基于单片机的智能瓦斯传感器设计

论文题目：基于单片机的智能瓦斯传感器设计（硬件）专业：自动化本科生：**（签名）＿＿＿＿指导教师：**（签名）＿＿＿＿摘要瓦斯传感器在矿井瓦斯浓度检测中起着关键作用。基于凌阳单片机的智能瓦斯传感器是以凌阳单片机为核心设计瓦斯浓度检测监控设备，在了解瓦斯传感器国内外研究现状及设计此课题的目的及意义的基础上，通过研究瓦斯传感器及凌阳单片机的原理及性能，设计出了基于凌阳单片机的瓦斯传感器，基本实现了设计要求的功能。系统由凌阳SPCE061A单片机，瓦斯气体检测电路，液晶显示电路，声光报警电路组成。以凌阳SPCE061A单片机为核心构成一个具备数据采集、对象控制、结果显示等功能的完整系统。该系统完成了以往的瓦斯监测仪所不能实现的语音编辑报警功能。而且SPCE061A内部具有8路A/D转换和大容量的ROM和RAM,不需外部扩展电路,硬件电路结构简单,维护方便。在实际验证中系统运行稳定，工作效率高，基本达到预期的设计要求。关键字：凌阳单片机，瓦斯浓度，传感器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~~目录1绪论 11.1课题提出的必要性和国内外现状 11.2煤矿监测系统概述 21.3矿井瓦斯的产生及危害 31.4基于凌阳单片机的瓦斯传感器的工作原理 41.5本文研究的目的和意义 52瓦斯传感器概述 62.1热导式瓦斯传感器 62.2热效式瓦斯传感器 62.3催化燃烧式瓦斯传感器工作原理 62.3.1催化燃烧式瓦斯传感器的特点 72.3.2催化燃烧式瓦斯传感器的结构原理 72.3.3催化燃烧式传感器指示刻度 82.3.4催化燃烧式瓦斯传感器的中毒和寿命 93SPCE061A的系统概述 103.1单片机的选择 103.2SPCE061A的简介 113.2.1SPCE061A的主要性能如下 113.2.2SPCE061A的内部结构框图 123.2.3SPCE061A最小系统简介 153.2.4SPCE061A的内部硬件结构简介 213.2.5SPCE061A部分模块电路 274瓦斯传感器的硬件设计 334.1技术要求和功能 334.1.1技术要求 334.1.2实现的功能 344.2硬件系统组成框图设计 344.3单片机最小系统的设计 354.4瓦斯传感器电路设计 354.5模拟电压信号电路的设计 364.6串行通信电路的设计 374.7超限声光报警电路的设计 384.8LCM1602B液晶显示电路设计 395瓦斯传感器的软件设计 426系统调试 446.1静态调试 446.2动态调试 457结论 47致谢 48参考资料 49附录一：基于SPCE061A的瓦斯传感器电路原理图 51附录二：瓦斯传感器硬件连接实物图 521绪论1.1课题提出的必要性和国内外现状从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的，稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首。在去年，又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化管理，提高通风、监测监控水平，已经成为中小型煤矿监测监控的最迫切的任务之一。煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷和一氧化碳管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，一氧化碳造成中毒事故也明显减少，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如下：·产品造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大·传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短；·系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差；·系统设备可靠性差；·必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫，而根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。1.2煤矿监测系统概述随着我国经济发展，对能源的需求量大增，刺激了煤炭产业的发展。由于井下环境恶劣，我国煤矿爆炸事件频繁发生，给人民生活和国家经济建设带来巨大影响和损害，本设计是针对目前情况设计一种井下便携式瓦斯传感器，当瓦斯气体浓度接近危险值时，自动发出报警，提醒井下人员立刻离开。从1979年以来，我国从国外引进和自行研制了煤矿瓦斯检测报警器和瓦斯监测系统。现在，大部分矿井装备了瓦斯检测、遥测仪器与装置，国有重点煤矿大多装备了煤矿安全监测系统，实现了瓦斯、一氧化碳、风速、负压、温度的自动、连续、集中监测和瓦斯超限的报警、断电，多次避免了瓦斯事故和火灾事故，有的矿区还实现了全局或全矿联网，这些设备对保障煤矿安全生产起到了重要作用。但是，煤矿安全生产形势依然严峻。煤矿安全监测系统主要是对煤矿生产系统安全状况的监测，其中包括对矿井空气中有害或危险成分的监测、矿井空气物理状态的监测和通风设备运行状态以及其它参数的监测。近年来，国内先后研制或引进多种类型的煤矿安全监测系统，因设备整体价格比较高，很多中小型煤矿难于承受，而安全事故往往发生在这些煤矿的生产过程中。因此，研制一种价格低、性能可靠、容量适中的煤矿安全监测系统十分必要，也是现实的客观需求。瓦斯浓度的高低是煤矿井下是否发生自燃火灾的重要标志之一，是导致人员中毒死亡而引起重大伤亡事故的重要因素。因此，在煤矿井下监测监控系统中瓦斯传感器十分必要，且很普遍。煤矿安全仪表是监测监控系统煤矿井下环境参数（包括甲烷、一氧化碳、氧气、温度、风速等）的一类手持式或固定式仪器。它所采用的技术从模拟分立器件到大规模集成电路得到了长足的发展，为煤矿的安全生产做出了巨大的贡献。由于煤矿井下生产条件的特殊性，要求所使用的安全仪表必须结构简单、功能齐全、安全可靠、功耗尽可能的小。1.3矿井瓦斯的产生及危害瓦斯的主要成分是甲烷，它的化学元素符号是CH4，一种无毒、无味、无颜色、难溶于水，可以燃烧的气体。其密度为0.716kg／m3，与空气的相对密度为0.554，常产生在矿井之中，矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的各种气体的总称。矿井瓦斯的成分较复杂，除甲烷(可达80％～90％以上)还含有其他烃类，如乙烷、丙烷，以及二氧化碳和稀有气体。瓦斯分子直径小，渗透性很强，为空气的1.6倍。矿井瓦斯爆炸是煤矿安全生产中危害最大的一种事故。