基于单片机智能交流电压表的设计.docx

嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。基于单片机智能交流电压表的设计摘要电工参数一般包括电压、电流、功率、频率、功率因数等。在电网调度自动化的设 备中需要配置多只测量显示上述电工参数的镶嵌式面板表，如电压表、电流表、功率表 等等，其一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪费人力 资源，数据管理不便，容易出错。近年来，随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成 电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。本文在研究国内外有关智能仪器仪表最新科研成果的基础上，采用单片机为测量仪 器的主控制器，设计出可与上位计算机进行通信的新型智能交流电压表。这种以单片机为主体的新型智能仪表将计算机技术与测量控制技术结合在一起，在 测量过程自动化，测量结果数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进步。关键词:单片机，智能仪表，数据处理，通信如需此论文 Word 版本，单片机程序/单片机技术支持，请访问: 嵌入式应用软件园。15Intelligence alternating voltage meter on Single-chip Microcomputer AbstractElectrical parameter includes voltage, current, power, frequency power factor ,and soon .The adjustment system of electrical network needs many panel instruments that can show the electrical parameter, such as voltage, current, power, cycle etc. Usually these instrument is not accurate, wastes manpower resource, and the management of the data is inconvenient and easy to mistake. Recently the development ofmicro-electronics technology and the advent of SLSI, especially the advent. Of single chip, lead to a new revolution in the field of instrument.In this paper，on the basis of studying the up to date fruit of instrument ,a new intellective instrument which adopts single chip as control core and which can communicate with the PC is designed.This appliance which bases on the single chip compounds the technology of computer and measure. It is improved very much on processing result and the diversification of function.Key words: single chip, intellective instrument, data process, communication.目录引言6第一章方案选择71.1 设计结构图71.2 芯片的选择7第二章 硬件电路设计92.1 总硬件电路设计92.2 AT89S51 单片机简介92.2.1 芯片特点92.2.2 芯片管脚介绍102.3 电压信号采样122.3.1 设计原理简介122.3.2 精密电压互感器 SPT205B122.4 A/D 转换电路142.4.1 A/D 转换芯片介绍142.4.2 TLC1549 与单片机的连接152.5 显示单元162.5.1 MAX7219 芯片的介绍162.5.2 引脚说明162.5.3 工作原理172.5.4 显示单元与单片机连接电路182.6 通信接口硬件设计182.6.1 数据通信基础192.6.2 RS-232 标准接口总线192.6.3 芯片 MAX485 介绍20第三章 软件部分233.1 软件整体结构233.2 电压采集模块243.2.1 数字滤波243.2.2 A/D 转换253.3 显示模块263.4 