基于CH376的SD卡采集存储系统设计.docx

清华大学2012届毕业设计说明书毕业设计说明书基于CH376的SD卡采集存储系统设计 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2012年 6 月基于CH376的SD卡采集存储系统设计摘 要设计了一种应用激光散射法检测大气中的可入肺颗粒污染物PM2.5浓度的数据采集存储系统。采集部分分析了采集原理的合理性，微粒直径和浓度信息经过采集传感器转换为电信号，然后经放大、滤波、模数转换为数字信号后输入数据总线。控制部分介绍了51系列单片机AT89S52与文件管理芯片CH376各自的工作原理，重点说明了两者之间的配合使用，通过SPI总线访问的方式实现了对SD卡的读写操作。存储部分介绍了SD卡的存储原理、工作方式、功能引脚和卡座的外围接口电路，实现数据的大容量存储。最后数据回读，经计算机分析得出相应结论。关键词：PM2.5，采集存储，CH376，SD卡A SD Card Collection and Storage System that Based on CH376AbstractThis date collection and storage system put forward a kind of method that use laser scattering to detect concentration of PM2.5 which can take in the lung in the atmosphere . The part of acquisition analysis the rationality of the principle, diameter and concentration information of particle transform into electrical signal through acquisition sensor, and then the signal can be amplified,be filtered,be converted digital pulse signal to input data bus. The control part introduces 51 series monolithic integrated circuit AT89S52 and file management chip CH376 and their work principle, focuses on the instructions of using together, read and write to SD card through the SPI bus. The part of storage introduces the principle of SD card memory,working mode,function pin and peripheral circuit of the socket of SD card,and realize the large volume of data storage. Data can be reclaimed, and the computer analysis it to get the corresponding results.Key Words：PM2.5,Acquisition and Storage,CH376,SD card目 录1 引言12 采集方法和存储方法的分析32.1采集方法分析32.1.1 连续取样法32.1.2 摩擦起电法32.1.3 闪烁法42.1.4 差分吸收光谱法42.1.5 散射法42.2数据安全存储分析43 系统硬件设计83.1 系统结构83.2 系统前端设计83.2.1传感器APD93.2.2放大电路的设计103.2.3滤波电路的设计123.2.4 A/D转换器143.3 系统控制单元163.3.1 AT89S52单片机163.3.2 文件管理芯片CH376183.3.3 单片机与CH376的配合193.4 存储部分设计203.5 电源模块设计234 系统软件设计254.1 数据采集部分254.2 数据存储部分264.2.1 SD卡的初始化264.4.2 采集数据的写入275 系统标定及误差分析295.1 系统标定295.2 误差分析296 结束语31附录A32附录B34参考文献35致谢38 第II页 共II页1 引言近期，被称为“灰霾元凶”的空气污染物PM2.5(又称“可入肺颗粒物”)受到公众广泛地关注，包括北京、上海、南京等许多城市均开始尝试发布PM2.5监测数据。2月29日，国务院同意发布新修订的环境空气质量标准，新标准增加了细颗粒物PM2.5和臭氧8小时浓度限值监测指标。自此，PM2.5首次正式纳入空气质量标准。