它是一种链锁反应。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的瓦斯和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。瓦斯爆炸必须具备下列三个条件，缺一就不能发生爆炸。1、瓦斯浓度。瓦斯与空气混合，按体积计算，瓦斯浓度在5%—至16%时具有爆炸性。瓦斯爆炸界限不是固定不变的。如有别的可燃气体或煤尘混入，或温度、压力增加后，瓦斯爆炸界限就会扩大，瓦斯浓度不到5%就可能爆炸，超过16%还会爆炸；惰性气体混入后，可使瓦斯爆炸的界限缩小，瓦斯浓度达到5%也不爆炸，不到16%即失去爆炸性。如果混入的惰性气体很大，就可能使瓦斯与空气的混合气体失去爆炸性。2、点燃瓦斯的火源。瓦斯的引火温度一般认为是650～750℃井下煤炭自燃、明火、电气火花、架线机车火花、吸烟以及摩擦、撞击和放炮产生的火花都可以点燃瓦斯。在井下防止各种火源的出现，对防止瓦斯爆炸是十分重要的。因此，任何人都应该自觉的不把火种带到井下，不在井下吸烟，不随意打开矿灯。3、空气中的氧气含量。在空气与瓦斯混合的气体中，如果氧气含量低于12%，混合气体就失去爆炸性。在正常生产的矿井中，不可能采用降低空气中的氧气含量的办法来防止瓦斯爆炸。对于已经封闭的火区或正在处理中的火区，尤其是对高瓦斯矿井火区，可以采取注入惰性气体、降低氧气含量的方法来防止瓦斯爆炸。瓦斯爆炸的巨大危害使得瓦斯浓度的检测成为保证煤矿生产安全的重要手段之一。瓦斯传感器主要是对煤矿井下瓦斯浓度的监测。近年来，国内先后研制或引进多种类型的瓦斯传感器，因设备整体价格比较高，设备复杂，体积大，不适装备到每个现场的人员，因此，研制一种价格低、性能可靠、便于携带的瓦斯传感器十分必要，也是现实的客观需求。1.4基于凌阳单片机的瓦斯传感器的工作原理基于凌阳单片机的瓦斯传感器是以凌阳单片机为核心设计瓦斯浓度检测监控设备，系统由凌阳SPCE061A单片机，瓦斯气体检测电路，液晶显示电路，声光报警电路，系统电源组成。由于瓦斯传感器价格高昂，市场上难以购买，因此本课题仅做技术验证性的试验，用一组直流电压模拟瓦斯传感器检测电路输出的瓦斯浓度信号，先通过瓦斯传感器采集现场的瓦斯数据;然后经过运算放大电路把采集到的瓦斯数据进行适当的处理，转换成凌阳单片机所需要的0～3.3V电压信号；凌阳单片机通过自身集成的10位A/D转换器将采集到的瓦斯数据进行A/D转换后再处理；用液晶显示现场瓦斯浓度，利用凌阳单片机强大的语音编辑功能定时播报当前的瓦斯浓度，同时设置越限(当前瓦斯浓度超过一定限度时)发出声光报警，以此来确保井下人员能立即得到警报。并在迫切危险时主动发出断电控制信号，本课题设计并实现了断电信号模拟控制。该系统是以凌阳SPCE061A单片机为核心构成一个具备数据采集、对象控制、结果显示、数据通信等功能的完整系统。1.5本文研究的目的和意义本设计利用了凌阳单片机成本低、性能可靠、集成度高、抗干扰能力强、相互之间及与计算机之间通信方便等特点，研制出一种新型的煤矿安全监测系统，很好地解决了煤矿安全监测系统设备整体价格比较昂贵，普通瓦斯传感器价格比较高，设备复杂，体积大的问题对于目前国内中小煤矿的生产有重要的意义和影响。同时可以进一步了解凌阳单片机基本构造和性能以及瓦斯传感器的工作原理，传感器技术和检测技术，培养自己综合运用知识的能力和理论与实践相结合的能力。另外，研究整个课题的设计过程，有利于自己今后在学习与工作中进行系统化和整体性的分析问题、提出问题和解决问题的能力。

2瓦斯传感器概述目前,矿井中常用的瓦斯传感器可分为热导式和热效式两大类。2.1热导式瓦斯传感器热导式瓦斯传感器是利用瓦斯与空气的导热系数不同而测量瓦斯浓度的。这种传感器在工作时需通入恒定的电流,将其加热到一定的温度(180℃左右),功耗较大;且其中的半导体热敏电阻式传感器受CO2和水蒸汽的影响较大,元件的一致性和互换性也较差。热导式瓦斯检测仪在测定低浓度的瓦斯时,输出信号很小,误差较大。因此,这类传感器制成的瓦斯检测仪适用于测量高浓度的瓦斯(5%～100%)。目前这种传感器在矿井中应用较少。2.2热效式瓦斯传感器热效式瓦斯传感器(又称热催化式瓦斯传感器),其工作原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧,产生热量,使元件电阻因温度升高而发生变化,测知瓦斯的浓度。这种传感器的优点是精度较高,输出信号较大(1%CH4时,输出电压可达15～20mV),且不受其它燃气和灰尘存在的影响。它的缺点是元件表面温度高(300～450℃),寿命短(多数国家均保证1年),功耗大(其加热功率>1w;热催化元件功耗为0.3～0.75w),易受硫、铅、磷、氯等的化合物干扰而使催化剂中毒,降低其灵敏度,甚至误报。表1常用的几种煤矿用瓦斯传感器性能指标型号类型测量范围（%）误差（%）工作电流(mA)工作温度（℃）灵敏度（mV/1%）WZJ-1载体催化0~4<±0.2150~180320~35010BD-12载体催化0~3<±0.1300300~45020AYJ-2热催化0~4<±0.3320~360300~45015BW铂丝催化0~4<±0.2875850~95017CKA-678P热导式10~100<±0.11801800.22.3催化燃烧式瓦斯传感器工作原理催化燃烧式瓦斯传感器的优点是精度较高,输出信号较大,且不受其它燃气和灰尘存在的影响，因此在实际中得到了广泛的应用。所以下面详细介绍催化燃烧式瓦斯传感器。催化燃烧式瓦斯传感器利用其氧化燃烧特性检测空气中可燃气含量，是可燃气体专用传感器。由于它的性能好、成本低，是当前国内外使用最多的可燃气传感器。2.3.1催化燃烧式瓦斯传感器的特点（1）在空气中对瓦斯气体爆炸下限浓度（%LEL）以下的含量，其输出信号接近线性（60%LEL以下线性度更好）；（2）对非可燃气体没有反应，只对可燃气有反应，无干扰；（3）传感器结构简单、成本低；（4）不受水蒸气影响，对环境的温湿度影响不敏感，适于野外使用。但是，它也有一些缺点：（1）工作温度高，一般元件表面温度200℃～300℃，内部可达700℃～800℃，传感器不能做成本安型结构，只能做成隔爆型；（2）工作电流较大，国内产品100mA，国外产品200mA～300mA，电流功耗大，不易做成总线连接；（3）元件易受硫化物、卤素化合物等中毒影响，降低使用寿命；（4）在缺氧环境下检测指示值误差较大。催化燃烧式瓦斯传感器有金属丝催化元件和载体催化元件两种。前者现在使用较少，这里只介绍载体催化元件的传感器。2.3.2催化燃烧式瓦斯传感器的结构原理（1）传感器敏感元件结构催化燃烧式瓦斯传感器是由两个传感器敏感元件和两支固定电阻组成的惠斯通电桥。