– 32个可编程的I/O 口 – 40引脚PDIP 封装 ? 工作电压:
– ATmega16：4.5 - 5.5V ? 速度等级
– 0 - 16 MHz ATmega16
? ATmega16L 在1 MHz, 3V, 25°C 时的功耗 – 正常模式: 1.1 mA – 空闲模式: 0.35 mA –
2.1 ATmega16结构框图
AVR 内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算数逻辑单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。
本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内。
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图2.1 ATmega16结构框图
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12345678141516171819202191310PB0 (T0)PB1 (T1)PB2 (AIN0)PB3 (AIN1)PB4 (SS)PB5 (MOSI)PB6 (MISO)PB7 (SCK)PD0 (RXD)PD1 (TXD)PD2 (INT0)PD3 (INT1)PD4 (OC1B)PD5 (OC1A)PD6 (ICP)PD7 (TOSC2)RESETX1(ADC0) PA0(ADC1) PA1(ADC2) PA2(ADC3) PA3(ADC4) PA4(ADC5) PA5(ADC6) PA6(ADC7) PA7PC0PC1PC2PC3PC4PC5(TOSC1) PC6(TOSC2) PC7AREFAGNDAVCC4039383736353433222324252627282932313012X2GNDVCC图2.2 Atmega 16封装形式
引脚说明：
VCC 数字电路的电源 GND 地
端口A(PA7..PA0) 端口A 做为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 也可以用做其他不同的特殊功能。 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，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 也可以用做其他不同的特殊功能。端口D(PD7..PD0)
端口D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
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11ATMEGA16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，则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D 处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能。RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 XTAL2 反向振荡放大器的输出端。
AVCC AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。AREF A/D 的模拟基准输入引脚。 2.2 AVR CPU 内核
CPU 的主要任务是保证程序的正确执行。因此它必须能够访问存储器、执行运算、控制外设以及处理中断。为了获得最高的性能以及并行性， AVR 采用了Harvard 结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU 在执行一条指令的同时读取下一条指令。实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的FLASH。快速访问寄存器文件包括32个8 位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。从而实现了单时钟周期的ALU 操作。 2.3 AVR ATmega16存储器。
AVR 结构具有两个主要的存储器空间数据存储器空间和程序存储器空间。此外ATmega16 还有EEPROM 存储器以保存数据。系统内可编程的Flash 程序存储器ATmega16具有16K字节的在线编程Flash，用于存放程序指令代码。因为所有的AVR指令为16 位或32 位，故而Flash 组织成8K x 16 位的形式。用户程序的安全性要根据Flash程序存储器的两个区：引导(Boot) 程序区和应用程序区，分开来考虑。Flash存储器至少可以擦写10,000次
2.4 AVR ATmega16系统时钟
CPU时钟与操作AVR内核的子系统相连，如通用寄存器文件、状态寄存器及保存堆栈指针的数据存储器。终止CPU 时钟将使内核停止工作和计算。I/O 时钟－ CLKI/O I/O时钟用于主要的I/O 模块，如定时器/ 计数器、SPI 和USART。I/O 时钟还用于外部中断模块。要注意的是有些外部中断由异步逻辑检测，因此即使I/O 时钟停止了这些中断仍然可以得到监控。此外 USI 模块的起始条件检测在没有CLKI/O 的情况下也是异步实现的，使得这个功能在任何睡眠模式下都可以正常工作。Flash 时钟－ CLKFLASH Flash 时钟控制Flash 接口的操作。此时钟通常与CPU 时钟同时挂起或激活。异步定时器时钟
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－ CLKASY 异步定时器时钟允许异步定时器/ 计数器与D 控制器直接由外部32 kHz 时钟晶体驱动。使得此定时器/ 计数器即使在睡眠模式下仍然可以为系统提供一个实时时钟。ADC 时钟－CLKADC ADC具有专门的时钟。这样可以在ADC工作的时候停止CPU和I/O时钟以降低数字电路产生的噪声，从而提高ADC 转换精度。在本设计中我们还要在下面电路设计中介绍。 2.5 系统控制和复位
复位时所有的I/O 寄存器都被设置为初始值，程序从复位向量处开始执行。复位向量处的指令必须是绝对跳转JMP 指令，以使程序跳转到复位处理例程。如果程序永远不利用中断功能，中断向量可以由一般的程序代码所覆盖。所有的复位信号消失之后，芯片内部的一个延迟计数器被激活，将内部复位的时间延长。这种处理方式使得在MCU 正常工作之前有一定的时间让电源达到稳定的电平。所有的复位信号消失之后，芯片内部的一个延迟计数器被激活，将内部复位的时间延长。这种处理方式使得在MCU 正常工作之前有一定的时间让电源达到稳定的电平，复位源ATmega16 有5个复位源： ? 上电复位。电源电压低于上电复位门限时， MCU 复位。
? 外部复位。引脚 RESET 上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时MCU 复位。 ? 看门狗复位。看门狗使能并且看门狗定时器溢出时复位发生。
? 掉电检测复位。掉电检测复位功能使能，且电源电压低于掉电检测复位门限 VBOT 时MCU 即复位。
? JTAG AVR复位。复位寄存器为1时MCU复位 2.6 看门狗定时器
为了防止软件程序跑飞了，我们在一些重要的场合都要加看门狗定时器使得单片机能稳定工作，看门狗定时器由独立的1 Mhz 片内振荡器驱动。这是VCC = 5V 时的典型值。通过设置看门狗定时器的预分频器可以调节看门狗复位的时间间隔，看门狗复位指令WDR 用来复位看门狗定时器。如果没有及时复位定时器，一旦时间超过复位周期， ATmega16 就复位，并执行复位向量指向的程序。为了防止无意之间禁止看门狗定时器，在看门狗禁用后必须跟一个特定的修改，由于本设计程序简单，没有大量运算或浮点运算，所以可以不采用看门狗程序。 2.7 ATmega16 的中断向量（外部中断）
外部中断通过引脚INT0、INT1 与INT2 触发。只要使能了中断，即使引脚INT0-2 配置为输出，只要电平发生了合适的变化，中断也会触发。这个特点可以用来产生软件中
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