单片机ADμC812在气体分析仪器中的应用

舰船防化2007年第单片机ADUC812在气体分析仪器中的应用薛万铁（中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邱郫，056027）特点，在气体分析仪器的设计中得到了很好的应用，本文针对气体分析仪器设计中的功能需求，介绍了单片机ADC812在气体分析仪器设计中的应用。

前言单片机具有体积小、性能可靠、使用灵活等特点，因此在精密仪器的信号采集处理设计中具有广泛的应用。对于单片机的接触和认识，很多人是从以INTEL8031为代表的MCS-51系列单片机开始的⑴，在采用单片机INTEL8031设计的数据采集系统中，需要以总线方式来扩展各功能部件，如A/D转换器、D/A转换器、程序存储器、数据存储器、显示驱动器件等。

采用这种传统单片机的设计方法，具有以下的缺陷：外围元件较多，设计繁琐，布线多，占用电路板空间大；而且由于总线的引出，使得电路易受干扰，可靠性降低。

随着集成电路及相关电子技术的发展，面向不同的应用需求，新型单片机不断推出，其中一个突出的特点就是在单片机内部集成了程序存储器、数据存储器、A/D、D/A、各种数据接口等功能。根据设计功能的需要，选择不同的单片机进行设计，可以减少大量的外围器件，提高设计效率，增强单片机系统的可靠性；另一方面，由于大大减少了元器件的品种和数量，也有利于日后产品的生产。

1单片机选型目前，市场上不同厂家、不同型号的单片机种类繁多，各种单片机产品的资料也可以方便的查到。在常规气体分析仪器新产品的设计中，通过对多种单片机的综合比较，作者选择了ADUC812芯片，选择该型号单片机，主要出于以下几个方面的考虑：位A/D转换的分辨率为1/4096，对氢、氧、二氧化舰船防化碳、一氧化碳等传感器信号检测来说是既足够用又不换的精度过高，一是没有必要，二是采集的数据较大，对单片机来说硬件资源有限，不利于复杂的计算和数据处理。

另外，在气体分析仪器的设计中，不仅要对气体传感器的信号进行采集，还需要对温度、压力、流量等检测信号进行采集，以实现补偿和其它辅助功能，因此，8路的ADC也符合基本的应用需求。

②通过对可以满足应用的多种单片机进行比较，ADUC812基本上是集成扩展功能*多的单片机，选用该单片机就可尽量少的扩展外围器件，减小电路板的尺寸，尤其是需要在探头中设计单片机数据采集处理系统的情况下，探头的大小限制了电路部分的大小，采用多功能集成的单片机有利于探头设计的实现。

8051的内核，对于熟悉51系列单片机指令系统的设计者来说可以快速的上手进行设计。对以INTEL8031单片机设计的大部分软件子程序，经过部分修改后可加以利用，可以提高设计效率，也方便对用INTEL8031单片机设计的气体分析仪器老产品进行改型设计，这一点也很重要。

8051的内核，ADUC812具有较强的系统扩展能力，随着气体分析仪器在系统化、网络化方面的应用，采用ADUC812外接不同的总线接口器件的设计，也是很好的解决方案，可以使分析仪器能满足不同的网络接口要求。

2ADUC812的性能参数ADUC812是美国ADI（AnalogDeviceInc）公司推出的高集成度FLASH型单片机，是全集成的12位数据采集系统，在约1cm2的芯片中，具有与8051兼容的内核，其内部还集成了高精度8路12位模数转换器（ADC）、2路12位、8kB闪速/电擦除程序存储器、640字节闪速/电擦除数据存储器，基本上是一个完整的12位数据采集处理系统，除此之外，还包括了看门狗定时器、电源监视器等功能，提供32条可编程I/O线、I2C接口、SPI接口和标准UART串行接口。

ADUC812可直流3V或5V供电，具有正常、空闲、掉电工作模式，当采用5V供电正常工作模式时，功耗为几十mW，当采用3V供电，并通过软件使系统处于空闲或掉电模式时，功耗不超过1mW.ADUC812为52个引脚，采用PQTP封装形式，引脚排列如所示。

ADUC812引脚排列ADUC812的开发调试也很方便，具有在线调试和下载功能。对ADUC812进行设计开发需要两个条件：一是工具软件，所需的工具软件为QuickStart，是ADI公司提供的与ADUC812配套的开发工具软件，可以从ADI公司网站上下载；二是硬件连接，ADUC812的UART串行接口与PC机的串行COM端口进行连接，即可利用QuickStart工具软件实现程序的下载和在线调试。因此，用户需要在电路设计中实现PC机与ADUC812的串行通信功能，按《ADUC812数据手册》中的应用说明，通过一个RS232转换电路即可实现，如所示。

当在线调试或下载程序时，只需通过一个与地相连的1kfi电阻将ADUC812的PSEN引脚拉至低电平即可，下载程序后，断开PSEN引脚上的下拉电阻，系统即可正常运行。

下载接口电路3应用设计3.1数据采集数据采集是将模拟信号转换为数字信号的过程，是进行数据处理的前提，ADUC812具有8路12位模数转换器（ADC），12位A/D转换器对常用的气体分析仪设计来说足以保证转换精度，而且也不会因为精度过高而带来运算处理的麻烦。在气体分析仪的设计中，除了需检测的气体浓度信号外，往往还要检测温度、压力、湿度等环境模拟量信号，以便进行各种补偿功能，提高检测精度，ADUC812中的8路ADC通道可以满足绝大多数的设计应用。

