基于AVR单片机的电机智能启动器设计

1、本科生毕业设计（论文）摘 要现代科学与技术的迅速发展和进步对控制系统不断提出新的更高的要求。由于各种实际工程系统的规模越来越大、复杂性越来越高，常规控制的理论和技术已无法满足工程上对提高自动化水平和扩大自动化范围的要求。因此，科学与技术的进步促使了智能控制的建立和发展。智能控制技术的应用，给我们提出了很多要求。如电网的波动性，执行机构的智能配套等，都要求越来越严格。作为重要驱动执行机构的电动机，它的控制方式受到广大技术人员的高度重视。既要为智能控制打下良好基础，又要降低电动机起动时对电网的冲击。所以，不得不在电机的启动设备上做工作。基于avr单片机的电机智能启动器的设计，采用减压方式启动电动机

2、，有效地限制电动机的启动电流，减少对电网，电动机，负载机械设备的冲击。并且该设计采用atmega16 八位微处理器进行启动的程序控制，键盘和显示部分则采用了功能强大的ch447l读写显示芯片，最终实现电机降压启动的智能保护和功能完善的人机界面。关键词: atmega16；智能启动器；ch447l；电动机abstractthe rapid development and progress of modern science and technologys have made new and higher requirements to the control system. because of

3、 the increasing scale of practical engineering systems, and also its complexity is getting higher and higher, conventional control theory and technology projects have been unable to meet the level of automation to improve and expand the scope of the requirements of automation.therefore, the progress

4、 of science and technology has promoted establishment and development of intelligent control technology. that gives us a lot of requirements. such as the volatility property of power line, smart matching of executing agency are increasingly stringent requirements. the majority of technical personnel

5、 pay attention to motors control that as an important implementing agency of driven. not only to lay a solid foundation for intelligent control, but also reduce the impact on the gird when the motor starts working. so we should do more work on the equipment of motor starters. the intelligent starter

6、 controlling electromotor based on avr single-chip uses decompression methods to start electromotor, and it can effectively restrict the starting current, and reduce the shocks to electrified wire netting, motor and loaded machinery devices. and the intelligent starter controlling electromotor uses

7、atmega16 what is 8-bit microprocessor to control. and i adopted a powerful display chip ch447l in the part of keyboard and shows, and ultimately it can realize the intelligent protection and improve the function of the man-machine interface.key words：atmega16；intelligence starter；ch447l；electromotor

8、 目 录第1章 绪 论11.1 电动机的发展历史11.2 三相异步电动机的工作原理11.3 三相异步电动机的种类21.4 三相异步电动机的启动方式21.4.1 直接启动（全压启动）21.4.2 定子串电阻或电抗器降压启动31.4.3 绕线式异步电动机转子串电阻启动31.4.4 y/形降压启动41.4.5 延边三角形启动51.5 智能启动器的优点51.6 本论文设计的任务5第2章 电机智能启动器的总体设计方案62.1 电机智能启动器的方案论证62.2 电机智能启动器的组成框图6第3章 电机智能启动器的硬件设计83.1 芯片选择83.1.1 avr单片机简介83.1.2 atmega16单片机的特

9、点83.1.3 atmega16单片机的引脚配置103.1.4 atmega16单片机的中央处理器113.1.5 ch447l读写控制芯片133.2 硬件模块的设计143.2.1 avr单片机系统模块143.2.2 读写显示模块153.2.3 继电器驱动控制电路模块203.2.4 报警电路模块设计233.2.5 串行通信接口电路设计243.2.6 电源电路设计24第4章 电机智能启动器的软件设计264.1 软件设计方案264.2 程序设计264.2.1 主程序及初始化设计264.2.2 数字滤波模块284.2.3 显示模块304.2.4 按键处理模块334.2.5 继电器控制源程序344.2.

