毕业设计（论文）-具有语音播报功能的水温控制系统.doc

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1、毕业设计 具有语音播报功能的水温控制系统 学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2012 年 6 月 摘 要 I 摘 要 本文所描述的具有语音播报功能的水温控制系统是以成熟的框架为基础进 行设计的,当前系统框架下,设计之中的区别主要在于系统各个部分单元电路选 用的器件的不同.因此,本文将首先从整体框架中硬件的选择来确定总体电路, 之后将描述各单元电路可行的元器件,在对比中确定优先项。之后将根据设计 要就进行软件程序的设计。文中确定了已 AT89C51 单片机为核心设计的系统， AT89C51 的强大功能将完成接收键盘的指令信号，接受数据收集芯片的收集到 的实时数据，进行处理之后

2、将要显示的部分传送至 LED 显示屏，并可根据需要 控制语音输出，根据预先设定的指令控制实现电路调整水温。语音播报部分采 用集成芯片，进行语音对外传输，选用 ISD4004 在很大程度上优化了系统， ISD4004 采用的是“直接模拟量存储”技术，该技术优势明显可以直接进行模 拟数据的录入，即语音播报部分内容可以直接输入，无需模数装换，存储，再 数模装换，不但简化了流程，而且最大限度的减少失真，输出效果较好。数据 采集模块将使用 DS18B20 数字化温度传感器，DS18B20 突出的特点是无需数模 装换，可以直接接入单片机，减少信号失真。控制实现部分将使用继电器，由 单片机数的小电流经继电器

3、完成对大电流控制。依靠以上设计，系统将高效、 稳定地实现数据采集、处理、输出，实现语音播报、温度控制与恒定。 关键字：关键字：语音播报，水温控制，单片机，芯片，继电器 摘 要 II Abstract Paper describes with speech function of the water temperature control system is the basis of mature framework design, the current system frame, design of the main difference lies in the system of each

4、 part of the unit circuit choose different devices. So, this paper will first from the whole framework of the choice of hardware to set the overall circuit, then will describe each unit circuit feasible components, in contrast to determine a priority. According to the design to after software progra

5、m design. Are determined already AT89C51 single-chip microcomputer as the core of the system design, the strong function of AT89C51 will complete the signals received keyboard, accept data collection of chip to collect data in real time, to deal with that is to be revea LED after the part is sent to

6、 a display screen, , and based on the need to control speech output, according to the predetermined command control realization circuit temperature adjustment. Speech broadcast of the integrated chip, for voice foreign transmission, choose ISD4004 largely optimizes the system, ISD4004 USES is the “d

7、irect simulation amount storage“ technology, this technology can directly to the advantage of the simulation data entry, namely speech broadcast content can direct input part, without modulus outfit change, storage, and mathematical model with change, not only simplify the process, and minimize dist

8、ortion, output effect is good. Data acquisition chip will use DS18B20, DS18B20 outstanding characteristic is no mathematical model with change, can directly access microcontroller, reduce signal distortion. Control realize part will use the relay, the number of single chip microcomputer by small ele

9、ctric current flows through to relay to control. Rely on the above design, the system will be efficient, stable realize data acquisition, processing, output, and realize the speech broadcast, temperature control and constant. Key words: speech broadcast，water temperature control，single-chip microcom

10、puter， chip， relay 目 录 III 目录 摘摘 要要 I I ABSTRACTABSTRACT IIII 目录目录 IIIIII 第一章第一章 引引 言言 1 1 1.1 课题背景及意义 1 1.2 主要设计技术指标与参数2 1.2.1 基本要求 2 1.2.2 主要性能指标 2 1.2.3 主要设计内容 2 第二章第二章 系统总体框图和方案对比论证系统总体框图和方案对比论证 3 3 2.1 总体方案的对比论证3 2.2 系统框图3 2.3 单元电路方案的对比论证4 2.3.1 数采集模块 4 2.3.2 语音播报模块 5 2.3.3 控制实现模块 6 第三章第三章 硬件单元

