《单片机控制锅炉系统毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机控制锅炉系统毕业论文.doc（37页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、摘要摘要 锅炉是在生产和生活中广泛使用而又具有爆炸危险的设备。锅炉的爆炸 又常造成惨重的损失。为加强锅炉运行的安全性，在实际中必须严格地控制 炉膛内的温度、水位和蒸汽压力，实时对这三个参数进行检测，当某一参数 越界，及时产生报警。论文根据报警系统的发展趋势，详尽地阐述了基于单 片机的语音报警系统的设计全过程。该系统采用了单片机 AT89C2051 作为 CPU，它是系统的控制核心。本系统采用的音频合成器件是美国 ISD 公司生产 的 ISD1420 语音芯片，对于它的特点和管脚功能及在本系统中的应用作了详 细介绍。在系统优化阶段，为温度和水位增设了显示功能，完善了系统的设 计。系统软件采用汇编
2、语言编写，主要由主程序、报警语音输出子程序、语 音录入子程序和显示子程序四部分组成，程序简洁、运行可靠。在完成硬件 设计和软件的编制后，对硬件系统进行了联机仿真调试，系统的正常运行验 证了设计的正确性。最后，用 Protel 99 绘制了电路原理图，并制作了 PCB 电路板。 关键字 语音报警；单片机；语音芯片 Abstract Boiler is abroadly used in production and living, but it can easily explode and usually bring disaster. In order to enhance security,
3、it must strictly control temperature, water level and steam pressure. Its necessary to check the three parameters periodly. If found one slop over, it can produce alarming signal in time. With developing trend of alarming system, the paper expatiates the whole designing process of voice alarming sys
4、tem that is based on singlechip microcontroller. AT89c2051 is CPU of system, and it is core of system. Audio- synthesizer of the system is ISD1420 that is made in ISD Company of American. The paper detailedly explains its characteristic and application in the designed system. In the period of optimi
5、zing design, display circuit is added for temperature and water level. This perfects the whole design. Software is programmed by assembly language. The software system includes main program, subprogram of voice output, subprogram of voice input and subprogram of display. After designing hardware of
6、the system and programming the software, building hardware of the system and debugging online. It validates correctness in the design. In the end,circuit drawing and circuit board is made by Protel 99. Key words voice alarm；microcontroller；voice chip 目录目录 摘要I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论1 1.1 锅炉的作用和工作原理.1 1
7、.2 锅炉事故的分类和原因.1 1.3 锅炉报警的现状及研究意义.2 1.4 本论文的工作和特点.3 1.5 本章小节.3 第 2 章 锅炉报警系统的硬件分析与设计5 2.1 系统的硬件分析.5 2.1.1 信号采集器.5 2.1.2 微控制器 CPU7 2.1.3 语音报警电路.7 2.1.4 显示电路.7 2.2 AT89C2051 的应用8 2.2.1 AT89C2051 简介8 2.2.2 AT89C2051 在本系统中的应用10 2.3 ISD1420 的应用11 2.3.1 ISD1420 简介11 2.3.2 ISD1420 在本系统中的应用14 2.4 显示电路.16 2.4.
