基于单片机的婴儿语音电子称.docx

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基于单片机的婴儿语音电子称

摘要

婴儿发育情况一直是父母关心的话题。

父母一般通过测量婴儿体重来了解婴儿发育情况。

普通的称在婴儿体检时操作不方便且测量误差很大。

随着电子科技技术的飞速发展，智能电子称的出现为解决这个问题提供了帮助。

本设计介绍了基于AT89S52单片机的数显婴儿体重测量仪的软硬件设计方法。

在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步的设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为最小系统、数据采集、人机交互界面和语音系统四大部分。

最小系统部分主要包括AT89S52和下载串口；数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成，包括运算放大器AD620和A/D转换器ADC0809；人机交互界面为键盘输入和点阵式液晶显示，主要使用4×4矩阵键盘和LCD1602显示器，可以方便的输入数据和直观的显示字符。

语音系统以ISD1760为核心设计电路。

软件部分应用单片机C语言进行编程，实现了该设计的全部控制功能。

该婴儿体重测量仪可以实现基本的称重功能，并能进行语音播报体重，还可以把婴儿体重与标准体重进行比较，让父母了解婴儿的发育情况。

整个系统结构简单，使用方便，功能齐全，具有一定的开发价值。

关键词：

电子称；单片机；语音系统；LCD显示；

Abstract

Infantdevelopmenthasbeenatopicofconcernoftheparents.Theparentsusuallybymeasuringthebabyweighttotheunderstandingofinfantdevelopment.Ordinarythatisnotconvenienttooperateintheinfantmedicalexaminationandmeasurementerrorislarge.Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,theemergenceofintelligentelectronichelptosolvethisproblem.

ThisdesignintroducesthehardwareandsoftwaredesignmethodbasedonAT89S52Microcontrollersignificantnumberofbabiesweighingmeter.Indesigningthesystem,thefourpartsinordertobetteruseofthemodulardesignmethod,thehardwareportionofthestep-by-stepdesignofeachunitfunctionmodules,thesystemcanbedividedintoaminimumsystem,dataacquisition,interactiveinterfaceandvoicesystems.ThesmallestpartsofthesystemincludingtheAT89S52anddownloadtheserialport;thefirst-levelprocessingofthedataacquisitionbythepressuresensor,signalandA/Dconversioncomponents,includingtheopampAD620andtheA/DconvertertheADC0809;interactiveinterfaceforkeyboardinputandthedotmatrixLCD,themainuseofthe4×4matrixkeyboardandLCD1602monitor,youcaneasilyinputdataandintuitivedisplaycharacter.VoicesystemtotheISD1760asthecoredesignofthecircuit.ThesoftwarepartoftheapplicationmicrocontrollerCprogramminglanguage,allthecontrolfunctionsofthedesign.Theelectronicscalesforbasicweighingfunctions,andcanvoicebroadcastweight,youcanalsoputthebabyweightandstandardweight,sothatparentsunderstandthebaby'sdevelopment.

Theentiresystemstructureissimple,easytouse,fullyfunctional,withacertaindegreeofdevelopmentvalue.

Keywords:

Electronics;microcontroller;voicesystem;LCDdisplay

目录

引言1

1设计要求及构思1

1.1设计要求1

1.2设计构思2

2方案论证与比较2

2.1控制器部分2

2.2数据采集部分2

2.2.1传感器2

2.2.2放大电路选择3

2.3显示电路5

2.4系统框图5

3系统主要芯片简介5

3.1单片机芯片AT89S52介绍6

3.2LCD工作原理介绍7

3.3ADC0809工作原理介绍8

3.4语音芯片ISD1760工作原理介绍9

4硬件电路设计11

4.1最小系统电路11

4.2液晶显示电路12

4.3按键接口电路12

4.4语音系统电路13

4.5数据采集电路14

4.5.1前置放大电路14

4.5.2ADC0809接口电路15

5系统软件设计15

5.1系统流程图15

5.2ADC0809数据采集及数据处理程序设计16

5.3键盘扫描程序设计17

5.4LCD1602程序设计19

5.5语音系统程序设计19

6系统调试21

6.1硬件制作和调试21

6.2软件调试22

7结论22

7.1结果展示22

7.2系统的功能特点22

7.4心得体会23

谢辞24

参考文献25

附录26

附录1：

原理图26

附录2：

单片机程序27

引言

称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。

电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。

称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。

因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。

50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。

60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。

现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展。

电子称重技术从静态称重向动态称重发展：

计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。

通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。

电子秤的工作原理。

首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。

输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。

放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。

在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，还需要在传感器与A/D芯片之间加上信号调整电路。

本文介绍数显婴儿体重测量仪，依据电子称的基本原理，以51单片机AT89S52为核心，包含了最小系统、数据采集、人机交互界面和语音系统四大部分。

该体重测量仪可以实现基本的称重功能，并能进行语音播报体重，还可以把婴儿体重与标准体重进行比较，让父母了解婴儿的发育情况。

该设计解决了婴儿体检时机械式的称重工具操作不方便、测量误差大等缺点。

1设计要求及构思

下面介绍本次设计的要求，并对设计方案作一个初步的介绍。

1.1设计要求

本课题要求设计和实现一个基于单片机的数显婴儿体重测量仪，该体重测量仪以单片机为核心，依据电子称的基本原理，能够显示婴儿体重，具有自动较零功能，具有语音报重功能。

1.2设计构思

本设计构思是，以AT89S52单片机作处理器，利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过前置放大电路放大，输入模数转换器ADC0809转换为数字信号，然后把数字信号送入单片机。

单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量，最后通过语音系统报重和LCD显示出来。

2方案论证与比较

本章将就各功能模块的方案选择进行对比分析论证，并确定系统使用的主要器件。

2.1控制器部分

本系统基于51系列单片机来实现，因为系统需要大量的控制液晶显示和键盘。

不宜采用大规模可编程逻辑器件：

CPLD、FPGA来实现。

（因为大规模课编程逻辑器件一般是使用状态机方法来实现，即所解决的问题都是规则的有限状态转换问题。

）另外系统没有其他高标准的要求，最终确定选择了AT89S52通用的比较普通单片机来实现系统设计。

AT89S52内部带有8KB的程序存储器，能够满足系统设计要求。

2.2数据采集部分

数据采集部分由传感器、前置放大电路、AD模数转换组成。

2.2.1传感器

传感器是测量部分重要的部件，目前常用的有电阻应变式压力传感器、电容式压力传感器，压电式压力传感器。

对称重传感器的基本要求是：

输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。

方案一、采用电容式压力传感器

电容式压力传感器是将被测压力的变化转换为电容量变化的一种压力传感器。

电容式压力传感器具有结构简单、精度和灵敏度较高等特点。

但电容式压力传感器稳定性较差，对环境要求苛刻，不易长距离传输。

方案二、采用压电式压力传感器

压电式压力传感器是将通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件，由压电效应转换成电量。

压力传感器的核心是压电器件。

压电式压力传感器具有稳定性好，精度和灵敏度高，寿命长等特点。

但大量程的压电式压力传感器尚待进一步研究。

方案三、采用电阻应变式压力传感器

电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片和电缆等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩产生变形后，它的阻值将发生变化（增大或减少），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，从而将压力转换成电量。

其原理如图2.1所示：

图2.1电阻应变式压力传感器原理

电阻应变式压力传感器具有稳定性较好，精度和灵敏度较高，寿命长对测量环境要求不太严格的特点。

基于以上分析，最终决定选用电阻应变式压力传感器。

2.2.2放大电路选择

经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。

为此，测量电路中常设有模拟放大环节。

这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。

放大器的输入信号一般是由传感器输出的。

传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。

因此，一般对放大器有如下一些要求：

1、输入阻抗应远大于信号源内阻。

否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。

2、抗共模电压干扰能力强。

3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。

从而保证放大器输出性能稳定。

4、能附加一些适应特定要求的电路。

如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。

我们考虑了以下几种方案：

方案一利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。

普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。

由于A/D转换器需要很高

的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。

所以，此种方案不宜采用。

方案二由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。

差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放（如OP07）做成一

个差动放大器，如图2.2所示：

图2.2差动放大器

电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声

优点：

输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R5可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。

