毕业设计 基于单片机的语音报温系统设计

长春理工大学毕业设计 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 文档由全能交通旅游搜索引擎专家达达搜 http:/ 分享 达达搜简介： 达达搜作为新一代的交通搜索引擎，首创结合三网合一（海、陆、空）的出行搜索方式， 实现对全球路径的搜索和导航、对票价、里程、历时的比较和排序，旨在为用户提供不仅 是优惠的更是即时真实的、方便快捷的出行方式，同时提供酒店、旅游等配套服务，达到 出行各方面的需求。现在的互联网上有着海量的出行、旅游、票务信息，我们去哪儿，乘 飞机、火车、巴士或轮船等，就分别上哪个网站，没有一个检索的工具和一站式的服务； 全国有超过十万多个海陆空交通旅行票务问讯电话，乘巴士、火车、飞机或轮船就分别拨 打相关问讯，没有一个统一的客服（这个客服不仅仅是全国某个交通工具的统一，而是海 陆空全部的统一） 。这就是我们出行面临的各种问题。有没有解决问题的办法或你只需按一 下鼠标或电话，其余的交给我们呢？达达搜可以搜索国内所有城市及海外主要城市间的任 意两点之间的所有海陆空到达方式，配套了国内外电子机票订购、火车票余票查询和订购、 全国几乎所有长途巴士的全部路径查询和主要城市巴士电子客票订购。达达搜董事长刘友 常说，海陆空客服中心也推出在即。达达搜要做的，是打造行业的专业的垂直的实时动态 的全球交通搜索引擎和全程一站式的服务。无论您在哪里？是直达或是换乘、是国内还是 国外，在出发地都能拿到海陆空全程电子客票。这种服务不仅可以在网上实施也可拨打客 服完成。方便所有旅客出行，节约时间成本和人力成本。达达交通搜索引擎将颠覆人们的 出行方式，带给我们的将是一个全新便捷的出行体验和行业垂直搜索的革命！ 去哪儿？上达达搜！ ABSTRACT With the quick development 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 measure 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 for development. 长春理工大学毕业设计 -2- 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 voice 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 长春理工大学毕业设计 -I- 目 录 第一章 绪 论 .1 1.1 引言 .1 1.2 语音测温系统的发展状况 .1 1.3 论文的研究目的和内容 .1 第二章 系统设计各部分理论基础 .2 2.1 温度传感器部分 .2 2.2 信号放大及模数转换部分 .3 2.3 单片机部分 .4 2.4 语音录放系统部分 .5 2.5 电子时钟系统部分 .12 第三章 硬件部分的设计 .15 3.1 温度采集及模拟信号转换的设计 .15 3.2 ADC0809 与 89C51 的接口设计 .16 3.3 单片机接口扩展设计 .17 3.4 ISD1420 与 89C51 的接口设计 .18 3.5 DS12C887 与 89C51 的接口设计 .20 3.6 时钟键盘、显示器与 89C51 的接口设计 .21 第四章 软件部分的设计 .22 4.1 A/D 转换及信号识别的程序设计 .23 4.2 语音报警的程序设计 .24 4.3 实时时钟的程序设计 .27 结 论 .30 参考文献 .30 致 谢 .31 长春理工大学毕业设计 -1- 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。 长春理工大学毕业设计 -2- 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 长春理工大学毕业设计 -3- 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）IqKln 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 长春理工大学毕业设计 -4- 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，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（ FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read 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 长春理工大学毕业设计 -5- 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 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 长春理工大学毕业设计 -6- 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。 