【導(dǎo)讀】智能數(shù)顯表是一種對外來的電壓，電流，壓力等信號進(jìn)行測量同時用數(shù)字形式輸出測量結(jié)果的電子測量儀表。由于它客觀的顯示出測量結(jié)果在很多領(lǐng)域中已經(jīng)替代了指針式測量儀表。本文中要設(shè)計(jì)出一個智能數(shù)顯表，用它來可以測量電壓，電流和功率等信號，用數(shù)碼管顯示出測量結(jié)果，由單片機(jī)來控制它的整個運(yùn)行狀態(tài)。主要解決STC12C5410單片機(jī)，專用電能計(jì)量集成電路芯片CS5460A，多路選擇模擬開關(guān)芯片CD4051，數(shù)碼管和鍵盤的專用接口芯片BC7281，位移寄存器芯片74HC595等芯片和相關(guān)系統(tǒng)電路模塊兒的設(shè)計(jì)和連接，原理圖，PCB圖，C語言程序設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容以及它們的實(shí)際應(yīng)用。該智能數(shù)顯表操作方便，客觀性高，易于改善，只需改變適當(dāng)?shù)挠布蛙浖绦蚓涂梢詼y量電流，電壓，電能，功率等參數(shù)。需進(jìn)一步改進(jìn)完善提高，所以電能計(jì)量是今后電力市場改革的核心。具體從儀器的工作原理來看，它經(jīng)歷了三代：

　　

【正文】 多少次，本次用默認(rèn)值，N=4000，然后寫入啟動連續(xù)轉(zhuǎn)換命令0xe8。 CS5460A讀寫過程 CS5460A 寫命令 當(dāng)命令包含寫操作時，串口將在下面24 個SCLK 周期對SDI引腳的數(shù)據(jù)(從高位開始)記錄。寄存器寫指令后必須跟24 位的數(shù)據(jù)，高位在前。 所示： CS5460A的寫時序圖 CS5460A 寄存器讀命令 當(dāng)發(fā)出一個讀命令時，串口根據(jù)發(fā)出的命令，在下面的8，16 或24 個SCLK 周期初始化串行傳輸SDO 管腳上的寄存器的內(nèi)容。可以終止在8 位的邊界上(讀出時可只讀8，16 或24 位)。同樣，數(shù)據(jù)寄存器讀出允許采用“命令鏈”。因此讀寄存器時, 微控制器可同時發(fā)送新指令，新指令將被立即執(zhí)行，并可能終止讀操作。 所示： CS5460A的讀時序圖 BC7281A的軟件設(shè)計(jì) BC7281的指令格式 BC7281A 與STC12C5410 之間的通訊采用2 線高速串行接口，兩根連線分別是數(shù)據(jù)線DAT 和同步時鐘線CLK，其中DAT 為雙向數(shù)據(jù)傳輸線，BC7281A 既用該線從STC12C5410 接收數(shù)據(jù)，也用該線向STC12C5410 發(fā)送數(shù)據(jù)。BC7281A 的DAT 引腳為漏極開路輸出結(jié)構(gòu)，使用時需要在該線上加上拉電阻。CLK 引腳為串行接口同步時鐘，由STC12C5410 控制，下降沿有效[11]。串行接口數(shù)據(jù)寬度為8 位，兩個字節(jié)為一組，構(gòu)成一條完整的指令。第一個字節(jié)為命令字，第二個字節(jié)為數(shù)據(jù)。字節(jié)在傳送時高位（MSB）在前。串行接口 所示： 串行接口數(shù)據(jù)位 指令字節(jié)中R/W 為讀寫控制，當(dāng)R/W=0 時，由STC12C5410 向BC7281A 的內(nèi)部寄存器內(nèi)寫入數(shù)據(jù)；當(dāng)R/W=1 時，STC12C5410 讀出BC7281A 內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)。a0a4 為目標(biāo)寄存器的地址，其范圍為00H1FH。數(shù)據(jù)字節(jié)即寫入或從寄存器讀出的數(shù)據(jù)，寫入指令（R/W=0）時，數(shù)據(jù)由MCU傳向BC7281，讀出指令（R/W=0）時，數(shù)據(jù)由BC7281傳向MCU。 