【正文】 （3）系統(tǒng)時(shí)鐘AVR ATmega16 的系統(tǒng)時(shí)鐘有CPU時(shí)鐘、I/O時(shí)鐘、異步定時(shí)器時(shí)鐘和ADC時(shí)鐘。時(shí)鐘源分為兩種：外部時(shí)鐘和內(nèi)部時(shí)鐘。該課題所選擇的是外部時(shí)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(shí)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(shí)，振蕩器的輸出信號(hào)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(dòng)其他時(shí)鐘緩沖器。 圖32 晶體振蕩器連接圖晶振參數(shù)的設(shè)定:,因?yàn)樵擃l率不僅可以提供標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)信號(hào)而且可以降低功耗節(jié)約單片機(jī)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(gè)復(fù)位源：上電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、掉電檢測(cè)復(fù)位和JTAG AVR復(fù)位。本設(shè)計(jì)主要采用了上電復(fù)位（開關(guān)機(jī)時(shí)）和看門狗復(fù)位（單片機(jī)故障時(shí)）。（5）I/O端口每個(gè)端口都有三個(gè)I/O存儲(chǔ)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(gè)端口引腳都具有三個(gè)寄存器位:DDxn、PORTxn和PINxn分別位于相應(yīng)的寄存器。 （6）計(jì)數(shù)器本設(shè)計(jì)只需采用一個(gè)定時(shí)中斷計(jì)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(shí)鐘或外部異步時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，如果沒有時(shí)鐘源T/C就不工作。CPU只能間接訪問TCNT1H寄存器，讀取TCNT1L時(shí)，臨時(shí)寄存器的內(nèi)容更新為TCNT1H的數(shù)值；執(zhí)行寫操作時(shí)，TCNT1H被臨時(shí)寄存器的內(nèi)容所更新。計(jì)數(shù)器的計(jì)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(jī)重要特點(diǎn)之一也是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。它是一個(gè)10位的逐次逼近型ADC，與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。并且包含一個(gè)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(dú)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(dòng)位ADSC寫邏輯1，轉(zhuǎn)換將在ADC時(shí)鐘脈沖（ADC Clock）的下一個(gè)上升沿時(shí)啟動(dòng)。在轉(zhuǎn)換過程中，ADSC位保持1；轉(zhuǎn)換完成時(shí)，它將被硬件自動(dòng)清0。ADC開放后第一次A/D轉(zhuǎn)換，將有一個(gè)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(gè)ADC時(shí)鐘周期。ADC時(shí)鐘脈沖可以接受的頻率范圍為50～200kHz。時(shí)鐘頻率過高會(huì)降低轉(zhuǎn)換精度。它有系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)和一個(gè)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(jì)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(jì)采用了功能強(qiáng)大的CH447L讀寫芯片，它用于數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制，并且內(nèi)置時(shí)鐘振蕩電路，可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)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(shí)還可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描；CH447L通過可以級(jí)聯(lián)的4線串行接口或者2線串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)；可以對(duì)單片機(jī)提供上電復(fù)位信號(hào)。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：顯示驅(qū)動(dòng)：內(nèi)置電流驅(qū)動(dòng)級(jí)，段電流不小于15mA，字電流不小于80mA。動(dòng)態(tài)顯示掃描控制，直接驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管、64位發(fā)光管LED或者64級(jí)光柱?？蛇x數(shù)碼管的段與數(shù)據(jù)位相對(duì)應(yīng)的譯碼方式或者BCD譯碼方式。BCD譯碼支持一個(gè)自定義的BCD碼，用于顯示一個(gè)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(dú)立閃爍控制，可選快慢兩種閃爍速度。任意段位尋址，獨(dú)立控制各個(gè)LED或者各數(shù)碼管的各個(gè)段的亮與滅。64級(jí)光柱譯碼，通過64個(gè)LED組成的光柱顯示光柱值。掃描極限控制，支持1到8個(gè)數(shù)碼管，只為有效數(shù)碼管分配掃描時(shí)間?？