基于單片機的超聲波測距電路的研究-畢業(yè)論文設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　設計總說明：.3</b></p><p>　　ABSTRACT:.5</p><p>　　第一章：超聲波測距原理論述7</p><p>　　1.1 超聲波介紹7</p><p>　　1.2 超聲波

2、測距系統(tǒng)概述9</p><p>　　1.3 超聲波測距的基本原理11</p><p>　　1.4 本課題的內容和任務12</p><p>　　第二章 AVR單片機介紹13</p><p>　　2.1ATmega16結構框圖16</p><p>　　2.2 AVR CPU 內核19</p>&

3、lt;p>　　2.3 AVR ATmega16存儲器。19</p><p>　　2.4 AVR ATmega16系統(tǒng)時鐘19</p><p>　　2.5 系統(tǒng)控制和復位20</p><p>　　2.6 看門狗定時器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位定時器/ 計時器21</p><p>　　2.9 比較輸出模式和波形產生22</p><p>　　2.10 T/C0 與T/C1 的預分頻器24</p><p>　　2.11 串行外設接口－ SPI24</p><p>　　2.12 串行外設接口－USART25</p><p

5、>　　2.13 模數(shù)轉換器25</p><p>　　2.14 JTAG 接口和片上調試系統(tǒng)26</p><p>　　第三章 硬件電路的設計26</p><p>　　3.1 電源電路設計26</p><p>　　3.2 復位電路設計27</p><p>　　3.3 時鐘電路設計27</p>

6、<p>　　3.4 數(shù)碼管顯示電路28</p><p>　　3.5 報警電路設計30</p><p>　　3.6 溫度補償電路31</p><p>　　3.6.1 溫度計算33</p><p>　　3.6.2 DSl820工作過程命令33</p><p>　　3.6.3時 序33</p&g

7、t;<p>　　3.6.4寫時間隙34</p><p>　　3.6.5讀時間隙34</p><p>　　3.6.6多路測量34</p><p>　　3.7在線通信電路設計35</p><p>　　第四章，超聲波發(fā)射電路及接收電路的設計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震蕩選頻電路設計：39</p><p>　　4.2.2比較電路的設計40</p><p>　　

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

10、子程序46</p><p>　　5.6顯示驅動子程序47</p><p>　　5.7報警子程序47</p><p>　　第六章 設計心得49</p><p><b>　　致 謝50</b></p><p><b>　　參考文獻51</b></p>&

11、lt;p><b>　　附錄52</b></p><p>　　基于單片機的超聲波測距電路的研究</p><p>　　設計總說明：超聲波因其指向性強,能量消耗緩慢,在介質中傳播距離遠等特點,而經常用于進行各種測量. 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. 利用超聲波測距,使用單片機系統(tǒng),設計合理,計算處理也較方

12、便,測量精度能達到各種場合使用的要求.</p><p>　　這篇應用性設計報告描述了一種基于AVR ATMEGA16低功耗單片機的超聲波測距系統(tǒng)，本系統(tǒng)發(fā)射器對著一個物體發(fā)射一定頻率的超聲波同時接收同頻率的超聲波，單片機通過計算從超聲波發(fā)射時刻到接收返回的超聲波時刻從而確定超聲波通過的時間，根據(jù)房間的溫度來確定超聲波在空氣中的速度大概是340m/s , AVR單片機計算二者的距離同時用3個LED驅動電路驅動的LE

13、D來顯示，顯示距離誤差大概是±1cm，最小能測量時1cm同時局限于發(fā)射器的傳感器的設定時間，最大能測量4m，超聲波測距發(fā)射距離決定與發(fā)射物的材質和形狀，例如超聲波可能被地毯吸收，這樣測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，這樣顯示就會出現(xiàn)錯誤。</p><p><b>　　1設計理論：</b></p><p>　　本設計應用基于聲