长春理工大学毕业设计 -7- 2.4.3 管脚描述 图2.3 ISD1420管脚 1、电源输入 VCCA、VCCD ISD1420 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，ISD 1420 内部模拟地和数子地也使用不同的回路。 3、录音 REC REC 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） 。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）或存储器的尾部放音将停止。结束放音后，器件自动进入 长春理工大学毕业设计 -8- 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-15dB 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。ISD1420 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 长春理工大学毕业设计 -9- 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 ISD1420 的有效地址外部。当地址的最高两位 A7、A 6 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、A 6 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 长春理工大学毕业设计 -10- 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。 PALYE 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 长春理工大学毕业设计 -11- 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. 长春理工大学毕业设计 -12- 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 长春理工大学毕业设计 -13- 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能， 使实时时钟芯片的应用更具广泛。 DS12C887 具有时钟、闹钟和方波输出的功能。他具有功能强大、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。所以掌握 DS12C887 与单 片机的接口及编程技术，把它嵌入到多样化的应用环境中去，有较大的实用价 值。 2.5.2 DS12C887 性能简介 DS12C887 是 DALLAS 公司推出的 8 位并行带 RAM 的实时时钟芯片，它 的功能强大，应用广泛。它是适用于同单片机接口的新一代实时时钟芯片。 DS12C887 采用 24 引脚双列直插式封装。其振荡电路、充电电路和可充电锂电 池等一起封装在芯片的上方。它断电后能运行 10 年之久而不丢失数据。 DS12887 时钟芯片引脚排列如图 2.7 所示。 长春理工大学毕业设计 -14- 图 2.7 DS12887 时钟芯片引脚 时钟芯片 DS12887 共有 24 个引脚，主要引脚分别为： DS 数据读写信号端； R/W 数据写信号端； AS 地址锁存信号端； 选通信号端，低电平有效； CS MOT 计算机总线选择端； RESET 复位端； AD0AD7 地址/数据（双向）总线。 地址分配 DS12887 内存由存放实时时钟的时间、日历、闹钟 RAM 以及用于控制的 状态查询的寄存器和用户 RAM 组成，其中前 10 个单元用于存放实时时钟，紧 接着 4 个单元为 4 个控制寄存器，余下的 114 字节为用户 RAM。除以下情况为 只读状态外，所有 128 字节可直接读写： 1. 寄存器 C 和寄存器 D。 2. 寄存器 A 的 bit.7 位。 3. 秒字节的高位。 寄存器及 RAM 的说明 从 00H09H 10 个单元为时钟、日历、闹钟单元，其内容可由程序写入或 读出。其初始值在芯片初始化时由程序写入，可用二进制值或 BCD 码表示。时 间显示可采用每天 12 小时制或 24 小时制。以上功能均由 B 寄存器相关位决定。 三个闹钟单元（即 01H，03H，05H）有两种用法： 1. 根据写入到三个闹钟单元的值产生中断。 2. 在各闹钟单元写入“自由（dont care）码”=0 C0H0FFH， ，即最高两 位为 1 时为“自由”状态，可产生周期性的闹钟中断。 寄存器 A 的主要功能： 1. 提供时间更新标志，确定在何时读出正确的时间。 2. 提供分频控制功能。 3. 可选择输出的方波频率以及周期中断频率。 寄存器 B 的主要功能： 1. 具有初始化设置功能。初始化时必需将相关位置 1，才能初始化时间和 日历字节。 2. 对相关位进行设置，可使系统具有周期中断、闹钟中断、更新结束中断 功能。 3. 可控制方波的输出。 长春理工大学毕业设计 -15- 4. 可控制时间的显示模式，并可自动执行夏令时制。 寄存器 C 的主要功能： 提供中断请求、周期中断、闹钟中断以及更新结束中断标志，以及 CPU 查 询。 