10、6 报警系统程序设计344.2.7 中断处理源程序354.2.8 电动机控制程序37参考文献41致 谢42附 录43附 录 元器件清单52附 录 电路图55iv第1章 绪 论1.1 电动机的发展历史电动机也称为“马达”，是把电能转变为机械能的机器。利用电动机可以把发电机所产生的大量电能，应用到生产事业中去。电机是一种基于电磁力定律而实现机电能量转换成机械能。但无论是发电机还是电动机，其工作原理都建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础之上。构造上基本上是一样的，原理却正好相反，电动机是通过转子线圈以引起运动，而发电机则是借转子在磁场中的运动产生电流。为了获得强大的磁场，不论电

11、动机还是发电机，都以使用电磁铁为宜。1821年英国科学家法拉第首先证明了可以把电力转变为旋转运动。最先制成电动机的人，据说是德国的雅可比。他于1834年前后制成了一种简单的装置：在两个u型电磁铁中间，安装一个六臂轮，每臂带两根棒型磁铁。通电后，棒型磁铁与u型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用 ，带动轮轴转动。后来，雅可比做了一个大型的装置。安在小艇上，用320个丹尼尔电池供电，1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2公里，与此同时，美国的达文波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刊电磁和机械情报。1870年比利时工程师格拉姆发明了直流发电机，在设计上，直流发电机和电动机很相

12、似。后来，格拉姆证明向直流发动机输入电流，其转子会象电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大量制造出来。效率也不断提高。1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，因此被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。1.2 三相异步电动机的工作原理(1)当三相异步电机接入三相交流电源(各相差120度电角度)时，就产生了一个以同步转速沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场，该磁场以同步转速沿定

13、子和转子内圆空间作顺时针方向旋转。(2) 由于旋转磁场以同步转速旋转，转子导体开始时是静止的，该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体(转子绕组是闭合通路)产生感应电动势并产生感应电流（感应电动势的方向用右手定则判定）。(3)根据电磁力定律，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。载流的转子导体在定子产生的磁场磁场中受到电磁力作用(力的方向用左手定则判定)，电磁力对电机转子轴形成电磁转矩，驱动电机转子沿着旋转磁场方向旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。由于没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先，电机转动方向与旋转磁场方

14、向相同。 1.3 三相异步电动机的种类按转子结构的不同，三相异步电机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。1.4 三相异步电动机的启动方式异步电动机的启动问题是它在运行中的一个特殊问题。常用的方法有全压直接启动、自耦减压启动、y-形启动、延边三角形启动、软启动、变频启动等。为了保护供电系统不受启动电流峰值的冲击，或者为了保护被加工物件不受此启动转矩带来的过大的机械应力的影

15、响，通常采取降压启动。1.4.1 直接启动（全压启动）每台鼠笼式异步电动机都按照它的结构参数具有它自己的转矩/速度机械特性和电流/速度特性。在直接接入电网启动的情况下，当加上额定电压时，产生一个大于额定电流几倍的启动电流，与此同时，在负载上作用的是启动转矩。对于绝大多数电动机而言，启动转矩值大于额定转矩。直接起动的条件：（只需满足下述三个条件中的一条即可）（1）容量在7.5kw以下的三相异步电动机均可采用。（2）电动机在启动瞬间造成的电网电压降不大于电源电压正常值的10%，对于不经常启动的电动机可放宽到15% 。（3）可用经验公式粗估电动机是否可直接启动，如果电动机的启动电流倍数 小于下式右边

16、的数值时，可直接启动。 启动电流 额定电流 kva变压器容量 kw电动机功率1.4.2 定子串电阻或电抗器降压启动异步电动机采用定子串电阻或电抗器的降压启动原理接线图如图1-1所示。启动时，接触器km1断开，km闭合，将启动电阻串入定子电路，使启动电流减小；待转速上升到一定程度后再将km1闭合，启动电阻被短接，电动机接上全部电压而转为稳定运行。这种启动方法的缺点是：1.启动转矩随定子电压的平方关系下降，它只是用于空载或轻载启动的场合。2.不经济，在启动过程中，电阻器上消耗能量大，不适用于经常启动的电动机，若采用电抗器代替电阻器，则所需设备费用贵，且体积大。图1-1 三相异步电动机定子串电阻启动