14、波的反射。聲波在其傳播的介質中被定義為縱波。當聲波受到尺寸大于其波長的目標物阻擋時就會發(fā)生反射；反射波稱為回聲。如果聲波在介質中傳播的速度是已知的，而且測量到聲波從聲源到達目標然后返回聲源的時間，從聲源到目標的距離就可以精確地計算出來。這就是本應用的測量原理。這里聲波傳播的介質就是空氣，采用不可見的超聲波。 假設室內超聲波的速度是340m/s則可以通過計算超聲波通過時間來計算距離，但是實際溫度對超聲波影響很大，通過可以研究，速度和溫度（

15、T為絕對溫度）存在一下關系：</p><p>　　由于超聲波通過的距離是2倍的實際距離，則實際距離是d/2，所以</p><p><b>　　2 電路描述：</b></p><p>　　本設計用來發(fā)射和接收超聲波的設備是40hz壓電陶瓷超聲波傳感器，AVR ATMEGA16單片機驅動超聲波發(fā)射器40hz的方波來源于晶振,波接收器接收回波 由于

16、AVR ATMEGA16單片機的計時器計算40khz的分辨率是25us 是完全勝任我們的設計，我們系統(tǒng)的穩(wěn)定性來源于晶振的工作。被超聲波接收器超聲波通過一個運算放大器放大對輸入a放大，相對輸入a輸出超聲波的同時觸發(fā)單片機計時器timer1 ，捕獲的回波被精確計算時間來計算距離。計數(shù)器從超聲波發(fā)射開始計時到收到回波停止，時間被精確記錄，我們可以通過DS18B20 芯片來確定室溫，精確的確定超聲波的速度，二者的距離通過 AVR ATMEGA

17、16精確的計算同時在3個數(shù)碼管上顯示出來，一旦顯示出來，單片機就進入休眠狀態(tài)來節(jié)省電力能源。這篇設計的主要電路分析。</p><p>　　傳感器的輸出驅動電路直接由9V 電池供電并提供驅動超聲波發(fā)射器由一個二進制非門CD4049電路實現(xiàn)的。其中一個非門用來為驅動器的一側提供180 度的相移信號。另一側由相內信號驅動。這種結構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。兩個門并聯(lián)連接以便每一側能夠為傳感

18、器提供足夠的驅動電流。電容耦合阻斷了到傳感器的直流通路。因為CD4049 工作于9V 而AVR ATMEGA16工作于Vcc=5V。 AVR ATMEGA16和輸出驅動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換器。</p><p>　　由LC選頻放大器對超聲波接收器接收的回波在40KHz 時提供充分的高增益。選擇并丟棄除了40KHz 之外的頻率。運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 的參考電平內部選擇為0V。當接收到回聲時電壓高于參考電平從而觸發(fā)比較器的輸出。然后觸發(fā)單片機的INT0.</p><p>　　本文在了解超聲波測距原理的基礎上，完成了基于時差測距原理的一種超聲波測距系統(tǒng)的硬件設計，其中為了進一步提高系統(tǒng)測量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，在硬件上增加了溫度傳感器測溫電路，采取聲速預置和媒質溫度測量相結合的辦法對聲速進行修正，降低了溫度變化對測距精度的影響。針對

20、噪聲環(huán)境中超聲波測距的情況，本文討論了一種基于時延的估計方法，可有效地降低噪聲對測距的干擾，有利于提高超聲波測距系統(tǒng)的測量精度。</p><p>　　關鍵詞：超聲波測距 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>　　超聲波是指振動頻率大于20KHz以上的，人在自然環(huán)境下無法聽到和感受到的聲波。超聲波因其可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播，可傳遞很強的能量，產生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。在液體介質中傳播時，

40、可在界面上產生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。由于超聲波與介質的相互作用，使介質發(fā)生物理的和化學的變化，從而產生一系列力學的、熱學的、電磁學的和化學的超聲效應，包括以下4種效應： </p><p>　?、贆C械效應。超聲波的機械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。當超聲波流體介質中形成駐波時 ,懸浮在流體中的微小顆粒因受機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，由于

41、超聲波的機械作用而引起的感生電極化和感生磁化（見電介質物理學和磁致伸縮）。 </p><p>　?、诳栈饔?。超聲波作用于液體時可產生大量小氣泡 。一個原因是液體內局部出現(xiàn)拉應力而形成負壓，壓強的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，而從液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強大的拉應力把液體“撕開”成一空洞，稱為空化?？斩磧葹橐后w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隨周圍介質的振動而不斷運動

