基于單片機的智能瓦斯傳感器設計

論文題目：基于單片機的智能瓦斯傳感器設計（硬件）專業(yè)：自動化本科生：**（簽名）＿＿＿＿指導教師：**（簽名）＿＿＿＿摘要瓦斯傳感器在礦井瓦斯?jié)舛葯z測中起著關鍵作用?；诹桕枂纹瑱C的智能瓦斯傳感器是以凌陽單片機為核心設計瓦斯?jié)舛葯z測監(jiān)控設備，在了解瓦斯傳感器國內外研究現狀及設計此課題的目的及意義的基礎上，通過研究瓦斯傳感器及凌陽單片機的原理及性能，設計出了基于凌陽單片機的瓦斯傳感器，基本實現了設計要求的功能。系統(tǒng)由凌陽SPCE061A單片機，瓦斯氣體檢測電路，液晶顯示電路，聲光報警電路組成。以凌陽SPCE061A單片機為核心構成一個具備數據采集、對象控制、結果顯示等功能的完整系統(tǒng)。該系統(tǒng)完成了以往的瓦斯監(jiān)測儀所不能實現的語音編輯報警功能。而且SPCE061A內部具有8路A/D轉換和大容量的ROM和RAM,不需外部擴展電路,硬件電路結構簡單,維護方便。在實際驗證中系統(tǒng)運行穩(wěn)定，工作效率高，基本達到預期的設計要求。關鍵字：凌陽單片機，瓦斯?jié)舛?，傳感器Subject:Specialty:AutomationName:**(Signature）＿＿＿＿Instructor:**(Signature）＿＿＿＿ABSTRACT Thegastransducerplaysakeyroleinthedensitymeasuringofminegas.ThissubjectisbasedonSunplusMCUwhichistheissueatthecoremicrocontrollerdesignofconcentrationofthegasdetectionandmonitoringequipment.Onunderstandingtheresearchanddesignofthestatusquoonthissubjectandthepurposeandsignificanceofthefoundation,wedesignthisgassensorthroughresearchandSunplusMCUprinciplesandperformance.BasedonthedesignofthemicrocontrollerSunplusgassensor,thedesigncanachievetherequiredfunctionality.ThesystemconsistsofSunplusSPCE061A,gasdetectioncircuit,aLCDdisplaycircuit,sound,light,alarmcircuits.BaseonSunplusSPCE061A,itconstitutesacorewithdataacquisition,controlobjectandtheresultsshowedthatfunctionsofacompletesystem.Thesystemcompletesthefunctionofvoicealarmthatthepastgasmonitoringdevicecannotbeachieved.Moreover,thereareeight-channelA/Dconversionandlarge-capacityROMandRAMintheinternalofSPCE061A,withoutexternalexpansioncircuit,simplehardwarecircuitstructureandeasymaintenance.Inactualuse,thissystemoperatesstability,andwithhighefficiency.Itcanachievetheexpecteddesignrequirements.KEYWORDS：SunplusMCU,gasconcentration,sensors~~目錄1緒論 11.1課題提出的必要性和國內外現狀 11.2煤礦監(jiān)測系統(tǒng)概述 21.3礦井瓦斯的產生及危害 31.4基于凌陽單片機的瓦斯傳感器的工作原理 41.5本文研究的目的和意義 52瓦斯傳感器概述 62.1熱導式瓦斯傳感器 62.2熱效式瓦斯傳感器 62.3催化燃燒式瓦斯傳感器工作原理 62.3.1催化燃燒式瓦斯傳感器的特點 72.3.2催化燃燒式瓦斯傳感器的結構原理 72.3.3催化燃燒式傳感器指示刻度 82.3.4催化燃燒式瓦斯傳感器的中毒和壽命 93SPCE061A的系統(tǒng)概述 103.1單片機的選擇 103.2SPCE061A的簡介 113.2.1SPCE061A的主要性能如下 113.2.2SPCE061A的內部結構框圖 123.2.3SPCE061A最小系統(tǒng)簡介 153.2.4SPCE061A的內部硬件結構簡介 213.2.5SPCE061A部分模塊電路 274瓦斯傳感器的硬件設計 334.1技術要求和功能 334.1.1技術要求 334.1.2實現的功能 344.2硬件系統(tǒng)組成框圖設計 344.3單片機最小系統(tǒng)的設計 354.4瓦斯傳感器電路設計 354.5模擬電壓信號電路的設計 364.6串行通信電路的設計 374.7超限聲光報警電路的設計 384.8LCM1602B液晶顯示電路設計 395瓦斯傳感器的軟件設計 426系統(tǒng)調試 446.1靜態(tài)調試 446.2動態(tài)調試 457結論 47致謝 48參考資料 49附錄一：基于SPCE061A的瓦斯傳感器電路原理圖 51附錄二：瓦斯傳感器硬件連接實物圖 521緒論1.1課題提出的必要性和國內外現狀從我國煤炭生產的現狀及我國能源結構戰(zhàn)略規(guī)劃均可看出，在本世紀中葉以前，煤炭仍是支持我國國民經濟發(fā)展的主要能源，煤炭生產，作為我國能源工業(yè)的支柱，其地位將是長期的，穩(wěn)定的，但是煤炭工業(yè)的安全生產狀況卻不容樂觀，中小型煤礦的情況尤為嚴重，已經直接威脅到整個煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產，給國家財產和人民生命造成了很大的損失，作為“萬惡之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故發(fā)生率之首。在去年，又接連發(fā)生了多起甲烷爆炸事故，事故的結果觸目驚心，因此通過強化管理，提高通風、監(jiān)測監(jiān)控水平，已經成為中小型煤礦監(jiān)測監(jiān)控的最迫切的任務之一。煤礦生產安全監(jiān)控系統(tǒng)，是目前為止實際通風甲烷和一氧化碳管理工作中最重要和最有效的自動化手段，已經裝備監(jiān)控系統(tǒng)的煤礦的甲烷事故發(fā)生率大為下降，一氧化碳造成中毒事故也明顯減少，煤礦生產安全監(jiān)控系統(tǒng)對保障煤礦安全生產，提高煤礦生產率，提高煤礦自動化程度以及促進煤礦管理現代化水平，都有著舉足輕重的作用。煤礦生產安全監(jiān)控系統(tǒng)雖在國內已有生產和應用，但還沒有一種真正適合于中小型煤礦使用的產品，我國從八十年代初期開始引進煤礦生產安全監(jiān)控系統(tǒng)，歷經了直接引進、消化吸收、仿制配套、自主開發(fā)的過程，但迄今為止的產品大多都是面對大型礦井設計的，而且自身尚有一些有待解決的問題，如下：·產品造價高，系統(tǒng)最基本的配置過于龐大，運行費用大·傳感器測量穩(wěn)定性差，調校頻繁，壽命短；·系統(tǒng)安裝、維護復雜，操作不便，人機界面較差；·系統(tǒng)設備可靠性差；·必須依賴專業(yè)的維護隊伍，對人員技術，素質有較高的要求。