基于单片机的超声波测距电路的研究本科论文

目录

设计总说明： (3)

ABSTRACT:. (5)

第一章：超声波测距原理论述 (7)

1.1 超声波介绍 (7)

1.2 超声波测距系统概述 (9)

1.3 超声波测距的基本原理 (11)

1.4 本课题的内容和任务 (12)

第二章 AVR单片机介绍 (13)

2.1ATmega16结构框图 (16)

2.2 AVR CPU 内核 (19)

2.3 AVR ATmega16存储器。 (19)

2.4 AVR ATmega16系统时钟 (19)

2.5 系统控制和复位 (20)

2.6 看门狗定时器 (20)

2.7 ATmega16 的中断向量（外部中断） (20)

2.8 具有PWM功能的8位定时器/ 计时器 (21)

2.9 比较输出模式和波形产生 (22)

2.10 T/C0 与T/C1 的预分频器 (24)

2.11 串行外设接口－ SPI (24)

2.12 串行外设接口－USART (25)

2.13 模数转换器 (25)

2.14 JTAG 接口和片上调试系统 (26)

第三章硬件电路的设计 (26)

3.1 电源电路设计 (26)

3.2 复位电路设计 (27)

3.3 时钟电路设计 (27)

3.4 数码管显示电路 (28)

3.5 报警电路设计 (30)

3.6 温度补偿电路 (31)

3.6.1 温度计算 (33)

3.6.2 DSl820工作过程命令 (33)

3.6.3时序 (33)

3.6.4写时间隙 (34)

3.6.5读时间隙 (34)

3.6.6多路测量 (34)

3.7在线通信电路设计 (35)

第四章，超声波发射电路及接收电路的设计 (36)

4.1 超声波发射电路 (36)

4.1.1压电陶瓷超声波传感器介绍 (36)

4.1.2发射电路原理图分析 (38)

4.2 超声波接收电路 (39)

4.2.1 LC震荡选频电路设计： (39)

4.2.2比较电路的设计 (40)

4.2.3 接收电路原理图分析 (41)

第五章软件设计 (43)

5.1主程序流程图 (44)

5.2发射子程序设计 (44)

5.3温度测量子程序 (44)

5.4测量子程序 (46)

5.5计算子程序 (46)

5.6显示驱动子程序 (47)

5.7报警子程序 (47)

第六章设计心得 (49)

致谢 (50)

参考文献 (51)

附录 (52)

基于单片机的超声波测距电路的研究

设计总说明：超声波因其指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播距离远等特点,而经常用于进行各种测量. 如利用超声波在水中的发射,利用超声波在固体中的传播,可以用作金属探伤、医用A 超、B 超等. 利用超声波测距,使用单片机系统,设计合理,计算处理也较方便,测量精度能达到各种场合使用的要求.

这篇应用性设计报告描述了一种基于AVR ATMEGA16低功耗单片机的超声波测距系统，本系统发射器对着一个物体发射一定频率的超声波同时接收同频率的超声波，单片机通过计算从超声波发射时刻到接收返回的超声波时刻从而确定超声波通过的时间，根据房间的温度来确定超声波在空气中的速度大概是340m/s , AVR单片机计算二者的距离同时用3个LED驱动电路驱动的LED来显示，显示距离误差大概是±1cm，最小能测量时1cm同时局限于发射器的传感器的设定时间，最大能测量4m，超声波测距发射距离决定与发射物的材质和形状，例如超声波可能被地毯吸收，这样测量的距离就大大的降低，假如反射波接收的频率太低就可能不被系统处理，这样显示就会出现错误。

1设计理论：

本设计应用基于声波的反射。声波在其传播的介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。如果声波在介质中传播的速度是已知的，而且测量到声波从声源到达目标然后返回声源的时间，从声源到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本应用的测量原理。这里声波传播的介质就是空气，采用不可见的超声波。假设室内超声波的速度是340m/s则可以通过计算超声波通过时间来计算距离，但是实际温度对超声波影响很大，通过可以研究，速度和温度（T 为绝对温度）存在一下关系：

v=

=340/

v v s

/

o m s

=?由于超声波通过的距离是2倍的实际距离，则实际距离是d/2，所以t/2

d v

2 电路描述：

本设计用来发射和接收超声波的设备是40hz压电陶瓷超声波传感器，AVR ATMEGA16单片机驱动超声波发射器40hz的方波来源于晶振,波接收器接收回波由于AVR ATMEGA16单片机的计时器计算40khz的分辨率是25us 是完全胜任我们的设计，我们系统的稳定性来源于晶振的工作。被超声波接收器超声波通过一个运算放大器放大对输入a放大，相对输入a输出超声波的同时触发单片机计时器timer1 ，捕获的回波被精确计算时间来计算距离。计数器从超声波发射开始计时到收到回波停止，时间被精确记录，我们可以通过DS18B20 芯片来确定室温，精确的确定超声波的速度，二者的距离通过AVR ATMEGA16精确的计算同时在3个数码管上显示出来，一旦显示出来，单片机就进入休眠状态来节省电力能源。这篇设计的主要电路分析。