而太原市作为山西省唯一试点市，将空气污染监测指标从3项扩展到9项，PM2.5也是其中一项。PM，英文全称为particulate matter(颗粒物）,科学家用PM2.5表示每立方米空气中这种颗粒的含量，这个值越高，就代表空气污染越严重。PM2.5产生的主要来源，是日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等有毒物质。一般而言，粒径2.5微米至10微米的粗颗粒物主要来自道路扬尘等；2.5微米以下的细颗粒物（PM2.5）则主要来自化石燃料的燃烧（如机动车尾气、燃煤废气）、挥发性有机物等等。总悬浮物颗粒物(PM100)、可吸入颗粒物(PM10)和可入肺颗粒物(PM2.5)是环境空气质量监测中经常使用的三个概念，它们代表三类大小不同的大气污染物，对人体健康和环境空气质量都有重要的影响。其中PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，它的直径大小还不到人体头发丝粗细的1/20。由于该微粒个头太小，不像一般的大气悬浮颗粒可以被上呼吸道拦截，它可被直接被吸入肺中，故也被称为可入肺颗粒物。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5的微粒直径很小，富含大量的有毒、有害物质，而且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响很大。气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。粒径10微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；而微粒粒径在2.5微米至10微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5微米以下的细颗粒物，不易被阻挡。被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，容易引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。因此，如何及时检测和预防PM2.5污染并着手治理已是迫在眉尖的任务1。为了迎接满足社会需要，检测PM2.5的仪器也随之大热起来，以美国和德国等为主的大国研制的检测仪在这一领域占有主导地位，我国在这一方面技术相对薄弱，还处在研发和测试阶段。然而，根据市场的资料显示，一般的PM2.5粉尘检测仪价格在七八千左右，甚至上万元，可谓十分昂贵。所以，如何尽可能地降低成本成为研制PM2.5粉尘检测仪的关键之一。所以本设计针对这一社会热点问题，设计了采用廉价的51单片机和CH376芯片为核心的采集存储系统，将采集的大量数据存入SD卡中，SD卡方便替换而且能及时地将数据读入计算机中进行分析处理，最终，得出PM2.5的具体数值。2 采集方法和存储方法的分析2.1采集方法分析目前，各国环保部门广泛采用的PM2.5测定方法有一下三种：重量法、射线吸收法和微量振荡天平法。三种方法都可以测出微粒的重量，然后根据重量推出微粒的直径大小，最后，在依据一定的采样量，计算出微粒的浓度。重量法是最直接、最可靠的方法，就是直接对微粒进行称重，它是验证其它一切方法是否准确的标杆。然而其缺点是需要人工称重，导致程序繁琐费时，不能够实时地监测，给检测数据的实时发布带来不便。射线吸收法是将PM2.5收集到一块滤纸上，然后对滤纸照射一束射线，射线在穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而受到衰减的影响，衰减的程度和PM2.5的重量成正比。根据射线的衰减程度就可以计算出PM2.5的重量。微量振荡天平法是将一头粗一头细的空心玻璃管的粗头一端固定，细头一端装有滤芯。让空气从粗头进入，细头排出，PM2.5就被截留在滤芯上。测量时，给空心玻璃管加以一定电场，在电场的作用下，细头一端将以一定频率振荡，而该频率和细头重量的平方根成反比。但是射线吸收法和微量振动天平法的测量成本昂贵。常用的微粒浓度测量方法有以下几种：2.1.1 连续取样法连续取样法就是将待测气体抽取，并在滤纸上过滤，通过确定滤纸上微粒的质量来反推待测气体中微粒的浓度。连续取样法是传统的微粒检测手段之一，其优点是测量精度高，但缺点是测量的工序复杂，需要不断地更换滤纸。2.1.2 摩擦起电法两种材料发生碰撞或摩擦时，常常伴随着电荷的转移。将一个探头伸入待测的环境之中，微粒与探头发生摩擦和碰撞后，将有电荷沿着探头转移。可利用高性能的放大器测出这些微小电流，再经过一定的处理后，这些信号就可以放映出微粒的浓度。但该方法与被测微粒的流速关系很大，要求被测微粒的流速相对恒定，故其应用受到限制。2.1.3 闪烁法一束单光穿过被测气体时，气体中的微粒会对该光发生散射和反射，在接收器一端将会收到一个负脉冲。