17、1.4.3 绕线式异步电动机转子串电阻启动在三相绕线式转子异步电动机的转子电路中串入电阻，就可以有效的限制启动电流。串入电阻对理想空载转速n0、最大转矩tm没有影响，但临界转差率sm则随着串入电阻的增加而增大，适当的串入电阻既可以显著的限制启动电流，还可以大大的提高启动转矩，理想情况下使启动转矩等于最大转矩。在转子电路中串入电阻后特性变得很软，随着转速的上升输出转矩迅速下降，启动过程缓慢。为了加快启动过程，像直流电动机电枢串电阻启动一样，可以采用逐级切换启动电阻的办法，以保持启动过程中的最大动态转矩。1.4.4 y/形降压启动采用y/启动时，接触器的触电km和km1闭合，km2断开，将定子绕组

18、接成y形；待转速上升到一定程度后再将km1断开，km2闭合，将定子绕组接成形，电动机启动完成而转入正常运行。这适用于电动机运行时定子绕组接成形的情况。设电源线电压，及为定子绕组分别接成y形及形的启动电流，z为电动机在启动时每相绕组的等效阻抗，则有 所以,即定子接成y形时的启动电流等于接成形时的启动电流的1/3,而接成y形时的启动转矩,所以。y/降压启动的接线图如图1-2所示：图1-2 三相异步电动机y/降压启动y/换接启动除了可用接触器控制外，尚有一种专用的手操式y/启动器，其特点是体积小、重量轻、价格便宜、不易损坏、维修方便。其缺点是启动转矩小，且启动电压不能按实际需要调节，故只适用于空载或

19、轻载启动的场合，并只适用于正常运行时定子绕组按形接线的异步电动机。我国规定4kw及以上的三相异步电动机，其定子额定电压是380v，连接方法是形。当电源线电压为380v时，它们就能采用y/换接启动。1.4.5 延边三角形启动延边三角形启动在启动时电动机将电动机的一部分定子绕组接成y形，另一部分接成形，从启动时定子绕组连接的图形上看，就好像将一个三角形的三条边延长，因此称为延边三角形。这种接法与y/换接启动法比，延边形接法的相电压较y接法的大，所以，启动电流和启动转矩都较大，具体大多少，则由y形部分绕组与形部分绕组匝数之比来确定。由于这种启动方法对电动机定子绕组的出线有特殊要求，所以用的不是很多。

20、1.5 智能启动器的优点第一：有效降低了电动机的起动电流、可减少配电容量，避免增容投资。第二：减小了电动机及负载设备的起动应力、延长了电动机及相关设备的使用寿命。 第三：完善可靠的保护功能，有效地保护了电动机及相关生产设备的使用安全。 第四：电动机软起动器智能化、网络化技术的应用使得电机控制技术适应了飞速发展的电力自动化技术的更高要求。1.6 本论文设计的任务要求熟悉avr系统的开发流程，掌握电动机启动过程的保护要领，掌握工程开发的系统步骤与技巧。利用avr单片机为控制核心，通过读写控制芯片ch447l和继电器驱动实现电机的智能控制，并按需要的形式输出处理结果。第2章 电机智能启动器的总体设计

21、方案本设计是针对小型电动机，其最大功率不超过4.5千瓦。主要采用模块化的设计方案，先对三相交流信号（电压、电流）进行整流和滤波，再由单片机的模拟i/o口输入单片机atmega16，在atmega16内部进行a/d转换、数字滤波、比较、保护判断等，最后将信息输出给继电器模块使其控制电机工作。如果存在危险，由继电器驱动控制电路进行保护动作，同时将控制信号传入ch447l来驱动led显示故障；如果没有危险，继电器不运作。我们还可以通过键盘对显示和时间等进行设置，最终实现电动机启动的智能控制和实时保护。2.1 电机智能启动器的方案论证尽管直接启动方法简单，启动设备也简单，价格便宜，但其缺点是对电动机及