传感器的输出驱动电路直接由9V 电池供电并提供驱动超声波发射器由一个二进制非门CD4049电路实现的。其中一个非门用来为驱动器的一侧提供180 度的相移信号。另一侧由相内信号驱动。这种结构使输出端的电压提高了一倍，为发射传感器提供了足够的电压。两个门并联连接以便每一侧能够为传感器提供足够的驱动电流。电容耦合阻断了到传感器的直流通路。因为CD4049 工作于9V 而AVR ATMEGA16工作于Vcc=5V。 AVR ATMEGA16和输出驱动器之间的逻辑电平是不匹配的，可以双极性晶体管就作为这两种逻辑电平之间的转换器。

由LC选频放大器对超声波接收器接收的回波在40KHz 时提供充分的高增益。选择并丢弃除了40KHz 之外的频率。运算放大器的输出端连接到比较器LM393的输入端。比较器LM393 的参考电平内部选择为0V。当接收到回声时电压高于参考电平从而触发比较器的输出。然后触发单片机的INT0.

本文在了解超声波测距原理的基础上，完成了基于时差测距原理的一种超声波测距系统的硬件设计，其中为了进一步提高系统测量精度和系统稳定性，在硬件上增加了温度传感器测温电路，采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行修正，降低了温度变化对测距精度的影响。针对噪声环境中超声波测距的情况，本文讨论了一种基于时延的估计方法，可有效地降低噪声对测距的干扰，有利于提高超声波测距系统的测量精度。

关键词：超声波测距 AVR atmega16 DS18B20

ABSTRACT: In different occasions , the demands of the precision on ultrasonic 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 account 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 convenient .

This design application report describes a distance-measuring system based on ultrasonic sound utilizing the A VR atmega16 ultralow-power microcontroller. The system transmits a burst of ultrasonic sound waves towards 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 A VR atmega16. Assuming the speed of sound in air at room temperature to be 340m/s, the A VR atmega16 computes the distance between the system and the subject and displays it using a three-digit static LED driven by its integrated LED driver. The distance is displayed in inches with an accuracy of ±1 cm. The minimum distance that this system can measure is 1cm and is limited by the transmitter’s transducer settling-time. The maximum distance that can be measured is 4m. The amplitude of the echo depends on the reflecting material, shape, and size. Sound-absorbing targets such as carpets the maximum measurable range is lower for such subjects. If the amplitude of the echo received by the system is so low that it is not detectable by the Comparator the system goes out of range. This is indicated by displaying the error message

1 Theory of Operation

This application is based on the reflection of sound waves. Subjects whose Dimensions 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 distance 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. Since it is inaudible to humans. Assuming that the speed of sound in air is v=340m/s at room temperature and that the measured time taken for the sound waves to travel the distance from the source to the subject and back to the source is seconds,as we know：

v=

=340/

v v s

/

o m s

The distance d is computed by the formula t/2

=?Since the sound waves travel

d v

twice the distance between the source and the subject, the actual distance between the source and the subject will be d/2.

2 Circuit Description

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 with 40-kHz square-wave signal derived from the crystal oscillator, and the receiver transducer receives the echo. The Timer1in the A VR is configured to count the 40-kHz crystal frequency such that the time measurement resolution is 25 μs, which is more than adequate for this application. The measurement time base is very stable as it is derived from a quartz-crystal oscillator. The echo received by the receiver transducer is amplified by an operational amplifier and the amplified output is fed to the Comparator_A input. The Comparator_A senses the presence of the echo signal at its input and triggers a capture of Timer_A count value to capture compare register timer1. The capture is done exactly at the instant the echo arrives at the system. The captured count is the measure of the time taken for the ultrasonic burst to travel the distance from the system to the subject and back to the system. The distance in inches from the system to the subject is computed by the AVR ATMEGA16using this measured time and displayed on a two-digit static LED. Immediately after updating the display, the A VR goes to sleep mode to save power. The circuit schematic diagram of this application.

The output drive circuit for the transducer is powered directly from the 9-V battery and provides 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 arm 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 parallel so that each arm can provide adequate current drive to the transducer. Capacitors block the dc to the transducer. Since the CD4049 operates on 9-V and the A VR ATMEGA16 operates on a VCC of 5 V, there is a logic

level mismatch between the A VR ATMEGA16 and the output driver circuit. Bipolar transistor acts as a logic-level shifter between these two logic levels.

