；溶有氮?dú)獾乃?jīng)超聲處理后產(chǎn)生

43、亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會(huì)變色或退色。這些現(xiàn)象的發(fā)生總與空化作用相伴隨。超聲波還可加速許多化學(xué)物質(zhì)的水解、分解和聚合過(guò)程。超聲波對(duì)光化學(xué)和電化學(xué)過(guò)程也有明顯影響。各種氨基酸和其他有機(jī)物質(zhì)的水溶液經(jīng)超聲處理后，特征吸收光譜帶消失而呈均勻的一般吸收，這表明空化作用使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變 。 </p><p>　　超聲應(yīng)用 超聲效應(yīng)已廣泛用于實(shí)際，主要有如下幾方面： </p><p>　　

44、①超聲檢驗(yàn)。超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過(guò)不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像技術(shù)。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù) 。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對(duì)聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號(hào)輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡

45、。超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用，在微電子器件制造業(yè)中用來(lái)對(duì)大規(guī)模集成電路進(jìn)行檢查，在材料科學(xué)中用來(lái)顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。聲全息術(shù)是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術(shù)，其原理與光波的全息術(shù)基本相同，只是記錄手段不同而已（見(jiàn)全息術(shù)）。用同一超聲信號(hào)源激勵(lì)兩個(gè)放置在液體中的換能器，它們分別發(fā)射兩束相干的超聲波：一束透過(guò)被研究的物體后成為物波，另一束作為參考波。物波和參考波在液面上相干疊加形

46、成聲全息圖，用激光束照射聲全息圖，利用激光在聲全息圖上反射時(shí)產(chǎn)生的衍射效應(yīng)而獲得物的重顯像，通常用攝像機(jī)和電視機(jī)作實(shí)時(shí)觀</p><p>　?、诔曁幚怼＠贸暤臋C(jī)械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)部門獲得了廣泛應(yīng)用。 </p><p>　?、刍A(chǔ)研究。超

47、聲波作用于介質(zhì)后，在介質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過(guò)程，聲弛豫過(guò)程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運(yùn)過(guò)程，并在宏觀上表現(xiàn)出對(duì)聲波的吸收（見(jiàn)聲波）。通過(guò)物質(zhì)對(duì)超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。普通聲波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于固體中的原子間距，在此條件下固體可當(dāng)作連續(xù)介質(zhì) 。但對(duì)頻率在1012赫茲以上的特超聲波 ，波長(zhǎng)可與固體中的原子間距相比擬，此時(shí)必須把固體當(dāng)作是具有空間周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。點(diǎn)陣振動(dòng)的能量是量子化的 ，稱為聲

48、子（見(jiàn)固體物理學(xué)）。特超聲對(duì)固體的作用可歸結(jié)為特超聲與熱聲子、電子、光子和各種準(zhǔn)粒子的相互作用。對(duì)固體中特超聲的產(chǎn)生、檢測(cè)和傳播規(guī)律的研究，以及量子液體——液態(tài)氦中聲現(xiàn)象的研究構(gòu)成了近代聲學(xué)的新領(lǐng)域。</p><p>　　人類直到第一次世界大戰(zhàn)才學(xué)會(huì)利用超聲波，這就是利用“聲吶”的原理來(lái)探測(cè)水中目標(biāo)及其狀態(tài)，如潛艇的位置等。此時(shí)人們向水中發(fā)出一系列不同頻率的超聲波，然后記錄與處理反射回聲，從回聲的特征我們便可以估

49、計(jì)出探測(cè)物的距離、形態(tài)及其動(dòng)態(tài)改變。醫(yī)學(xué)上最早利用超聲波是在1942年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲技術(shù)掃描腦部結(jié)構(gòu)；以后到了60年代醫(yī)生們開(kāi)始將超聲波應(yīng)用于腹部器官的探測(cè)。如今超聲波掃描技術(shù)已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷不可缺少的工具。作為一種成熟的技術(shù)，超聲波的應(yīng)用已經(jīng)走進(jìn)人類息息相關(guān)的生活中，是為不可或缺的工具。</p><p>　　1.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)概述 </p><p>　　當(dāng)今社會(huì)科技日

