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计算机测量与控制.2003.11(2)
Computer Measurement &Control
收稿日期:2002-05-31。
作者简介：哀薇(1979-)，女，湖北省监利人，研究生，主要从事新型光纤传感器的研究。 文章编号:1671-4598(2003)02-0158-03 中图分类号:TP212 文献标识码:B
哀 薇1，赵士威1，龙明源2
(1.武汉理工大学光导纤维传感技术研究中心，湖北武汉 430070;
2.贵州前进橡胶有限公司，贵州贵阳 550008)
摘要：针对传统电路硬件复杂及可靠性差等问题，介绍了利用AT89C51单片机和相应的SPI 串行接口芯片，构成的
一种光纤气敏传感器的数据采集和数据处理部分。在分析了各串行芯片的特点后，详细介绍了该单片机系统的硬件接口电路和软件程序。由于该光纤气敏传感器具有电路简单，体积小，运行可靠等特点，因而具有很好的应用前景。 关键词:A T89C51单片机；串行接口芯片；光纤气敏传感器
Application of All -serial Microcontroller System in Fiber Optic G as Sensor
A I Wei 1,ZHAO Shi 2wei 1,LON G Ming 2yuan 2
(1.Fiber Optical Sensing Technology Research Center ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China ;
2.Guizhou Qianjin Rubber Co.Ltd ,Guiyang 550008,China )Abstract :Acting as a data collecting and processing part in a novel fiber optic gas sensor ,A T89C51single chip processor and corresponding serial interface chips are introduced.Hardware com position and software design are described in detail in this paper.With all -serial interface design in the system ,the whole sensor is characteristic with sim plified circuit ,small size and high -reliability and is expected to be applied widely.
K ey w ords :A T89C51single chip processor ;serial interface chip ;fiber optic gas sensor
1 传感系统概述
光纤化学传感技术是20世纪80年代初由光纤技
术、光谱技术和电子技术相互交叉、渗透而形成的新技术。光纤化学传感技术是光纤传感技术研究的热点和难点，光纤气敏传感器作为光纤化学传感技术的一个重要应用，显示出越来越广阔的应用前景，对气体的检测在医学，环境控制，工业控制等领域非常重要，因而对于开发快速，灵敏，方便的
气体检测仪器的需求十分迫切
。
图1 光纤气敏传感器原理图
以氧气浓度光纤气敏传感器的开发为内容，基于荧光猝灭效应原理，通过测量荧光寿命来确定氧气浓度。该光纤气敏传感器的结构原理如图1所示。与
六个嫌疑人
传统的通过测量荧光强度来测定氧气浓度不同，采用了较新颖的“相位锁定”检测技术来测定荧光寿命，这种方法灵敏度更高，抗干扰性也更强。便于制成便携式的仪表，承担该传感器的数据采集和数据处理的单片机系统，全部采用SPI 串行接口设计。相比以往并行扩展I/O 口的单片机系统，不仅集成度高，体积小，而且系统工作的稳定性和可靠性大大加强。它能够对光电转换后的信号进行放大，滤波，模数转换，以及数据存储、处理和显示等，还可方便的与PC 机通信。下面将对此全串型单片机系统作详细的介绍。
2 硬件设计
单片机系统的硬件电路图如图2所示。IC1为A TM EL 公司的A T89C51单片机，它是一种低功耗、高性能、CMOS 型8位微处理器，与MCS -51系列单片机的指令和管脚兼容。A T89C51片内具有4K 字
节E 2PROM ,256字节的RAM ，因此不需要扩展外部存储器，使系统结构大大简化，并提高了系统的可靠性和抗干扰能力。
IC2(TLC1549)是整个单片机系统的核心芯片。从气敏传感探头出来的荧光相位信号经光电检测、脉冲放大、鉴相和检波电路后再送给TLC1549进行A/D 转换。TLC1549是美国德州仪器公司推出的10位串行、开关电容、逐次逼近式A/D 芯片。它有内在的采样和保持电路以及片内系统时钟。由于采用串行
第2期哀薇：全串行单片机系统在光纤气敏传感器中的应用・159・
图2 串行单片机系统电路图
方式使得它只有8个管脚，用3条线与单片机接口即
可，即CS 、I/O CLOC K 、DA TAOU T 分别于89C51的P112、P110和P111相连，操作非常方便。TLC1549虽然是串行接口芯片，但其转换速度并不慢,A/D 转换时间为21μs ，完全能满足我们对气体浓度变化的数据采集。TLC1549共有快慢6种工作方式，本系统采用的是第1种快速方式(10个I/O CLOC K )。必须指出的是，不管采用哪种工作方式，编程时一定要严格遵照和正确理解时序图，否则会给系统调试带来一定的困难。