通讯模块27结论和展望29参考文献30致谢31附录 A 电压表电路图32附录 B 源程序33附录 C 外文文献及其译文34附录 D 参考文献摘要36插图清单图 1-1 整体结构图7图 2-1 单片机引脚图10图 2-2 采样部分的原理图12图 2-3 尺寸结构图13图 2-4 交流互感器部分电路图14图 2-5 TLC1549 引脚排列15图 2-6 TLC1549 方式 1 的时序图15图 2-7 TLC1549 与单片机 AT89S51 的连接图16图 2-8 MAX7219 芯片实物封装图17图 2-9 MAX7219 芯片工作时序图18图 2-10 MAX7219 与 51 单片机的接线电路18图 2-11 MAX485 芯片引脚介绍21图 2-12 PC 与单片机串行通讯22图 3-1 总体软件流程23图 3-2 数字滤波的流程图25图 3-3 A/D 转换流程图26图 3-4 显示模块流程图27图 3-5A 单片机与微机信的软件框图28图 3-5B 初始化框图28表格清单表 2-1 精密电压互感器 SPT205B 性能指标表12引言电力系统参数一般包括电压、电流、功率、频率、功率因数等。在电网调度自动化 的设备中需要配置多只测量显示上述电工参数的镶嵌式面板表，如电压表、电流表、功 率表等等，其一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪费 人力资源，数据管理不便，容易出错。近年来，随着微电子技术的迅速发展和超大规模 集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。 本文在研究国内外有关智能仪器仪表最新科研成果的基础上，采用单片机作为测量仪器的主控制器，设计出可与上位计算机进行通信的新型智能交流电压表。这种以单片 机为主体的新型智能仪表将计算机技术与测量控制技术结合在一起，在测量过程自动 化，测量结果数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进步。第一章 方案选择1.1 设计结构图本设计是基于单片机智能交流电压表的设计，设计中使用了精密交流互感器，桥式 整流器，式滤波单元，串行 A/D 转换器，MCS-51 系列单片机，显示驱动器，LED 数码管，上位通信单元几部分组成。整体结构图如下 1-1交 流互 感器整流滤波放大单 元A / D转 换器单 片机通 讯单 元显示单元图 1-1 整体结构图被测交流电压由精密交流互感器降压得到与输入被测电压成比例的交流电压值：经 整流滤波得到与输入电压成比例的直流电压值。由 AD 转换芯片 TLC1549 转换成相应的数值量；再由单片机存储在内存单元，做相应的数字信号处理(算法)；然后通过显示 驱动器 MAX 7219 驱动四个LED 数码管显示结果，并通过 MAX485 收发器芯片与上位机相连。智能电压表有简单的监控功能，能实时显示并记录当前电压情况。通过智能交流电 压表，达到了监控交流电压有效值变化的目的。1.2 芯片的选择电力系统参数一般包括电压、电流、功率、频率、功率因数等等。在电网调度自动 化的设备中需要配置多只测量显示上述电_工参数的镶嵌式面板表，如电压表、电流表、 功率表等等，其一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪 费人力资源，数据管理不便，容易出错。本设计采用 ATMEL 生产的MCS-51 系列的 AT80S51 单片机芯片作为主芯片。没有采用其他公司芯片的理由是我们单片机课程详细修过 MCS-51 系列单片机，且 MCS-51 单片机所占的市场分额很大，在单片机领域影响力很大，几十年居于单片机领域领头羊 地位，其产品大量作为单片机教材范例使用。本想用最常见并主修过的 AT89C51，但现在，89S51 目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，89S51 在工艺上进行了改进，89S51采用 0.35 新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力，并增加了很多新功能，内置看门狗记时器，所以我选择它。整流电路方面本来使用双二极管进行整流，但考虑到更高的精确性，使用了简单实 用的桥式整流电路，并采用成本低廉，电路简单的型滤波电路进行滤波。使用精密电 压互感器 SPT205B 进行电压信号的降压处理， 是为了更高的信号采样精密 度， SPT205B 实际上是一款毫安级精密电流互感器，精密度很高。本想使用电阻级联进行分压，但其精确度和抗干扰性就大大差远了，极大的影响了测量的精确性，所以采用了电 压互感器降压。A/D 转换部分采用的 TLC1549 芯片是TI 工公司生产的 10 位逐次逼近模数转换器， 该器件具有两个数字输入端和一个 3 态输出端。