50、益發(fā)展，自動(dòng)化控制在很多很多產(chǎn)業(yè)得到了全面的應(yīng)用，自動(dòng)化的測(cè)量方法也成了一個(gè)重要的方面，測(cè)量方法有很多種，例如紅外測(cè)距，超聲波測(cè)距等都得到了很好的應(yīng)用，在科學(xué)研究工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到非接觸測(cè)量距離的問(wèn)題。利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些沒(méi)有目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽(tīng)到的超聲波（20KHZ以上的機(jī)械波），借助空氣媒介傳波，由障礙物反射回來(lái)的時(shí)間間隔長(zhǎng)短與被發(fā)射的超聲波的強(qiáng)弱判斷障礙物性質(zhì)或

51、障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對(duì)于光速來(lái)說(shuō)要小的多，其傳波時(shí)間就比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類利用仿真技能進(jìn)行超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)、光電開(kāi)關(guān)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法，在日常生活中具有廣泛的用途。例如：用人造超聲源在海水里發(fā)射，由回射超聲波進(jìn)行探測(cè)海洋潛艇位置、 魚群以及確定海底的暗礁等障礙物形狀及遠(yuǎn)近。利用人造超聲波在固體里傳播的時(shí)間確定物體的長(zhǎng)度以及超聲波在固

52、體里遇到障礙物界面上的反射波來(lái)確定物體內(nèi)部損傷（如裂縫、氣孔及雜質(zhì)等）位置，即無(wú)損探傷。在現(xiàn)代社會(huì)中，超聲</p><p>　　在日常車道保障與維護(hù)過(guò)程中，工程車、充氣車、電源車、加油車等諸多車輛常常需要在停車坪附近穿行、掉頭或倒車。由于這些低速行駛的車輛之間非常接近，駕駛員的視野頗受限制，碰撞事故時(shí)有發(fā)生，在夜晚時(shí)則更顯突出。利用超聲波測(cè)距系統(tǒng)，可以有效地提高車輛在保障和維護(hù)過(guò)程中的安全性和可靠性。隨著生活水平

53、的不斷提高，汽車進(jìn)入家庭的消費(fèi)意識(shí)的不斷增強(qiáng)。中國(guó)城市汽車的保有量迅速增加。隨之而來(lái)的是交通事故與日俱增，城市里尤其突出。發(fā)展智能交通系統(tǒng)是二十一世紀(jì)交通運(yùn)輸?shù)闹匾l(fā)展方向。智能交通系統(tǒng)在充分發(fā)揮現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的潛力，提高運(yùn)輸效率。保障交通安全，緩解交通堵塞，改善城市環(huán)境等方面的卓越效能，已得到各級(jí)政府的廣泛關(guān)注。我國(guó)政府也開(kāi)始高度重視智能交通系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)與推廣應(yīng)用。因此智能型的測(cè)距系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用與汽車領(lǐng)域?qū)⑵鸬椒浅４蟮淖饔?，將有效地?/p>

54、解交通壓力，減少交通事故的發(fā)生率。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的應(yīng)用不僅僅大大減輕了測(cè)距人員的工作強(qiáng)度，對(duì)許多常規(guī)測(cè)量所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)進(jìn)行因能進(jìn)行有效地測(cè)量，進(jìn)一步擴(kuò)大了測(cè)量的廣度，而且超聲波測(cè)量本身具有很高的測(cè)量精度，因此對(duì)精度的提高也起到了一定的作用。 智能型超聲波測(cè)距系統(tǒng)是進(jìn)行</p><p>　　本文旨在設(shè)計(jì)一種能對(duì)中近距離障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的測(cè)距裝置，它能對(duì)障礙物進(jìn)行適時(shí)、適量的測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用。 目前對(duì)于超聲

55、波精確測(cè)距的需求也越來(lái)越大，如油庫(kù)和水箱液面的精確測(cè)量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測(cè)和機(jī)械內(nèi)部損傷的檢測(cè)等。在機(jī)械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛地應(yīng)用。此外，在材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。</p><p>　　1.3 超聲波測(cè)距的基本原理</p><p>　　超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波，具有波長(zhǎng)指向性好，反射強(qiáng)，傳播性極佳，強(qiáng)度隨距

