（电路与系统专业论文）基于cc430单片机的火焰探测器的设计.pdf

a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering design of a flame detection device based on cc430 mcu candidate: xiong can major : circuit & system supervisor: ass. prof. zou taopin huazhong university of science & technology wuhan 430074, p. r. china jan., 2012 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 i 摘摘 要要 随着社会经济的迅速发展，城市里的高层建筑在不断的涌现，制造工厂在不断 的扩建，因此，火灾发生前的一些预防和检测措施显得格外重要。使用合适的火灾 探测设备迅速准确的发现火灾迹象，可以在很大程度上减少人员伤亡、降低财产损 失。相比于传统的感温型火灾探测器和感烟型火灾探测器，火焰探测器的探测距离 及保护面积更广，准确率也更高。 根据本项目的需要，该火焰探测器选择尼赛拉（nicera）公司的单元热释电红外 传感器 pms11 作为数据采集芯片；选择德州仪器（ti）公司的 cc430f6137 作为主 控芯片；选择阈值比较法作为火灾识别算法。 本文重点研究了如何设计组成该火焰探测器的各外围模块的电路，并详细介绍 了如何通过配置主控芯片 cc430f6137 的外部设备或 i/o 端口的寄存器去实现火焰 探测器各模块的功能。所设计的外围模块包括：pms11 红外数据采集模块、外围存 储模块、电源模块、液晶显示器模块、jtag 接口及复位电路模块和串口电路模块。 制出实验板后，完成了该火焰探测器的硬件调试，并使用 iar embedded workbench for msp430 软件完成了对该火焰探测器的软件调试。加入干扰情况并多次实验后， 发现本系统存在一些问题， 包括器件的选择和火灾识别算法的选取。 进一步研究后， 找到一些优化的方法对该火焰探测器进行改进。 关键词关键词：火焰探测器；cc430f6137；模块； pms11；调试；优化 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 ii abstract with the rapid development of our social economy, high-rise buildings ceaselessly spring up and more factories continue to expand, we must pay much attention to how to detect the fire disaster and prevent it from happening. if we use suitable fire detection device to detect the fire disaster, it will to a great extent decrease the unnecessary property loss and casualties. in contrast with usual temperature-sensitive fire detection device and smoke-sensitive fire detection device, flame detection device has a broader view to spot the fire signal, and its warning accuracy is higher. after analyzing the necessity of this project, we choose niceras part pms11(a pyroelectric infrared sensor) and texas instrumentss part cc430f6137(a microprocessor control unit) to design this flame detection device. in addition, we choose threshold value comparison method as the algorithm of fire recognition. this