毕业设计方案单片机的语音温度报警的设计方案Word下载.docx
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五）电子时钟系统的设计11
1、实时时钟的简介11
2、DS12C887时钟芯片的介绍11
3、DS12C887性能特点12
4、寄存器及内部RAM的功能12
六）时钟键盘、显示器与89C51接口设计14
三、软件部分的设计15
一）主流程图15
二）A/D转换及信号识别的程序设计16
三）语音报警的程序设计17
总结21
附录22
参考文献23
致谢24
引言
一）传感器的发展及其地位
目前传感器技术已经在越来越多的领域中得到应用，其广泛应用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域，是构成现代信息系统的重要组成部分。
在基础科学研究中，传感器更有突出的地位，包括宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短暂的时间反应、超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究。
由此可见，传感器技术在发展经济推动社会进步方面的重要作用是十分明显的。
二）语音测温系统的发展状况
近年来，随着人们生活水平的提高，高效与安全越来越被人们重视。
语音测温系统的开发与研究是近几年新兴的科研成果及应用，它的语音报警大量满足了工业安全生产和人们日常生活的及时性、可靠性与普遍性。
多通道红外温度报警系统曾应用于抗非典时期的各个交通部门，确保了我国的交通运输在特殊情况下的正常运作；
分布式光纤温度传感系统是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，曾应用于监测三峡大坝混凝土温度场对大坝进行温度控制，减小坝体温度梯度，防止裂缝，确保了大坝安全。
各种语音芯片的产品也层出不穷，电子语音保温杯，电力系统开关柜语音报警系统等等。
可见，测温系统与语音播报系统的综合应用有着极为广泛的发展前景，并能够在工业生产，生活学习，旅游交通等各个方面发挥着重要的作用。
三）课题主要研究内容
本题目是设计一个基于单片机的语音报温系统，用以对一个温度范围进行安全控制，精度为0.5摄氏度，误差为±
0.5℃，要具有较好的快速性与准确性，具有十进制数显示所测量温度及语音报警等功能。
例如，水温在45摄氏度到75摄氏度之间为正常，当温度低于45摄氏度时语音报温“温度过低”并用显示器显示具体数值，当温度高于75摄氏度时，报温“温度过高”并显示具体数值。
为增强设计的多元化和实用性，另增加一个电子日历时钟系统，用24小时制显示年、月、日、时、分、秒等。
一、总体设计思想及系统框图
本设计系统结构主要由信号采集、模数转换、单片机、语音播报系统、时钟系统、显示系统几部分构成。
系统总体设计框图如下图1.1所示。
总体设计思想为：
系统以AT89C51单片机为控制核心，将温度传感器采集到的温度信号送到放大器进行放大后，送入A/D转换器进行模数转换，再送至AT89C51单片机进行处理，当温度不在规定的范围内时，语音播报系统将会收到信息进行报警，同时显示系统显示其温度。
图1.1系统总体设计框图
二、硬件设计
一）89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器<
FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
其主要特性为：
·
8031CPU与MCS-51兼容
4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环>
全静态工作：
0Hz-24KHz
三级程序存储器保密锁定
128*8位内部RAM
32条可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
6个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
MCS-51系列单片机采用40个引脚的双列直插封装方式，引脚如图2.1所示，包括2个电源引脚、2个时钟引脚、4个控制引脚、32个I/O接口。
图2.189C51管脚图
1、电源引脚
VCC<
40脚）：
接+5V电源正端。
Vss<
20脚）：
接地端。
2、时钟引脚
XTAL1<
19脚）：
内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。
当采用外部振荡器时，此引脚接地。
XTAL2<
18脚）：
内部振荡电路反相放大器的输出端，是外接晶体的另一端。
当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
3、控制引脚
EA非/Vpp<
31脚）：
外部程序存储器地址允许输入端/编程电压输入端。