56、離衰減等諸多優(yōu)點(diǎn)，為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)生器;如沒(méi)加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收轉(zhuǎn)換器，

57、但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳；同時(shí)為了方便處理，單片機(jī)發(fā)射的超聲波濾被調(diào)制成40kHz左右，具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。 超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先

58、測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就</p><p>　　同時(shí)利用單片機(jī)較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過(guò)的時(shí)間，提高了測(cè)量精確度。本設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要由聲波發(fā)射電路，回波接收電路以及溫度檢測(cè)電路，靈活性強(qiáng)，可靠性高，計(jì)算簡(jiǎn)單，成本低，易于做到實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)。得超聲波往返的時(shí)間t，即可求得距離,原理圖如1所示：</p><p>　　圖1單片機(jī)測(cè)距系統(tǒng)原理圖&

59、lt;/p><p>　　1.4 本課題的內(nèi)容和任務(wù)</p><p>　　本論文主要研究基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，分別對(duì)超聲波發(fā)生電路、回波接收電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)碼顯示電路、報(bào)警電路及系統(tǒng)設(shè)備的軟、硬件各個(gè)部分功能模塊進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)一種能夠在精確度在0.01m，測(cè)距在4m左右的模型，其主要內(nèi)容如下： </p><p>　　1、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) </p>

60、;<p>　　1） 根據(jù)測(cè)距技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)行超聲波測(cè)距系統(tǒng)的整體研究與設(shè)計(jì)。 </p><p>　　2） 針對(duì)溫度對(duì)超聲波傳播速度影響，測(cè)量環(huán)境溫度，確定超聲波傳播速度。 </p><p>　　3） 對(duì)超聲波發(fā)生電路進(jìn)行論證和設(shè)計(jì)，用于產(chǎn)生用于測(cè)量的超聲波。 </p><p>　　4） 對(duì)超聲波接收電路進(jìn)行論證和設(shè)計(jì)，用于接收反射回來(lái)的超聲波。 <

61、;/p><p>　　5） 單片機(jī)對(duì)對(duì)發(fā)送和接收波的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，用于計(jì)算有效距離。 </p><p>　　6） LED數(shù)碼顯示測(cè)量的距離值，以數(shù)字顯示的方式顯示測(cè)量的距離。</p><p>　　7） 當(dāng)測(cè)量之間的距離低于設(shè)定的最低值時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。 </p><p>　　2、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) </p><p>　　1

62、）系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)。 </p><p>　　2）溫度測(cè)量程序設(shè)計(jì)。</p><p>　　3）發(fā)送、接收子程序的設(shè)計(jì)。</p><p>　　4）LED顯示程序的設(shè)計(jì)。 </p><p>　　5）報(bào)警程序的設(shè)計(jì)。</p><p>　　第二章 AVR單片機(jī)介紹</p><p>　　AVR單片機(jī)是 At

63、mel 公司 1997 年推出的 RISC 單片機(jī)。RISC（精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）是相對(duì)于CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）而言的。RISC 并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是通過(guò)使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理而提高運(yùn)算速度的。RISC 優(yōu)先選取使用頻率最高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令：并固定指令寬度，減少指令格式和尋址方式的種類，從而縮短指令周期，提高運(yùn)行速度。由于 AVR 采用了 RESC 的這種結(jié)構(gòu)，使AVR系列單片機(jī)都具備了1MIPS/MHz（

64、百萬(wàn)條指令每秒/兆赫茲）的高速處理能力?！　VR單片機(jī)吸收了 DSP 雙總線的特點(diǎn)，采用 Harvard 總線結(jié)構(gòu)，因此單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分離的，并且可對(duì)具有相同地址的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行獨(dú)立的尋址?！　≡?AVR單片機(jī)中，CPU 執(zhí)行當(dāng)前指令時(shí)取出將要執(zhí)行的下一條指令放入寄存器中，從而可以避免傳統(tǒng) MCS51 系列單片機(jī)中多指令周期的出現(xiàn)。　　傳統(tǒng)的 MCS51 系列單片機(jī)所有的數(shù)據(jù)處理都是基于一個(gè)累加器的

