语音温度计.docx

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语音温度计

JIUJIANGUNIVERSITY

毕业论文

题目语音温度计

英文题目

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姓名

班级学号

指导老师

●

二零一六年九月

摘要

温度，是一个与人们的日常工作、生活息息相关的物理量。

温度反映了当前物体或者环境的冷热程度。

温度的测量在很久以前就得到了重视，说明温度在人类社会中，有着非常重要的地位。

无论是在农业耕种、工业生产、甚至国防科学和环保领域，也是非常重视温度的。

温度的重要性不言而喻，因此，对温度的检测也是大势所趋。

本设计中，采用单片机STC89C51作为核心处理器，温度传感器采用DS18B20。

单片机采集得到的温度值，经1602液晶屏直接显示。

并且可以通过语音芯片，将当前温度播报出来。

关键字：

温度；语音播报；STC89C51；DS18B20；LCD1602

Abstract

Temperatureisaphysicalquantitywhichiscloselyrelatedtopeople'sdailyworkandlife.Thetemperaturereflectsthedegreeofheatorcoldofthecurrentobjectorenvironment.Temperaturemeasurementinalongtimeagohasbeennotedthattemperatureinhumansociety,hasaveryimportantposition.Whetherinagriculturalcultivation,industrialproduction,andevendefensescienceandenvironmentalprotection,butalsoattachesgreatimportancetotemperature.

Theimportanceoftemperatureisself-evident,therefore,thedetectionoftemperatureisalsothetrend.Inthisdesign,usesthemonolithicintegratedcircuitSTC89C51asthecoreprocessor,thetemperaturesensorusesDS18B20.MCUacquisitiontemperaturevalueobtainedby1602LCDdisplaydirectly.Andthroughthevoicechip,thecurrenttemperaturebroadcast.

Keywords:

temperature;voicebroadcast;STC89C51;DS18B20;LCD1602

摘要………………………………………………………………………………

Abstract…………………………………………………………………………

第一章绪论……………………………………………………………………1

1.1课题背景…………………………………………………………………1

1.2温度传感器发展现状…………………………………………………………2

1.3国内外现状…………………………………………………………………3

第二章系统方案论证……………………………………………………………4

2.1电源电路方案论证……………………………………………………………4

2.2温度传感器方案论证…………………………………………………………4

2.3显示模块方案论证……………………………………………………………5

2.4语音播报方案论证…………………………………………………………6

第三章系统硬件设计………………………………………………………7

3.1单片机电路设计………………………………………………………………7

3.1.1复位电路设计……………………………………………………………8

3.1.2时钟电路设计……………………………………………………………9

3.2温度采集电路设计…………………………………………………………9

3.2.1DS18B20的测温原理…………………………………………………10

3.2.2DS18B20与STC89C51的接口电路设计………………………………10

3.3液晶显示电路设计…………………………………………………………11

3.4语音电路设计…………………………………………………………12

第四章系统软件设计……………………………………………………………14

4.1开发工具介绍…………………………………………………………………14

4.2系统的主程序设计……………………………………………………………14

4.2.1测量温度子程序设计……………………………………………………15

4.2.2实现时钟功能的程序设计………………………………………………16

4.2.3显示程序设计…………………………………………………………18

4.2.4语音播放子程序…………………………………………………………18

结束语…………………………………………………………………………19

参考文献…………………………………………………………………………20

致谢…………………………………………………………………………21

第一章绪论

1.1课题背景

温度，是一个与人们的日常工作、生活息息相关的物理量。

温度反映了当前物体或者环境的冷热程度。

由于温度直接影响到人们的正常起居生活，因此关于温度的研究和检测，历史悠远。

早在公元1592年，伽利略就已经制作出来全球第一只密闭式气体温度计。

该温度计内部储存空气，空气在热胀冷缩的作用下，推动温度计内部的有色液体上升或者下降，从而掌握当前温度。

后来，人们在此基础上又开发出来了基于液体的温度计，并将温度计上标好刻度，以便于观察对比。

液体温度计最初问世的是基于酒精的温度计，由于酒精容易产生晃动，测量时会产生一定的误差。

最后，液体汞温度计的出现，解决了上述问题。

并且汞柱温度计一直使用至今。

温度的测量在很久以前就得到了重视，说明温度在人类社会中，有着非常重要的地位。

无论是在农业耕种、工业生产、甚至国防科学和环保领域，也是非常重视温度的。

例如，为了保证农业耕种效益，古代人们总结出二十四节气，并且根据每个节气的特点，决定着如何进行耕作。

同样，在现代工业，对温度的采集也是非常重要的。

例如钢铁冶炼行业，如果钢铁不能再最适合的温度下融化并铸造成新的形态的金属，会因为钢铁加热温度过高，产生严重的资源浪费。

并且在工业生产塑料制品时，如果温度不能控制在合理范围，则同批制造出来的塑料制品的韧性，存在较大的差别，产品特性不一致。

对于实际使用时，会存在非常不利的影响。

温度的重要性不言而喻，对于检测温度的传感器来说，其精度和响应时间，是至关重要的。

尤其在数字化和信息化发展迅速的当下，温度传感器也得到了非常快的发展。

从最初的依靠密闭容器内的空气在热胀冷缩作用下，体积膨胀带动液柱上升或者下降，到后来由此升级而来的基于汞的温度计，再到后来依靠模拟、数字电路设计的温度计，可见温度计得到了非常大的发展。

目前，使用最广泛的是采用模拟或者数字电路设计的温度计。

无论是模拟电路制作的温度计，还是数字电路设计的温度计，其核心元件，都是热敏电阻。

其原理是，热敏电阻在随着外界温度变化的同时，自身阻值也在发生着变化。

并且具有明显的变化趋势。

因此，在模拟温度计中，再配合其他模拟器件，就可以实现将温度转换得到的电阻值转换成相应的电压信号，并进行一定的模拟运算，例如经过电压比较器，通过输出控制不同温度等级的LED灯，就能显示当前温度。

模拟电路制作的温度计，具有成本低廉，制作简单的优点。

但是由于精度较差，并且相应速度较慢，相比于数字式温度传感器来说，具有严重的劣势。

数字传感器虽然也是基于热敏电阻等作为温度检测部件，但是经过模数转换之后，将电阻值代表的温度信息，转换成相应的数字信息。

因此，具有采集温度精度更高的特点。

并且通过微处理器进行一定的智能运算，实现更多丰富的功能。

例如通过温度检测并控制，实现恒温功能；通过温度检测与安全值比较，实现报警功能等。

1.2温度传感器发展现状

温度的重要性不言而喻，对于检测温度的传感器来说，其精度和响应时间，是至关重要的。

尤其在数字化和信息化发展迅速的当下，温度传感器也得到了非常快的发展。

从最初的依靠密闭容器内的空气在热胀冷缩作用下，体积膨胀带动液柱上升或者下降，到后来由此升级而来的基于汞的温度计，再到后来依靠模拟、数字电路设计的温度计，可见温度计得到了非常大的发展。

目前，使用最广泛的是采用模拟或者数字电路设计的温度计。

无论是模拟电路制作的温度计，还是数字电路设计的温度计，其核心元件，都是热敏电阻。

其原理是，热敏电阻在随着外界温度变化的同时，自身阻值也在发生着变化。

并且具有明显的变化趋势。

因此，在模拟温度计中，再配合其他模拟器件，就可以实现将温度转换得到的电阻值转换成相应的电压信号，并进行一定的模拟运算，例如经过电压比较器，通过输出控制不同温度等级的LED灯，就能显示当前温度。

