基于avr单片机的电机智能启动器设计

基于avr单片机的电机智能启动器设计内容摘要：

于采用了内置模数转换器的高速 AVR 单片机 ， 其较高集成度使启动器不仅体积小 ， 功耗低 ， 而且能实现对电动机的多功能、智能化保护。 单 片 机 ATmega16 整流滤波 继电器驱动控制电路 电机 报警电路 显示电 路 三相模拟信号 键盘电路 读写控制芯片 CH447L 本科生毕业设计（论文） 8 第 3章 电机智能启动器的硬件设计 芯片选择 硬件部分采用的高速的 AVR ATmega16 单片机进行全局控制；人机界面则运用了 CH447L 读写显示芯片专门用于控制数码管的驱 动和键盘的扫描，真正实现了模块化控制； 单片机与上位计算机之间以标准 RS232C 接口进行异步串行数据通信，用 MAX232 来进行单片机 TTL 电平和标准 RS232电平的转换。 AVR 单片机简介 AT90 系列单片机是增强 RISC 结构 、内载 Flash 的单片机，通常简称为 AVR单片机。 AVR 单片机是 ATMEL 公司推出的精简指令集单片机系列， 其芯片上的Flash 存储器附在用户的产品中，可随时编程，再编程，使产品设计容易，更新换代方便。 AVR 单片机采用增强的 RISC 结构 使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂 的指令， AVR 单片机工作电压为 ～ ，可实现耗电最优化。 AVR 单片机广泛应用于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器和宇航设备等许多领域。 AVR 单片机有很多种型号，基本结构都比较相近。 在本设计中我选用 的 ATmega16 是 AVR 众多子系列中的一种。 ATmega16 单片机的特点 1 、 AVR RISC 结构 131 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32 个 8位通用工作寄存器 全静态工作 工作于 16MHz 时性能高达 16MIPS 只需两个时钟周期的 硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 16K 字节的系统内可编程 Flash，擦写寿命 : 10,000 次 具有独立锁定位的可选 Boot 代码区，通过片上 Boot 程序实现系统内编程， 真 正的同时读写操作 本科生毕业设计（论文） 9 512 字节的 EEPROM，擦写寿命 : 100,000 次 1K 字节的片内 SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 JTAG 接口 ( 与 IEEE 标准兼容 ) 支持扩展的片内调试功能 通过 JTAG 接口实现对 Flash、 EEPROM、熔丝位和锁定 位的编程 外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 /计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 /计数器 具有独立振荡器的实时计数器 RTC， 四通道 PWM 8 路 10位 ADC， 8个单端通道， 2 个具有可编程增益（ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行 USART 可工作于主机 / 从机模式的 SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉 电检测 片内经过标定的 RC 振荡器 片内 /片外中断源 6 种睡眠模式 : 空闲模式、 ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、 Standby 模式以及扩展的 Standby 模式 I/O 口 32 个可编程的 I/O 口 工作电压 : ATmega16 ： 速度等级 016MHz ATmega16 ATmega16L 在 1MHz, 3V, 25176。 C 时的功耗 正常模式 : mA 空闲模式 : mA 掉电模式 : 1 μA 本科生毕业设计（论文） 10 ATmega16 单 片机的引脚配置 ATmega16 单片机有 40 引脚 PDIP 封装 , 44 引脚 TQFP 封装 , 与 44 引脚 MLF封装。 其 40 引脚 PDIP 封装 配置 如图 31所示 : 图 31 ATmega16的 40引脚 PDIP封装 配置 ATmega16 引脚功能如表 31所示 ： 表 31 Atmega16单片机的引脚功能配置 引脚 符号 功能 引脚 符号 功能 1 PB0/T0 定时 /计数器 0 外部计数输入端， PB口第 0位 40 PA0/ADC0 PA 口第 0 位，数模转换输入端 2 PB1/T1 定时 /计数器 1 外部计数输入端， PB口第 1位 39 PA1/ADC1 PA 口第 1 位，数模转换输入端 3 PB2/AIN0 模拟比较输入端 0， PB口第 2位 38 PA2/ADC2 PA 口第 2 位，数模转换输入端 4 PB3/AIN1 模拟比较输入端 1， PB口第 3位 37 PA3/ADC3 PA 口第 3 位，数模转换输入端 5 PB4/SS SPI 从机选择端， PB 口第 4位 36 PA4/ADC4 PA 口第 4 位，数模转换输入端 6 PB5/MOSI SPI 主机输出从机输入端， PB口第 5位 35 PA5/ADC5 PA 口第 5 位，数模转换输入端 7 PB6/MISO SPI 主机输入从机输出端， PB口第 6位 34 PA6/ADC6 PA 口第 6 位，数模转换输入端 P B 0( T 0)1P B 1( T 1)2P B 2( A I N 0)3P B 3( A I N 1)4P B 4( S S )5P B 5( M O S I )6P B 6( M I S O )7P B 7( S C K )8P D 0( R X D )14P D 1( T X D )15P D 2( I