65、，因此累加器與程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就成了單片機(jī)的瓶頸；在 AVR 單片機(jī)中，寄存器由</p><p><b>　　產(chǎn)品特性</b></p><p>　　—低功耗的 8 位AVR 微處理器</p><p>　　—先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)</p><p>　　—131 條指令 ，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期&l

66、t;/p><p>　　—32個(gè)8 位通用工作寄存器</p><p><b>　　—全靜態(tài)工作</b></p><p>　　—工作于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS</p><p>　　—只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器</p><p>　　—16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash</p>

67、<p>　　—擦寫壽命: 100,000 次</p><p>　　—可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密</p><p>　　—JTAG 接口( 與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容)</p><p>　　– 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能</p><p>　　– 通過(guò)JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、EEPROM編程</p>

68、<p><b>　　? 外設(shè)特點(diǎn)</b></p><p>　　– 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器</p><p>　　– 一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器</p><p>　　– 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC</p><p><b>　　

69、– 四通道PWM</b></p><p>　　– 8路10 位ADC</p><p>　　– 面向字節(jié)的兩線接口</p><p>　　– 兩個(gè)可編程的串行USART</p><p>　　– 可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的SPI 串行接口</p><p>　　– 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器</p

70、><p><b>　　– 片內(nèi)模擬比較器</b></p><p>　　? 特殊的處理器特點(diǎn)</p><p>　　– 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)</p><p>　　– 片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的RC 振蕩器</p><p>　　– 片內(nèi)/ 片外中斷源</p><p>　　6種睡眠模式:

71、空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式</p><p>　　– 32個(gè)可編程的I/O 口</p><p>　　– 40引腳PDIP 封裝</p><p><b>　　? 工作電壓:</b></p><p>　　– ATmega16：4.5 - 5.5V</p><p><b>

72、;　　? 速度等級(jí)</b></p><p>　　– 0 - 16 MHz ATmega16</p><p>　　? ATmega16L 在1 MHz, 3V, 25°C 時(shí)的功耗</p><p>　　– 正常模式: 1.1 mA</p><p>　　空閑模式: 0.35 mA</p><p>　　

73、ATmega16結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算數(shù)邏輯單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16 有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM

74、，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止CPU 和異步定時(shí)器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲； Standb

75、y 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力。</p><p>　　本芯片是以Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過(guò)ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運(yùn)行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)(Application Flas

76、h Memory)。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW 操作。 通過(guò)將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)。</p><p>　　圖2.1 ATmega16結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖2.2 Atmega 16封裝形式</p><p><b>

77、　　引腳說(shuō)明：</b></p><p>　　VCC 數(shù)字電路的電源 GND 地</p><p>　　端口A(PA7..PA0) 端口A 做為A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，端口A 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未

78、起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。</p><p>　　端口B(PB7..PB0) 端口B 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口C(PC7..PC0) </p><

79、p>　　端口C 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口C 處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能。端口D(PD7..PD0) <

80、/p><p>　　端口D為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口D 處于高阻狀態(tài)。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能。RESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過(guò)最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。</

81、p><p>　　XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。</p><p>　　XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。</p><p>　　AVCC AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時(shí)應(yīng)通過(guò)一個(gè)低通濾波器與VCC 連接。AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。</p><p>　　

82、2.2 AVR CPU 內(nèi)核</p><p>　　CPU 的主要任務(wù)是保證程序的正確執(zhí)行。因此它必須能夠訪問(wèn)存儲(chǔ)器、執(zhí)行運(yùn)算、控制外設(shè)以及處理中斷。為了獲得最高的性能以及并行性， AVR 采用了Harvard 結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲(chǔ)器里的指令通過(guò)一級(jí)流水線運(yùn)行。CPU 在執(zhí)行一條指令的同時(shí)讀取下一條指令。實(shí)現(xiàn)了指令的單時(shí)鐘周期運(yùn)行。程序存儲(chǔ)器是可以在線編程的FLASH?？焖僭L問(wèn)寄存器文件包括32

