【正文】 （3）系統(tǒng)時鐘AVR ATmega16 的系統(tǒng)時鐘有CPU時鐘、I/O時鐘、異步定時器時鐘和ADC時鐘。時鐘源分為兩種：外部時鐘和內(nèi)部時鐘。該課題所選擇的是外部時鐘（外部晶體振蕩器）。XTAL1與XTAL2分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出，如圖32所示。熔絲位CKOPT用來選擇放大器模式，當(dāng)CKOPT被編程時振蕩器在輸出引腳產(chǎn)生滿幅度的振蕩。這種模式適合于噪聲環(huán)境，而且這種模式的頻率范圍比較寬。當(dāng)保持CKOPT為未編程狀態(tài)時，振蕩器的輸出信號幅度比較小。大大降低了功耗，但是頻率范圍比較窄，不能驅(qū)動其他時鐘緩沖器。 圖32 晶體振蕩器連接圖晶振參數(shù)的設(shè)定:,因為該頻率不僅可以提供標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)信號而且可以降低功耗節(jié)約單片機內(nèi)部資源及產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)串行波特率。（4）系統(tǒng)復(fù)位ATmega16 有5個復(fù)位源：上電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、掉電檢測復(fù)位和JTAG AVR復(fù)位。本設(shè)計主要采用了上電復(fù)位（開關(guān)機時）和看門狗復(fù)位（單片機故障時）。（5）I/O端口每個端口都有三個I/O存儲器地址：數(shù)據(jù)寄存器——PORTx、數(shù)據(jù)方向寄存器——DDRx和端口輸入引腳——PINx。每個端口引腳都具有三個寄存器位:DDxn、PORTxn和PINxn分別位于相應(yīng)的寄存器。 （6）計數(shù)器本設(shè)計只需采用一個定時中斷計數(shù)器即T1，并采用了快速PWM模式。T/C可以由內(nèi)部同步時鐘或外部異步時鐘驅(qū)動，如果沒有時鐘源T/C就不工作。CPU只能間接訪問TCNT1H寄存器，讀取TCNT1L時，臨時寄存器的內(nèi)容更新為TCNT1H的數(shù)值；執(zhí)行寫操作時，TCNT1H被臨時寄存器的內(nèi)容所更新。計數(shù)器的計數(shù)序列取決于寄存器TCCR1A和TCCR1B中標(biāo)志位WGM13:0的設(shè)置。（7）AD轉(zhuǎn)換器內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器既是本單片機重要特點之一也是本設(shè)計的重點。它是一個10位的逐次逼近型ADC，與一個8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。并且包含一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中的電壓恒定。ADC由AVCC引腳單獨提供電源。AVCC與VCC之間的偏差不能超過177。數(shù)模轉(zhuǎn)換過程：在ADEN為1的情況下，再把ADC啟動位ADSC寫邏輯1，轉(zhuǎn)換將在ADC時鐘脈沖（ADC Clock）的下一個上升沿時啟動。在轉(zhuǎn)換過程中，ADSC位保持1；轉(zhuǎn)換完成時，它將被硬件自動清0。ADC開放后第一次A/D轉(zhuǎn)換，將有一個使ADC初始化的轉(zhuǎn)換作為先導(dǎo)。這次轉(zhuǎn)換與通常轉(zhuǎn)換差別就是要多12個ADC時鐘周期。ADC時鐘脈沖可以接受的頻率范圍為50～200kHz。時鐘頻率過高會降低轉(zhuǎn)換精度。它有系統(tǒng)時鐘信號和一個可設(shè)定分頻比的分頻器提供頻率。