8、1 LED 简介16 2.4.2 LED 在本系统中的应用17 2.5 本章小节.18 第 3 章 软件设计.19 3.1 系统软件设计原则.19 3.2 软件实现功能.19 3.3 本章小节.26 第 4 章 硬件焊接及系统调试.27 4.1 硬件焊接.27 4.2 调试.27 4.2.1 硬件调试方法.27 4.2.2 软件调试方法.28 4.3 本章小结.29 第 5 章 PROTEL 99 绘制电路原理图和制作 PCB 板 .30 5.1 PROTEL 99 简介 30 5.1.1 Protel 99 的历史及其操作风格30 5.1.2 Protel 99 的强大功能30 5.2 PR
9、OTEL电路设计的基本方法和步骤31 5.2.1 设计电路原理图.31 5.2.2 制作 PCB 电路板.32 5.3 使用 PROTEL 99 的经验总结 .33 5.4 本章小节.35 结论.36 参考文献.37 致 谢.38 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 锅炉的作用和工作原理 （1）锅炉在国民经济中的作用 火力发电是电力工业的主要组成部分。目前在世界上多数国家及我国电 力工业中，火力发电约占总发电量的 70。火力发电虽然成本较高，但基建 投资较少，一般不受地区限制，建设时间较短，能较快地满足工农业发展的 需要。因此火力发电建设的规模将是巨大的。锅炉是火力发电厂主机之一， 火力发电
10、的发展要求锅炉工业以相应的速度发展，因此，锅炉工业的任务也 是巨大的。 在各种工业企业的动力设备中，锅炉是重要的组成部分。锅炉生产的蒸 汽供工业生产直接需用，还供取暖使用。工业锅炉数量大、分布广，每年燃 煤量约大于全国煤炭总产量的四分之一。因此，提高效率 提高机化 自动化 水平以及防止环境污染等，均是工业锅炉的重大研究课题。 锅炉工业本身也在不断发展。目前国外工业锅炉的涵义已从蒸发量为每 每小时几吨的锅炉发展到蒸发量为每小时 200 吨的锅炉。电站锅炉已由高压， 超高压锅炉发展到大量亚临界压力和超临界压力锅炉，单台容量达 1300MW。锅炉除一般工业锅炉与电站锅炉之外，还包括一切动力工业中用
11、以产生蒸汽的换热设备，如核反应堆蒸汽发生器及太阳能锅炉等。总之，随 着国民经济的发展，锅炉工业将发挥愈来愈重要的作用。 （2）锅炉的一般工作原理 锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过煤 油或燃气等燃料的燃烧释放 出化学能，并通过传热过程将能量传递给水，使水转变为蒸汽，蒸汽，蒸汽 直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机 能转变为机 能，或通 过汽轮发电机转变为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效 地转变为蒸汽的热能。因此，近代锅炉亦称为蒸汽发生器。 锅炉的主要部件包括炉膛 燃烧器 水冷壁 过热器省煤器 空气预热器 钢 架炉墙等，这些被称为锅炉本体。此外，锅炉还有重要的辅助装置
12、：（1）磨 煤装置，包括磨煤机 排粉机 粗粉及细粉分离器以及媒粉输送管道；（2）送 风装置，包括送风机及风道，送风机将空气通过空气预热器送往炉子中； （3）引风装置，包括引风机及烟囱，将炉子中排出的烟气送入大气中； （4）给水装置，包括给水泵 给水管及水处理装置；（5）燃料供应装置，将 燃料由储煤场送到锅炉房，包括装卸和运输机等；（6）除渣装置，从锅炉中 除去灰渣并送出电厂；（7）除尘装置，除去锅炉烟气中的飞灰，改善环境卫 生；（8）自动控制与仪表，包括热工测量仪表及自动控制装置。 1.2 锅炉事故的分类和原因 （1）锅炉事故分类 锅炉运行中出现的事故大致可分成 3 类： a.爆炸事故：锅炉中
13、的主要受压部件锅筒（锅壳） 、集箱、炉胆、管板 等发生破裂爆炸的事故。这种事故常导致设备 厂房损失和人身伤亡，造成重 大损失。 b. 重大事故：锅炉无法维持正常运行而被迫停炉的事故，主要有缺水事故 满水事故 汽水共沸 炉管爆裂 过热器损坏 省煤气管损坏 水击 炉膛爆炸 二 次燃烧等事故。这类事故虽不象锅炉爆炸事故严重，但也常常造成设备损坏 和人身伤亡，并使锅炉被迫停运，导致用汽部门局部或全部停工停产，造成 严重经济损失。 c.一般事故：在运行中可以排除的事故或经过短暂停炉即可排除的事故，其 影响和损失较小。 （2）事故的发生原因 a. 超压：由于安全阀、压力表不齐全、损坏或装设错误，操作人员擅
