【文章內容簡介】 kSPS時，應使器件工作在此模式下。在5V電源電壓下，當數(shù)據(jù)吞吐率為100kSPS時，：而當數(shù)據(jù)吞吐率為10kSPS時，功耗為270μW；若數(shù)據(jù)吞吐率為1kSPS，則其功耗僅27μW。（4）AD7810的應用電路AD7810應用時幾乎不需外圍元件。，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從VIN+輸入。圖 AD7810應用電路AD7810 幾 乎 可 與 各 種 MCU 進行接口。在本論文中AD7810與AT89S52接口時，電路采用的是一種模擬串口方式，AD7810的SCLK、P1．6和P1．7，只要嚴格按照AD7810的時序要求操作，一般接口都不會有問題。這種方式實際上可擴展到所有的MCU種類。另外，AT89S52也可利用其串行口工作方式0與AD7810進行通訊(圖中未畫出)，但這時應解決好兩個問題；一是由于AT89S52在TXD的上升沿進行采樣，這樣，TXD應經過一個反相器再接到SCLK，而將RXD接至Dout，然后將CONVST接至任意一個輸出端口。二是AT89S52串行口首先接收低位數(shù)據(jù)，這一點與AD7810剛好相反，編程時需要注意。 MAX7219顯示電路 本設計中氣體監(jiān)測系統(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)點在于防潮防濕，溫度特性極佳，而且有遠距離視覺效果，很適合礦井下惡劣環(huán)境的需要。而我們使用的單片機AT89S52本身并無顯示接口部分，需要外接顯示的譯碼驅動電路。LED數(shù)碼管顯示有動態(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，單片機往往都工作于并行I/O或存儲器方式。在本設計的單片機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，利用MAXIM公司的串行接口8位LED顯示驅動器MAX7219構成顯示接口電路，僅需使用單片機3個引腳，即可實現(xiàn)對8位LED數(shù)碼管的顯示控制和驅動，線路非常簡單，控制簡單方便。（1）MAX7219的功能和設置MAX7219芯片為MAXIM公司推出的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動器，是用一個芯片實現(xiàn)以往用軟件完成的動態(tài)顯示電路掃描工作的器件。每片可控制顯示8個七段LED數(shù)碼管、條形圖或64個發(fā)光二極管，控制字簡單。為24引腳芯片，除與顯示器連接外。與微機串行口為3線連接，芯片外部電路僅為一限制峰值段電流的電阻，線路簡單，極大地方便了對顯示器件的控制。該芯片控制的顯示位數(shù)多，控制字少．可對全部或個別顯示位的數(shù)據(jù)進行更新。并可方便地進行多個芯片的級聯(lián)，擴展顯示容量。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、顯示測試等，；D0～D7為數(shù)據(jù)位，其形式與顯示出的數(shù)字間的關系與解碼方式有關。，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)位與顯示段直接對應的顯示方式。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)。停機寄存器控制顯示器為停機或正常工作狀態(tài)，停機狀態(tài)下描振蕩器停止工作，消隱所有顯示位。顯示測試寄存器設置器件為正常工作或測試狀態(tài)。空操作寄存器用于多個MAX7219級連。器件上電后所有控制寄存器復位。解碼方式寄存器的值為非解碼方式，亮度寄存器的值設置為最小，掃描寄存器設置為僅顯示1位，停機寄存器處于停機狀態(tài)，顯示消隱。因此MAX7219必須經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)位移入器件內的移位寄存器，LOAD引腳信號的上升沿將最后移入的16位數(shù)據(jù)鎖存入相應的寄存器中，LOAD信號的上升沿必須與CLK的上升沿同時，或在其后。（2）單片機的串行工作方式AT89S52單片機串行口有四種發(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。發(fā)送順序為低位在前，高位在后，與MAX7219的接收順序相反。從單片機時序上看，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進行發(fā)送，每發(fā)送兩次，就可向MAX7219輸出一個要顯示的數(shù)據(jù)或控制寄存器參數(shù)。而在單片機與MAX7219的時序配合中，時鐘脈沖的配合是非常關鍵的。 MAX7219時序圖（3）單片機與MAX7219的連接。單片機的P1．0、CLK。由于MAX7219是在脈沖信號控制下工作的，抗干擾非常關鍵，在線路上，MAX7219應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）控制程序設計本系統(tǒng)中單片機采用中斷方式對MAX7219進行控制，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)行過程中應經常對顯示進行更新。 