83、個(gè)8 位通用工作寄存器，訪問(wèn)時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期。從而實(shí)現(xiàn)了單時(shí)鐘周期的ALU 操作。</p><p>　　2.3 AVR ATmega16存儲(chǔ)器。</p><p>　　AVR 結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)主要的存儲(chǔ)器空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間和程序存儲(chǔ)器空間。此外ATmega16 還有EEPROM 存儲(chǔ)器以保存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 程序存儲(chǔ)器ATmega16具有16K字節(jié)的在線編程Flash，用于存放程

84、序指令代碼。因?yàn)樗械腁VR指令為16 位或32 位，故而Flash 組織成8K x 16 位的形式。用戶程序的安全性要根據(jù)Flash程序存儲(chǔ)器的兩個(gè)區(qū)：引導(dǎo)(Boot) 程序區(qū)和應(yīng)用程序區(qū)，分開(kāi)來(lái)考慮。Flash存儲(chǔ)器至少可以擦寫10,000次</p><p>　　2.4 AVR ATmega16系統(tǒng)時(shí)鐘</p><p>　　CPU時(shí)鐘與操作AVR內(nèi)核的子系統(tǒng)相連，如通用寄存器文件、狀態(tài)

85、寄存器及保存堆棧指針的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。終止CPU 時(shí)鐘將使內(nèi)核停止工作和計(jì)算。I/O 時(shí)鐘－ CLKI/O I/O時(shí)鐘用于主要的I/O 模塊，如定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器、SPI 和USART。I/O 時(shí)鐘還用于外部中斷模塊。要注意的是有些外部中斷由異步邏輯檢測(cè)，因此即使I/O 時(shí)鐘停止了這些中斷仍然可以得到監(jiān)控。此外 USI 模塊的起始條件檢測(cè)在沒(méi)有CLKI/O 的情況下也是異步實(shí)現(xiàn)的，使得這個(gè)功能在任何睡眠模式下都可以正常工作。Flash 時(shí)鐘－

86、 CLKFLASH Flash 時(shí)鐘控制Flash 接口的操作。此時(shí)鐘通常與CPU 時(shí)鐘同時(shí)掛起或激活。異步定時(shí)器時(shí)鐘－ CLKASY 異步定時(shí)器時(shí)鐘允許異步定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器與D 控制器直接由外部32 kHz 時(shí)鐘晶體驅(qū)動(dòng)。使得此定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器即使在睡眠模式下仍然可以為系統(tǒng)提供一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。ADC 時(shí)鐘－CLKADC ADC具有專門的時(shí)鐘。這樣可以在ADC工作的時(shí)候停止CPU和I/O時(shí)鐘以降低數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲，從而提高ADC 轉(zhuǎn)換精

87、度。在本設(shè)計(jì)中我們還要在下面電路設(shè)計(jì)中介紹。</p><p>　　2.5 系統(tǒng)控制和復(fù)位</p><p>　　復(fù)位時(shí)所有的I/O 寄存器都被設(shè)置為初始值，程序從復(fù)位向量處開(kāi)始執(zhí)行。復(fù)位向量處的指令必須是絕對(duì)跳轉(zhuǎn)JMP 指令，以使程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位處理例程。如果程序永遠(yuǎn)不利用中斷功能，中斷向量可以由一般的程序代碼所覆蓋。所有的復(fù)位信號(hào)消失之后，芯片內(nèi)部的一個(gè)延遲計(jì)數(shù)器被激活，將內(nèi)部復(fù)位的時(shí)間延長(zhǎng)

88、。這種處理方式使得在MCU 正常工作之前有一定的時(shí)間讓電源達(dá)到穩(wěn)定的電平。所有的復(fù)位信號(hào)消失之后，芯片內(nèi)部的一個(gè)延遲計(jì)數(shù)器被激活，將內(nèi)部復(fù)位的時(shí)間延長(zhǎng)。這種處理方式使得在MCU 正常工作之前有一定的時(shí)間讓電源達(dá)到穩(wěn)定的電平，復(fù)位源ATmega16 有5個(gè)復(fù)位源：</p><p>　　? 上電復(fù)位。電源電壓低于上電復(fù)位門限時(shí)， MCU 復(fù)位。</p><p>　　? 外部復(fù)位。引腳 RESE