寄存器 D 的主要功能： 提供有效 RAM 和时间标志。该标志位出厂前由 DALLAS 公司置状态 1。这 一位不可写，应总读出为 1。如果出现 0，表明内部电池耗尽。 第三章 硬件部分的设计 根据以上所总结调查的知识与资料，将本设计的系统硬件结构构思如下图 所示： 51 单 片 机 语音播报 系统 显 示 电子日历 时钟芯片 检 测 电 路 键 盘 传 感 器 放 大 器 图 3.1 系统原理框图 系统结构主要由信号采集、模数转换、单片机及其扩展系统、语音系统及 其键盘、时钟系统、时钟键盘、显示系统几部分构成。这里将分步对这几部分 的具体设计进行阐述。 长春理工大学毕业设计 -16- 参照各单片接口资料设计总体电路图，见附录二。 3.1 温度采集及模拟信号转换的设计 AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特 性如下： 1、流过器件的电流值等于期间所处环境的热力学温度（开尔文）值，即 Ir T =1，式中：Ir 为流过器件（AD590）的电流，单位为A ，T为热力学 温度，单位为K。 2、AD590的测温范围为-55+150。 3、AD590的电源电压范围为430V。电源电压可在46V范围变化，电流 Ir变化1A ，相当于温度变化 1K。AD590可以承受44V 正向电压和20V 反向电压， 因而器件反接也不会被损坏。 4、输出电阻为 710。 5、精度高， AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M 档精度最高，在- 55150范围内，非线行误差为0.3。 +12v -12v Rf2 1k10K RC2 2 3 6 4 7 5 8 1 1K Rf1 -12v +12v +5v 1K R2 5K R3 -12v +12v RC110k 1K R1 AD590 LM324 LM324 LM324 OUT VCC 2 3 6 4 7 5 8 1 2 3 6 4 7 5 8 1 图3.2 温度信号采集转化图 由于采用的 A/D 转换器 ADC0809 分辨率为 ，且允许%4.01)2/(8 的最大输入电压为 5V，因此他能分辨输入模拟电压的最小变化量为 5V 0.4%=20mV；AD590 的测量特性为电流 Ir 变化 1A，相当于温度变化 1K，因此如要测量-温度范围为 0到 100 ，即流过传感器 AD590 的电流为 （273373）A，保留范围（250400）A。 该电流经上图所示电路应得到一个 A/D 可识别的电压 ,即最小电压变化为 20mV。这里将温度传感器 AD590 与 10K 电阻串联，取其压降。测量温度范围 长春理工大学毕业设计 -17- 为 0到 100，则电压为 2.73V 到 3.73V。将压降送入 LM324 电压跟随，送 入第三个运放同相端；利用第二个运放取得 2.73V 参考电压，送入第三个运放 反相端；第三个运放构成减法电路，当同相端输入电阻和反向端输入电阻相等、 同相端接地电阻和反向端反馈电阻相等时，输出电压为： （3.1）)u(RfCU12120 根据公式（3.1） ，本系统要求运放输出 05V 电压时，输出电压变化系数 为 10mV/A，因此，可调整可变电阻使放大倍数为 2 倍，即可满足最小分辨率 20mV/A 的变化。 以上电路系统部分的最主要作用就是生成的减法器将温度传感器采集到的 开尔文温度值转换为了摄氏温度值。 3.2 ADC0809 与 89C51 的接口设计 OE1 LE11 D13 Q1 2D24 Q2 5 D37 Q3 6D48 Q4 9 D513 Q5 12D614 Q6 15 D717 Q7 16D818 Q8 19 VCC 20 GND10 DM74ALS373N P0.1P0.1 P0.2P0.3 P0.4P0.5 P0.6P0.7 ADD AADD B ADD C ALE VCC 123 MC74AC02N 456 MC74AC02N STARTWR RD OE P2.7 IN31 IN42 IN53 IN64 IN75 START6 EOC 7 D3 8 OE 9 CLK10 VCC 11 VREF+ 12 GND13 D1 14D2 15 VREF- 16 D0 17 D4 18D5 19 D6 20D7 21 ALE22 ADD C 23 ADD B24 ADD A25 IN026 IN127 IN228 ADC0809CCN OUT 4 CLK3 D2 1 Q 5 Q 6CLR PR DM74AS74M P0.0P0.1 P0.2P0.3 P0.4P0.5 P0.6P0.7ADD A ADD BADD C ALE START OE VCC A0A1 CS 图 3.3 A/D0809 与单片机的接口图 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。上图是通 过查询方式完成 A/D 启动和转换的。 89C51 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，以选通 IN0IN7 中的一个通路。本设计可使三 位地址全置 0 ，选通 IN0。