软件工程硕士论文-锅炉的单片机控制系统.pdf

山东大学 硕士学位论文 锅炉的单片机控制系统 姓名：张向丰 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：高胜法 20060406 山东大学硕士学位论文 摘要 国家在第1 0 到第1 1 个五年计划的科技创新指南中，对光机电一体化、资源 与环境、新能源与高效节能的指导性课题中明确指出：需要开发研制自动化程度 高、节能潜力大、提高安全系数、减轻环境污染、减轻劳动强度、价格低的新型 测控装置，如本课题要研究开发的中小型链条式工业锅炉用的新型测控装置。 本课题综合运用单片微型计算机技术与嵌入式自动化程序控制编程技术和 语音合成技术，能独立完成对工业现场的中小型锅炉的直接控制，并且能用汉语 语音提示及报警；能接收工业现场的传感器信号，输出控制工业常规物理量，如： 压力、温度、液位、流量、进料、出料等；能根据用户工业现场的实际需要，设 定上限，上极限，下限、下极限，定位设定准确，控制精度高等；强电、弱电之 间采用了光电隔离，抗干扰能力强。属中小型链条式工业锅炉用的新型测控装置。 本系统要自行开发设计微型计算机数字电路主控板；自行开发设计制造的自 动化微型计算机数字语音合成技术电路；自行开发设计控制程序和语音合成技术 编程程序。把自动化控制程序和语音合成程序分别用编程器写入主控板的微计算 机和外置e p r o m 中。微计算机主控板的弱电与强电( 继电器，接触器) 采用光电隔 离，融自动化控制和汉语语音提示及限位报警为一体。可根据用户的工业现场需 要，自行擦写、删改自动化控制程序和语音合成程序，达到对工业现场中小型锅 炉的直接控制。 根据该课题开发成产品后，能广泛应用于工业和生活用锅炉。能对蒸汽锅炉 或热水锅炉的引风机、鼓风机，炉排、水泵等进行自动化程序控制。并且还能把 工业现场出现的问题，及时、准确地进行自动化联锁控制处理。输出多种报警和 工业提示语音。实现了对工业现场的运行设备进行自动化联锁保护，保证工业现 场系统设备在最佳状态下运行并提高安全系数，还能节约能源、节约水、减轻环 境污染、减轻劳动强度等。 本文就锅炉控制系统的硬件构成，硬件设计及软件设计等进行了详细介绍。 并针对如何利用p r o t e l 画电路原理图，单片机抗干扰技术，单片机语音合成 技术进行了论述。对m c s 一5 1 系列汇编语言编程、开发环境进行了介绍。 关键词单片机；语音合成；抗干扰技术；锅炉自动控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b o u tt h el i g h tm a c h i n e e l e c t r i c i t yi n t e g r a l 、t h e r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t 、n - e we n e r g ya n de c o n o m i z eo ne n e r g ye f f i c i e n t l y , t h en a t i o n sl o t ha n dll t hf i v ey e a r s p l a no f t h ec r e a t i v eg u i d e b o o ko f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp o 缸o u t ：n e e dt od e v e l o p n e wm e a s u r cc o n t r o ld e v i c e ，w h i c ha u t o m a t i o nd e g r e ei sh i g h ，t h ee c o n o m ye n e r g yp - o t e n t i a li sb i g ，r a i s i n gs a f ec o e f f i c i e n ta n de a s i n gp o l l u t i o no f t h ee n v i r o n m e n t ，e a s i n g t h el a b o rs t r e n g t h ，t h ep r i c ei sl o w s u c ha st h i st o p i c ，e x p l o i t u r i n go f n e wm e a s l l r ec o n t r o ld e v i c eo f t h em e d i u m - s m a l l a l e di n d u s t r i a lc h a i nb o i l e r t h i st o p i cs y f l t h e s i z 鼯t om a k eu s eo f s i n g l es l i c em i c r o c o m p u t e rt e c h n i q u ea n dt - h es p e e c hs y n t h e s i st e c h n i q u ew i t ht h ee m b e d e da u t o m a t i o np r o c e d u r ec o n t r o l , c a ni n - d e p e n d e n tc o m p l