基于单片机的电子声音报温温度计设计1.docx

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基于单片机的电子声音报温温度计设计1

第四届电子设计大赛（论文）

基于单片机的电子声音报温温度计设计

学院：

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学　　　　　　号：

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完成日期年月日

摘要

环境温度的获取对工业、农业、商业都有很大的影响。

传统的测温仪测量费时，准确度也较低，而数字温度计相比于传统温度计，具有读数速度快，测温范围广等优势，其输出温度采用数字显示，便于用户使用。

随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，本设计数字温度计基于89C51单片机平台，使用数字测温传感器DS18B20，用数码管实现温度显示，利用DS18B20和一片89C51单片机即可构成一个简洁但功能强大的低电压温度测量系统，温度显示稳定，设定了定时语音自动播报温度，手动实时播报温度功能，温度达到预设上限启动继电器，以便驱动外接设备。

关键词：

DS18B20；数码管显示；语音播报

Abstract

Theenvironmenttemperatureacquisitionhasgreateffectontheindustrial,agricultural,commercial.Thermometertomeasurethetraditionaltime-consuming,theaccuracyislow,andcomparedwiththetraditionalthermometerdigitalthermometerreadings,withfastspeed,widetemperaturerangeandotheradvantages,digitaloutputtemperaturedisplay,user-friendly.

WiththecontinuousdevelopmentofSCMtechnology,SCMapplicationsinthefieldofelectronicproductsismoreandmorewidely,thedesignofdigitalthermometerbasedon89C51microcontrollerplatform,theuseofdigitaltemperaturesensorDS18B20,withdigitaltemperaturedisplay,isasimplebutpowerfullowvoltagetemperaturemeasurementsystemusingDS18B20anda89C51singlechipcomputer.Stability,temperaturedisplay,settoautomaticallyreporttemperaturetimingvoice,manualreal-timebroadcastfunctionsoftemperature,thetemperaturereachesthepresetlimitstartingrelay,todriveanexternalequipment.

Keywords:

DS18B20;digitaltubedisplay;voicebroadcast

目录

摘要II

AbstractIII

1引言1

2设计要求1

3实施方案1

3.2温度传感器模块2

3.3显示模块2

3.4键盘控制模块2

3.5语音播报模块2

4设计原理3

4.1单片机模块3

4.1.1单片机介绍3

4.1.2单片机外围电路设计5

4.1.3AT89S52复位电路6

4.1.4AT89S52时钟电路6

4.2电源模块7

4.3温度传感器模块8

4.3.1DS18B20的测温原理8

4.3.2DS18B20与AT89S52的接口电路设计9

4.4数码管显示模块10

4.5语音播报模块11

4.5.1ISD1420语音芯片录放音电路设计11

4.5.2ISD1420与AT89S52接口电路设计13

5软件部分14

5.1开发工具介绍15

5.2系统的主程序设计15

5.2.1测量温度子程序设计15

5.2.3显示程序设计17

5.2.4语音播放子程序17

6仿真结果数据分析18

6.1功能仿真和结果18

7结束语18

参考文献19

附录一：

电路图20

附录二：

源程序21

1引言

21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，现代信息技术的三大基础是信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。

随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术――传感技术必须跟上信息化发展的需要。

传感器技术是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。

它属于信息技术的前沿尖端产品，尤其温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量居各种传感器之首。

近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：

（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；

（2）模拟集成温度传感器／控制器；（3）智能温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。

作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。

2设计要求

1.具有即时温度显示功能，可以选用LED或者LCD显示器。

2.测体温误差应小于0.1度。

3.并且在测试过程中每间隔30秒钟可以声音报温度值。

3实施方案

分析本题，根据设计要求先确定了本系统的整体设计原理框图如图所示

3.1电源模块

为使系统调试方便，必须有可靠电源，独立的稳压电源的稳压的特性较好，能够稳定工作所以采用直流稳压电源，以证整个系统稳定工作。

3.2温度传感器模块

数字温度传感器DS18B20是美国达拉斯半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可以将温度直接转化成串行数字量供微处理器处理。

因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网优点，在实际测温的过程中取得了良好的测量效果。

其供电方式简单，可用数据线供电，所需的外围器件较少，甚至不需要外围器件，适用于本系统的简便性设计要求，因此选用该传感器。

3.3显示模块

采用四个八位数码管，将单片机采集到的温度数据通过数码管，以静态工作方式显示出来。

该方案简单易行，虽然占用较多IO口，但硬件电路较容易实现，编程较易，符合设计要求。

3.4键盘控制模块

在本设计中所需要的控制点数只有个个，只需要占用一个单片机中断引脚和一个IO口即可，简便、易操作、成本低就成了首要考虑的因素。

3.5语音播报模块

采用ISD1420语音录放。

ISD1420是采用模拟存取技术集成的可反复录放的20秒语音芯片，掉电语音不丢失，最大可分160段，最小每段语音长度为125ms，每段语音都可由地址线控制输出，每125ms为一个地址，由A0-A7八根地址线控制。