42、、長大或突然破滅。破滅時周圍液體突然沖入氣泡而產生高溫、高壓，同時產生激波。與空化作用相伴隨的內摩擦可形成電荷，并在氣泡內因放電而產生發(fā)光現(xiàn)象。在液體中進行超聲處理的技術大多與空化作用有關。 ③熱效應。由于超聲波頻率高，能量大，被介質吸收時能產生顯著的熱效應。 </p><p>　?、芑瘜W效應。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學反應。例如純的蒸餾水經超聲處理后產生過氧化氫；溶有氮氣的水經超聲處理后產生

43、亞硝酸；染料的水溶液經超聲處理后會變色或退色。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物質的水解、分解和聚合過程。超聲波對光化學和電化學過程也有明顯影響。各種氨基酸和其他有機物質的水溶液經超聲處理后，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構發(fā)生了改變 。 </p><p>　　超聲應用 超聲效應已廣泛用于實際，主要有如下幾方面： </p><p>　　

44、①超聲檢驗。超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內部形象的技術 。把從換能器發(fā)出的超聲波經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（如對聲波的反射、吸收和散射的能力），經聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號輸入放大器，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、。超聲成像技術已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應用，在微電子器件制造業(yè)中用來對大規(guī)模集成電路進行檢查，在材料科學中用來顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。聲全息術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，其原理與光波的全息術基本相同，只是記錄手段不同而已（見全息術）。用同一超聲信號源激勵兩個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產生的衍射效應而獲得物的重顯像，通常用攝像機和電視機作實時觀</p><p>　　②超聲處理。利用超聲的機械作用、空化作用、熱效應和化學效應，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等，在工礦業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應用。 </p><p>　　③基礎研究。超

47、聲波作用于介質后，在介質中產生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運過程，并在宏觀上表現(xiàn)出對聲波的吸收（見聲波）。通過物質對超聲的吸收規(guī)律可探索物質的特性和結構，這方面的研究構成了分子聲學這一聲學分支。普通聲波的波長遠大于固體中的原子間距，在此條件下固體可當作連續(xù)介質 。但對頻率在1012赫茲以上的特超聲波 ，波長可與固體中的原子間距相比擬，此時必須把固體當作是具有空間周期性的點陣結構。點陣振動的能量是量子化的 ，稱為聲

48、子（見固體物理學）。特超聲對固體的作用可歸結為特超聲與熱聲子、電子、光子和各種準粒子的相互作用。對固體中特超聲的產生、檢測和傳播規(guī)律的研究，以及量子液體——液態(tài)氦中聲現(xiàn)象的研究構成了近代聲學的新領域。</p><p>　　人類直到第一次世界大戰(zhàn)才學會利用超聲波，這就是利用“聲吶”的原理來探測水中目標及其狀態(tài)，如潛艇的位置等。此時人們向水中發(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、計出探測物的距離、形態(tài)及其動態(tài)改變。醫(yī)學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掃描腦部結構；以后到了60年代醫(yī)生們開始將超聲波應用于腹部器官的探測。如今超聲波掃描技術已成為現(xiàn)代醫(yī)學診斷不可缺少的工具。作為一種成熟的技術，超聲波的應用已經走進人類息息相關的生活中，是為不可或缺的工具。</p><p>　　1.2 超聲波測距系統(tǒng)概述 </p><p>　　當今社會科技日

50、益發(fā)展，自動化控制在很多很多產業(yè)得到了全面的應用，自動化的測量方法也成了一個重要的方面，測量方法有很多種，例如紅外測距，超聲波測距等都得到了很好的應用，在科學研究工程實踐中，經常會遇到非接觸測量距離的問題。利用超聲波作為定位技術是蝙蝠等一些沒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)射不被人們聽到的超聲波（20KHZ以上的機械波），借助空氣媒介傳波，由障礙物反射回來的時間間隔長短與被發(fā)射的超聲波的強弱判斷障礙物性質或