当EA非接高电平时，CPU执行片内ROM指令，但当PC值超过0FFH时，将自动转去执行片外ROM指令；
当EA非接低电平时，CPU只执行片外ROM指令。
该引脚第二功能Vpp是对8751片内EPROM编程写入时，作为21V编程电压的输入端。
ALE/PROG（30脚>
:
地址锁存有效信号输出端。
ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。
在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的位低8位地址，在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。
对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，该引脚用作编程脉冲PROG的输入端。
PSEN<
29脚）:
片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。
当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。
在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。
RST/Vpd<
9脚）：
RST即为RESET，Vpd为备用电源。
该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。
上电时，考虑到振荡器有一定的振荡时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。
当Vcc发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源Vpd<
+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。
4、I/O引脚
1）P0口<
P0.0-P0.7）：
P0.7是最高位，P0.0是最低位，其有两种功能如下。
通用I/O接口：
无片外存储器时，P0口可作通用I/O口接口使用。
地址/数据口：
在访问外部存储器时，用作地址总线的低8位和数据总线。
2）P1<
P1.0-P1.7）：
P1.7是最高位，P1.0是最低位，仅用作I/O口。
3）P2口<
P2.0-P2.7）：
P2.7是最高位，P2.0是最低位，其有两种功能如下。
无片外存储器时，P2口可作通用I/O口接口使用。
地址口：
在访问外部存储器时，用作地址总线的高8位。
4）P3口<
P3.0-P3.7）：
P3.7是最高位，P3.0是最低位，其有两种功能如下。
第一功能：
用作通用I/O接口。
第二功能：
用于串行口、中断源输入、计数器、片外RAM选通。
5.单片机最小系统
1）时钟电路
在本设计中AT89C51的时钟电路采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，此方式是在X1和X2两端跨接晶体或陶瓷谐振器。
在本设计中XTAL1和XTAL2两端跨接12MHz晶体振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，时钟电路如图2.2所示。
图2.2时钟电路
2）复位电路
本设计采用的是按键复位电路，该电路具有上电复位的功能，若需要复位，只需要按下RESET键，R1与C1仍然能构成微分电路，使RST端产生一个微分脉冲复位，复位完之后C1经R2放电，等待下一次的复位按键，复位电路如图2.3所示。
图2.3复位电路
二）温度采集系统
1、温度传感器的介绍
温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。
测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：
1）传统的分立式温度传感器<
含敏感元件）——热电偶传感器，主要是能够进行非电量和电量之间转换。
2）模拟集成温度传感器/控制器。
集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。
3）智能集成温度传感器。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。
2、温度采集与主控制89C51的设计
本设计采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
其主要特性如下：
1）适应电压范围更宽，电压范围是3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±
0.5℃。
6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
8）测量结果直接输出数字温度信号，以"
一线总线"