e t i o nd i r e c tc o n t r o lo f t h es m a l ls c a l e db o i l e ro nt h ei n d u s t r ys p o t ，a - n dc a nh i n ta n dr e p o r tt ot h ea l a r mw i t ht h ec h i n e s el a n g u a g es p e e c h w h i c hc a nl e c e - i v es e n s o rd a t ef i o mt h ei n d u s t r ys p o t ，o u t p u tt h en o r m a li n d u s t r i a lc o n t r o lp h y s i c sq - u a n t i t y 。s u c ha s p r e s s u l e 、t e m p e r a t u r e 、l i q u i d 、d i a c h a g e 、e n t e rm a t e r i a l 、o u tm a t e r i a l e t c w h i c hc a ne n a c t m e n tu p p e rl i m i t 、a s c e n de x t r e m el i m i t 、d e s c e n dl i m i ta n dd e s - c e n de x t r e m el i m i t ，a c c o r d i n gt ot h er e a ld e m a n do f t h ei n d u s t r i a ls p o to f t h ec b s t o m e r t h ef i x e dp o s i t i o ns e ta c c u r a t e ，c o n t r o la c c u r a c yh i 乒e t c t h es t r o n ge l e c t r i c i t y 、w e a - k e l e c t r i c i t ya d o p t e dt h eu g h te l e c t r i c i t yi n s u l a t et e c h n i q u e ，t h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l - i t yi ss t r o n g i ti st h ed e wm e a s w ec o n t r o ld e v i c eo f t h em e d i u m - s m a l ls e a l e di n d u s t - r i a lc h a i nb o i l e r t h i ss y s t e mw i l ld e v e l o pan u m e r i c a le l e c t r i cc i r c u i tc o n t r o lp l a n kb yo u r s e l f ；e x - p l o i t u r i n ga u t o m a t i cm i e r e c o m p u t e rn u m e r i c a ls p e e c hs y n t h e s i st e c h n i q u ee l e c t r i cc i r c u i tb yo u r s e l f , c x p l o i t u r i n gt h ep r o c e d u r ep r o g r a m m ea n dt h es p e e c hs y n t h e s i sp r o - g r a m n l cb yo u r s e l f t h ea u t o m a t i o nc o n t r o lp r o c e d u r ep r o g r a m m ea n dt h es p e e c hs y - n t h e s i sp r o c e d u r ep r o g r a m m ew i l lw r i t ei n t ot h ec i r c u i tc o n t r o lp l a n ka n dt h eo u t s i d e e p r o mr e s p e c t i v e l y t h ec o n t r o lp l a n ki n s u l a t ew i t ht h ew e a ke l e c t r i c i t y 、t h es t r o - n g e l e c t r i c i t ya d o p t i o nt h el i g h te l e c t r i c i t yi n s u l a t et e c h n i q u e ，m e l tt h ea u t o m a t i o nc o - i i i 山东大学硕士学位论文 n t r o la n dt h ec h i n e s el a n g u a g es p e e c ha l a r mi n t e g r a lw h o l e i tc a l lw i p et ow r i t