51、障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對于光速來說要小的多，其傳波時間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制，因而人類利用仿真技能進行超聲波測距。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計數(shù)、光電開關相結合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法，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，由回射超聲波進行探測海洋潛艇位置、 魚群以及確定海底的暗礁等障礙物形狀及遠近。利用人造超聲波在固體里傳播的時間確定物體的長度以及超聲波在固

52、體里遇到障礙物界面上的反射波來確定物體內部損傷（如裂縫、氣孔及雜質等）位置，即無損探傷。在現(xiàn)代社會中，超聲</p><p>　　在日常車道保障與維護過程中，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，碰撞事故時有發(fā)生，在夜晚時則更顯突出。利用超聲波測距系統(tǒng)，可以有效地提高車輛在保障和維護過程中的安全性和可靠性。隨著生活水平

53、的不斷提高，汽車進入家庭的消費意識的不斷增強。中國城市汽車的保有量迅速增加。隨之而來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)是二十一世紀交通運輸?shù)闹匾l(fā)展方向。智能交通系統(tǒng)在充分發(fā)揮現(xiàn)有基礎設施的潛力，提高運輸效率。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，已得到各級政府的廣泛關注。我國政府也開始高度重視智能交通系統(tǒng)的研究開發(fā)與推廣應用。因此智能型的測距系統(tǒng)的開發(fā)應用與汽車領域將起到非常大的作用，將有效地緩

54、解交通壓力，減少交通事故的發(fā)生率。 超聲波測距系統(tǒng)的應用不僅僅大大減輕了測距人員的工作強度，對許多常規(guī)測量所無法實現(xiàn)的檢測進行因能進行有效地測量，進一步擴大了測量的廣度，而且超聲波測量本身具有很高的測量精度，因此對精度的提高也起到了一定的作用。 智能型超聲波測距系統(tǒng)是進行</p><p>　　本文旨在設計一種能對中近距離障礙物進行實時測量的測距裝置，它能對障礙物進行適時、適量的測量，實時監(jiān)控的作用。 目前對于超聲

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

56、離衰減等諸多優(yōu)點，為了以超聲波作為檢測手段，必須產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，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，超聲波發(fā)生器;如沒加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收轉換器，

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

58、測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以超聲波的速度就</p><p>　　同時利用單片機較精確地得出該環(huán)境下超聲波經過的時間，提高了測量精確度。本設計的超聲波測距系統(tǒng)主要由聲波發(fā)射電路，回波接收電路以及溫度檢測電路，靈活性強，可靠性高，計算簡單，成本低，易于做到實時控制等優(yōu)點。得超聲波往返的時間t，即可求得距離,原理圖如1所示：</p><p>　　圖1單片機測距系統(tǒng)原理圖&

59、lt;/p><p>　　1.4 本課題的內容和任務</p><p>　　本論文主要研究基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)，分別對超聲波發(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、報警電路及系統(tǒng)設備的軟、硬件各個部分功能模塊進行了研究。設計一種能夠在精確度在0.01m，測距在4m左右的模型，其主要內容如下： </p><p>　　1、系統(tǒng)硬件電路的設計 </p>

60、;<p>　　1） 根據(jù)測距技術的特點，進行超聲波測距系統(tǒng)的整體研究與設計。 </p><p>　　2） 針對溫度對超聲波傳播速度影響，測量環(huán)境溫度，確定超聲波傳播速度。 </p><p>　　3） 對超聲波發(fā)生電路進行論證和設計，用于產生用于測量的超聲波。 </p><p>　　4） 對超聲波接收電路進行論證和設計，用于接收反射回來的超聲波。 <

61、;/p><p>　　5） 單片機對對發(fā)送和接收波的時間進行測量，用于計算有效距離。 </p><p>　　6） LED數(shù)碼顯示測量的距離值，以數(shù)字顯示的方式顯示測量的距離。</p><p>　　7） 當測量之間的距離低于設定的最低值時，系統(tǒng)將進行自動報警。 </p><p>　　2、系統(tǒng)軟件的設計 </p><p>　　1