14、离岗 位或放弃监视责任，操作人员有意无意关闭或关小出汽通道 无承压能力的生 活锅炉改作承压蒸汽锅炉等原因，致使锅炉主要受压元件筒体、封头、管板、 炉胆等承压的压力超过其承载力，而造成锅炉事故。 b. 缺陷：锅炉承受的压力并未超过额定压力，但因锅炉主要受压元件出现 裂纹 严重变形、腐蚀、组织变化等情况，导致主要受压元件丧失承压能力， 突然大面积破裂。 b. 缺水：锅炉一旦缺水，主要受压元件得不到正常冷却，甚至被干烧，金 属温度急剧上升甚至烧红。这样的缺水情况是严禁加水的，应立即停炉。 由上可见，在锅炉运行过程中，其炉内的水位，温度和蒸汽压力是要严 格地控制在安全工作的允许范围内，否则将可能发生或
15、小或大的事故，轻则 停炉，重则造成人身伤亡。 1.3 锅炉报警的现状及研究意义 （1） 锅炉报警的现状 锅炉是生产建设和人民生活中广泛使用的热力设备。因为锅炉有较高的 温度和压力，发生爆炸等危险的可能也就比较大，即使是些微的漏汽，漏水 或者操作失常，有时也会造成严重的伤亡和经济损失。因此，锅炉的安全运 行备受关注。而与锅炉安全工作密切相关的三个参数是炉膛内的温度、水位 和蒸汽压力。因此，针对这三个参数设计的报警器就有了现实意义。 目前国内的许多锅炉还在采用玻璃管式水位表，温度计和各种压力表来 显示水位、温度和压力，工作人员需要频繁地观察各种表的视数，这是一个 十分繁重的工作。由于工作人员的粗心
16、，可能造成或轻或重的锅炉事故。也 有一些锅炉安装了简单的报警装置，它们主要是由无 CPU 的硬件电路驱动 蜂鸣器发出报警信号，电路的性能不是非常稳定，所以工作人员不能完全依 赖报警信号来判断锅炉的工作情况。 （2） 研究意义 自单片机出现至今，单片机技术已走过了 30 多年的发展路程。纵观 30 年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术 及超大规模集成电路技术的发展为先导，以其高可靠性、高性能价格比，在 工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得 到极为广泛的应用。 基于单片机的锅炉报警系统以单片微机为控制核心，它接收传感器发来 的数据（以转
17、变为数字量） ，并将这些数据存放到相应的数据区中。然后，单 片机将周期性地提取部分数据与预设的临界值比较，当有数据越界，将产生 相应的报警。从这一过程可以看出，整个报警系统是在单片机的控制下，有 节拍地进行工作的。基于单片机的锅炉报警系统工作可靠、可扩展性强、性 能价格比高。 在现代大多工业控制系统中，对显示、报警仪器仪表多采用数码、指示 灯、光子牌、光柱等来实现显示，对听觉信号大多采用电铃、蜂鸣等来实现。 如果在显示报警仪表上采用数字语言技术、使适合用听觉传送的信息用语言 传送，就可以发挥听觉的优势，弥补完全用视觉信号传递信息的不足。因此 语言数字方式可以成为工业仪表中人机联系的一个友好界面
18、，如把非常熟练 的操作者的经验，后者是领域专家对此问题的评判及处理措施，用语言对现 行操作者以提示、指导，使该系统具有一定的智能，具有这种功能的报警器 将会在现代工业测控系统中应用愈来愈广泛。 1.4 本论文的工作和特点 本论文探讨了一种符合未来报警技术发展方向的锅炉报警系统的软硬件 设计，并对其关键部位予以仿真实现，验证系统设计的正确性。 1论文所作的工作 （1） 报警系统的整体规划 （2） 完成锅炉语音报警系统的硬件设计（包括语音报警电路，及在系 统优化时增加的显示电路的设计） （3） 完成锅炉语音报警系统的软件设计（包括主程序、语音报警输出 程序、录音程序和显示程序的编制） （4） 搭建
19、硬件电路并进行联机调试，实现了报警输出功能。 （5） 利用 Protel 99 绘制了电路原理图并制作了 PCB 电路板。 2主要特点 （1） 是基于单片机的报警系统，系统的可扩展性好 （2） 采用了 ISD1420 语音芯片作为音频合成器，是一个语音报警系统 （3） 系统设计合理，并增加了显示功能 1.5 本章小节 本章作为论文的开始，介绍了有关课题背景方面的知识。首先强调了锅 炉在生产和生活中的重要作用，然后对锅炉事故的分类及其发生原因进行了 简要的介绍，接着讨论了锅炉报警的现状和研究的重要意义，最后，对本论 文所作的工作及论文的特点进行了总结。 第第 2 2 章章 系统分析与系统分析与介