梢赃x擇字驅(qū)動(dòng)輸出極性，便于外部擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)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(jì)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(dòng)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(jì)的2線串行接口。本設(shè)計(jì)采用了4線串行接口，它支持多個(gè)芯片級(jí)聯(lián)，時(shí)鐘速度從0到2MHz，DIN和DCLK信號(hào)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(jī)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(jì) 三相模擬信號(hào)的預(yù)處理模塊本模塊主要處理的是將輸入的原始信號(hào)進(jìn)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(jìn)電流互感器，將電流量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓量，因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部是對(duì)電壓量進(jìn)行分析處理的。經(jīng)過互感器后再經(jīng)一個(gè)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(jí)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(jìn)行整流、濾波處理。 AVR單片機(jī)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(jì)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(jì)時(shí)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(hào)的輸入我通過了一個(gè)多路選擇開關(guān)再與PA4相連，這樣可以節(jié)省兩個(gè)端口，以備其他未考慮信號(hào)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(duì)本設(shè)計(jì)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(shí)鐘)PB6 MISO (SPI總線的主機(jī)輸入/從機(jī)輸出信號(hào))PB5 MOSI (SPI總線的主機(jī)輸出/從機(jī)輸入信號(hào))PB4 SS (SPI從機(jī)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(jì)數(shù)器輸入)PB0 T0 (T/C0外部計(jì)數(shù)器輸入)；XCK (USART外部時(shí)鐘輸入/輸出)端口C的第二功能PC7 TOSC2 (定時(shí)振蕩器引腳2)PC6 TOSC1 (定時(shí)振蕩器引腳1)PC5 TDI (JTAG測(cè)試數(shù)據(jù)輸入)PC4 TDO (JTAG測(cè)試數(shù)據(jù)輸出)PC3 TMS (JTAG測(cè)試模式選擇)PC2 TCK (JTAG測(cè)試時(shí)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(shí)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(cè)，或者是作為模擬比較器或ADC的輸入。AREF給單片機(jī)提供基準(zhǔn)電壓，它有兩種情況加上電阻R27時(shí)為5V，去掉R27時(shí)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(dòng)模塊本設(shè)計(jì)采用了三個(gè)繼電器(KKK3)，它們都采用的是常開觸點(diǎn)。其中K1用來保護(hù)動(dòng)作，KK3用于啟動(dòng)，分別表示降壓啟動(dòng)和啟動(dòng)完成后全壓運(yùn)行的兩個(gè)狀態(tài)。 圖37 三繼電器的驅(qū)動(dòng)電路如圖37所示繼電器的驅(qū)動(dòng)電壓為12V，采用三極管的目的是為了放大電流信號(hào)以驅(qū)動(dòng)繼電器。信號(hào)在進(jìn)入三極管之前還必須由光耦消除干擾信號(hào)，相關(guān)電路如圖38所示：圖38 光耦抗干擾電路當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，繼電器K2閉合，電機(jī)進(jìn)入降壓啟動(dòng)過程；當(dāng)電流平穩(wěn)后，繼電器K3閉合，K2斷開，表示進(jìn)入了全壓運(yùn)行階段；當(dāng)電機(jī)遇到危險(xiǎn)時(shí)，繼電器K1會(huì)根據(jù)保護(hù)延遲時(shí)間閉合，進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。另外為了避免KK3兩個(gè)繼電器同時(shí)合的情況，我們加入了一個(gè)邏輯互鎖電路來避免這種情況的沖突，真正實(shí)現(xiàn)保護(hù)、啟動(dòng)和運(yùn)行的分時(shí)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(shí)間，我直接采用了74HC00這個(gè)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(jì)硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤的控制采用芯片CH447L來提高運(yùn)作效率，使設(shè)計(jì)模塊化。它可通過4線或2線串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)，并且可以對(duì)單片機(jī)提供上電復(fù)位信號(hào)。CH447L與單片機(jī)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(jī)及數(shù)碼管和鍵盤的連接因?yàn)镃H447L的4線串行接口是由硬件實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)可以頻繁地通過串行接口進(jìn)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(shí)現(xiàn)的,不適合不間斷地頻繁操作,所以我采用了4