输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。

缺点：

此电路要求R3/R6、R4/R5相等，误差将会影响输出精度，难度较大。

实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大。

方案三采用专用仪表放大器，如：

AD620，INA126等。

此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。

以AD620为例，其接口图如图2.3所示：

图2.3AD620接口图

在接口图2.3中，通过改变可变电阻R3的阻值大小来改变放大器的增益，放大器增益计算公式如下：

G=49.4K/R3+1；

AD620具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。

其最大输入偏置电流为20nA，这一参数反映了它的高输入阻抗。

AD620在外接电阻Rg时，可实现1~1000范围内的任意增益；工作电源范围为±2.3~±18V；最大电源电流为1.3mA；最大输入失调电压为125

V；频带宽度为120kHz（在G=100时）。

基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器AD620。

2.3显示电路

数据显示是电子秤的一项重要功能，是人机交换的主要组成部分，它可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。

数据显示部分可以有以下两种方案可供选择：

方案一、用LED数码管显示,

LED显示器由若干个发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个笔画或一个点就发光，控制相应的二级管导通，就能显示出对应字符。

它配置灵活，使用方便，价格低廉，但显示内容有限，一般用来显示阿拉伯数字。

LED数码管显示功耗高，需要驱动电路。

方案二、用LCD液晶显示.

LCD液晶显示器是一种极低功耗显示器，使用寿命长。

它既能显示阿拉伯数字，能够显示字符串，如“kg”，能够上人直观的明白数据结果。

基于以上分析，我们决定采用LCD液晶显示

2.4系统框图

通过上述的方案分析和选择，各功能模块主要器件为：

处理器：

AT89S52单片机；模数转换：

ADC0809；液晶屏：

LCD1602；仪器放大器芯片；AD620；最终系统的系统框图如图2.4所示：

图2.4

系统方框图

3系统主要芯片简介

根据前面的方案论证确定的方案与选择的器件，本章将对各个模块的主要芯片的特性和工作原理做简要介绍

3.1单片机芯片AT89S52介绍

（1）AT89S52功能特性描述:

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

（2）AT89S52引脚图:

如图3.1所示:

图3.1AT89S52引脚图

（3）AT89S52引脚功能：

VCC:

电源

GND:

地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。

RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

PSEN:

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

EA/VPP:

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

XTAL1:

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

3.2LCD工作原理介绍

LCD1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形。

（1）管脚功能

1602采用标准的16脚接口：

第1脚：

VSS为电源地；　

第2脚：

VDD接5V电源正极；

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度比较高　　　

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器；　　

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作；　　

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端；　　

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端；　　

第15～16脚：

空脚或背灯电源；15脚背光正极，16脚背光负极。

（2）显示原理：

LCD1602显示屏幕由M×N个显示单元组成，显示之前首先将液晶初始化，让其工作在特定的工作模式下，显示时只要给液晶写入相应的控制字控制每个单元的亮灭，通过显示单元呈现相应的字符或者数字。

3.3ADC0809工作原理介绍

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

（1）ADC0809引脚结构

ADC0809各脚功能如下：

D7-D0：

8位数字量输出引脚。

IN0-IN7：

8位模拟量输入引脚。

VCC：

+5V工作电压。

GND：

地。

REF（+）：

参考电压正端。

REF（-）：

参考电压负端。

START：

A/D转换启动信号输入端。

ALE：

地址锁存允许信号输入端。

（以上两种信号用于启动A/D转换）.

EOC：

转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。

OE：

输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。

CLK：

时钟信号输入端（一般为500KHz）。

A、B、C：

地址输入线。

引脚图如图3.2所示：

图3.2ADC0908引脚图

ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码