thesis mainly introduces how to design the peripheral modules of this flame detection device, and how to config the special register of the peripherals or i/o port of cc430f6137. these peripheral modules include: pms11 infrared data acquisition module, external memory module, power module, lcd displayer module, jtag interface and reset circuit module and serial interface circuit module. after manufacturing this experimental pcb board, i successfully finished the hareware debugging. i also finished the software debugging, which can test the functions of each module, by using iar embedded workbench for msp430 to. after put some interference sources around the testing environment, i have done lots of experiments. in the end, i find there are some problems in this flame detection system, including the choice of device and the algorithm of fire recognition. after further research, i find some optimization methods to improve this flame detection device. key words： flame detection device； cc430f6137； module； pms11； debug； optimization 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 iii 目目 录录 摘摘 要要 . i abstract . ii 1 绪论绪论 1.1 课题背景及意义 . (1) 1.2 火灾探测器的分类 . (1) 1.3 本文内容安排 . (5) 2 系统需求与总体设计系统需求与总体设计 2.1 系统需求分析 . (6) 2.2 系统总体结构 . (6) 2.3 系统具体模块框图 . (8) 3 系统核心器件及火灾识别算法系统核心器件及火灾识别算法 3.1 cc430f6137 单片机简介 . (11) 3.2 热释电红外传感器 pms11 简介 . (16) 3.3 火灾识别方法 . (19) 4 系统各模块设计系统各模块设计 4.1 pms11 红外数据采集模块 . (22) 4.2 外围存储模块 . (28) 4.3 液晶显示器模块 . (32) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 iv 4.4 jtag 接口及复位电路模块 . (35) 4.5 串口电路模块 . (36) 4.6 电源模块 . (42) 5 系统测试及优化系统测试及优化 5.1 系统调试及结果分析 . (43) 5.2 系统优化方案 . (46) 6 总结与展望总结与展望 . (49) 致致 谢谢 . (51) 参考文献参考文献 . (52) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪论绪论 1.1 课题背景及意义课题背景及意义 随着经济建设的迅速发展，城市里的高层建筑在不断的涌现，生产制造的工厂 在不断的扩建，因此，火灾发生前的一些预防和检测措施显得格外重要。如果能使 用合适的火灾探测器在火灾进一步恶化前，发现并制止火灾，就可以最小程度的减 少人员伤亡和财产损失1。 火灾是由物体在空气或氧气中发光、 发热的一种燃烧现象， 常常伴随着热、 烟、 火焰等。因此早期，人们会选择感温型火灾探测器去探测环境中的温度有无特定变 化，或者选择感烟型火灾探测器去探测环境中有无烟雾产生。