11、电路设计及相关参数硬件单元电路设计及相关参数 9 9 3.1 单片机 AT89C51 模块9 3.1.1 主要性能参数： 9 3.1.2 功能特性概述: .9 3.1.3 引脚功能说明: .10 3.2 按键模块.12 3.3 数据采集模块.13 3.3.1 DS18B20 主要特性 .13 3.3.2 封装及引脚排列、功能.13 3.3.3 单片机访问 DS18B20 流程.14 3.3.4 DS18B20 测温原理.15 3.3.5 单片机与 DS18B20 的连接.16 3.4 LED 显示模块 .16 3.5 语音播报模块.17 3.5.1 ISD4004 外部引脚 .18 3.5.2

12、 工作参数 .19 3.5.3 语音播放单元电路.19 目 录 IV 3.6 执行模块.20 3.6.1 固态继电器 SSR 工作原理.20 3.6.2 固态继电器 SSR 的特点.21 3.6.3 继电器控制电路图.22 3.7 时钟和复位电路.22 3.7.1 时钟 .22 3.7.2 复位电路 .23 3.8 主电源电路.24 第四章第四章 系统各单元模块程序设计系统各单元模块程序设计 2323 4.1 主程序流程图 .23 4.2 键盘模块程序流程图 .24 4.3 数据采集模块程序流程图 .24 4.4 显示模块程序流程图 .25 4.5 语音播报模块程序流程图 .26 4.6 执行

13、模块程序流程图 .27 结论结论 2828 参考文献参考文献 2929 致谢及声明致谢及声明 3030 附录附录 3131 附录一：整机电路图.31 附录二：部分程序.33 第一章 引言 1 第一章 引 言 1.1 课题背景及意义 水温控制系统起源于早期的温度控制，而温度控制最早的应用是在大工业 生产时期的工厂中，例如钢铁生产，钢材的等级、型号等技术指标的区分在于 对不同温度钢水控制来实现。之后在随着技术的革新进步，生产活动的扩大， 越来越多的行业开始应用温度控制，而温度控制也不再限于单一介质，空气、 水、化工染料都会成为被控制对象。通过控制介质，来保证产品的质量或者用 来生产不同的产品，例如

14、芯片制造，对温度、湿度的要求就极其严格；在纺织 领域，不同温度的水处理过的纺织线，在性质上具有极大的差别，具体表现在 丝线的韧度、弹性有很大不同。 随着生产力的发展与进步，温度控制不再单单应用在工业生产上，越来越 多日常生活设施开始使用温度控制系统，进一步改善人类生活环境，提高生活 质量。例如，现代化的泳池，当前社会在实用性的基础上更加讲究舒适性，表 现在室内泳池上，就是泳池的水温要保持在一个适当的范围内，以使身处泳池 之中人的体表感官保持舒适；在家居生活中，技术较新的产品为了在性能上出 众，以达到增加销量的目的，越来越多的人性化设计开始使用到家电之中，以 电饭煲为例，现在的电饭煲不在简简单单

15、的能煮饭，如果饭煮好后主人没能及 时将饭盛出，电饭煲会根据温度进行自身调节，以使其中的饭始终保持在适宜 食用的温度范围内，这其中用到的就是温度控制。 温度控制系统经历了较长的发展历程，技术越来越成熟，其理论框架基本 不会再有较大的改动，而电子科技的发展为其性能的提升创造了空间。集成化、 微型化、多功能化、高效化、低碳化、简便化成为当下温度控制的目标。本文 将从温度控制中应用最为广泛的水温控制系统为例，将较为先进集成芯片用到 系统中以实现多种功能。本设计定位为具有语音播报功能的水温控制系统，系 统是将 AT89C51 单片机作为核心进行设计的，AT89C51 的强大功能将完成接收 键盘的指令信号

16、，接受数据收集芯片的收集到的实时数据，进行处理之后将要 第一章 引言 2 显示的部分传送至显示屏，并可根据需要控制语音输出，根据预先设定的指令 控制实现电路调整水温。语音播报部分采用集成芯片，进行语音对外传输，选 用 ISD4004 在很大程度上优化了系统，ISD4004 采用的是“直接模拟量存储” 技术，该技术优势明显可以直接进行模拟数据的录入，即语音播报部分内容可 以直接输入，无需模数装换、存储、再数模装换的复杂流程，不但简化了流程， 而且最大限度的减少失真，输出效果较好。数据采集芯片将使用 DS18B20，DS18B20 突出的特点是无需数模装换，可以直接接入单片机，减少信 号失真，而软

