【導(dǎo)讀】智能數(shù)顯表是一種對(duì)外來(lái)的電壓，電流，壓力等信號(hào)進(jìn)行測(cè)量同時(shí)用數(shù)字形式輸出測(cè)量結(jié)果的電子測(cè)量?jī)x表。由于它客觀的顯示出測(cè)量結(jié)果在很多領(lǐng)域中已經(jīng)替代了指針式測(cè)量?jī)x表。本文中要設(shè)計(jì)出一個(gè)智能數(shù)顯表，用它來(lái)可以測(cè)量電壓，電流和功率等信號(hào)，用數(shù)碼管顯示出測(cè)量結(jié)果，由單片機(jī)來(lái)控制它的整個(gè)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(kāi)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(yǔ)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(cè)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(chǎng)改革的核心。具體從儀器的工作原理來(lái)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(dòng)連續(xù)轉(zhuǎn)換命令0xe8。 CS5460A讀寫過(guò)程 CS5460A 寫命令 當(dāng)命令包含寫操作時(shí)，串口將在下面24 個(gè)SCLK 周期對(duì)SDI引腳的數(shù)據(jù)(從高位開(kāi)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(shí)序圖 CS5460A 寄存器讀命令 當(dāng)發(fā)出一個(gè)讀命令時(shí)，串口根據(jù)發(fā)出的命令，在下面的8，16 或24 個(gè)SCLK 周期初始化串行傳輸SDO 管腳上的寄存器的內(nèi)容?？梢越K止在8 位的邊界上(讀出時(shí)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(shí), 微控制器可同時(shí)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(shí)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(shí)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(kāi)路輸出結(jié)構(gòu)，使用時(shí)需要在該線上加上拉電阻。CLK 引腳為串行接口同步時(shí)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(gè)字節(jié)為一組，構(gòu)成一條完整的指令。第一個(gè)字節(jié)為命令字，第二個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)。字節(jié)在傳送時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，數(shù)據(jù)由MCU傳向BC7281，讀出指令（R/W=0）時(shí)，數(shù)據(jù)由BC7281傳向MCU。 BC7281A的讀寫 字節(jié)寫入BC7281A的過(guò)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(gè)寫入寄存器的指令，由連個(gè)字節(jié)寫入操作組成，第一個(gè)字節(jié)為指令字節(jié)，而第二個(gè)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(kāi)始時(shí)，首先需要建立握手信號(hào)，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(gè)STC12C5410 同時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)到BC7281A 的響應(yīng)信號(hào)，立刻停止發(fā)送握手脈沖，并在規(guī)定時(shí)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(cè)試到DAT 線恢復(fù)成高電平后，即開(kāi)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(gè)CLK 脈沖，開(kāi)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(cè)到BC7281A 的低電平握手信號(hào)后，應(yīng)該在Ta 時(shí)間之內(nèi)給出下一個(gè)CLK 脈沖，同時(shí)注意數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)保持時(shí)間，如果數(shù)據(jù)保持時(shí)間小于規(guī)定的值，則有可能造成通訊錯(cuò)誤。STC12C5410寫入BC7281A 所示： BC7281的寫時(shí)序圖 字節(jié)從BC7281A讀出 讀寄存器操作，由一個(gè)字節(jié)寫入操作和一個(gè)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(shí)，也需要建立握手信號(hào)，過(guò)程與寫入數(shù)據(jù)時(shí)相似，但是數(shù)據(jù)讀出是，STC12C5410 僅發(fā)送一個(gè)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(hào)。具體過(guò)程是：STC12C5410 首先向BC7281A 發(fā)出一個(gè)起始CLK 脈沖，BC7281A在收到該脈沖后在DAT 腳開(kāi)始輸出數(shù)據(jù)。此后BC7281 每收到一個(gè)脈沖，即在DAT上輸出一個(gè)數(shù)據(jù)為。一個(gè)與希爾指令不同的地方是，當(dāng)8個(gè)數(shù)據(jù)均讀出了以后，STC12C5410 還必須多發(fā)出一個(gè)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(gè)指令。 所示：圖 BC7281A的讀時(shí)序圖在數(shù)據(jù)傳送期間，BC7281A 不會(huì)進(jìn)行顯示和鍵盤掃描，因此如果通訊速度過(guò)慢（指令的傳送時(shí)間大于掃描周期），將會(huì)對(duì)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(shí)為595 模式，MOD 為0 時(shí)為164 模式，164 模式STAD 端輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，SCLK 端輸出一個(gè)移位脈沖，STAD 輸出8 位數(shù)據(jù)，SCLK 輸出8 個(gè)移位脈沖，而595 模式在結(jié)尾還多輸出一個(gè)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(hào)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(hào)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(cè)到有效按鍵后，鍵值被存到鍵值鎖存器，同時(shí)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(cè)量鍵時(shí)，單片機(jī)所讀鍵值為38，系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)量；當(dāng)用戶按下顯示電流有效值按鍵時(shí)，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(shí)，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(shí)值時(shí)，單片機(jī)所讀鍵值為10，數(shù)碼管顯示電流瞬時(shí)值；用戶按下顯示電壓瞬時(shí)值時(shí)，單片機(jī)所讀鍵值為18，數(shù)碼管顯示電壓瞬時(shí)值；當(dāng)用戶按下顯示功率鍵時(shí)，單片機(jī)讀取鍵值為20，數(shù)碼管顯示功率值；其他兩個(gè)按鍵待升級(jí)用。 浮點(diǎn)數(shù)處理程序 CS5460A 中電流電壓有效值以無(wú)符號(hào)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(shí)值，功率以有符號(hào)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(hào)二進(jìn)制數(shù)處理先判斷符號(hào)位，再左移一位，用無(wú)符號(hào)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(shí)，為浮點(diǎn)小數(shù)。而BC7281A 每次只能讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，主要判斷小數(shù)點(diǎn)位置和一位一位顯示，將無(wú)浮點(diǎn)數(shù)顯示處理具體過(guò)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(guò)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(hào)浮點(diǎn)小數(shù)時(shí)，主要判斷符號(hào)的正負(fù)，判斷正負(fù)通過(guò)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(shí)，符號(hào)位為負(fù)，結(jié)果為0，符號(hào)位不顯示。有符號(hào)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(guò)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(gè)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(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況，通過(guò)查閱大量資料，引出了設(shè)計(jì)一種用于檢測(cè)三相交流電流電壓有效值、瞬時(shí)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(shí)，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(shí)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(gè)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(duì)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(yǔ)言從各個(gè)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(kāi)史軍剛老師的各方面的引導(dǎo)和幫助，在這個(gè)過(guò)程中史軍剛老師給我推薦相關(guān)資料，及時(shí)幫我解決我遇到的問(wèn)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(shí)也感謝那些給我講課的所有的老師和在學(xué)習(xí)過(guò)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(cè)．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