但是这两种火灾探测 器的有较大的时间延迟、灵敏度较低、适用场合受限和，不利于迅速发现火灾并报 警2。为降低火灾带来的危害，就需要探索和研究反应更快、可靠性更高的火灾探 测技术。因为火灾初期一般都会有火焰燃烧现象，而火焰中含有肉眼无法辨别的不 同波长的紫外线和红外线，所以可以使用感光型火灾探测器，即：火焰探测器，去 检测火灾产生时火焰发出的红外辐射或紫外辐射，一旦检测到火灾信号，会立即发 出警报，这样就提高了火灾探测的即时性和准确性。 火焰探测器的这个优点被越来越多的人所关注并使用，也正因为它能探测火焰 燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率（即：响应火灾的光特性） ，常常将它应用于对火 焰敏感的场所，如：石油的勘探、生产、储存和易燃材料存储仓库；也应用于保证 一些需要不间断燃烧过程的场所能够安全的实行，如：废品、废气的焚烧3。 1.2 火灾探测器的分类火灾探测器的分类 火灾探测器是火灾自动报警和自动灭火系统中最关键的部件之一，它承担的责 任就是不间断的监视和探测被保护区域，把能引起火灾的参数（热、烟及火焰等信 息）尽早、及时和准确地检测出来并发出报警信号。不同的场合和环境使用不同类 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 型的火灾探测器，这个需要根据被保护区域内火灾的形成和发展特点去选择有相应 特点和功能的火灾探测器4。下面详细地介绍几种常用的火灾探测器。 1.2.1 感烟型火灾探测器感烟型火灾探测器 物质燃烧时，在空间内会形成一定的烟雾粒子，感烟型火灾探测器就是用于探 测这些烟雾粒子的含量，并发出火灾报警信号的一种火灾探测器。 烟雾粒子的直径一般为 0.011m的液体或固体颗粒。绝大多数物质在燃烧的 开始阶段都会产生烟雾， 并且烟雾具有很大的流动性， 它能潜入建筑物的任何空间， 对人的生命具有很大的危险 5。使用感烟型火灾探测器可以较早的发现火灾，减少 不必要的损失。常见的感烟型火灾探测器有：离子型、光电型和红外光束型。 离子感烟火灾探测器是通过检测由放射性物质（镅-241）构成的电离室的电压 变化来感知烟雾浓度是否超标并发出报警信号的装置。 电离室内的少量镅-241 使其 中的空气成为导体，在电压作用后形成离子流。有火灾发生时，产生的烟雾粒子进 入电离室中的电离化区域，它们会与离子结合从而减少游离的离子数，空气的导电 性也随之降低，离子移动速度随之减慢，当离子的导电性低于预先设定的阈值时， 探测器就会发出警报。 光电感烟火灾探测器是通过检测感光电极发射激光的传播特性是否会被改变来 感知烟雾浓度是否超标并发出报警信号的装置。感光电极处于激光照射下发生电信 号，当火灾产生的烟雾遮蔽激光时，电极失电时发出报警信号。因为火灾发生时产 生的烟雾粒子对光线有一定的吸收和散射作用，所以也常将此类探测器分为遮光型 和散光型两种 6。 红外光束感烟火灾探测器是通过检测监控范围内某线状窄条的烟气参数是否超 标并发出报警信号的装置。它将光束发射器和光电接收器面对面放置，中间用光束 连接起来 7。它具有较高的抗干扰能力，不受风雨、高温高湿和自然人工光源等影 响，可良好工作于室内环境。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 1.2.2 感温型火灾探测器感温型火灾探测器 感温型火灾探测器主要是利用热敏元件对环境内的温度参数进行监控。该探测 器的工作原理是：火灾发生初期，物体在燃烧过程中释放出的大量热量会导致环境 温度急剧上升，该类探测器就是通过监测环境中的温度参数是否超过所设定的阈值 来判断是否有火灾发生的8。 常用的感温型火灾探测器有定温式、差温式和差定温式火灾探测器。 定温式火灾探测器是预先设定一个温度的阈值，火灾发生时，监控区域内的温 度值在规定时间范围内都超过这个值，则启动火灾报警。 差温式火灾探测器是预先设定一个温度上升速率的阈值，火灾发生时，监控区 域内的温度上升速率在规定时间范围内都超过这个值，则启动火灾报警。 差定温式火灾探测器将上面两种探测器的结构组合在一起，也将它们的作用原 理有机地结合起来9。因此，它具备以上两种探测器的优点和反应速度，也合理的 解决了它们各自的缺点和局限性。 1.2.3 感光型火灾探测器感光型火灾探测器 感光型火灾探测器是一种通过对物质燃烧时产生的光照强度、火焰的光谱特性 及闪烁频率进行检测来判断是否有火灾发生的火灾探测器。常用的感光型火灾探测 器有红外感光型和紫外感光型。 