17、件部分程序设计将十分简单。该系统可以实现以下功能： 键盘输入及控制系统运作 预先温度设定，系统将根据设定的温度进行控制 语音播报 实时显示当前温度 1.2 主要设计技术指标与参数 1.2.1 基本要求 控制对象为 1 升净水，水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温 度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。 1.2.2 主要性能指标 （1）以单片机为控制核心。 （2）达到设定的水温时，进行语音播报。 （3）电路可以采用集成电路也可以采用分立式电路 （4）用十进制数码显示水的实际温度 1.2.3 主要设计内容 （1）给出电路设计总体框图 （2）给出单元电路的设计与计算，并分析单元电路

18、的工作原理 （3）将单元电路进行级联形成总体电路，并分析工作原理 第二章 系统总体框图和方案对比论证 3 第二章 系统总体框图和方案对比论证 2.1 总体方案的对比论证 本设计的目标是具有语音播报功能的水温控制系统。要求控制对象为 1 升 净水，水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控 制，以保持设定的温度基本不变。以单片机为控制核心,达到设定的水温时， 进行语音播报。电路可以采用集成电路也可以采用分立式电路。用十进制数码 显示水的实际温度。根据设计要求，有以下方案可供选择： 方案 1：以十六位单片机 SPCE061A 为核心，采用常见的分立式设计完成 外围电路功能。 方

19、案 2：以单片机 AT89C51 为核心，采用集成芯片完成外围电路功能。 方案对比：方案 1 使用的 SPCE061A 单片机，其优势在于自身配备语音播 放函数，可以简单快捷的实现语音播放；芯片内置在线仿真、编程接口，对于 在线调试较为有用。方案 2 使用的 AT89C51 单片机，优势在于软件编程自由度 大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。二者各有千秋，但是 SPCE061A 单片机与我们日常接触的 51 系列在指令系统上面差别很大，同时单片机使用 的是 PID 算法，在目前的知识储备中未曾接触过这种算法，在软件编程上存在 困难。而方案 2 使用的 AT89C51 单片机在以前接触过，较

20、为了解，使用起来比 较简单方便。 结论：基于以上对比，本设计采用方案 2。 2.2 系统框图 系统主要包含三部分：输入模块（按键输入、数据采集模块的信息输入） 、 输出模块（语音播报、LED 显示） 、控制实现模块（继电器、电炉） ，另外，电 路还需要时钟电路和复位电路以及电源电路提供外围辅助。 系统框图如图 2.1 所示。 第二章 系统总体框图和方案对比论证 4 单片机 AT89C51 LED 显示 语音播报 ISD4004 继电器 电炉 盛水容器 数据采集 DS18b20 按键 时钟与复位电路 图 2-1 系统框图 2.3 单元电路方案的对比论证 该部分将从系统框图中的模块出发，分析各单元

21、电路的可行方案，通过对 比分析选择最优方案，同时也是从技术角度出发，说明总体方案是最优选项。 2.3.1 数采集模块 数据采集模块是显示模块的前提，同时也是控制电路执行模块反馈形成的 必要条件。数据采集模块在很大程度上要求，具有高精度、高灵敏性，数据采 集模块的精度影响到处理过程的误差波动，灵敏性影响到反馈的形成。 数据采集模块有以下三个方案： 方案 1：采用分立式的设计，数据采集模块由温度传感器铂电阻 Pt1000 和 运算放大器 HT9274，该运算放大器为电压差动运算放大，通过调节可调电阻可 以完成调零。铂热电阻的突出性能是在高温和氧化性介质中很稳定，线性度非 常好，因此它通常用于工业测