Operational amplifier 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 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 selected to be 0.5VCC. When no ultrasonic echo is received, the voltage level at CA0 is slightly lower than the reference at LM393. When an echo is received, the voltage level increases above the reference and toggles the Comparator LM393 can be fine-tuned for the required sensitivity and the measurable range can be optimized and give the single to the ATMEGA16.

Based on the comprehension of measuring distance principle by ultrasonic, the paper completes an hardware design which based on time difference measuring 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 with medium temperature measurement to mend the sound velocity. By this means, the influence of temperature variation on distance measurement is decreased.

Keywords: distance-measuring system based on ultrasonic A VR atmega16 DS18B20 第一章：超声波测距原理论述

1.1 超声波介绍

超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。超声波因其可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，可传递很强的能量，产生反射、干涉、叠加和共振现象。在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应：

①机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时 ,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。

②空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。

③热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。

④化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。

超声应用超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：

①超声检验。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超

声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重显像，通常用摄像机和电视机作实时观察。

②超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。

③基础研究。超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收（见声波）。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质。但对频率在1012赫兹以上的特超声波，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的，称为声子（见固体物理学）。特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体——液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域。

人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声呐”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。此时人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。作为一种成熟的技术，超声波的应用已经走进人类息息相关的生活中，是为不可或缺的工具。

1.2 超声波测距系统概述

当今社会科技日益发展，自动化控制在很多很多产业得到了全面的应用，自动化的测量方法也成了一个重要的方面，测量方法有很多种，例如红外测距，超声波测距等都得到了很好的应用，在科学研究工程实践中，经常会遇到非接触测量距离的问题。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些没有目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波（20KHZ以上的机械波），借助空气媒介传波，由障碍物反射回来的时间间隔长短与被发射的超声波的强弱判断障碍物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速来说要小的多，其传波时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类利用仿真技能进行超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法，在日常生活中具有广泛的用途。例如：用人造超声源在海水里发射，由回射超声波进行探测海洋潜艇位置、鱼群以及确定海底的暗礁等障碍物形状及远近。利用人造超声波在固体里传播的时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物

界面上的反射波来确定物体内部损伤（如裂缝、气孔及杂质等）位置，即无损探伤。在现代社会中，超声波已经融入我们的生活，例如超声波洗衣机，超声波趣闻器，超声波探测器等，超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，然后计算出相应的距离。超声波测距系统由于不受光线、电磁波、粉尘等的影响，其精度能达到厘米数量级甚至毫米级的工程测距精度等的优点，在桥梁、隧道、涵洞等的距离检测中占有一定的优势。

在日常车道保障与维护过程中，工程车、充气车、电源车、加油车等诸多车辆常常需要在停车坪附近穿行、掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆之间非常接近，驾驶员的视野颇受限制，碰撞事故时有发生，在夜晚时则更显突出。利用超声波测距系统，可以有效地提高车辆在保障和维护过程中的安全性和可靠性。随着生活水平的不断提高，汽车进入家庭的消费意识的不断增强。中国城市汽车的保有量迅速增加。随之而来的是交通事故与日俱增，城市里尤其突出。发展智能交通系统是二十一世纪交通运输的重要发展方向。智能交通系统在充分发挥现有基础设施的潜力，提高运输效率。保障交通安全，缓解交通堵塞，改善城市环境等方面的卓越效能，已得到各级政府的广泛关注。我国政府也开始高度重视智能交通系统的研究开发与推广应用。因此智能型的测距系统的开发应用与汽车领域将起到非常大的作用，将有效地缓解交通压力，减少交通事故的发生率。超声波测距系统的应用不仅仅大大减轻了测距人员的工作强度，对许多常规测

量所无法实现的检测进行因能进行有效地测量，进一步扩大了测量的广度，而且超声波测量本身具有很高的测量精度，因此对精度的提高也起到了一定的作用。智能型超声波测距系统是进行交通管理的有效手段和工具，它可提高车辆距离检测的准确性，有利于交通运输的科学管理，降低对驾驶人员本身的素质要求。除了能大大减少工作量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地对距离进行测量。现代超声波测距仪的研究使用在我国汽车行业还为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还基本停留在初级阶段，即使有些高档车配置有测距系统，也仅仅是少部分的进口车。随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。将高新技术应用与汽车产业，实施实时监测已成为我国汽车工业以及交通部门的一项重要任务，是减少我国交通事故发生的重要措施之一。

本文旨在设计一种能对中近距离障碍物进行实时测量的测距装置，它能对障碍物进行适时、适量的测量，实时监控的作用。目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占据重要地位。