大量微粒经过光束时，就会输出一个随机波动的信号，信号中含有微粒浓度的相关信息。通过处理该信号可得出微粒浓度。闪烁法利用了接收光的强度来反映浓度，这就要求有高精度、高质量的光电探测器和转换系统的支持，提高了测量的成本。2.1.4 差分吸收光谱法差分吸收光谱法就是在被测气体的两端安装光源发射器和接收器，并由发射器想接收器发射固定光谱的光线，再有接收器将接收到的光信号送到计算机进行分析和计算。就是利用气体微粒对光选择性吸收的原理，接收器接收到了被微粒吸收后的光信号，转换为电信号后，计算机可处理得出气体中微粒的成分和浓度等信息。但是该方法需要分析空气中各成分的光谱带，而空气中各成分又相当复杂，含有多种微粒成分，得到的实际吸收谱线是多重吸收谱线的叠加，分析的数学方法复杂。2.1.5 散射法散射法是目前微粒浓度测试中被应用最为普遍的方法。利用微粒对管散射的原理，光被微粒散射后射向各个方向，各方向的光强度决定于微粒的大小及光的波长，接收后向散射光信号而获得微粒浓度2。本设计则是借用一种新的测量方法，结构简单，价格便宜。其基本原理是利用Mie光散射理论，散射光的强度与颗粒的直径和入射光的波长相关。可用激光二极管发出波长一定的激光光束，当照射到空气中的微粒上时，将在微粒表面发生散射，散射光被光电传感器接收。微粒直径大小与光电传感器内部的光电流强弱有关，只要测出光电流，便可反推计算出微粒的直径。2.2数据安全存储分析在数据的安全存储方面，以半导体存储器为主，一般大致可分为ROM和RAM两种类型。ROM全称是Read Only Memory，即只读存储器。顾名思义，就是说这种存储器好像写保护的软盘，CD-R一样只可以读不可以写，属于非易失性存储器NVM（Non-Volatile Memory）。ROM中的信息一旦写入就不能进行修改，其信息断电之后也仍然保留。ROM所存数据，一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能读出，而不像随机存储器那样能快速地、方便地加以改写。ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变；其结构较简单，读出较方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。除少数品种的只读存储器（如字符发生器）可以通用之外，不同用户所需只读存储器的内容不同。为便于使用和大批量生产，进一步发展了可编程只读存储器（PROM）、可擦可编程序只读存储器（EPROM）和电可擦可编程只读存储器（EEPROM）。EPROM需用紫外光长时间照射才能擦除，使用很不方便。20世纪80年代制出的EEPROM，克服了EPROM的不足，但集成度不高 ，价格较贵。于是又开发出一种新型的存储单元结构同EPROM相似的快闪存储器。其集成度高、功耗低、体积小，又能在线快速擦除，因而获得了飞速得到发展，并有可能取代现行的硬盘和软盘而成为主要的大容量存储媒体。大部分只读存储器用金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管制成。RAM全称是Random Access Memory也就是随机存取存储器。随机存取存储器一种存储单元结构，用于保存CPU处理的数据信息。所谓的“随机（Random）”存取是与“顺序（serial）”存取相对而言的，意思是CPU可以从RAM中任意地址中直接读取所需的数据，而不必从头至尾一一查找。其存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。按照存储信息的不同，随机存储器又分为静态随机存储器（Static RAM,SRAM)和动态随机存储器（Dynamic RAM,DRAM)。随机存储器有以下特点：随机存取，指的是当存储器中的消息被读取或写入时，所需要的时间与这段信息所在的位置无关；易失性，就是当电源关闭时RAM不能保留数据；高访问速度，现代的随机存取存储器几乎是所有的访问设备之中写入和读取速度最快的；需要刷新，现代的随机存取存储器依赖电容器存储数据，电容器充满电后代表1(二进制)，未充电的代表0，由于电容器或多或少的有漏电的情形存在，若不作特别处理，数据会渐渐随时间流失，刷新是指定期读取电容器的状态，然后按照原来的状态重新为电容器充电，弥补流失了的电荷，需要刷新正好解释了随机存取存储器的易失性；对静电敏感，正如其他精细的集成电路，随机存取存储器对环境的静电荷非常敏感，静电会干扰存储器内电容器的电荷，引致数据流失，甚至烧坏电路。随机存储器RAM具有易失性，不适合作为安全稳定的存储介质。在嵌入式数据采集器中，多采用大容量可擦除型的ROM。对于Flash ROM，由于其存储容量大、体积小、功耗低、可高速读写、抗震动和成本低等一系列优点，使其应用广泛。目前 Flash ROM以NOR技术和NAND技术为主流。