红外感光火灾探测器是一种能探测火灾产生的火焰辐射出的 0.7m5.0m红 外光的火灾探测器。该类探测器常常会在传感器的探头上加装一个过滤装置，用来 滤除干扰的红外辐射，而将需要的红外辐射聚集在传感器上10。热释电元件对红外 辐射非常敏感，所以常用来制作成该类探测器，当周围的红外辐射使得该元件（主 要组成部分是胆酸锂晶体）的温度发生变化时，它内部会产生微弱的电信号，经过 一定处理后，若输出的电信号幅值大于所设定的阈值时，探测器发出火灾警报。 紫外感光火灾探测器是一种能探测火灾产生的火焰辐射出的 0.1m0.4m紫 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 4 外光的火灾探测器。该类探测器常把碳化硅、硝酸铝和充气管等作为敏感元件，它 的工作原理是：将能吸收紫外辐射的惰性气体注入到紫外光敏管中，当火焰产生紫 外辐射的光子撞击到管中的惰性气体时，受激的惰性气体分子因失去一个电子而失 去一定的能量，游离的电子使得紫外光敏管两极间有一定的导电性，会产生频率与 紫外辐射强度成正比的短时电压脉冲，若电压脉冲数在规定的时间范围内超过设置 的阈值，探测器发出报警信号。 1.2.4 各类火灾探测器的优缺点各类火灾探测器的优缺点 上面介绍了常用的几种火灾探测器的特性和工作原理，它们都有自己的适用场 合和优缺点。表 1-1 对它们的优缺点进行了总结： 表 1-1 各类火灾探测器的优缺点 类 型 优 点 缺 点 感烟型 火灾探 测 器 离子型 (1) 可加快报警时间 (2) 光电感烟探测对浅色烟雾十 分敏感 (3) 光电型无放射性污染 (4) 环境湿度变化对它影响小 (1) 离子型控制范围窄，不适 于阴燃及燃烧初期产生 大颗粒黑烟的火灾 (2) 离子型误报率高，且灵敏 度受环境影响大 (3) 光电型不适于不透明或 粒径1010） 、低噪声的场效应晶体管， 有效地降低了噪声，并有利于防止外界干扰及机械振动13。 pms11 内部的结型场效应管构成共源极放大电路，即：源极跟随器，有利于实 现阻抗变换。 输出阻抗由外接在源极和栅极间的负载电阻 rs决定。 位于热释电源极 后的电阻 rg用于释放栅极电荷，保证场效应管能正常工作。 3.2.2 pms11 的的工作原理工作原理 热释电，从字面上即可看出该传感器的工作原理，即：对辐射的热量敏感，并 因此产生一定的电流。实际上，红外辐射物理上就可以看成是热辐射，物体的温度 决定了它内部分子的转动及振动程度，也就决定了红外辐射的强度。温度越高，物 体内部分子的转动及振动越剧烈，使得物体辐射出的红外线就越多，相应的辐射能 量也就越强14。 下面将介绍热释电红外传感器的工作原理，它主要是基于热释电效应工作的。 图 3-5 所示为热释电效应的示意图： 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 18 图 3-5 热释电效应的示意图 图 3-5 最左边的部分是温度恒定时的情况，组成热释电红外传感器的晶体表面 会吸附周围空气中悬浮的正电荷和负电荷， 且它们的数目基本相同， 表现为电中性。 图 3-5 中间的部分是温度变化时的情况，温度的变化会导致组成热释电红外传感器 的晶体表面的极化电荷也随之发生变化，而晶体周围所吸附的电荷由于跟不上这种 变化，将失去恒温时的那种电的平衡，会出现晶体自发的极化现象，会产生的热释 电电流15： a d ip dt 式中：p 为热释电红外传感器的晶体材料的热释电系数，a 为热释电红外传感器灵 敏元受光照的面积， 为热释电红外传感器的晶体材料的温度，t 为记录的时间。 从以上热释电电流的计算公式可知，该电流是与热释电红外传感器晶体材料的 温度变化成正比的，而不是温度本身16。因此，热释电红外传感器用于探测火灾时， 具有很高的响应速度。 3.2.3 pms11 的的功能及主要参数功能及主要参数 pms11 是尼赛拉（nicera）公司的一款单元热释电红外传感器，该传感器虽是 单灵敏元，但是它采用一个接收元和二个并联的补偿元串接的结构，能够有效地补 偿环境温度起伏，振动等干扰影响。该传感器性能稳定，非常适合应用于火焰探测 系统的设计。图 3-6 是它的实物图： 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 19 图 3-6 pms11 的实物图 由用户手册可知， pms11 是针对 2 co气体的特征波段进行监测的单元热释电红 外传感器，为了能采集到 4.35m附近的红外辐射并滤除不需要的辐射，该传感器 的探头上需加装滤光片。