e 、渺 v i s et h ea u t o m a t i o nc o n t r o lp r o c e d u r ep r o g r a m m ea n dt h es p e e c hs y n t h e s i sp r o c e d u r e p r o g r a m m eb yo u r s e l f , a c c o r d i n g t ot h ed e m a n do f t h ei n d u s t r i a ls p o t ，a t t a i nt oc o n t r - o l sd i r e c t l yt h ei n d u s t r ys m a l l - m e d i u mb o i l e r a f t e rp r o d u c tt h ep r o d u c ta c c o r d i n gt ot h i st o p i c ，i tc a nb ea p p l yi nt h ei n d u s t r y 扣 r i dl i f eb o i l e re x t e n s i v e l y ，c a i lc a r r yo na u t o m a t i n gp r o c e d u r ec o n t r o lo nt h es t e a mb o - i l e ro rt h eh o tw a t e rb o i l e ro nt h el e a dm a c h i n e 、t h ed r u mb r e g z em a c h i n e 、s t o v er o w 、t h ew a t e rp u m pe t e w h e nt h e r ea r ep r o b l e ma p p e a ro nt h ei n d u s t r ys c e n e ，i tc a nb e i nt i m ea n da c c u r a t e l yc a r r yo na u t o m a t i n gc o n t r o lp r o c e s s i n g ，o u t p u tav a r i e t yi n d u s - t r ya l a r m i tc a np r o t e c tt h em o v e m e n te q u i p m e n t so f t h ei n d u s t r ys p o t ，p r o m i s i n gt h e s y s t e me q u i p m e n t so ft h ei n d u s t r y s p o tn l l lu n d e rt h eb e s ta p p e a r a n c ea n dr a i s es a f e c o e f f i c i e n t i tc a na l s oe c o n o m i z ee n e r g y ，e c o n o m i z ew a t e r , e a s ep o l l u t i o no f t h ee n v i - r o n m e n ta n de a s el a b o rs t r e n g t he t c t h i sp a p e rw i l ld e t a i l e di n t r o d u c eb o i l e rc o n t r o ls y s t e mo f h a r d w a r ec o m p o s i n g ， h a r d w a r el i n k ，p r o g r a m m e ，e t c i ta l s oi n t r o d u c eh o wm a k ec i r c u i tp r i n c i p l eb yp r o - t e l m c ua n t i - i n t e r f e r e n c et e c h n i q u e ，t h em a c h i n es p e e c hs y n t h e s i st e c h n i q u e i ta l s o c o n t a i na s s e m b l el a n g u a g eo f m c s 一5 1 k e yw o r d ss c m ；s p e e c hs y n t h e s i st e c h n i q u e ；a n t i - i n t e r f e r e n c et e c h n i q u e ； a u t o m a t i cb o i l e rc o n t r o l i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：攀壶车日期：边。；生一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盈缝辜导师签名：童些造 日 山东大学硕士学位论文 1 。1 课题背景 第一章绪论 目前我国的燃煤锅炉数量众多，我国现有中、小型锅炉3 0 多万台，每年耗 煤量占我国原煤产量的l 4 ，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高，浪费大、环境 污染严重的生产状态。