62、）系統(tǒng)主程序的設計。 </p><p>　　2）溫度測量程序設計。</p><p>　　3）發(fā)送、接收子程序的設計。</p><p>　　4）LED顯示程序的設計。 </p><p>　　5）報警程序的設計。</p><p>　　第二章 AVR單片機介紹</p><p>　　AVR單片機是 At

63、mel 公司 1997 年推出的 RISC 單片機。RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）是相對于CISC（復雜指令系統(tǒng)計算機）而言的。RISC 并非只是簡單地去減少指令，而是通過使計算機的結構更加簡單合理而提高運算速度的。RISC 優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復雜指令：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，提高運行速度。由于 AVR 采用了 RESC 的這種結構，使AVR系列單片機都具備了1MIPS/MHz（

64、百萬條指令每秒/兆赫茲）的高速處理能力?！　VR單片機吸收了 DSP 雙總線的特點，采用 Harvard 總線結構，因此單片機的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分離的，并且可對具有相同地址的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器進行獨立的尋址。　　在 AVR單片機中，CPU 執(zhí)行當前指令時取出將要執(zhí)行的下一條指令放入寄存器中，從而可以避免傳統(tǒng) MCS51 系列單片機中多指令周期的出現(xiàn)?！　鹘y(tǒng)的 MCS51 系列單片機所有的數(shù)據(jù)處理都是基于一個累加器的

65、，因此累加器與程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器之間的數(shù)據(jù)轉換就成了單片機的瓶頸；在 AVR 單片機中，寄存器由</p><p><b>　　產品特性</b></p><p>　　—低功耗的 8 位AVR 微處理器</p><p>　　—先進的RISC結構</p><p>　　—131 條指令 ，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期&l

66、t;/p><p>　　—32個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 時性能高達16 MIPS</p><p>　　—只需兩個時鐘周期的硬件乘法器</p><p>　　—16K 字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash</p>

67、<p>　　—擦寫壽命: 100,000 次</p><p>　　—可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密</p><p>　　—JTAG 接口( 與IEEE 1149.1 標準兼容)</p><p>　　– 支持擴展的片內調試功能</p><p>　　– 通過JTAG 接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM編程</p>

68、<p><b>　　? 外設特點</b></p><p>　　– 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器</p><p>　　– 一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器</p><p>　　– 具有獨立振蕩器的實時計數(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>　　– 兩個可編程的串行USART</p><p>　　– 可工作于主機/ 從機模式的SPI 串行接口</p><p>　　– 具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器</p

70、><p><b>　　– 片內模擬比較器</b></p><p>　　? 特殊的處理器特點</p><p>　　– 上電復位以及可編程的掉電檢測</p><p>　　– 片內經過標定的RC 振蕩器</p><p>　　– 片內/ 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</b></p><p>　　– 0 - 16 MHz ATmega16</p><p>　　? ATmega16L 在1 MHz, 3V, 25°C 時的功耗</p><p>　　– 正常模式: 1.1 mA</p><p>　　空閑模式: 0.35 mA</p><p>　　

73、ATmega16結構框圖</p><p>　　AVR 內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。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時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構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:16K字節(jié)的系統(tǒng)內可編Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM

74、，1K 字節(jié)SRAM，32 個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C),片內/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時終止CPU 和異步定時器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉換時的開關噪聲； Standb

75、y 模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，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，同時具有快速啟動能力。</p><p>　　本芯片是以Atmel 高密度非易失性存儲器技術生產的。片內ISP Flash 允許程序存儲器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于AVR 內核之中的引導程序進行編程。引導程序可以使用任意接口將應用程序下載到應用Flash存儲區(qū)(Application Flas

76、h Memory)。在更新應用Flash存儲區(qū)時引導Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW 操作。 通過將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內可編程的Flash 集成在一個芯片內。</p><p>　　圖2.1 ATmega16結構框圖</p><p>　　圖2.2 Atmega 16封裝形式</p><p><b>

77、　　引腳說明：</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，具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未

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，具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，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，具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，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，具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，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 復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復位。</