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)地址識別每個器件；不管是單片機、存儲器、LED驅動器還是鍵盤接口。（1）I2C總線的基本結構采用I2C總線標準的單片機或IC器件，其內部不僅有I2C接口電路，而且將內部各單元電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊，通過軟件尋址實現(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功能單元電路掛靠或摘離總線，還可對該單元的工作狀況進行監(jiān)測，從而實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)的既簡單又靈活的擴展與控制。 I2C總線接口電路結構（2）雙向傳輸?shù)慕涌谔匦詡鹘y(tǒng)的單片機串行接口的發(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。當某個器件向總線上發(fā)送信息時，它就是發(fā)送器(也叫主器件)，而當其從總線上接收信息時，又成為接收器(也叫從器件)。主器件用于啟動總線上傳送數(shù)據(jù)并產生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。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，也沒有優(yōu)先機。總線上主和從(即發(fā)送和接收)的關系不是一成不變的，而是取決于此時數(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。當總線空閑時，兩根線都是高電半。連接總線的器件的輸出級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)傳送速率在標準工作方式下為100kbit/s，在快速方式下，最高傳送速率可達400kbit/s。（3）I2C總線上的時鐘信號在I2C總線上傳送信息時的時鐘同步信號是由掛接在SCL時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，一旦某個器件的時鐘信號下跳為低電平，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，低電平周期短的器件的時鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀態(tài)。于是這些器件將進入高電平等待的狀態(tài)。當所有器件的時鐘信號都上跳為高電平時，低電平期結束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時開始它們的高電平期。其后，第一個結束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在SCL線上產生一個同步時鐘。可見，時鐘低電平時間由時鐘低電平期最長的器件確定，而時鐘高電平時間由時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，必須確認數(shù)據(jù)傳送的開始和結束。在I2C總線技術規(guī)范中，開始和結束信號(也稱啟動和停止信號)。當時鐘線SCL為高電平時，數(shù)據(jù)線SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖蕉x為“開始”信號；當SCL線為高電平時，SDA線發(fā)生低電平到高電平的跳變?yōu)椤敖Y束”信號。開始和結束信號都是由主器件產生。在開始信號以后，總線即被認為處于忙狀態(tài)；在結束信號以后的一段時間內，總線被認為是空閑的。 I2C總線開始和結束信號定義圖I2C總線的數(shù)據(jù)傳送格式是：在I2C總線開始信號后，送出的第一個字節(jié)數(shù)據(jù)時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。開始信號后，系統(tǒng)中的各個器件將自己的地址和主器件送到總線上的地址進行比較，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，但每一個字節(jié)必須為8位，而且每個傳送的寧節(jié)后面必須跟一個認可位(第9位)，也叫應答位(ACK)。每次都是先傳最高位，通常從器件在接收到每個字節(jié)后都會作出響應，即釋放SCL線返回高電平，準備接收下一個數(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實時事件而不能接收數(shù)據(jù)時，(例如正在處理一個內部中斷，在這個中斷處理完之前就不能接收I2C總線上的數(shù)據(jù)字節(jié))可以使時鐘SCL線保持低電平，從器件必須使SDA保持高電平，此時主器件產生1個結束信號，使傳送異常結束，迫使主器件處于等待狀態(tài)。