【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 A/D轉(zhuǎn)換器（ analog digital converter 簡(jiǎn)稱 ADC）是將輸入的模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或設(shè)備，即能把被控對(duì)象的各種模擬信息變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 共 44 頁(yè) 別的數(shù)字信息，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)之間的接口。在這里選用的是ADC0809，下面就介紹 ADC0809。 ADC0809 是 CMOS 的 8位模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近原理進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，芯片內(nèi)有模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和 A/D 轉(zhuǎn)換兩大部分，可對(duì) 8 路 0～ 5V 的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 圖 32 ADC0809 管腳圖 管腳功能說(shuō)明： IN0－ IN7：模擬量輸 入通道。就是說(shuō)它可以分時(shí)地分別對(duì)八個(gè)模擬量進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)換 ；ADDA－ C：地址線。也就是通過(guò)這三根地址線的不同編碼來(lái)選擇對(duì)哪個(gè)模擬量進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)換 ； ALE：地址鎖存允許信號(hào)。在低電平時(shí)向 ADDA－ C 寫(xiě)地址，當(dāng) ALE 跳至高電平后 ADDA－ C上的數(shù)據(jù)被鎖存 ； START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)。當(dāng)它為上升沿后，將內(nèi)部寄存器清 0。當(dāng)它為下降沿后，開(kāi)始 A/D 轉(zhuǎn)換 ； D0－ D7：數(shù)據(jù)輸出口。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)量就是從這輸出的 ； OE：輸出允許信號(hào)，是對(duì) D0－ D7 的輸出控制端， OE＝ 0，輸出端呈高阻態(tài)， OE＝ 1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù) ； CLOCK：時(shí)種信號(hào)。 ADC0809 內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，需由外部提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)。一般為 500KHz； EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)。 EOC＝ 0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 EOC＝ 1，轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以進(jìn)行下一步輸出操作 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 共 44 頁(yè) REF(+)、 REF()：參考電壓。參考電壓用來(lái)與輸入的模擬量進(jìn)行比較，作為測(cè)量的基準(zhǔn)。一般 REF(=)＝ 5v REF()＝ 0V。 時(shí)序圖如圖 33所示： 圖 33： ADC0809 工作時(shí)序圖 它的工作過(guò)程 為： ① 在 IN0－ IN7 上可分別接上要測(cè)量轉(zhuǎn)換的 8路模擬量信號(hào) ； ② 將 ADDA－ ADDC 端給上代表選擇測(cè)量通道的代碼。如 000(B)則代表通道 0； 001(B)代表通道 1； 111 則代表通道 7； ③ 將 ALE 由低電平置為高電平，從而將 ADDA－ ADDC 送進(jìn)的通道代碼鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量送給內(nèi)部轉(zhuǎn)換單元 ； ④ 給 START 一個(gè)正脈沖。當(dāng)上升沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零。下降沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間， START 保持低電平 ； ⑤EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。在上述的 A/D 轉(zhuǎn)換期間，可以對(duì) EOC 進(jìn)行不斷測(cè)量，當(dāng) EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換工作結(jié)束。否則，表明正在進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換 ； ⑥ 當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將 OE 設(shè)置為 1，這時(shí) D0－ D7 的數(shù)據(jù)便可以讀取了。 OE＝ 0，D0－ D7輸出端為高阻態(tài)， OE＝ 1， D0－ D7端輸出轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù) [11]。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 16 頁(yè) 共 44 頁(yè) 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 圖 34 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在甲烷氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中甲烷氣體濃度的增加而增大，輸出的電壓值送入 IN0輸入端，由于 MQ4的模擬輸出量在 05V，所以不用對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。 