國外的監(jiān)控系統(tǒng)技術理論上講高于國內發(fā)展水平，但應用于國內煤礦尚有一定的局限性，如煤礦管理模式生產方式的不同，價格過高不適于國內煤礦現有條件，除在傳感器技術方面可供借鑒外，其它僅具一定的參考價值。綜上所述，開發(fā)研制適用于中小型煤礦生產安全監(jiān)控系統(tǒng)的任務迫在眉睫，而根據我國煤礦生產和管理模式，依照我國的有關技術標準，其技術的先進性、產品的可靠性和實用性則是本項目的關鍵所在。1.2煤礦監(jiān)測系統(tǒng)概述隨著我國經濟發(fā)展，對能源的需求量大增，刺激了煤炭產業(yè)的發(fā)展。由于井下環(huán)境惡劣，我國煤礦爆炸事件頻繁發(fā)生，給人民生活和國家經濟建設帶來巨大影響和損害，本設計是針對目前情況設計一種井下便攜式瓦斯傳感器，當瓦斯氣體濃度接近危險值時，自動發(fā)出報警，提醒井下人員立刻離開。從1979年以來，我國從國外引進和自行研制了煤礦瓦斯檢測報警器和瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)?，F在，大部分礦井裝備了瓦斯檢測、遙測儀器與裝置，國有重點煤礦大多裝備了煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現了瓦斯、一氧化碳、風速、負壓、溫度的自動、連續(xù)、集中監(jiān)測和瓦斯超限的報警、斷電，多次避免了瓦斯事故和火災事故，有的礦區(qū)還實現了全局或全礦聯網，這些設備對保障煤礦安全生產起到了重要作用。但是，煤礦安全生產形勢依然嚴峻。煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)主要是對煤礦生產系統(tǒng)安全狀況的監(jiān)測，其中包括對礦井空氣中有害或危險成分的監(jiān)測、礦井空氣物理狀態(tài)的監(jiān)測和通風設備運行狀態(tài)以及其它參數的監(jiān)測。近年來，國內先后研制或引進多種類型的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，因設備整體價格比較高，很多中小型煤礦難于承受，而安全事故往往發(fā)生在這些煤礦的生產過程中。因此，研制一種價格低、性能可靠、容量適中的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)十分必要，也是現實的客觀需求。瓦斯?jié)舛鹊母叩褪敲旱V井下是否發(fā)生自燃火災的重要標志之一，是導致人員中毒死亡而引起重大傷亡事故的重要因素。因此，在煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中瓦斯傳感器十分必要，且很普遍。煤礦安全儀表是監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)煤礦井下環(huán)境參數（包括甲烷、一氧化碳、氧氣、溫度、風速等）的一類手持式或固定式儀器。它所采用的技術從模擬分立器件到大規(guī)模集成電路得到了長足的發(fā)展，為煤礦的安全生產做出了巨大的貢獻。由于煤礦井下生產條件的特殊性，要求所使用的安全儀表必須結構簡單、功能齊全、安全可靠、功耗盡可能的小。1.3礦井瓦斯的產生及危害瓦斯的主要成分是甲烷，它的化學元素符號是CH4，一種無毒、無味、無顏色、難溶于水，可以燃燒的氣體。其密度為0.716kg／m3，與空氣的相對密度為0.554，常產生在礦井之中，礦井瓦斯是煤礦生產過程中，從煤、巖內涌出的各種氣體的總稱。礦井瓦斯的成分較復雜，除甲烷(可達80％～90％以上)還含有其他烴類，如乙烷、丙烷，以及二氧化碳和稀有氣體。瓦斯分子直徑小，滲透性很強，為空氣的1.6倍。礦井瓦斯爆炸是煤礦安全生產中危害最大的一種事故。它是一種鏈鎖反應。當爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源給予的熱能）后，反應分子的鏈即行斷裂，離解成兩個或兩個以上的游離基（也叫自由基）。這類游離基具有很大的化學活性，成為反應連續(xù)進行的活化中心。在適合的條件下，每一個游離基又可以進一步分解，再產生兩個或兩上以上的游離基。這樣循環(huán)不已，游離基越來越多，化學反應速度也越來越快，最后就可以發(fā)展為燃燒或爆炸式的氧化反應。所以，瓦斯爆炸就其本質來說，是一定濃度的瓦斯和空氣中的氧氣在一定溫度作用下產生的激烈氧化反應。瓦斯爆炸產生的高溫高壓，促使爆源附近的氣體以極大的速度向外沖擊，造成人員傷亡，破壞巷道和器材設施，揚起大量煤塵并使之參與爆炸，產生更大的破壞力。另外，爆炸后生成大量的有害氣體，造成人員中毒死亡。瓦斯爆炸必須具備下列三個條件，缺一就不能發(fā)生爆炸。1、瓦斯?jié)舛?。瓦斯與空氣混合，按體積計算，瓦斯?jié)舛仍?%—至16%時具有爆炸性。瓦斯爆炸界限不是固定不變的。如有別的可燃氣體或煤塵混入，或溫度、壓力增加后，瓦斯爆炸界限就會擴大，瓦斯?jié)舛炔坏?%就可能爆炸，超過16%還會爆炸；惰性氣體混入后，可使瓦斯爆炸的界限縮小，瓦斯?jié)舛冗_到5%也不爆炸，不到16%即失去爆炸性。如果混入的惰性氣體很大，就可能使瓦斯與空氣的混合氣體失去爆炸性。2、點燃瓦斯的火源。瓦斯的引火溫度一般認為是650～750℃井下煤炭自燃、明火、電氣火花、架線機車火花、吸煙以及摩擦、撞擊和放炮產生的火花都可以點燃瓦斯。在井下防止各種火源的出現，對防止瓦斯爆炸是十分重要的。因此，任何人都應該自覺的不把火種帶到井下，不在井下吸煙，不隨意打開礦燈。3、空氣中的氧氣含量。在空氣與瓦斯混合的氣體中，如果氧氣含量低于12%，混合氣體就失去爆炸性。在正常生產的礦井中，不可能采用降低空氣中的氧氣含量的辦法來防止瓦斯爆炸。對于已經封閉的火區(qū)或正在處理中的火區(qū)，尤其是對高瓦斯礦井火區(qū)，可以采取注入惰性氣體、降低氧氣含量的方法來防止瓦斯爆炸。瓦斯爆炸的巨大危害使得瓦斯?jié)舛鹊臋z測成為保證煤礦生產安全的重要手段之一。瓦斯傳感器主要是對煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測。近年來，國內先后研制或引進多種類型的瓦斯傳感器，因設備整體價格比較高，設備復雜，體積大，不適裝備到每個現場的人員，因此，研制一種價格低、性能可靠、便于攜帶的瓦斯傳感器十分必要，也是現實的客觀需求。1.4基于凌陽單片機的瓦斯傳感器的工作原理基于凌陽單片機的瓦斯傳感器是以凌陽單片機為核心設計瓦斯?jié)舛葯z測監(jiān)控設備，系統(tǒng)由凌陽SPCE061A單片機，瓦斯氣體檢測電路，液晶顯示電路，聲光報警電路，系統(tǒng)電源組成。由于瓦斯傳感器價格高昂，市場上難以購買，因此本課題僅做技術驗證性的試驗，用一組直流電壓模擬瓦斯傳感器檢測電路輸出的瓦斯?jié)舛刃盘?，先通過瓦斯傳感器采集現場的瓦斯數據;然后經過運算放大電路把采集到的瓦斯數據進行適當的處理，轉換成凌陽單片機所需要的0～3.3V電壓信號；凌陽單片機通過自身集成的10位A/D轉換器將采集到的瓦斯數據進行A/D轉換后再處理；用液晶顯示現場瓦斯?jié)舛?，利用凌陽單片機強大的語音編輯功能定時播報當前的瓦斯?jié)舛?，同時設置越限(當前瓦斯?jié)舛瘸^一定限度時)發(fā)出聲光報警，以此來確保井下人員能立即得到警報。并在迫切危險時主動發(fā)出斷電控制信號，本課題設計并實現了斷電信號模擬控制。該系統(tǒng)是以凌陽SPCE061A單片機為核心構成一個具備數據采集、對象控制、結果顯示、數據通信等功能的完整系統(tǒng)。1.5本文研究的目的和意義本設計利用了凌陽單片機成本低、性能可靠、集成度高、抗干擾能力強、相互之間及與計算機之間通信方便等特點，研制出一種新型的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，很好地解決了煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設備整體價格比較昂貴，普通瓦斯傳感器價格比較高，設備復雜，體積大的問題對于目前國內中小煤礦的生產有重要的意義和影響。同時可以進一步了解凌陽單片機基本構造和性能以及瓦斯傳感器的工作原理，傳感器技術和檢測技術，培養(yǎng)自己綜合運用知識的能力和理論與實踐相結合的能力。另外，研究整個課題的設計過程，有利于自己今后在學習與工作中進行系統(tǒng)化和整體性的分析問題、提出問題和解決問題的能力。

