毕业设计 基于单片机的语音报温系统设计.docx

1、毕业设计 基于单片机的语音报温系统设计摘 要随着单片机控制系统的迅速发展，用单片机来控制温度的问题已越来越受人们的关注。各种该类别的系统与产品也层出不穷的出现在工业、水利、安检、旅游等各个生产和民用行业措施方面。现如今，高品质的单片机器件为语音测温系统的设计与发展提供了便利的条件，具有极其广阔的发展空间。基于单片机的语音报温系统的研究是基于对温度传感器、A/D转换、单片机、语音芯片及显示系统的综合应用。本课题欲研究开发一小型基于单片机的语音报温系统，方便人们在多种环境下对温度的检测和应用。关键词：温度传感器 A/D转换 语音系统 单片机 实时时钟ABSTRACTWith the quick d

2、evelopment of the singe-chip microcomputer control system, the problem that uses a SCM to control the temperature are already paid attention to by people more and more. Various emergence that the system and product of the category also piles up one after another each produce with the profession meas

3、ure aspect in the industry,the water conservancy,the safety check,the tour and the public .etc. Nowaday,the high-quality SCM parts of an apparatus provides the condition of the convenience for the design and development that the speech temperatures measuring system, having an extremely broad space f

4、or development.Temperature based on single chip voice message system of the study is based on temperature sensor, A / D converter, microcontroller, voice chips and the display system of integrated applications. For research and development of this issue for a small temperature based on single chip v

5、oice message system, convenient for people in a variety of environments and applications on the temperature of the test.Key words: Temperature Sensor A/D Converter Voice System SCM，Real Time Clock参考文献 30致 谢 31第一章 绪 论1.1 引言 近年来，随着工业生产及人民生活水平的逐步提高，高效与安全越来越被人们所重视。生产方面，测温系统广泛应用于在仓库储存报温，电机工作温度报警，机车安全系统，地

6、质勘测温度检测等多种安全系统中，起到了不可或缺的作用。生活中，测温系统更广泛的应用于住宅家居、商场市场、办公会议等场所的防火防电报警，水温、气温、保温控制等。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民日常生活的及时性、可靠性与普及性。1.2 语音测温系统的发展状况经社会调查得知了许多语音芯片及传感器和单片机之间的系统设计与应用。例如，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，他能够连续测量光纤沿线所在处的

7、温度，测量距离在几公里的范围，空间定位精度达到米的数量级，能够进行不间断的自动测量，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合，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。同时，各种语音芯片的产品也层出不穷，电子语音万年历，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。1.3 论文的研究目的和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（温度范围的确定可通过修改程序来实现），精度为0.5摄

8、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，另增加一电子日历时钟系统，用以24小时制显示年、月、日、时、分、秒等。第二章 系统设计各部分理论基础2.1 温度传感器部分2.1.1 温度传感器的发展温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。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

9、量和电量之间转换。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600进行连续测量,特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到-269，钨铼最高可达2800。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。 模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需

10、要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如TC652/653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。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想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它

11、是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE_）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。 智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。 目前，国际上新型传感器正冲模拟式向数字式、从集成化向智能化的方向发展。智能化集成温度传感器于20世纪90年代中期问世以来，正在国内外迅速推广应用。2.1.2 集成温度传感

12、器集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值V与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测： （2.1）式中，K波尔兹常数； q电子电荷绝对值。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0时输出为0，温度25时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。2.2 信号放大及模数转换部分2.2.1 放大器能够把微弱的信号放大的电路叫做放大电路或放大器。放大器有交流放大器和直流放大器。交流放大器又可按频率

13、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。集成运算放大器是一种把多级直流放大器做在一个集成片上，只要在外部接少量元件就能完成各种功能的器件。因为它早期是用在模拟计算机中做加法器、乘法器用的，所以叫做运算放大器。它有十多个引脚，一般都用有3个端子的三角形符号表示。它有两个输入端、1个输出端，上面的输入端叫做反相输入端，用“-”作标记，下面的叫同相输入端，用“+”作标记。集成运算放大器可以完成加、减、乘、除、微分、积分等多种模拟运算，也可以接成交流或直流放大器应用。2.2.2 转换器A/D转换器