国家在第1 0 到第1 1 个五年计划的科技创新指南中，对光一一 机电一体化、资源与环境、新能源与高效节能的指导性课题中明确指出：需要开 发研制自动化程度高、节能潜力大、提高安全系数、减轻环境污染、减轻劳动强 度、价格低的新型测控装置。要求节煤率达到5 以上，装置投资的回收期在1 年以内，采暖锅炉为3 年以内。如中小型链条式工业锅炉用的新型测控装置。因 此这个课题有现实意义且市场前景良好。 锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、 自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，工业锅炉采用微机控制和原有 的仪表控制方式相比具有以下明显优势：， ， 1 直观而集中的显示锅炉各运行参数。能显示液位、压力、温度的状态。 2 在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制 参数。可以方便的改变液位、压力、温度等的上限、下限。 3 提高锅炉的热效率。采用计算机控制后热效率可比以前提高5 - 1 0 ，据用 户统计，一台2 0 t 的锅炉。全年平均负荷7 0 ，以平均热效率提高5 计，全年节 煤8 0 0 吨。 4 锅炉系统中包含鼓风机、引风机、给水泵等大功率电动机，由于锅炉本身 特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用 阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机、水泵进行微机控制可以平均 节电达到3 0 9 6 4 0 。 5 作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减 轻操作人员的劳动强度。在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安 全机制，可以设置多点声光报警和自动连锁停炉。杜绝由于人为疏忽造成的重大 季故。 山东大学硕士学位论文 综合以上种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统是行业的大势所趋。 单片机是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的c p u 、存储器、输入、 输出等部件。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗 低的特点使它的应用领域目益广泛。工业控制系统的工作环境恶劣，干扰强。故 要求控制系统的工作稳定、抗干扰能力强。单片机能满足这些要求，因此单片机 在控制领域得到了广泛的应用。使用单片控制锅炉是很好的选择。 1 2 国内外研究现状 。一 目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中，取得了很大的成绩，总结 了很多经验。但在这个行业，仍处于发展期。经调查，北京、天津的高校、科 研院所在这方面开展的工作更看重的是理论、算法，研究出来的成果是论文的较 多，看重在生产实际应用的较少：在上海，新型单片机测控装置与系统的研究、 生产基础较雄厚，在生产中需要新型测控装置与系统，也就努力研究、开发。因 此，上海的工程技术和科研人员需要的是应用技术，更看重的是生产实际应用， 对研究理论、算法、成果是论文的较少；深圳在研制新型测控装置与系统领域 也比较有成绩，尽管与其他国家开发者比尚有距离，但是，深圳的高校，科研院 所的最大特点就是实际，与生产实际应用项目无关的问题基本上不去考虑，这里 的工程技术和科研人员关心的不是理论、不是算法、不是论文，而考虑，是用什 么材料、测控什么物理量、优点是什么、与机器设备的通讯接口等等。 一些发达国家在单片机新型测控装置与系统研究、制造、应用上，已积累了 经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、 应用和经验上，有一定的基础，与其他发达国家相比还存在距离，但是，我国的 科研人员能够克服很多困难，有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水 平，这是发展趋势。 1 3 系统简介 随着国内外单片机技术的发展，经过市场调研、比较权衡，我们决定用市场 使用广泛的i n t e l 的8 0 c 3 1 芯片做为锅炉控制系统的处理器，用联华公司的 u m 5 1 0 0 做为系统的语音报警芯片。 2 山东大学硕士学位论文 8 0 ( 2 3 1 采用4 0 引脚的直插封装，有四组i o 口p o 、p l 、p 2 ，p 3 ，其中p o ， p 2 可用于输出地址，因此8 0 c 3 1 的寻址空间为6 4 k 。u m 5 1 0 0 是u m c 推出的 较早的语音合成芯片，用于语音信号的纪录和再生，使用的存储器为s d r m 或 e p r o m 。u m 5 1 0 0 是4 0 脚双列d i p ，语音再生质量高，是用低功耗的c m o s 工艺制成的，3 v - - - 6 v 供电，采样速率为i o k - 2 8 k ，适合作为8 0 31 的语音合成芯 片。