2瓦斯傳感器概述目前,礦井中常用的瓦斯傳感器可分為熱導式和熱效式兩大類。2.1熱導式瓦斯傳感器熱導式瓦斯傳感器是利用瓦斯與空氣的導熱系數不同而測量瓦斯?jié)舛鹊?。這種傳感器在工作時需通入恒定的電流,將其加熱到一定的溫度(180℃左右),功耗較大;且其中的半導體熱敏電阻式傳感器受CO2和水蒸汽的影響較大,元件的一致性和互換性也較差。熱導式瓦斯檢測儀在測定低濃度的瓦斯時,輸出信號很小,誤差較大。因此,這類傳感器制成的瓦斯檢測儀適用于測量高濃度的瓦斯(5%～100%)。目前這種傳感器在礦井中應用較少。2.2熱效式瓦斯傳感器熱效式瓦斯傳感器(又稱熱催化式瓦斯傳感器),其工作原理是利用可燃氣體在催化劑的作用下進行無焰燃燒,產生熱量,使元件電阻因溫度升高而發(fā)生變化,測知瓦斯的濃度。這種傳感器的優(yōu)點是精度較高,輸出信號較大(1%CH4時,輸出電壓可達15～20mV),且不受其它燃氣和灰塵存在的影響。它的缺點是元件表面溫度高(300～450℃),壽命短(多數國家均保證1年),功耗大(其加熱功率>1w;熱催化元件功耗為0.3～0.75w),易受硫、鉛、磷、氯等的化合物干擾而使催化劑中毒,降低其靈敏度,甚至誤報。表1常用的幾種煤礦用瓦斯傳感器性能指標型號類型測量范圍（%）誤差（%）工作電流(mA)工作溫度（℃）靈敏度（mV/1%）WZJ-1載體催化0~4<±0.2150~180320~35010BD-12載體催化0~3<±0.1300300~45020AYJ-2熱催化0~4<±0.3320~360300~45015BW鉑絲催化0~4<±0.2875850~95017CKA-678P熱導式10~100<±0.11801800.22.3催化燃燒式瓦斯傳感器工作原理催化燃燒式瓦斯傳感器的優(yōu)點是精度較高,輸出信號較大,且不受其它燃氣和灰塵存在的影響，因此在實際中得到了廣泛的應用。所以下面詳細介紹催化燃燒式瓦斯傳感器。催化燃燒式瓦斯傳感器利用其氧化燃燒特性檢測空氣中可燃氣含量，是可燃氣體專用傳感器。由于它的性能好、成本低，是當前國內外使用最多的可燃氣傳感器。2.3.1催化燃燒式瓦斯傳感器的特點（1）在空氣中對瓦斯氣體爆炸下限濃度（%LEL）以下的含量，其輸出信號接近線性（60%LEL以下線性度更好）；（2）對非可燃氣體沒有反應，只對可燃氣有反應，無干擾；（3）傳感器結構簡單、成本低；（4）不受水蒸氣影響，對環(huán)境的溫濕度影響不敏感，適于野外使用。但是，它也有一些缺點：（1）工作溫度高，一般元件表面溫度200℃～300℃，內部可達700℃～800℃，傳感器不能做成本安型結構，只能做成隔爆型；（2）工作電流較大，國內產品100mA，國外產品200mA～300mA，電流功耗大，不易做成總線連接；（3）元件易受硫化物、鹵素化合物等中毒影響，降低使用壽命；（4）在缺氧環(huán)境下檢測指示值誤差較大。催化燃燒式瓦斯傳感器有金屬絲催化元件和載體催化元件兩種。前者現在使用較少，這里只介紹載體催化元件的傳感器。2.3.2催化燃燒式瓦斯傳感器的結構原理（1）傳感器敏感元件結構催化燃燒式瓦斯傳感器是由兩個傳感器敏感元件和兩支固定電阻組成的惠斯通電橋。敏感元件即在0.01~0.08mm的鉑金絲繞制的線圈上燒結AL2O3載體，在其表面浸涂鉑族金屬催化劑（經物化過程形成理想的催化層），成為檢測元件a（黑件），另一元件只有相同的載體，但無催化劑，為參比元件b(白件)。（2）工作原理檢測橋路如圖1所示：黑白元件的鉑絲是橋路電阻，又是加熱器，使催化劑在高溫下產生催化作用，兩固定電阻R1、R2，與黑白兩件電阻值相匹配。當無可燃氣時，橋路平衡，輸出信號為零。當有可燃氣進入兩元件腔體時，在黑件表面進行催化氧化，放出熱量，使其溫度升高、電阻升高，而白件電阻值不變，此時橋路不平衡，輸出的信號與可燃氣含量成正比。圖1測量橋路2.3.3催化燃燒式傳感器指示刻度（1）氧氣對指示值的影響傳感器的檢測原理是甲烷（CH4）在催化劑作用下與氧氣發(fā)生氧化反應，放出熱量，檢測反應如下：CH4＋2O2＝CO2＋2H2O＋Q式（2-1）從化學反應式看出，兩種物質發(fā)生化學反應時，必須具有一定的當量，才能產生最大熱量。在爆炸下限以下濃度，氧氣過剩，產生的熱量隨甲烷增加而增加。在爆炸范圍以上，甲烷增加，由于缺氧，產生的熱量反而降低，儀器指示值下降。（2）用爆炸下限的百分數做刻度的一致性催化燃燒式傳感器，對不同的可燃氣氧化燃燒熱差別很大。如果以百分濃度做儀器的刻度，一種可燃氣對應一種刻度，如上所述，指示刻度有雙重性，對安全檢測來講，爆炸下限以上的濃度，已無檢測的價值。在爆炸下限的濃度，各種可燃氣氧化燃燒熱量近似相等，所以，以爆炸下限百分數做刻度（以100%LEL做滿刻度），用一種異丁烷氣標定，可以測定多種烷烴和烯烴類可燃氣。對可燃的無機氣體差異較大，需單獨標定，檢測才能準確。圖2可燃氣（甲烷）刻度2.3.4催化燃燒式瓦斯傳感器的中毒和壽命傳感器的催化劑與其他催化劑一樣，有中毒現象發(fā)生，受硫化物、鹵素化合物以及Si、Sb、Pb等物質的影響，其催化活性（傳感器的靈敏度）會逐漸下降，稱之為傳感器中毒。使用時，要注意中毒物質，要盡可能選擇抵抗中毒能力較強的傳感器為好。傳感器受中毒物質的毒害和長期加熱以及表面污染等影響，傳感器的靈敏度會緩慢下降，可通過定期標定增加電路放大器的放大倍數來解決。但是，當傳感器的壽命終結時，其靈敏度會急劇下降，不能使用，必須更換。一般傳感器的壽命3~5年，比電化學式傳感器壽命較長，比紅外式和光離子化式較短。其壽命與使用環(huán)境和正確維護有很大關系。3SPCE061A的系統(tǒng)概述3.1單片機的選擇近年來單片機及其外圍芯片技術不斷發(fā)展，為較好的滿足以上要求提供了廣闊的發(fā)展空間，隨著單片機集成化程度的不斷提高，現代單片機已經具備了數字信號處理功能，使語音信號處理用單片機實現成為可能。臺灣凌陽科技公司（SunPlus）推出的一款SPCE061A就是這樣的產品，SPCE061A是以μ’nSP?為16位微控制器及信號處理器芯片為內核的16位單片機，采用模塊式集成結構，片內集成了2KBRAM、32KBFlash、ADC、DAC、并行I/O等，特別適合語音信號處理。本文提出了一種新型的監(jiān)測礦井下瓦斯傳感器，闡述了系統(tǒng)的硬件設計及選型。系統(tǒng)可以檢測出礦井下瓦斯氣體的濃度，并且當測量值超出預設報警限時可以發(fā)出聲光報警信號，提示現場工作人員采取緊急措施，減小事故的發(fā)生率提醒人們注意，以便采取應急措施。這里語音播報利用SPCE061A的語音播放系統(tǒng)使系統(tǒng)更加完善，通過SPY0030功率放大器,驅動喇叭,完成語音播放。