81、p><p>　　XTAL1 反向振蕩放大器與片內時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轉換器的電源。不使用ADC時，該引腳應直接與VCC連接。使用ADC時應通過一個低通濾波器與VCC 連接。AREF A/D 的模擬基準輸入引腳。</p><p>　　

82、2.2 AVR CPU 內核</p><p>　　CPU 的主要任務是保證程序的正確執(zhí)行。因此它必須能夠訪問存儲器、執(zhí)行運算、控制外設以及處理中斷。為了獲得最高的性能以及并行性， AVR 采用了Harvard 結構，具有獨立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行。CPU 在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令。實現(xiàn)了指令的單時鐘周期運行。程序存儲器是可以在線編程的FLASH?？焖僭L問寄存器文件包括32

83、個8 位通用工作寄存器，訪問時間為一個時鐘周期。從而實現(xiàn)了單時鐘周期的ALU 操作。</p><p>　　2.3 AVR ATmega16存儲器。</p><p>　　AVR 結構具有兩個主要的存儲器空間數(shù)據(jù)存儲器空間和程序存儲器空間。此外ATmega16 還有EEPROM 存儲器以保存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)內可編程的Flash 程序存儲器ATmega16具有16K字節(jié)的在線編程Flash，用于存放程

84、序指令代碼。因為所有的AVR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程序存儲器的兩個區(qū)：引導(Boot) 程序區(qū)和應用程序區(qū)，分開來考慮。Flash存儲器至少可以擦寫10,000次</p><p>　　2.4 AVR ATmega16系統(tǒng)時鐘</p><p>　　CPU時鐘與操作AVR內核的子系統(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)存儲器。終止CPU 時鐘將使內核停止工作和計算。I/O 時鐘－ CLKI/O I/O時鐘用于主要的I/O 模塊，如定時器/ 計數(shù)器、SPI 和USART。I/O 時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，因此即使I/O 時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在沒有CLKI/O 的情況下也是異步實現(xiàn)的，使得這個功能在任何睡眠模式下都可以正常工作。Flash 時鐘－

86、 CLKFLASH Flash 時鐘控制Flash 接口的操作。此時鐘通常與CPU 時鐘同時掛起或激活。異步定時器時鐘－ CLKASY 異步定時器時鐘允許異步定時器/ 計數(shù)器與D 控制器直接由外部32 kHz 時鐘晶體驅動。使得此定時器/ 計數(shù)器即使在睡眠模式下仍然可以為系統(tǒng)提供一個實時時鐘。ADC 時鐘－CLKADC ADC具有專門的時鐘。這樣可以在ADC工作的時候停止CPU和I/O時鐘以降低數(shù)字電路產生的噪聲，從而提高ADC 轉換精

87、度。在本設計中我們還要在下面電路設計中介紹。</p><p>　　2.5 系統(tǒng)控制和復位</p><p>　　復位時所有的I/O 寄存器都被設置為初始值，程序從復位向量處開始執(zhí)行。復位向量處的指令必須是絕對跳轉JMP 指令，以使程序跳轉到復位處理例程。如果程序永遠不利用中斷功能，中斷向量可以由一般的程序代碼所覆蓋。所有的復位信號消失之后，芯片內部的一個延遲計數(shù)器被激活，將內部復位的時間延長

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

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

90、t;　　2.6 看門狗定時器</p><p>　　為了防止軟件程序跑飛了，我們在一些重要的場合都要加看門狗定時器使得單片機能穩(wěn)定工作，看門狗定時器由獨立的1 Mhz 片內振蕩器驅動。這是VCC = 5V 時的典型值。通過設置看門狗定時器的預分頻器可以調節(jié)看門狗復位的時間間隔，看門狗復位指令WDR 用來復位看門狗定時器。如果沒有及時復位定時器，一旦時間超過復位周期， ATmega16 就復位，并執(zhí)行復位向量指向的程

91、序。為了防止無意之間禁止看門狗定時器，在看門狗禁用后必須跟一個特定的修改，由于本設計程序簡單，沒有大量運算或浮點運算，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，中斷也會觸發(fā)。這個特點可以