模拟电路制作的温度计，具有成本低廉，制作简单的优点。

但是由于精度较差，并且相应速度较慢，相比于数字式温度传感器来说，具有严重的劣势。

数字传感器虽然也是基于热敏电阻等作为温度检测部件，但是经过模数转换之后，将电阻值代表的温度信息，转换成相应的数字信息。

因此，具有采集温度精度更高的特点。

并且通过微处理器进行一定的智能运算，实现更多丰富的功能。

例如通过温度检测并控制，实现恒温功能；通过温度检测与安全值比较，实现报警功能等。

1.3国内外现状

目前，市面上主流的智能数字式温度传感器中，大多都是来自国外的产品。

由于国外在智能温度传感器领域研究走在前沿，并且推出多款价格低而性能优的传感器。

其中，DS18B20最具代表性。

该传感器价格较低，并且性能稳定，温度响应快，因此被广泛使用在家用数字式温度计中。

DS18B20，是DALLAS公司开发的最为经典的数字式温度传感器。

该传感器采用单总线的方式，在仅仅占用一根数据线的前提下，稳定输出9-12位的数字量的温度值。

该芯片体积较小，功耗较低，并且抗干扰能力优异，一经发布，就广受欢迎。

目前国内对温度传感器的研究相比于国外，明显不足。

从专利来看，国内目前关于温度传感器的专利相对较少，主要由高校申请的。

并且国产温度传感器以NTC热敏电阻为主，数字式温度传感器型号较少，这也给DS18B20的广泛使用，提供了有利条件。

因此，在集成数字温度传感器方面，我国尚有较大的发展空间。

第二章系统方案论证

温度，是一个与人们的日常工作、生活息息相关的物理量。

温度反映了当前物体或者环境的冷热程度。

由于温度直接影响到人们的正常起居生活，因此关于温度的研究和检测，得到大力重视。

分析本题，根据设计要求先确定了系统总体结构。

本设计可分为电源模块、温度采集模块、键盘控制模块、单片机模块、显示模块、语音播放模块。

系统工作时，首先通过单片机实时采集温度传感器的数值，然后通过单片机处理，显示在液晶屏上。

并且可以通过按键进行设置，实现语音播报当前温度，以及温度上下限值的修改。

本系统的整体设计原理框图如图所示。

图2-1原理框图

2.1电源电路方案论证

方案一：

采用干电池供电。

采用4节干电池，可以为系统进行供电。

方案二：

采用USB电源。

通过USB线，可以连接到充电宝，由充电宝进行供电。

综上分析，由于单片机工作电压限制，4节干电池电压稍高，所以选用USB电源进行供电，例如充电宝。

2.2温度传感器方案方案

方案一：

采用AD590温度传感器。

AD590是一款工作电源宽泛，测量范围大的芯片。

电源电压支持4-30V，测量范围支持负55度到150度之间。

其输出的是电流值，并且电流的微安数值，就等于当前的绝对温度K的数值。

该芯片具有输出电流线性度极高，精度较高，适合精度较高的场合使用。

更重要的是，相比于电压型温度传感器，电流型传感器在远程传输时，不会因为长导线的内部电阻的影响，电压降低。

这也是电流型传感器的非常重要的特点。

方案二：

该传感器价格较低，并且性能稳定，温度响应快，因此被广泛使用在家用数字式温度计中。

DS18B20，是DALLAS公司开发的最为经典的数字式温度传感器。

该传感器采用单总线的方式，在仅仅占用一根数据线的前提下，稳定输出9-12位的数字量的温度值。

并且支持多个设备共同通过一根数据总线，进行温度信息的传输。

该芯片体积较小，功耗较低，并且抗干扰能力优异，一经发布，就广受欢迎。

综上所述，由于采用电流型温度传感器，需要通过电阻将电流转换成电压信息，然后再经过电压转换，继而得出此时的温度值。

而18B20芯片，输出是电脉冲信号。

通过对电脉冲信号的获取和识别，即可快速掌握当前温度。

由此可见，18B20开发更加方便容易，成本更低，因此选用该传感器。

2.3显示模块方案论证

方案一：

采用八位数码管。

将单片机的数据，通过数码管显示出来。

该方案简单易行，成本低，但所需的元器件较多。

且不容易进行操作，可读性较差。

一旦设定后，很难加入其它的功能。

显示格式受控制，且耗电量大。

方案二：

采用LCD显示屏进行显示。

LCD显示屏是一种低压、微功耗的显示器件。

只要2-3伏就可以工作了。

工作电流仅为几微安，是其它显示器无法相比的。

同时，可以显示大量信息。

除数字外，还可以显示字母，曲线，比其他传统的LED数码显示器的画面，有了质的提高。

虽然LCD显示器的价格比传统的LED数码管要贵些，但它的显示效果更好。

是当今显示器的主流应用的产品。

所以，采用LCD作为显示器。

采用LCD显示屏，更容易实现题目的要求，对后续功能的兼容性很高。

只需将软件修改，即可完成不同的功能。

可操作性强，易于读数。

采用LCD1602,两行十六字符的显示屏进行显示.能同时显示日期，时间，温度。

综上分析，LCD显示屏具有方便显示和画面显示清晰等特点。

所以，采用第二种方案。

2.4语音播报方案论证

方案一：