22、电网有一定冲击。而且电动机启动电流为额定电流的47倍。过大的启动电流一方面会造成电网电压显著下降，直接影响在同一电网工作的其他电动机及用电设备正常运行；另一方面电动机频繁启动会严重发热，加速线圈老化，缩短电动机的寿命。所以为了限制电动机启动时对电网和机械的冲击，以及保证电网的供电质量，在很多场合，都采取减压启动方式，或者在绕线式异步电动机的转子电路中串入阻抗进行启动。本设计中的电动机的智能启动器采用减压启动方式。 2.2 电机智能启动器的组成框图三相模拟信号在进入单片机之前，采用相关模拟电路先整流、滤波，将交流信号先转化为直流信号，再对直流信号进行处理。继电器驱动电路模块用来实现继电器的开通和

23、关断。继电器驱动控制电路模块包括三个继电器动作的逻辑控制电路、信号放大驱动电路和抗干扰电路等。电源设计要求提供+12v和+5v两个电压。因为单片机和ch447l均需+5v直流电源驱动，而继电器需+12v直流电源驱动，故电源模块提供两路电源信号。读写显示模块的控制采用芯片ch447l来提高运作效率，使设计模块化。ch447l对led采用动态扫描驱动，显示故障。键盘电路由用户设定电机保护动作的整定值。整体框图如下： 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图2-1 整体框图基于avr单片机的电机智能启动器,采用减压方式启动电动

24、机,在电动机启动和工作过程中对其运行情况进行监控, 电机在启动器的控制下首先以低电压通电，当通电一段时间后，启动器在定子上加上电机额定电压。在此过程中启动器同时要对电机进行保护。由于不同用途的电机启动转矩不同，在实施减压启动会使电机转矩下降。如果启动过程中电机达不到启动转矩就会发生堵转。电机保护在电机启动以后实施保护。包括：过电流，过电压，断相，三相不平衡，堵转保护。当出现异常时断开电动机电源，防止电动机使用过程中因过载、短路、缺相、过压、欠压而烧毁或损坏的情况发生。智能电机启动器可以对交流信号进行有效值转换计算，实现对电动机运行中的电压、电流参数及时准确的测量。由于采用了内置模数转换器的高速

25、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。 第3章 电机智能启动器的硬件设计3.1 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rs-232c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rs-232电平的转换。3.1.1 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

26、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2.7v6.0v，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。3.1.2 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

27、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2、 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 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3、 jtag 接口( 与ieee 1149.1 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4、 外设特点两个具有独立预分频器和

28、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pwm8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5、 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6、 i/

29、o口 32个可编程的i/o口7、 工作电压:atmega16：4.5 - 5.5v8、 速度等级 0-16mhz atmega169、 atmega16l在1mhz, 3v, 25c时的功耗 正常模式: 1.1 ma 空闲模式: 0.35 ma 掉电模式: 1 a3.1.3 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3-1所示:图3-1 atmega16的40引脚pdip封装配置atmega16引脚功能如表3-1所示：表3-1 atmega16单片机的引脚功能配置引脚符号功能引脚符

30、号功能1pb0/t0定时/计数器0外部计数输入端，pb口第0位40pa0/adc0pa口第0位，数模转换输入端2pb1/t1定时/计数器1外部计数输入端，pb口第1位39pa1/adc1pa口第1位，数模转换输入端3pb2/ain0模拟比较输入端0，pb口第2位38pa2/adc2pa口第2位，数模转换输入端4pb3/ain1模拟比较输入端1，pb口第3位37pa3/adc3pa口第3位，数模转换输入端5pb4/spi从机选择端，pb口第4位36pa4/adc4pa口第4位，数模转换输入端6pb5/mosispi主机输出从机输入端，pb口第5位35pa5/adc5pa口第5位，数模转换输入端7