實踐證明，系統(tǒng)可靠性好，能滿足不同場合監(jiān)測有毒有害氣體濃度的需要，具有一定的實用性和社會推廣價值。SPCE061A是繼μ’nSP系列產品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一個16位結構的微控制器，與SPCE500A不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調試等功能，SPCE061A里只內嵌32K字的閃存FLASHROM。較高的處理速度使μ’nSP?能夠非常容易地、快速地處理復雜的數字信號。因此，與SPCE500A相同，以μ’nSP?為核心的SPCE061A微控制器也適用在數字語音識別應用領域。SPCE061A在2.6V~3.6V工作電壓范圍內的工作速度范圍為0.32MHz~49.152MHz，較高的工作速度使其應用領域更加拓寬。2K字RAM和32K字閃存ROM僅占一頁存儲空間，32位可編程的多功能I/O端口；兩個16位定時器/計數器；32768Hz實時時鐘；低電壓復位/監(jiān)測功能；8通道10位模-數轉換輸入功能并具有內置自動增益控制功能的麥克風輸入方式；雙通道10位DAC方式的音頻輸出功能，只需要外接功放（SPY0030A）即可完成語音的播放，SPCE061A是數字聲音和語音識別產品的一種最經濟的應用。另外凌陽十六位單片機具有易學易用的效率較高的一套指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中，支持標準C語言，可以實現C語言與凌陽匯編語言的互相調用為軟件開發(fā)提供了方便的條件。SPCE061A片內還集成了一個ICE（在線仿真電路）接口，使得對該芯片的編程、仿真都變得非常方便，而ICE接口不占用芯片上的硬件資源，結合凌陽科技提供的集成開發(fā)環(huán)境（μ’nSPIDE）用戶可以利用它對芯片進行真實的仿真；而程序的下載（燒寫）也是通過該接口進行下載。3.2SPCE061A的簡介3.2.1SPCE061A的主要性能如下■16位μ’nSP為微處理器；■工作電壓：VDD為2.4~3.6V(CPU)，VDDH為2.4~5.5V(I/O)；■CPU時鐘：32768Hz~49.152MHz；■內置2K字SRAM、內置32KFLASH；■可編程音頻處理；■32位通用可編程輸入/輸出端口；■32768Hz實時時鐘，鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號；■2個16位可編程定時器/計數器(可自動預置初始計數值)；■2個10位DAC(數-模轉換)輸出通道；■7通道10位電壓模-數轉換器(ADC)和單通道語音模-數轉換器；■聲音模-數轉換器輸入通道內置麥克風放大器自動增益控制(AGC)功能；■系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止狀態(tài))耗電小于2μA@3.6V；■14個中斷源：定時器A/B，2個外部時鐘源輸入，時基，鍵喚醒等；■具備觸鍵喚醒的功能；■使用凌陽音頻編碼SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容納210秒的語音數據；■具備異步、同步串行設備接口；■具有低電壓復位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(LVD)功能；■內置在線仿真電路接口ICE（In-CircuitEmulator）；■具有保密能力；■具有WatchDog功能（由具體型號決定）。3.2.2SPCE061A的內部結構框圖單片機也稱單片微控制器（singlechipmicrocontroller）,它集成度高、運算速度快、體積小、運行可靠、價格低廉，在過程控制、數據采集、機電一體化、智能儀器儀表、家用電器以及網絡技術等方面的到廣泛應用。凌陽單片機(SPCE061A)的組成主要如下圖3所示，下面將就各部分與他們外圍的器件進行簡要的原理分析。圖3（1）SPCE061A內部結構圖圖3（2）SPCE061A內部結構圖（1）輸入/輸出（I/O）接口：“61板”將SPCE061A的32個I/O口全部引出：IOA0~IOA15，IOB0~IOB15，對應的引腳為：A口，41~48、53、54~60；B口，5~1、81~76、68~64。而且該I/O口是可編程的，即可以設置為輸入或輸出：設置為輸入時，分為懸浮輸入或非懸浮輸入，非懸浮輸入又可以設置為上拉輸入或是下拉輸入；在5V情況下，上拉電阻為150K，下拉電阻為110K；設置為輸出時，可以選擇同相輸出或者反相輸出。輸入/輸出接口（也可簡稱為I/O端口）是單片機與外設交換信息的通道。輸入端口負責從外界接收檢測信號、鍵盤信號等各種開關量信號。輸出端口負責向外界傳送由內部電路產生的處理結果、顯示信息、控制命令、驅動信號等。μ’nSP內有并行和串行兩種方式的I/O口。并行口線路成本較高，但是傳輸速率也較高；與并行口相比，串行端口的傳輸速率較低但可以節(jié)省大量的線路成本。SPCE061A有兩個16位的通用并行I/O口：A口和B口。這兩個端口的每一位都可通過編程單獨定義成輸入或輸出口。A口的IOA0~IOA7作為輸入端口時，具有喚醒功能，即當輸入電平發(fā)生變化時，會觸發(fā)CPU中斷。在電池供電、追求低耗電的應用場合，可以讓CPU進入睡眠模式（利用軟件控制）以降低功耗，需要時才以按鍵來喚醒CPU，使其進入工作狀態(tài)。A口又可與ADC的多路LINE_IN輸入共用(IOA[6~0]與LINE_IN[1~7]共用，此時IOA必須被設置為懸浮管腳)；B口除了具有普通I/O口的功能外，在特定的管腳上還可以完成一些特殊的功能(參見B口的特殊功能)。（2）音頻輸入/輸出接口：正如我們在前面介紹的“61板”具有強大的語音處理功能，如圖3（2）所示，X1是語音的MIC輸入端，帶自動增益（AGC）控制，J12和J3都是語音輸出接口，一個是耳機插孔另一個是兩pin的插針外接喇叭，由DAC輸出引腳21或22經語音集成放大器SPY0030放大，然后輸出，SPY0030是凌陽的芯片，相當于LM386，但是比386音質好，它可以工作在2.4～6.0V范圍內，最大輸出功率可達700mW（386必須工作在4V以上，而且功率只有100mW）。（3）在線調試器（PROBE）和EZ-PROBE接口：圖3（2）中J4為PROBE的接口，該接口有5PIN，其中兩個分別是地（VSS）和3.3v電源（VCC），我們就是通過PROBE一端接PC機25針并口，一端連接它來調試、仿真和下載程序的。這樣，就不需要再用仿真器和編程器了，只要按圖所示將其連接好，就可以通過它在PC機上調試程序，并且在線仿真，最后將程序下載到芯片中，即完成了程序的燒寫。圖中的J11是EZ-PROBE的接口，我們提供一根轉接線用作EZ-PROBE的下載，一端連接PC機的25pin并口，另外一端接“61板”的5pinEZ-PROBE接口，參見圖3（2）。（4）電源接口：圖3（2）中J10是電源接口，“61板”的內核SPCE061A電壓要求為3.3V，而I/O端口的電壓可以選擇3.3V也可以選擇5V。所以，在板子上具有兩種工作電壓：5V和3.3V。對應的引腳中15、36和7必須為3.3V，對于I/O端口的電壓51、52、75可以為3.3V也可以是5V，這兩種電平的選擇通過跳線J5來選擇?！?1板”的供電電源系統(tǒng)采用用戶多種選擇方式：a、DC5V電池供電：用戶可以用3節(jié)電池來供電，5V直流電壓直接通過SPY0029（相當于一般3.3V穩(wěn)壓器）穩(wěn)壓到3.3V，為整個“61”板提供了4.5V和3.3V兩種電平的電壓。