【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 時(shí)終止CPU和除了異步定時(shí)器與ADC以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)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(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。本芯片是以Atmel高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過(guò)ISP串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運(yùn)行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)(Application Flash Memory)。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW操作。通過(guò)將8位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega16成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。 ATmega16單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ATmega16單片機(jī)的CPU核心ATmega16是具有16KB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH的基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的高功能、低功耗8位CMOS微控制器。它具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，屬于非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其外設(shè)特點(diǎn)為：兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器，一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC，四通道PWM，8路10位ADC（包括8個(gè)單端通道，TQFP封裝的7個(gè)差分通道，2個(gè)具有可編程增益（1x,10x,或200x）的差分通道）工作電壓為ATmega16： ，它的特殊的處理器特點(diǎn)為：上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)，片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的RC 振蕩器，片內(nèi)/ 片外中斷源，6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴(kuò)展的Standby 模式等，下圖1就是AVR的CPU內(nèi)核結(jié)構(gòu)的方框圖： 數(shù)據(jù)總線8位 程序計(jì)數(shù)器閃存指令寄存器指令解碼器Data SRAM狀態(tài)控制器32x8位通用寄存器EEPROMI/O Lines中斷單元SPI單元看門狗定時(shí)器模擬類比較器I/O模塊1 I/O模塊2I/O模塊nALU圖1 AVR 結(jié)構(gòu)的方框圖 ATmega16的引腳功能介紹下面簡(jiǎn)單介紹一下ATmega16單片機(jī)的引腳功能：VCC 電源正 GND 電源地 端口A(PA7..PA0)端口A作為A/D轉(zhuǎn)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(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。 端口B(PB7..PB0) 端口B為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)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) 端口C為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)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(fù)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) 端口D為8位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)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(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過(guò)最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。 XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。 AVCC AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時(shí)應(yīng)通過(guò)一個(gè)低通濾波器與VCC連接。 AREF A/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。下圖為ATmega16的引腳配置圖：圖2 ATmega16的引腳配置 處理器模塊的電路設(shè)計(jì)根據(jù)前面的分析，控制器模塊電路圖設(shè)計(jì)如圖3所示：圖3 處理器模塊硬件電路圖人機(jī)接口是本電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的重要組成部分，通過(guò)它可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)定，顯示電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及報(bào)警等功能?？紤]到本單片機(jī)片上I/O口較少，為了合理利用單片機(jī)的片上資源，我的按鍵電路模塊設(shè)置了四個(gè)獨(dú)立式按鍵，按鍵功能分別是：翻頁(yè)鍵（顯示對(duì)電流或電壓的設(shè)置），向上鍵（增加鍵），向下鍵（減少鍵）和修改鍵。鍵盤的四個(gè)輸入端分別接PC0，PC1，PC2，PC3，鍵盤設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示：圖4 按鍵設(shè)計(jì)電路 液晶顯示原理液晶顯示器（LCD）是一種新型的低功耗顯示器，其基本原理是：在正常情況下，液晶對(duì)光具有旋光作用，使光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90o，當(dāng)光線通過(guò)兩個(gè)偏振片和液晶盒后，能沿原路經(jīng)反射極返回，此時(shí)液晶盒呈透明狀態(tài)；當(dāng)液晶盒的電極上加一定的電壓后，電極連接部分的液晶就失去旋光性，導(dǎo)致不能通過(guò)兩個(gè)偏振片，從而顯示黑色。按不同需要組合液晶電極通電方式或把液晶電極做成各種需要的形狀，就能實(shí)現(xiàn)功能多樣、形態(tài)各異的顯示。 液晶顯示器的特點(diǎn)LCD作為電子信息產(chǎn)品的主要顯示器件，相對(duì)于其它類型的顯示部件來(lái)說(shuō)，有其自身的特點(diǎn)[7]：（1）低電壓微功耗：LCD的工作電壓一般是3~5V，每平方厘米的液晶顯示屏的工作電流為微安級(jí)，所以液晶顯示器件是要求低功耗設(shè)備的首選顯示器件。（2）平板型結(jié)構(gòu)：LCD的基本結(jié)構(gòu)就是由兩片玻璃組成的很薄的盒子。這種結(jié)構(gòu)具有使用方便，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，特別是在生產(chǎn)上，適宜采用集成化生產(chǎn)工藝，通過(guò)自動(dòng)生產(chǎn)流水線可以快速大批量生產(chǎn)。（3）使用壽命長(zhǎng)：LCD器件本身幾乎沒(méi)有劣化問(wèn)題。若注意器件防潮、防壓、防止劃傷、防止紫外線照射、防靜電等，同時(shí)注意使用溫度，LCD可以使用很長(zhǎng)一段時(shí)間。（4）被動(dòng)顯示：對(duì)LCD來(lái)說(shuō)，環(huán)境光線越強(qiáng)顯示內(nèi)容越清楚。人眼所感受的外部信息的90%以上是外部物體對(duì)光的反射，而不是物體本身發(fā)光，所以被動(dòng)顯示更適合人的視覺(jué)習(xí)慣，更不容易引起疲勞。這在信息量大、顯示密度高、觀看時(shí)間長(zhǎng)的場(chǎng)合更顯得重要。（5）顯示信息量大且易于彩色化：LCD和CRT相比，由于LCD沒(méi)有蔭罩限制，像素可以做的很小，這對(duì)于高清晰電視是一種理想的解決方案。同時(shí)，由于液晶易于彩色化，因此方法也很多，特別是液晶電視的色彩可以做的十分逼真。（6）無(wú)電磁輻射：CRT工作時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，還會(huì)產(chǎn)生有害的X射線，影響環(huán)境，而LCD不會(huì)有這類問(wèn)題。 