串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
9）负压特性，电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
3、DS18B20的外形和内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的内部结构如图2.4所示。
图2.4DS18B20的内部结构
4、DS18B20引脚定义<
如图2.5所示）
I/O为数字信号输入/输出端；
GND为电源地；
VDD为外接供电电源输入端<
在寄生电源接线方式时接地）。
图2.5DS18B20引脚
温度的检测主要依据DS18B20来采集，本设计采用电源供电方式，P1.1口接单线总线，可用一个MOS管和单片机的P1.0完成对总线的上拉，如图2.6所示。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，上拉时间为10us。
图2.6电源供电方式电路
三）信号放大及A/D转换器
1、信号放大器的介绍
能够把微弱的电信号放大，转换成较强的电信号电路叫做放大电路，简称放大器。
放大器可以分为交流放大器和直流放大器。
交流放大器又可按频率分为低频、中频和高频；
按输出信号强弱分成电压放大、功率放大等。
此外还有用集成运算放大器和特殊晶体管作器件的放大器。
它是电子电路中最复杂多变的电路。
集成运算放大器简称集成运放，是具有高放大倍数的集成电路。
它的内部是直接耦合的多级放大器，整个电路可分为输入级、中间级、输出级三部分。
输入级采用差分放大电路以消除零点漂移和抑制干扰；
中间级一般采用共发射极电路，以获得足够高的电压增益；
输出级一般采用互补对称功放电路，以输出足够大的电压和电流，其输出电阻小，负载能力强。
2、A/D转换器
模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。
故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。
而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出数字信号位数的多少表示。
转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。
模拟信号经IN0一路通过A/D转换器，将数字信号送入单片机。
图2.7是通过查询方式完成A/D启动和转换的。
AT89C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得时钟频率，ALE脚的频率是单片机时钟频率的1/6。
地址译码引脚C、B、A分别与地址总线的三位Q6、Q5、Q4相连，以选IN0-IN7中的一个通路。
本设计将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机写信号WR和P2.7控制ADC的地址锁存和转换
图2.7A/D转换接口电路
启动，由于ALE与START相连，因此ADC在锁存通道地址的同时启动并转换。
在读取转换结果时，用低电平的读信号RD和P2.7脚经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。
四）语音录放系统
ISD1420是美国ISD公司出品的优质单片20s语音录放芯片，内电路由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器等组成。
一个最小的录放系统由一个话筒、一个扬声器、两个按键、一个电源及少数阻容元件组成。
它采用直接模拟存储技术<
DASTTM）将录音内容存入永久性存储单元FEPROM存储器，提供零功率信息存储；
不仅语音质量好，而且断电后，语音信息可永久保持。
1、主要特性
•使用简单的单片录放音电路
•高保真语音/音频处理
•开关接口放音可以是脉冲触发或电平触发
•录放周期为16和20秒
•自动功率节约模式
•零功率存储
•处理复杂信息可使用地址操作
•100年信息保存典型
•片上时钟
•不需要编程器和开发系统
•+5V供电
•提供裸片DIPSOIC封装
•提供工业级别温度型号-40到85摄氏度
2、功能描述
1）语音质量
ISD1420系列提供6.4K和8.0K取样频率，用户可以根据语音质量加以选择。
取样的语音直接存储到片内的不挥发存储器内部，不需要数字化和压缩的其它手段。
直接模拟存储能提供真实自然的语音、音乐、声音，不像其它的固态数字录音质量要受到影响。
2）录放音时间
ISD1420能提供16秒和20秒的录放音时间。
3）FEPROM存储
使用片上不挥发存储器，断电后信息可以持续保存100年。
器件可以重复录制10万次。
4）基本操作
由一个单录音信号REC实现录音操作，两个放音信号，其中一个实现放音操作，PLAYE<
触发放音），PLAYL<
电平放音）。
ISD1420可以配置成单一信息的应用。