选用该红外传感器进行火灾探测，是基于它强大的性能及 稳定性，表 3-2 列出它的主要性能参数17： 表 3-2 pms11 传感器的主要性能参数 灵敏元面积 1.8mm 基片材料 白宝石 基片厚度 0.38 0.02mm 峰值波长 4.35 0.06m 输出信号 2.0（火焰温度，1hz 调制频率、0.33.0hz 带宽、72.5db 增益） 噪 声 t，则发出火灾报警信号。持续时间分析法适用于火灾发生时产生的信号幅值较大且 该幅值持续的时间较长的情况。 与已记忆光谱的关联性分析法的关键点是以往研究人员总结的各种火灾信号的 光谱图库，将对探测到的信号进行光谱分析后得到的光谱分布图与以上光谱图库进 行对比，如何与其中的某一种情况符合，则可判定有火灾发生。此识别方法的缺点 是成本较高，因为通常需要使用光谱分析设备对环境进行检测，并需要使用昂贵的 液氮进行冷却处理。 3.3.2 阈值比较阈值比较法法 阈值比较法，重点是设置一个固定的与阈值t，然后将检测到的信号（可以是电 流、电压、功率、压力等）的幅值m进行比较，如果m t，则说明超过了指定值， 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 21 判定结果为 1；如果m t，则说明没有超过指定值，判定结果为 0。本设计中，主 要是将进过处理过的热释电红外传感器输出的电压信号与设置的电压阈值进行比 较。这个也将在第五章中详细说明。 因为阈值比较法实现起来比较容易，不需要其他的辅助装置去实现最后的判定， 所以广泛的应用于很多低成本的实验性质的产品中。但是，该方法也有两个缺点： 一是预先设定的阈值常常是凭经验去选择的，没有可靠的依据；二是靠近传感器的 干扰源如烟头、蜡烛等容易引发错误的火灾报警信号19。所以，如果是使用在大型 的公共场所或者重要的仓库或建筑中，则要考虑好安全性、可靠性和灵敏度等其他 问题，毕竟这些都会关系到人的生命安全和财产的状况。 由于本项目的设计是属于实验性质的产品，只是为进一步研究实用产品的开发 提供一定的参考，并不是过高的追求准确性和高效性，综合考虑成本和性能等方面 的因素，该火灾探测器选择使用阈值比较法去判定是否有火灾发生。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 22 4 系统各模块系统各模块设计设计 在介绍了系统的核心器件及火灾识别算法后，本章重点介绍如何利用主控芯片 cc430f6137 的 i/o 端口及外围设备去设计并实现该火焰探测器各外围模块的功能。 4.1 pms11 红外数据采集红外数据采集模块模块 pms11 红外数据采集模块主要用于采集特定波段的红外辐射。 本系统使用的是 尼赛拉公司的单元热释电红外传感器 pms11。加了过滤装置的传感器可以采集到 4.35m附近的红外辐射， 当监控区域内出现特定波段的红外辐射时， 伴随着热释电 效应的产生，pms11 会输出随着红外辐射强度变化而变化的微弱电信号20。因为该 电信号值非常微弱，所以需要设计放大电路对它进行放大处理，同时也要设计滤波 电路对该信号进行滤波处理。 cc430f6137 芯片的外围设备中包含模数转换功能模块 adc12_a，可以对进过 放大滤波电路处理的输出信号进行模数转换处理。该 adc12_a 的功能十分强大， 其特点如下21： (1) 12 位转换精度，1 位非线性微分误差，1 位非线性积分误差； (2) 多个时钟源提供给 adc12_a 模块，而且模块自身也内置时钟发生器； (3) 采样速度快，最大支持 200ksps； (4) 具有 8 路外部通道和 4 路内部通道； (5) 采样保持时间可通过软件或定时器进行设定； (6) 可以通过软件设定芯片内部和外部的参考电压； (7) 16 字转换缓存，支持四种转换模式； (8) adc12_a 模块可以关断内核支持超低功耗应用。 结合cc430f6137 芯片的 adc12_a 外围设备和 pms11 热释电红外传感器的工 作原理及特点，可以设计出该火焰探测器的 pms11 红外数据采集模块的原理图。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 23 图 4-1 pms11 红外数据采集模块的原理图 如图 4-1 所示：这里使用通用四运放集成电路 lm324，它内部有四个运算放大 器，有相位补偿电路；电路功耗很小，且工作电压范围宽，可用正电源 330v，或 正负双电源 1.5v 15v 工作，非常适合用于该模块。