NOR FLASH属于随机存取的设备，其与单片机接口简单，性能可靠，并且读取速度快于NAND型，还带有SRAM接口，可以很容易地实现存取其内容的每个字节，但缺点是单片存储容量较小，不适合16MB以上的存储容量使用。NAND FLASH存储容量大，属线性存取的设备，基本存储单元是页，每一页的有效容量是512字节的整数倍，擦除和写入速度都快于NOR型，适合大容量数据存储应用。但其缺点是与单片机的接口较复杂，尤其是如果器件中随机分布有坏块，那么在数据存储时可能因位反转而造成存储数据错误，这给芯片的直接应用造成了困难。大容量存储的另外一个选择就是电子硬盘类Flash，也就是各类常见的智能存储卡，如MMC卡、CF卡、SD卡等，这类卡具有统一规格的外部接口，可以与单片机通过并行口或SPI串行总线连接，同时其内部的纠错算法保证了数据存储的可靠性。此外这些智能卡还有功耗小、价格低、容量大、抗冲击振动、可移动存储等很多的优点。以SD卡为例，SD/MMC卡已经替代东芝开发的SM卡，成为了便携式数码相机使用最广泛的数字存储卡格式。2001年SM卡的市场占有率超过50%，但到了2005年下降到了40%左右，并且还在快速滑落。大部分的数码相机生产商都提供了SD卡的支持，包括佳能、尼康、柯达、松下及柯尼卡美能达等。SD卡的三大主要厂商仍然在坚持使用自己的专利格式：奥林巴斯和富士使用XD卡，索尼使用Memory Stick。另外，SD卡还没有攻入CF卡占绝对地位的数码单镜反光相机市场。SD卡最早是东芝在MMC卡技术中加入加密技术硬件而成，由于MMC卡可能会较易让使用者复制数码音乐，东芝便加入这些技术希望令音乐业界安心。用户可以使用一个USB的读卡器，在个人电脑上使用SD卡。某些新型电脑上已经内置了读卡装置。最新的发展是SD内建了USB插口，省略了读卡器。SD系列记忆卡都是SanDisk完成测试后送交SD卡协会认证规格，因此几乎所有专利权都掌控在SanDisk手上。SD卡的技术是基于MultiMedia卡（MMC）格式上发展而来，大小和MMC卡差不多，尺寸为32mm x 24mm x 2.1mm。长宽和MMC卡一样，只是比MMC卡厚了0.7mm，以容纳更大容量的存贮单元。SD卡由Flash存储模块和内置的控制器组成，前者负责以扇区为单位存储数据信息，后者负责与主机的接口实现及控制数据在存储模块中的传输。本设计就以SD卡作为存储介质，在电路设计方面结构简单，在使用方面方便拔插，还有专门的SD卡管理芯片对其的读写等操作进行管理，达到了很好的效果3。3 系统硬件设计3.1 系统结构本文中提出以廉价的51系列单片机为核心控制芯片，配合文件管理芯片CH376，实现对空气质量指标之一PM2.5的数据采集及存储，并用USB接口设备（本文中使用SD卡读卡器）以方便实现数据回收。MCU的工作是完成整个系统的控制，主要是对数据的采集和存储等操作的控制；前端的数据采集电路将采集到的信号放大、滤波、模数转换后转化成方便传输的数字信号，并通过并行总线发送给中央处理器MCU；以文件管理芯片CH376的SD卡数据采集电路实现数据的存储；实时时钟为整个系统提供时间基准。单片机通过控制线和并行数据总线与文件管理芯片CH376连接，CH376则是通过SPI串行总线和相关控制线与SD卡连接。之后，SD卡存储的数据将被计算机回收进行计算分析等后期处理。系统框图如图3.1所示。AT89S52并行总线传感器采集电路路放大、滤波转换时钟电路SD卡CH376 控制 SPI串行总线 控制 图3.1 系统组成框图3.2 系统前端设计前端的主要部件是激光传感器，它的作用是将含有微粒相关信息的光信号转化为电流信号。当空气中没有颗粒物通过时，则没有散射现象，预先设定的定波长的激光二极管发出的激光被预先设定的光陷阱所吸收，激光传感器上无感应电流产生。当有大气中有颗粒物通过时，入射光会照射到颗粒物上，产生相应强度的散射光，然后散射光被激光传感器接收到并产生对应强度大小的光电流，光电流的强弱与颗粒物的直径大小有关。只要将光电流进行一系列的处理工作，就能得到微粒大小和浓度的相关信息。光电流的处理主要由高精度单运放MAX4265组成的放大电路以及滤波电路和ADS7804组成的模数转换电路组成。放大电路将电流信号转换为电压信号并放大处理，再通过一个二阶高通滤波器，滤除低频干扰等无用信号。最后，放大滤波后的模拟信号由AD转换器转换为数字信号，经由数据总线送入单片机。3.2.1传感器APD接收散射光这样的微弱光信号，需要光电传感器具有很高的灵敏度。有两种光电检测器可以选择，包括光电二极管（PIN）和雪崩二极管（APD）。PIN响应频率高，响应速度快，工作稳定。APD灵敏度高，响应快，具有小型、不需要高压电源等优点。而与光电二极管相比，雪崩光电二极管具有灵敏度高、速度快等优点，特别当系统带宽比较大时，能使系统的探测性能获得大的改善45。由于信号微弱，持续时间较短，本设计采用有较高相应速度和倍增效应的雪崩二极管。雪崩光电二极管是具有内增益的一种光生伏特器件，它利用光生载流子在强电场内的定向移动产生雪崩效应，以获得光电流的增益。