敏感元件即在0.01~0.08mm的铂金丝绕制的线圈上烧结AL2O3载体，在其表面浸涂铂族金属催化剂（经物化过程形成理想的催化层），成为检测元件a（黑件），另一元件只有相同的载体，但无催化剂，为参比元件b(白件)。（2）工作原理检测桥路如图1所示：黑白元件的铂丝是桥路电阻，又是加热器，使催化剂在高温下产生催化作用，两固定电阻R1、R2，与黑白两件电阻值相匹配。当无可燃气时，桥路平衡，输出信号为零。当有可燃气进入两元件腔体时，在黑件表面进行催化氧化，放出热量，使其温度升高、电阻升高，而白件电阻值不变，此时桥路不平衡，输出的信号与可燃气含量成正比。图1测量桥路2.3.3催化燃烧式传感器指示刻度（1）氧气对指示值的影响传感器的检测原理是甲烷（CH4）在催化剂作用下与氧气发生氧化反应，放出热量，检测反应如下：CH4＋2O2＝CO2＋2H2O＋Q式（2-1）从化学反应式看出，两种物质发生化学反应时，必须具有一定的当量，才能产生最大热量。在爆炸下限以下浓度，氧气过剩，产生的热量随甲烷增加而增加。在爆炸范围以上，甲烷增加，由于缺氧，产生的热量反而降低，仪器指示值下降。（2）用爆炸下限的百分数做刻度的一致性催化燃烧式传感器，对不同的可燃气氧化燃烧热差别很大。如果以百分浓度做仪器的刻度，一种可燃气对应一种刻度，如上所述，指示刻度有双重性，对安全检测来讲，爆炸下限以上的浓度，已无检测的价值。在爆炸下限的浓度，各种可燃气氧化燃烧热量近似相等，所以，以爆炸下限百分数做刻度（以100%LEL做满刻度），用一种异丁烷气标定，可以测定多种烷烃和烯烃类可燃气。对可燃的无机气体差异较大，需单独标定，检测才能准确。图2可燃气（甲烷）刻度2.3.4催化燃烧式瓦斯传感器的中毒和寿命传感器的催化剂与其他催化剂一样，有中毒现象发生，受硫化物、卤素化合物以及Si、Sb、Pb等物质的影响，其催化活性（传感器的灵敏度）会逐渐下降，称之为传感器中毒。使用时，要注意中毒物质，要尽可能选择抵抗中毒能力较强的传感器为好。传感器受中毒物质的毒害和长期加热以及表面污染等影响，传感器的灵敏度会缓慢下降，可通过定期标定增加电路放大器的放大倍数来解决。但是，当传感器的寿命终结时，其灵敏度会急剧下降，不能使用，必须更换。一般传感器的寿命3~5年，比电化学式传感器寿命较长，比红外式和光离子化式较短。其寿命与使用环境和正确维护有很大关系。3SPCE061A的系统概述3.1单片机的选择近年来单片机及其外围芯片技术不断发展，为较好的满足以上要求提供了广阔的发展空间，随着单片机集成化程度的不断提高，现代单片机已经具备了数字信号处理功能，使语音信号处理用单片机实现成为可能。台湾凌阳科技公司（SunPlus）推出的一款SPCE061A就是这样的产品，SPCE061A是以μ’nSP™为16位微控制器及信号处理器芯片为内核的16位单片机，采用模块式集成结构，片内集成了2KBRAM、32KBFlash、ADC、DAC、并行I/O等，特别适合语音信号处理。本文提出了一种新型的监测矿井下瓦斯传感器，阐述了系统的硬件设计及选型。系统可以检测出矿井下瓦斯气体的浓度，并且当测量值超出预设报警限时可以发出声光报警信号，提示现场工作人员采取紧急措施，减小事故的发生率提醒人们注意，以便采取应急措施。这里语音播报利用SPCE061A的语音播放系统使系统更加完善，通过SPY0030功率放大器,驱动喇叭,完成语音播放。实践证明，系统可靠性好，能满足不同场合监测有毒有害气体浓度的需要，具有一定的实用性和社会推广价值。SPCE061A是继μ’nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器，与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存FLASHROM。较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相同，以μ’nSP™为核心的SPCE061A微控制器也适用在数字语音识别应用领域。SPCE061A在2.6V~3.6V工作电压范围内的工作速度范围为0.32MHz~49.152MHz，较高的工作速度使其应用领域更加拓宽。2K字RAM和32K字闪存ROM仅占一页存储空间，32位可编程的多功能I/O端口；两个16位定时器/计数器；32768Hz实时时钟；低电压复位/监测功能；8通道10位模-数转换输入功能并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式；双通道10位DAC方式的音频输出功能，只需要外接功放（SPY0030A）即可完成语音的播放，SPCE061A是数字声音和语音识别产品的一种最经济的应用。另外凌阳十六位单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准C语言，可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用为软件开发提供了方便的条件。SPCE061A片内还集成了一个ICE（在线仿真电路）接口，使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便，而ICE接口不占用芯片上的硬件资源，结合凌阳科技提供的集成开发环境（μ’nSPIDE）用户可以利用它对芯片进行真实的仿真；而程序的下载（烧写）也是通过该接口进行下载。3.2SPCE061A的简介3.2.1SPCE061A的主要性能如下■16位μ’nSP为微处理器；■工作电压：VDD为2.4~3.6V(CPU)，VDDH为2.4~5.5V(I/O)；■CPU时钟：32768Hz~49.152MHz；■内置2K字SRAM、内置32KFLASH；■可编程音频处理；■32位通用可编程输入/输出端口；■32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；■2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；■2个10位DAC(数-模转换)输出通道；■7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器；■声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能；■系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2μA@3.6V；■14个中断源：定时器A/B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等；■具备触键唤醒的功能；■使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；■具备异步、同步串行设备接口；■具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；■内置在线仿真电路接口ICE（In-CircuitEmulator）；■具有保密能力；■具有WatchDog功能（由具体型号决定）。3.2.2SPCE061A的内部结构框图单片机也称单片微控制器（singlechipmicrocontroller）,它集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉，在过程控制、数据采集、机电一体化、智能仪器仪表、家用电器以及网络技术等方面的到广泛应用。凌阳单片机(SPCE061A)的组成主要如下图3所示，下面将就各部分与他们外围的器件进行简要的原理分析。图3（1）SPCE061A内部结构图图3（2）SPCE061A内部结构图（1）输入/输出（I/O）接口：“61板”将SPCE061A的32个I/O口全部引出：IOA0~IOA15，IOB0~IOB15，对应的引脚为：A口，41~48、53、54~60；B口，5~1、81~76、68~64。而且该I/O口是可编程的，即可以设置为输入或输出：设置为输入时，分为悬浮输入或非悬浮输入，非悬浮输入又可以设置为上拉输入或是下拉输入；在5V情况下，上拉电阻为150K，下拉电阻为110K；设置为输出时，可以选择同相输出或者反相输出。输入/输出接口（也可简称为I/O端口）是单片机与外设交换信息的通道。输入端口负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。输出端口负责向外界传送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。μ’nSP内有并行和串行两种方式的I/O口。并行口线路成本较高，但是传输速率也较高；与并行口相比，串行端口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。SPCE061A有两个16位的通用并行I/O口：A口和B口。这两个端口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。A口的IOA0~IOA7作为输入端口时，具有唤醒功能，即当输入电平发生变化时，会触发CPU中断。在电池供电、追求低耗电的应用场合，可以让CPU进入睡眠模式（利用软件控制）以降低功耗，需要时才以按键来唤醒CPU，使其进入工作状态。A口又可与ADC的多路LINE_IN输入共用(IOA[6~0]与LINE_IN[1~7]共用，此时IOA必须被设置为悬浮管脚)；B口除了具有普通I/O口的功能外，在特定的管脚上还可以完成一些特殊的功能(参见B口的特殊功能)。（2）音频输入/输出接口：正如我们在前面介绍的“61板”具有强大的语音处理功能，如图3（2）所示，X1是语音的MIC输入端，带自动增益（AGC）控制，J12和J3都是语音输出接口，一个是耳机插孔另一个是两pin的插针外接喇叭，由DAC输出引脚21或22经语音集成放大器SPY0030放大，然后输出，SPY0030是凌阳的芯片，相当于LM386，但是比386音质好，它可以工作在2.4～6.0V范围内，最大输出功率可达700mW（386必须工作在4V以上，而且功率只有100mW）。（3）在线调试器（PROBE）和EZ-PROBE接口：图3（2）中J4为PROBE的接口，该接口有5PIN，其中两个分别是地（VSS）和3.3v电源（VCC），我们就是通过PROBE一端接PC机25针并口，一端连接它来调试、仿真和下载程序的。这样，就不需要再用仿真器和编程器了，只要按图所示将其连接好，就可以通过它在PC机上调试程序，并且在线仿真，最后将程序下载到芯片中，即完成了程序的烧写。图中的J11是EZ-PROBE的接口，我们提供一根转接线用作EZ-PROBE的下载，一端连接PC机的25pin并口，另外一端接“61板”的5pinEZ-PROBE接口，参见图3（2）。（4）电源接口：图3（2）中J10是电源接口，“61板”的内核SPCE061A电压要求为3.3V，而I/O端口的电压可以选择3.3V也可以选择5V。所以，在板子上具有两种工作电压：5V和3.3V。对应的引脚中15、36和7必须为3.3V，对于I/O端口的电压51、52、75可以为3.3V也可以是5V，这两种电平的选择通过跳线J5来选择。“61板”的供电电源系统采用用户多种选择方式：a、DC5V电池供电：用户可以用3节电池来供电，5V直流电压直接通过SPY0029（相当于一般3.3V稳压器）稳压到3.3V，为整个“61”板提供了4.5V和3.3V两种电平的电压。b、DC5V稳压源供电：用户可以直接外接5V的直流稳压源供电，5V电压再通过SPY0029稳压到3.3V。c、DC3V供电：用户可以提供直流3.3V电压为实验板进行供电，此时整个板子只有3.3V电压，I/O端口电压此时只有一种选择。※需要注意的是由于SPY0029最大输出电流为50mA，所以如果需要外接一些模组时要先考虑一下是否合适。（5）外部复位：复位是对“61板”内部的硬件初始化，“61板”本身具有上电复位功能，即只要一通电就自动复位，另外，还具有外部复位电路，即在引脚6上外加一个低电平就可令其复位。如图3（2）中的REST按键。3.2.3SPCE061A最小系统简介本方案使用SPCE061A精简开发板（61板）作为单片机最小系统，61板包括SPCE061A芯片及其外围的基本模块，外围模块包括：晶振输入模块（OSC）、锁相环外围电路（PLL）、复位电路（RESET）、指示灯（LED）等，如下图4所示。图4SPCE061A最小系统本系统，有关SPCE061A单片机的最小系统的各个模块都做在61A板当中，可以查阅61A板的电路原理图。（1）芯片的引脚排列和说明:SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；它的排列如图5所示；另一种为80个引脚，LQFP80封装。它的排列如图6所示。图5SPCE061ALQFP80封装引脚排列图图6SPCE061APLCC84封装引脚排列图图7SPCE061APLCC84实物图在PLCC84封装中，有15个空余脚，用户使用时这15个空余脚悬浮；在LQFP80封装中有9个空余脚，用户使用时这9个空余脚接地。此处以PLCC84封装管脚功能介绍。表2凌阳SPCE061A的管脚功能说明管脚名称管脚编号类型描述IOA[15:8]46~39输入输出IOA[15:8]：双向IO端口IOA[7:0]34~27输入输出IOA[7:0]：通过编程，可设置成唤醒管脚IOA[6:0]：与ADCLine_In输入共用IOB[15:11]IOB10IOB9IOB8IOB7IOB6IOB5IOB4IOB3IOB2IOB1IOB050~545758596061626364656667输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出输入输出IOB[15:11]：双向IO端口。IOB10~0除用作普通的IO端口，还可作为：IOB10：通用异步串行数据发送管脚TxIOB9：TimerB脉宽调制输出管脚BPWMOIOB8：TimerA脉宽调制输出管脚APWMOIOB7：通用异步串行数据接收管脚RxIOB6：双向IO端口IOB5：外部中断源EXT2的反馈管脚IOB4：外部中断源EXT1的反馈管脚IOB3：外部中断源EXT2IOB2：外部中断源EXT1IOB1：串行接口的数据传送管脚IOB0：串行接口的时钟信号DAC112输出DAC1数据输出管脚DAC213输出DAC2数据输出管脚X32I2输入32768Hz晶振输入管脚X32O1输出32768Hz晶振输出管脚VCOIN70输入PLL的RC滤波器连接管脚AGC16输入AGC的控制管脚MICN19输入麦克风负向输入管脚MICP21输入麦克风正向输入管脚V2VREF14输出电压源2.0V产生5mA的驱动电流，可用作外部ADCLine_In通道的最高参考输入电压，不可作为电压源使用MICOUT18输出麦克风1阶放大器输出管脚，管脚外接电阻决定AGC增益倍数OPI17输入麦克风2阶放大器输入管脚VEXTREF23输入ADCLine_In通道的最高参考输入电压管脚VMIC25输出麦克风电源VADREF22输出AD参考电压(由内部ADC产生)VDD5,69输入逻辑电源的正向电压VSS10,26,71输入逻辑电源和IO口的参考地VDDIO37,38,56输入IO端口的正向电压管脚VSSIO35,36,48输入IO端口的参考地AVDD24输入模拟电路（A/D、D/A和2V稳压源）正向电压AVSS15输入模拟电路（A/D、D/A和2V稳压源）参考地RESET68输入低电平有效的复位管脚SLEEP49输出睡眠模式(高电平激活)ICE7输入激活ICE(高电平激活)ICECLK8输入ICE串行接口时钟管脚ICESDA9输入输出ICE串行接口数据管脚TEST3输入测试模式时接高电平，正常模式时接地GND或悬浮ROMT47输入测试闪烁存储器，正常模式时悬浮N/C55输入正常使用时接地N/C4输入正常使用时接地N/C6输入正常使用时接地PFUSE,PVIN【1】20,11输入程序保密设定脚。用户慎重使用。（2）SPCE061A精简开发板:SPCE061A精简开发板（简称61A板），是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发－仿真－实验板，大小相当于一张扑克牌，是“凌阳科技大学计划”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的，也可作为单片机项目初期研发使用。61A板除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分）、复位电路等，采用电池供电，方便学生随身携带,使学生在掌握软件的同时，熟悉单片机硬件的设计制作，锻炼学生的动手能力，也为单片机学习者和开发者创造了一个良好的学习条件和开发新产品的机会。61A板上有调试器接口（Probe接口）以及下载线（EZ_Probe）接口，分别可接凌阳科技的在线调试器、简易下载线，配合μ’nSPIDE，可方便地在板上实现程序的下载、在线仿真调试。下图8为61A板的实物图。图861A板实物图（3）61板上的调试、下载接口模块：SPCE061A的开发可通过在线调试器PROBE来实现，实际上，PROBE既是一个编程器(即程序烧写器)，又是一个实时在线调试器，它可在单片机应用项目的开发过程中替代常用的两种工具。硬件在线实时仿真器和程序烧写器，它利用了SPCE061内置的在线仿真电路ICE(In-CircuitEmulator)和凌阳公司的在线串行编程技术。PROBE可工作于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其5芯的仿真头可直接连接到目标电路板上SPCE061A的相应管脚，并可直接通过目标电路板上的CPU(SPCE061A)来调试并运行用户编制的程序，PROBE的另一头是标准的25针打印机接口，可直接连接到计算机的打印口，它与上位机的通讯可在计算机IDE集成开发环境软件包下完成。图9所示是计算机、PROBE、用户目标板三者之间在线调试时的外围连线接口电路。图9用户目标板、PROBE、计算机三者之间的连接（4）应用领域：·语音识别类产品；·仪器仪表；·家电产品；·自动售货机；·智能语音交互式玩具；·高级亦教亦乐类玩具；·儿童电子故事书类产品；·通用语音合成器类产品；·需较长语音持续时间类产品。3.2.4SPCE061A的内部硬件结构简介SPCE061A芯片内部集成了ICE(在线实时仿真/除错器)、FLASH(闪存)、SRAM(静态内存)、通用I/O端口、定时器/计数器、中断控制、CPU时钟锁相环(PLL)、ADC(模拟数字转换器)、DAC(数字模拟转换器)输出、UART(通用异步串行输入输出接口)、SIO(串行输入输出接口)、低电压监测/低电压复位等模块。（1）CUP：SPCE061A配备了凌阳科技开发的最新的16位微处理器μ’nSP™。它内含有8个寄存器：4个通用寄存器R1~R4，1个程序计数器PC，1个堆栈指针SP，1个基址指针BP和1个段寄存器SR。通用寄存器R3和R4结合形成一个32位寄存器MR，MR可被用作乘法运算和内积运算的目标寄存器。此外，SPCE061A有3个FIQ中断和14个IRQ中断，并且带有一个由指令BREAK控制的软中断。μ’nSP™不仅可以进行加、减等基本算术运算和逻辑运算，还可以完成用于数字信号处理的乘法运算和内积运算。（2）存储器映象：a，SRAM:SPCE061A有2K字的SRAM(包括堆栈区)，其地址范围从0x0000到0x07FF。前64个字，即0x0000~0x003F地址范围内，可采用6位地址直接地址寻址方法，存取速度为2个CPU时钟周期；其余范围内(0x0040~0x07FF)内存的存取速度则为3个CPU时钟周期。b，闪存FlashROM:32K字的内嵌式闪存用于存放程序和数据，全部32K字闪存均可在ICE工作方式下被编程写入或被擦除，对闪存设置保密设定后，其内容将不能再通过ICE被读写，也就可以使程序不被其他人读取。（3）SPCE061A的输入/输出接口：输入/输出接口（也可简称为I/O端口）是单片机与外设交换信息的通道。输入端口负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。输出端口负责向外界传送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。μ’nSP内有并行和串行两种方式的I/O口。并行口线路成本较高，但是传输速率也较高；与并行口相比，串行端口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。SPCE061A有两个16位的通用并行I/O口：A口和B口。这两个端口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。A口的IOA0~IOA7作为输入端口时，具有唤醒功能，即当输入电平发生变化时，会触发CPU中断。在电池供电、追求低耗电的应用场合，可以让CPU进入睡眠模式（利用软件控制）以降低功耗，需要时才以按键来唤醒CPU，使其进入工作状态。例如：手持遥控器、电子字典、PDA、计算器、无线电话等。（4）PLL锁相环(PhaseLockLoop)：PLL锁相环的作用是将系统提供的实时时钟基频(32768Hz)进行倍频，调整至49.152MHz、40.96MHz、32.768MHz、24.576MHz或20.480MHz。系统预设的PLL振荡频率为24.576MHz。（5）系统时钟：32768Hz的实时时钟经过PLL倍频电路以后，产生系统时钟频率Fosc，Fosc再经过分频得到CPU时钟频率(CPUCLK)，可通过设定P_SystemClock(写)(7013H)单元来控制。预设的Fosc、CPUCLK分别为24.576MHz和Fosc/8。用户可以通过对P_SystemClock单元编程完成对系统时钟和CPU时钟频率的定义。此外，32768HzRTC振荡器有两种工作方式：强振模式和自动弱振模式。处于强振模式时，RTC振荡器始终运行在高耗能的状态下。处于自动弱振模式时，系统在上电复位(poweronreset)后的前7.5秒内处于强振模式，然后自动切换到弱振模式以降低功耗。CPU被唤醒后预设的时钟频率为Fosc/8，用户可以根据需要调整该值。（6）时间基准信号：时间基准信号，简称时基信号，来自于32768H实时时钟，通过频率选择组合而成。时基信号产生器的频率选择TMB1，为TimerA的时钟来源B提供了各种频率选择信号，并为中断系统提供中断源(IRQ6)信号。此外，时基信号产生器还可以通过分频产生2Hz、4Hz、1024Hz、2048Hz以及4096Hz的时基信号，为中断系统提供各种实时中断源(IRQ4和IRQ5)信号。（7）Timer定时器/计数器：SPCE061A提供了两个16位的计时/计数器：TimerA和TimerB。TimerA为通用计数器；TimerB为多功能计数器。TimerA的时钟源由时钟源A和时钟源B进行“与”操作而形成；TimerB的时钟源仅为时钟源C。定时器发生溢出后，会产生一个溢出信号(TAOUT/TBOUT)，它会传送到CPU中断系统以产生定时器中断信号；此外，定时器溢出信号还可以用于触发ADC输入的自动转换过程，和DAC输出的数据锁存。（8）睡眠与唤醒：睡眠：IC在上电复位后就开始工作，直到接收到睡眠信号，才关闭系统时钟(PLL振荡器)，进入睡眠状态。用户可以通过对P_SystemClock(读)(7013H)单元写入CPUClkSTOP控制字(CPU睡眠信号)使系统从运行状态转入备用状态。系统进入睡眠状态后，程序计数器(PC)会停在程序的下一条指令计数上，当有任一唤醒事件发生后，由此继续执行程序。唤醒：系统接收到唤醒信号后会接通系统时钟(PLL振荡器)，同时CPU会响应唤醒事件的处理并进行初始化。IRQ3_KEY为触键唤醒来源(IOA7~0)，其它中断信号(FIQ、IRQ1~IRQ6及UARTIRQ)都可以作为唤醒来源。唤醒操作完成后，将会由进入睡眠状态时的断点处，继续执行程序。CPU需要200μs的时间才能完成唤醒的动作，所以睡眠/唤醒的频率请勿超过5KHz，超过这个频率的话，CPU将无法进入睡眠模式。关于触键唤醒源，请可参考端口A的结构。（9）模拟数字转换器ADC：ADC的控制：SPCE061A有8个10位ADC通道，其中一个通道(MIC_In)用于语音输入，模拟信号经过自动增益控制器和放大器放大后进行A/D转换。其余7个通道(Line_In)和IOA[0~6]引脚共享，可以将输入的模拟信号(如电压信号)转换为数字信号。SPCE061A的A/D转换范围是整个输入范围，即0V~AVdd。无效的A/D模拟信号(超过VDD+0.3V或是低于VSS–0.3V)将影响转换电路的工作范围，从而降低ADC的性能。由于Line_In通道和IOA[0~6]共享引脚，建议用户选择其它的IO引脚（非IOA[0~6]），以避免由于无效的IO信号造成电压不稳(超过VDDIO+0.7V或低于VSSIO–0.7V)而降低ADC的性能。MIC_IN通道方式ADC的范围：MIC_In通道方式的ADC，其最大参考电压可达AVDD，即来自MIC_In通道的模拟信号的电压范围从0V到AVDD。信号从MIC_In引脚输入，经过寄存器后被放大。放大器的增益倍数可以通过外部电路进行调整。然后AGC把MIC_In信号控制在指定的范围内。LINE_IN模式的ADC操作：SPCE061A提供7个Line_In通道，它们与IOA[6:0]共享7个引脚。如果把这七个引脚当作Line_In通道，用户必须首先把相对应的IOA引脚设置为“输入”。注意：由于IO口带有内部上拉和下拉输入电阻，这会影响外部Line_In信号的电平。所以，IOA[6:0]最好被设置成悬浮的输入端口，用于Line_In通道输入。在ADC自动方式被启用后，会产生出一个启动信号，即RDY=0。此时，DAC0的电压模拟量输出值与外部的电压模拟量输入值进行比较，以尽快找出外部电压模拟量的数字量输出值。（10）低电压监测/低电压复位(LVD/LVR)：SPCE061A可通过编程来启用低电压监测和低电压复位功能，可对系统的电源电压进行监控，使系统能运行在一个正常、可靠的工作环境，一旦出现电源异常的情况，能立即采取相对应的措施，使系统及时恢复正常。低电压监测LVD(LowVoltageDetect)：低电压监测功能可以提供系统内电源电压的使用情况。如果系统电压Vcc低于用户设定的低限电压VLVD，P_LVD_Ctrl单元的第15位(LVD监测标志位)将被置为“1”；反之，当Vcc>VLVD时，该位被置为“0”。SPCE061A具有3级可编程低限电压：2.4V、2.8V、和3.2V，通过对P_LVD_Ctrl单元编程来进行控制。假定VLVD=3.2V，当系统电压Vcc低于3.2V时，P_LVD_Ctrl单元的第15位会被置为“1”。系统预设的低限电压为2.4V。低电压复位LVR(LowVoltageReset)：通过某种方式，使单片机内存各寄存器的值变为初始的操作称为复位(reset)。SPCE061A复位电路如图10所示，在RESB端加上一个低电平就可令其复位。该电路具有手动和上电复位两种功能。图10复位电路（11）DAC方式音频输出：SPCE061A为音频输出提供两个DAC通道：DAC1和DAC2，分别由经由DAC1和DAC2引脚输出。DAC的输出范围从0x0000到0xFFFF。如果DAC的输出数据被处理成PCM数据，必须让DAC输出数据的直流电位保持为0x8000，且仅有高10位的数据有作用。DAC1和DAC2的输出数据应写入P_DAC1(写)($7017)和P_DAC2(写)($7016)单元。上电复位后，两个DAC均被自动打开，此时会消耗少量的电流(几毫安)。所以如不需要用它们，尽量将P_DAC_Ctrl(写)($702AH)单元的第1位设为‘1’，关闭DAC输出。DAC的直流电压必须保证平稳地变化。否则会由于电压的突变引起扬声器产生杂音。采用rampup/down技术，可以减缓电压变化的幅度，从而输出高品质的音频数据。它的应用场合包括：被唤醒/上电复位后首次使用DAC时，上电复位功能被关闭/进入睡眠状态之前。（12）串行设备输入输出口(SIO)：串行输出入端口SIO提供了一个1位的串行接口，用于与其它设备进行数据通讯。在SPCE061A内通过IOB0和IOB1这2个口来实现与设备进行串行交换数据的功能。其中，IOB0用来作为时钟口(SCK)，IOB1则用来作为数据端口(SDA)，用于串行数据的接收或发送。参见IOB端口的特殊功能。（13）通用异步串行接口UART：UART模块提供了一个全双工标准接口，用于SPCE061A与外设之间的串行通讯。借助于IOB端口的特殊功能和UARTIRQ中断，可以同时完成UART接口的接收与发送过程。此外，UART还可以通过缓冲来接收数据。也就是说，它可以在寄存器数据被读取之前就开始接收新的数据。但是，如果新接收的数据被送进寄存器之前，寄存器内的旧数据还未被读走，就会发生数据遗失。P_UART_Data(7023H)(读/写)单元可以用于接收和发送缓冲数据，向该单元写入数据，可以将要发送的数据送入寄存器；从该单元读取，可以从寄存器读出数据字节。UART模块的接收引脚Rx和发送引脚Tx，分别与IOB7和IOB10共享。（14）保密设定：如果希望将内部的闪存进行保密设定，可将PFUSE接5V，PVIN接GND并维持1秒以上，即可将内部保险丝熔化，此后就无法再完成read，download和debug等功能。因此使用保密功能过程中一定要慎重。（15）看门狗计数器（WatchDog）：凌阳单片机(SPCE061A)集成WatchDog功能，在传感器初始化时设置看门狗,并且将其设置数据保存在EEPROM中，这样可显著提高整个系统的可靠性，并且最大限度地节省系统资源。WatchDog是用来监视系统的正常运作。当系统正常运行时，每隔一定的周期就必须清除WatchDog计数器。如果在限定的时间内，WatchDog计数器没有被清除，CPU就会认为系统已经无法正常工作，将会进行系统复位(reset)。SPCE061A的WatchDog的清除时间周期为0.75秒。因为WatchDog的溢出复位信号WatchDog_Reset是由4Hz时基信号经4分频之后产生的，即每4个4Hz时基信号(1秒)将会产生一个WatchDog_Reset信号，如图11所示。图11WatchDog的结构和信号时序SPCE061A分成两种版本：有WatchDog功能，以及无WatchDog功能的版本。对于有WatchDog的版本，WatchDog功能是上电时自动启动，不能被关闭。因此用户使用时，注意要在0.75秒内，进行清除WatchDog的操作。3.2.5SPCE061A部分模块电路（1）音频放大输出模块:凌阳的SPCE061A是16位单片机，具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达到49M，具备运算速度高的优势等等，这为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。另外SPCE061A单片机具有32k闪存，事先把所需要的语音信号录制好，整个语音信号经凌阳SACM_S480压缩算法压缩只占有13.2K存储空间，对凌阳SPCE061A单片机的存储系统来说绰绰有余。凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，经LM396音频放大，即可驱动喇叭放音，放大电路如图12（只列出了DAC1，DAC2类似)。在DAC1、DAC2后面接一个简单的音频放大电路和喇叭就能实现语音播报功能，这为单片机的音频设计提供了极大方便，音频的具体功能主要通过程序来实现。语音播报测量结果，当测试结果显示相对较稳定后开始播报测试结果。图12音频放大输出电路SPY0030是凌阳公司开发的专门用于语音信号放大的芯片，它的增益如下所示：Gain=2*5000/(5000+R1)式（3-1）图13SPY0030工作原理图表3SPY0030管脚说明管脚表示类型（O输出、I输入）描述1SPNO音频输出负端2SPPO音频输出正端3VSSI地4INNI音频输入负端5ACINI音频输入正端6VREFO参考电压7CEI芯片使能端8VDDI电源（2）音频输入模块:如下图所示电路，MICP和MICN将随着MIC产生的波形变化，并在两个端口处形成两路反相的波形，再经过两级运放放大，把放大的语音信号交给ADC转换为数字量，这个时候我们就可以通过单片机编程对这些数据进行处理，比如说语音数据压缩、语音识别样本处理。主要由Microphone、AGC电路、ADC电路构成。图14是音频录入电路。因为SPCE061A内置了AGC电路和ADC电路，所以实现音频录入的外围电路变得如此简单。这部分电路与SPCE061A的连接是这样的：AGC接音频录入AGC引脚（25脚），OPI接Microphone的第二运放输入脚（26脚），MICOUT接Microphone的第一运放输出脚（27脚），MICN接Microphone的负向输入脚（28脚），MICP接Microphone正向输入脚（33脚），VCM接ADC参考电压输出脚（34脚），VMIC接Microphone电源（37脚）。语音信号经Microphone转换成电信号，由隔直电容隔掉直流成分，然后输入至SPCE061A内部前置放大器。SPCE061A内部自动增益控制电路AGC能随时跟踪、监视前置放大器输出的音频信号电平，当输入信号增大时，AGC电路自动减小放大器的增益；当输入信号减小时，AGC电路自动增大放大器的增益，以便使进入A/D的信号保持在最佳电平，又可使削波减至最小。图14音频输入电路（3）按键模块:按键是通过通断控制来实现它的功能，61A板上的按键在没按下时，它的1、3脚是断开的，当按下时这两个脚是连通的。若此时我们在1脚接一个高电平，把第三脚连到一个I/O口上，这就形成了一个人机操作界面，通过编程对I/O扫描，单片机就能识别到我们的按键命令。图15按键电路通过三个按实现语音播放、停止、暂停功能。KEY1：语音播放按键，按下该键，会有语音播放。KEY2：语音停止播放按键，按下该键，正在播放的语音停止。KEY3：语音暂停播放按键，按下该键，正在播放的语音暂停。（4）晶振模块:石英晶体的主要特征是它具有压电效应，既在晶体的两个电极上加交流电压时，晶体就会产生机械振动，而这种机械振动反过来又会产生交流电压时，晶体就会产生交流电场，在电极上出现交流电压。如果外加交流电压的频率与晶片本身的固有振动频率相等，则机械振动的振幅和它产生的交流电压的幅值都会显著增大，这种现象称为压电谐振，称该晶体为石英晶体振荡器，或简称晶振。石英晶体的符号表示见图16中的Y1部分，目前市场晶体都是标准的频率，如：32768Hz、6MHz、3MHz等等，图15中采用的是32768Hz，其中的谐振电容分别是C14(20P)、C15(20P)，在这里OSC部分的作用就是作为CPU时钟的振源，具体的过程示意图见图14所示。图16晶振电路（5）指示灯模块:POWER-VDD为5v&3V供电电源,Power-D1电源指示灯,Sleep-D2睡眠指示灯，LED指示灯电路如图17所示。图17指示灯电路（6）电源模块:SPCE061A的内核供电为3.3V，而I/O端口可接3.3V也可以接5V，所以在电源模块（61板上）中有一个端口电平选择跳线，如图中的J5，下图18为61A板上的电源电路图。图18电源电路图18是电源部分的电路，5V直流电压经过SPY0029后给整个系统供电。SPY0029是凌阳公司设计的电压调整IC，采用CMOS工艺。SPY0029具有静态电流低、驱动能力强、线性调整出色等特点。图中的VDDH为SPCE061A的I/O电平参考，接SPCE061A的51脚，这种接法使得I/O输入输出高电平为3.3V；VDDP为PLL锁相环电源，接SPCE061A的7脚；VDD和VDDA为数字电源，分别接SPCE061A的15脚和36脚；AVSS1是模拟地，接SPCE061A的24脚；VSS是数字地，接SPCE061A的38脚；AVSS2接音频输出电路的AVSS2。（7）程序下载模块下图介绍的是PROBE下载线的电路原理图。其中PROBE就是在线调试器主要是为凌阳十六位单片机（包括PCE061A）提供在线编程、仿真和调试使用的工具。该调试器一端接在PC机的并口上，另一端接在开发系统的ICE端口上（J4口）。在凌阳十六位单片机的集成开发环境上就可以实现在线编程、仿真和调试，见图19。图19PROBE电路原理图

4瓦斯传感器的硬件设计凌阳单片机技术分为硬件和软件两部分。煤矿安全仪表从使用功能上分为手持式检测仪表、固定式检测仪表、监控仪器等。手持式检测仪表用电池供电，检测一种或相近几种环境参数，如便携式一氧化碳检定器、便携式甲烷检定器、便携式多用仪（可测氧气、一氧化碳、温度等），该类仪器从功能上比较简单，主要包括检测放大电路、I/0、转换电路、显示驱动电路、声光报警电路及其它辅助控制电路等。固定式检测仪表大多采用外输入电源，由电源箱提供直流本安电源。该类仪器除具备手持式仪器的基本功能外，还必须有检测信号输出的功能。监测监控仪器是采集环境或工作的参数，根据这些参数的变化以控制生产设备安全运行，预防井下事故的发生，并降低事故的危害程度。4.1技术要求和功能4.1.1技术要求工作原理：催化燃烧；

检测气体：甲烷气体；使用环境：温度0~40℃，湿度≤98%，气压86~115kPa，风速0~8m/s；测量范围：0～4％CH4；允许误差：0.00～1.00%CH4≤±0.10%CH4>1.00～2.00%CH4≤±0.20%CH42.00～4.00%CH4≤±0.30%CH4报警设定：1.00%CH4；报警方式：声光报警；

报警误差：±0.01％CH4；响应时间：≤30s；电源电压：12~24VDC(矿用本安电源供电)；工作电流：<63mA；输出信号：200~1000Hz方波信号；传输距离：≥1500m。4.1.2实现的功能1、LCM1602B可以实时显示矿井下瓦斯的浓度值；2、利用按键控制语音播报瓦斯的浓度值；3、当矿井下瓦斯浓度超限时进行声光报警；4.2硬件系统组成框图设计矿用瓦斯传感器是矿用连续检测矿井下瓦斯浓度的高精度仪表，该传感器能够实时地测量并且显示矿井下的瓦斯浓度，而且根据浓度值是否超限产生声光报警信号，并且输出与瓦斯浓度相对应的模拟信号等功能。传感器能在具有瓦斯、煤尘爆炸的矿井内，对煤层自燃发火、机电设备、运输胶带事故等多种因数可能引发火灾和爆炸事故进行早期的预测和预报。瓦斯传感器与凌阳单片机最小系统、声光报警电路、液晶显示电路、语音播报电路和串行通信电路相配合，组成一个功能完善的瓦斯监测监控仪器。瓦斯传感器是该监测监控仪器中的核心检测元件，当瓦斯气体进入瓦斯传感器时，在黑件表面进行催化氧化，放出热量，使其温度升高、电阻升高，而白件电阻值不变，此时桥路不平衡，输出的信号与瓦斯气体含量成正比。当气体浓度发生变化时，瓦斯传感器的输出电流也随之成正比变化，经运放电路转换放大输出，进入凌阳单片机(SPCE061A)进行模/数转换，完成液晶LCM1602B显示、语音播报、超限声光报警和上位机曲线显示等功能，与相应的控制装置一同构成了矿井下环境检测或监测监控系统。本瓦斯传感器系统主要是由检测电桥、运放电路及凌阳单片机(SPCE061A)系统、超限声光报警电路、液晶显示电路、语音播报电路和一个串行通信系统等组成，如图20所示硬件系统组成框图。整个系统的信号工作流程，首先通过瓦斯传感器采集现场的瓦斯浓度数据，然后经过运算放大电路把采集到的瓦斯数据进行适当的处理,转换成凌阳单片机（SPCE061A）所需要的0~3.3V电压信号，凌阳单片机（SPCE061A）通过自身集成的8路A/D转换器将采集到的瓦斯数据进行A/D转换后再处理；利用LCM1602B显示当前现场的瓦斯浓度，利用凌阳单片机强大的语音编辑功能定时播报当前的瓦斯浓度，同时设置越限(当前瓦斯浓度超过一定限度时)声光报警和上位机曲线显示等功能。现场瓦斯数据现场瓦斯数据瓦斯探头运放电路凌阳单片机LCD显示瓦斯浓度语音播报当前瓦斯浓度声光报警电路串口通信电路上位机曲线显示图20硬件系统组成框图4.3单片机最小系统的设计本设计使用SPCE061A精简开发板（61板）作为单片机最小系统，61板包括SPCE061A芯片及其外围的基本模块，外围模块包括：晶振输入模块（OSC）、锁相环外围电路（PLL）、复位电路（RESET）、指示灯（LED）等，详细的介绍另见3.2。4.4瓦斯传感器电路设计瓦斯传感器电路原理图如图21所示，是由两个传感器敏感元件和两支固定电阻组成的惠斯通电桥。敏感元件即在0.01~0.08mm的铂金丝绕制的线圈上烧结AL2O3载体，在其表面浸涂铂族金属催化剂（经物化过程形成理想的催化层），成为检测元件