22、温。铂电阻传感器将测得的温度线号传到信号放 大器，进行电压信号放大，之后由单片机对信号进行处理并做出反应。工作电 路如图 2.2 所示。 方案 2：采用集成式的设计,由 DS18B20 数字化温度传感器独立完成数据采 集工作 。DSB1820 突出的特点是可以直接接入单片机，无需数模装换，能够 直接读出被测温度,减少信号失真，而软件部分程序设计将十分简单。其读数 方式是数字式的,有效宽度(9-12 位)完全可以满足需求,而且读数时间极短,在 第二章 系统总体框图和方案对比论证 5 一秒钟之内就可以完成 ,芯片的读写都依赖于一个总线,简化了电路,其功耗也 比较低。 图 2-2 由 PT1000

23、和 HT9274 构成的测温电路 方案对比：方案 1 应用的是铂电阻，铂电阻线性好，但是需要进行模数转 换，在一定程度上影响了数据精度，相比较而言，方案 2 更为合适。 结论：基于以上对比，数据采集模块选用方案 2。 2.3.2 语音播报模块 语音播报模块实现的途径是通过单片机控制语音播放器件传输到扩音器, 将预先设定好的语音播放出来。可行的方案有以下两个： 方案 1：以 SK040G 语音芯片直接驱动的 0.5W 的扩音器。SK040G 语音芯片 是一次性可编程语音芯片，语音输出有 PWM 和 DAC 两种模式，可以选择控制模 式，控制模式有三种并口控制、串口控制、按键控制等。该语音芯片内部

24、自带 滤波功率放大器，直接连接扩音器也不会影响音质。 第二章 系统总体框图和方案对比论证 6 方案 2：以 AT89C51 单片机为核心，由 ISD4004 语音芯片配合音频功率放 大器 LM386、麦克风、扩音器等简单外围器件完成语音播放工作，单片机只需 要提供工作信号，在信号驱动下语音芯片便可通过扬声器将预先设定的语音内 容播放出来，而所播放的语音内容可以以录音的方式直接收录进语音芯片便可， 这得益于 ISD4004 语音芯片所特有的“直接模拟量存储”专利技术。 方案比较：两个方案从功能上来说都能顺利完成任务，但是方案 1 中 SK040G 是可编程语音芯片，要完成语音播放任务需要预先的编

25、程，增加了工作 量；另外，虽然该芯片的价格只有几元钱，但是其是一次性可编程的，完成一 次变成后期编程功能即丧失，经济性好，但性价比低。方案 2 中使用的 ISD4004 语音芯片因其所特有直接模拟量存储技术，大大简化了工作量，并且 可以反复使用。 结论：基于以上比较，语音播放模块选择方案 2。 2.3.3 控制实现模块 控制实现模块的方案理论上的方案都是通过继电器衔接电炉，完成弱电信 号对强电的控制，而使用什么样的继电器对电路的完成效率有着很大的影响， 主要由以下两种选择： 方案 1：使用传统电磁式继电器，电磁式继电器结构简单、实用，单片机 传送高电平信号至三极管，三极管正向导通信号传至 2

26、号接口，继电器电流输 入口两个反向电压作用，磁性消失，原本被吸附弹片落下，连接高压两端电路， 电路导通，开始加热。 图 2-3 传统继电器 第二章 系统总体框图和方案对比论证 7 方案 2：使用较为新型的固态继电器，完成强弱电信号衔接。单片机接口 连接一个快速反相器，再连接到固态继电器上，固态继电器另一端连接 220V 电源，正向信号传送至反相器导通，固态继电器工作，强电电路导通，驱动电 炉工作。 图 2-4 固态继电器 方案比较：方案设计要求中并没有对加热装置的使用做出明确要求，但是 控制对象明确为 1L 水，加热非常简单，普通的 1Kw 电炉就可以胜任。外界的 电压为 220V,继电器及其

27、连接部应该有两倍的耐压性，并能保证继电器电路本 身不会对前级电路造成影响。方案 2 的 SSR 继电器具有过零控制功能，可以实 现。 结论：基于以上对比，控制实现单元采用方案 2. 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 9 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 3.1 单片机 AT89C51 模块 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的高性能 8 位 CMOS 单片机，单片机 ROM 采 用具有可快速擦写功能的只读程序存储器（PEROM） ，容量为 4Kbytes，而 RAM 为 128 bytes 大小的随机存取数据存储器，ATMEL 公司的在 8951 身上使用了高 密度、非易失性存储