在雪崩过程中，光生载流子在强电场的作用下进行高速定向运动，具很高动能的光生电子或空穴与晶格原子发生碰撞，使晶格原子电离产生二次电子-空穴对；二次电子-空穴对在电场的作用下获得足够的动能，又是晶格原子电离产生新的电子-空穴对，此过程像“雪崩”似的继续下去。电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数定义为： 式中为倍增输出电流，为倍增前的输出电流67。雪崩二极管作为前端的传感采集器件，在整个采集存储系统中扮演着重要角色，有用信号的采集全部由它来完成。与同类的其他光电管相比较，其大大提高了光电二极管的灵敏度（具有内部增益102104），而且响应速度也很快，频带带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管8。APD在前端系统中的传感原理如图3.2所图3.2 APD传感原理3.2.2放大电路的设计经过光电转换后的电信号很微弱，必需要经过放大处理才能方便测量等后续工作。APD所采集的信号频率范围很宽，这就要求放大器与之相适应，要有高阻抗、高放大倍数和宽频带。放大器MAX4265是MAX系列的一款超低失真运算放大器，频带宽，多应用在光电传感器的前置放大电路中。MAX4265的主要参数如下表 3.1所示。表3.1 MAX4265参数表增益带宽300MHz转换速度（Sn）4000（V/ns）输入电压噪声8（nV/Hz）双电源供电电压2.25V到5V运算放大器MAX4265具有极低的失真，在整个带宽范围内驱动100负载都能维持极低的失真。它能提供良好的无寄生动态范围，在频率低于5MHz是为-90dBc，在100MHz为-60dBc。这些都是信号处理应用的理想选择。本设计的放大电路采用反相比例运算电路，并使用两级放大，电压信号从放大器的负相端接入放大电路，放大器采用正负电源供电，并在电源两端接0.1uF的滤波电容滤去杂波。电路中，对前端的分压电阻精度要求很高，其精度直接影响后续的一系列测量工作，这里采用金属膜精密电阻。金属膜电阻体积小、噪声低、稳定性好、高频特性优秀，电流噪声和非线性较小，阻值范围宽，温度系数小（温度系数范围为10100ppm/C），性能稳定，适合用于一些要求高初始精度、低温度系数和低噪声的精密应用场合，是使用最广泛的一类电阻器。电路如图3.3所示910。图3.3 两级运算放大电路根据“虚短”和“虚断”的概念，R2取51欧姆，R3取510欧姆，一级放大倍数为10倍。这样，两级放大后，原始信号被放大了100倍。在该电路仿真时，APD及分压电阻部分使用信号发生器代替，在电路前端输入峰值为50mV，频率为1KHz的正弦波，其输出如下图3.4所示，由仿真图可知，前端电路基本满足放大的需求1114。图3.4 放大电路仿真3.2.3滤波电路的设计在所采集的光电信号中，不但有前向散射光的信号，还带自然光等转换的电信号以及以工频干扰为主的噪声干扰。在APD所采集的信号中，低频信号干扰性很强，故本设计采用高通滤波器滤除低频信号。相比无源滤波器，由放大器和RC器件组成的有源滤波器Q值高、易调试、体积小、重量轻，并能提供一定的信号增益1516。本文设计的巴特沃斯高通滤波器电路图如图3.5所示。 图3.5 巴特沃斯高通滤波器该电路的传递函数是：Aus=Aupss2R6R7C6C71+sR7C6C7C5+C6+C7+s2R6R7C6C7 (3-1)通带放大倍数是：Aups=-C5C7 (3-2)所以，Aus=-3.1610-9s23.1610-9s2+2.4710-6s+1 截止频率是： p=12R6R7C6C7 (3-3)所以，计算得截止频率约为50.4Hz。品质因数是：Q=C5+C6+C7R6C6C7R7 (3-4)3.2.4 A/D转换器前端电路采集到的信号变化极其细微，而常用的8位AD转换器转换精度过低，不能满足设计需求。所以为了提高转换精度，本设计采用12为模数转化器ADS7804，其同样在转换速度和价格上都占有优势。ADS7804为单通道输入，它的模拟输入电压为10V，采样速率达到100kHz。而且芯片的内部还设有采样保持、时钟、电压基准等可以简化外部硬件设计的电路模块，同时也提高了系统运作的稳定性，在仪器仪表的数据采集系统中运用广泛。其DIP封装引脚图如图3.6所示。图3.6 模数转换电路VIN为模拟信号输入引脚。D11D0为数字量并行输出端口，由于对单片机的并行接口有限，所以D11D8空置。DZ（19管脚到22管脚）是为了与16为AD转换器ADS7805而设置，可悬空。CS为低电平有效的片选引脚，R/C为读取结果/模数转换控制信号，BUSY用来指示模数转换是否完成，BYTE用来控制从总线所转换的结果是高四位还是低八位。VANA和VDIG为模拟电源和数字电源，应该同时接+5V电压，两个模拟接地引脚AGND1和AGND2与数字接地引脚DGND也同时接地。