20、绍介绍 2.12.1 系统方案设计 一个最基本的锅炉报警系统应包括信号采集器，CPU，语音报警器三部分 组成。其中信号采集器包括传感器和 A/D 转换电路。在系统的优化阶段，又 为系统添加了显示电路。整个系统的工作原理如图 21 所示。 图 21 锅炉报警系统工作原理图 CPU 控制着传感器的工作。当 CPU 发出相应的控制信号，传感器开始工 作，它输出与被测的量相应的电压/电流信号，此信号经过放大电路放大后， 被送到 A/D 转换电路，A/D 转换电路将模拟信号转换为数字信号送入 CPU，CPU 一方面将采样值存入规定的存储单元中，以供 CPU 查询是否有越界 发生，若发生越界，则控制语音报
21、警电路发出相应的语音报警信号；另一方 面，CPU 对采样值进行计算，处理后，驱动显示电路显示出被测量的数值， 以供用户察看。 2.22.2 信号采集器 2.2.1 传感器 此处的传感器包括温度传感器、水位传感器和气压传感器三种。首先， 介绍一下传感器的定义。 人们通常将能把非电量信息转变为电量信息的器件称为传感器 ，传感器 实质上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转变成电信号。它是 实现测试与自动控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确 可靠的测量，那么，无论是信号转换或信息处理，或是最佳数据的显示和控 制都将无法实现。传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术包 括
22、计算机技术、通信技术和传感器技术。计算机和通信技术发展极快，相当 CPU 传感器 A/D 转换电路 语音报警电路语音报警电路 显示电路 成熟，对此运用自如的工程技术人员也非常多，但精通而灵活使用传感器技 术的工作者却很少，这是因为传感器应用技术都需要使用模拟技术，而模拟 技术有很多问题难以解决。为了适应现代科学技术的发展，世界众多国家都 把传感器技术列为现代的关键技术之一。 传感器干差万别，即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的 传感器，因此，要根据需要选用最适宜的传感器。 a. 测量条件 如果误选传感器，就会降低系统的可靠性。为此，要从系统总体考虑， 明确使用的目的以及采用传感器的必
23、要性，绝对不要采用不适宜的传感器与 不必要的传感器。测量条件列举如下，即测量目的，测量量的选定，测量的 范围，输入信号的带宽，要求的精度，测量所需要的时间，过输入发生的频 繁程度。 b. 传感器的性能 选用传感器时，要考虑传感器的下述性能，即精度，稳定性，响应速度， 模拟信号或者数字信号，输出量及其电平，被测对象特性的影响，校准周期， 过输入保护。 c. 传感器的使用条件 传感器的使用条件即为设置的场所，环境(湿度、温度、振动等)，测量 的时间，与显示器之间的信号传输距离，与外设的连接方式，供电电源容量。 2.2.2 A/D 转换器 在设计及选择 A/D 转换电路时，有如下几个研究项目： (1
24、) 输入通道数 有若干个测量信号时，A/D 转换电路中通常用多路调制器（MPX）切换输 入。一个多路调制器最多可切换 16 个通道。 (2) 输入电压范围 多数 A/D 转换器本身的输入电压只能在 0-+5V、0 一+10V、-5 一+5V、- 10+10V 范围内变换。所以，输入电压太大或太小时，应适当地加入衰减器 或放大器。 (3) 转换时间 进行 A/D 转换需要一定时间，因此，模拟信号的频率范围以及在一定时 间内可转换的信号数是有限制的。 (4) 转换方式 A/D 转换有各种各样的方式，这些方式在转换精度和转换速度（转换时 间）等方面都各有特点。 (5) 分辨率 所谓分辨率是指模拟输入
25、信号能够转换成多少位的数字输出。这种分辨 率由位数来决定。例如：8 位的分辨率为满刻度的 1/256，12 位的分辨率为 满刻度的 1/4096。低于这种分辨率的值就无法表示了，我们把它称为量化误 差。 (6) 非线性精度 由于 AD 转换器电路各组成部分的精度、温度系数和漂移等因素的影响， AD 转换器会存在误差，使输入和输出偏离线性关系。表征这种偏离的特性 就是非线性精度。 (7) 数字接口形式 根据是并行输出还是串行输出、是“CPU 兼容”型(内含输出数据锁存) 还是“非 CPU 兼容”型，是分配到 I/O 口地址还是分配到存贮器地址，以及 是否采用插入等等，所设计的数字接口形式是各不相