89、T 上的低電平持續(xù)時(shí)間大于最小脈沖寬度時(shí)MCU 復(fù)位。</p><p>　　? 看門狗復(fù)位?？撮T狗使能并且看門狗定時(shí)器溢出時(shí)復(fù)位發(fā)生。</p><p>　　? 掉電檢測(cè)復(fù)位。掉電檢測(cè)復(fù)位功能使能，且電源電壓低于掉電檢測(cè)復(fù)位門限 VBOT 時(shí)MCU 即復(fù)位。</p><p>　　? JTAG AVR復(fù)位。復(fù)位寄存器為1時(shí)MCU復(fù)位</p><p&g

90、t;　　2.6 看門狗定時(shí)器</p><p>　　為了防止軟件程序跑飛了，我們?cè)谝恍┲匾膱?chǎng)合都要加看門狗定時(shí)器使得單片機(jī)能穩(wěn)定工作，看門狗定時(shí)器由獨(dú)立的1 Mhz 片內(nèi)振蕩器驅(qū)動(dòng)。這是VCC = 5V 時(shí)的典型值。通過(guò)設(shè)置看門狗定時(shí)器的預(yù)分頻器可以調(diào)節(jié)看門狗復(fù)位的時(shí)間間隔，看門狗復(fù)位指令WDR 用來(lái)復(fù)位看門狗定時(shí)器。如果沒(méi)有及時(shí)復(fù)位定時(shí)器，一旦時(shí)間超過(guò)復(fù)位周期， ATmega16 就復(fù)位，并執(zhí)行復(fù)位向量指向的程

91、序。為了防止無(wú)意之間禁止看門狗定時(shí)器，在看門狗禁用后必須跟一個(gè)特定的修改，由于本設(shè)計(jì)程序簡(jiǎn)單，沒(méi)有大量運(yùn)算或浮點(diǎn)運(yùn)算，所以可以不采用看門狗程序。</p><p>　　2.7 ATmega16 的中斷向量（外部中斷）</p><p>　　外部中斷通過(guò)引腳INT0、INT1 與INT2 觸發(fā)。只要使能了中斷，即使引腳INT0-2 配置為輸出，只要電平發(fā)生了合適的變化，中斷也會(huì)觸發(fā)。這個(gè)特點(diǎn)可以

92、用來(lái)產(chǎn)生軟件中斷。通過(guò)設(shè)置MCU 控制寄存器MCUCR 與MCU 控制與狀態(tài)寄存器MCUCSR，中斷可以由下降沿、上升沿，或者是低電平觸發(fā)(INT2 為邊沿觸發(fā)中斷)。當(dāng)外部中斷使能并且配置為電平觸發(fā)( INT0/INT1)，只要引腳電平為低，中斷就會(huì)產(chǎn)生。若要求INT0 與INT1 在信號(hào)下降沿或上升沿觸發(fā)， I/O 時(shí)鐘必須工作。INT0/INT1的中斷條件檢測(cè)INT2 則是異步的。I/O 端口 作為通用數(shù)字I/O 使用時(shí)，所有AV

93、R I/O 端口都具有真正的讀- 修改- 寫功能。輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)能力，可以輸出或吸收大電流，直接驅(qū)動(dòng)LED。所有的端口引腳都具有與電壓無(wú)關(guān)的上拉電阻。并有保護(hù)二極管與VCC 和地相連。</p><p>　　2.8 具有PWM功能的8位定時(shí)器/ 計(jì)時(shí)器</p><p>　　T/C 是一個(gè)通用的單通道8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器模塊。其主要特點(diǎn)如下：</p><p>

94、;<b>　　? 單通道計(jì)數(shù)器</b></p><p>　　? 比較匹配發(fā)生時(shí)清除定時(shí)器( 自動(dòng)加載)</p><p>　　? 無(wú)干擾脈沖，相位正確的PWM</p><p><b>　　? 頻率發(fā)生器</b></p><p><b>　　? 外部事件計(jì)數(shù)器</b></p&