REF为参考电压端，通常对地接2.2uF的钽电容。CAP为参考电压所需电容，同样对地接2.2uF的钽电容。其工作时，首先将R/C置为低电平，CS引脚将被输入一脉冲，并在其下降沿时启动AD芯片开始转换。8us后转换完成，BUSY引脚置为高电平，R/C引脚电平也同时被拉高，同样在CS引脚脉冲的下降沿时，将转换结果读到数据总线上。这里，由于是12为的数据而只有8位的总线，采用两次读取。BYTE为高电平是读取数据的高字节部分，低电平时读取数据的低字节。ADS7804启动转化和读取转化结果的时序比较特别，参见如下图3.7所示。 R/C CS BUSY MODE 获取转换获取DATE BUS 高阻态有效数据图3.7 AD转换盒读取结果时序图对于51单片机而言，外部接12MHz的晶振，其脉冲宽度为500ns，而RD引脚只要对外部进行读写，就会产生有6个震荡周期的脉冲，正好合适AD转换器CS脚的脉冲要求，故将CS脚与单片机上的RD脚连接，BYTE引脚、R/C引脚和BUSY引脚分别接单片机P2端口的对应位置1720。ADS7804与AT89S52单片机的接口电路图如下图3.8所示。图3.8 ADS7804接口电路ADS7904将模拟信号转换为数字量，以二进制补码的方式输出，分辨率可达到4.88mV/LSB。3.3 系统控制单元以AT89S52单片机和文件管理芯片CH376完成系统的整体控制工作。其中AT89S52主要负责前部分的数据采集和对CH376的控制，CH376主要负责SD卡的存储部分。3.3.1 AT89S52单片机AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。片上Flash允许程序存储器在系统中可编程，也适用于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，运行速度快、处理能力强、对C语言提供较好的支持，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash存储器、256字节RAM、32 位I/O 口线、看门狗定时器、2 个数据指针、三个16 位 定时器/计数器、一个6向量2级中断结构、全双工串行口、片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可以选择的节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，但允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。在掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插DIP-40的封装。具体可参考引脚图3.9如下。AT89S52的外围电路相当简单，除了VCC引脚和GND引脚分别接正5伏的电源和接地外，只需加上相应的复位电路和晶振电路。这里，复位电路使用按键手动复位，使用12MHz晶振并匹配30pF电容组成晶振电路2122。图3.9 AT89S52 PDIP封装引脚图3.3.2 文件管理芯片CH376CH376是由南京沁恒公司生产的一种文件管理控制芯片，常用于单片机系统读写U盘或者SD卡中的文件。它支持USB设备方式和USB主机方式，并且内置了USB通讯协议的基本固件，内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，内置了SD卡的通讯接口固件，内置了FAT16和FAT32以及FAT12文件系统的管理固件，支持常用的USB存储设备（包括U盘/USB硬盘/USB闪存盘/USB读卡器）和SD卡（包括标准容量SD卡和高容量HC-SD卡以及协议兼容的MMC卡和TF卡）CH376支持三种通讯接口，包括8位并口和SPI接口或者异步串口。单片机/DSP/MCU/MPU等控制器都可以通过上述任何一种通讯接口控制 CH376 芯片，与计算机通讯或者存取 U 盘或者 SD 卡中的文件或者23。CH376S的其引脚图如图3.10所示。图3.10 CH376引脚图3.3.3 单片机与CH376的配合单片机与CH376之间的配合包括数据的并行传输和相关命令的下达等一系列的操作。AT89S52单片机通过一组具有锁存功能的数据端口，对CH376的数据端口实现数据的并行传输，并通过对CH376的WR、RD、REST及A0这四个引脚的操作实现对其的读写控制。CH376与AT89S52采用并口通信的方式，并口通信线包括8位双向数据总线D7D0、写选通输入引脚RD、读选通输入引脚WR以及地址输入引脚A0。写选通引脚WR接单片机的写选通输出，读选通引脚RD接单片机的读选通输出，地址输入一脚A0接单片机的P2.7脚，中断引脚接单片机的INT0脚。此外，CH376的PCS为片选控制引脚，当单片机有多个外围挂接电路时，可由译码电路驱动。