具有启动单步转换、定时转换、DMA转换三种工作模式，通过写入功能寄存器指令来对转换模式、通道选择、转换时间等进行设置，利用中断接收转换结果，下面给出的是单步A/D转换的汇编语言程序部分：；主程序，打开ADC中断功能MOVADCCON1，60H；ADC工作模式设置MOVADCCON2，01H；打开第1路ADC通道SETBSCONV；启动单次A/D转换3.2数据存储ADUC812提供了640字节闪速/电擦除数据存储器，可以由用户进行操作改写，具有可在线改写和断电不丢失数据的特点。在气体分析仪器的设计中，温度等校正系数、零点/量程校准系数、定时检测的历史数据等都可存于此存储器中。比如，进行零点校准时，对仪器通入零点标准气，并按下仪器的零点校准按键，此时ADUC812将零点校准的数据存入闪速数据存储器中，当仪器正常检测时利用该校准数据实现对检测信号的零点校正功能。

ADUC812中的闪速/电擦除数据存储器的特点是按页进行存储，共160（0H9FH）页，每页4个字节，如同其它外围设备一样，通过映射到特殊功能寄存器空间的一组寄存器与此数据存储器空间相接，4个数据寄存器组（EDATA1EDATA4）用于保存刚访问的4字节页数据，EADRL寄存器用于指定被访问页的地址，ECON是8位控制寄存器，通过对ECON写入指令来实现读、写、擦除和校验等功能。例如要在第3页中保存01、02、03、04四个数据，所需的汇编代码如下：MOVEADRL，03H；设置存储指针，指向第3页3.3数模转换对于泵抽采样的气体分析仪来说，气样的流量都有一个标准要求，有的仪器是采用阀的开闭改变气路中的气阻来控制气样流量大小，如果气阻过大则容易损坏抽气泵。利用ADUC812中的数模转器（DAC）则可以很好的解决这一问题，用数模转器输出的模拟信号经驱动后控制抽气泵的供电电压，电压大则流量大，反之则流量小，输出电压信号为零则抽气泵停止工作，用户可以通过仪器面板上的按键进行调节。另一方面，在需要流量稳定的场合下，可以在气路中设计流量检测器，检测到的流量信号经A/D转换后与设定值进行比较判断，再通过数模转器输出模拟信号控制抽气泵的流量，通过这样的反馈，可以使采样气体的流量稳定地保持为所需的流量。对于需要采用加热设计的场合，对加热温度的调节和温度恒定也可以采舰船防化用类似的方法。

ADUC812内有两个12位的DAC，由1个控制寄存器（DACC0N）和4个数据寄存控制器进行控制，即：DAC0L/DAC1L包含低8位DAC字节需的通用控制位DAC的编程比较简单，只要设置好控制寄存器DACC0N，然后将所需D/A转换的数据写入DAC0L/DAC1L、DAC0H/DAC1H中即可启动DAC工作。例如，要使DAC0输出4V电压，以下几条指令即可实现：输出范围为05V引脚电压对于气体分析仪器的设计，除了模拟信号放大整理、采集、运算处理等功能外，显示单元的设计也是必不可少的一部分，通过显示才可以获知检测的结果，ADUC812所带的SPI接口为设计显示单元提供了很大的便利。

SPI（SerialPeriphralInterface）是工业标准的同步串行接口，SPI接口是一种全双工、三线通信的系统，它允许单片机与各种外围设备以串行方式进行通信。采用SPI接口的显示驱动芯片或显示模块有很多种，可以根据需要进行选择，例如当需要设计LED数码管显示时，可以采用带显示驱动芯片MAX7219，外围电路仅需一个电阻设定峰值段电流，使用SPI口的2根线和1根I/O口线即可完成对8位LED数码管或64个LED灯的控制和驱动，并可通过对多个MAX7219简单的级连，实现对更多的LED数码管的驱动控制，是利用MAX7219驱动LED数码管的连接图。

当需要液晶模块进行显示检测结果时，可以选用具有SPI口的液晶模块进行设计，一般液晶模块的驱动电路和液晶片集合成为一体，因此在设计中更加方便，只需按要求与ADUC812的SPI口进行连接，在软件设计中按相应的控制字对模块进行设置并按格LED显示连接图式要求传送数据即可。比如OCM4X8C液晶模块，该模块自带汉字库，采用SPI串口数据传送，可以显示4行8列汉字，可以方便的显示汉字和所需的点阵图形。

对ADUC812中SPI接口的软件编程也很简单，设置SPI控制寄存器SPICON为相应的工作模式，然后将要发送的数据写入数据寄存器SPIDAT中，即可实现数据传送。

4结语正是由于ADUC812具有多功能、低功耗、体积小、设计调试方便等特点，迎合了气体分析仪器设计的需要，使得它能在无论是固定式仪器还是便携式仪器，无论是主机还是探头信号数据处理中能满足设计需求，因此在多种气体分析仪器的产品设计中得到了很好的应用。

电子技术发展很快，在气体分析仪器的设计中，多加学习，选择适合的信号处理器件，结合先进的检测技术，才能设计出具有竞争力的产品。