BC7281A的讀寫 字節(jié)寫入BC7281A的過程 字節(jié)寫入BC7281，包括指令字節(jié)和寫入BC7281A 的數(shù)據(jù)字節(jié)，一個寫入寄存器的指令，由連個字節(jié)寫入操作組成，第一個字節(jié)為指令字節(jié)，而第二個字節(jié)則為數(shù)據(jù)字節(jié)。在接口空閑的情況下，BC7281A 的DAT 引腳處于高阻輸入狀態(tài)，而STC12C5410 端也將DAT 線置于輸入狀態(tài)，上拉電阻使得DAT 線上為高電平。傳輸開始時，首先需要建立握手信號，STC12C5410 先向BC7281A 發(fā)出一系列CLK脈沖，脈沖的數(shù)量可以是任意多個STC12C5410 同時監(jiān)測DAT 線，而BC7281A在收到該握手脈沖后在DAT 線輸入一低電平，表示準(zhǔn)備好可以接受STC12C5410數(shù)據(jù)，STC12C5410 一旦檢測到BC7281A 的響應(yīng)信號，立刻停止發(fā)送握手脈沖，并在規(guī)定時間之類，在CLK 線上再發(fā)送一次脈沖，該脈沖使得BC7281A 的DAT引腳恢復(fù)高阻輸入狀態(tài)，因?yàn)镈AT 線上有上拉電阻，因此DAT 線上回復(fù)陳為高電平，STC12C5410 在測試到DAT 線恢復(fù)成高電平后，即開始發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送是數(shù)據(jù)的高位（MSB）在前。每發(fā)送一個CLK 脈沖，開始部分已發(fā)送部分的CLK脈沖均為下降沿有效。需要注意：STC12C56410 檢測到BC7281A 的低電平握手信號后，應(yīng)該在Ta 時間之內(nèi)給出下一個CLK 脈沖，同時注意數(shù)據(jù)傳輸時的數(shù)據(jù)保持時間，如果數(shù)據(jù)保持時間小于規(guī)定的值，則有可能造成通訊錯誤。STC12C5410寫入BC7281A 所示： BC7281的寫時序圖 字節(jié)從BC7281A讀出 讀寄存器操作，由一個字節(jié)寫入操作和一個字節(jié)讀出操作兩部分，字節(jié)寫入操作寫入指令字，數(shù)據(jù)則有字節(jié)讀出操作讀出。STC12C5410 在傳送完指令字后，應(yīng)將DAT 線置于輸入狀態(tài)，以便從BC7281A 接收數(shù)據(jù)。讀出數(shù)據(jù)時，也需要建立握手信號，過程與寫入數(shù)據(jù)時相似，但是數(shù)據(jù)讀出是，STC12C5410 僅發(fā)送一個單一的握手脈沖，而不是像希爾數(shù)據(jù)是不停的發(fā)送直到收到BC7281A 響應(yīng)信號。具體過程是：STC12C5410 首先向BC7281A 發(fā)出一個起始CLK 脈沖，BC7281A在收到該脈沖后在DAT 腳開始輸出數(shù)據(jù)。此后BC7281 每收到一個脈沖，即在DAT上輸出一個數(shù)據(jù)為。一個與希爾指令不同的地方是，當(dāng)8個數(shù)據(jù)均讀出了以后，STC12C5410 還必須多發(fā)出一個CLK 脈沖，表示數(shù)據(jù)接收完畢，BC7281A 才能從數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)成輸入狀態(tài)，準(zhǔn)備接收下一個指令。 所示：圖 BC7281A的讀時序圖在數(shù)據(jù)傳送期間，BC7281A 不會進(jìn)行顯示和鍵盤掃描，因此如果通訊速度過慢（指令的傳送時間大于掃描周期），將會對顯示造成影響。 BC7281A的初始化 本次設(shè)計(jì)初始化主要是設(shè)置為595 工作模式，設(shè)置MOD 為1 時為595 模式，MOD 為0 時為164 模式，164 模式STAD 端輸出一個數(shù)據(jù)，SCLK 端輸出一個移位脈沖，STAD 輸出8 位數(shù)據(jù)，SCLK 輸出8 個移位脈沖，而595 模式在結(jié)尾還多輸出一個移位脈沖。