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。 长春理工大学毕业设计 -18- 3.3 单片机接口扩展设计 P1.0/T2 1P1.1/T2EX 2 P1.2/ECI 3P1.3/CEX0 4 P1.4/CEX1 5P1.5/CEX2 6 P1.6/CEX3 7P1.7/CEX4 8 RST9 P3.0/RxD10 P3.1/TxD11 P3.2/INT012 P3.3/INT113 P3.4/T014 P3.5/T115 P3.6/WR16 P3.7/RD17 XTAL218 XTAL1 19 VSS20 P2.0/A8 21P2.1/A9 22 P2.2/A10 23P2.3/A11 24 P2.4/A12 25P2.5/A13 26 P2.6/A14 27P2.7/A15 28 PSEN29 ALE/PROG30 EA/VPP 31 P0.7/AD7 32P0.6/AD6 33P0.5/AD5 34 P0.4/AD4 35P0.3/AD3 36P0.2/AD2 37 P0.1/AD1 38P0.0/AD0 39 VCC 40 P89C51RC2BN/01 P0.0P0.1 P0.2P0.3 P0.4P0.5 P0.6P0.7 ALE P2.7 VCC WRRD OE1 LE11 D13 Q1 2D24 Q2 5 D37 Q3 6D48 Q4 9 D513 Q5 12D614 Q6 15 D717 Q7 16D818 Q8 19 VCC 20 GND10 DM74ALS373N P0.1P0.1 P0.2P0.3 P0.4P0.5 P0.6P0.7 ADD AADD B ADD C ALE VCC 8255AVCC P2.6 P2.0 RDWR CS A1A0 P0.0P0.1 P0.2P0.3 P0.4P0.5 P0.6P0.7 PC7PC6 PC5PC4 PC3PC2 PC1PC0 PB7PB6 PB5PB4 PB3PB2 PB1PB0 PA7PA6 PA5PA4 PA3PA2 PA1PA0 A0A1 CS PALYE Vcc26 RD5 WR36 RESET35 CS6 A19 A08 GND13 D734 D633 D229 D532 D431 D330 D128 D027 PC7 14PC6 15 PC5 16PC4 17 PC3 13PC2 12 PC1 11PC0 10 PB7 18PB6 19 PB5 20PB4 21 PB3 22PB2 24 PB1 25PB0 25 PA7 4PA6 3 PA5 2PA4 1 PA3 40PA2 39 PA1 38PA0 37 RXDTXD INT 0 图 3.4 8255A 单片扩展接口图 经考虑及之后的设计需要，故将 89C51 的 P0 口扩展成上图所示。 上图中 8255A 只有 3 根线与地址线连接。片选端 、地址选择端S A1、A0，分别接于 P0.7、P0.1、P 0.0，其他地址线全悬空。此时，只要保证 P0.7 为低电平时，选中该 8255A，若 P0.1、P0.0 再为“00”则选中 8255A 的 A 口；同理，P 0.1、P 0.0 为“01” 、 “10”、 “11”则分别选中 B 口、C 口及控制 口。若地址用 16 位表示，其他无用端全设为“1” ，则 8255A 的 A、B、C 及控 制口地址分别为：FF7CH 、FF7DH、FF 7EH、FF 7FH。 3.4 ISD1420 与 89C51 的接口设计 ISD1420 的工作过程为： 1、录制信息 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。 2、边缘启动放音 将PLAYE变低，将从存储器开始或选定的位置开始放音。 PLAYE 的上升 沿对操作没有影响。如果存储器内部全部录满信息，则可以播放内部全部的信 息。如果到达结束标志EOM，电路将停止放音并自动进入掉电模式。一个新的 PLAYE下降沿将触发另外一个从起始地址的放音。 3、电平触发放音 长春理工大学毕业设计 -19- 将PLAYE变低，将从存储器开始或选定的位置开始放音。如果存储器内部 全部录满信息，则可以播放内部全部的信息。如果到达结束标志EOM ，电路将 停止放音并自动进入掉电模式。一个新的PLAYL下降沿将触发另外一个从起始 地址的放音。 4、电平触发放音（夭折） 在放音过程中，如果PLAYL电平变为高电平，电路将停止放音进入掉电模 式。另一个PLAYL的下降沿将触发另外一次从起始地址的放音操作。 5、录音（中断放音） 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。 6、录制信息，只占用部分地址空间 如果录制的信息不能占满整个存储空间，可以在录制中将REC变为高电平， 这将导致录音结束并放置EOM结束标志。电路进入掉电模式。 7、播放录制的信息，整个信息没占满整个空间 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。 8、RECLED操作 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。 