b、DC5V穩(wěn)壓源供電：用戶可以直接外接5V的直流穩(wěn)壓源供電，5V電壓再通過SPY0029穩(wěn)壓到3.3V。c、DC3V供電：用戶可以提供直流3.3V電壓為實驗板進行供電，此時整個板子只有3.3V電壓，I/O端口電壓此時只有一種選擇?！枰⒁獾氖怯捎赟PY0029最大輸出電流為50mA，所以如果需要外接一些模組時要先考慮一下是否合適。（5）外部復位：復位是對“61板”內部的硬件初始化，“61板”本身具有上電復位功能，即只要一通電就自動復位，另外，還具有外部復位電路，即在引腳6上外加一個低電平就可令其復位。如圖3（2）中的REST按鍵。3.2.3SPCE061A最小系統(tǒng)簡介本方案使用SPCE061A精簡開發(fā)板（61板）作為單片機最小系統(tǒng)，61板包括SPCE061A芯片及其外圍的基本模塊，外圍模塊包括：晶振輸入模塊（OSC）、鎖相環(huán)外圍電路（PLL）、復位電路（RESET）、指示燈（LED）等，如下圖4所示。圖4SPCE061A最小系統(tǒng)本系統(tǒng)，有關SPCE061A單片機的最小系統(tǒng)的各個模塊都做在61A板當中，可以查閱61A板的電路原理圖。（1）芯片的引腳排列和說明:SPCE061A有兩種封裝片，一種為84個引腳，PLCC84封裝形式；它的排列如圖5所示；另一種為80個引腳，LQFP80封裝。它的排列如圖6所示。圖5SPCE061ALQFP80封裝引腳排列圖圖6SPCE061APLCC84封裝引腳排列圖圖7SPCE061APLCC84實物圖在PLCC84封裝中，有15個空余腳，用戶使用時這15個空余腳懸??；在LQFP80封裝中有9個空余腳，用戶使用時這9個空余腳接地。此處以PLCC84封裝管腳功能介紹。表2凌陽SPCE061A的管腳功能說明管腳名稱管腳編號類型描述IOA[15:8]46~39輸入輸出IOA[15:8]：雙向IO端口IOA[7:0]34~27輸入輸出IOA[7:0]：通過編程，可設置成喚醒管腳IOA[6:0]：與ADCLine_In輸入共用IOB[15:11]IOB10IOB9IOB8IOB7IOB6IOB5IOB4IOB3IOB2IOB1IOB050~545758596061626364656667輸入輸出輸入輸出輸入輸出輸入輸出輸入輸出輸入輸出輸入輸出輸入輸出輸入輸出輸入輸出輸入輸出IOB[15:11]：雙向IO端口。IOB10~0除用作普通的IO端口，還可作為：IOB10：通用異步串行數據發(fā)送管腳TxIOB9：TimerB脈寬調制輸出管腳BPWMOIOB8：TimerA脈寬調制輸出管腳APWMOIOB7：通用異步串行數據接收管腳RxIOB6：雙向IO端口IOB5：外部中斷源EXT2的反饋管腳IOB4：外部中斷源EXT1的反饋管腳IOB3：外部中斷源EXT2IOB2：外部中斷源EXT1IOB1：串行接口的數據傳送管腳IOB0：串行接口的時鐘信號DAC112輸出DAC1數據輸出管腳DAC213輸出DAC2數據輸出管腳X32I2輸入32768Hz晶振輸入管腳X32O1輸出32768Hz晶振輸出管腳VCOIN70輸入PLL的RC濾波器連接管腳AGC16輸入AGC的控制管腳MICN19輸入麥克風負向輸入管腳MICP21輸入麥克風正向輸入管腳V2VREF14輸出電壓源2.0V產生5mA的驅動電流，可用作外部ADCLine_In通道的最高參考輸入電壓，不可作為電壓源使用MICOUT18輸出麥克風1階放大器輸出管腳，管腳外接電阻決定AGC增益倍數OPI17輸入麥克風2階放大器輸入管腳VEXTREF23輸入ADCLine_In通道的最高參考輸入電壓管腳VMIC25輸出麥克風電源VADREF22輸出AD參考電壓(由內部ADC產生)VDD5,69輸入邏輯電源的正向電壓VSS10,26,71輸入邏輯電源和IO口的參考地VDDIO37,38,56輸入IO端口的正向電壓管腳VSSIO35,36,48輸入IO端口的參考地AVDD24輸入模擬電路（A/D、D/A和2V穩(wěn)壓源）正向電壓AVSS15輸入模擬電路（A/D、D/A和2V穩(wěn)壓源）參考地RESET68輸入低電平有效的復位管腳SLEEP49輸出睡眠模式(高電平激活)ICE7輸入激活ICE(高電平激活)ICECLK8輸入ICE串行接口時鐘管腳ICESDA9輸入輸出ICE串行接口數據管腳TEST3輸入測試模式時接高電平，正常模式時接地GND或懸浮ROMT47輸入測試閃爍存儲器，正常模式時懸浮N/C55輸入正常使用時接地N/C4輸入正常使用時接地N/C6輸入正常使用時接地PFUSE,PVIN【1】20,11輸入程序保密設定腳。用戶慎重使用。（2）SPCE061A精簡開發(fā)板:SPCE061A精簡開發(fā)板（簡稱61A板），是以凌陽16位單片機SPCE061A為核心的精簡開發(fā)－仿真－實驗板，大小相當于一張撲克牌，是“凌陽科技大學計劃”專為大學生、電子愛好者等進行電子實習、課程設計、畢業(yè)設計、電子制作及電子競賽所設計的，也可作為單片機項目初期研發(fā)使用。61A板除了具備單片機最小系統(tǒng)電路外，還包括有電源電路、音頻電路（含MIC輸入部分和DAC音頻輸出部分）、復位電路等，采用電池供電，方便學生隨身攜帶,使學生在掌握軟件的同時，熟悉單片機硬件的設計制作，鍛煉學生的動手能力，也為單片機學習者和開發(fā)者創(chuàng)造了一個良好的學習條件和開發(fā)新產品的機會。61A板上有調試器接口（Probe接口）以及下載線（EZ_Probe）接口，分別可接凌陽科技的在線調試器、簡易下載線，配合μ’nSPIDE，可方便地在板上實現程序的下載、在線仿真調試。下圖8為61A板的實物圖。圖861A板實物圖（3）61板上的調試、下載接口模塊：SPCE061A的開發(fā)可通過在線調試器PROBE來實現，實際上，PROBE既是一個編程器(即程序燒寫器)，又是一個實時在線調試器，它可在單片機應用項目的開發(fā)過程中替代常用的兩種工具。硬件在線實時仿真器和程序燒寫器，它利用了SPCE061內置的在線仿真電路ICE(In-CircuitEmulator)和凌陽公司的在線串行編程技術。PROBE可工作于凌陽IDE集成開發(fā)環(huán)境軟件包下，其5芯的仿真頭可直接連接到目標電路板上SPCE061A的相應管腳，并可直接通過目標電路板上的CPU(SPCE061A)來調試并運行用戶編制的程序，PROBE的另一頭是標準的25針打印機接口，可直接連接到計算機的打印口，它與上位機的通訊可在計算機IDE集成開發(fā)環(huán)境軟件包下完成。圖9所示是計算機、PROBE、用戶目標板三者之間在線調試時的外圍連線接口電路。圖9用戶目標板、PROBE、計算機三者之間的連接（4）應用領域：·語音識別類產品；·儀器儀表；·家電產品；·自動售貨機；·智能語音交互式玩具；·高級亦教亦樂類玩具；·兒童電子故事書類產品；·通用語音合成器類產品；·需較長語音持續(xù)時間類產品。3.2.4SPCE061A的內部硬件結構簡介SPCE061A芯片內部集成了ICE(在線實時仿真/除錯器)、FLASH(閃存)、SRAM(靜態(tài)內存)、通用I/O端口、定時器/計數器、中斷控制、CPU時鐘鎖相環(huán)(PLL)、ADC(模擬數字轉換器)、DAC(數字模擬轉換器)輸出、UART(通用異步串行輸入輸出接口)、SIO(串行輸入輸出接口)、低電壓監(jiān)測/低電壓復位等模塊。（1）CUP：SPCE061A配備了凌陽科技開發(fā)的最新的16位微處理器μ’nSP?。它內含有8個寄存器：4個通用寄存器R1~R4，1個程序計數器PC，1個堆棧指針SP，1個基址指針BP和1個段寄存器SR。