此外，该传感器的漏极通过 两个 10k 的保护电阻接+5v 电源；栅极 g 端通过一个 47k（芯片手册中要求的指 定值）的负载电阻接地，热释电红外传感器 pms11 的输出信号从源极引出。电容器 c1、c6、c8 和 c9 起到滤波的作用，有效滤除杂波，消除其他波段的红外辐射对该 热释电红外传感器 pms11 的干扰。r2、c3、r3 和 c2 组成低通放大电路，r5、c4、 r6和c5组成高通放大电路， 这样形成的带通滤波器只采集4.35m附近的红外辐射， 能够达到本火灾探测器的设计要求。 此外，设计运算放大电路时，要求放大倍数不宜过大，否则容易引起输出端的 波形失真，也容易导致电路产生自激振荡22。因此，设定该模块的参数时，要控制 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 24 放大增益。本设计将放大倍数的幅值控制在 2000 左右，即：总增益控制在 65db 左 右为最佳，这样可以有效的增加该热释电红外传感器的探测距离和反应灵敏度。由 上图可以看出，它包含两级放大电路，第一级为同相放大电路，增益 av1 =r3/r2 =100； 第二级为反向放大电路， 增益 av2=-r6/r5 =-20， 所以， 总放大增益为： av =av1 av2=100（-20）=-2000，20 lg 2000= 66db,满足以上要求。 进行软件编程时，需要熟悉 cc430 单片机中的 adc12_a 模块的工作原理及内 部的几个重要的控制寄存器，下面将详细介绍。 adc12_a 模块可以将模拟输入信号转换为 12 位数字的对应形式，将其存储在 转换存储器中。该模块使用两个可编程的电压等级( r v和 r v)去定义转换的上限值 和下限值。当输入的模拟信号的电压幅值大于等于设定的 r v时，得到的结果 adc n=0fffh；当输入的模拟信号的电压幅值小于等于设定的 r v时，得到的结果 adc n=0；当输入的模拟信号介于上限电压 r v和下限 r v之间时，得到的转换结果： rr rin adc vv vv n4095 通过设置 adc12ctl0 和 adc12ctl1 寄存器可以控制 adc12_a 模块。 下面以 表格形式详细介绍。 表 4-1 adc12ctl0 控制寄存器 15 14 13 12 11 10 9 8 adc12sht1x adc12sht0 x 7 6 5 4 3 2 1 0 adc12 msc adc12 ref2_5v adc12 refon adc12on adc12 ovie adc12 tovie adc12enc adc12sc 表 4-1 是寄存器 adc12ctl0 的 16 位。其中，adc12ctl0 的高 8 位用于设置 adc12mem0adc12mem15 采样的时钟周期的个数23。adc12ctl0 的低 8 位中 有一些较为重要的位，其含义如下： 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 25 (1) adc12 ref2_5v 只有在 adc12 refon 为 1 时，才能通过设置 ref2_5v 位来确定参考电 压值的大小。若该位置 0，则参考电压值为 1.5v；若该位置 1，则参考电压值 为 2.5v。在本设计中,常常将该位设置为 1。 (2) adc12on adc12on 用于设置打开或关闭 adc12_a 模块。 若该位置 0， 则 adc12_a 模块处于关闭状态；若该位置 1，则 adc12_a 模块处于开启状态。为降低功 耗，常在不使用 adc12_a 模块时将该位置 0。在本设计中,因为要用的 ad 转 换功能,所以必须将该位设置为 1。 (3) adc12enc adc12enc 是 adc12_a 模块的转换使能位。若该位置 0，adc12_a 模 块不能进行 ad 转换；若该位置 1，则能够进行 ad 转换。注意，只有在 adc12enc=0 时，才能对 adc12_a 模块的控制位进行修改。另外，在模式转 换进行前，一定要将 adc12enc 位置 1。 (4) adcsc adcsc 用于控制 adc12_a 模块 ad 转换的开始， 由用户软件控制采样和 ad 转换的开始。常常在同一条指令中，将 adc12enc 和 adcsc 同时置 1。 当用户软件将该位置 0 后，不进行采样和 ad 转换；若用户软件将该位置 1， 则采样和 ad 转换开始。转换完毕后，该位自动复位。在本设计中,在采集到红 外数据后,通过软件将该位设置为 1。 除了 adc12ctl0 外，还有一个重要的寄存器 adc12ctl1。