31、pb6/misospi主机输入从机输出端，pb口第6位34pa6/adc6pa口第6位，数模转换输入端附表8pb7/sckspi穿行时钟输入端，pb口第7位33pa7/adc7pa口第7位，数模转换输入端9复位端，低电平有效32aref模拟转换参考电压10vcc数字电源端31agnd模拟地11gnd数字地30avcc模拟电源端12xtal2振荡器输出端29pc7/tosc2pc口第7位，实时时钟引脚213xtal1振荡器输入端28pc6/tosc1pc口第6位，实时时钟引脚114pd0/rxduart数据接收端，pd口第0位27pc5/td1pc口第5位15pd1/txduart数据发送端，p

32、d口第1位26pc4/td0pc口第4位16pd2/int0外部中断输入0，pd口第2位25pc3/tmspc口第3位17pd3/int1外部中断输入1，pd口第3位24pc2/tckpc口第2位18pd4/oc1bt/c1输出比较1b匹配输出，pd口第4位23pc1/sdapc口第1位19pd5/oc1at/c1输出比较1a匹配输出，pd口第5位22pc0/sclpc口第0位20pd6/icp1t/c1输入捕获端，pd口第6位21pd7/oc2t/c2输出比较匹配输出，pd口第7位3.1.4 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

33、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，并将结果存回到寄存器。寄存器文件中的六个（r26r31）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。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uart8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328通用寄存器1k8数据sram4628eeprom8位数据总线直接寻址间接寻址图3-2 avr增强risc结构状态和测试程序寄存器16k

34、8程序存储器aluatmega16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flas

35、h。3.1.5 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。1、 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

36、个数码管，只为有效数码管分配扫描时间。2、 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3-3所示：图3-3 ch447l的sop28封装seg0seg7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。dig0dig7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2线接口。load四线串行接口的数据加载，内置

37、上拉电阻。din四线串行接口的数据输入，内置上拉电阻。dclk四线串行接口的数据时钟，内置上拉电阻。dout四线串行接口的数据输出，键盘中断输出，低电平有效。3、 键盘控制内置64键键盘控制器，基于88矩阵键盘扫描；内置按键状态输入的下拉电阻和去抖动电路；键盘中断，可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出；提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放；支持按键唤醒，处于低功耗节电状态中的ch447l可以被部分按键唤醒。3.2 硬件模块的设计3.2.1 avr单片机系统模块在电动机启动和工作过程中，atmega16对其运行情况进行监控, 解决各种在启动和运行过程中的故障检测和实时保护动作，内置模数

38、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。图3-4是atmega16系统模块图。图3-4 atmega16系统模块（1）片内基准电压 atmega16具有片内能隙基准源，用于掉电检测，或者是作为模拟比较器或adc的输入。aref给单片机提供基准电压，它有两种情况加上电阻r2时为5v，去掉电阻r2时可以是5v，也可以是2.56v，avcc为模拟电压5v。电感l1,电容c3、c4是用来滤波的，其取值分别为：l1=10uf, c3=100uf, c4=100nf。（2）系统时钟 avr atmega16 的系统时钟有cpu时钟、i/o时

39、钟、异步定时器时钟和adc时钟。时钟源分为两种：外部时钟和内部时钟。xtal1与xtal2分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出，当ckopt被编程时振荡器在输出引脚产生满幅度的振荡。这种模式适合于噪声环境，而且这种模式的频率范围比较宽。当保持ckopt为未编程状态时，振荡器的输出信号幅度比较小。大大降低了功耗，但是频率范围比较窄，不能驱动其他时钟缓冲器。3.2.2 读写显示模块一、键盘控制电路通过查阅大量的有关键盘控制方面的资料，确定单片机通过ch447l读写显示芯片来驱动8个阴极数码管显示并且同时扫描键盘，ch447l 的键盘扫描功能支持 88 矩阵的 64 键键盘。本设计中采用28

