PCF8591工作原理及與單片機通信代碼設計

摘" 要：該文以STC15W1K24S單片機為核心控制器，分析PCF8591的工作原理，并以單片機采集氣敏傳感器的氣體濃度為例，設計一個氣體濃度監測自動控制系統，給出單片機和PCF8591之間通信的代碼。設計代碼在實際設備上經過驗證，可以正確采集到氣敏傳感器的氣體濃度。

關鍵詞：PCF8591;通信;代碼設計;STC15W1K24S單片機;傳感器

中圖分類號：TN911" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）26-0125-04

Abstract： In this paper， taking STC15W1K24S single chip microcomputer as the core controller， the working principle of PCF8591 is analyzed;with the gas concentration of gas sensor collected by single chip microcomputer as an example， an automatic control system for gas concentration monitoring is designed; and the communication code between single chip microcomputer and PCF8591 is given. The design code has been verified in the actual equipment， and the gas concentration of the gas sensor can be collected correctly.

Keywords： PCF8591; communication; code design; STC15W1K24S single chip microcomputer; sensor

PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗和8位的互補金屬氧化物半導體（CMOS）數據轉換器件，廣泛使用在需要進行A/D轉換的場合。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出、1個串行I2C總線接口。PCF8591有3個地址引腳A0、A1、A2，可用于硬件地址編程，允許在同一個I2C總線上接入8個PCF8591器件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制、數據信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。

1" PCF8591工作原理介紹

PCF8591是一款8位的具有I2C總線接口的A/D和D/A數據轉換器，其具有4路模擬信號輸入通道、1路模擬信號輸出通道。PCF8591芯片可以通過管腳上的A0、A1、A2來配置芯片的硬件地址，因此在一根I2C總線上最多可同時連接8個PCF8591芯片。主機與芯片之間的地址信息、控制信息、數據信息都是通過I2C總線通信來實現的。PCF8591芯片的引腳定義及芯片封裝如圖1、表1所示。

一根I2C總線上可以掛接8個PCF8591芯片，因此對PCF8591進行讀寫操作時要提供PCF8591的地址。PCF8591芯片的地址設置格式如圖2所示。

圖2中8位地址中前4位為固定值1001，后4位為可編程部分，其中A2、A1、A0是可配置地址位，最后一位為讀寫方向位，當進行讀操作時，此位為1，進行寫操作時，此位為0。本設計中A2、A1、A0均接地，因此進行讀操作時的地址為0X91，進行寫操作時的地址為0X90。

PCF8591進行ADC轉換時，需要通過控制寄存器設置ADC的工作模式。PCF8591的控制寄存器及寄存器功能說明如圖3、表2所示。

PCF8591進行A/D轉換時，先由主機通過I2C總線發送起始信號;接著主機向PCF8591寫地址信號，PCF8591發送應答信號;然后主機發送控制字節數據，使能模擬輸出控制位，選擇模擬量輸入方式，設置轉換通道，PCF8591給出應答信號;接著主機重新發送I2C起始信號，主機發送地址信號，方向為“讀”，PCF8591給出應答信號;最后讀取轉換數據，主機發送停止信號并返回。

2" 系統硬件環境搭建

在本實驗系統中，用到的硬件設備有氣敏傳感模塊、功能擴展模塊、STC15W1K24S單片機開發模塊、LCD12864顯示模塊、繼電器模塊和風扇模塊，其中功能擴展模塊集成了PCF8591芯片，具有數/模和模/數轉換功能。本系統實現的功能為STC15W1K24S單片機開發模塊采集氣敏傳感器的氣體濃度，氣敏傳感模塊的氣體濃度輸出為模擬量，通過功能擴展模塊將模擬量轉換為數字量，并通過I2C通信接口將數據傳輸給單片機，當氣體濃度超過閾值時，單片機控制風扇打開，當氣體濃度小于閾值時，單片機控制風扇關閉。氣體濃度及風扇的開關狀態可以在LCD12864顯示模塊上顯示，系統硬件框圖如圖4所示。

氣敏傳感模塊利用半導體氣敏傳感器的特性測量氣體濃度，并將氣體濃度轉換為模擬量輸出，此模擬量需要通過功能擴展模塊將模擬量轉換為數字量，再送由單片機處理。氣敏傳感模塊輸出的模擬量連接功能擴展模塊的AD1（也即PCF8591芯片的通道0），經過模/數轉換后的數據由I2C通信接口輸出，I2C通信接口的SCL串行時鐘輸入端和SDA串行數據輸出端分別連接單片機的P36和P37引腳。單片機通過P16引腳控制繼電器模塊，當單片機通過P16引腳輸出高電平時，繼電器得電吸合，風扇開啟;當單片機控制P16引腳輸出低電平時，繼電器斷電釋放，風扇關閉。風扇的工作電壓為12 V。