通用寄存器R3和R4結合形成一個32位寄存器MR，MR可被用作乘法運算和內積運算的目標寄存器。此外，SPCE061A有3個FIQ中斷和14個IRQ中斷，并且?guī)в幸粋€由指令BREAK控制的軟中斷。μ’nSP?不僅可以進行加、減等基本算術運算和邏輯運算，還可以完成用于數字信號處理的乘法運算和內積運算。（2）存儲器映象：a，SRAM:SPCE061A有2K字的SRAM(包括堆棧區(qū))，其地址范圍從0x0000到0x07FF。前64個字，即0x0000~0x003F地址范圍內，可采用6位地址直接地址尋址方法，存取速度為2個CPU時鐘周期；其余范圍內(0x0040~0x07FF)內存的存取速度則為3個CPU時鐘周期。b，閃存FlashROM:32K字的內嵌式閃存用于存放程序和數據，全部32K字閃存均可在ICE工作方式下被編程寫入或被擦除，對閃存設置保密設定后，其內容將不能再通過ICE被讀寫，也就可以使程序不被其他人讀取。（3）SPCE061A的輸入/輸出接口：輸入/輸出接口（也可簡稱為I/O端口）是單片機與外設交換信息的通道。輸入端口負責從外界接收檢測信號、鍵盤信號等各種開關量信號。輸出端口負責向外界傳送由內部電路產生的處理結果、顯示信息、控制命令、驅動信號等。μ’nSP內有并行和串行兩種方式的I/O口。并行口線路成本較高，但是傳輸速率也較高；與并行口相比，串行端口的傳輸速率較低但可以節(jié)省大量的線路成本。SPCE061A有兩個16位的通用并行I/O口：A口和B口。這兩個端口的每一位都可通過編程單獨定義成輸入或輸出口。A口的IOA0~IOA7作為輸入端口時，具有喚醒功能，即當輸入電平發(fā)生變化時，會觸發(fā)CPU中斷。在電池供電、追求低耗電的應用場合，可以讓CPU進入睡眠模式（利用軟件控制）以降低功耗，需要時才以按鍵來喚醒CPU，使其進入工作狀態(tài)。例如：手持遙控器、電子字典、PDA、計算器、無線電話等。（4）PLL鎖相環(huán)(PhaseLockLoop)：PLL鎖相環(huán)的作用是將系統(tǒng)提供的實時時鐘基頻(32768Hz)進行倍頻，調整至49.152MHz、40.96MHz、32.768MHz、24.576MHz或20.480MHz。系統(tǒng)預設的PLL振蕩頻率為24.576MHz。（5）系統(tǒng)時鐘：32768Hz的實時時鐘經過PLL倍頻電路以后，產生系統(tǒng)時鐘頻率Fosc，Fosc再經過分頻得到CPU時鐘頻率(CPUCLK)，可通過設定P_SystemClock(寫)(7013H)單元來控制。預設的Fosc、CPUCLK分別為24.576MHz和Fosc/8。用戶可以通過對P_SystemClock單元編程完成對系統(tǒng)時鐘和CPU時鐘頻率的定義。此外，32768HzRTC振蕩器有兩種工作方式：強振模式和自動弱振模式。處于強振模式時，RTC振蕩器始終運行在高耗能的狀態(tài)下。處于自動弱振模式時，系統(tǒng)在上電復位(poweronreset)后的前7.5秒內處于強振模式，然后自動切換到弱振模式以降低功耗。CPU被喚醒后預設的時鐘頻率為Fosc/8，用戶可以根據需要調整該值。（6）時間基準信號：時間基準信號，簡稱時基信號，來自于32768H實時時鐘，通過頻率選擇組合而成。時基信號產生器的頻率選擇TMB1，為TimerA的時鐘來源B提供了各種頻率選擇信號，并為中斷系統(tǒng)提供中斷源(IRQ6)信號。此外，時基信號產生器還可以通過分頻產生2Hz、4Hz、1024Hz、2048Hz以及4096Hz的時基信號，為中斷系統(tǒng)提供各種實時中斷源(IRQ4和IRQ5)信號。（7）Timer定時器/計數器：SPCE061A提供了兩個16位的計時/計數器：TimerA和TimerB。TimerA為通用計數器；TimerB為多功能計數器。TimerA的時鐘源由時鐘源A和時鐘源B進行“與”操作而形成；TimerB的時鐘源僅為時鐘源C。定時器發(fā)生溢出后，會產生一個溢出信號(TAOUT/TBOUT)，它會傳送到CPU中斷系統(tǒng)以產生定時器中斷信號；此外，定時器溢出信號還可以用于觸發(fā)ADC輸入的自動轉換過程，和DAC輸出的數據鎖存。（8）睡眠與喚醒：睡眠：IC在上電復位后就開始工作，直到接收到睡眠信號，才關閉系統(tǒng)時鐘(PLL振蕩器)，進入睡眠狀態(tài)。用戶可以通過對P_SystemClock(讀)(7013H)單元寫入CPUClkSTOP控制字(CPU睡眠信號)使系統(tǒng)從運行狀態(tài)轉入備用狀態(tài)。系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)后，程序計數器(PC)會停在程序的下一條指令計數上，當有任一喚醒事件發(fā)生后，由此繼續(xù)執(zhí)行程序。喚醒：系統(tǒng)接收到喚醒信號后會接通系統(tǒng)時鐘(PLL振蕩器)，同時CPU會響應喚醒事件的處理并進行初始化。IRQ3_KEY為觸鍵喚醒來源(IOA7~0)，其它中斷信號(FIQ、IRQ1~IRQ6及UARTIRQ)都可以作為喚醒來源。喚醒操作完成后，將會由進入睡眠狀態(tài)時的斷點處，繼續(xù)執(zhí)行程序。CPU需要200μs的時間才能完成喚醒的動作，所以睡眠/喚醒的頻率請勿超過5KHz，超過這個頻率的話，CPU將無法進入睡眠模式。關于觸鍵喚醒源，請可參考端口A的結構。（9）模擬數字轉換器ADC：ADC的控制：SPCE061A有8個10位ADC通道，其中一個通道(MIC_In)用于語音輸入，模擬信號經過自動增益控制器和放大器放大后進行A/D轉換。其余7個通道(Line_In)和IOA[0~6]引腳共享，可以將輸入的模擬信號(如電壓信號)轉換為數字信號。SPCE061A的A/D轉換范圍是整個輸入范圍，即0V~AVdd。無效的A/D模擬信號(超過VDD+0.3V或是低于VSS–0.3V)將影響轉換電路的工作范圍，從而降低ADC的性能。由于Line_In通道和IOA[0~6]共享引腳，建議用戶選擇其它的IO引腳（非IOA[0~6]），以避免由于無效的IO信號造成電壓不穩(wěn)(超過VDDIO+0.7V或低于VSSIO–0.7V)而降低ADC的性能。MIC_IN通道方式ADC的范圍：MIC_In通道方式的ADC，其最大參考電壓可達AVDD，即來自MIC_In通道的模擬信號的電壓范圍從0V到AVDD。信號從MIC_In引腳輸入，經過寄存器后被放大。放大器的增益倍數可以通過外部電路進行調整。然后AGC把MIC_In信號控制在指定的范圍內。LINE_IN模式的ADC操作：SPCE061A提供7個Line_In通道，它們與IOA[6:0]共享7個引腳。如果把這七個引腳當作Line_In通道，用戶必須首先把相對應的IOA引腳設置為“輸入”。注意：由于IO口帶有內部上拉和下拉輸入電阻，這會影響外部Line_In信號的電平。所以，IOA[6:0]最好被設置成懸浮的輸入端口，用于Line_In通道輸入。在ADC自動方式被啟用后，會產生出一個啟動信號，即RDY=0。此時，DAC0的電壓模擬量輸出值與外部的電壓模擬量輸入值進行比較，以盡快找出外部電壓模擬量的數字量輸出值。（10）低電壓監(jiān)測/低電壓復位(LVD/LVR)：SPCE061A可通過編程來啟用低電壓監(jiān)測和低電壓復位功能，可對系統(tǒng)的電源電壓進行監(jiān)控，使系統(tǒng)能運行在一個正常、可靠的工作環(huán)境，一旦出現電源異常的情況，能立即采取相對應的措施，使系統(tǒng)及時恢復正常。