28、技术，单片机兼容标准的 MCS-51 产品指令系统，片内 CPU 为通用 8 位中央处理器，并置有 flash 存储单元，功能强大。AT89C51 单片机 因其高性价比适用广泛，为各种控制领域所青睐。 3.1.1 主要性能参数： 具有良好的兼容性，MCS-51 系列产品的指令系统完全可应用于 AT89C51 flash 闪速存储器容量较大,可达 4K 字节 数据存储器擦鞋周期长,最高可达 1000 次 静态操作频率宽,下限 0Hz,上限 24MHz 程序存储器可进行三级加密 内部数据存储器（RAM）为 128*8 字节 四组 8 引脚可编程的 I/O 口 16 位定时计数器 2 个 中断源 6

29、 个 可编程串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 3.1.2 功能特性概述: AT89C51 提供以下标准功能：内含两级中断结构,其向量数为 5，通信口为 串行全双工通信，带有内部时钟电路，但是精度较低。同时，AT89C51 可在 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 10 0Hz 状态下进行静态逻辑操作，该单片机提供两种节电模式，模式选择由软件 完成。当单片机处于空闲方式，其 CPU 将停止工作，在此期间 RAM 的读取不受 影响，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。单片机掉电后，能自 动保存 RAM 中的内容，与此同时，振荡器将停止提供时钟信号，在下一个硬件 复位前，所有部件都会

30、被禁止。 3.1.3 引脚功能说明: 图 3-1 AT89C51 引脚排列（PDIP） P0 口：P0 口是双向 I/O 口，具有八个引脚，各引脚为漏极开路型，是地 址或者数据总线复位口，低八位地址线和数据总线分时复用。 P1 口：P1 口同样是双向 I/O 口，引脚也是八个，但是 P1 口各引脚的不同 之处在于其带内部上拉电阻的，P1 可以通过吸收或输出电流的方式由其输出缓 冲级完成对 TTL 逻辑门电路的驱动，可以驱动的个数为 4 个。 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 11 P2 口：P2 口的性质功能与 P1 口基本相同，不同之处在于在进行 Flash 编 程和程序校检时，P2 口可

31、以获取 16 位地址的外部数据，但是 P1 口只能获取低 8 位地址 P3 口：P3 口是的性质功能与 P1、P2 口重叠，但是 P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 3.1 所示: 表 3-1 P3 口的第二功能 除此之外，P3 口还可以接收控制信号，这些控制信号一般用于 f 闪速存储 器编程和程序校验。 RST：复位信号输入端，外部复位电路提供复位信号，复位电路的形式分 为手动和自动两种。 ALE/PROG：ALE（地址所存允许）引脚有两个作用，当 CPU 访问外部程序 存储器或数据存储器时，输出脉冲信号，用于低 8 位字节地址的锁存；当 CPU 对

32、flash 存储器进行编程时，该引脚可以完成编程脉冲（PROG）信号的输入。 PSEN：PSEN 是程序存储允许，其作用是输出外部程序存储器的读选通信 号，每个机器周期内，允许两次读取外部程序存储器。 EA/VPP:EA 保持低电平时，单片机的 CPU 只能访问外部程序存储器，当 EA 保持高电平时，需要接 VCC 端，CPU 就只能访问内部程序存储器 端口引脚第二功能 P3.0 Rxd (串行输入口) P3.1 Txd(串行输出口) P3.2 int0 (外中断0) P3.3 int1 (外中断1) P3.4 t0 (定时/计数器0) P3.5 t1 (定时/计数器1) P3.6 WR (外

33、部数据存储器写选通) P3.7 RD (外部数据存储器读选通) 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 12 XTAL1: 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输出端。 XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端。 3.2 按键模块 按键的功能是完成对系统初始温度的设定,实现这样的要求最少需要三个 键,一个功能键,另外两个键调节温度。各个键的功能描述如表 3-2 所示。 表 3-2 按键控制描述 按键名称功能描述 K2加一键每按一次键，数字加 1 K3减一键每按一次键，数字减 1 K4功能键按键按下,系统处于设定状态,再次按下,系统设定完成。 图 3-2 按键输入模块 第三章 硬件单元电路设计及相关参

