【正文】 計時、啟動和保護(hù)；第三層是保護(hù)算法用于實現(xiàn)各種保護(hù)功能（過流、過壓、過載、堵轉(zhuǎn)、斷相、三相不平衡等）。電源設(shè)計要求提供12V和+5V兩個電壓。繼電器的驅(qū)動電路模塊用來實現(xiàn)繼電器的開通和關(guān)斷。總體主要分硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。 論文結(jié)構(gòu)和說明本篇論文共分五章：第一章介紹了本課題的背景,引出了智能啟動器的研究與開發(fā)；第二章介紹了本次設(shè)計的總體方案；第三章重點介紹了本設(shè)計中硬件部分的模塊化設(shè)計以及PCB板的繪制過程；第四章主要介紹了系統(tǒng)軟件部分的程序設(shè)計方案，軟件功能模塊等，第五章則是對本次設(shè)計的總結(jié)及其今后的展望。我負(fù)責(zé)直流采樣的方案即在三相信號進(jìn)入單片機之前，采用相關(guān)模擬電路先整流、濾波，將交流信號先轉(zhuǎn)化為直流信號，再對直流信號進(jìn)行處理，我認(rèn)為這樣做會比直接采用交流采樣簡單，不用考慮相位變化信息，相對而言對單片機的內(nèi)部資源的占用也少得多，工作方面軟硬件都涉及到了，具體內(nèi)容包括電路原理圖設(shè)計，電路板設(shè)計，軟件功能（AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、采樣、鍵盤、顯示和部分保護(hù)方案）及調(diào)試等部分。開始我們打算和其他同學(xué)一樣采用軟硬件分開的任務(wù)分工制,但在實施兩周后,發(fā)現(xiàn)對于一個項目來說,把軟硬件完全分開來設(shè)計是很不合理的,而且對個人知識的掌握也有局限性,所以我們打算軟硬相結(jié)合,我在負(fù)責(zé)硬件的同時還涉及到基礎(chǔ)軟件模塊驅(qū)動程序的設(shè)計。要求熟悉AVR系統(tǒng)的開發(fā)流程，掌握電動機啟動過程的保護(hù)要領(lǐng)，掌握工程開發(fā)的系統(tǒng)步驟與技巧。不僅實現(xiàn)了控制的簡單模塊化而且節(jié)約了控制芯片的內(nèi)部資源。有別于46單片機的AVR芯片具有獨立的模擬I/O口和內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器。該功能雖然可以基本滿足啟動時間較長電動機啟動過程保護(hù)的需要，但對于啟動時間較短或很大功率的電動機，采用該方法可能會引起電動機的損壞。以前保護(hù)動作裝置都以雙金屬片熱繼電器為主，它在保護(hù)電動機過載方面具有較好的效果，并且結(jié)構(gòu)很簡單，但在功能和動作特性上存在嚴(yán)重不足。但往往價格頗高，大型企業(yè)還是一如既往地選擇國外進(jìn)口產(chǎn)品，真正屬于中低檔用戶的產(chǎn)品還是不多。它不僅具有普通保護(hù)功能而且還在經(jīng)常被忽略的啟動階段對電動機進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)。然而由于我國自動化起步較晚,控制思想不如西方發(fā)達(dá)國家成熟和完善，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常由于某些無法預(yù)知的因素，如三相電流嚴(yán)重不平衡、過電流、缺相、過載、堵轉(zhuǎn)等使電動機發(fā)生故障，而電動機通常是企業(yè)內(nèi)轉(zhuǎn)動設(shè)備的主要動力，大量電動機的停運給企業(yè)造成很大經(jīng)濟(jì)損失及生產(chǎn)的混亂，特別是大型連續(xù)化生產(chǎn)要求非常高的危急企業(yè)，還可能引發(fā)其他設(shè)備及人身事故，損失更為嚴(yán)重。AVR電動機智能啟動器項目設(shè)計方案 背景介紹隨著科技的飛速發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步上升，電機設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)千臺電動機同時運作的大企業(yè)已屢見不鮮，可以說我國已進(jìn)入了高度工業(yè)化時期。而且人們的日常生活如交通、運輸也已離不開電動機。因此攜帶保護(hù)功能的電動機智能啟動器成了眾多電機用戶的首選。近幾年來對智能啟動器的研究已進(jìn)入白熱化，從熱繼電保護(hù)啟動到電子智能啟動，市面上的啟動保護(hù)裝置已層出不窮。就是在這樣一個背景下，我們采用了目前廣為流行的8位AVR芯片ATmega16作控制核心，實現(xiàn)控制功能的進(jìn)一步完善和成本的降低。近年來電動機啟動保護(hù)裝置開始向智能化、微機化、數(shù)字化方向發(fā)展，但目前對電動機啟動階段的保護(hù)比較單一，一般都采用啟動定時限保護(hù)。因此我們選擇了運用三個電磁繼電器切換的方式來實現(xiàn)啟動階段與運行階段的分別保護(hù)。因此我們將它與功能強大的CH447L讀寫顯示芯片配合，讀寫顯示部分的處理單獨由CH447L這個芯片來完成，毫無疑問減輕了AVR控制芯片的負(fù)擔(dān)。 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)和要求本課題主要是啟動器的智能控制，其中包括電源設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、繼電器電路設(shè)計以及相關(guān)軟件的編寫。智能啟動器的設(shè)計分為模擬信號的采集，信號的分析處理和鍵盤顯示三部分。另外，該課題我們采用了兩種采樣方式。這樣軟硬結(jié)合的分工，能夠使我們得到全方位的學(xué)習(xí)和鍛煉。第二章 總體方案本課題我主要采用模塊化的設(shè)計方案，先對三相交流信號（電壓、電流）進(jìn)行整流和濾波，再由單片機的模擬I/O口輸入單片機，在單片機內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、比較、保護(hù)判斷等，最后將信息輸出給繼電器模塊使其響應(yīng)動作。硬件部分采用的高速的AVR ATmega16單片機進(jìn)行全局控制；人機界面則運用了CH447L讀寫顯示芯片專門用于控制數(shù)碼管的驅(qū)動和鍵盤的掃描，真正實現(xiàn)了模塊化控制；模擬電路部分用來對輸入的電信號進(jìn)行預(yù)處理（整流、濾波），實現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換，當(dāng)然這時的直流還會有許多紋波，不是真正意義上的直流，所以還要經(jīng)過軟件部分的數(shù)字濾波才能消除部分紋波，減少誤差。