【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 kSPS時(shí)，應(yīng)使器件工作在此模式下。在5V電源電壓下，當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率為100kSPS時(shí)，：而當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率為10kSPS時(shí)，功耗為270μW；若數(shù)據(jù)吞吐率為1kSPS，則其功耗僅27μW。（4）AD7810的應(yīng)用電路AD7810應(yīng)用時(shí)幾乎不需外圍元件。，其參考電壓Vref連接全參考電源VH，模擬輸入VIN一接至GND，而待由氣體傳感器輸出的信號(hào)從VIN+輸入。圖 AD7810應(yīng)用電路AD7810 幾 乎 可 與 各 種 MCU 進(jìn)行接口。在本論文中AD7810與AT89S52接口時(shí)，電路采用的是一種模擬串口方式，AD7810的SCLK、P1．6和P1．7，只要嚴(yán)格按照AD7810的時(shí)序要求操作，一般接口都不會(huì)有問題。這種方式實(shí)際上可擴(kuò)展到所有的MCU種類。另外，AT89S52也可利用其串行口工作方式0與AD7810進(jìn)行通訊(圖中未畫出)，但這時(shí)應(yīng)解決好兩個(gè)問題；一是由于AT89S52在TXD的上升沿進(jìn)行采樣，這樣，TXD應(yīng)經(jīng)過一個(gè)反相器再接到SCLK，而將RXD接至Dout，然后將CONVST接至任意一個(gè)輸出端口。二是AT89S52串行口首先接收低位數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)與AD7810剛好相反，編程時(shí)需要注意。 MAX7219顯示電路 本設(shè)計(jì)中氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作環(huán)境是處于比較黑暗的礦井巷道中，所以不宜采用液晶顯示模塊，而采用了發(fā)光柔和的LED數(shù)碼管作顯示，顯示顏色為紅色。發(fā)光數(shù)碼管的優(yōu)點(diǎn)在于防潮防濕，溫度特性極佳，而且有遠(yuǎn)距離視覺效果，很適合礦井下惡劣環(huán)境的需要。而我們使用的單片機(jī)AT89S52本身并無顯示接口部分，需要外接顯示的譯碼驅(qū)動(dòng)電路。LED數(shù)碼管顯示有動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種方式。通常小管采用哪種顯示方式，單片機(jī)往往都工作于并行I/O或存儲(chǔ)器方式。在本設(shè)計(jì)的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，利用MAXIM公司的串行接口8位LED顯示驅(qū)動(dòng)器MAX7219構(gòu)成顯示接口電路，僅需使用單片機(jī)3個(gè)引腳，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)8位LED數(shù)碼管的顯示控制和驅(qū)動(dòng)，線路非常簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單方便。（1）MAX7219的功能和設(shè)置MAX7219芯片為MAXIM公司推出的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，是用一個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)以往用軟件完成的動(dòng)態(tài)顯示電路掃描工作的器件。每片可控制顯示8個(gè)七段LED數(shù)碼管、條形圖或64個(gè)發(fā)光二極管，控制字簡(jiǎn)單。為24引腳芯片，除與顯示器連接外。與微機(jī)串行口為3線連接，芯片外部電路僅為一限制峰值段電流的電阻，線路簡(jiǎn)單，極大地方便了對(duì)顯示器件的控制。該芯片控制的顯示位數(shù)多，控制字少．可對(duì)全部或個(gè)別顯示位的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。并可方便地進(jìn)行多個(gè)芯片的級(jí)聯(lián)，擴(kuò)展顯示容量。MAX7219有多種封裝形式，如窄式DIP封裝和SOP封裝等。其中：D12～D15位不用；D8～D11為顯示位和各種工作方式的控制寄存器地址位，可選擇要顯示的位、解碼方式、顯示亮度、掃描位數(shù)、停止方式、顯示測(cè)試等，；D0～D7為數(shù)據(jù)位，其形式與顯示出的數(shù)字間的關(guān)系與解碼方式有關(guān)。，一般取為0。每組16位數(shù)據(jù)中，首先接收的為最高有效位，最后接收的為最低有效位。 MAX7219串行數(shù)據(jù)格式D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0XXXX地址MSB DATA LSB解碼方式寄存器可設(shè)置各位數(shù)碼管為解碼顯示方式，或非解碼的數(shù)據(jù)位與顯示段直接對(duì)應(yīng)的顯示方式。亮度寄存器用于與外部電阻配合控制數(shù)碼管的顯示亮度。掃描限制寄存器控制顯示的位數(shù)。停機(jī)寄存器控制顯示器為停機(jī)或正常工作狀態(tài)，停機(jī)狀態(tài)下描振蕩器停止工作，消隱所有顯示位。