本设计由于外部电路简单，CH376总是被选中，将该引脚拉为低电平有效即可。其余各脚按照CH376芯片使用说明手册连接有效即可2425。单片机与CH376的外部接口电路如图3.11所示。图3.11 控制部分电路图表3.2为并口I/O操作的真值表，其中X代表不关心此位，Z表示CH376的三态禁止。表3.1 并口I/O操作真值表PCS#RD#WR#A0D7D0对CH376的实际操作1XXXX/ZCH376未选中，不进行任何操作011XX/Z选中CH376，但不进行任何操作01/X01输入向CH376的命令端口输入命令码01/X00输入向CH376的数据端口写入数据0010输出向CH376的数据端口读取数据0011输出向CH376的命令端口读取接口状态：位7是中断标志，低有效，等效于INT#引脚；位4是忙标志，高有效，等效于BZ引脚。3.4 存储部分设计SD卡作为一种存储卡，全名应该是Secure Digital Memory Card，中文翻译为安全数码卡或直接称为SD卡，是一种记忆卡的标准，作为半导体记忆器的新一代记忆设备，其具有体积小、功耗低、抗震动、非易失等特点，被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理和多媒体播放器等。SD卡的技术是建基于MultiMedia卡（MMC）格式上，但SD卡比MMC卡略厚。而SD卡也有较高的资料传送速度，而且不断地更新标准。大部份SD卡的侧面设有写保护控制，以避免一些资料意外地写入，而少部分的SD卡甚至支援数位版权管理（DRM）的技术。SD卡可分为NAND型flash存储模块和内置控制器。存储模块以扇区为单位来存储数据信息，而控制单元则用来实现数据在存储模块中的传输以及与主机的接口。其内部结构及引脚如图3.12所示。图3.12 SD卡硬件结构SD卡有两种总线访问方式，分别是SD方式和SPI方式。所用到的通讯模式不同，SD卡的引脚实现功能不同。在具体的通信过程中，计算机主机只能选其中一种模式。SD卡会自动检测复位命令而确定通信模式，一旦确定，系统在上电的情况下不能改变。SD模式下，主控器会通过SD总线来访问SD卡。但是通常的单片机没有SD的硬件总线。而借助软件仿真又有速度慢和占用主机CPU时间等缺点。SPI模式下没有以上问题，故而本文设计用到SPI模式26。该模式下的引脚定义如表3.3所示。SPI总线接口是一种全双工的、基于字节传输的同步通信协议，芯片管脚只需要占用四根线，这节约了芯片的管脚，PCB布线时也很方便，简单易用。所以，越来越多的芯片开始集成这种通信协议。表3.3 SPI模式下SD卡引脚定义引脚名称描述引脚名称描述1234CSDIVSSVDD片选（低电平有效）数据输入电源（地）供电 电压567SCLKVSS2DO时钟电源（地）数据输出SD卡的SPI模式按照单字节来传输数据，每次不管是发送还是接收只传输一个字，字节传输时默认高位在前，地位在后的传输模式。但当传输到最后一个字节时，其必须按照LST（低位在前）的特殊传输方式，标志本次数据帧传输的结束。由于SPI总线模式是全双工的总线模式，所以，两条单向数据线可分别负责两个数据的传输方向，使数据的发送与接收同时进行。SD卡通过专用的SD/MMC卡的插座与CH376连接，增强了可移动性，同时也实现了SD卡的热插拔和数据的安全读写保护。卡座使用3.3V电源供电，在电源两端加了0.01uF的滤波电容。其余各脚分别接1K欧姆或者是10K欧姆的上拉电阻。接口原理如图3.13所示2728。 图3.13 卡座接口图3.5 电源模块设计在单片机应用系统中，电源是整个系统正常运行的基石，故而其设计至关重要。电源设计一般要注意以下几个问题：一是如何降低电源功耗，使元器件工作在正常的额定电压下，并选用一些低功耗的器件；二是电源电压的需求，对元器件不同工作电压的的分配，可使用单电源方案或多电源方案；三是电源的管理，实现对电源的管理和监控，延长电源的使用寿命和尽量降低功耗。为满足便携式仪器的尺寸大小，这里选用锂电池作为供电电源，其电压大小为7V。综合以上需求及本系统需要使用的+5V,-5V,+3.3V电源电压，这里采用单电源供电方案，并用两片DC/DC转换器MC34063来实现29。电路如图3.14所示。图3.14 电源原理图4 系统软件设计4.1 数据采集部分从理论上讲，送入AD转换器的模拟信号是一列高电平不确定而低电平为零的方波信号。当模拟信号的高电平到来时，脉冲计数一次的同时，告知单片机启动AD转换，转化完成后，AD转换器将有序地向单片机的8位并口送入12位转换结果的低8位和高4位，完成了该阶段的数据采集任务，直到下一次高电平的到来而继续重复该过程。ADS7804的转换流程图如下图4.1所示。开始初始化启动AD转换AD转换是否完成读取低8位读取高4位完成12位转换是否图4.1 AD转换流程4.2 数据存储部分因为CH376不单单是一个通用的USB-HOST硬件接口芯片，还内置了相关的USB底层传输固件程序、FAT文件系统管理固件程序、Bulk-Only协议传输固件程序，所以这里的单片机只需发出文件管理和文件读写命令就可以方便地实现大容量存储了。