LCD1602液晶顯示器LCD器件按照其采光方式分類，分為帶背光源與不帶背光源兩大類。不帶背光源的LCD顯示是靠背面的反射膜將射入的自然光從下面反射出來(lái)完成；帶背光源的LCD顯示器內(nèi)部集成光源，可以在較差的光線條件下實(shí)現(xiàn)顯示?？紤]到本電動(dòng)機(jī)保護(hù)器需要24小時(shí)工作，而且可能被安裝到各種無(wú)光源條件的工作環(huán)境中，所以本保護(hù)器選用帶背光型LCD。下圖為本設(shè)計(jì)所采用的1602液晶顯示器接口原理圖： 圖5 1602液晶接口原理圖本設(shè)計(jì)所采用的1602液晶顯示器是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符（16列2行）。下表為1602液晶屏的寄存器選擇控制表：表2 寄存器選擇控制表RSR/W操作說(shuō)明00寫(xiě)入指令寄存器（清楚屏等）01讀busy flag（DB7），以及讀取位址計(jì)數(shù)器（DB0~DB6）值10寫(xiě)入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字符等）11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)注：關(guān)于E=H脈沖——開(kāi)始時(shí)初始化E為0，然后置E為1，再清0.busy flag（DB7）：在此位為被清除為0時(shí)，LCD將無(wú)法再處理其他的指令要求。1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來(lái)的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣，如下表所示：表3 字符型LCD引腳功能引腳符號(hào)功能說(shuō)明1VSS一般接地2VDD接電源（+5V）3V0液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10k的電位器調(diào)整對(duì)比度）。4RSRS為寄存器，高點(diǎn)平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。5R/WR/W為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平1時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平0時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。6EE（或EN）端為使能端，下降沿使能。7DB0低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線0位（最低位）8DB1低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線1位9DB2低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線2位10DB3低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線3位11DB4低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線4位12DB5低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線5位13DB6低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線6位14DB7高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光電源正極16BLK背光電源負(fù)極1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。下表是1602液晶模塊內(nèi)部字符的顯示地址對(duì)照表：表4 顯示地址對(duì)照表1234567891011121314151600H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH40H41H42H43H44H45H46H47H48H49H4AH4BH4CH4DH4EH4FH電動(dòng)機(jī)保護(hù)器需要對(duì)電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，這就需要保護(hù)裝置實(shí)時(shí)讀取電動(dòng)機(jī)的端電壓、線電流以及電動(dòng)機(jī)溫度等參數(shù)。這些參數(shù)在送入微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前需要進(jìn)行一些必要的信號(hào)處理如：調(diào)理濾波、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換等。這些都可以通過(guò)AVR內(nèi)部的ADC實(shí)現(xiàn)完成。 電壓、電流信號(hào)處理電動(dòng)機(jī)的端電壓一般為380V，線電流可達(dá)幾十乃至上百安培，這不可能直接送到AD轉(zhuǎn)換器直接進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，因此在本裝置中使用電壓互感器和電流互感器將高電壓，大電流轉(zhuǎn)換成模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以接受的低電壓小電流。然后再將對(duì)電流進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換，將電流量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓量。本設(shè)計(jì)所采集的數(shù)據(jù)信號(hào)有四路，一路三相電壓信號(hào)，三路輸入電路信號(hào)，具體采集原理見(jiàn)如下倆圖：圖6 三相電壓互感器采集圖7 電流互感器采集通過(guò)電壓互感器和電流互感器對(duì)電動(dòng)機(jī)采集來(lái)的較大的電壓和電流做一些處理，這樣就可以變成較小的模擬信號(hào)，便于測(cè)量。 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換ATmega16有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來(lái)自端口A 的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0V (GND)為基準(zhǔn)。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADCADC0 與ADCADC2)有可編程增益級(jí)，在A/D轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供0dB(1x)、20dB(10x) 或46dB(200x)的放大級(jí)。七路差分模擬輸入通道共享一個(gè)通用負(fù)端(ADC1), 而其他任何ADC輸入可作為正輸入端。如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。如果使用200x增益，可得到7位分辨率。ADC由AVCC引腳單獨(dú)提供電源，ADC中還包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過(guò)程中輸入到ADC 的電壓保持恒定。ADC通過(guò)逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)10 位的數(shù)字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引腳上的電壓再減去1LSB。在AREF上外加電容可以對(duì)片內(nèi)參考電壓進(jìn)行解耦以提高噪聲抑制性能。模擬輸入通道與差分增益可以通過(guò)寫(xiě)ADMUX寄存器的MUX位來(lái)選擇。任何ADC輸入引腳，像GND及固定能隙參考電壓，都可以作為ADC的單端輸入。ADC輸入引腳可選做差分增益放大器的正或負(fù)輸入。如果選擇差分通道，通過(guò)選擇被選輸入信號(hào)對(duì)的增益因子得到電壓差分放大級(jí)。然后放大值成為ADC的模擬輸入。如果使用單端通道，將繞過(guò)增益放大器。通過(guò)設(shè)置ADCSRA寄存器的ADEN即可啟動(dòng)ADC。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果為10位，存放于ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCH及ADCL中。默認(rèn)情況下轉(zhuǎn)換結(jié)果為右對(duì)齊，但可通過(guò)設(shè)置ADMUX寄存器的ADLAR變?yōu)樽髮?duì)齊。如果要求轉(zhuǎn)換結(jié)果左對(duì)齊，且最高只需8位的轉(zhuǎn)換精度，那么只要讀取ADCH就足夠了。否則要先讀ADCL，再讀ADCH，以保證數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容是同一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。一旦讀出ADCL， ADC對(duì)數(shù)據(jù)寄存器的