顯示測(cè)試寄存器設(shè)置器件為正常工作或測(cè)試狀態(tài)?？詹僮骷拇嫫饔糜诙鄠€(gè)MAX7219級(jí)連。器件上電后所有控制寄存器復(fù)位。解碼方式寄存器的值為非解碼方式，亮度寄存器的值設(shè)置為最小，掃描寄存器設(shè)置為僅顯示1位，停機(jī)寄存器處于停機(jī)狀態(tài)，顯示消隱。因此MAX7219必須經(jīng)過初始化后才可正常工作。數(shù)據(jù)由DIN引腳輸入，最先輸入的為最高位，在CLK的上升沿將數(shù)據(jù)位移入器件內(nèi)的移位寄存器，LOAD引腳信號(hào)的上升沿將最后移入的16位數(shù)據(jù)鎖存入相應(yīng)的寄存器中，LOAD信號(hào)的上升沿必須與CLK的上升沿同時(shí)，或在其后。（2）單片機(jī)的串行工作方式AT89S52單片機(jī)串行口有四種發(fā)送工作方式，其中方式0每幀共發(fā)送8位數(shù)，其他工作方式下每幀發(fā)送均不為8位數(shù)或其倍數(shù)。因此只能考慮使用方式0。串行口工作于方式0時(shí)。發(fā)送順序?yàn)榈臀辉谇?，高位在后，與MAX7219的接收順序相反。從單片機(jī)時(shí)序上看，只需在發(fā)送前將顯示數(shù)據(jù)和地址碼的高低位順序顛倒，利用串行方式0進(jìn)行發(fā)送，每發(fā)送兩次，就可向MAX7219輸出一個(gè)要顯示的數(shù)據(jù)或控制寄存器參數(shù)。而在單片機(jī)與MAX7219的時(shí)序配合中，時(shí)鐘脈沖的配合是非常關(guān)鍵的。 MAX7219時(shí)序圖（3）單片機(jī)與MAX7219的連接。單片機(jī)的P1．0、CLK。由于MAX7219是在脈沖信號(hào)控制下工作的，抗干擾非常關(guān)鍵，在線路上，MAX7219應(yīng)盡量與顯示器件相靠近，以減少外部的干擾。 MAX7219電路連接圖（4）控制程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中單片機(jī)采用中斷方式對(duì)MAX7219進(jìn)行控制，傳送16位數(shù)據(jù)的地址位和數(shù)據(jù)位。在主程序中，包括串行方式的設(shè)置、顯示緩沖單元和各控制寄存器的地址碼及數(shù)據(jù)單元的分配、對(duì)MAX7219的初始化等。由于MAX7219易受干擾影響，因此在程序執(zhí)行過程中應(yīng)經(jīng)常對(duì)顯示進(jìn)行更新。 I2C總線接口電路I2C總線是一種用于IC器件之間連接的二線制總線。它通過SDA(串行數(shù)據(jù)線)及SCL(串行時(shí)鐘線)兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件；不管是單片機(jī)、存儲(chǔ)器、LED驅(qū)動(dòng)器還是鍵盤接口。（1）I2C總線的基本結(jié)構(gòu)采用I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或IC器件，其內(nèi)部不僅有I2C接口電路，而且將內(nèi)部各單元電路按功能劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的模塊，通過軟件尋址實(shí)現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接。CPU不僅能通過指令將某個(gè)功能單元電路掛靠或摘離總線，還可對(duì)該單元的工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)的既簡(jiǎn)單又靈活的擴(kuò)展與控制。 I2C總線接口電路結(jié)構(gòu)（2）雙向傳輸?shù)慕涌谔匦詡鹘y(tǒng)的單片機(jī)串行接口的發(fā)送和接收一般都各用一條線，如MCS51系列TXD和RXD，而I2C總線則根據(jù)器件的功能通過軟件程序使其可工作于發(fā)送或接收方式。當(dāng)某個(gè)器件向總線上發(fā)送信息時(shí)，它就是發(fā)送器(也叫主器件)，而當(dāng)其從總線上接收信息時(shí)，又成為接收器(也叫從器件)。主器件用于啟動(dòng)總線上傳送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時(shí)鐘以開放傳送的器件，此時(shí)任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件。I2C總線的控制完全由掛接在總線上的主器件送出的地址和數(shù)據(jù)決定。在總線上，既沒有中心機(jī)，也沒有優(yōu)先機(jī)。總線上主和從(即發(fā)送和接收)的關(guān)系不是一成不變的，而是取決于此時(shí)數(shù)據(jù)傳送的方向。SDA和SCL均為雙向I/O線，通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線都是高電半。連接總線的器件的輸出級(jí)必須是集電極或漏極開路，以具有線“與”功能。I2C總線的數(shù)據(jù)傳送速率在標(biāo)準(zhǔn)工作方式下為100kbit/s，在快速方式下，最高傳送速率可達(dá)400kbit/s。（3）I2C總線上的時(shí)鐘信號(hào)在I2C總線上傳送信息時(shí)的時(shí)鐘同步信號(hào)是由掛接在SCL時(shí)鐘線上的所有器件的邏輯“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個(gè)器件的時(shí)鐘信號(hào)下跳為低電平，將使SCL線一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開始低電半期。