26、同的。 传感器和 A/D 转换器不作为本论文讨论的重点内容，所以不作过多的阐 述，对于本系统中所使用的传感器没有给出具体型号，这要根据锅炉的具体 工作情况来选定。 2.32.3 微控制器 CPU 微控制器 CPU 是锅炉报警系统的核心，完成数据处理、控制报警等功能， 选择通用性强、功耗小、性能稳定良好的 8 位 CMOS 微处理器芯片 AT89C2051,它 与常用 MCS51 型单片机兼容，工作电压为 2.7V6V，具有 16 条可编程 I/O 端口,2 个 16 位定时/计数器，1288 位内部 RAM，内带 2K 字节快闪 EEPROM 的特点，大大简化了电路的设计。 AT89C2051
27、 有两个 16 位可编程的定时器/计数器，128 字节 RAM，5 个中 断源，1 个全双工串行通讯口，1 个精密模拟比较器以及片内振荡器和时钟电 路，操作电压为 2.7V 至 5.5V，主频为 11.0592MHz。此外,89C2051 是用可降 到 0 频率的静态逻辑操作设计的,并支持两种可选的软件节电工作方式。 AT89C2051 内部采用了 Flash 存储器,是采用了 ATMEL 的高密非易失存储 技术制造的。通过在单块芯片上组合通用的 PL 和 Flash 存储器,使 AT89C2051 成为一款强劲的微型计算机。它为许多嵌入式控制应用提供了高 度灵活和低成本的解决办法。因而,在
28、89C2051 芯片的使用过程中,错误编程 之后仍可以重新编程,直到正确为止。可以反复进行系统试验。每次试验可以 编入不同的程序,这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随着用户的需 要和产品的更新换代,还可以不断地进行修改,使系统能够不断追随用户的最 新要求,与时俱进。在一般情况下,可以重新使用 1000 次左右。 现将 AT89c2051 的特点总结如下: 指令与 MCS-51 芯片兼容 内含 2k 字节的可编程闪速存储器 工作电压范围：2.7V 至 6V 内含 128 位 RAM 15 条可编程控制 IO 线 片内模拟电压比较器 2 个 16 位定时器计数器寄存器 6 个中断源 可编程串
29、行 URAT 通道 直接 LED 驱动输出 低功耗的闲置和掉电模式 二级程序存储器加锁 寿命：1000 次写擦循环 数据保留时间：10 年 管脚功能介绍： 端口 P1：可以用作为 8 位双向 I/O 引脚控制,P1.2 至 P1.7 提供内部提升 电阻，P1.0 及 P1.1 则需要外加提升电阻，P1.0 也作为内部模拟比较器的负 端(AINI)输入，P1 的输出缓冲器可以吸入 20mA 而直接驱 LED 显示器，P1.6 是比较器输出端。 端口引脚 P3.0-P3.5 及 P3.7 可以作为 7 位双向 I/O 引脚控制，并提供内 部提升电阻。 AT89c2051 的管脚图如图 22 所示。
30、 图 22 AT89C2051 的管脚图 2.42.4 语音报警电路 本系统是一个语音报警系统，这是设计上的一个最大特色。采用了美国 ISD 公司生产的 ISD1420 语音芯片作为系统的音频合成存储器件，这一款语 音芯片采用了 ISD 公司的专利技术直接模拟存储技术（DAST TM）来存储 语音信号，它具有重现优质原声，没有常见的背景噪声；使用方便，外部元 件少；无耗电信息存储，省掉备用电池；信息可保存 100 年，可反复录放 10 万次；具有较强的分段选址能力可处理多达 160 断信息等等，这些优点是选 择它的依据。 ISD1420 为优质单片语音录放电路，由振荡器、语音存储单元、前置放
31、大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小的录 放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组 成。录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方 法是借用于美国 ISD 公司的专利直接模拟存储技术（DAST TM）实现的。 利用它，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入 EEPROM 存储 器。直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语音的再现。 不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。 (1) 特点： 使用方便的单片录放系统，外部元件最少 重现优质原声，没有常见的背景噪声 放音可由边沿或电平触发 无耗电信息存储，省掉备