14、是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平：1. 分辨率与量化误差分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上以输出二进制数或BCD码数的位数来表示。量化误差是由于A/D转换器有限长数字量对输入模拟量进行离散取样（量化）而引起的误差，其大小在理论上为一个单位，所以量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减小量化误差。2. 转换精度转换精度反映了一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，

15、用绝对误差或相对误差来表示。转换精度指标有时以综合误差指标的表达方式给出，有时又以分项误差指标的表达方式给出。通常给出的分项误差有：偏移误差、满刻度误差、非线性误差、微分非线性误差等。3. 转换速率转换速率是指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这个指标也可表述为转换时间，即A/D转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。4. 满刻度范围满刻度范围是指A/D转换器所允许最大的输入电压范围。如（05）V，（010）V，（-5+5）V等。2.3 单片机部分AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Re

16、ad Only Memory）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：图2.1 89C51管脚 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

17、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2.4 语音录放系统部分 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仅由一个话筒、一个扬声器、两个按键、一个电源及少数阻容元件便可组成。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。2.4.1 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

18、期为16和20秒 自动功率节约模式 当一个录音或放音周期结束后自动进入掉电状态 掉电状态的典型电流为0.5uA 零功率存储 不需要电池备份电路 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DIP SOIC封装 提供工业级别温度型号-40到85摄氏度图2.2 ISD1420内部结构2.4.2 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，不象其它的固态数字录音质量要

19、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ISD1420的ChipCorder技术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ISD1420 ChipCorder系列由一个单录音信号REC实现录音操作，两个放音信号其中的一个实现放音操作，PLAYE（触发放音），PLAYL（电平放音）。ISD1420可以配置成单一信息的应用。如果使用地址线也可以用于复杂信息的处理。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

20、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。2.4.3 管脚描述图2.3 ISD1420管脚1、电源输入 VCCA、VCCDISD1420内部的模拟电路和数字电路使用不同的电源回路以减小噪声的干扰，这些电源回路通过不同的引脚引出。2、地输入 VSSA、VSSD同VCCA，VCCD类似，ISD1420内部模拟地和数子地也使用不同的回路。3、录音RECREC输入是低电平有效录音信号。当REC为低时开始录音。在录音过程中REC必须保持为低电平。REC信号优先于放音信号（PLAYE 和PLAYL）

21、。如果在放音过程中REC被拉低，放音将立即终止，录音开始。当REC变高或内部存储器已录满信息，录音操作结束。录制完毕后，在结束处会记录一个结束标志，这样在分段放音时会结束放音。当REC变高后，器件会自动进入掉电模式。注：REC信号将被延迟50ms防止开关抖动引起重复触发。4、PLAYE 触发放音当此管脚上检测到低电平跳变时，将开始放音操作，遇到结束标志（EOM）或存储器的尾部放音将停止。结束放音后，器件自动进入掉电等待模式。在放音过程中将PLAYE变高不会终止当前的放音操作。5、PLAYL 电平放音当此管脚的信号由高变为0时，将开始放音操作。PLAYL变为高电平，遇到结束标志（EOM）或存储器

22、的尾部放音将停止。结束放音后，器件自动进入掉电等待模式。注：在放音中，如果遇到结束标志或到达存储器尾部，如PLAYL或PLAYE保持为低电平，器件仍将进入掉电等待模式，内部时钟和时序停止。但是，PLAYE和PLAYL的上升沿没有防抖动延迟，任何下降时序（特别是开关抖动）将会引起另外一次的放音。6、录音LED 输出（RECLED）当处于录音操作时，RECLED输出为低电平。它可以驱动一个LED显示表明现在正处于录音状态。另外，在放音中，如果遇到结束标志（EOM），RECLED将输出一个短的低脉冲。7、麦克输入MIC麦克输入将信号传送到前置放大器，增益由自动增益电路（AGC） 控制，增益在-15d