此時(shí)，低電平周期短的器件的時(shí)鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀態(tài)。于是這些器件將進(jìn)入高電平等待的狀態(tài)。當(dāng)所有器件的時(shí)鐘信號(hào)都上跳為高電平時(shí)，低電平期結(jié)束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時(shí)開始它們的高電平期。其后，第一個(gè)結(jié)束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在SCL線上產(chǎn)生一個(gè)同步時(shí)鐘?？梢?，時(shí)鐘低電平時(shí)間由時(shí)鐘低電平期最長的器件確定，而時(shí)鐘高電平時(shí)間由時(shí)鐘高電平期最短的器件確定。（4）數(shù)據(jù)的傳送在數(shù)據(jù)傳送過程中，必須確認(rèn)數(shù)據(jù)傳送的開始和結(jié)束。在I2C總線技術(shù)規(guī)范中，開始和結(jié)束信號(hào)(也稱啟動(dòng)和停止信號(hào))。當(dāng)時(shí)鐘線SCL為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖蕉x為“開始”信號(hào)；當(dāng)SCL線為高電平時(shí)，SDA線發(fā)生低電平到高電平的跳變?yōu)椤敖Y(jié)束”信號(hào)。開始和結(jié)束信號(hào)都是由主器件產(chǎn)生。在開始信號(hào)以后，總線即被認(rèn)為處于忙狀態(tài)；在結(jié)束信號(hào)以后的一段時(shí)間內(nèi)，總線被認(rèn)為是空閑的。 I2C總線開始和結(jié)束信號(hào)定義圖I2C總線的數(shù)據(jù)傳送格式是：在I2C總線開始信號(hào)后，送出的第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)用來選擇從器件地址的，其中前7位為地址碼，第8位為方向位（R/W）。方向位為“0”表示發(fā)送，即主器件把信息寫到所選擇的從器件；方向位為“l(fā)”表示主器件將從從器件讀信息。開始信號(hào)后，系統(tǒng)中的各個(gè)器件將自己的地址和主器件送到總線上的地址進(jìn)行比較，如果與主器件發(fā)送到總線上的地址一致，則該器件即為被主器件尋址的器件，其接收信息還是發(fā)送信息則由第8位(R／W)確定。在I2C總線上每次傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)不限，但每一個(gè)字節(jié)必須為8位，而且每個(gè)傳送的寧節(jié)后面必須跟一個(gè)認(rèn)可位(第9位)，也叫應(yīng)答位(ACK)。每次都是先傳最高位，通常從器件在接收到每個(gè)字節(jié)后都會(huì)作出響應(yīng)，即釋放SCL線返回高電平，準(zhǔn)備接收下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，主器件可繼續(xù)傳送。如果從器件正在處理一個(gè)實(shí)時(shí)事件而不能接收數(shù)據(jù)時(shí)，(例如正在處理一個(gè)內(nèi)部中斷，在這個(gè)中斷處理完之前就不能接收I2C總線上的數(shù)據(jù)字節(jié))可以使時(shí)鐘SCL線保持低電平，從器件必須使SDA保持高電平，此時(shí)主器件產(chǎn)生1個(gè)結(jié)束信號(hào)，使傳送異常結(jié)束，迫使主器件處于等待狀態(tài)。當(dāng)從器件處理完畢時(shí)將釋放SCL線，主器件繼續(xù)傳送。當(dāng)主器件發(fā)送完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后，接著發(fā)出對(duì)應(yīng)于 SCL 線上的一個(gè)時(shí)鐘(ACK)認(rèn)可位，在此時(shí)鐘內(nèi)主器件釋放SDA線，一個(gè)字節(jié)傳送結(jié)束，而從器件的響應(yīng)信號(hào)將SDA線拉成低電平，使SDA在該時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。從器件的響應(yīng)信號(hào)結(jié)束后，SDA線返回高電平，進(jìn)入下一個(gè)傳送周期。（5）I2C總線接口器件目前在視頻處理、移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域采用I2C總線接口器件已經(jīng)比較普遍。另外，通用的I2C總線接口器件，如帶I2C總線的單片機(jī)、RAM，ROM、A/D、D/A、LCD驅(qū)動(dòng)器等器件，也越來越多地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制系統(tǒng)中。AT24C02是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是內(nèi)含256*8位存儲(chǔ)空間，具有工作電壓寬(～)、擦寫次數(shù)多(大于10000次)、寫入速度快(小于10ms)等特點(diǎn)。 