存储器采用e p r o m 型的2 7 c 5 1 2 。因为语音要占大量的空间，因此我们选 用存储空间为6 4 k 的存储器。 本课题所设计的系统具有以下几个性能特点： 1 可设置温度的上，下限。 2 可设置压力的上、下限。 3 可设置液位的上、下限。 4 可设置压力的上极限。 5 可设置液位的下极限。 6 2 2 0 v5 0 h z 交流电源供电。 7 可接收8 个传感器信号。 8 可设置鼓风机的开、关。 9 可设置引风机的开、关。 l o 可设置炉排的开，关。 1 1 可设置水泵的开、关。 1 2 单片机用1 n t e l 的8 0 c 3 l 。 1 3 存储器用6 4 k 的e p r 删2 7 c 5 1 2 。 1 4 语音芯片用u m c 的u m 5 1 0 0 。 1 5 可显示液位是否高于上限，低于下极限，低于下限。 1 6 可显示压力是否高于上限，高于上极限，低于下限。 1 7 可显示温度是否高于上限，低于下限。 1 8 可语音报警，液位是否高于上限，低于下极限，低于下限。 1 9 可语音报警，压力是否高于上限，高于上极限，低于下限。 2 0 可语音报警，温度是否高于上限，低于下限。 山东大学硕士学位论文 2 1p r o t e l 简介 第二章开发环境简介 p r o t e l 是电子电路设计软件，从p r o t e l 9 9 至现在的p r o t e ld x p 它功能不 断的增加和完善，深得广大电子电路设计人员的好评，下面就简单介绍p r o t e l 的使用。 圈2 - ip r o t e l 界面 图2 - i 是p r o t e ld x p 打开后的界面，共分为六块： 1 系统菜单：f i l e 菜单，用于文件的打开、关闭等操作；v i e w 菜单，用于和 视图有关的操作，比如放大、缩小等；p r o j e c t 菜单，用于和工程用关的操作， 比如加入新的工程文件；w i n d o w 菜单，用于与窗口有关的操作，比如水平排列窗 口；h e l p 菜单，帮助菜单。 2 左工作区面板：包括文件项目和帮助面板。 3 工作区：用于快速启动任务，比如最近打开的原理图。 4 右工作区面板：点击可以出现更多的面板。 5 面板控制：编辑器特定的和通用的面板可以在这里选择。 6 帮助建议：使用常用语言快速找到问题的答案。 4 山东大学硕士学位论文 2 2 使用p r o t e l 画原理图 图2 - 2 画原理图状态界面 画原理图分为以下几步： 第一步，依次打开f i l e 菜单，选择新建命令，选择s c h e m a t i c 界面如图 2 2 所示。 第二步，放入元件。打开l i b r a r y 面板，选择需要的元件；如果我们要的元 件在l i b r a r y 未包括，我们还要添加元件库，单击l i b r a r i e s 选项来完成元件库 的添加：如果软件给的元 牛库中没有我们要的元件，则要自己动手建元件库，方 法是在新建时选择s c h e m a t i cl i b r a r y 选项而非s c h e m a t i c 。 第三步，连接元件。单击工具栏的w i r e 按钮，光标变成“+ ”型，这时处于 连线编辑状态，当出现红色的十字的时候表示和元件已经电器连接，我们可以把 鼠标指向任意方向来指向要连接的元件，单击左键完成这次连接，单击右键则取 消连绞编辑袄态。 第四步，画总线，放置总线入口。各元件要通过总线连在一起，总线和连线 要通过总线入口连在起。如图2 4 所示，7 4 l 5 2 7 3 通过导线总线入口和总线连 接，图中d 0 是标号，它起实际的电器连接作用。一定不能忘记放标号 山东大学硕士学位论文 图2 - 3 打开l i b r a r y 面板 图2 _ 4 导线通过总线入口和总线连接 第五步，保存文件到工程中。 2 3 软件开发环境简介 本设计的软件开发环境为w a v e 6 0 0 0 ，即使用伟福6 0 0 0 系列仿真器调试程序， 界面如图2 - 5 所示。 利用此软件环境进行系统硬件调试一般分以下几部： l ，建立新程序 6 山东大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! = ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = 选择菜单 文件i 新建文件 功能，在出现的n o n a m e l 源程序窗口内输入程 序代码。 2 保存新程序 选择菜单 文件l 保存文件】或 文件l 另存为 功能，将新文件保存。 3 建立新项目 选择菜单 文件i 新建项目 功能，新建项目分3 步走：加入模块文件、加 入包含文件、保存项目。 4 设置项目一- 选择菜单 文件l 仿真器设置 功能或按仿真器设置快捷图标，打开仿真器 设置对话框设置仿真器。 5 编译程序 按f 9 键编译写好的程序。 6 单步调试程序 按f 7 键单步调试程序。 7 连接硬件仿真 按说明书将仿真器连到计算机，将仿真头连到仿真器。 图2 - 5 伟福6 0 0 0 界面 7 山东大学硕士学位论文 第三章基本概念与芯片介绍 3 1 基本概念 3 1 1 单片机的基本概念 单片微型计算机简称单片机，是早期s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r 的直译， 它忠实地反映了早期单片机的形态和本质。