32、用电池 信息可保存 100 年，可反复录放 10 万次 无需专用编程或开发系统 较强的分段选址能力可处理多达 160 段信息 具有自动节电模式 录或放后立即进入维持状态，仅需 0.5uA 电流 单一 5 伏电源供电 (2) 电特性 工作电压：5V 静态电流：典型值 0.5uA,最大值 2uA 工作电流：典型值 15mA，最大值 30 mA（16 欧姆） (3) 功能描述 语音质量：ISD1420 语音芯片提供 6.4K 取样频率。取样的语音直接 存储到片内的不挥发存储器内部。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。 录放音时间：ISD1420 能提
33、供20 秒的录放音时间。 EEPROM 存储：ISD 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。 基本操作：ISD1420 ChipCorder 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。器件的操作在下面解释。 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
34、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。 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。ISD1400 系列内部存储阵列有160 个可寻址的段，能实现 下面的功能。参考ISD1400 应用信息的地址表。 (4) 芯片管脚图及管脚功能说明： 图图 27 ISD1420ISD1420 管脚图管脚图 2.52.5 显示电路 显示电路是在系统优化阶段完成的，它是对系统设计的完善。 LED 显示器是单片机应用系统中常用的输出器件。它是由若干个发光二 极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不 同组合的二极管导通，就
35、能显示出各种字符。常用的 LED 显示器有 7 段和 “米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极 LED 显示器的 发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的 阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极 LED 显 示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发 光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。 LED 显示器有静态显示和动态显示两种方式。 1LED 静态显示方式 LED 显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一 起并接地（或+5V） ；每位的段选线（adp）分别与一个 8
36、 位的锁存器输 出相连。所以称为静态显示。各个 LED 的显示字符一经确定，相应锁存器 的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正因为如此，静态显示 器的亮度都较高。 2LED 动态显示方式 在多位 LED 显示时，为了简单硬件电路，通常将所有位的段选线相应地 并联在一起，由一个 8 位 I/O 口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共 阳极或共阴极分别由相应的 I/O 线控制，实现各位的分时选通。即在同一时 刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其它各位的位选线处于关闭状态， 同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。这样，虽然这些字符是在不 同时刻出现的，而且同一时刻，只有一位显示，其
37、他各位熄灭，但由于 LED 显示器的余晖和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可造成 多位亮的假象，达到同时显示的目的。 本系统采用是共阳极 LED 显示器，由于需要 8 个 LED 显示器来显示被测 的三个量，所以采用动态显示方式，这节省了输出端口，同时也节约了电能。 2.6 本章小节 本章主要介绍了系统整体方案的设计。在设计中，将系统分为了四大模 块，包括 CPU 模块，语音报警模块，显示模块，信息采集模块。分别对各个 模块进行了简单的介绍，并对前三个模块所选用的器件作了介绍。 第第 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 系统的方案设计在第二章中已经介绍，系统组成方框图见图 21