AT24C02與AT89S52連接電路圖圖中AT24C02的3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址。它們都接地，第8腳和第4腳分別為正、負(fù)電源。第5腳SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，數(shù)據(jù)通過這條雙向I2C總線串行傳送。第6腳SCL為串行時(shí)鐘輸入線。第7腳需要接地。 看門狗硬件電路在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中為了保證單片機(jī)可靠而穩(wěn)定的運(yùn)行，使單片機(jī)系統(tǒng)盡快擺脫因干擾而產(chǎn)生的程序跑飛或死循環(huán)，需要一種監(jiān)視器，提供某種狀態(tài)使CPU重新回到用戶程序。這種監(jiān)視器即“看門狗”(Watch dog)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有看門狗功能，一旦系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)受到突發(fā)干擾使程序跑飛，單片機(jī)沒有自我保護(hù)能力，不能使系統(tǒng)復(fù)位，重新工作。為此，本系統(tǒng)采用了MAX706和AT89S52構(gòu)成的“看門狗”硬件電路。MAX706是一種性能優(yōu)良的低功耗CMOS監(jiān)控電路芯片，其內(nèi)部電路由上電復(fù)位、可重復(fù)觸發(fā)“看門狗”定時(shí)器及電壓比較器組成。MAX706有以下特性：1)精確的供電電壓監(jiān)測(cè)(，)；2)200ms的復(fù)位時(shí)延；3)對(duì)手動(dòng)復(fù)位信號(hào)消抖，兼容TTL/CMOS；4)；5)可輸出高電平有效的復(fù)位信號(hào)。CPU正常丁作時(shí)．該電路對(duì)其不加干預(yù)，當(dāng)CPU工作失常一段時(shí)間后，看門狗電路動(dòng)作，使系統(tǒng)復(fù)位重新工作。 看門狗電路，看門狗定時(shí)器被清零，引腳維持高電平：當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí)，引腳立即跳變?yōu)榈碗娖?，進(jìn)而觸發(fā)MR手動(dòng)復(fù)位引腳，使MAXT06復(fù)位，從而使“看門狗”定時(shí)器清零并重新開始計(jì)時(shí)，引腳輸出高電平，MAX706的復(fù)位輸出引腳輸出大約200ms寬度的電平脈沖，使單片機(jī)控制系統(tǒng)可靠復(fù)位，重新投入正常運(yùn)行。本系統(tǒng)軟硬件底層設(shè)計(jì)軟件是采用美國Keil Software公司出品的5l系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)KEIL uVISION2。KEIL uVlSION2是眾多單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)軟件中優(yōu)秀的軟件之一，它支持眾多不同公司的MCS51架構(gòu)的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時(shí)還支持匯編和C語言的程序設(shè)計(jì)，它的界面和常用的微軟VC++的界面相似，界面友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。論文中設(shè)計(jì)的內(nèi)嵌于氣體監(jiān)測(cè)儀表中的軟件所要完成的主要功能有：1)設(shè)置系統(tǒng)初始狀態(tài)2)氣體成分識(shí)別及濃度計(jì)算、顯示3)報(bào)警閥值設(shè)置4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)5)串行通訊6)測(cè)量結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)上述功能主要由主程序、氣體傳感器信號(hào)測(cè)量子程序、按鍵中斷程序、定時(shí)器A中斷程序、定時(shí)器B中斷程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、串行中斷程序以及軟件的低功耗設(shè)置這幾個(gè)部分完成。 主程序主程序首先初始單片機(jī)的一些寄存器、I/O等的狀態(tài)功能，開/關(guān)一些IC芯片的電源，如延時(shí)等待晶振穩(wěn)定等：然后從閃速存儲(chǔ)器里讀取設(shè)定的參數(shù)；接著延時(shí)進(jìn)行氣體傳感器預(yù)熱：最后程序進(jìn)入主循環(huán)，開啟中斷，進(jìn)入低功耗模式3，等待中斷喚醒。 主程序流程圖 按鍵中斷程序 按鍵中斷程序流程圖儀表有6個(gè)外部按鍵，它們的名稱分別為“CH4”、“▲”、“▼”、“RECORD”、“RESET”、“Alarm Stop”。運(yùn)用它們各自的獨(dú)立功能及組合功能，配合LED顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面操作。，具體完成以下功能：1)參數(shù)設(shè)定：觸發(fā)“CH4”鍵，顯示CH4報(bào)警閾值?！啊辨I控制LED設(shè)置位，“▼”鍵改變被設(shè)置位的位值(從0到9循環(huán)改變)。再次觸發(fā)“CH4”鍵，就可以更新CH4報(bào)警閾值。更新的參數(shù)存入Data Flash后，并在液晶上顯示“88”，提示