【正文】 B0，并向DCLK輸出低電平脈沖；② 以同樣的方式，輸出讀取按鍵代碼命令的位數(shù)據(jù)B1～B11；③ 向LOAD輸出低電平脈沖，其中包括一個(gè)上升沿使CH447L加載串行數(shù)據(jù)，CH447L分析出是讀取按鍵代碼命令，立即在DOUT輸出按鍵代碼的最高位數(shù)據(jù)K6；④ 讀取一位數(shù)據(jù)，即從DOUT輸入按鍵代碼的最高位數(shù)據(jù)K6，并向DCLK輸出低電平脈沖；⑤ 以同樣的方式，輸入按鍵代碼的位數(shù)據(jù)K5～K0。當(dāng)啟用鍵盤掃描功能后，DOUT用于鍵盤中斷和數(shù)據(jù)輸出，默認(rèn)是高電平。當(dāng)單片機(jī)I/O引腳資源緊張時(shí)，CH447L只需要獨(dú)占使用LOAD信號(hào)線，DIN和DCLK信號(hào)線可以與其它接口電路共用。LOAD用于加載串行數(shù)據(jù)，CH447L在其上升沿加載移位寄存器中的12位數(shù)據(jù)，作為操作命令分析并處理，無論移位寄存器中的12位數(shù)據(jù)是否有效，CH447L都會(huì)將其當(dāng)作操作命令。DCLK用于提供串行時(shí)鐘，CH447L在其上升沿從DIN輸入數(shù)據(jù)，在其下降沿從DOUT輸出數(shù)據(jù)。DOUT在未啟用鍵盤掃描功能時(shí)作為串行數(shù)據(jù)輸出線，在啟用鍵盤掃描功能后作為鍵盤中斷和數(shù)據(jù)輸出線，默認(rèn)是高電平。圖312 鍵盤芯片連接圖(3)四線串行接口CH447L具有硬件實(shí)現(xiàn)的高速4線串行接口，包括4個(gè)信號(hào)線：串行數(shù)據(jù)輸入線DIN、串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘線DCLK、串行數(shù)據(jù)加載線LOAD、串行數(shù)據(jù)輸出線DOUT。CH447L所提供的按鍵代碼為7位，位2～位0是列掃描碼，位5～位3是行掃描碼，位6是狀態(tài)碼（鍵按下為1，鍵釋放為0）。如果CH447L檢測到有效的按鍵，則記錄下該按鍵代碼，并通過4線串行接口中的DOUT引腳產(chǎn)生低電平有效的鍵盤中斷，此時(shí)單片機(jī)可以通過串行接口讀取按鍵代碼；在沒有檢測到新的有效按鍵之前，CH447L不再產(chǎn)生任何鍵盤中斷。我所設(shè)計(jì)的鍵盤采用了8*1的鍵盤方式，為了防止鍵被按下后在SEG信號(hào)線與DIG信號(hào)線之間形成短路而影響顯示，要在CH447L的DIG0～DIG7引腳與鍵盤矩陣之間串接限流電阻，其阻值可以從1KΩ至10KΩ。各數(shù)碼管的陰極分別由CH447L的DIG0～DIG7引腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并串接上二極管防止數(shù)碼管反向漏電。如圖311所示CH447L驅(qū)動(dòng)4個(gè)數(shù)碼管和一組LED光二極管(共八個(gè))。默認(rèn)情況下，CH447L工作于不譯碼方式，此時(shí)8個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中字?jǐn)?shù)據(jù)的位7～位0分別對(duì)應(yīng)8個(gè)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)和段G～段A，當(dāng)數(shù)據(jù)位為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管的段就會(huì)點(diǎn)亮；當(dāng)數(shù)據(jù)位為0時(shí)，則對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管的段就會(huì)熄滅。CH447L內(nèi)部的8個(gè)8位的數(shù)據(jù)寄存器用于保存8個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)于所驅(qū)動(dòng)的8個(gè)數(shù)碼管或者8組發(fā)光二極管。CH447L也可以連接88矩陣的發(fā)光二級(jí)管LED陣列或者64個(gè)獨(dú)立發(fā)光管二極管或者64級(jí)光柱。(1)顯示驅(qū)動(dòng)CH447L對(duì)數(shù)碼管和發(fā)光管采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)，順序?yàn)镈IG0至DIG7，內(nèi)部具有電流驅(qū)動(dòng)級(jí)，可以直接驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管。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線接口。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)。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。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。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)。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。 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。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。 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。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。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。鍵盤中斷，可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出。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。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。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。