38、所示。 具体硬件电路是按照这一方案分模块设计的。下面详细地介绍各个模块。 3 3.1 1 CPUCPU 模块模块 系统的 CPU 采用了 8 位单片机 AT89C2051，它的特点和管脚功能在上一 章中已经介绍，这里主要讲解它在本系统中的应用。 AT89C2051 的 P1 口与 ISD1420 的 8 位地址端相连，用于向语音芯片提供 放音/录音段的首地址。CPU 从 P1 口输出首地址给语音芯片，当语音芯片接 到放音或录音控制时，它就从这一首地址开始放音或录音，直到放音或录音 操作结束为止。AT89C2051 的 P3.5 与 ISD1420 的 REC 端口相连，用于控制语 音芯片何时录
39、音。REC 为低电平时，录音开始，当 REC 变为高电平或是内部 存储器已录满信息时，录音结束。AT89C2051 的 P3.7 与 ISD1420 的 PLAYL 端 口相连，用于控制语音芯片何时放音。PLAYL 为低电平时，放音开始，当 PLAYL 变为高电平或遇到结束标志或是到达存储器尾部时，放音结束。 AT89C2051 的 P3.3 口通过一反相器 7406 与一 LED 相连，这是正常工作指示 灯。当正常工作时，指示灯亮起；当有报警输出时，这一指示灯熄灭。 AT89C2051 的 RXD 端作为串行输出端与 74LS164 的串行输入端相接，RXD 端口 每次串行输出 8 位数据，
40、而 74LS164 将从输入端接收到的串行数据转变为并 行数据输出。电路中用了两片 74LS164，其一用于并行输出位码数据，另一 用于并行输出段码数据。TXD 端口与两片 74LS164 的时钟端相连，用于输出 移位脉冲。P3.4 口用于控制三态缓冲器 74LS244 的开启与关闭。AT89C2051 的复位电路采用的是上电自动复位电路，它是通过外部复位电路的电容充电 来实现的。时钟电路采用内部时钟方式，需要在芯片引脚 XTAL1 和引脚 XTAL2 间跨接石英晶体振荡器和微调电容，以构成一个稳定的自激振荡器， 其中，电路中的两电容的典型值通常选择为 30PF 左右，晶体的振荡频率的范 围通
41、常是在 1.2MHZ12MHZ 之间。电源电路设计上，先通过工频变压器将市 电降压，在经过整流、平滑滤波、稳压、二极管降压，最后输出所要求的 5V 直流电压。 AT89C2051 是本系统的控制核心，它与外部的连接情况如图 26 所示。 具体电路图请见附录 1。 P1.5-P1.7 AT89C2051 ISD 的 A5-A7 正常指示 灯 图 31 AT89C2051 的连接情况示意图 系统的时钟电路采用内部时钟方式，具体电路见图 23 所示。 图 32 片内振荡器的时钟电路 系统的复位电路采用上电自动复位，这是最简单的复位电路。在通电瞬 间，由于 RC 的充电过程，在 RST 端出现一定宽度
42、的正脉冲，只要该脉冲能 保持 10ms 以上，就能使单片机复位。具体电路见图 34 所示。 RST XTAL2 XTAL1 VCC P3.3 P3.5 P3.7 RXD TXD P3.4 复位电路 电源电路 时钟电路 显示电路 ISD 的 PLAYL ISD 的 REC 图 33 上电自动复位电路 系统的电源电路要求输出5V 直流电压，在将市电转变为所需输出时， 需要经过变压、整流、平滑滤波和稳压。这里，整流电路采用的是桥式整流 电路，稳压器件选用了稳压三极管 7806。电源电路见图 35 所示。 图34 电源电路 3 3.2 语音报警模块语音报警模块 语音报警模块的关键部件是语音芯片 ISD
43、1420，它是系统的语音合成存 储器件。 ISD1420 是可以分段录/放音的，最小分段：20s/160 段=0.125s/段，可 分段 160 段。而录/放音的起始地址是由地址位 A0A7 来控制的。硬件设计 上，把 ISD1420 的地址端 A0A7 分别与 AT89C2051 的 P1.0P1.7 相接，这 就实现了由 CPU 控制录/放音的起始地址。ISD1420 在本系统中采用电平放音 方式，用 P3.7 口控制放音，低电平开启，高电平关闭。用 P3.5 口控制录音， 低电平开启，高电平关闭。这样，CPU 既能控制语音芯片何时工作、何时停 止，又控制了语音芯片在指定的存储空间中存入相