没有采用同系列的 8 位 A/D 转换芯片TLC549，是因为本芯片精度更高，可以达到令人满意的效果。显示方面采用了美国 MAXIM 公司生产的串行输入/输出共阴极显示驱动器系列芯片 MAX7219，以其功能强大，编程简单，控显可靠，可泛用于工业控制器等力一面的数码显示驱动，比较成熟的应用即为与单片机的结合。选用 LED 数码管显示电压值， 精度高，可视距离远。并利用上位 PC 机对电压值进行监控，完成了机械式面板表和一般数字式电压表不能完成的工作。LED 数码管简单经济，使我放弃了本想使用的液晶显示单元，虽然先进有挑战性，但却极大的增加了成本，对产品的功能设计而言毫无意义， 所以最后选择了 LED 数码管作为显示单元。在于上位机相连模块，采用了 MAX485 收发器芯片，可实现多片并联并通过 MAX232 与上位机通讯，节省了通讯资源和上位机的利用率，故我选择它。第二章 硬件电路设计2.1 总硬件电路设计在智能电压表的设计中主要包括硬件、软件、及仪表工艺三方面的问题。硬件方面 采用了桥式整流及 N 式滤波环节，A/D 转换芯片TLC1549 与单片机配合完成 A/D 转换的工作。选用 MCS-51 系列 AT80S51 芯片进行数据处理。四块八段 LED 进行显示。MAX485 作为电平转换芯片，用于通信部分的设计。2.2 AT89S51 单片机简介2.2.1 芯片特点说到 AT89S51 单片机就不得不说他的原形 AT89C51 单片机。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其特点如下：· 8031 CPU 与 MCS-51 兼容· 4K 字节可编程FLASH 存储器(寿命：1000 写/擦循环)· 全静态工作：0Hz-24KHz· 三级程序存储器保密锁定· 128*8 位内部RAM· 32 条可编程I/O 线· 两个 16 位定时器/计数器· 6 个中断源· 可编程串行通道· 低功耗的闲置和掉电模式· 片内振荡器和时钟电路不过在市场化方面，89C51 受到了PIC 单片机阵营的挑战，89C51 最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上 ISP 功能等新功能才能更好延续 MCS-51 的传奇。89S51 就是在这样的背景下取代 89C51 的，现在，89S51 目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，89S51 在工艺上进行了改进，89S51 采用 0.35 新工艺，成本降低, 而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX 可以像下兼容 89CXX 等 51 系列芯片。同时ATMEL 不再接受 89CXX 的定单，大家在市场上见到的 89C51 实际都是 ATMEL 前期生产的巨量库存而以。89S51 相对于 89C51 增加的新功能包括：- 新增加很多功能，性能有了较大提升;- ISP 在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。- 工作频率为 33MHz，大家都知道 89C51 的极限工作频率只有 24M，就是说 S51 具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。- 具有双工 UART 串行通道。- 内部集成看门狗计时器，不再需要像 89C51 那样外接看门狗计时器单元电路。- 双数据指示器。- 电源关闭标识。- 全新的加密算法，这使得对于 89S51 的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。- 兼容性方面：向下完全兼容 51 全部字系列产品。比如 8051、89C51 等等早期MCS-51兼容产品。在 89c51 上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。2.2.2 芯片管脚介绍我所采用的 MCS-51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照单片机引脚图 2-2-1。1P1. 0VCCP1. 1P0. 0P1. 2P0. 1P1. 3P0. 2P1. 4P0. 3P1. 5P0. 4P1. 6P0. 5P1. 7AT89 S5 1P0. 6RST P0. 7P3. 0 (RXD)EA/VPP P3. 1 (TXD) ALE/ PROG P3. 2 (INT0 )PSENP3. 3 (INT1 )P2. 7P3. 4 (T0)P2. 6P3. 5 (T1)P2. 5P3. 6 (WR)P2. 4P3. 7 (RD)P2. 3XTAL2P2. 2XTAL1P2. 1GNDP2. 