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)應(yīng)用了74HC595 芯片，所以設(shè)置為595 工作模式。 顯示設(shè)計(jì)軟件編程 本次顯示主要用HEX 譯碼器和段尋址譯碼器，HEX 譯碼器顯示數(shù)字即將要顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送到該譯碼器即可，段尋址譯碼器顯示符號和小數(shù)點(diǎn)。指令為： write7281A(0x15, 0xXX)，0xXX 為需要顯示的數(shù)據(jù)。write7281A(0x18, 0xYY)，0xYY 為要顯示的小數(shù)點(diǎn)或符號段。其中0xYY 所示，其中A6：A0 為段地址，范圍00H7FH，SD 為段狀態(tài)，點(diǎn)亮熄滅跟具體電路有關(guān)。 本次設(shè)計(jì)0 點(diǎn)亮，1 熄滅。表 段尋址譯碼器數(shù)據(jù)格式 鍵盤設(shè)計(jì)軟件編程 鍵盤設(shè)計(jì)軟件編程主要是到BC7281A 鍵值鎖存器讀取鍵值。當(dāng)BC7281A 檢測到有效按鍵后，鍵值被存到鍵值鎖存器，同時KEY 引腳輸出低電平。待STC12C5410 讀取后KEY 恢復(fù)為高電平。本次設(shè)計(jì)用8 鍵，鍵值為00，08，10，18，20，28，30，38，指令為：read7281A(0X13)。當(dāng)用戶按下測量鍵時，單片機(jī)所讀鍵值為38，系統(tǒng)開始測量；當(dāng)用戶按下顯示電流有效值按鍵時，單片機(jī)所讀鍵值為00，數(shù)碼管將顯示電流有效值；用戶按下顯示電壓有效值時，單片機(jī)所讀鍵值為08，數(shù)碼管顯示電壓有效值；用戶按下顯示電流瞬時值時，單片機(jī)所讀鍵值為10，數(shù)碼管顯示電流瞬時值；用戶按下顯示電壓瞬時值時，單片機(jī)所讀鍵值為18，數(shù)碼管顯示電壓瞬時值；當(dāng)用戶按下顯示功率鍵時，單片機(jī)讀取鍵值為20，數(shù)碼管顯示功率值；其他兩個按鍵待升級用。 浮點(diǎn)數(shù)處理程序 CS5460A 中電流電壓有效值以無符號二進(jìn)制數(shù)表示，其值大于等于0 小于1，CS5460A 中電流電壓瞬時值，功率以有符號二進(jìn)制數(shù)表示， 小，單片機(jī)需要將它轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)且處理為實(shí)際值。 有符號二進(jìn)制數(shù)處理先判斷符號位，再左移一位，用無符號二進(jìn)制數(shù)處理的方法處理。當(dāng)單片機(jī)把讀取的數(shù)據(jù)變?yōu)閷?shí)際值時，為浮點(diǎn)小數(shù)。而BC7281A 每次只能讀取一個數(shù)據(jù)，主要判斷小數(shù)點(diǎn)位置和一位一位顯示，將無浮點(diǎn)數(shù)顯示處理具體過程如下： 首先判斷浮點(diǎn)數(shù)的大小，若浮點(diǎn)數(shù)大于等0 而小10，小數(shù)點(diǎn)標(biāo)志point 置相應(yīng)位；若浮點(diǎn)數(shù)大于等10 而小于100，小數(shù)點(diǎn)標(biāo)志point 置相應(yīng)位；若浮點(diǎn)數(shù)大于等于100 而小于1000，小數(shù)點(diǎn)標(biāo)志point置相應(yīng)位；若浮點(diǎn)數(shù)大于等于1000 而小于10000，小數(shù)點(diǎn)標(biāo)志point置相應(yīng)位。由于顯示數(shù)值的數(shù)碼管為4 位。