40、矩阵16键键盘。键盘控制电路如图3-5所示：图3-5 键盘控制电路在键盘扫描期间，dig7dig0 引脚用于列扫描输出，seg7seg0引脚都带有内部下拉电阻，用于行扫描输入。ch447l定期在显示驱动扫描过程中插入键盘扫描。在键盘扫描期间，dig7dig0 引脚按照 dig0至dig7的顺序依次输出高电平；当没有键被按下时，seg7seg0都为低电平；当有键被按下时，例如连接 dig3与 seg4 的键被按下，则当dig3输出高电平时，seg4检测到高电平；为了防止因为按键抖动或者外界干扰而产生误码，ch447l实行两次扫描，只有当两次键盘扫描的结果相同时，按键才会被确认有效。如果 ch44

41、7l检测到有效的按键，则记录下该按键代码，此时单片机可以通过串行接口读取按键代码；在没有检测到新的有效按键之前，ch447l不再产生任何键盘中断。ch447l不支持组合键，即同一时刻，不能有两个或者更多的键被按下；如果多个键同时按下，那么按键代码较小的按键优先。为保证键盘扫描更可靠，用二极管防止数码管反向漏电，并提高键盘扫描时seg0seg7输入信号的电平。1、键盘编码根据上述对系统的功能分析，为了使电动机能适应不同阶段的数据处理，系统设置了如下16个数字键和功能键。数字键：09功能键：确认、设定、修改、初始化2、其按键配置如图3-6所示：1修改2345确认设定67890初始化+高电平，其余

42、图 3-6 键盘配置ch447l在译码有效的按键后，将按键编号存入键值寄存器中。表3-2给出了与图对应的键盘编码。表3-2键盘编码表键编号键值功能键键编号键值功能键s111s996s222s10107s333s11118s444s12129s555s13130s66确认s1414初始化s77设定s1515s88修改s1616二、数码管显示电路ch447l内部具有8个8位的数据寄存器，用于保存8个字数据，分别对应于 ch447l所驱动的8 个数码管或者8组每组8个的发光二极管。ch447l支持数据寄存器中的字数据左移、右移、左循环、右循环，并且支持各数码管的独立闪烁控制，在字数据左右移动或者左右

43、循环移动的过程中，闪烁控制的属性不会随数据移动。 本设计中采用的ch447l驱动8 个数码管。电动机工作过程中，如果存在危险，由继电器驱动控制电路进行保护动作，同时将控制信号传入ch447l来驱动led显示故障；循环显示当前的电压和电流。数码管显示电路如图3-7所示： 图3-7 数码管显示电路ch447l对数码管采用动态扫描驱动，顺序为 dig0至 dig7，当其中一个引脚吸入电流时，其它引脚则不吸入电流。段驱动引脚 seg6seg0 分别对应数码管的段 g段a，段驱动引脚 seg7 对应数码管的小数点，字驱动引脚dig7dig0分别连接8个数码管的阴极； ch447l支持扫描极限控制，并且只

44、为有效数码管分配扫描时间。当扫描极限设定为1 时，唯一的数码管 dig0 将得到所有的动态驱动时间，从而等同于静态驱动；当扫描极限设定为 8 时，8 个数码管dig7dig0各得到1/8的动态驱动时间；当扫描极限设定为4 时，4 个数码管dig3dig0 各得到1/4的动态驱动时间。ch447l扫描驱动数码管14，实时循环显示当前电机工作的电压和电流，时刻提醒操作者注意电机的运行状态，以保护电机不发生危险情况。同时通过软件编程设定延迟的时间，因为本设计是针对小型电机（最大功率不超过4.5kw），所以我用ch447l扫描驱动数码管58，用于显示电机的额定电压或电流。并通过键盘对显示和时间等进行设