23、B到24dB。外部的麦克必须是AC耦合，通过一个电容连接到该脚。电容的数值和该管脚器件内部的电阻（10K）决定ISD1420输入的低频截止频率。8、麦克基准（MIC REF）MIC REF是麦克前置放大的反向输入。当器件使用该输入脚并以差分形式连接到麦克时，能减低噪声和实现共模抑制。9、自动增益控制（AGC）AGC动态调整前置放大器的增益，能在一个很宽的范围内适应麦克的输入电平。AGC电路能以很小的失真记录宽范围的声音，例如从很低的声音到很高的声音。AGC的起控时间由电路内部的一个5K电阻，和一个外部连接的电容（连接在AGC管脚和和模拟地VSSA之间）决定，释放时间由外部的电阻和电容决定二者并

24、联连接在AGC管脚和VSSA模拟地之间。在大多数应用中，470K欧姆和4.7uF的取值能较好的满足需要。10、模拟输出（ANA OUT）此管脚为用户提供前置放大器的输出。前置放大器的电压增益由AGC管脚上的电平决定。11、模拟输入（ANA IN）ANA IN将输入的信号传送到录音电路。对于麦克输入，ANA OUT脚必须通过外部电容连接到ANA IN脚。这个电容的数值与ANA IN内部的3.0K欧姆的输入电阻能提供又一个音频带宽的低频截止频率。如果输入信号来自麦克以外，可以通过电容直接耦合到ANA IN管脚。12、外部时钟输入（XCLK）ISD1420系列的外部时钟输入管脚内部设有下拉电阻。IS

25、D1420在出厂时配置成使用内部时钟，能保证最小的录放音时间。以ISD1420来讲，在参数规定的范围内使用能保证20秒的录放音时间。在商业级温度范围内和规定的操作电压范围内，取样时钟有2 .25%的变化，但能保证规定最小的录放音时间。对于一些器件，实际的录放音时间可能会比通常的录放音时间要多。13、喇叭输出（SP+，SP-）SP+和SP-能直接驱动低至10欧姆的喇叭。也可以使用单输出，但需要注意：对于直接驱动发声装置，使用两个反极性的输出的功率是使用单输出功率的4倍。另外，同时使用SP+和SP-可以不使用喇叭的耦合电容。对于使用单个输出，必须在SP+和喇叭之间接一个耦合电容。在录音状态中，两个

26、喇叭输出为高阻状态；在掉电模式中保持为VSSA。14、地址输入（A0-A7）根据A6、A7的电平不同，电路可以进入两种不同的工作模式：地址模式和操作模式。如果A7、A6至少有一位为低电平，则电路认为A0-A7全部为地址位，A0-A7的数值将作为本次录音或放音操作的起始地址。A0-A7全部为纯输入引脚，不会像操作模式中A0-A7还可能输出内部地址信息。输入的A0-A7的信息在PALYE，PLAYL或REC的下降沿被电路锁存到内部使用。2.4.4 操作模式ISD1420内部具备有多种操作模式，并能以最少的元件实现较多的功能，下面将详细描述。操作模式的选择使用是使用地址管脚来实现，但实际的地址在IS

27、D1420的有效地址外部。当地址的最高两位A7、A6为高电平时，其余的地址位将被成为状态标志位而不再是地址位。因此操作模式和寻址模式不能兼容，也就是说不能同时使用。在使用操作模式时必须注意两点。第一，所有的操作开始于地址0，也就是ISD1420的起始地址。以后的操作根据操作模式的不同可以从其它地址开始。另外，在操作模式中当A4=1，从录音变换到放音而不是从放音到录音，器件地址指针复位到0。第二，操作模式的执行必须是A7、A6为高电平，在PALYL，PLAYE或REC变为低电平时开始执行。当前的操作模式将一致有效，直到下一次的控制信号变低，并取样地址线上的信息开始新的操作。操作模式描述：可以使用