SD卡的软件设计包括SD卡的上电初始化过程和SD卡的读写操作30。4.2.1 SD卡的初始化SD卡从上电到能对SD卡进行正常的读写需要一个上电初始化的过程，上电初始化流程图如下图4.2所示。开始SD卡插入检测SD卡已插入？调用CMD_SET_USB_MODE命令进入SD卡主机工作模式SD卡准备就绪？初始化完成返回初始化错误信息否否是是图4.2 SD卡初始化流程图4.4.2 采集数据的写入本文设计的存储系统主要是对大容量数据的记录存储，即对磁盘文件的追加写操作，将大量测量数据刻录在SD卡的存储芯片上。其次是初始化文件的读操作，便于计算机对数据的回收访问。数据写入SD卡流程图如下图4.3所示。开始向已有DATA.txt文件追加数据(1) 打开文件，调用CMD_FILE_OPEN命令(2) 移动文件指针到文件末尾，调用CMD_BYTE_LOCATE命令数据传输完？成字节数据写入，调用CMD_BYTE_WRITE+CMD_WR_REQ_DAT命令+CMD_BYTE_WR_GO命令 否关闭文件并自动更新文件长度调用CMD_FILE_CLOSE命令结束写数据图4.3 数据写入流程图在存储系统中，可以将采集到的数据以二进制的格式存储于同一个文件中，等到数据文件回收后，再由上位计算机进行提取并作出分析。根据文件可能的大小，可以事先对SD卡格式化为FAT16或者FAT32的形式，并由上位机软件对SD卡完成以下两个操作，首先创建一个数据记录空文件（如DATA.txt ）作为应用中数据追加记录的对象文件；其次则应产生一个初始化文件，以便向存储装置提供工作的初始化参数，比如校对实时钟时间、数据采样精度以及通道数采样频率等。这样等到SD卡插入卡座并激活存储测试装置的时候，整个系统就可以按照给定的工作方式开始工作了。5 系统标定及误差分析5.1 系统标定在科学测量中，标定是一个不容忽视的重要步骤。标定的主要作用是：(1)确定仪器或测量系统的输入输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；(2)确定仪器或测量系统的静态特性指标；(3)消除系统误差，改善仪器或系统的正确度。本设计使用准确度较高的检测仪器作为标准仪器，通过同时测量不同浓度的PM2.5的值来进行标定。测量样本可按一下方法获取。密封空间中存有高浓度微粒的气体，取少量用于测试。充入一定量的清洁空气，取样测试。再充入一定量的清洁空气，取样测试。重复以上步骤，最后得到标准仪器与本系统测量计算所得值的一组数据。5.2 误差分析传感器在测量过程中都会产生误差，其误差种类大致可分为随机误差和系统误差两种。随机误差可通过多次的测量来降低它对测量结果的影响，但是，系统误差是与传感器自身有关，是其固有的，不能消除。本设计中，系统误差大致来自以下几个方面：(1)由于供电电压不稳定等原因，使激光器发出的激光平行度和均匀性不够好；(2)由于激光器发出的激光频率固定，环境中的湿度变化时，会一定程度上改变颗粒物的折射率，这大大影响了对颗粒物直径大小的分辨；(3)由于环境中的温度不确定，总要影响到放大和滤波后的实际信号效果，使其零点漂移，相位偏移，幅值变化。(4)AD转化后，不管是多么精确的AD转换器，总要有量化误差等一些列因素，使原始信号不能完全还原。(5)计算机回收数据，进行技术分析，在算法上的一些限制使结果本身必然有误差。对于随机误差，我们可以通过多次的测量，尽量将其消除。对于系统误差来说，我们可以通过提供良好稳定的供电、加入可谐调技术使激光频率改变来适应环境湿度的变化、稳定环境温度等措施来尽量减小系统误差。6 结束语本文设计针对社会热点，采用廉价的51单片机及文件管理芯片CH376实现对空气质量指标PM2.5的浓度监测，而SD卡存储又很好的解决了系统存储容量大、长时间离线工作数据的安全问题，又具有FAT存储格式，易于计算机通过USB口对采集的数据作出分析处理，操作方面，简化了整个系统的设计，具有很好的可靠性和可操作性。CH376使用SPI串行总线的方式通讯，节省了资源的使用，提高了安全性能。还可以启用3.3V供电给单片机AT89S52，控制CH376启动低功耗模式，并用程序控制SD卡实现断续供电，以达到一个长久续航、稳定工作的状态。附录AAD转换程序如下：# include# include# define N 128 /*定采样长度，如128点*/sbit BYTE=P20;sbit RC=P21;sbit BUSY=P22; /*定义特殊位*/int XDATA array(N); /*在外部存储器内定义长度为N的有符号整数数组*/int ADS7804(void) uint ul,uh;int u;RC=0; /*R/C低电平，进入转换模式*/ul=XBYTE0xffff; /*产生读脉