02345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 4 0 3 9 3 8 3 7 3 6 3 5 3 4 3 3 3 2 3 1 3 0 2 9 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 图 2-1 单片机引脚图引脚功能：MCS-51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照以上单片机引脚图：VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时，ALE 只有在执行MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.3 电压信号采样2.3.1 设计原理简介我所设计的电压信号采样模块中，被测电压信号经过电压互感器，幅值降低 1000 倍，再由桥式线性整流，整流后的脉动直流经型滤波电路滤波得到平直的直流信号， 送到TLC1549 的电压输入端。图 2-2 为采样部分的原理图。电压互感器桥式整流 式滤 波TLC 1549图 2-2 采样部分的原理图2.3.2 精密电压互感器 SPT205B本设计电压采集部分采用电压互感器进行降压处理， 采用精密电压互感器SPT205B，它使用了精密小巧的 PCB 板焊接安装，高隔离度耐冲击的全树脂密封。性能指标如下表 2-1性能指标：表 2-1 精密电压互感器 SPT205B 性能指标表额定输入电流3mA最大电流常通 10mA额定输出电流2mA线性范围010mA(Rl<5%Ri)额定输入电压串联电阻后 50V1000V可耐冲击电流100mA * 1 秒额定输入电压50mV8V（运放输出）隔离耐压>4000Vac匝数比1:3使用温度-50+65线性度<0.1%贮藏温度-60+80相移小于 5（经过补偿后）相对湿度<90%副边电阻110W(204A)/210W(204B)/430W(205B)重量1516 克SPT205B 实际上是一款毫安级精密电流互感器，输入额定电流为 1mA 至 10mA 任选，输入/输出电流为 3：1，一般额定输入电流为 3mA，额定输出则为 1mA。用户使用时需要将电压信号变为电流信号，初级直接串联一个电阻使输入电压信号被限流变换成 电流信号。次级并联一个电阻使输出电流信号变换成电压信号，这样能得到线性度优于0.1%的输出电压信号。输出电压最大 8 伏。例如，输入 120V，串联 30K 的电阻，输出3.5V，并联 2.625K 的电阻。设原边电压为 U1，副边为 U2，公式如下U2×3R1=U1×R2（3-1）SPT205B 的相移和次级回路电阻大小成正比，负载电阻为 1K 时，补偿后可使相移小于 10。要求得到相同输出电压，增大输入额定电流，可减小负载电阻，从而减小相移。线性范围为、010MA，额定输入(不考虑相移)最大负载为 8000。额定输入/输出为 3mA/1mA，非线性度1%。尺寸结构图如下 2-3交流互感器部分电路图如下 2-4图 2-3 尺寸结构图图 2-4 交流互感器部分电路图2.4 A/D 转换电路本电路设计 A/D 转换部分主要核心部分就是我精选的高性价比的 A/D 转换芯片TLC 1549 ，以下会详细介绍2.4.1 A/D 转换芯片介绍TLC1549 是TI 工公司生产的 10 位逐次逼近模数转换器，该器件具有两个数字输入端和一个 3 态输出端，它们提供与微处理器串行端口的 3 线接口。具备自动采样保持功能，采取差分基准电压高阻输入，可按比例量程校准转换范围，实现低误差的转换。TLC1549 的性能特点如下：10 位分辨率 A/D 转换器; 内在的采样和保持;总不可调整误差±1LSB MAX.片内系统时钟; CMOS 工艺。TLC 1549 的极限参数如下： 电源电压范围:-0.5V 至 6.5V；输入电压范围:-0.3V 至 Vcc+0.3V； 输出电压范围:-0.3V 至 Vcc+0.3V； 正基准电压:Vcc+0.lV；负基准电压:-0.1V；峰值输入电流:±20mA； 峰值总输入电流:±30mA。TLC1549 的引脚功能如下：TLC1549 有D，JG，P，FK 等封装形式，其 P 封装的引脚排列如图 2-5 所示。其中CS 位芯片选择端，低电平有效;ANALOG IN 为模拟信号输入端，DATA OUT 为转换结果输出端， 在时钟信号的作用下， 前次转换结果以串行方式依次由该引脚送出;I/O CLOCK 为输入/输出时钟;REF+为基准电压的高端值（通常为 Vcc）加至该引脚，最大输入电压范围加至 REF+和REF-的电压差决定;REF-为基准电压的低端值（通常为地)加至该引脚;Vcc 为正电源电压。TLC1549 的工作原理如下：1REF+Vcc 82INCLK3REF-OUT 64GNDCS 5T L C1549图 2-5 TLC1549 引脚排列在芯片选择CS 无效情况下，I/0 CLOCK 被禁止且 DATA OUT 处于高阻状态。