随后，按照面向对象，突出控制功能， 在片内集成了许多外围电路和外设接口，突破了传统意义的计算机结构，发展成 m i c r o c o n t r o l l e r 的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 。鉴于它完全作嵌入式应用，故又称之为嵌入式微控制 器( e m b e d d e d m i c r o c o n t r o i l e r ) 。国内由于单片机一词已约定俗成，仍沿用至今， 但应将单片机的“机”理解成为微控制器而不是微计算机。 二十世纪七十年代单片机的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里 程碑，因为单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算 机系统两大分支。计算机两大分支的产生大大促进了现代计算机技术的飞速发 展。通用计算机系统以发展海量高速数值计算为己任，不必兼颐控制功能，其数 据总线宽度不断更新，迅速从8 位、1 6 位过渡到3 2 位、6 4 位，不断完善其通用 操作系统，突出发展海量高速数值计算能力，并在数据处理、模拟仿真、人工智 能、图像处理、多媒体，网络通信中得到了广泛的应用；单片机则以面向对象的 实时控制为己任，目前仍以8 位机为主流，不断增强控制能力，降低成本，减小 体积，改善开发环境，以空前的速度迅速而广泛地取代经典电子系统。 单片机具有体积小、重量轻、功能强、功耗低、运行速度快、抗干扰能力强、 性价比高、可靠性高等特点，结构灵活，数据基本上都在单片机内部传送，易于 组成各种微机应用系统。它既可用于工业自动控制等场合，又可用于机电一体化 产品、智能仪器、测量仪器、医疗仪器、家用电器等领域，在过程控制、计算机 网络及通讯等方面得到广泛应用。单片微型计算机经历了l 位、4 位、8 位、1 6 位及3 2 位的发展阶段，世界上一些著名的半导体器件厂家都开发了单片微型计 算机，如i n t e l 、m o t o r o l a 、z i l o g ( 泽洛格公司) 、f a i r c h i i d ( 仙耄摄像机与 仪器公司) 、m o s t e k ( 莫斯蒂克公司) 等，单片机的品种日益增加。在众多的通 山东大学硕士学位论文 用型单片机里，以i n t e l 公司的m c s _ - 5 l 系列单片微型计算机最为著名。 l c s 一5 1 单片机系列有： 普通型：5 1 子系列8 0 5 1 8 7 5 1 8 0 3 1 ： 增强型：5 2 子系列8 0 5 2 8 7 5 2 8 0 3 2 ： 低功耗型：8 0 c 5 1 8 7 c 5 1 8 0 c 3 1 ：8 0 c 5 2 8 7 c 5 2 8 0 c 3 2 。 8 0 3 1 内部没有r o m ，但外接一片e p r o m 就相当于8 0 5 1 ，它具有价格低、功 能强、使用灵活、开发方便等特点，适合推广应用。 低功耗型单片机采用c 嘲o s 半导体工艺，型号中用字母c 标识。如8 0 5 1 功 耗为6 3 0 m w 而8 0 c 5 1 功耗仅为1 2 0 m w ，适于便携式或野外作业仪器设备中使用。 特别值得一提的是m c s 一5 1 的布尔处理器。它实际上是一个完整的一位微计 算机，这个一位机有自己的c p u ，位寄存器，i o 口和指令集。把八位微机和一 位微机结合在一起是微机技术上的一个突破。一位机在开关决策，逻辑电路仿真 和实时控制方面非常有效；而八位机在运算处理、数据采集方面有明显的长处。 在m c s 一5 1 单片机中，八位机和一位机( 布尔处理器) 的硬件资源是复合在一起 的，二者相辅相承，这是m c s 一5 1 在设计上的精美之处，也是一般微机所不具备 的，而且具有特殊的多机通讯功能，可作为多机系统的一个子系统。 很多智能性应用场合，智能型产品都用到了单片微型计算机，单片微型计算 机应用开发一直受到人们的重视，并且日益强劲。m c s 一5 1 单片机的应用设计一 般包括两大方面，即硬件接口设计和软件设计。软件设计中又分为与接口硬件有 关的驱动程序的设计以及与接口硬件无关的数据运算和处理程序的设计 3 1 2 存储器的基本概念 半导体存储器按功能可以分为只读和随机存取存储器两大类。 r o m 所谓只读，从字面上理解就是只可以从里面读，不能写进去，它类似于 我们的书本，发到我们手里之后，我们只能读里面的内容，不可以随意更改书本上 的内容。只读存储器的英文缩写为r o m ( r e a do n l ym e m o r y ) 。 r a m 所谓随机存取存储器，即随时可以改写，也可以读出里面的数据，它类 似于我们的黑板，我可以随时写东西上去，也可以用黑板擦擦掉重写。随机存储器 的英文缩写为r 从( r e a d r a n d o m m e m o r y ) ，这两种存储器的英文缩写一定要记牢。 9 山东大学硕士学位论文 p r o m 称之为可编程存储器。我们可以用特殊的方法把数据写到里面，可 一旦写上去，就擦不掉了，所以它只能写一次，要是写错了，就报销了。 e p r o m 称之为紫外线擦除的可编程只读存储器。它里面的内容写上去之后， 如果觉得不满意，可以用一种特殊的方法去掉后重写，这就是用紫外线照射，紫外 线就象“消字灵”，可以把字去掉，然后再重写。