95、gt;<p>　　? 10 位的時(shí)鐘預(yù)分頻器</p><p>　　? 溢出和比較匹配中斷源 (TOV0 和 OCF0)</p><p>　　T/C 可以由內(nèi)部同步時(shí)鐘或外部異步時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。時(shí)鐘源是由時(shí)鐘選擇邏輯決定的，而時(shí)鐘選擇邏輯是由位于T/C 控制寄存器TCCR0 的時(shí)鐘選擇位CS02:0 控制的根據(jù)不同的工作模式，計(jì)數(shù)器針對(duì)每一個(gè)CLKT0 實(shí)現(xiàn)清零、加一或減一操作。CL

96、KT0 可以由內(nèi)部時(shí)鐘源或外部時(shí)鐘源產(chǎn)生，具體由時(shí)鐘選擇位CS02:0 確定。沒(méi)有選擇時(shí)鐘源時(shí)(CS02:0 = 0) 定時(shí)器即停止。但是不管有沒(méi)有CLKT0，CPU 都可以訪問(wèn)TCNT0。CPU 寫操作比計(jì)數(shù)器其他操作( 如清零、加減操作) 的優(yōu)先級(jí)高。計(jì)數(shù)序列由T/C 控制寄存器 (TCCR0) 的WGM01 和WGM00 決定。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)行為與輸出比較OC0 的波形有緊密的關(guān)系。T/C溢出中斷標(biāo)志TOV0根據(jù)WGM01:0 設(shè)定的

97、工作模式來(lái)設(shè)置。TOV0可以用于產(chǎn)生CPU中斷。輸出比較單元8位比較器持續(xù)對(duì)TCNT0和輸出比較寄存器OCR0進(jìn)行比較。一旦TCNT0等于OCR0，比較器就給出匹配信號(hào)。在匹配發(fā)生的下一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期輸出比較標(biāo)志OCF0 置位。若此時(shí)OCIE0 = 1 且SREG 的全局中斷標(biāo)志I 置位，CPU 將產(chǎn)生輸出比較中斷。執(zhí)</p><p>　　2.9 比較輸出模式和波形產(chǎn)生</p><p>

98、　　波形發(fā)生器利用COM01:0 的方法在普通模式、CTC 模式和PWM 模式下有所區(qū)別。對(duì)于所有的模式，設(shè)置COM01:0 = 0 表明比較匹配發(fā)生時(shí)波形發(fā)生器不會(huì)操作OC0 寄存器。非PWM模式的比較輸出，快速PWM的比較輸出和相位修正PWM 的比較輸出是不同的我們需要特別注意。改變COM01:0 將影響寫入數(shù)據(jù)后的第一次比較匹配。對(duì)于非PWM 模式，可以通過(guò)使用FOC0 來(lái)立即產(chǎn)生效果。</p><p>　

99、　在普通模式下，TOV0 標(biāo)志的置位發(fā)生在計(jì)數(shù)器從MAX 變?yōu)?x00 的定時(shí)器時(shí)鐘周期。快速PWM 模式(WGM01:0 = 3) 可用來(lái)產(chǎn)生高頻的PWM波形?？焖貾WM模式與其他PWM模式的不同之處是其單斜坡工作方式。計(jì)數(shù)器從BOTTOM計(jì)到MAX，然后立即回到BOTTOM重新開(kāi)始。對(duì)于普通的比較輸出模式，輸出比較引腳OC0在TCNT0與OCR0匹配時(shí)清零，在BOTTOM 時(shí)置位；對(duì)于反向比較輸出模式， OC0 的動(dòng)作正好相反。由于

100、使用了單斜坡模式，快速PWM 模式的工作頻率比使用雙斜坡的相位修正PWM 模式高一倍。此高頻操作特性使得快速PWM 模式十分適合于功率調(diào)節(jié)，整流和DAC 應(yīng)用。高頻可以減小外部元器件( 電感，電容) 的物理尺寸，從而降低系統(tǒng)成本。工作于快速PWM 模式時(shí)，計(jì)數(shù)器的數(shù)值一直增加到MAX，然后在后面的一個(gè)時(shí)鐘周期清零。在本設(shè)計(jì)中為了產(chǎn)生40khz的超聲波，我們可以通過(guò)設(shè)置單片機(jī)波形發(fā)生器產(chǎn)生40khz占空比時(shí) 50% 的方波。為此我們須對(duì)產(chǎn)