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后（ADIF=1），轉(zhuǎn)換結(jié)果被放入ADC結(jié)果寄存器（ADCL,ADCH）。單次轉(zhuǎn)換的結(jié)果計算式如下：式中，為被選中的引腳的輸入電壓，為參考電壓。 CH447L讀寫控制芯片本設(shè)計采用了功能強大的CH447L讀寫芯片，它用于數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制，并且內(nèi)置時鐘振蕩電路，可以動態(tài)驅(qū)動8位數(shù)碼管或者64位LED，具有BCD譯碼、閃爍、移位、段位尋址、光柱譯碼等功能；同時還可以進行64鍵的鍵盤掃描；CH447L通過可以級聯(lián)的4線串行接口或者2線串行接口與單片機等交換數(shù)據(jù)；可以對單片機提供上電復(fù)位信號。它具有如下優(yōu)點：顯示驅(qū)動：內(nèi)置電流驅(qū)動級，段電流不小于15mA，字電流不小于80mA。動態(tài)顯示掃描控制，直接驅(qū)動8位數(shù)碼管、64位發(fā)光管LED或者64級光柱?？蛇x數(shù)碼管的段與數(shù)據(jù)位相對應(yīng)的譯碼方式或者BCD譯碼方式。BCD譯碼支持一個自定義的BCD碼，用于顯示一個特殊字符。數(shù)碼管的數(shù)據(jù)左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)。各數(shù)碼管的數(shù)字獨立閃爍控制，可選快慢兩種閃爍速度。任意段位尋址，獨立控制各個LED或者各數(shù)碼管的各個段的亮與滅。64級光柱譯碼，通過64個LED組成的光柱顯示光柱值。掃描極限控制，支持1到8個數(shù)碼管，只為有效數(shù)碼管分配掃描時間?？梢赃x擇字驅(qū)動輸出極性，便于外部擴展驅(qū)動電壓和電流。鍵盤控制：芯片內(nèi)置64鍵鍵盤控制器，本設(shè)計選擇42矩陣鍵盤掃描。內(nèi)置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻，內(nèi)置去抖動電路。鍵盤中斷，可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出。提供按鍵釋放標(biāo)志位，可供查詢按鍵按下與釋放。支持按鍵喚醒，處于低功耗節(jié)電狀態(tài)中的CH447L可以被部分按鍵喚醒。外部接口：同一芯片，可選高速的4線串行接口或者經(jīng)濟的2線串行接口。本設(shè)計采用了4線串行接口，它支持多個芯片級聯(lián)，時鐘速度從0到2MHz，DIN和DCLK信號線可以與其它接口電路共用，節(jié)約引腳。內(nèi)置上電復(fù)位，可以為單片機提供高電平有效和低電平有效復(fù)位輸出。 硬件功能模塊的設(shè)計 三相模擬信號的預(yù)處理模塊本模塊主要處理的是將輸入的原始信號進行硬件濾波和整流。其電路原理圖如下：◆電壓部分：◆電流部分圖 33. 硬件整流和濾波電路電流要先進電流互感器，將電流量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓量，因為單片機內(nèi)部是對電壓量進行分析處理的。經(jīng)過互感器后再經(jīng)一個整流橋圖中DDD6等，將交流電轉(zhuǎn)化為有紋波的直流，然后經(jīng)過模擬濾波電路（由電阻、二級管、電容等組成）處理，電路圖如圖33所示。電壓部分和電流部分原理一樣，不同之處在于電壓部分是經(jīng)過電壓互感器（變壓）后在進行整流、濾波處理。 AVR單片機系統(tǒng)模塊 圖34 ATmega16系統(tǒng)模塊（1）I/O 端口如圖34所示在本設(shè)計中PA0～PA3分別為IA、IB、IC、IABC的模擬輸入口，其中IABC為零序電流。由于設(shè)計時考慮到芯片的模擬I/O口有限，在節(jié)省資源的情況下電壓信號的輸入我通過了一個多路選擇開關(guān)再與PA4相連，這樣可以節(jié)省兩個端口，以備其他未考慮信號的輸入。 