1.3 超声波测距的基本原理

超声波是指频率高于20KHz的机械波，具有波长指向性好，反射强，传播性极佳，强度随距离衰减等诸多优点，为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，超声波发生器;如没加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收转换器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳；同时为了方便处理，单片机发射的超声波滤被调制成40kHz左右，具有一定间隔的调制脉

冲波信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。超声波传播速度对测距的影响很大，稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件，波的传播速度取决于传播媒质的特性。传播媒质的温度、压力、密度对声速都将产生直接的影响。因此需对声速加以修正。对于测距而言，引起声速变化的主要原因是媒质温度的变化。本设计采用声速预置和媒质温度测量结合的方法对声速进行补偿，可有效地消除温度变化对精度的影响，可通过温度传感器

DS18B20自动探测环境温度，确定计算距离时的波速

v=

=340/

/

v v s

o m s

同时利用单片机较精确地得出该环境下超声波经过的时间，提高了测量精确度。本设计的超声波测距系统主要由声波发射电路，回波接收电路以及温度检测电路，灵活性强，可靠性高，计算简单，成本低，易于做到实时控制等优点。得超声波往返的时间t，即可求得距离t/2

=?,原理图如1所示：

d v

图1单片机测距系统原理图

1.4 本课题的内容和任务

本论文主要研究基于单片机的超声波测距系统，分别对超声波发生电路、回波接收电路、数据采集电路、数码显示电路、报警电路及系统设备的软、硬件各个部分功能

模块进行了研究。设计一种能够在精确度在0.01m，测距在4m左右的模型，其主要内容如下：

1、系统硬件电路的设计

1）根据测距技术的特点，进行超声波测距系统的整体研究与设计。

2）针对温度对超声波传播速度影响，测量环境温度，确定超声波传播速度。

3）对超声波发生电路进行论证和设计，用于产生用于测量的超声波。

4）对超声波接收电路进行论证和设计，用于接收反射回来的超声波。

5）单片机对对发送和接收波的时间进行测量，用于计算有效距离。

6） LED数码显示测量的距离值，以数字显示的方式显示测量的距离。

7）当测量之间的距离低于设定的最低值时，系统将进行自动报警。

2、系统软件的设计

1）系统主程序的设计。

2）温度测量程序设计。

3）发送、接收子程序的设计。

4）LED显示程序的设计。

5）报警程序的设计。

第二章 AVR单片机介绍

AVR单片机是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 单片机。RISC（精简指令系统计算机）是相对于CISC（复杂指令系统计算机）而言的。RISC 并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。RISC 优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令：并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。由于 AVR 采用了 RESC 的这种结构，使AVR系列单片机都具备了1MIPS/MHz（百万条指令每秒/兆赫兹）的高速处理能力。

AVR单片机吸收了 DSP 双总线的特点，采用 Harvard 总线结构，因此单片机的程序存储器和数据存储器是分离的，并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立的寻址。

在 AVR单片机中，CPU 执行当前指令时取出将要执行的下一条指令放入寄存器中，从而可以避免传统 MCS51 系列单片机中多指令周期的出现。

传统的 MCS51 系列单片机所有的数据处理都是基于一个累加器的，因此累加器与程序存储器、数据存储器之间的数据转换就成了单片机的瓶颈；在 AVR 单片机中，寄存器由32个通用工作寄存器组成，并且任何一个寄存器都可以充当累加器，从而有效地避免了累加器的瓶颈效应，提高了系统的性能。

AVR单片机具有良好的集成性能。AVR 系列的单片机都具备在线编程接口，其中的Mega 系列还具备JTAG仿真和下载功能；都含有片内看门狗电路、片内程序 Flash、同步串行接口 SPI；多数 AVR 单片机还内嵌了 AD 转换器、EEPROM、摸拟比较器、PWM 定时计数器等多种功能；AVR 片机的 I/O 接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、LED等器件，从而省去驱动电路，节约系统成本。AVR单片机采用低功率、非挥发的 CMOS 工艺制造，除具有低功耗、高密度的特点外，还支持低电压的联机 Flash，EEPROM 写入功能。

AVR单片机还支持 Basic、C 等高级语言编程。采用高级语言对单片机系统进行开发是单片机应用的发展趋势。对单片机用高级语言编程可很容易地实现系统移植，并加快软件的开发过程。

AVR 单片机具有多个系列，包括 ATtiny、AT90、ATmega。每个系列又包括多个产品，它们在功能和存储器容量等方面有很大的不同，但基本结构和原理都类似，而且编程方也相同。

产品特性

—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

—16K 字节的系统内可编程Flash

—擦写寿命: 100,000 次

—可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密

—JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容)

–支持扩展的片内调试功能

–通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM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ADC

–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、省电模式、掉电模式