通過將浮點(diǎn)數(shù)乘以10 或100 或1000 轉(zhuǎn)為整數(shù)，再以除10 取余的方式依次將各位數(shù)顯示。 當(dāng)待顯示數(shù)據(jù)為有符號浮點(diǎn)小數(shù)時，主要判斷符號的正負(fù)，判斷正負(fù)通過將從CS5460A 讀取的數(shù)據(jù)第一字節(jié)數(shù)據(jù)與10000000B 相與，然后將所得結(jié)果取最高位，當(dāng)結(jié)果為1 時，符號位為負(fù)，結(jié)果為0，符號位不顯示。有符號浮點(diǎn)數(shù)只能顯示三位數(shù)據(jù)，因?yàn)楸敬蚊肯嚯娏恐挥? 位數(shù)碼管。 本章小結(jié) 本章首先介紹了軟件設(shè)計(jì)在智能化設(shè)計(jì)過程中的重要性以及本次軟件設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)思路和流程圖，然后按流程圖編程了每一個模塊的子程序。包括CS5460A 的讀寫程序，BC7281A 的讀寫程序，浮點(diǎn)數(shù)處理程序以及一系列初始化程序等。第四章 結(jié)論 本文從介紹設(shè)計(jì)的背景和意義以及國內(nèi)外的發(fā)展情況，通過查閱大量資料，引出了設(shè)計(jì)一種用于檢測三相交流電流電壓有效值、瞬時值和功率的智能數(shù)顯儀表。 本人做了以下幾點(diǎn)工作：，初步的了解了該領(lǐng)域的發(fā)展情況和研究思路，為完成任務(wù)制定了初步的方案。2．鞏固了單片機(jī)基礎(chǔ)知識，尤其是STC12C5410單片機(jī)，掌握了CS5410A，BC7281，74HC595等所需要的芯片的相關(guān)參數(shù)信息，功能和主要用途。3．利用電路基礎(chǔ)知識和相關(guān)芯片的功能畫出了該系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖以及各個模塊的電路原理圖，相互連接圖。4．按照系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體要求和思路對軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)，繪制了系統(tǒng)主程序的流程圖。介紹了軟件系統(tǒng)分模塊具體設(shè)計(jì)，利用C程序設(shè)計(jì)語言從各個模塊的子程序入手編寫了程序。 致謝 37致謝 本次設(shè)計(jì)任務(wù)和論文的完成離不開史軍剛老師的各方面的引導(dǎo)和幫助，在這個過程中史軍剛老師給我推薦相關(guān)資料，及時幫我解決我遇到的問題。在本次任務(wù)的完成中起了重要作用。在此向史老師表示最衷心的感謝！同時也感謝那些給我講課的所有的老師和在學(xué)習(xí)過程中幫助我的所有的同學(xué)！ 參考文獻(xiàn) 39參考文獻(xiàn)[1] . 年6 月[2] 姚永平. . 2006年4月[3] CD4051/4052/4053 Sheet [4] 姚永平. . 2006年4月[5] CS5460A 中文數(shù)據(jù)手冊．Cirrus Logic．　2004年4月[6] 51單片機(jī)數(shù)字電壓表畢業(yè)論文．2005年6月[7] 矯建．BC7281A，128段LED 顯示及64鍵鍵盤控制芯片．北京凌志科技．2008年5月[8] 矯建．BC7281A，128段LED 顯示及64鍵鍵盤控制芯片．北京凌志科技．2008年5月[9] 74HC595介紹．Data Sheet．1998年7月[10] Intersil，ICL7660 data sheet[11] 矯建．BC7281A，128段LED 顯示及64鍵鍵盤控制芯片．北京凌志科技．2008年7月 附錄 iii附錄圖1 單片機(jī)及采樣系統(tǒng)電路圖圖2 鍵盤顯示電路圖圖3 系統(tǒng)電源電路圖