28、微处理器来控制操作模式，也可以直接使用直接连线来实现需要的功能。A0 信息检索信息检索允许用户在内容跳转浏览，而不必关系每个信息的实际物理位置。每个控制信号的低电平脉冲将内部地址指针转移到下一个信息位置。这种模式只能在放音中使用，通常与A4 操作同时应用。A1 删除EOM结尾标志A1操作模式允许多次记录的信息组合成一个信息，结束标志只出现在最后录制信息的结尾。当配置成这种模式后，多次录制的信息在放音时会形成连续的信息。A2 没有使用A3 循环播放A3操作模式能够实现自动连续的信息播放，播放的信息处于的地址空间的开始。如果一个信息充满了ISD1420，则用循环模式可以从头到尾连续的播放。PALY

29、E脉冲可以启动播放，PLAYL脉冲可以结束播放。A4 连续寻址在通常的操作中，当放音操作遇到结尾标志（EOM）时，地址指针将复原到0。A4操作模式将禁止地址指针的复位，允许信息能连续录制和播放。当电路处于静止状态，不是处于录音或放音状态，即可的设置该脚为低电平将复位地址指针。A5 没有使用2.4.5 相关图表芯片工作的时序图、最大绝对参数和操作条件见以下图表。图2.4 录音时序图图2.5 放音时序图注：1 在放音期间REC必须保持为高电平2 RECLED在放音期间有结束标志EOM的功能表2.1 最大绝对参数（裸片）注：超出上述范围将会引起器件的永久性损坏。处于绝对值会引起器件可靠性降低。在这些

30、条件下器件的参数将不能得到保证。表2.2 操作条件(裸片)注： VCC=VCCA=VCCD. VSS=VSSA=VSSD.图2.6(a) 典型参数随电压和温度的变化图2.6(b) 典型参数随电压和温度的变化2.5 电子时钟系统部分在目前许多的单片机应用系统中，通常进行一些与时间有关的控制测量，根据测控对象的不同，可以用两种方法来进行时间控制：一是利用单片机内部的定时/计数器，二是利用单片机外围的实时时钟芯片RTC（REAL TIME CLOCK）。前者利用单片机内部的定时器，所以无需再接外围芯片，只需通过软件编程就可以实现对时间的控制和测量，具有性价比高、接口电路简单等优点，但时间控制精度受到

31、晶振频率和所选择的数据传输方式等方面的影响，从而导致精度不高，所以常用于测控精度不是很高的应用控制系统中；而后者是利用外部实时时钟芯片，虽具有接口电路相对复杂等缺点，但是它具有定时精度高、掉电保护、功能强大、使用灵活和误差较小等优点，日益受到用户的青睐。2.5.1 实时时钟芯片的类型目前的实时时钟芯片，根据芯片与单片机接口的不同，可以将其分为两大类型：一是串行方式的实时时钟芯片，这种芯片大多数是将地址线、数据线、控制线合为一根串行传输数据的信号线，例如：DS1302、PCF8583等。这种方式的优点是：信号线少、电路连接简单、节省系统资源和电路板面积等。但是它的缺点：程序编写复杂、工作量比较大和操作速度较慢等。二是并行方式的实时时钟芯片，这种芯片与单片机的连接是将地址线、数据线、控制线并行与单片机连接。例如：DS12C887、MC146818等。这种方式由于数据和地址的并行传送，所以它具有操作方便、快速、编程简单等优点，缺点就是硬件电路相对的复杂。不同的实时时钟芯片具有不同的功能，现在的大多数时钟芯片具有时钟日历/闹钟两种功能，如PCF8583。但是在现在的测控应用系统中，只是具有这两种功能已远远不能满足用户的需求，所以现在许多芯片增加了方波输出功