当然消的次数多了，也就不灵光 了，所以这种芯片可以擦除的次数也是有限的约几百次。 f l a s h 称之为闪速存储器，它和e p r 伽类似，写上去的东西也可以擦掉重写， 但它要方便一些，不需要光照了，只要用电学方法就可以擦除，所以就方便许多。 而且寿命也很长( 几万到几十万次不等) 。再次强调。这里所有的写都不是指在正 常工作条件下。不管是p r o m ，e p r o m 还是f l a s hr o m ，它们的写都要有特殊的条件， 一般我们用一种称之为“编程器”的设备来做这项工作，一旦把它装到它的工作 位置，就不能随便改写了。 3 1 3 语音合成基础 3 1 3 1 语音有关术语 语音 由人的声道发出的声音，主要由共振峰确定其频率特征。 发音语音的基本生理过程。 声道一根从声门延伸到非均匀截面的声管，他的形状变化是时间的函 数。 共振峰一些语音引起声道共振，组成一个音响共鸣系统。 滑音是一种中间形式，发音时从一个音素变化到另一个因素时的中间 形式。 3 1 3 2 语音信号的采样频率 香农定理表明，语音信号的采样频率是语音所必须的频带的2 倍以上。如要 保存5 k i - l z 带宽的频谱，采样频率必须5 k h z 2 ，即1 0k h z 以上。 人的耳朵可听到频率为2 0h z 2 0k h z 的声音。因此，在处理连续语音时8 k h z 就足以胜任，1 0k h z 来处理就更为理想。 1 0 山东大学硕士学位论文 对语音信号进行采样的频率就叫采样频率，如果我们将采样频率f 乘以编码 位数m ，既f x m ，这就是语音合成芯片的一个重要参数一比特率，即存储一秒钟 语音信息所需的位数，如用1 0k h z 采样频率进行8 位编码，那么一秒钟的信息 量为f x m = 1 0 0 0 0 8 ( b i t ) = 8 0 0 0 0 b p s 。 3 1 3 3 语音合成方法 1 波形存储法：首先由人讲一些单词词组，在内存中建立语音库，尔后就可 以在处理中将这些数字信号调出来 2 参数合成法：基于分析和模拟人的发音器官，以便寻求并建立描述方程。 3 规则合成法：将音素所表示的语音信号存储起来，拼音时随时取用。 3 1 3 4 语音合成方式 1 p c m ：数字脉冲编码调制方式，将声音的模拟量变为数字量，经过语音 采样，语音信号在计算机内体现为一个数字序列。 2 d p c m ：差分脉冲编码调制方式，从两个模拟信号的取样连接问进行差 分变换，而不是直接对原始语音信号编码。 3 调制：对一个语音信号的表示方法是基于位的，比前一个信号高用“1 ” 表示，低就用“0 ”表示。 4 a d p c m ：在差分脉冲编码调制中，改变量化幅值的方式。 5 其他：a d m 、p l c 等。 3 1 3 5 语音库的建立途径 在波形合成方式里分两步第一步，将所需的字、词、句通过话筒输入， 并由语音合成芯片转化为数字量存在存储器中；第二步，决定字、词、句在存 储器中所处的以时间为轴的具体位置或在存储器中的地址。 在参数合成法或规则合成法里也分两步。第一步，由录音机录制字、词、 句，然后进行分析、计算，取得参数编码，再由语音芯片存储器来存储参数： 第二步，基于波形编码方式的输出结果。 山东大学硕士学位论文 使用语音库时应注意以下几点： 1 从语音库获得字、词的数据后，在重组句子时要注意停顿语气、变化等。 2 语音输出间的连接要留意停顿、语气缓冲等音素。 3 字、词重组时还要注意滑音的作用。 4 以时间轴为基准的语音库不应太大。 5 语音库的规模与选择的语音芯片有关。 3 28 0 c 3 1 芯片 3 2 1 芯片选择 目前国际市场上8 位、1 6 位的单片机系列已经很多，但是，在我国使用较 多的是i n t e l 的产品，其中又以m c s 一5 l 系列单片机应用尤为广泛。下表为i n t e l 公司产品的性能表： 譬 翻造垃术斗一器序痒俺矗片 教俘痒赶巷 s l 毽h 麓o sr o mc 4 k )1 2 8 事畸 粥l h h m 0 5置l 麓丰曹 8 7 5 l 珏h m o s蜀瓒0 m 4 k ) 1 2 8 事畸 t - ：n j 口哪 c h 麟n j 嗣n 0 3 m 莨l 嚣亭昔 锄h c 3 la 氆o s王i 勰亭昔 5 l赶m o si d m ( 8 芷，2 5 6 事蕾 3 lh m o s王2 5 6 事芍 表3 - 1i n t e l 公司产品的性能表 在我们做的系统中。我们选择的是8 0 c 3 1 ，原因有以下几点： 1 制造工艺比较先进。8 0 c 3 1 用先进的c h m o s 工艺制造，比原来h m o s 造的 产品功耗低。如8 0 5 1 功耗为6 3 0 r a w 而8 0 c 5 1 功耗仅为1 2 0 m w ，适于便携式或野 外作业仪器设备中使用。 2 价格低。8 0 c 3 1 内部没有程序存储器，价格相对便宜。由于要存储语音信 息，内部程序存储器不能存储这么多的信息，因此我们把程序也放到了外接的存 山东大学硕士学位论文 储器中。 3 使用广泛，技术成熟。8 0 c 3 1 在我国使用广泛，技术也比较成熟，可以节 约开发经费，缩短开发时间。 3 2 2m c s 一5 1 内部结构 8 0 c 3 1 是m c s 一5 1 系列单片机的产品，产品型号的不同主要是内部程序存储 器的差别，其内部结构相同。