基于单片机的语音报温系统设计.doc

摘摘 要要 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 温度传感器关键词 温度传感器 A D 转换转换 语音系统语音系统 单片机单片机 实时时钟实时时钟 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 temperature s measuring system having an extremely broad space for 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 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 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 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 第二章第二章 系统设计各部分理论基础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 第三章第三章 硬件部分的设计硬件部分的设计 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 第四章第四章 软件部分的设计软件部分的设计 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 结结 论论 30 参考文献参考文献 30 致致 谢谢 31 第一章第一章 绪绪 论论 1 11 1 引言引言 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 21 2 语音测温系统的发展状况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 31 3 论文的研究目的和内容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 第二章第二章 系统设计各部分理论基础系统设计各部分理论基础 2 12 1 温度传感器部分温度传感器部分 2 1 12 1 1 温度传感器的发展温度传感器的发展 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 50 1600 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 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 22 1 2 集成温度传感器集成温度传感器 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 I q KIT Vln 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 22 2 信号放大及模数转换部分信号放大及模数转换部分 2 2 12 2 1 放大器放大器 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 22 2 2 转换器转换器 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 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 0 5 V 0 10 V 5 5 V 等 2 32 3 单片机部分单片机部分 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 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 42 4 语音录放系统部分语音录放系统部分 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 12 4 1 主要特性主要特性 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 图2 2 ISD1420内部结构 2 4 22 4 2 功能描述功能描述 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 2 4 32 4 3 管脚描述管脚描述 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 ISD1420 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 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 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 42 4 4 操作模式操作模式 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 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 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 52 4 5 相关图相关图表表 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 52 5 电子时钟系统部分电子时钟系统部分 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 睐 2 5 12 5 1 实时时钟芯片的类型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 22 5 2 DS1212C887887 性能简介性能简介 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 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 AD0 AD7 地址 数据 双向 总线 地址分配地址分配 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 寄存器及寄存器及 RAM 的说明的说明 从 00H 09H 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 don t care 码 0C0H 0FFH 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 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 第三章第三章 硬件部分的设计硬件部分的设计 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 参照各单片接口资料设计总体电路图 见附录二 3 13 1 温度采集及模拟信号转换的设计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4 30V 电源电压可在4 6V范围变化 电流 Ir变化1 A 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 55 150 范围内 非线行误差为 0 3 12v 12v Rf2 1k 10K RC2 2 3 6 47 5 8 1 1K Rf1 12v 12v 5v 1K R2 5K R3 12v 12v RC1 10k 1K R1 AD590 LM324 LM324 LM324 OUT VCC 2 3 6 47 5 8 1 2 3 6 47 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 0 100 2 1 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 1 A 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 273 373 A 保留范围 250 400 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 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 uu Rf RCRf U 1112 1 22 0 根据公式 3 1 本系统要求运放输出 0 5V 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 23 2 ADC0809ADC0809 与与 89C5189C51 的接口设计的接口设计 OE 1 LE 11 D1 3 Q1 2 D2 4 Q2 5 D3 7 Q3 6 D4 8 Q4 9 D5 13 Q5 12 D6 14 Q6 15 D7 17 Q7 16 D8 18 Q8 19 VCC 20 GND 10 DM74ALS373N P0 1 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 ADD A ADD B ADD C ALE VCC 1 2 3 MC74AC02N 4 5 6 MC74AC02N START WR RD OE P2 7 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 EOC 7 D3 8 OE 9 CLK 10 VCC 11 VREF 12 GND 13 D1 14 D2 15 VREF 16 D0 17 D4 18 D5 19 D6 20 D7 21 ALE 22 ADD C 23 ADD B 24 ADD A 25 IN0 26 IN1 27 IN2 28 ADC0809CCN OUT 4 CLK 3 D 2 1 Q 5 Q 6 CLR PR DM74AS74M P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7ADD A ADD B ADD C ALE START OE VCC A0 A1 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 IN0 IN7 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 3 33 3 单片机接口扩展设计单片机接口扩展设计 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 ECI 3 P1 3 CEX0 4 P1 4 CEX1 5 P1 5 CEX2 6 P1 6 CEX3 7 P1 7 CEX4 8 RST 9 P3 0 RxD 10 P3 1 TxD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA VPP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 AD0 39 VCC 40 P89C51RC2BN 01 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 ALE P2 7 VCC WR RD OE 1 LE 11 D1 3 Q1 2 D2 4 Q2 5 D3 7 Q3 6 D4 8 Q4 9 D5 13 Q5 12 D6 14 Q6 15 D7 17 Q7 16 D8 18 Q8 19 VCC 20 GND 10 DM74ALS373N P0 1 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 ADD A ADD B ADD C ALE VCC8255AVCC P2 6 P2 0 RD WR CS A1 A0 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 PB7 PB6 PB5 PB4 PB3 PB2 PB1 PB0 PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 A0 A1 CS PALYE Vcc 26 RD 5 WR 36 RESET 35 CS 6 A1 9 A0 8 GND 13 D7 34 D6 33 D2 29 D5 32 D4 31 D3 30 D1 28 D0 27 PC7 14 PC6 15 PC5 16 PC4 17 PC3 13 PC2 12 PC1 11 PC0 10 PB7 18 PB6 19 PB5 20 PB4 21 PB3 22 PB2 24 PB1 25 PB0 25 PA7 4 PA6 3 PA5 2 PA4 1 PA3 40 PA2 39 PA1 38 PA0 37 RXD TXD 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CS A1 A0 分别接于 P0 7 P0 1 P0 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 P0 1 P0 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 FF7EH FF7FH 3 43 4 ISD14201420 与与 8989C5151 的接口设计的接口设计 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 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 A0 A7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4 14 56个存储 单元 1416的地址输入端为0 7 有效的取值范围为00000000 10011111 即最 多可划分为160个存储单元 用来录放多段语音 0 7决定每个语音段的起始地 址 Vccd Vcca Vssd PLAYL PLAYE A6 AGC RECLED XCLK A0 REC A7 Vssa sp sp A2 A3 A4 MIC REF MIC ANA IN ANA OUT A5 A1 VCC Speaker 0 1uFC2 5 1K R4 Mic 0 1uFC3 0 1uFC4 VCC 1K R7 10K R6 10K R5 220uFC6 470K R1 4 7uF C5 1K R8 LED VCC 100K R10 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 1 2 3 4 5 6 9 10 23 24 27 25 2619 17 18 21 20 15 14 13 12 16 28 0 01uF C7 P1 0 P1 1 100K R9 100K R11 图3 5 ISD1420语音芯片与89C51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 3 53 5 DS1212C887887 与与 8989C5151 的接口设计的接口设计 VCC 24 AD5 9 AD4 8 AD3 7 AD2 6 AD1 5 AD0 4 AD7 11 MOT 1 AD6 10 CS 13 AS 14 R W 15 DS 17 RST 18 SQW 23 GND 12 IRQ 19 DS12887 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 ALE P2 6 RD WR VCC RST 10K R12 10uF C7VCC RST 12 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