表 4-2 是寄存器 adc12ctl1 的 16 位： 表 4-2 adc12ctl1 控制寄存器 5 14 13 12 11 10 9 8 adc12cstartaddx adc12shsx adc12shp adc12issh 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 26 7 6 5 4 3 2 1 0 adc12divx adc12sselx adc12conseqx adc12busy 其中， adc12ctl1 的 1215 位 adc12cstartaddx 用于设置 adc12_a 模块 转换的起始地址。00fh 分别对应 adc12mem0adc12mem15 这 16 个寄存器。 adc12ctl1 的低 8 位中有一些较为重要的位，其含义如下： (1) adc12divx（57 位） adc12divx 是用于对 adc12_a 模块选择的时钟源进行分频的除数因子。 若设置这三位为 111，则除数因子为 8，adc12_a 模块的时钟频率为所选时钟 源频率的 1 8 。在本设计中,可以根据实际需要将该位设置为相应的值。 (2) adc12sselx（34 位） adc12sselx 这两位用于选择 adc12_a 模块使用的时钟源。各种取值与 所选时钟源的关系如下： 00adc12osc(modosc) 01aclk 10mclk 11smclk 在本设计中,常常将其设置为 10 或者 11,即:mclk 或者 smclk。 (3) adc12conseqx（12 位） adc12conseqx 这两位用于设置 adc12_a 模块实行模数转换的工作模 式。各种取值与工作模式的关系如下： 00单通道单次转换 01序列通道单次转换 10单通道多次转换 11序列通道多次转换 在本设计中,常常将其设置为 10,即:选择单通道多次转换。 (4) adc12busy adc12busy 用于辨别 adc12_a 模块是否处于工作状态（数据采集或模 数转换） 。若该位为 0，说明 adc12_a 模块没有进行任何操作；若该位为 1 时， 则 adc12_a 模块处于工作状态。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 27 通过对上面两个关键的控制寄存器 adc12ctl0 和 adc12ctl1 进行相应的设 置，就可以精确地控制 adc12_a 模块的运行。此外，adc12mctlx 寄存器也用来 设置 adc12_a 模块的一些较为重要的工作参数，表 4-3 列出了 adc12mctlx 寄 存器的 8 位： 表 4-3 adc12mctlx 寄存器 7 6 5 4 3 2 1 0 adc12eos adc12srefx adc12inchx adc12mctlx 寄存器用于设置模数转换的通道号码和模数转换后数据的结束 标志等，各位含义如下： (1) adc12eos adc12eos 用于指示该次转换是否为序列转换中的最后一次转换。 若该位 为 0， 说明这不是序列转换中的最后一次转换； 若该位为 1， 则是最后一次转换。 在本设计中,常常在完成所以的转换时置位该位。 (2) adc12srefx（46 位） adc12srefx 这三位用于选择参考电压的上限和下限值。 各种取值与所选 参考电压的关系如下： 000 r v= avcc r v= avss 001 r v= vref+ r v= avss 010 r v= ve ref+ r v= avss 011 r v= ve ref+ r v= avss 100 r v= avcc r v=vref-/veref- 101 r v= vref+ r v= vref-/veref- 110 r v= ve ref+ r v= vref-/veref- 111 r v= ve ref+ r v= vref-/veref- (3) adc12inchx（03 位） adc12inchx 这四位用于选择输入通道，共 16 通道，其中有 8 个外部通 道，4 个内部通道，还包括温度传感器和外部参考电压通道。在本设计中,除了 4 个内部通道外，可以根据需要任意选择其他八个外部通道。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 28 模数转换后的结果将存入结果寄存器 adc12memx 中，它是 16 位的数据寄存 器。