圖35 多路選擇開關(guān)除了通用數(shù)字I/O功能之外，大多數(shù)端口引腳都具有第二功能。下面對本設(shè)計用到的端口第二功能介紹如下:端口B的第二功能PB7 SCK (SPI總線的串行時鐘)PB6 MISO (SPI總線的主機輸入/從機輸出信號)PB5 MOSI (SPI總線的主機輸出/從機輸入信號)PB4 SS (SPI從機選擇引腳)PB3 AIN1 (模擬比較負(fù)輸入)；OC0 (T/C0輸出比較匹配輸出)PB2 AIN0 (模擬比較正輸入)；INT2 (外部中斷2輸入)PB1 T1 (T/C1外部計數(shù)器輸入)PB0 T0 (T/C0外部計數(shù)器輸入)；XCK (USART外部時鐘輸入/輸出)端口C的第二功能PC7 TOSC2 (定時振蕩器引腳2)PC6 TOSC1 (定時振蕩器引腳1)PC5 TDI (JTAG測試數(shù)據(jù)輸入)PC4 TDO (JTAG測試數(shù)據(jù)輸出)PC3 TMS (JTAG測試模式選擇)PC2 TCK (JTAG測試時鐘)PC1 SDA (兩線串行總線數(shù)據(jù)輸入/輸出)PC0 SCL (兩線串行總線時鐘線)端口D的第二功能PD7 OC2 (T/C2輸出比較匹配輸出)PD6 ICP1 (T/C1輸入捕捉引腳)PD5 OC1A (T/C1輸出比較A匹配輸出)PD4 OC1B (T/C1輸出比較B匹配輸出)PD3 INT1 (外部中斷1的輸入)PD2 INT0 (外部中斷0的輸入)PD1 TXD (USART輸出引腳)PD0 RXD (USART輸入引腳（2）片內(nèi)基準(zhǔn)電壓ATmega16具有片內(nèi)能隙基準(zhǔn)源，用于掉電檢測，或者是作為模擬比較器或ADC的輸入。AREF給單片機提供基準(zhǔn)電壓，它有兩種情況加上電阻R27時為5V，去掉R27時可以是5V，AVCC為模擬電壓（5V）。圖36 電壓注:圖36中的電感、電容用來濾波 繼電器驅(qū)動模塊本設(shè)計采用了三個繼電器(KKK3)，它們都采用的是常開觸點。其中K1用來保護動作，KK3用于啟動，分別表示降壓啟動和啟動完成后全壓運行的兩個狀態(tài)。 圖37 三繼電器的驅(qū)動電路如圖37所示繼電器的驅(qū)動電壓為12V，采用三極管的目的是為了放大電流信號以驅(qū)動繼電器。信號在進入三極管之前還必須由光耦消除干擾信號，相關(guān)電路如圖38所示：圖38 光耦抗干擾電路當(dāng)電機啟動時，繼電器K2閉合，電機進入降壓啟動過程；當(dāng)電流平穩(wěn)后，繼電器K3閉合，K2斷開，表示進入了全壓運行階段；當(dāng)電機遇到危險時，繼電器K1會根據(jù)保護延遲時間閉合，進行保護動作。另外為了避免KK3兩個繼電器同時合的情況，我們加入了一個邏輯互鎖電路來避免這種情況的沖突，真正實現(xiàn)保護、啟動和運行的分時控制。由于市面上恰好有相關(guān)功能的芯片，因此為了節(jié)約時間，我直接采用了74HC00這個芯片。其內(nèi)部邏輯電路如圖39所示：圖39 互鎖邏輯電路真值表如下:（1表示開、0表示合）PB1PB2KK2KK30011010110101111 讀寫顯示功能模塊讀寫顯示功能模塊是本設(shè)計硬件設(shè)計的重點，數(shù)碼管驅(qū)動及鍵盤的控制采用芯片CH447L來提高運作效率，使設(shè)計模塊化。它可通過4線或2線串行接口與單片機等交換數(shù)據(jù)，并且可以對單片機提供上電復(fù)位信號。CH447L與單片機以及數(shù)碼管和鍵盤的硬件連接如圖310所示。圖310 CH447L與單片機及數(shù)碼管和鍵盤的連接因為CH447L的4線串行接口是由硬件實現(xiàn)的，單片機可以頻繁地通過串行接口進行高速操作，不降低CH447L的工作效率；而2線串行接口是由軟件與硬件共同實現(xiàn)的,不適合不間斷地頻繁操作,所以我采用了4