5）自动掉电模式
在录音或放音操作的结束，ISD1420将自动进入低功率等待模式，消耗0.5uA电流。
在放音操作中，当信息结束时器件自动进入掉电模式；
在录音操作中，REC信号释放变为高电平时器件进入掉电模式。
6）寻址<
可选）
作为处理单一信息的补充，ISD1420提供了全地址的寻址功能。
3、管脚描述
ISD1420管脚如图2.8所示:
图2.8ISD1420管脚图
A0-A7:
地址或操作模式控制端；
VSSD:
数字地；
VSSA:
模拟地；
SP+、SP-：
音频信号输出端，可以驱动8-16个扬声器；
VCCA:
模拟电源；
VCCD：
数字电源；
MIC:
话筒输入端；
MICREF:
话筒输入参考端，不用则应悬空；
AGC:
自动增益控制端，调整芯片内部前置放大器增益，使输入信号不失真；
ANAIN、ANOUT:
两端接电容，用于模拟信号的直接输入、输出；
XCLK:
外部时钟或接地<
一般接地即可）；
REC/:
录、放音控制，低电平为录音<
此时PLAYE/或PLAYL/=0）；
PLAYL/:
电平放音控制<
低电平有效），放音时保持低电平<
REC/=0）；
PLAYE/:
边沿放音控制，下降沿时放音<
RECLED:
录音指示，接发光二极管，录音时亮。
4.语音录放电路的设计
将REC电平变低，将从内部存储器空间的开始录制信息。
如果REC保持低电平，录音一直持续直到存储器空间录满，这时录音结束。
如果REC变为高电平，电路将自动进入掉电模式，REC引起的录音操作优先与其它操作。
任何时间REC信号的变低将引起一次新的录音操作，地址从起始地址或指定的地址。
不管当前是否进行其它操作。
将PALYE或PLAYL变为低电平将启动一次放音，当遇到结束标志EOM时放音结束，电路进入掉电模式。
在录音操作时，RECLED将输出低电平有效的信号，可以驱动一个LED，表明现在正在进行录音操作。
如果整个存储器空间录满，或REC变为高电平结束录音，则RECLED将变为高电平。
另外，在放音过程中，如果遇到一个EOF标志，RECLED总是输出一个低电平脉冲。
ISD1420为20s可分段语音芯片，是一种新型单片语音录放集成电路。
利用它,语音和音频信号被直接存储，省去了数字变换、数字压缩、语音合成等处理手段。
该器件具有较大的信息存储量，不需专门的语音编辑开发系统和烧结固化器支持，并具有多种信息取址方式可供用户选用。
片内的EEPROM阵列通过地址A0～A7的有效组合最多可分为160个存储空间，实现分段录放功能。
本系统主要部分是语音报温部分。
对通常测温系统来说，所报出的语音由以下14个特征字组成,即“零”、“壹”、“贰”、“叁”、“肆”、“伍”、“陆”、“柒”、“捌”、“玖”、“拾”、“百”、“点”、“度”等。
即所有的温度可由这14个单字组成。
根据一般的语言速度，每个单字语音段需占用0.4s，总的录放时间应在6s左右。
而ISD1416共有160个存储单元，其分辨率为100ms，共计可存储16s的信息。
该系统仅需要6s时间，只需占用160个存储单元中的一部分。
按每个语音段占0.4s计，每个语音段要占用4个存储单元，共计4×
14=56个存储单元。
1416的地址输入端为0～7，有效的取值范围为00000000～10011111，即最多可划分为160个存储单元，用来录放多段语音。
0～7决定每个语音段的起始地址。
按键录音“温度过低”和“温度过高”，其首地址分别自动形成并存放于41H、42H中。
将PLAYL与单片机P1.0口连接，用以传输放音信号<
低电平），并在程序初始化过程中将P1.0置高，如图2.9所示。
图2.9语音录放电路
五）电子时钟系统的设计
1、实时时钟的简介
实时时钟的缩写是RTC，RTC是集成电路，通常称为时钟芯片。
RTC通常为8PIN，有SOP8、MSOP8、TSSOP8等多种封装。
其中有6个I/O口的功能是一样的，分为晶体接口2PIN、MCU接口2PIN、主电源1PIN、地1PIN。
RTC通常情况下需要外接32.768kHz晶体，匹配电容、备份电源等元件。
RTC的精度与温度有很大的关系，而温度会影响晶体的频率。
可以适当修正晶体与RTC之间匹配问题。
DS12C887具有时钟、闹钟和方波输出的功能。
它具有功能强大、编程简单和定时精确较高等优点，特别适用现在的测控系统。
2、DS12C887时钟芯片的介绍
DS12887实时时钟芯片是DALLAS半导体公司的新产品,它的功能强大，应用广泛，采用24引脚双排直列封装,内包含有一个锂电池、石英晶振和写保护电路,是一个完整的子系统。
它的功能包括非易失时钟、警报器、百年历、可编程中断、方波发生器和114字节非易失静态RAM。
在断电情况下,运行十年以上不丢失数据,这是它与众不同的特点。
DS12887时钟芯片引脚排列如图2.10所示:
图2.10DS12887时钟芯片引脚图
时钟芯片DS1
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