ADDA、 ADDB、 ADDC 三條地址線接地使 ADC0809只對(duì) IN0 輸入端進(jìn)行信息采集。而 IN0端輸入 的電壓值隨著環(huán)境中甲烷濃度的變化而變化， ADC0809 對(duì)輸入的電壓進(jìn)行采樣、保持、量化、編碼最后輸出為 8位二進(jìn)制數(shù)，然后送入 FPGA 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同時(shí) ALE、 ENABLE、 START、 CLOCK 接 FPGA，F(xiàn)PGA 為 ADC0809 提供地址鎖存信號(hào)、輸出允許控制信號(hào)、啟動(dòng)控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。由于 危險(xiǎn)情況下（甲烷濃度為 %）電壓輸出值為 ，所以經(jīng)過(guò) AD 轉(zhuǎn)換得此時(shí) ADC0809 的輸出為 10111001。 無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì) 本文中的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用 PTR2020，因?yàn)樗悄壳凹啥?較高的無(wú)線收發(fā)產(chǎn)品，其接受和發(fā)送合為一體，具有兩個(gè)頻道，可滿足多信道工作的場(chǎng)合。 其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 35 所示。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 共 44 頁(yè) 圖 35 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖 其工作模式包括工作頻道的設(shè)置和發(fā)送、接收、待機(jī)狀態(tài)，由 TXEN、 CS、 PWR引腳共同決定，其工作模式設(shè)置如表 31所示。 表 31 PTR2020 工作模式設(shè)置 引腳引入電平 模塊工作狀態(tài) TXEN CS PWR 工作頻道 工作狀態(tài) 0 0 1 1 接收 0 1 1 2 接收 1 0 1 1 發(fā)射 1 1 1 2 發(fā)射 X X 0 發(fā)射 由上圖得： 由于模塊不同的工作模式，可以設(shè)置不同的引腳輸入電平得到不同的工作模式，可以由此設(shè)置讓 PTR2020 無(wú)線傳輸模塊工作于接收或放射狀態(tài)。PTR2020 模塊的 TXEN=1，接到 VCC 上， PTR2020 出于發(fā)射狀態(tài)；如果 TXEN=0，接到GND上， PTR2020 出于接收狀態(tài)。 PTR2020 的 CS 引腳和 GND 連接，即使固定通訊頻道為頻道 1。 PTR2020 的 PWR 引腳連接到 VCC 上，使 PTR2020 的固定工作 在正常狀態(tài)。具體的連接圖如圖 36 和圖 37所示。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 18 頁(yè) 共 44 頁(yè) 圖 36 接收端 PTR2020 連接圖 圖 37 發(fā)射端 PTR2020 連接圖 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 19 頁(yè) 共 44 頁(yè) LED 顯示電路設(shè)計(jì) 發(fā)光二極一般是砷化鎵半導(dǎo)體二極管，在發(fā)光二極管兩端加上正向電壓，則發(fā)光二極管發(fā)光。數(shù)碼管是由若干發(fā)光二極管組合而成的，有共陰極和共陰極兩種結(jié)構(gòu)形。 8段共陰極數(shù)碼管由 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 d、 g 這 8 個(gè)發(fā)光二 極管組成。把 8 個(gè)發(fā)光二極管的陰極連接在一起構(gòu)成共陰極端，接進(jìn)電路時(shí)，共陰極端接地，給要發(fā)光顯示的二極管的陽(yáng)極端接高電平可使該二極管導(dǎo)通點(diǎn)亮。如圖 38所示。 圖 38 LED 顯示電路 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 共 44 頁(yè) 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 采用電磁式蜂鳴器作為聲音報(bào)警的發(fā)聲器件，其工作原理為：電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過(guò)電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周 期地振動(dòng)發(fā)聲，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)閾值時(shí)， FPGA 輸出低電平使 PNP 型三極管導(dǎo)通，蜂鳴器兩端腳產(chǎn)生壓差，從而發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)。 其具體連接方法如圖 39所示 。 圖 39 報(bào)警電路 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) 共 44 頁(yè) 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件部分的總體設(shè)計(jì)流程圖如下： 圖 41 軟件設(shè)計(jì)流程圖 工作原理 :當(dāng)傳感器完成預(yù)熱后，調(diào)用 A/D轉(zhuǎn)換子程序進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)數(shù)據(jù)處理完畢后，就進(jìn)行串口通信，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口送出，最后送至PTR2020 無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行發(fā)射，然后再次進(jìn)行串口通信，接收來(lái)自無(wú)線接收模塊 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 報(bào)警 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理 接收 PTR2020數(shù)據(jù) 顯示濃度 PTR2020 模塊發(fā)送數(shù)據(jù) 結(jié)束 超過(guò)閾值 N Y 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 22 頁(yè) 共 44 頁(yè) PTR2020 的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)送入 FPGA 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)處理后，將瓦斯?jié)舛蕊@示在數(shù)碼管上，比較瓦斯?jié)舛?