當從器件處理完畢時將釋放SCL線，主器件繼續(xù)傳送。當主器件發(fā)送完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，接著發(fā)出對應于 SCL 線上的一個時鐘(ACK)認可位，在此時鐘內主器件釋放SDA線，一個字節(jié)傳送結束，而從器件的響應信號將SDA線拉成低電平，使SDA在該時鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。從器件的響應信號結束后，SDA線返回高電平，進入下一個傳送周期。（5）I2C總線接口器件目前在視頻處理、移動通信、數(shù)據(jù)采集等領域采用I2C總線接口器件已經比較普遍。另外，通用的I2C總線接口器件，如帶I2C總線的單片機、RAM，ROM、A/D、D/A、LCD驅動器等器件，也越來越多地應用于計算機及自動控制系統(tǒng)中。AT24C02是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是內含256*8位存儲空間，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。 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為串行時鐘輸入線。第7腳需要接地。 看門狗硬件電路在監(jiān)測系統(tǒng)中為了保證單片機可靠而穩(wěn)定的運行，使單片機系統(tǒng)盡快擺脫因干擾而產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)測系統(tǒng)設計有看門狗功能，一旦系統(tǒng)在現(xiàn)場受到突發(fā)干擾使程序跑飛，單片機沒有自我保護能力，不能使系統(tǒng)復位，重新工作。為此，本系統(tǒng)采用了MAX706和AT89S52構成的“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，其內部電路由上電復位、可重復觸發(fā)“看門狗”定時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(，)；2)200ms的復位時延；3)對手動復位信號消抖，兼容TTL/CMOS；4)；5)可輸出高電平有效的復位信號。CPU正常丁作時．該電路對其不加干預，當CPU工作失常一段時間后，看門狗電路動作，使系統(tǒng)復位重新工作。 看門狗電路，看門狗定時器被清零，引腳維持高電平：當程序跑飛或死機時，引腳立即跳變?yōu)榈碗娖?，進而觸發(fā)MR手動復位引腳，使MAXT06復位，從而使“看門狗”定時器清零并重新開始計時，引腳輸出高電平，MAX706的復位輸出引腳輸出大約200ms寬度的電平脈沖，使單片機控制系統(tǒng)可靠復位，重新投入正常運行。本系統(tǒng)軟硬件底層設計軟件是采用美國Keil Software公司出品的5l系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)KEIL uVISION2。KEIL uVlSION2是眾多單片機應用開發(fā)軟件中優(yōu)秀的軟件之一，它支持眾多不同公司的MCS51架構的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時還支持匯編和C語言的程序設計，它的界面和常用的微軟VC++的界面相似，界面友好，易學易用，在調試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。論文中設計的內嵌于氣體監(jiān)測儀表中的軟件所要完成的主要功能有：1)設置系統(tǒng)初始狀態(tài)2)氣體成分識別及濃度計算、顯示3)報警閥值設置4)數(shù)據(jù)存儲5)串行通訊6)測量結束后系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài)上述功能主要由主程序、氣體傳感器信號測量子程序、按鍵中斷程序、定時器A中斷程序、定時器B中斷程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序、串行中斷程序以及軟件的低功耗設置這幾個部分完成。 主程序主程序首先初始單片機的一些寄存器、I/O等的狀態(tài)功能，開/關一些IC芯片的電源，如延時等待晶振穩(wěn)定等：然后從閃速存儲器里讀取設定的參數(shù)；接著延時進行氣體傳感器預熱：最后程序進入主循環(huán)，開啟中斷，進入低功耗模式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個外部按鍵，它們的名稱分別為“CH4”、“▲”、“▼”、“RECORD”、“RESET”、“Alarm Stop”。運用它們各自的獨立功能及組合功能，配合LED顯示，實現(xiàn)人機界面操作。，具體完成以下功能：1)參數(shù)設定：觸發(fā)“CH4”鍵，顯示CH4報警閾值?！啊辨I控制LED設置位，“▼”鍵改變被設置位的位值(從0到9循環(huán)改變)。再次觸發(fā)“CH4”鍵，就可以更新CH4報警閾值。更新的參數(shù)存入Data Flash后，并在液晶上顯示“88”，提示