92、用來產生軟件中斷。通過設置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，中斷就會產生。若要求INT0 與INT1 在信號下降沿或上升沿觸發(fā)， I/O 時鐘必須工作。INT0/INT1的中斷條件檢測INT2 則是異步的。I/O 端口 作為通用數(shù)字I/O 使用時，所有AV

93、R I/O 端口都具有真正的讀- 修改- 寫功能。輸出緩沖器具有對稱的驅動能力，可以輸出或吸收大電流，直接驅動LED。所有的端口引腳都具有與電壓無關的上拉電阻。并有保護二極管與VCC 和地相連。</p><p>　　2.8 具有PWM功能的8位定時器/ 計時器</p><p>　　T/C 是一個通用的單通道8 位定時器/ 計數(shù)器模塊。其主要特點如下：</p><p>

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

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

96、KT0 可以由內部時鐘源或外部時鐘源產生，具體由時鐘選擇位CS02:0 確定。沒有選擇時鐘源時(CS02:0 = 0) 定時器即停止。但是不管有沒有CLKT0，CPU 都可以訪問TCNT0。CPU 寫操作比計數(shù)器其他操作( 如清零、加減操作) 的優(yōu)先級高。計數(shù)序列由T/C 控制寄存器 (TCCR0) 的WGM01 和WGM00 決定。計數(shù)器計數(shù)行為與輸出比較OC0 的波形有緊密的關系。T/C溢出中斷標志TOV0根據(jù)WGM01:0 設定的

97、工作模式來設置。TOV0可以用于產生CPU中斷。輸出比較單元8位比較器持續(xù)對TCNT0和輸出比較寄存器OCR0進行比較。一旦TCNT0等于OCR0，比較器就給出匹配信號。在匹配發(fā)生的下一個定時器時鐘周期輸出比較標志OCF0 置位。若此時OCIE0 = 1 且SREG 的全局中斷標志I 置位，CPU 將產生輸出比較中斷。執(zhí)</p><p>　　2.9 比較輸出模式和波形產生</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。對于所有的模式，設置COM01:0 = 0 表明比較匹配發(fā)生時波形發(fā)生器不會操作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。對于非PWM 模式，可以通過使用FOC0 來立即產生效果。</p><p>　

99、　在普通模式下，TOV0 標志的置位發(fā)生在計數(shù)器從MAX 變?yōu)?x00 的定時器時鐘周期。快速PWM 模式(WGM01:0 = 3) 可用來產生高頻的PWM波形。快速PWM模式與其他PWM模式的不同之處是其單斜坡工作方式。計數(shù)器從BOTTOM計到MAX，然后立即回到BOTTOM重新開始。對于普通的比較輸出模式，輸出比較引腳OC0在TCNT0與OCR0匹配時清零，在BOTTOM 時置位；對于反向比較輸出模式， OC0 的動作正好相反。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節(jié)，整流和DAC 應用。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，計數(shù)器的數(shù)值一直增加到MAX，然后在后面的一個時鐘周期清零。在本設計中為了產生40khz的超聲波，我們可以通過設置單片機波形發(fā)生器產生40khz占空比時 50% 的方波。為此我們須對產

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

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

103、到輸出信號還必須將OC0 的數(shù)據(jù)方向設置為輸出。產生PWM 波形的機理是OC0 寄存器在OCR0 與TCNT0 匹配時置位( 或清零)，以及在計數(shù)器清零( 從MAX變?yōu)锽OTTOM) 的那一個定時器時鐘周期清零( 或置位)。輸出的PWM 頻率可以通過如下公式計算得到</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，比較單元可以在OC0 引腳產生PWM 波形：將COM01:0設置為2 產生普通相位的PWM，設置COM01:0 為3 產生反向PWM信號。要想在引腳上得到輸出信號還必須將OC0 的數(shù)據(jù)方向設置為輸出。OCR0和 TCNT0比較匹配發(fā)生時OC0 寄存器將產生相應的清零或置位操作，從而產生PWM 波形。工作于相位修正模式時PWM 頻率可由下式公式獲得：</p><p>　　變量N 表示預分頻因子 (1、 8

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

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