IC3(MAX7219)是一种新型的串行接口的8位静态L ED 显示驱动器。由于采用流行的同步串行外设接口(SPI )，也只需三根线便可与单片机接口。MAX7219内部有5个控制寄存器和8个L ED 显示数据寄存器，均独立编址，通过程序对每个寄存器进行写操作。数据每16位为一组进行传送，其格式如下:
D15～D12
D11～D8
D7～D0
××××4位寄存器地址8位控制字或显示数据
设备管理系统
msn shell寄存器的具体地址可查阅MAXIM 的MAX7219数据手册。
IC4(X5045)是一种新型的看门狗和E 2PROM 存储芯片，它兼有电压监控、看门狗定时和E 2PROM 3种功能。X5045可为89C51提供上电复位，当程序紊乱或电压失常时启动内部的看门狗电路来强制单片机复位。同时，还可以利用X5045内部512字节的E 2PROM 来
保存一些重要的数据。
同样，使用简单的SPI 串行接口可对芯片方便的进行读写操作。
IC5(MAX232)是MAXIM 提供的标准RS232接口转换芯片，主要完成TTL 至RS232电平的转换，为单片机和PC 机通信提供通路。本系统为单个采集系统的应用实例，若在现场需存在多个传感器同时检测，则可将MAX232更换为MAX485接口芯片。
3 软件设计
系统的程序使用MCS -51的汇编指令进
行编写，整个设计采用模块化的方式。由于篇幅所限，仅对TLC1549、MAX7219的部分程序作一介绍，其中将给出双字节二进制到BCD 码转换的通用程序。311 TLC1549A/D 转换子程序
前面已经提到，要对每个芯片的时序有正确的理解才能使整个单片机系统程序调试成功。根据对TLC1549的调试经验，发现有很多杂志上关于TLC1549A/D 转换子程序都存在类似的错误，特别是工作方式1。
四种形态和教育惩处相结合的认识
TLC1549有快速、慢速等6种工作方式，我们就以快速方式1进行介绍。在此方式中,CS 的下降沿使DA TAOU T 脱离高阻状态而使指令序列开始，也就是开始了数据传送，每一次传送为10个I/O CLOC K 。A/D 转换期间CS 无效。这里要特别引起注意,MSB (最高有效位)出现在CS 的下降沿，而不是第一个I/O CLOC K 的下降沿。TLC1549并不是大家所认为的来一个I/O CLOC K 就传一次数据，前一次A/D 转换的10位数据应该说在第9个时钟脉冲的下降沿就已经传送完了，而第10个CL K 时使DA TAOU T 置低。如果不清楚认识到这一点，我们只能得到错误的A/D 转换的结果。具体程序如下:
CS EQU P1.2CL K EQU P1.0DOU T EQU P1.1CL R CL K CL R CS
MOV 21H ,#00H
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计算机测量与控制
第11卷
MOV C ,DOU T ;CS 的下降沿输出D 9(MSB )
MOV 09H ,C ;D 9送到可位寻址的09H 单元SETB CL K CL R CL K ；产生第一个CL K MOV C ,DOU T ；输出D 8MOV 08H ,C ;D 8送到可位寻址的08H 单元MOV 31H ,21H ；高2位放在31H MOV R0,#08H LCALL RD -AD MOV 30H ,A ；低8位放在30H 中SETB CL K CL R CL K NOP
SETB CS
RD -AD :SETB CL K
CL R CL K MOV C ,DOU T RLC A
DJ NZ R0,RD -AD
RET
图3 二进制—BCD 码转换程序框图312 MAX7219显示子程序
MAX7219显示程序就是89C51在CL K (P212),LOAD (P210)时序的配合下，通过DIN (P211)向MAX72
19的5个控制寄存器和4个数据显示寄存器(本系统中只用4个L ED 显示)写入16位二进制数据包。由于MAX7219采用BCD 码输入显示，而TLC1549转换结果为10位，这其中就涉及到双字节二进制数到BCD 码转换的问题。我们知道，若是单字节二进制数转换为BCD 码，我们可以采取除十取模的方法，而MCS -51的乘除法指令只限于单字节，很多人因此放弃了51指令而改用C51。虽然C51的功能强大，但对于大多数单片机开发者来说,51汇编指令用起来更熟练。其实用51指令也可以达到转换的目的。由m 位二进制数的表达式:
A =a m -132m -1+......+a 132+b 0，得到二翻十的算法如图3所示。二进制数存放在31H ,30H 单元，因有效位只有10位(0～1023)，转换后的压缩BCD 码放在R6、R5两
重庆夏泽良个单元中即可。
具体BCD 码转换子程序如下:
BCD -CON :MOV R6,#00H
MOV R5,#00H MOV R7,#10H
LOOP :CL R C
MOV A ,30H
扎哈罗夫
RLC A
MOV 30H ,A
MOV A ,31H RLC A MOV 31H ,A MOV A ,R5ADDC A ,R5DA A MOV R5,A MOV A ,R6ADDC A ,R6DA A MOV R6,A DJ NZ R7,LOOP
4 结束语
我们可以看到，在该气敏传感器的单片机系统
中，从数据采集、数据存储到数据显示，全部采用了串行接口芯片，使得单片机的端口接线简单，布线合理。集多种功能于一身的看门狗芯片更是提高了系统的可靠性，降低了成本和功耗。因而整个传感器仪表的体积和重量大大减小，系统稳定运行令人满意。基于上述优点，相信越来越多的测控系统会采用串行接口的单片机系统。
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(上接第157页)
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