101、生波形進(jìn)行對(duì)比，更好產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的波形。程序如下：</p><p>　　圖2.3 T/C0的CTC 模式的時(shí)序圖</p><p>　　為了在CTC 模式下得到波形輸出，可以設(shè)置OC0 在每次比較匹配發(fā)生時(shí)改變邏輯電平。這可以通過(guò)設(shè)置COM01:0 = 1 來(lái)完成。在期望獲得OC0 輸出之前，首先要將其端口設(shè)置為輸出。波形發(fā)生器能夠產(chǎn)生的最大頻率為fOC0 = fclk_I/O/2 (OCR0

102、= 0x00)。頻率由如下公式確定：</p><p>　　變量N 代表預(yù)分頻因子(1、8、64、或1024)。</p><p>　　圖2.4 T/C0的快速PWM 模式時(shí)序圖</p><p>　　工作于快速PWM 模式時(shí)，比較單元可以在OC0 引腳上輸出PWM 波形。設(shè)置COM01:0為2 可以產(chǎn)生普通的PWM 信號(hào)；為3 則可以產(chǎn)生反向PWM 波形，要想在引腳上得

103、到輸出信號(hào)還必須將OC0 的數(shù)據(jù)方向設(shè)置為輸出。產(chǎn)生PWM 波形的機(jī)理是OC0 寄存器在OCR0 與TCNT0 匹配時(shí)置位( 或清零)，以及在計(jì)數(shù)器清零( 從MAX變?yōu)锽OTTOM) 的那一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期清零( 或置位)。輸出的PWM 頻率可以通過(guò)如下公式計(jì)算得到</p><p>　　變量N 代表分頻因子(1、 8、 64、 256 或1024)</p><p>　　工作于相位修正PWM

104、 模式時(shí)，比較單元可以在OC0 引腳產(chǎn)生PWM 波形：將COM01:0設(shè)置為2 產(chǎn)生普通相位的PWM，設(shè)置COM01:0 為3 產(chǎn)生反向PWM信號(hào)。要想在引腳上得到輸出信號(hào)還必須將OC0 的數(shù)據(jù)方向設(shè)置為輸出。OCR0和 TCNT0比較匹配發(fā)生時(shí)OC0 寄存器將產(chǎn)生相應(yīng)的清零或置位操作，從而產(chǎn)生PWM 波形。工作于相位修正模式時(shí)PWM 頻率可由下式公式獲得：</p><p>　　變量N 表示預(yù)分頻因子 (1、 8

105、、 64、256 或1024)。</p><p>　　圖2.5 T/C0的相位修正PWM 模式的時(shí)序</p><p>　　2.10 T/C0 與T/C1 的預(yù)分頻器</p><p>　　T/C1 與T/C0 共用一個(gè)預(yù)分頻模塊，但它們可以有不同的分頻設(shè)置。下述內(nèi)容適用于T/C1與T/C0。內(nèi)部時(shí)鐘源當(dāng)CSn2:0 = 1 時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘直接作為T/C 的時(shí)鐘源，這

106、也是T/C 最高頻率的時(shí)鐘源F-CLK_I/O，與系統(tǒng)時(shí)鐘頻率相同。預(yù)分頻器可以輸出4個(gè)不同的時(shí)鐘信號(hào)fCLK_I/O/8、fCLK_I/O/64、 fCLK_I/O/256 或 fCLK_I/O/1024。分頻器復(fù)位預(yù)分頻器是獨(dú)立運(yùn)行的。也就是說(shuō)，其操作獨(dú)立于T/C 的時(shí)鐘選擇邏輯，且它由T/C1 與T/C0 共享。由于預(yù)分頻器不受T/C 時(shí)鐘選擇的影響，預(yù)分頻器的狀態(tài)需要包含預(yù)分頻時(shí)鐘被用到何處這樣的信息。一個(gè)典型的例子發(fā)生在定時(shí)