低電壓監(jiān)測LVD(LowVoltageDetect)：低電壓監(jiān)測功能可以提供系統(tǒng)內電源電壓的使用情況。如果系統(tǒng)電壓Vcc低于用戶設定的低限電壓VLVD，P_LVD_Ctrl單元的第15位(LVD監(jiān)測標志位)將被置為“1”；反之，當Vcc>VLVD時，該位被置為“0”。SPCE061A具有3級可編程低限電壓：2.4V、2.8V、和3.2V，通過對P_LVD_Ctrl單元編程來進行控制。假定VLVD=3.2V，當系統(tǒng)電壓Vcc低于3.2V時，P_LVD_Ctrl單元的第15位會被置為“1”。系統(tǒng)預設的低限電壓為2.4V。低電壓復位LVR(LowVoltageReset)：通過某種方式，使單片機內存各寄存器的值變?yōu)槌跏嫉牟僮鞣Q為復位(reset)。SPCE061A復位電路如圖10所示，在RESB端加上一個低電平就可令其復位。該電路具有手動和上電復位兩種功能。圖10復位電路（11）DAC方式音頻輸出：SPCE061A為音頻輸出提供兩個DAC通道：DAC1和DAC2，分別由經由DAC1和DAC2引腳輸出。DAC的輸出范圍從0x0000到0xFFFF。如果DAC的輸出數據被處理成PCM數據，必須讓DAC輸出數據的直流電位保持為0x8000，且僅有高10位的數據有作用。DAC1和DAC2的輸出數據應寫入P_DAC1(寫)($7017)和P_DAC2(寫)($7016)單元。上電復位后，兩個DAC均被自動打開，此時會消耗少量的電流(幾毫安)。所以如不需要用它們，盡量將P_DAC_Ctrl(寫)($702AH)單元的第1位設為‘1’，關閉DAC輸出。DAC的直流電壓必須保證平穩(wěn)地變化。否則會由于電壓的突變引起揚聲器產生雜音。采用rampup/down技術，可以減緩電壓變化的幅度，從而輸出高品質的音頻數據。它的應用場合包括：被喚醒/上電復位后首次使用DAC時，上電復位功能被關閉/進入睡眠狀態(tài)之前。（12）串行設備輸入輸出口(SIO)：串行輸出入端口SIO提供了一個1位的串行接口，用于與其它設備進行數據通訊。在SPCE061A內通過IOB0和IOB1這2個口來實現與設備進行串行交換數據的功能。其中，IOB0用來作為時鐘口(SCK)，IOB1則用來作為數據端口(SDA)，用于串行數據的接收或發(fā)送。參見IOB端口的特殊功能。（13）通用異步串行接口UART：UART模塊提供了一個全雙工標準接口，用于SPCE061A與外設之間的串行通訊。借助于IOB端口的特殊功能和UARTIRQ中斷，可以同時完成UART接口的接收與發(fā)送過程。此外，UART還可以通過緩沖來接收數據。也就是說，它可以在寄存器數據被讀取之前就開始接收新的數據。但是，如果新接收的數據被送進寄存器之前，寄存器內的舊數據還未被讀走，就會發(fā)生數據遺失。P_UART_Data(7023H)(讀/寫)單元可以用于接收和發(fā)送緩沖數據，向該單元寫入數據，可以將要發(fā)送的數據送入寄存器；從該單元讀取，可以從寄存器讀出數據字節(jié)。UART模塊的接收引腳Rx和發(fā)送引腳Tx，分別與IOB7和IOB10共享。（14）保密設定：如果希望將內部的閃存進行保密設定，可將PFUSE接5V，PVIN接GND并維持1秒以上，即可將內部保險絲熔化，此后就無法再完成read，download和debug等功能。因此使用保密功能過程中一定要慎重。（15）看門狗計數器（WatchDog）：凌陽單片機(SPCE061A)集成WatchDog功能，在傳感器初始化時設置看門狗,并且將其設置數據保存在EEPROM中，這樣可顯著提高整個系統(tǒng)的可靠性，并且最大限度地節(jié)省系統(tǒng)資源。WatchDog是用來監(jiān)視系統(tǒng)的正常運作。當系統(tǒng)正常運行時，每隔一定的周期就必須清除WatchDog計數器。如果在限定的時間內，WatchDog計數器沒有被清除，CPU就會認為系統(tǒng)已經無法正常工作，將會進行系統(tǒng)復位(reset)。SPCE061A的WatchDog的清除時間周期為0.75秒。因為WatchDog的溢出復位信號WatchDog_Reset是由4Hz時基信號經4分頻之后產生的，即每4個4Hz時基信號(1秒)將會產生一個WatchDog_Reset信號，如圖11所示。圖11WatchDog的結構和信號時序SPCE061A分成兩種版本：有WatchDog功能，以及無WatchDog功能的版本。對于有WatchDog的版本，WatchDog功能是上電時自動啟動，不能被關閉。因此用戶使用時，注意要在0.75秒內，進行清除WatchDog的操作。3.2.5SPCE061A部分模塊電路（1）音頻放大輸出模塊:凌陽的SPCE061A是16位單片機，具有DSP功能，有很強的信息處理能力，最高時鐘可達到49M，具備運算速度高的優(yōu)勢等等，這為語音的播放、錄放、合成及辨識提供了條件。另外SPCE061A單片機具有32k閃存，事先把所需要的語音信號錄制好，整個語音信號經凌陽SACM_S480壓縮算法壓縮只占有13.2K存儲空間，對凌陽SPCE061A單片機的存儲系統(tǒng)來說綽綽有余。凌陽SPCE061A單片機自帶雙通道DAC音頻輸出，DAC1、DAC2轉換輸出的模擬量電流信號分別通過AUD1和AUD2管腳輸出，DAC輸出為電流型輸出，經LM396音頻放大，即可驅動喇叭放音，放大電路如圖12（只列出了DAC1，DAC2類似)。在DAC1、DAC2后面接一個簡單的音頻放大電路和喇叭就能實現語音播報功能，這為單片機的音頻設計提供了極大方便，音頻的具體功能主要通過程序來實現。語音播報測量結果，當測試結果顯示相對較穩(wěn)定后開始播報測試結果。圖12音頻放大輸出電路SPY0030是凌陽公司開發(fā)的專門用于語音信號放大的芯片，它的增益如下所示：Gain=2*5000/(5000+R1)式（3-1）圖13SPY0030工作原理圖表3SPY0030管腳說明管腳表示類型（O輸出、I輸入）描述1SPNO音頻輸出負端2SPPO音頻輸出正端3VSSI地4INNI音頻輸入負端5ACINI音頻輸入正端6VREFO參考電壓7CEI芯片使能端8VDDI電源（2）音頻輸入模塊:如下圖所示電路，MICP和MICN將隨著MIC產生的波形變化，并在兩個端口處形成兩路反相的波形，再經過兩級運放放大，把放大的語音信號交給ADC轉換為數字量，這個時候我們就可以通過單片機編程對這些數據進行處理，比如說語音數據壓縮、語音識別樣本處理。主要由Microphone、AGC電路、ADC電路構成。圖14是音頻錄入電路。因為SPCE061A內置了AGC電路和ADC電路，所以實現音頻錄入的外圍電路變得如此簡單。這部分電路與SPCE061A的連接是這樣的：AGC接音頻錄入AGC引腳（25腳），OPI接Microphone的第二運放輸入腳（26腳），MICOUT接Microphone的第一運放輸出腳（27腳），MICN接Microphone的負向輸入腳（28腳），MICP接Microphone正向輸入腳（33腳），VCM接ADC參考電壓輸出腳（34腳），VMIC接Microphone電源（37腳）。語音信號經Microphone轉換成電信號，由隔直電容隔掉直流成分，然后輸入至SPCE061A內部前置放大器。SPCE061A內部自動增益控制電路AGC能隨時跟蹤、監(jiān)視前置放大器輸出的音頻信號電平，當輸入信號增大時，AGC電路自動減小放大器的增益；當輸入信號減小時，AGC電路自動增大放大器的增益，以便使進入A/D的信號保持在最佳電平，又可使削波減至最小。圖14音頻輸入電路（3）按鍵模塊:按鍵是通過通斷控制來實現它的功能，61A板上的按鍵在沒按下時，它的1、3腳是斷開的，當按下時這兩個腳是連通的。