34、数 13 按键与单片机 AT89C51 的连接方式是，三个按键的一端都接地，另一端分 别接 10K 的上拉电阻，电阻另一端接+5V 的直流电源。从硬件电路来看，正常 情况下，直流电源、电阻、单片机构成通路，单片机与按键单元连接的引脚始 终处于低电平状态，只有当某个按键按下的时候，才会有高电平信号输入对应 引脚。从软件的工作原理来看，按键单元采用软件查询和外部中断相结合的方 法，由单片机直接对键盘进行扫描，低电平有效。按键 K4 与 P1.5 相连，采用 外部中断方式，并且优先级定为最高；K2 和 K3 分别与 P1.7 和 P1.6 相连，采 用软件查询的方式。 3.3 数据采集模块 数据采集

35、模块采用的是美国 Dallas 半导体公司生产的数字化温度传感器 DS18B20，其特性是可以直接把温度转变为相应的数字量，该温度传感器特备 适合于各种计算机组成单线多点温度测量系统。 3.3.1 DS18B20 主要特性 温度转化与输出过程全部采用数字量 一根数据总线完成输入输出通信 数据采集精度,温度误差不超过 0.5 摄氏度 在最大分辨率下,工作周期为 750 毫秒 供电方式采用独立供电或寄生供电 适用温度范围较宽,下限为55C 上限为+125C 内部带有 EEPROM，并具备限温报警功能 内部只读存储器(ROM)含有 64 位产品序列号 多样的封装形式 3.3.2 封装及引脚排列、功能

36、 DS18B20 有多种封装形式 ，如管道式、磁铁吸附式、不锈钢封装式等，所 以可以适应不同的工作环境，如高炉水循环测温、锅炉测温等。在本设计中， 采用不锈钢封装式的 DS18B20，为保证测温精度,需要用传感器对被测试对象 (1L 水)进行直接接触式测温,不锈钢形式的封装可以保护传感器不受腐蚀。 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 14 图 3-3 DS18B20 引脚排列及封装 DS18B20 外形看起来像一只三极管，引脚如图 3-3，引脚名称及功能如下： GND 接地端 DQ 数字输入输出，与 TTL 电平兼容。 VDD 可选电源端。 每只 DS18B20 都可以设置成两种供电方式，即数

37、据总线供电（寄生电源供 电）和外部供电。采用数据总线供电时，VDD 接地，这样的方式有三个优点， 一是可以进行远距离测温，省去外部电源；二是可以在没有外接电源的情况下 完成测温程序执行；三是节省一根传输线，简化了电路，但缺点是采用寄生供 电方式会延长测温时间，并且对外部电源的稳定性要求较高，需要电源长时间 稳定在+5V；采取外部供电方式时，VDD 需要接 5V 直流电源，优点是可以提高 测量速度，并且该方式下对电源要求宽泛，当工作中电压从+5V 降到+3V 芯片 仍然能够正常工作，但是该状态下，GND 引脚绝对不能悬空，否则程序会进入 死循环，读取的温度值始终是 85 摄氏度。 3.3.3 单

38、片机访问DS18B20流程 单片机是DS18B20 的控制器，在控制器的指令引导下，温度传感器完成温 度采集和数据传输工作。单片机通过一线总线访问DS18B20 的话，需要经过以 下几个步骤： 1. 复位 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 15 单片机上电后，向DS18B20发送不少于480us的低电平信号，DS18B20会在 最长60us的时间内向的单片机返回一个脉冲信号，证明数据采集芯片正在待命， 复位完成。 2. 执行ROM 指令 复位完成后，单片机向DS18B20发送ROM指令，功能是读取DS18B20内部序 列号，当然，读取序列号的过程是为了区分单总线上的多个DS18B20，当总线

