基于AVR單片機(jī)的煤礦傳感器設(shè)計(jì)
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3.1 89系列單片機(jī)的弊端
89系列單片機(jī)采用CISC(復(fù)雜指令系統(tǒng))結(jié)構(gòu)。復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是要用最少的機(jī)器語言指令來完成所需的計(jì)算任務(wù)。但這種架構(gòu)造成CPU結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和對(duì)CPU工藝的要求。
由于89系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；使其集成度相對(duì)較低，如片內(nèi)集成FLASH ROM較少、無E2PROM、無看門狗電路等，導(dǎo)致開發(fā)產(chǎn)品可能存在以下問題：
(1)運(yùn)行速度降低
89系列單片機(jī)采用復(fù)雜指令系統(tǒng)，使其程序的運(yùn)行效率降低，同時(shí)程序的復(fù)雜也導(dǎo)致存儲(chǔ)程序的FLASHRAM加大，甚至可能采用擴(kuò)充存儲(chǔ)器。
(2)故障率加大
89系列單片機(jī)需增加的外圍電路，使電路的復(fù)雜性增加，故障率加大。
(3)升級(jí)不方便
通常89系列單片機(jī)程序的寫入需要專用的編程器，升級(jí)程序不方便。
3.2 AVR單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
由于89系列單片機(jī)的固有缺點(diǎn)，所以采用RISC(精簡指令系統(tǒng))的單片機(jī)越來越受到青睞，并大有取代89系列單片機(jī)的趨勢(shì)。目前采用精簡指令系統(tǒng)的單片機(jī)主要有Atmel公司的AVR系列單片機(jī)與MICRO-CHIP公司的PIC系列單片機(jī)。Atmel公司的AVR單片機(jī)是1997年由Atmel公司研發(fā)的基于RISC技術(shù)的高速8位單片機(jī)，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：
(1)高性能
AVR單片機(jī)采用HARVARD結(jié)構(gòu)，指令為16位，執(zhí)行指令與取指令同時(shí)進(jìn)行，每1個(gè)時(shí)鐘周期可執(zhí)行1條指令，其運(yùn)行速度是復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的15～20倍。
(2)內(nèi)置FLASH存儲(chǔ)器
AVR單片機(jī)內(nèi)置的FALSH存儲(chǔ)器從1～128 kB都有，可根據(jù)需要選擇不同的芯片并可以擴(kuò)充。FALSH可寫次數(shù)達(dá)10 000次以上。
(3)內(nèi)置多種外圍電路
AVR單片機(jī)內(nèi)置獨(dú)立的看門狗、A／D轉(zhuǎn)換、E2PROM、PWM輸出、上電自動(dòng)復(fù)位等電路，應(yīng)用AVR單片機(jī)大大簡化了外圍電路，提高了電路的可靠性。
(4)具有SPI編程功能
SPI編程功能使更新AVR程序僅僅需要幾根線即可，省去了撥下芯片的麻煩，避免了更新程序時(shí)損壞單片機(jī)的可能性。
由以上對(duì)比可以看出，使用AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)煤礦傳感器，將大大降低其外圍電路的復(fù)雜性，并提高電路可靠性，使其成為煤礦傳感器升級(jí)換代的首選。
4 使用AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)的礦用傳感器
AVR單片機(jī)共分為Tiny，At90s，Atmega三個(gè)檔次。根據(jù)需求，此處決定采用Atmega8L作為主芯片。AtmegaSL最高8 MHz工作頻率，工作電壓2.7～5.5 V，有8 kB的Flashrom，1 kB的RAM，512 kB的E2PROM，8路10位A／D轉(zhuǎn)換，能滿足應(yīng)用需要，其電路原理框圖如圖2所示。
傳感器核心控制單元采用Atmega8L-8AU單片機(jī)，PB口的PB3，PB4配置為SPI下載線接口，并與外殼上的接口相連，用于程序更改與升級(jí)。PB口PB1配置為聲光報(bào)警輸出，以用于檢測(cè)值超過設(shè)定值后報(bào)警。PC口的PC0配置為A／D轉(zhuǎn)換輸入口。由于輸入信號(hào)幅度較小，故在電路中加入1級(jí)由LM358構(gòu)成的放大電路。PC口的PC2配置為紅外線接收口，用于接收遙控板送來的信息。PD口用于4位數(shù)碼顯示。
特別注意的是，在硬件設(shè)計(jì)上，為降低A／D轉(zhuǎn)換噪聲，需要在AVCC引腳連接A／D轉(zhuǎn)換專用電源。并且由于AVR芯片內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換參考電壓不夠穩(wěn)定，故在其Aref引腳配置由精密穩(wěn)壓集成電路TL431構(gòu)成的參考電壓，以保證A／D轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。目前正在應(yīng)用的煤礦傳感器的軟件系統(tǒng)經(jīng)過幾年的使用與改進(jìn)，軟件系統(tǒng)已漸趨成熟，加之AVR單片機(jī)支持C語言，所以不需要重新開發(fā)新的軟件系統(tǒng)，僅對(duì)原有的煤礦傳感器的軟件系統(tǒng)作簡單的改變即可移植到以AVR為核心的傳感器上，改進(jìn)成本低，轉(zhuǎn)變?nèi)菀住?BR>
使用AVR設(shè)計(jì)煤礦傳感器外圍元件少、結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高、成本低(每片Atmega8單片機(jī)售價(jià)不足10元)。同時(shí)AVR芯片在設(shè)計(jì)時(shí)即考慮了其安全性，只需簡單配置即可達(dá)到保密的作用，無需在軟加密上多下功夫，有效地保護(hù)了自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。所以AVR單片機(jī)是設(shè)計(jì)礦用傳感器部件的首選。
評(píng)論