当选择 12 位转换模式时，1215 位自动被置 0，转换结果被存入 011 位；当 选择 10 位转换模式时，1015 位自动被置 0，转换结果被存入 09 位；当选择 8 位转换模式时，815 位自动被置 0，转换结果被存入 07 位。 以上就是设置 cc430f6137 的 ad12_a 模块的基本方法。当设置好以上几个重 要的寄存器的参数后，如果想要对采集到的模拟信号进行模数转换，只需利用软件 将 adc12ctl0 寄存器中的 adc12sc 位置 1 即可。 4.2 外围外围存储模块存储模块 外围存储模块用于存储该火焰探测系统的重要数据。 本系统选择 fremont micro device 公司的 e2prom 存储芯片 ft24c16 进行存储扩展。ft24c16 芯片与 atmel 公司的 at24c16 芯片功能和参数都相似，但是该芯片具有很强的非易失性，掉电后 依然能够保存数据，改写也比较容易，便于扩展，端口简单，价格低，性价比高， 所以选择此芯片作为该系统的存储芯片。 ft24c16 芯片内部的存储空间组织形式为 20488，可以存储 2k 字节的数据。 ft24c16 芯片与 cc430f6137 之间采用 i2c 通信协议进行读写通信。仅仅需要两根 线（sda 数据线和 scl 时钟线）即可完成数据的读与写功能，其中 sda 数据线用 于传输控制信号及它们占有的地址等内容；scl 时钟线用于统一控制器件与被控制 器件的工作节拍。 当需要对系统的功能进行扩展时，一般都是通过 i/o 端口来实现24。扩展该 ft24c16 存储芯片也需要利用主控芯片的 i/o 端口。cc430f6137 芯片有 p1p5 五 组端口，加上 pj 端口，共 44 个 i/o 端口，其主要特征如下： (1) 每个 i/o 端口都能单独地进行配置； (2) 可分别配置 p1 和 p2 端口的中断功能； (3) 有各自独立的输入和输出数据寄存器； (4) 可分别配置端口的上拉或下拉电阻。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 29 该 e2prom 存储芯片芯片是完全按照 i2c 通信协议工作的。下面对该通信协议 进行详细的介绍： i2c 总线（inter-integrated circuit bus）是由 philips 公司推出的一种双向两线式 串行总线， 可以用来连接微控制器或外围设备。 i2c 总线协议允许总线接入多个器件， 这些器件可以作为控制其他从器件的主控制器，也可以作为被主器件控制的从控制 器。i2c 总线在进行数据交换时，通过总线竞争获得了主控权的作为主控制器才可以 启动数据传输。 又因为 i2c 总线上的每个器件都有与自己对应的地址， 所以主控制器 可以通过寻址来确定接收数据的从控制器。 i2c 总线在传送数据的过程中，必须遵循严格的时序格式。下面分别介绍数据 传输过程中的几种重要的格式。 (1) 起始信号和终止信号 在 scl 为高电平期间，sda 上出现高电平向低电平跳变的下降沿时，即 为起始信号。起始信号出现以后，后面才可以进行寻址或数据传输等操作。 在 scl 为高电平期间，sda 上出现由低电平到高电平跳变的上升沿时， 即为终止信号。终止信号出现以后，所有总线操作都结束，主器件释放总线控 制权。 (2) 数据的读与写 在 scl 为高电平期间，sda 上的电平必须保持不变。如果此时 sda 上的 电平发生变化，则会被认为是起始信号或者终止信号。只有在 scl 为低电平期 间，sda 上的电平才能发生变化。所以在读取 sda 上的数据时，必须在 scl 为低电平时。 (3) 应答信号和非应答信号 i2c 总线传送数据时，每传送完一个字节数据以后，都必须有应答信号。 主器件在第 9 个时钟位上释放数据总线，使其处于高电平状态，从器件输出低 电平拉低数据线产生的信号，称为应答信号。 在传送完一个字节数据后，从器件在第 9 个时钟位上输出的高电平信号， 称为非应答信号。产生非应答信号有以下两种情况： 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 30 1) 当从器件正在处理其他数据而无法接收总线上的数据时，从器件不产 生应答信号， 它释放总线， 将数据线 sda 置为高电平。 在这种情况下， 主器件可以产生一个停止信号来终止数据的传输。 2) 当主器件接收从器件发出的数据时，接收到最后一个字节数据后，必 须给从器件发送一个非应答信号，使从器件释放数据总线。在这种情 况下，主器件才可以发送终止信号，终止数据的传输。 (4) 数据传送格式 i2c 总线协议规定了完整的数据传送格式。按照协议规定，数