39、 上连接单个DS18B20温度传感器时，可以执行跳过ROM指令。在本设计中仅挂接 一片温度传感器，就可以执行跳过命令。 3. 执行DS18B20 功能指令（RAM 指令） 在ROM指令发送完毕后，单片机直接向DS18B20发送RAM指令，RAM指令一共 有六条，分别是，写RAM数据、读取RAM数据，将数据复制并发送到EEPROM，进 行温度转换、EEPROM回传数据给RAM、进行工作方式的切换，DS18B20具体要进 行什么样的工作，由单片机发送的不同命令决定。 3.3.4 DS18B20 测温原理 DS18B20内部有四个主要的数据部件，其中包括带有64位序列号的光刻只 读存储器ROM，温度

40、传感器，温度传感器的储存器，配置寄存器。 温度传感器测量温度的过程实际上是由一只热敏电阻组成电路完成的，该 热敏电阻接入一个电桥中，基准温度下，电桥处于平衡状态。当热敏电阻感受 到温度后，会产生阻值变化，电桥的平衡被打破输出端产生电压，即温度的模 拟量值，该模拟量对应一个十进制数量值。 之后，得到温度转换命令后，DS18B20根据传感器测得的数量值进行转换， 形成二进制的数字化温度值，其计算过程为，测得温度t，若为正值，则 T=t/0.0625,直接将T转换为二进制T1，如温度t等于+125，T=2000，降T转化为 二进制为0000 0111 1101 0000，十六进制表示是07D0H，若

41、所的温度为负值， 如t=-0.5，则T=-8，其二进制表示过程为，8D=0000 0000 0000 1000B，取反 为1111 1111 1111 0111 ，加1后的T1，T1=1111 1111 1111 1000，十六进制 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 16 表示为FFF8H。该温度值被存储在存储器中，在单片机对DS18B20进行读取时， 温度值传输至单片机内。 3.3.5 单片机与DS18B20的连接 前面已经对DS18B20的引脚进行了介绍,该数据采集芯片只有三个引脚:GND 接地端,DQ数字输入/输出端,VDD可选端,VDD可以接地也可以接5V直流电源,当 VDD接地时会

42、影响到读数速度,所以在进行连接时,1820 VDD端口选择接5V直流 电源。单片机与数据采集芯片的连接如图3.4所示。 图 3-4 DS18B20 与 AT89C51 单片机的接口电路 3.4 LED 显示模块 图 3-5 数码管的共阳极电路图 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 17 根据系统设计要求，显示模块的电路要完成动态显示功能，其显示的温度 用十进制表示，由于实际中并没有对精度提出明确要求，我们可以将步进值设 置为1摄氏度，由两片LED构成电路，完成从0-99的温度显示。由于AT89C51 单片机带有32个引脚，无需端口扩展。显示模块需要的器件有，两片8段LED数 码管，一个8路三态

43、反相驱动器74HC241，两个与非门74LS01，8个10K电阻。 LED显示模块的电路连接图如图3-6所示，数码管采用共阳极电路，+5V直 流电源接8个10K上拉电阻接入74HC241反相驱动器，74HC241接P0口，用作字形 驱动，数码管8位引脚接入电阻与反相驱动器之间，74LS01用作位选驱动。数 码管是8段共阳极，所以发光时，字形驱动“0”有效， ，位选驱动“1”有效。 工作时，位选信号每次仅有一路输出是“0” ，另一路是“1” ，同时P2口选 通的数码管相对应的字形码信号。事实上，两只数码管轮流通电，仅有一只数 码管显示数字，由于数码管发光具有余晖特性及人眼的视觉暂留作用，选取循

44、环扫描频率，在视觉上是所有数码管同时点亮的。 图 3-6 显示电路的数码管与单片机连接图 3.5 语音播报模块 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 18 语音播报模块是以ISD4004为核心的，ISD4004是ISD4000系列语音芯片的 一种,4000系列还有ISD4002、ISD4003等，个位上的数字表示语音录放时间， 4004的录放时间为8、10、12、16，不同小类录放时间不同。ISD系列芯片与其 他语音芯片相比，有一项独有技术多电平直接模拟专利技术该技术的使用 是4004在语音采集的过程中，将采集到的模拟量采样值直接存储到闪速存储器 中，避免了A/D转换和数据压缩过程中导致的信号损