m c s 一5 1 系列盼内部结构分以下几个部分， 一、中央处理器， ， 中央处理器( c p u ) 是整个单片机的核心部件，是8 位数据宽度的处理器，能 处理8 位二进制数据或代码，c p u 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工 作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 二、数据存储器( r a m ) m c s 一5 1 内部有1 2 8 字节数据存储器( r a m ) 和2 1 个专用寄存器单元，它们 是统一编址的，专用寄存器有专门的用途，通常用于存放控制指令数据，不能用 作用户数据的存放，用户能使用的r a m 只有1 2 8 个字节，可存放读写的数据，运 算的中间结果或用户定义的字型表。 三、定时计数器( r o m ) m c s 一5 1 有两个1 6 位的可编程定时计数器，以实现定时或计数，当定时计 数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。 四、并行输入输出( i 0 ) 口 m c s 一5 1 共有4 个8 位的并行i o 口( p o 、p 1 、p 2 、p 3 ) ，用于对外部数据的 传输。 五、全双工串行口 m c s 一5 1 内置一个全双工异步串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传 送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 六、中断系统 m c s 一5 1 具备较完善的中断功能，有五个中断源( 两个外中断、两个定时计 数器中断和一个串行中断) ，可基本满足不同的控制要求，并具有2 级的优先级 别选择。 山东大学硕士学位论文 七、时钟电路 m c s - 5 1 内置最高频率达1 2 m h z 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的时 序脉冲，但需外接晶体振荡器和振荡电容。 8 ”。”9 。8 4 p o o - - p or 4 p 2 2 t 。：”。 3 2 38 0 c 3 1 引脚说明 图3 - 1m c s - 5 1 内部结构 1 主电源引脚k 和v 。 v 广( 4 0 脚) 接+ 5 v 电源。 v 略一( 2 0 脚) 接地。 2 外接晶体引脚x t a l l 和x t a l 2 x t a l l ( 1 9 脚) 接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大 器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对咖0 s 单 片机，此引脚应接地；对c h m o s 单片机，此引脚作为驱动端。 x t a l 2 ( 1 8 脚) 接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相 放大器的输出端。采用外部振荡器时，对h m o s 单片机，该引脚接外部振荡器的 信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对c h m o s 单片 1 4 山东大学硕士学位论文 机，此引脚应悬浮。 ， c m ) p 1 0 c m e x ) p 1 1 p 1 2 p 1 - 3 p 1 4 p 1 5 一 一p 1 6 p 1 7 r s t 砸d ( r x d ) p 3 0 c r x d ) p 3 i ( b r r o ) p 3 2 圆两p 3 3 c i u ) p 3 4 ) p 3 。5 p 3 6 两p 3 7 x t 舶乙2 x t a l l v s s l 4 0 2 3 9 3 3 8 4 3 7 5 3 6 63 5 73 4 83 3 9 3 2 1 0 8 0 c 3 1 3 1 1 l3 0 1 22 9 1 32 8 1 42 7 1 5 2 6 1 62 5 1 72 4 1 8 2 3 1 92 2 2 02 1 圈3 - 28 0 c 3 1 引脚 3 控制或与其它电源复用引脚r s t v p d ，a l e p r o g 、p s e n 和e a v p p r s t v p d ( 9 脚) 当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平 将使单片机复位。推荐在此引脚与k 引脚之间连接一个约8 2 k 的下拉电阻，与 k 引脚之间连接一个约1 0pf 的电容，以保证可靠地复位。 k 掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部r a m 的数据不丢失。当 k 主电源下掉到低于规定的电平，而v p d 在其规定的电压范围( 5 0 5 v ) 内， v p d 就向内部r a m 提供备用电源。 。 ( 室) a l e p r o g ( 3 0 脚) ：当访问外部存储器时，a l e ( 允许地址锁存) 的输出 甩于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，a l e 端仍以不变的频率周期 山东大学硕士学位论文 性地出现正脉冲信号，此频