该芯片能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声。

由于采用并行数据传输方式，可实时控制语音播放位置，简化系统的程序设计，增强系统的稳定性，缩短调试时间。

4设计原理

本系统选用的模块包括：

单片机系统，电源模块，数码管显示模块，语音播报模块，温度传感器模块，键盘控制模块，具体的电路图参照附录二。

4.1单片机模块

设计的核心部分是单片机的控制，给以相关的命令，按照人们的意愿执行相应的操作，这次选用的是ATMEL公司生产的常用芯片AT89S52,主要是他的价格便宜,而且是我们通用性较强,容易获得。

4.1.1单片机介绍

CPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路组成。

a.运算器电路

运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。

b.控制器电路

控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。

控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。

c.定时器/计数器

MCS－52单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。

它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。

d.存储器

MCS－52系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。

e.并行I/O口

MCS－52单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。

P0口为三态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。

f.串行I/O口

MCS－521单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。

g.中断控制系统

8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。

h.时钟电路

MCS－52芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。

时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2MHz～12MHz，典型取值为6MHz。

i.总线

以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一个完整的单片机。

系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。

选用单片机的结构：

1一个8位算术逻辑单元

232个I/O口4组8位端口可单独寻址

3两个16位定时计数器

4全双工串行通信

56个中断源两个中断优先级

6128字节内置RAM

7独立的64K字节可寻址数据和代码区

每个8051处理周期包括12个振荡周期每12个振荡周期用来完成一项操作如取指令和计算指令执行时间可把时钟频率除以12取倒数然后指令执行所须的周期数因此如果你的系统时钟是11.059MHz除以12后就得到了每秒执行的指令个数为921583条指令取倒数将得到每条指令所须的时间1.085ms。

4.1.2单片机外围电路设计

本设计选用的AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80S52引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。

AT89S52单片机综合了微型处理器的基本功能。

当AT89S52芯片接到来自温度传感器的信号时，其内部程序将根据信号的类型进行处理，并且将处理的结果送到显示模块、报警模块、语音播报模块，发送控制信号控制各模块。

该模块在硬件设计方面，其外围电路提供能使之工作的晶振脉冲、复位按键，四个I/O口分别用于外围设备连接。

单片机AT89S52硬件连接图如图4.2所示，其中P0接口外接上拉电阻以保证高低电平的准确性。

单片机AT89S52的I/O端口具体分配与下表:

AT89S52的IO端口

外接点

P1

数码管数据端口

P2.4-P2.7

数码管位码端口

P3.3

DS18B20通道

P3.2

按键控制播放端口

P3.4

开始播音口

P0

语音芯片地址端口

k

P3.2

4.1.3AT89S52复位电路

系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下即单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。

AT89S52的复位是由外部的复位电路来实现的。

复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

手动复位：

手动复位需要人为在复位输入端加高电平让系统复位。

一般采用的方法是在RST端和正电源VCC之间接一个按键，当按下按键后，VCC和RST端接通，RST引脚处有高电平，而且按键动作一般是数十毫秒、大于两个机器周期的时间，能够安全的让系统复位。

上电复位：

上电复位电路是—种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。

上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。

为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。

在本设计中复位电路的设计是采用简单，用得比较广的复位电路接法，如图4.3所示，它具有上电复位和按键复位的双重复位功能。

图4.3复位电路

4.1.4AT89S52时钟电路

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

常用的时钟电路有两种方式：

一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。

本文用的是内部时钟方式。

电路图4.4所

示：

图4.4时钟电路图

AT89S52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。

4.2电源模块

鉴于系统使用的单片机AT89S52和各芯片工作电压在5V左右。

我们选择了5V稳压电源给单片机和各芯片供电。

电路由简单实用的三端稳压器构成，输入电压5V，满足大部分电路的要求，电源电路图如下图4.5所示，由于使用了全桥，电压输入既可以使用交流输入，又可以使用正负直流输入，能够防止由于极性接反造成的事故。

滤波电容使用电解电容与小电容并联的方式，能够有效消除高频自激现象。

发光二极管接到电源与地之间，如果电源输出不正常，发光二极管都会出现工作异常，提示电源部分故障。

图4.5电源电路图

4.3温度传感器模块

本模块主要作用是进行温度采集，然后经采集的数据送入AT89S52里进行分析处理。

在本次设计中采用了DS18B20作为数据采集器，它的精度最少可以精确到0.0625，完全可以用来进行环境温度的测量。

DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器,可把温度信号直接转换成串行数字信号供微处理器处理,而且可以在一条总线上挂接任意多个DS18B20芯片,构成多点温度检测系统无需任何外加硬件。

DS18B20数字温度传感器可提供9～12位温度读数,读取或写入DS18B20的信息仅需一根总线,总线本身可以向所有挂接的DS18B20芯片提供电源,而不需额外的电源。

由DS18B20这一特点,非常适合于多点温度检测系统,硬件结构简单,方便联网,在仓储管理、工农业生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用。

4.3.1DS18B20的测温原理

DS18B20内有一个能直接转化为数字量的温度传感器,其分辨率9,10,11,12bit并且可编程,通过设置内部配置寄存器来选择温度的转换精度,出厂时默认设置12bit。