數(shù)碼管的數(shù)據(jù)左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)?？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。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。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。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時(shí)鐘脈沖可以接受的頻率范圍為50～200kHz。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)。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)。ADC由AVCC引腳單獨(dú)提供電源。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。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。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。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。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)）。 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。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。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。該課題所選擇的是外部時(shí)鐘（外部晶體振蕩器）。（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。這三個(gè)存儲(chǔ)器空間都為線性的平面結(jié)構(gòu)。（2）AVR ATmega16的存儲(chǔ)器AVR有兩個(gè)主要的存儲(chǔ)器空間：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間和程序存儲(chǔ)器空間。（1）AVR CPU 內(nèi)核AVR CPU 的主要任務(wù)是保證程序的正確執(zhí)行，它能夠訪問存儲(chǔ)器、執(zhí)行運(yùn)算、控制外設(shè)以及處理中斷。VCC ——數(shù)字電路的電源。XTAL2——反向振蕩放大器的輸出端。使用ADC時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與VCC連接。AVCC——端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。端口B（PA0PA7）、端口C（PA0PA7）和端口D（PA0PA7）與A口類似，不同之處在于它們的第二功能。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。如圖31所示，端口A（PA0PA7）做為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，亦可作為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。另外片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過ISP串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。我所選用的ATmega16是AVR眾多子系列中的一種。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 AVR單片機(jī)ATmega16AVR 單片機(jī)是ATMEL公司推出的精簡指令集單片機(jī)系列，它內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。如果存在危險(xiǎn)，由繼電器驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)一號(hào)繼電器進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)將控制信號(hào)傳入CH447L來驅(qū)動(dòng)LED的故障顯示；如果沒有危險(xiǎn)，繼電器不動(dòng)作。重點(diǎn)是單片機(jī)ATmega16及鍵盤顯示芯片CH447L、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤電路和數(shù)碼顯示電路的應(yīng)用。單片機(jī)系統(tǒng)電路模塊包括AVR芯片與電源、外部晶振、下載接口ISP和仿真接口JTAG的連接；繼電器驅(qū)動(dòng)控制電路模塊包括三個(gè)繼電器動(dòng)作的邏輯控制電路、信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)電路和抗干擾電路等；讀寫顯示芯片（CH447L）控制電路模塊包括LED顯示、鍵盤以及CH447L芯片與各模塊元件的連接。三相模擬信號(hào)的預(yù)處理（包括整流，電平匹配）用自搭電路的形式完成。每一個(gè)方案都有其優(yōu)缺點(diǎn)，由于以前沒有獨(dú)立設(shè)計(jì)一個(gè)大項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，我選擇了相對(duì)簡單的直流采樣，但對(duì)我來說這也是第一次嘗試，我希望自己能夠盡力去做好。另外本課題我采用了直流采樣的信號(hào)處理方式，這也是本設(shè)計(jì)中我和同組同學(xué)的最大差異之處，相對(duì)交流采樣而言，直流采樣相對(duì)簡單些，涉及計(jì)算少，占用系統(tǒng)資源少。沒有硬件，軟件無法運(yùn)行，沒有軟件，硬件則無法實(shí)現(xiàn)其功能。軟件部分主要采用分層和功能模塊化設(shè)計(jì)，第一層是基礎(chǔ)層包括：繼電器、鍵盤、顯示、A/D以及硬件濾波等；第二層主要是中斷，包括外部中斷和定時(shí)中斷，前者用于鍵盤功能模塊，后者用于