3" PCF8591與單片機通信代碼設計

采集氣敏傳感器的氣體濃度時，從PCF8591的0通道采集，進行模/數轉換后數據從PCF8591的SDA引腳輸出，PCF8591的I2C通信引腳SCL和SDA分別連接STC15W1K24S單片機的P36和P37引腳。

根據PCF8591和單片機的硬件連接，設計單片機STC15W1K24S單片機讀取PCF8591芯片模數轉換后的程序代碼如下。

#define" PCF8591 0x90" /*PCF8591地址1001 A2 A1 A0 R/W" A2-A0由硬件設置，R/W讀操作為1，寫操作為0*/

sbit AD_SCL=P3^6;" " "http://串行時鐘輸入端

sbit AD_SDA=P3^7;" " "http://串行數據輸出端'

I2C通信啟動信號函數，代碼如下。

void ADiic_start（）" " "http://PCF8591芯片I2C通信啟動信號函數

{

AD_SDA=1;

Delay5us（）;

AD_SCL=1;

Delay5us（）;

AD_SDA=0;

Delay5us（）;

}

I2C通信停止信號函數，代碼如下。

void ADiic_stop（）" " " //PCF8591芯片I2C通信停止信號函數

{

AD_SDA=0;

Delay5us（）;

AD_SCL=1;

Delay5us（）;

AD_SDA=1;

Delay5us（）;

}

應答信號函數，代碼如下。

void ADiic_respons（）" " "http://應答信號函數，相當于一個智能的延時函數

{

unsigned char i;

AD_SCL=1;

Delay5us（）;

while（（AD_SDA==1）amp;amp;（ilt;250））

i++;

AD_SCL=0;

Delay5us（）;

}

I2C通信初始化函數，代碼如下。

void ADC_init（）" " " " // PCF8591芯片I2C通信初始化

{

AD_SDA=1;

Delay5us（）;

AD_SCL=1;

Delay5us（）;

}

向PCF8591寫數據函數，代碼如下。

void write_byteAD（unsigned char date）//向PCF85 91寫一字節數據

{

unsigned char i，temp;

temp=date;

for（i=0;ilt;8;i++）

{

temp=templt;lt;1;" " " //左移一位，移出的一位在CY中

AD_SCL=0;" " " " " "http://只有在AD_SCL=0時AD_SDA才能變化值

Delay5us（）;

AD_SDA=CY;

Delay5us（）;

AD_SCL=1;

Delay5us（）;

}

AD_SCL=0;

Delay5us（）;

AD_SDA=1;

Delay5us（）;

}

從SDA數據線讀一字節數據函數，代碼如下。

unsigned char read_byteAD（）

{

unsigned char i，k;

AD_SCL=0;

Delay5us（）;

AD_SDA=1;

Delay5us（）;

for（i=0;ilt;8;i++）

{

AD_SCL=1;

Delay5us（）;

k=（klt;lt;1）|AD_SDA;" "http://先左移一位，再在最低位接受當前位

AD_SCL=0;

Delay5us（）;

}

return k;

}

向PCF8591寫地址和控制信息函數，代碼如下。

void write_addDA（unsigned char control，unsigned char date）

{

ADiic_start（）;

write_byteAD（PCF8591）;

ADiic_respons（）;

write_byteAD（control）;

ADiic_respons（）;

write_byteAD（date）;

ADiic_respons（）;

ADiic_stop（）;

}

從PCF8591芯片讀數據函數，代碼如下。

unsigned char PCF8591_Readch（unsigned char channel）" //00h通道為0

{

unsigned char date;

ADiic_start（）;

write_byteAD（PCF8591）;

ADiic_respons（）;

write_byteAD（channel）;" " " "http://模式為四個ADC單端輸入

ADiic_respons（）;

ADiic_start（）;

write_byteAD（PCF8591|0x01）;" //把最后一位變成1，讀

ADiic_respons（）;

date=read_byteAD（）;

ADiic_stop（）;

return date;

}

4" 程序運行結果驗證

本程序在新大陸公司的NEWLab平臺及相應設備上進行了驗證，可以正確采集到氣體傳感器的濃度，當氣體濃度大于閾值（1.43 V）時，單片機控制繼電器開啟風扇，當氣體濃度小于閾值（1.43 V）時，單片機控制繼電器關閉風扇。整個系統的控制信息可以在LCD12864顯示模塊上進行顯示，程序運行驗證結果如圖5、圖6所示。

5" 結束語

本文重點介紹了PCF8591芯片的工作原理，設計了PCF8591與單片機進行通信的程序代碼，搭建了氣敏傳感器氣體濃度采集控制系統。設計代碼經過在實際設備上的驗證，能正確實現控制系統功能的要求。

參考文獻：

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作者簡介：任靜（1986-），女，碩士，講師。研究方向為物聯網工程技術。