44、应的语音信息，还能控制 语音芯片从何处开始放音。此时语音芯片就可以按照 CPU 的指示工作。 ISD1420 与 AT89C2051 的连接如图 28 所示。 图 35 ISD1420ISD1420 与 AT89C2051AT89C2051 的连接示意图 ISD1420 的驱动能力有限（0.5W） ，直接接到扬声器上效果不是太理想， 若接 1W 以上的扬声器将发生失真现象。通常 1W 以上的扬声器可用 LM386、DD2283、DD2822、MC34119、TA7368 等芯片驱动；1W10W 的扬声器 用 TDA2003、LA4440 芯片驱动。注意：对于直接驱动发声装置，使用两个反 极性的
45、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。 ISD1420 的喇叭驱动电路如图 29 所示。 ISD1420 A5 A6 A7 PLAYL REC P3.7 P3.5 P1.5 P1.6 P1.7 图 36 喇叭驱动电路图 外部的麦克必须是 AC 耦合，通过一个电容连接。电容的数值和 MIC 管 脚内部的电阻（10K）决定 ISD1420 输入的低频截止频率。MIC REF 是麦克前 置放大的反向输入。当器件使用
46、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。在麦克选择上，应选用优质驻极体麦克。 ISD1420 的麦克接入电路如图 210 所示。 图 3 37 7 麦克接入电路 AGC 阻容尽量靠近 ISD 芯片，且连线尽量短。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决定。 图 38 AGC 端口阻容接法电路 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。 3.3 显示电显
47、示电路路 显示部分主要由串入并出移位寄存器 74LS164、三态缓冲器 74LS244、 三极管 和数码管组成，具体电路见图 39 所示。 图 39 显示电路图 电路工作原理如下：单片机的串行口发送一帧数据时，由 RXD 端口一位 一位地输出数据，而 RXD 与第一片 74LS164 的输入端相连，74LS164 将这样 串行输入的数据转变为并行输出。串行口先发送段码数据，当发送完毕后， 这一段码数据就在第一片 74LS164 的输出端并行输出，但是此时 74LS244 处 于关闭状态，数据是不能通过它被送出。接着，串行口再发送位码数据，当 第一片 74LS164 接收到第 8 位数据时，先前
48、发送的段码数据就移位到第二片 74LS164 输出，由于采用的是动态显示方式，所有数码管的段选线并联在一 起，与第二片 74LS164 的输出端相连。这样，各个数码管都收到相同的段码 数据，至于哪一个数码管亮起，就要看哪一个数码管的位选线被选通。在位 码数据发送完毕后，利用软件打开 74LS244，这时 74LS244 将处于直通状态， 输出的数据和输入的数据保持一致。输出的数据中仅有一位是 0，其余都为 1，输出为 0 的那一位将会使三极管导通，进而驱动相应的数码管显示数据。 其余为 1 的位将不能使三极管导通，就不能够驱动数码管。 3.4 本章小节 本章详细讲述了硬件系统的设计。在设计中，
49、将硬件系统分为三大模块， 包括 CPU 模块、语音报警模块和显示模块。其中显示模块是对系统的优化， 是在优化阶段完成的。针对各个模块，分别给出了电路连接示意图或是电路 图，并对电路的工作原理作了详细的讲解。整体电路图请见附录 1。 第第 4 4 章章 软件设计软件设计 4.1 系统软件设计原则 由于计算机系统软件的进步和飞速发展，在系统设计中，耗用了大量的 开发时间，充分发挥软件功能，尽可能扩展软件的应用范围，这就相对地简 化了硬件结构，降低了成本，提高了系统的性能。根据系统的设计情况，软 件设计应具备如下功能： 取参比较 报警语音输出 语音录入 实时数据显示 系统软件全部采用汇编语言编制，节约了硬件资源，同时提高了系统的 实时性。 4.2 软件编制 系统软件采用模块化结构程序设计方法进行设计。程序模块主要包括主 程序，报警语音输出子程序，语音录入子程序和显示子程序。 (1) 主程序 主程序流程图如图 31 所示。主程序模块完成系统初始化,取参比较， 置位相应的报警标志，并控制相应操作等功能。 在编制主程序时，设一个报警模型标志单元 2