若此時我們在1腳接一個高電平，把第三腳連到一個I/O口上，這就形成了一個人機操作界面，通過編程對I/O掃描，單片機就能識別到我們的按鍵命令。圖15按鍵電路通過三個按實現語音播放、停止、暫停功能。KEY1：語音播放按鍵，按下該鍵，會有語音播放。KEY2：語音停止播放按鍵，按下該鍵，正在播放的語音停止。KEY3：語音暫停播放按鍵，按下該鍵，正在播放的語音暫停。（4）晶振模塊:石英晶體的主要特征是它具有壓電效應，既在晶體的兩個電極上加交流電壓時，晶體就會產生機械振動，而這種機械振動反過來又會產生交流電壓時，晶體就會產生交流電場，在電極上出現交流電壓。如果外加交流電壓的頻率與晶片本身的固有振動頻率相等，則機械振動的振幅和它產生的交流電壓的幅值都會顯著增大，這種現象稱為壓電諧振，稱該晶體為石英晶體振蕩器，或簡稱晶振。石英晶體的符號表示見圖16中的Y1部分，目前市場晶體都是標準的頻率，如：32768Hz、6MHz、3MHz等等，圖15中采用的是32768Hz，其中的諧振電容分別是C14(20P)、C15(20P)，在這里OSC部分的作用就是作為CPU時鐘的振源，具體的過程示意圖見圖14所示。圖16晶振電路（5）指示燈模塊:POWER-VDD為5v&3V供電電源,Power-D1電源指示燈,Sleep-D2睡眠指示燈，LED指示燈電路如圖17所示。圖17指示燈電路（6）電源模塊:SPCE061A的內核供電為3.3V，而I/O端口可接3.3V也可以接5V，所以在電源模塊（61板上）中有一個端口電平選擇跳線，如圖中的J5，下圖18為61A板上的電源電路圖。圖18電源電路圖18是電源部分的電路，5V直流電壓經過SPY0029后給整個系統(tǒng)供電。SPY0029是凌陽公司設計的電壓調整IC，采用CMOS工藝。SPY0029具有靜態(tài)電流低、驅動能力強、線性調整出色等特點。圖中的VDDH為SPCE061A的I/O電平參考，接SPCE061A的51腳，這種接法使得I/O輸入輸出高電平為3.3V；VDDP為PLL鎖相環(huán)電源，接SPCE061A的7腳；VDD和VDDA為數字電源，分別接SPCE061A的15腳和36腳；AVSS1是模擬地，接SPCE061A的24腳；VSS是數字地，接SPCE061A的38腳；AVSS2接音頻輸出電路的AVSS2。（7）程序下載模塊下圖介紹的是PROBE下載線的電路原理圖。其中PROBE就是在線調試器主要是為凌陽十六位單片機（包括PCE061A）提供在線編程、仿真和調試使用的工具。該調試器一端接在PC機的并口上，另一端接在開發(fā)系統(tǒng)的ICE端口上（J4口）。在凌陽十六位單片機的集成開發(fā)環(huán)境上就可以實現在線編程、仿真和調試，見圖19。圖19PROBE電路原理圖

4瓦斯傳感器的硬件設計凌陽單片機技術分為硬件和軟件兩部分。煤礦安全儀表從使用功能上分為手持式檢測儀表、固定式檢測儀表、監(jiān)控儀器等。手持式檢測儀表用電池供電，檢測一種或相近幾種環(huán)境參數，如便攜式一氧化碳檢定器、便攜式甲烷檢定器、便攜式多用儀（可測氧氣、一氧化碳、溫度等），該類儀器從功能上比較簡單，主要包括檢測放大電路、I/0、轉換電路、顯示驅動電路、聲光報警電路及其它輔助控制電路等。固定式檢測儀表大多采用外輸入電源，由電源箱提供直流本安電源。該類儀器除具備手持式儀器的基本功能外，還必須有檢測信號輸出的功能。監(jiān)測監(jiān)控儀器是采集環(huán)境或工作的參數，根據這些參數的變化以控制生產設備安全運行，預防井下事故的發(fā)生，并降低事故的危害程度。4.1技術要求和功能4.1.1技術要求工作原理：催化燃燒；

檢測氣體：甲烷氣體；使用環(huán)境：溫度0~40℃，濕度≤98%，氣壓86~115kPa，風速0~8m/s；測量范圍：0～4％CH4；允許誤差：0.00～1.00%CH4≤±0.10%CH4>1.00～2.00%CH4≤±0.20%CH42.00～4.00%CH4≤±0.30%CH4報警設定：1.00%CH4；報警方式：聲光報警；

報警誤差：±0.01％CH4；響應時間：≤30s；電源電壓：12~24VDC(礦用本安電源供電)；工作電流：<63mA；輸出信號：200~1000Hz方波信號；傳輸距離：≥1500m。4.1.2實現的功能1、LCM1602B可以實時顯示礦井下瓦斯的濃度值；2、利用按鍵控制語音播報瓦斯的濃度值；3、當礦井下瓦斯?jié)舛瘸迺r進行聲光報警；4.2硬件系統(tǒng)組成框圖設計礦用瓦斯傳感器是礦用連續(xù)檢測礦井下瓦斯?jié)舛鹊母呔葍x表，該傳感器能夠實時地測量并且顯示礦井下的瓦斯?jié)舛龋腋鶕舛戎凳欠癯蕻a生聲光報警信號，并且輸出與瓦斯?jié)舛认鄬哪M信號等功能。傳感器能在具有瓦斯、煤塵爆炸的礦井內，對煤層自燃發(fā)火、機電設備、運輸膠帶事故等多種因數可能引發(fā)火災和爆炸事故進行早期的預測和預報。瓦斯傳感器與凌陽單片機最小系統(tǒng)、聲光報警電路、液晶顯示電路、語音播報電路和串行通信電路相配合，組成一個功能完善的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控儀器。瓦斯傳感器是該監(jiān)測監(jiān)控儀器中的核心檢測元件，當瓦斯氣體進入瓦斯傳感器時，在黑件表面進行催化氧化，放出熱量，使其溫度升高、電阻升高，而白件電阻值不變，此時橋路不平衡，輸出的信號與瓦斯氣體含量成正比。當氣體濃度發(fā)生變化時，瓦斯傳感器的輸出電流也隨之成正比變化，經運放電路轉換放大輸出，進入凌陽單片機(SPCE061A)進行模/數轉換，完成液晶LCM1602B顯示、語音播報、超限聲光報警和上位機曲線顯示等功能，與相應的控制裝置一同構成了礦井下環(huán)境檢測或監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。本瓦斯傳感器系統(tǒng)主要是由檢測電橋、運放電路及凌陽單片機(SPCE061A)系統(tǒng)、超限聲光報警電路、液晶顯示電路、語音播報電路和一個串行通信系統(tǒng)等組成，如圖20所示硬件系統(tǒng)組成框圖。整個系統(tǒng)的信號工作流程，首先通過瓦斯傳感器采集現場的瓦斯?jié)舛葦祿?，然后經過運算放大電路把采集到的瓦斯數據進行適當的處理,轉換成凌陽單片機（SPCE061A）所需要的0~3.3V電壓信號，凌陽單片機（SPCE061A）通過自身集成的8路A/D轉換器將采集到的瓦斯數據進行A/D轉換后再處理；利用LCM1602B顯示當前現場的瓦斯?jié)舛龋昧桕枂纹瑱C強大的語音編輯功能定時播報當前的瓦斯?jié)舛?，同時設置越限(當前瓦斯?jié)舛瘸^一定限度時)聲光報警和上位機曲線顯示等功能?，F場瓦斯數據現場瓦斯數據瓦斯探頭運放電路凌陽單片機LCD顯示瓦斯?jié)舛日Z音播報當前瓦斯?jié)舛嚷暪鈭缶娐反谕ㄐ烹娐飞衔粰C曲線顯示圖20硬件系統(tǒng)組成框圖4.3單片機最小系統(tǒng)的設計本設計使用SPCE061A精簡開發(fā)板（61板）作為單片機最小系統(tǒng)，61板包括SPCE061A芯片及其外圍的基本模塊，外圍模塊包括：晶振輸入模塊（OSC）、鎖相環(huán)外圍電路（PLL）、復位電路（RESET）、指示燈（LED）等，詳細的介紹另見3.2。4.4瓦斯傳感器電路設計瓦斯傳感器電路原理圖如圖21所示，是由兩個傳感器敏感元件和兩支固定電阻組成的惠斯通電橋。敏感元件即在0.01~0.08mm的鉑金絲繞制的線圈上燒結AL2O3載體，在其表面浸涂鉑族金屬催化劑（經物化過程形成理想的催化層），成為檢測元件