N T 0)16P D 3( I N T 1)17P D 4( O C 1B )18P D 5( O C 1A )19P D 620P D 721R E S E T9V C C10G N D11P C 022P C 123P C 224P C 325P C 426P C 527P C 6( T O S C 1)28P C 7( T O S C 2)29P A 7( A D C 7)33P A 6( A D C 6)34P A 5( A D C 5)35P A 4( A D C 4)36P A 3( A D C 3)37P A 2( A D C 2)38P A 1( A D C 1)39P A 0( A D C 0)40X T A L 212X T A L 113A V C C30A G N D31A R E F32U1 本科生毕业设计（论文） 11 附表 8 PB7/SCK SPI 穿行时钟输入端，PB口第 7位 33 PA7/ADC7 PA 口第 7 位，数模转换输入端 9 RESET 复位端，低电平有效 32 AREF 模拟转换参考电压 10 VCC 数字电源端 31 AGND 模拟地 11 GND 数字地 30 AVCC 模拟电源端 12 XTAL2 振荡 器输出端 29 PC7/TOSC2 PC 口第 7 位，实时时钟引脚 2 13 XTAL1 振荡器输入端 28 PC6/TOSC1 PC 口第 6 位，实时时钟引脚 1 14 PD0/RXD UART数据接收端， PD口第 0位 27 PC5/TD1 PC口第 5位 15 PD1/TXD UART数据发送端， PD口第 1位 26 PC4/TD0 PC口第 4位 16 PD2/INT0 外部中断输入 0， PD 口第 2位 25 PC3/TMS PC口第 3位 17 PD3/INT1 外部中断输入 1， PD 口第 3位 24 PC2/TCK PC口第 2位 18 PD4/OC1B T/C1 输出比较 1B 匹配输出， PD口第 4位 23 PC1/SDA PC口第 1位 19 PD5/OC1A T/C1 输出比较 1A 匹配输出， PD口第 5位 22 PC0/SCL PC口第 0位 20 PD6/ICP1 T/C1输入捕获端， PD口第 6位 21 PD7/OC2 T/C2 输出比较匹配输出， PD口第 7位 ATmega16 单片机的 中央处理器 ATmega16 的中央处理器由 32个 8位通用寄存器、 1个算术逻辑运算单元及状态和控制逻辑单元组成。 32 个 8 位通用寄存器 可单周期访问。 这意味着，在一个时钟周期内 ALU可以完成一次如下操作：读取寄存器文件中的两个操作数执行操作，并将结果存回到 本科生毕业设计（论文） 12 寄存器。 寄存器文件中的六个（ R26～ R31）可以组成 3 个 16 位间接寻址寄存器 X、Y、 Z，以提高 ALU 的地址运算能力。 其中 Z 指针还用于查表功能。 ATmega16 的 增强 RISC 结构 ： ALU 支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。 ALU也可以执行单寄存器操作。 运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。 I/O 存储器空间包含 64 个可以直接寻址的地址，作为 CPU 外设 的控制寄存器、 SPI，以及其他 I/O 功能。 映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址 0x20 0x5F。 AVR 采用了 Harvard 结构，具有独立的数据和程序总线。 程序存储器里的指令通过一级流水线运行。 CPU 在执行一条指令的同时读取下一条指令 ( 在本文称为预取 )。 这个概念实现了指令的单时钟周期运行。 程序存储器是可以在线编程的FLASH。 指令寄存器 指令译码器 控制线 控制寄存器 中断单元 SPI 单元 串行 UART 8 位定时器 /计数器 16 位带PWM 定时器 /计数器 看门狗定时器 模拟比较器 32 根 I/O 线 32 8 通用寄存器 1K 8 数据 SRAM 462 8EEPROM 8 位数据总线 直接寻址 间接寻址 图 32 AVR增强 RISC结构 状态和测试 程序寄存器 16K 8 程序存储器 ALU 本科生毕业设计（论文） 13 CH447L 读写控制芯片 在 本设计 中采用 的 CH447L 读写芯片 用于数码管显示驱动和键盘扫描控制，并且内置时钟振荡电路，可 动态驱动 8位数码管或者 64 位 LED，具有 BCD译码、闪烁、移位等功能； 还可以进行 64 键的键盘扫描； CH447L 通过可以级联的 4 线串行接口或者 2线串行接口与单片机等交换数据；可以对单片机提供上电复位信号。 显示驱动 内置电流驱动级，段电流小于 15mA；动态显示扫描控制，直接 驱动 8位数码管或者 64位 LED 或 ；可选数码管的段与数据位 对应 BCD 译码 方式；数码管的字数据的左移，右移，左循环，右循环；各数码管的数字独立闪烁控制，可选快慢两种闪烁速度扫描极限控制，支持 1到 8个数码管，只为有效数码管分配扫描时间。 封装及引脚配置 读写控制芯片 CH447L 有 SOP28， DIP24 两种封装。 其 SOP28 封装如图 33所示： 图 33 CH447L 的 SOP28 封装 SEG0～ SEG7—— 数码管的段驱动，高电平有效；键盘扫描输入，高电平有效，内置下拉电阻。 DIG0～ DIG7—— 数码管的字驱动，低电平有效；键盘扫描输出，高电平有效。 VCC—— 正电源，持续电流不小于 120mA。 GND—— 公共接地，持续电流不小于 120mA。 RST—— 上电复位输出，高电平有效。 RST—— 上电复位输出，低电平有效。 H3L2—— 串行接口方式选择，内置上拉电阻，高电平选 4 线接口，低电平 选S E G 015S E G 116S E G 217S E G 318S E G 419S E G 520S E G 621S E G 722D I G 71D I G 62D I G 53D。