当串行接口把 CS 拉至有效时，转换时序开始，允许 I/0 CLOCK 工作并使 DATAOUT 脱离高阻状态。串行接口把输入/输出时钟序列提供给 1/0 CLOCK，并从 DATA OUT 接收前次转换结果。I/0 CLOCK 从主机串行接口接收长度在 10 和 16 个时钟之间的输人序列。开始 10 个 1/0 时钟提供采样模拟输入的控制时序。在CS 的下降沿，前次转换的 MSB 出现在DATA OUT 端。10 位数据通过DATA OUT 被发送到主机串行接口。为了开始转换，最少需要 10 个时钟脉冲。如果 I/0 CLOCK 传送大于 10 个时钟长度，那么在第 10 个时钟的下降沿，内部逻辑把 DATA OUT 拉至低电平以确保其余位的值为零。根据 I/0 CLOCK 的速度和 CS 的操作，TLC1549 有 6 种基本的串行接口定时方式，图 2-6 所示为方式 1 的时序图。图 2-6 TLC1549 方式 1 的时序图TLC1549 具有转换误差小，与单片机接口简单的特点，可方便应用于测控仪表、工业现场检测等场合。目前，利用 TLC1549 构成的温度检测控制器已经应用到某宾馆的供热系统中，长期运行结果表明，该系统控制精度高、可靠性好、极大节约了人力资源。2.4.2 TLC1549 与单片机的连接本设计采用TLC1549 与单片机 AT89S51 相连实现电信号的转换与采集，连接图如下图 2-7模拟信号输入嵌入式应有，请勿转载/销售。用软件园，版权所+5VP1.0 P1.1 P1.2AT89S51CS I/OCLOCK DATAOUT TLC1549 REF+REF-GNDGND图 2-7 TLC1549 与单片机 AT89S51 的连接图2.5 显示单元本设计显示单元由显示驱动器驱动四个 LED 数码管组成，具有简单实惠，性价比高的特点。现在随着芯片集成技术的发展，使得许多仪器越来越微型化，功能也更强大， 对人机交互的要求也越来越高。其中应用非常广泛的一种方法就是 LED 的对外显示。美国 MAXIM 公司生产的串行输入/输出共阴极显示驱动器系列芯片，以其功能强大， 编程简单，控制可靠，可广泛用于工业控制器等力一面的数码显示驱动，比较成熟的应 用即为与单片机的结合。但是，在实际使用的过程中，单片机的串行发送/接收常常被占 用掉，去实现其他的数据交换。如 MCS 一 51 系列的 8031 单片机，其内部有一个可编程全双工串行通信接口，他有 4 种工作方式，主要用于外接移位寄存器，以扩展 I/0 电路，或者用于双机通信以及构成分布多计算机系统;而与此同时，部分接口却并没有完全 加以利用。由此就必然存在着井 u 与M AX7219 的通信及综合有效利用硬件资源的问题。2.5.1 MAX7219 芯片的介绍主要特性如下：MAX7219 芯片可直接驱动最多 8b7 段数字LED 显示器，或 64 个 LED 和条形图显示器。该芯片的位选力方式独具特色，他允许用户选择多种译码力一式译码选位，而且 每个显示位都能个别寻址和刷新而小需要重写其他的显示位。这使得软件编程十分简单 且灵活。另外，他具有数字和模拟亮度控制以及与 MOTOROLA SPI, QSPI 及MATIONAL MICROWIRE 串行口相兼容等特点，在实际仪表仪器设计中具有较强的实用性。2.5.2 引脚说明该芯片采用 24 脚DIP 和 SO 封装，工作电压 4. 05.5 V .最大功耗 1.1W实物封装如图 2-8 所示。16嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。DINDOUTDIG0V+DIG4ISETGNDSEG DPDIG6SEGADIG2SEGBDIG3SEGCDIG7SEGDGNDSEGEDIG5SEGFDIG1SEGG LOAD(CS) CLK12345678910 11 12 24 23 22 21 MA X 7219 20 19 18 17 16 15 14 13 图 2-8 MAX7219 芯片实物封装图引脚说明如下所示：名称功能说明：DIN 串行数抓输入端。在 CLK 的上升沿数据被锁入内部 16 b 移位寄存器DIG0DIG78 b Led 位选线从共阴极 Led 中吸入电流GND 地线（两个 GND 必须接在一起）LOAD 锁入输入的数据。在 LoaD 的上升沿最后的 16 b 串行数据被锁入CLK 时钟输入，最高时钟频率为 10 M HZ 在CLK 的上升降沿数据被锁入。在 CLK 的下降延数据从 D-OUT 脚被输出SEGASEGG7 段驱动和小数点驱动ISET 通过电阻与 V+相连设置峰值段电流V+电源电压+5VD-OUT 串行数据输出，输入到 DIN 的数据在 1. 5 个时钟周期后在 D -OUT 脚发出该脚用于级联扩展。2.5.3 工作原理串行数据是以 16b。数据包的形式从 DIN 脚串行输入，在 CLK 的每一个上升沿一位一位地诸位送入芯片内部 16b 移位寄存器，而小管 LOAD 脚的状态如何。