而減壓啟動和保護(hù)部分分別用三個繼電器的通斷來實現(xiàn)。它只需要硬件電路，沒有軟件方面的要求，通過簡單的參數(shù)計算過程就可以畫出相應(yīng)原理圖。雖然軟硬件分開設(shè)計，但是在一個項目的運行中，硬件和軟件是始終分不開的，它們是相輔相成的。在本設(shè)計中，我軟硬件結(jié)合，相互交叉進(jìn)行，使得自己在軟硬件方面都得到了很好的學(xué)習(xí)和提高。但其也有相應(yīng)的缺點，如無法對零序電流進(jìn)行處理，無法計算功率等。第三章 基于AVR電動機智能啟動器的硬件設(shè)計 硬件設(shè)計方案基于AVR的智能啟動器的硬件設(shè)計分電源模塊、單片機系統(tǒng)模塊、繼電器驅(qū)動控制電路模塊和讀寫顯示芯片控制電路模塊。因單片機和CH447L均需5V直流電源驅(qū)動，而繼電器需12V直流電源驅(qū)動，故電源模塊提供兩路電源信號。 芯片選型及相關(guān)介紹本設(shè)計以單片機為應(yīng)用核心，通過單片機控制各種外圍芯片及電路。電信號經(jīng)過模擬電路整流濾波處理后由AVR的模擬輸入口輸入單片機內(nèi)部經(jīng)過分析處理。我們還可以通過鍵盤對顯示和時間等進(jìn)行設(shè)置，最終實現(xiàn)電動機啟動的智能控制和實時保護(hù)。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。另外它的程序存儲器是片內(nèi)Flash，可以修改上千次，對新產(chǎn)品的開發(fā)以及升級都十分方便。1. ATmega16的優(yōu)點相對于其他芯片，ATmega16中具有 16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力)，462字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。正是基于ATmega16以上眾多優(yōu)點我選擇了該芯片，而且它價格合理，功能強大，極其符合我們設(shè)計中低檔智能啟動器的設(shè)計理念。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A也處于高阻狀態(tài)。RESET——復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。不使用ADC時，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。XTAL1——反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。AREF ——A/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。GND ——地。它包含了ALU 算術(shù)邏輯單元、狀態(tài)寄存器、通用寄存器（X、Y、Z）、堆棧指針、指針執(zhí)行時序、復(fù)位與中斷處理等。此外，ATmega16 還有EEPROM存儲器用來保存數(shù)據(jù)。另外16K字節(jié)的在線編程Flash，用于存放程序指令代碼。時鐘源分為兩種：外部時鐘和內(nèi)部時鐘。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。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。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。（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。（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。 （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。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。（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。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。AVCC與VCC之間的偏差不能超過177。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。這次轉(zhuǎn)換與通常轉(zhuǎn)換差別就是要多12個ADC時鐘周期。時鐘頻率過高會降低轉(zhuǎn)換精度。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）。 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(jìn)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。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。BCD譯碼支持一個自定義的BCD碼，用于顯示一個特殊字符。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。64級光柱譯碼，通過64個LED組成的光柱顯示光柱值?？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。內(nèi)置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻，內(nèi)置去抖動電路。提供按鍵釋放標(biāo)志位，可供查詢按鍵按下與釋放。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。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。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，因為單片機內(nèi)部是對電壓量進(jìn)行分析處理的。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。由于設(shè)計時考慮到芯片的模擬I/O口有限，在節(jié)