45、置，最终实现电动机智能启动的控制。三、单片机atmega16与ch447l的接口电路单片机（也可以是dsp、微处理器等控制器）通过串行接口控制ch447l芯片，ch447l的数码管显示驱动与键盘扫描控制之间相互独立，单片机可以通过操作命令分别启用、关闭这两个功能。ch447l的串行接口是由硬件实现的，单片机可以频繁地进行高速操作，而绝对不会降低 ch447l的工作效率。单片机atmega16与ch447l的接口电路图如下：图3-8 atmega16与ch447l的接口电路u2（读写控制芯片ch447l）的h3l2 引脚为高电平（或者悬空），ch447l 通过 4 线串行接口与u1（avr at

46、mega16单片机）相连接。ch447l的段驱动引脚串接了电阻 r47r54（270），用以限制和均衡段驱动电流，在5v电源电压下，串接270电阻通常对应段电流10ma。电容 c10和 c11布置于 u2的电源引脚附近，用于电源退耦，减少驱动大电流产生的干扰。由于单片机的部分 i/o 引脚是弱上拉的准双向口，所以在与 ch447l 进行远距离连接的电路中，建议对 din、dclk、load、dout 加上拉电阻以减少干扰，上拉电阻的阻值可以是 1k到10k，近距离无需上拉电阻。ch447l可以动态驱动8个共阴数码管，所有数码管的相同段引脚（段 a段 g 以及小数点）并联后通过串接的限流电阻r4

47、7r54 连接 ch447l 的段驱动引脚 seg0seg7，各数码管的阴极分别由ch447l 的 dig0dig7 引脚进行驱动。串接限流电阻的阻值越大,段驱动电流越小，数码管显示亮度越低，r47r54的阻值一般在100至 1k之间。 在数码管的面板布局上，建议数码管从左到右的顺序是 n1 靠左边，n8 靠右边，以便匹配字左右移动命令和字左右循环移动命令。如果数码管不足 8 个，那么可以优先去掉左边的 n1、n2、n3 等数码管，并设置相应的扫描极限以获得更大的动态驱动电流提高显示亮度。当数码管少于 7 个并且扫描极限小于7时，设置gpoe为1可以将多余的 dig6 和 dig7 引脚用于通

48、用输出引脚。参考图3-9，单片机从 ch447l获得按键代码的过程是： keyb-enableloaddindclk寄存器寄存器寄存器命令译码非 门选择器命令寄存器寄存器keyb-data 图3-9 单片机从 ch447l获得按键代码的过程图 ch447l具有硬件实现的高速4线串行接口，包括 4个信号线：串行数据输入线 din、串行数据时钟线 dclk、串行数据加载线 load、串行数据输出线 dout。其中，din、dclk、load 是带上拉的输入信号线，默认是高电平；dout 在未启用键盘扫描功能时作为串行数据输出线，在启用键盘扫描功能后作为键盘中断和数据输出线，默认是高电平。 din用

49、于提供串行数据，高电平表示位数据 1，串行数据输入的顺序是低位在前，高位在后。 dclk用于提供串行时钟，ch447l在其上升沿从 din输入数据，在其下降沿从 dout输出数据。ch447l内部具有12位移位寄存器，在dclk的上升沿，din上的位数据被移入移位寄存器的最高位寄存器， load用于加载串行数据，ch447l在其上升沿加载移位寄存器中的 12位数据，作为操作命令分析并处理。由于ch447l驱动数码管或者led的电流较大，会在电源上产生较大的毛刺电压，如果电源线或者地线的布线不合理，会影响单片机或者ch447l的稳定性，应使用较粗的电源线和地线，在靠近ch447l在正负电源之间并