通过A/D转换器、单片机、存储器、D\A转换器实现声音信号的采样、处理、存储和实现。

首先，将声音信号放大。

通过AD转换器采样，将语音模拟信号转换成数字信号。

并由单片机和处理，存放到存储器中。

实现录音操作。

在录、放音过程中，由单片机控制D/A转换器。

将存储器中的数据，转化成声音信号。

此方案安装调试复杂，集成度低，成本也不低。

方案二：

语音模块采用OTP语音模块。

此系列语音芯片，是技针对市场推出的一款具有PWM输出的OTP语音标准芯片。

共有3个IO口，外围最低仅需要一个104电容就可以稳定的工作，产品方案成本极低。

此语音芯片内置电阻，没有外围元件，外围电路只需要一个104电容。

整个方案的费用为您节省30%-50%左右。

综上所述，选择方案二。

第三章系统硬件设计

本设计可分为电源模块、温度采集模块、键盘控制模块、单片机模块、显示模块、语音播放模块。

系统工作时，首先通过单片机实时采集温度传感器的数值，然后通过单片机处理，显示在液晶屏上。

并且可以通过按键进行设置，实现语音播报当前温度，以及温度上下限值的修改。

3.1单片机电路设计

STC89C51单片机系统中，最重要的电路时复位电路和晶振电路。

为此，再设计时首先要进行复位电路和晶振电路的设计。

本设计种，STC89C51单片机的复位电路较为简单，仅需要一个10K电阻和一个10uF电解电容进行设计即可。

同时，晶振电路也仅需要晶振和陶瓷电容来进行设计。

晶振为系统提供时钟源，供单片机工作使用。

陶瓷电容是为晶振提供去耦作用。

具体电路如下所示：

图3-1单片机最小系统电路图

3.2温度采集电路设计

本模块主要作用是进行温度采集，然后STC89C51进行分析处理采集到的数据。

本次设计中采用了DS18B20作为温度数据采集器，它的精度可以精确到0.0625。

完全可以用来进行环境温度的测量和采集。

该传感器价格较低，并且性能稳定，温度响应快，因此被广泛使用在家用数字式温度计中。

DS18B20，是DALLAS公司开发的最为经典的数字式温度传感器。

该传感器采用单总线的方式，在仅仅占用一根数据线的前提下，稳定输出9-12位的数字量的温度值。

并且支持多个设备共同通过一根数据总线，进行温度信息的传输。

该芯片体积较小，功耗较低，并且抗干扰能力优异，一经发布，就广受欢迎。

3.2.1DS18B20的测温原理

温度的重要性不言而喻，对于检测温度的传感器来说，其精度和响应时间，是至关重要的。

尤其在数字化和信息化发展迅速的当下，温度传感器也得到了非常快的发展。

数字传感器虽然基于热敏电阻等作为温度检测部件，但是经过模数转换之后，将电阻值代表的温度信息，转换成相应的数字信息。

因此，具有采集温度精度更高的特点。

并且通过微处理器进行一定的智能运算，实现更多丰富的功能。

例如通过温度检测并控制，实现恒温功能；通过温度检测与安全值比较，实现报警功能等。

本设计选用DS18B20温度传感器芯片。

由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。

因此，读写时序很重要。

操作协议为：

初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

表3-1温度和数据对应表

温度

二进制数据

十六进制数据

+125°C

0000011111010000

07D0h

+85°C*

0000010101010000

0550h

+25.0625°C

0000000110010001

0191h

+10.125°C

0000000010100010

00A2h

+0.5°C

0000000000001000

0008h

0°C

0000000000000000

0000h

-0.5°C

1111111111111000

FFF8h

-10.125°C

1111111101011110

FF5Eh

-25.0625°C

1111111001101111

FE6Fh

1111110010010000

FC90h

3.2.2DS18B20与STC89C51的接口电路设计

DS18B20，可以从单总线上得到能量并储存在内部电容中。

该能量，是当信号线处于低电平期间消耗。

在信号线为高电平时，能量得到补充。

这种供电方式，称为寄生电源供电。

DS18B20也可以由3～5.5V的外部电源供电。

所以，在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法。

一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。

无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。

我们，采用的是第一种连接方法。

如图3-3所示:

把DS18B20数据线与STC89C51的P2.0,再加上上拉电阻。

图3-3DS18B20与STC89C51的接口电路

3.3液晶显示电路设计

该模块，是由LCD1602液晶显示器件组成。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端。

接正电源时，对比度最弱。

接地电源时，对比度最高。

对比度过高时会产生“鬼影”。

使用时，可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择。

高电平时，选择数据寄存器。

低电平时，选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线。

高电平时，进行读操作。

低电平时，进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时，可以写入指令或者显示地址。

当RS为低电平RW为高电平时，可以读忙信号。

当RS为高电平RW为低电平时，可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

由上可知1602基本操作时序如表3-2。

其第15～16脚：

背光电源脚。

表3-2LCD1602基本操作时序

基本时序操作

输入

输出

读状态

RS=L,R/W=H,E=H

DO～D7=状态

读数据

RS=H,R/W=H,E=H

无

写指令

RS=L,R/W=L,E=高脉冲,DO～D7=指令码

DO～D7=数据

读指令

RS=H,R/W=L,E=高脉冲,DO～D7=数据

无

3.4语音电路设计

语音模块，采用OTP语音模块。

此系列语音芯片，是技针对市场推出的一款具有PWM输出的OTP语音标准芯片。

共有3个IO口，外围最低仅需要一个104电容就可以稳定的工作，产品方案成本极低。

此语音芯片内置电阻，没有外围元件。

外围电路，只需要一个104电容。

整个方案的费用为您节省30%-50%左右。

此芯片是特定的固定标准模块。

可以通过单片机最少2个IO口，控制多达128段声音任意调用和组合的语音标准芯片。

通常最常用的制方式是3个IO，现针对此模式做一个详细的原理说明，以方便调试。

工作示例：

例如，现在需要播放第十段声音。

单片机控制原理是：

先发送一个复位脉冲到RST（Rest）脚，接着发送10个脉冲到DATA脚。

芯片即刻工作，播放第十段的声音；如果需要播放第五段的声音，则是：

先发送一个复位脉冲到REST脚，接着发送5个脉冲到DATA脚。

芯片即刻工作，播放第5段的声音；例如需要连续播放第十段和第五段声音：

先发送一个复位脉冲到REST脚，接着发送10个脉冲到DATA脚。

芯片即刻工作，播放第十段的声音，同时单片机判断语音芯片的BUSY是否是高电平，如果不是则一直等待，如果是高电平，则发送一个复位脉冲到RST脚，接着发送5个脉冲到DATA脚。

芯片即刻工作，播放第5段的声音.依此类推。

第四章系统软件设计

4.1开发工具介绍

本设计中，由于单片机选用的是STC89C51，要开发该单片机使用的程序，需要使用KEIL进行编写。

KEIL只是汇编语言和C语言两种编程语言，由于大学学的是C语言，因此采用C语言进行程序开发。

首先，将本系统分成多个程序模块，然后分别对每个模块进行编程。

最后，将每个模块的程序进行汇总，即可得到最终的整体程序。

4.2系统的主程序设计

主程序是在程序运行的过程中必须先经过初始化，包括键盘程序，测量程序，以及各个控制端口的初始化工作。

STC89C51单片机具有非常丰富的外设资源，包括外部中断功能，内部定时器功能。

本设计可分为电源模块、温度采集模块、键盘控制模块、单片机模块、显示模块、语音播放模块。

系统工作时，首先通过单片机实时采集温度传感器的数值，然后通过单片机处理，显示在液晶屏上。

并且可以通过按键进行设置，实现语音播报当前温度，以及温度上下限值的修改。

系统在初始化完成后就进入读取温度测量程序，实时的测量当前的温度，得到温度后判断温度是否超过温度设置的上下限。

超出（低于）温度上下限，调用报警子程序。

再显示电路在LCD上显示。

系统软件设计的总体流程图4-1所示：

图4-1主程序流程图

4.2.1测量温度子程序设计

由在整个语音温度计的设计中是以正确采集温度为前提的，因为如果温度采集就不正确，那么即使后续电路如显示和报温电路均正确，最后的结果仍然不能达到我们所要的目标，也就是不能正确的对环境温度进行显示和报温，所以关于DS18B20的温度采集是非常重要的。

DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。

操作协