9、时间显示录音设定 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 A0A7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414=56个存储 单元。1416的地址输入端为07,有效的取值范围为0000000010011111,即最 长春理工大学毕业设计 -20- 多可划分为160个存储单元,用来录放多段语音。07决定每个语音段的起始地 址。 VccdVcca Vssd PLAYLPLAYE A6 AGC RECLED XCLK A0 REC A7 Vssa sp-sp+ A2A3 A4 MIC REFMIC ANA INANA OUT A5 A1 VCC Speaker 0.1uFC2 5.1KR4 Mic0.1uFC3 0.1uFC4 VCC 1KR7 10K R610KR5 220uFC6 + 470KR1 4.7uFC5 + 1KR8LED VCC 100K R10 PA0PA1 PA2PA3 PA4PA5 PA6PA7 12 34 56 910 2324 27 25 26 19 1718 21 20 1514 1312 1628 0.01uF C7 P1.0 P1.1 100K R9 100K R11 图3.5 ISD1420语音芯片与89C 51的接口图 表3.1 地址与语音段的对应关系 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，即（SETB P1.0）。 长春理工大学毕业设计 -21- 3.5 DS12C887 与 89C51 的接口设计 VCC 24 AD5 9 AD4 8 AD3 7 AD2 6 AD1 5 AD0 4 AD7 11 MOT1 AD6 10 CS13 AS14 R/W15 DS17 RST18 SQW 23 GND12 IRQ 19 DS12887 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 ALE P2.6 RD WR VCC RST 10K R12 10uF C7VCC RST 1 2 SN74ALS04BD 图 3.6 DS12887 时钟芯片与 89C51 的接口图 DS12887 本身带有地址锁存功能，所以与各种微处理器的接口十分简单。 模式选择脚 MOT 接地，选择 INTEL 时序，选择 DS12887 时钟芯片的地址 总线及 AS 端口和 89C51 单片机扩展的 PC 口及 ALE 端直接连接；而 DS、R/W 读写控制线与单片机的 、 控制线连接；DS12887 的高位地址由 89C51RDW 的 P2.6 口来片选，则 DS12887 的高 8 位地址定为 40H，而其低 8 位则由芯片 内部各单元的地址来决定。 长春理工大学毕业设计 -22- 3.6 时钟键盘、显示器与 89C51 的接口设计 VCC RXD INT0 E1E2 E3E4 TXDSET UP DOWN ALARM 10K R14 10K R16 10K R15 10K R13 VCC E1 E2 E3 E4 PL 1CP1 2 GND 8 CP2 15DS 10 Q7 9Q7 7 VCC 16P011 P112 P213 P314 P43 P54 P65 P76 74LS165 10K R17 VCC VDD 4LED+ 2 LED- 1VSS 3 RT2 18 BUSY13 D05 REQ 14 D16 D27 D38 D49 D510 D611 D712 RT1 17 LCD P2.0PB0 PB1PB2 PB3PB4 PB5PB6 PB7 图 3.7 显示模块 OCMJ 与 89C51 的接口图 实时时钟部分按键主要有设置、增、减、闹铃开关键，以实现时间调整、 设置等功能。为节省口线，采用并行输入、串行输出移位寄存器 74LS165 扩展 接口。键盘数据读入由单片机 P3.0、P 3.1、P3.2 控制，其中 P3.2 作数据封锁 信号，P3.0 为数据输入，P 3.1 为时钟信号。 本设计需要显示信息较多，如年、月、日、时、分、秒、闹钟设定时间等 时间信息以及温度值。为充分明确显示数据，采用 OCMJ 48 中文液晶显示模 块，该模块内含 GB2312 1616 点阵国标一级简体汉字和 ASC码，可实现文 本显示。OCMJ 48 中文模块不需初始化，设置初始化的工作都在上电时自动 完成，实现了“即插即用” 。其用户硬件接口采用 REQ/BUSY 握手协议，简 单可靠。 BUSY 高电平有效，表示 OCMJ 忙，不能接受命令； BUSY=0 时，表示 OCMJ 空闲。 同时 REQ=1 时通知 OCMJ 处理当前数据线上的数据。 该显示模块具有直接读取地址线中十进制数据的功能，极大的减化了显示 程序量。 长春理工大学毕业设计 -23- 第四章 软件部分的设计 软件部分程序主流程： NY 图 4.1 主流程框图 长春理工大学毕业设计 -24- 4.1 A/D 转换及信号识别的程序设计 DPTRP2.7=0A/D NY4575PB 图 4.2 A/D 转换及数据处理框图 长春理工大学毕业设计 -25- 此段程序如下： MAIN： MOV R1，#30 MOV DPTR，#7F8FH LOOP： MOVX DPTR，A MOV R6，#0A