但 LOAD 脚必须在第 16 个 CLK 上升沿出现的同时或之后但在下一个 CLK 上升沿之前变为高电平，否则移入的数据将丢失。同时，在新数据被接收以前，由片内结构电路进行刷新， 完成数据的保存和显示。工作时序图如图 2-9 所示37图 2-9 MAX7219 芯片工作时序图2.5.4 显示单元与单片机连接电路MAX7219 与 51 单片机的连接形式有 2 种 ,一种是将 MAX7219 的 3 个输入端DIN, CLK 和 L OAD 与 51 单片机的任意 3 个端口连接 ;一种则是直接与 51 单片机的串行接口相连。本设计采用第一种方法。与单片机任意 3 个端口连接的方式的DIN CLK LOADMAX 7219GNDSEGA-G SEG DPGNDDIG0-3S1 S2S3 S4LED 84SDP A B C D E FG接线电路图如下 2-10。AT89S51P2.2 P2.1P2.0图 2-10 MAX7219 与 51 单片机的接线电路2.6 通信接口硬件设计在工业自动控制、智能仪器仪表中，单片机的应用越来越广泛，随着应用范围的扩 大以及根据解决问题的需要，对某些数据要做较复杂的处理，或是需要对前沿单片机、 现场电器进行远程控制，单片机与上位机之间实现通信就显得尤为重要。2.6.1 数据通信基础数据通信方式有两种，即并行数据通信和串行数据通信。并行数据通信是指数据的 各位同时进行发送或接收传送的通信方式，其优点是传递速度快;缺点是数据有多少位， 就需要多少根传送线。串行数据通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是 在单根数据线上，以每次一个二进制位一位一位顺序传送，它的突出优点是只需一对传 送线进行传送信息，其成本低，适用于远距离通信。串行通信方式和通信制式的不同， 其通信的硬件设计也存在较大的区别，下面我们着重介绍一下串行通信的分类和通信制 式。1. 串行通信的分类按照串行数据的同步方式，串行通信可以分为同步通信和异步通信两类。（1）异步通信异步通信是一种利用字符的再同步技术的通信方式。在异步通信中，数据通常 是以字符(或字节)为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端一帧一帧的发送，通过传 输线为接收设备一帧一帧地接收。发送端可以有各自的时钟来控制数据的发送和接收， 这两个时钟彼此独立，互不同步。(2)同步通信同步通信是一种连纯串行传输数据的通信方式，一次通信只能传送一帧信息，并按 照软件设别同步字符来实现数据的发送和接收。在同步通信中，同步字符可以采用统一标准格式，也可由用户约定。数据的传输速 率较高，但同步通信要求发送时钟和接收时钟保持严格同步，在硬件的实现上比较复杂， 系统成本高。因此在本设计中选择串行异步通信方式。2. 串行通信的制式在串行通信中，数据是在两个站之间发送的。按照数据传送方向，串行通信可分为 半双工和全双工两种制式。(1) 半双工(Half Duplex )在半双工方式下，A 站和 B 站之间只有一个通信回路，故数据要么由 A 站发送而为B 站接收，要么由 B 站发送为 A 站接收。因此，A, B 两站之间只要一条信号线和一条接地线，如图所示。(2) 全双工(Full Duplex)在全双方式下，A 站和 B 站之间有两个独立的通信回路，两站都可以同时发送和接收数据。因此，在全双工方式下的 A, B 两站之间至少需要三条传输线，分别用于发送、接收、信号地。半双工配置是一对单向配置，它要求两端的通信设备都具有完整和独立的发送和接 收能力。但在同一时刻一方只能发或收。本设计采用半双工方式来实现下位机(MCU)和 上位机(PC)间的通信。2.6.2 RS-232 标准接口总线在实现计算机与计算机、计算机与外设间的串行通信时，通常采用标准的通信接口， 只有选择好标准总线接口，才能很方便地把各种计算机、外部设备、测量仪器等有机地连接起来，进行串行通信。所谓标准通信接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标准化、通用化，借 助串行通信标准接口，不同类型的数据通信设备可以很容易实现它们之间的串行通信连 接，常用的标准异步串行通信接口有以下几类:1. 20mA 电流环; 2.USB 通用接口:3. RS-232C;4. RS-422，RS-423 和RS-485。20mA 电流环是一种美国电子工业协会(EIA)未经正式颁布的非标准串行接口电路， 它具有简单、对电器噪声不敏感的优点，但由于 PC 机中的多功能卡上没有预留 20mA 电流环的器件，所以为了避免另作硬件的麻烦，节约系统成本，不采用此接口电路:USB 通用接口是最近提出的外部输入/输出接口的新规格，这种接口支持热插拔，是今后发展 的总趋势，但对于本应用系统来说，它的价格不菲，而且实现起来将提高系统