温度的转换精度有0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。

温度转换后以16bit格式存入便笺式RAM,可以用读便笺式RAM命令（BEH）通过1-Wire接口读取温度信息,数据传输时低位在前，高位在后。

内部温度数据格式如图4.6所示。

温度/数字对应关系如表4.2所示（分辨率为12bit时）。

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4.2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

-55°C

1111110010010000

FC90h

图4.6DS1820B内部温度数据格式

4.3.2DS18B20与AT89S52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,如下图所示:

把DS18B20数据线与AT89S52的P3.3,再加上上拉电阻。

4.4数码管显示模块

4.5语音播报模块

语音芯片ISD1402语音芯片是美国ISD（InformationStorageDevice）公司的产品。

它包括时钟振荡器、128K可编程电擦除只读存储器（EEPROM）、低噪

前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、差分功率放大器等电路。

ISD1400系列语音芯片采用直接存储模拟信号，自动待机省电，可编程电擦除只读存储和总线技术。

ISD1400是一种具有高保真、录音数据永久保存、省电、适用于同单片机接口特点的新一代语音芯片。

ISD1420是ISD1400系列中录音时长为20s语音芯片。

ISD1420是采用模拟存取技术集成的可反复录放的20秒语音芯片，掉电语音不丢失，最大可分160段，最小每段语音长度为125ms，每段语音都可由地址线控制输出，每125ms为一个地址，由A0-A7八根地址线控制。

4.5.1ISD1420语音芯片录放音电路设计

分段录音时，ISD1420的A0-A7用作地址输入线，A6、A7不可同时为高电平，所以地址范围为00H-9FH，即为十进制码0-159共160个数值。

这表明ISD1420的EEPROM模拟存储器最多可被划分为160个存储单元，也就是说ISD1420最多可存储160个语音段，语音段的最小时间长度为0.125S。

不同分段的选择是通过对A0-A7端接不同的高低电平来实现。

其中ISD1420各引脚说明如下：

A0-A7—地址输入端，当A6和A7不全为高电平时，A0-A7为分段录音信息地址线，不同的地址对应不同的录音片断。

MIC—话筒输入端，话筒输入信号通过电容交流耦合至此引脚并传给片上预放大器，耦合电容C7的值和该端内阻R7（10K）决定语音信号通频带下限频率。

MICREF—话筒参考输人端，MICREF是预放大器的反相输入端，配合外电路可使片上预放大器具有较高的噪声抑制比和共模抑制比。

ANAIN—模拟信号输人端，对于话筒输入，ANAIN引脚应通过外部电容C4与ANAOUT引脚连接，耦合电容C4决定片上控制预放大器通频带的下限频率。

ANAOUT—预放大器的输出端，预放大器的电压增益取决于AGC电平，对于小信号输入电平，其增益最大为24dB，对于强信号，增益较低。

AGC—自动增益控制端，AGC动态地调整预放大器增益，使加至MIC输入端的非失真信号的范围扩展。

内阻抗（5欧）和外部电容决定AGC的响应时间，外部电容和外部电阻的RC时间常数决定AGC的释放时间。

SP+、SP-—喇叭输出端，该端可直接驱动16欧的喇叭。

XCLK—外接时钟输入端，ISD1420具有内部时钟，一旦接人外部时钟，内部时钟会自动失去作用。

改电路不用外部时钟该引脚接地，一般不推荐使用外部时钟，除非要求时钟信号特别精确。

RECLED—工作状态指示端，在录音或放音时该端输出低电平，可驱动一个LED来指示状态。

在录音过程中指示灯一直亮着，在放音结束时，指示灯闪烁一下。

PLAYE—边沿触发放音控制端，该端输人一低脉冲，芯片即进入放音状态，直至遇到信息结束标记（EOM）或到存储空间的末尾时回放过程结束，电路自动进入准备状态。

回放过程中PLAYE变化不会影响回放过程。

PLAYL—电平触发放音控制端，该端电平变为低电平并保持，芯片进入放音状态，放音过程持续到该端电平由低变高或遇到信息结束标记（EOM），结束后电路进入准备状态。

REC—录音触发端，REC一旦变为低电平，芯片就进入录音状态，REC的权限优先于PLAYE和PLAYL，在放音期间若遇REC接低电平时，放音就会立即停止并转入录音状态开始录音。

录音期间REC应始终保持低电平，REC变高或存储空间变满时录音过程结束，这时在录音截止的地方会记录一个信息结束标记（EOM）。

VCCD、VCCA—数字电源正端和模拟电源正端。

VSSD、VSSA—数字地和模拟地。

电路实现录音功能说明如下，S1、S2、S3分别是控制录音和放音按键，当按下S1时开始录音，S2、S3为两种方式的放音按键，当按一下S2时开始放音，是下降沿触发的，而S3为电平控制的，必须一直按着此键直至放音结束。

LED和限流电阻组成录放音指示电路，当录音结束、录音超出时限（存储器溢出）或放音结束时，ISD1420的25脚呈高电平，L