50、联电源退耦电容。ch447l采用四线串行传输数据，当单片机与ch447l距离较远时，可以采用光电耦合器传送数据，这将大大提高系统的抗干扰能力。应用光电耦合器的单片机与ch447l接口的框图如图3-10所示：图3-10 应用光电耦合器的单片机与ch447l接口的框图3.2.3 继电器驱动控制电路模块以往的保护动作装置都以双金属片热继电器为主，它在保护电动机过载方面具有较好的效果，并且结构很简单，但在功能和动作特性上存在严重不足。近年来电动机启动保护装置开始向智能化、微机化、数字化方向发展，但目前对电动机启动阶段的保护比较单一，一般都采用启动定时限保护。该功能虽然可以基本满足启动时间较长电动机启动

51、过程保护的需要，但对于启动时间较短或很大功率的电动机，采用该方法可能会引起电动机的损坏。因此我选择了运用三个电磁继电器切换的方式来实现启动阶段与运行阶段的分别保护。本设计采用的三个继电器(k1、k2、k3)是电磁式继电器，其一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，在它的磁极处，有一个动触点，当通电时，街铁被吸引过来，就可以实现与静触点的断开或闭合，从而控制电路的通断，以实现低电压弱电流控制高电压强电流，还可以实现远距离控制及自动控制等。电磁继电器具有工作可靠、寿命长、无火花、抗干扰能力强、开关速度快、能与集成电路兼容等

52、优点。由于它的低驱动电压和小驱动电流能控制大负载，所以在自动化控制方面有着极为广泛的应用。当电机启动时，继电器k2闭合，电机进入降压启动过程；当电流平稳后，继电器k3闭合，k2断开，表示进入了全压运行阶段；当电机遇到危险时，继电器k1会根据保护延迟时间闭合，进行保护动作。三个继电器的驱动电路如图3-11所示:图3-11 三个继电器的驱动电路vs1vs3应根据电动机的功率大小来选择电流参数，一般要取5倍余量。要注意散热，散热片要有足够的面积，再用风扇进行冷却。另外为了避免k2、k3两个继电器同时合的情况，我们加入了一个逻辑互锁电路来避免这种情况的冲突，真正实现保护、启动和运行的分时控制。由于市面

53、上恰好有相关功能的芯片，因此为了节约时间，我直接采用了74hc00这个芯片。74hc00芯片如图3-12所示：图3-12 74hc00引脚配置其内部逻辑电路如图3-13所示:图3-13 互锁逻辑电路其真值表如下:表3-2 74hc00的真值表pb1pb20011010110101111注: 1表示断开, 0表示闭合单片机与74hc00的接口电路如图3-14所示：图3-14 单片机与74hc00的接口电路为了保护单片机，减少其功耗，在单片机输出引脚加入了功率放大的74als04，用于增加单片机的输出进而来驱动继电器。只要是用三极管驱动继电器的场合，一般都有保护二极管的存在，它的接法是：并联在继电

54、器两端，阴极接vcc。继电器线圈是电感性质，电感的特性，流经电感线圈的电流不能突变，如果突然切断电感线圈的电流，电感本身就会产生一个很强的电动势，来试图维持电流不变，这个电动势往往非常强，它会击穿试图阻断电流开关，如果是空气开关，会击穿空气，造成不能断电，如果是半导体开关，就会烧毁这个开关。二极管就是为这个电动势提供一个泄放的通路，由于电动势的方向与电源的方向相反，所以叫做反向电动势，二极管也是反向接入的。继电器的驱动电压为12v，采用三极管的目的是为了放大电流信号以驱动继电器。信号在进入三极管之前还必须由光电耦合器消除干扰信号。光电耦合器消除干扰信号电路图如图3-15所示：图3-15 光电耦合器消除干扰信号电路光电耦合器是20世纪70年代发展起来的新型电子元件，是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，故而输入和输出在电气上是完全隔离的。为保护光电耦合器，还应该在三极管和光藕之间加一个电阻，以免三极管被击穿后，电流过大，将光电耦合器烧坏。3.2.