，確定是否大于設(shè)定的濃度閾值，若大于，則進(jìn)行報(bào)警，否則返回執(zhí)行。 PTR2020 無(wú)線傳輸模塊 無(wú)線傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)包括發(fā)射端和接收端兩部分，兩部分軟件相互配合，設(shè)置各自的 PTR2020 模塊的工作狀態(tài)。 PTR2020 模塊程序設(shè)計(jì) 發(fā)射端和接收端軟件配合設(shè)置 PTR2020 的狀態(tài) (發(fā)射或接收 )，選擇固定的通信頻道 1(CS=0)， 并讓 PTR2020 模塊一直處于正常工作狀態(tài) (PWM=1)。無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下： (1)發(fā)送在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，應(yīng)將 PTR2020 模塊置于發(fā)射模式，即 TXEN=1。然后等待至少后 5ms(接收到發(fā)射的切換時(shí)間 )才可發(fā)射數(shù)據(jù)。發(fā)送結(jié)束后，應(yīng)將模塊置于接收狀態(tài)，即 TXEN=0； (2)接收應(yīng)將 PTR2020 置于接收模式，即 TXEN=0。當(dāng)發(fā)射端發(fā)送時(shí)，接收端應(yīng)為接收。 串行無(wú)線傳 輸協(xié)議設(shè)計(jì) 無(wú)線通信中，由于外部環(huán)境的干擾，通常誤碼率較高，因此通信協(xié)議的設(shè)計(jì)對(duì)保證通信的可靠性十分重要。協(xié)議的設(shè)計(jì)主要是幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在該無(wú)線通信系統(tǒng)中，存在指令幀和數(shù)據(jù)幀。 數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容包括起始字節(jié)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)、結(jié)束字節(jié)和校驗(yàn) 和 字節(jié)，如表 41 所示。 表 41 數(shù)據(jù)幀設(shè)置 起始字節(jié) 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字節(jié) 數(shù)據(jù)字節(jié) 校驗(yàn)和字節(jié) 接收字節(jié) 1字節(jié) 1字節(jié) N字節(jié) 1字節(jié) 1字節(jié) 采用校驗(yàn)和的方法進(jìn)行幀的校驗(yàn)，將所有字節(jié)相加，然后將結(jié)果截短到所需的位長(zhǎng)。發(fā)射端對(duì)待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和計(jì)算 ，將校驗(yàn)和值放在數(shù)據(jù)后一起發(fā)送；在接收端，對(duì)接收到的數(shù)據(jù) 進(jìn)行校驗(yàn)和計(jì)算，然后與收到的校驗(yàn)和字節(jié)比較，進(jìn)行誤碼判斷 [13]。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 23 頁(yè) 共 44 頁(yè) 程序流程圖如圖 42 所示。 圖 42 PTR2020 無(wú)線傳輸流程圖 發(fā)射端程序設(shè)計(jì) 圖 43 發(fā)射端模塊 此模塊是模擬 PTR2020 發(fā)射端的。 CS、 txen 和 pwm 三個(gè)引腳控制其工作狀態(tài)。中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 24 頁(yè) 共 44 頁(yè) 當(dāng) CS=0， pwr=1， txen=1 時(shí)處于發(fā) 射狀態(tài)。由于數(shù)據(jù)輸入是并行輸入，輸出是串行輸出，所以需要編寫(xiě)一個(gè)并行轉(zhuǎn)串行的程序。 txmit_over 是發(fā)送結(jié)束標(biāo)志，發(fā)送結(jié)束后 txmit_over=1。 程序如下： LIBRARY IEEE。 USE 。 use 。 ENTITY fashe_module IS PORT(clk,reset:IN STD_LOGIC。 clock and reset txd_data: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。parell data input a:IN STD_LOGIC。start fasong cs,txen,pwm:out std_logic。 txd:OUT STD_LOGIC。serial output txmit_over:OUT STD_LOGIC )。zhishi:fasong wanbi END fashe_module 。 ARCHITECTURE rtl OF fashe_module IS TYPE state IS (start, trans_state, trans_done)。 SIGNAL current_state:state:=start。 signal clk_co:std_logic。5fenpin shuchu SIGNAL start_trans:STD_LOGIC。 kaishi chuanshu SIGNAL counter,clk_1x_counter,clk_2x_counter:INTEGER RANGE 0 TO 15。 SIGNAL clk_2x:std_logic_vector(2 downto 0)。 SIGNAL clk_1x:STD_LOGIC。 SIGNAL txd_counter:INTEGER RANGE 0 TO 15。 SIGNAL txd_over: