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: Design of gas Sensor Based on MCU (Hardware)

Specialty: Automation

Name: **(Signature）＿＿＿＿Instructor: ** (Signature）＿＿＿＿

ABSTRACT

The gas transd ucer p lays a key ro le in the density measuring o f mine gas. This subject is based o n Sunp lus MCU which is the issue at the core microco ntro ller design o f co ncentratio n o f the gas detectio n and mo nito ring equip ment. O n understand ing the research and design o f the status q uo o n this sub ject and the p urpo se and significance o f t he fo undatio n,we design this gas sensor thro ugh research and S unp lus MC U p rincip les and p erfo rmance. Based o n the design o f the microco ntro ller S unp lus gas senso r, the design can achieve the req uired functio nality. The system co nsists o f S unp lus SPCE061A, gas detectio n circuit, a LCD d isp lay circuit, so und, light, alarm circuits. B ase o n S unp lus SPCE061A,it co nstitutes a core with data acq uisitio n, co ntro l o bject and the results showed that functio ns o f a co mp lete system.

The system co mp letes the functio n o f vo ice alarm that the past gas mo nitoring device can not be achieved. Moreo ver, there are eight-channel A / D conversio n and large-capacity ROM and RAM in the internal o f SPC E061A, witho ut external expansio n circuit, simp le hardware circuit structure a nd easy maintenance. I n a ctual use, this system op erates stab ility,and with high efficiency. It can achieve the exp ected design req uirements.

KEY WORDS：Sunp lus MC U, gas co ncentratio n, senso rs

目录

1 绪论 (1)

1.1 课题提出的必要性和国内外现状 (1)

1.2 煤矿监测系统概述 (2)

1.3 矿井瓦斯的产生及危害 (3)

1.4 基于凌阳单片机的瓦斯传感器的工作原理 (4)

1.5 本文研究的目的和意义 (5)

2 瓦斯传感器概述 (6)

2.1 热导式瓦斯传感器 (6)

2.2 热效式瓦斯传感器 (6)

2.3 催化燃烧式瓦斯传感器工作原理 (6)

2.3.1 催化燃烧式瓦斯传感器的特点 (7)

2.3.2催化燃烧式瓦斯传感器的结构原理 (7)

2.3.3催化燃烧式传感器指示刻度 (8)

2.3.4催化燃烧式瓦斯传感器的中毒和寿命 (9)

3 SPCE061A的系统概述 (10)

3.1 单片机的选择 (10)

3.2 SPCE061A的简介 (11)

3.2.1 SPCE061A的主要性能如下 (11)

3.2.2 SPCE061A的内部结构框图 (12)

3.2.3 SPCE061A最小系统简介 (15)

3.2.4 SPCE061A的内部硬件结构简介 (21)

3.2.5 SPCE061A部分模块电路 (27)

4 瓦斯传感器的硬件设计 (33)

4.1 技术要求和功能 (33)

4.1.1 技术要求 (33)

4.1.2 实现的功能 (34)

4.2 硬件系统组成框图设计 (34)

4.3 单片机最小系统的设计 (35)

4.4 瓦斯传感器电路设计 (35)

4.5 模拟电压信号电路的设计 (36)

4.6 串行通信电路的设计 (37)

4.7 超限声光报警电路的设计 (38)

4.8 LCM1602B液晶显示电路设计 (39)

5 瓦斯传感器的软件设计 (42)

6 系统调试 (44)

6.1 静态调试 (44)

6.2 动态调试 (45)

7 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 (52)

1 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. 3 V 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> 1 w; 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 <±0.2 150~180 320~350 10 BD-12 载体催化0~3 <±0.1 300 300~450 20 AYJ-2 热催化0~4 <±0.3 320~360 300~450 15 BW 铂丝催化0~4 <±0.2 875 850~950 17 CKA-678P 热导式10~100 <±0.1 180 180 0.2

2.3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（%LE L）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200 mA ～300 mA，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、P b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。

3 SPCE061A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（SunP lus）推出的一款SPC E061A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2K B RAM、32KB F lash、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，SPC E061A里只内嵌32K字的闪存FLASH ROM。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SPC E500A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。SPC E061A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（SP Y0030A）即可完成语音的播放，SPC E061A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。SPC E061A片内还集成了一个IC E （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IC E 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’nSP IDE）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。

3.2 SPCE061A的简介

3.2.1 SPCE061A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32K F LAS H；

■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P LL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S ACM_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-Circuit Emulator）；

■具有保密能力；

■具有WatchDog功能（由具体型号决定）。

3.2.2 SPCE061A的内部结构框图

单片机也称单片微控制器（single chip microco ntro ller）,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~IO B15，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LIN E_IN输入共用(IOA[6~0]与

LIN E_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p in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（P ROBE）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-PRO BE的下载，一端连接PC机的25pin并口，另外一端接“61板”的5p in EZ-P ROBE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。

3.2.3 SPCE061A最小系统简介

本方案使用SPC E061A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（RES ET）、指示灯（LED）等，如下图4所示。

图4 SPCE061A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:SPC E061A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5 SPCE061ALQFP80封装引脚排列图

图6 SPCE061AP LCC84封装引脚排列图