45、失与误差，因此由ISD4004 存储播放的语音显得真实、自然，效果极佳，一般的固体录音电路在量化和压 缩过程中造成的量化噪声和金属声不会在ISD身上出现。 3.5.1 ISD4004外部引脚 语音芯片ISD4004的外部引脚图如图3-7所示。 图3-7 ISD4004外部引脚图 引脚说明： （1）同相模拟输入（ANA IN+）-录音信号的同相输入端 （2）反相模拟输入（ANA IN-）-录音信号的反相输入端。 （3）音频输出（AUD OUT）-音频经该端口输出，可驱动 5k 的负载。 （4）片选（）-端口低电平有效，即控制器向该口发送信号选中芯片。SS 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 19

46、 （5）串行输入（MOSI）-串行输入端，主控制器向该口发送的控制信 号，ISD4004 获得信号输入。 （6）串行输出（MISO）- ISD4004 串行输出端，芯片未处于工作状态， 该端口呈高阻状态。 （7）串行时钟（SCLK）-由控制器将时钟信号通过该口发送给 ISD4004。 （8）中断（）-漏极开路输出端口。INT （9）外部时钟（XCLK）-没有接外部时钟时，此端必须接地。 （10）自动静噪（AM CAP）-1F 电容构成内部峰值检测电路的一部分， 检测出的峰值电平与内部设定的阈值作比较，决定自动静噪电路的工作与否。 3.5.2 工作参数 工作电压：单电源+3V直流电压,耐受范围较

47、宽 语音录放时间：816min 工作电流：25-30mA 维持电流：1uA 录音周期：10万次 采样频率：8KHz（频率可选：4.0,5.3,6.4,8.0KHz，频率越低，录放时 间越长，但是音质会下降） 3.5.3 语音播放单元电路 MK1 为驻极体话筒（MIC），用于语音信号录入，LS 为麦克风，功率为 0.5w，用于语音信号播放。在播放语音的部分中，输出端 OUT 接低电压通用集 成功率放大器 LM386M，放大器用于驱动扬声器 LS。图 3-8 所示的功放与扬声 器的连接是 LM368 的典型电路，LM386M 两个 GAIN 脚间外接 10F 的旁路电容， 可以使电路的放大倍数提高

48、 200 倍。 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 20 CSVCCD MOSIXCLK SCLK VSSA VSSA VSSD AMCAPOUT IN- IN+ VCCA VSSA P2.4 P2.3 P2.2 C12 1uf +3V LS1 YS MK1 MIC RS1 C18 10uf R17 10K R19 10KR18 10K R201K C17 220uf C14 0.1uf C15 0.1uf C16 4.7uf C13 22uf + GND VS BYP GAIN GAIN +5v IS D4004 L M 386 C19 10uf 2 3 4 6 5 7 8 1 图 3-8

49、语音播放电路图 3.6 执行模块 执行模块的功能是将单片机传送来的驱动信号送至继电器，控制继电器工 作，由继电器完成弱电流和强电流的衔接，使电炉转为工作状态，对容器中的 水进行加热，使水温恢复到设定温度,选用的型号是240D10 固态继电器。 3.6.1 固态继电器SSR工作原理 系统执行模块采用固态继电器 SSR 进行控制, SSR 内部可以划分为三个部 分：输入电路、耦合电路、输出电路。设计中采用的 240D10 输入电路为两端 直流输入，前端加阻性负载，抑制大电流产生，保障控制信号稳定；在耦合电 路中使用光耦合器，实现输入端与输出端的隔离控制，消除负载端大电流的串 第三章 硬件单元电路设计及相关参数 21 扰；输出电路使用单向可控硅 SCR 和双向可控硅 Triac,控制负载电源的通断， 输出端也是两端接口。在输入端加控制信号完成对输出端负载的“通”“断” 控制 SSR 内部的光耦合器 OPTOS01 输入端的负载是发光二极管，这决定了输入 端与输入信号电平匹配，使用时，SSR 输