带语音功能的数字电压表设计.doc

武武汉汉长长江江 工工商商学学院院 毕毕业业论论文文 设设计计 学学院院 工工学学院院 专专业业 电电子子信信息息工工程程 年年级级 2 20 00 08 8 级级 题题目目 带带语语音音 功功能能的的数数字字电电压压表表 学学生生 刘刘文文博博 学学号号 2 20 00 08 81 16 61 11 1 指指导导教教师师 刘刘芳芳 职职称称 实实验验 师师 2 20 01 12 2 年年 5 月月 2 25 5 日日 武汉长江工商学院武汉长江工商学院 本科毕业论文 设计 原创性声明本科毕业论文 设计 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 年 月 日 目 录 摘 要 1 关键词 1 Abstract 1 Keyword 1 前言 2 1 课题的背景 2 1 1 数字电压表概述 2 1 2 本设计数字电压表技术指标 2 2 硬件电路的设计 2 2 1 数字电压表的工作原理 2 2 2 单片机 AT89C51 的最小系统设计 3 2 2 1 AT89C51 的基本结构和引脚功能 3 2 2 2 时钟电路与复位电路 4 2 3 电源设计 4 2 4 A D 转换设计 5 2 5 显示设计 6 2 6 语音设计 7 3 软件设计 8 3 1 流程设计 8 3 2 程序分析 9 3 3 调试软件介绍 9 4 结论 10 致 谢 11 参考文献 11 附录 13 1 带语音功能的数字电压表的设计 摘摘 要要 在众多测量仪表中 数字电压表应该是比较先进的一类表 工作人员在测量电 路电压时 其测量值能通过液晶显示器直观地读出而不需工作人员再认真仔细地察看测量档 次 换算及估计测量值 但在观察使用过程中 仍可发现工作人员在测量过程中因要注意测量 点而无法顾及显示器的现象 而本文介绍的语音电压表则能较好地解决上述问题 它在工作 人员测量电压时 能用标准的汉语读出测量值 这样就大大方便了工作人员操作过程 关键词关键词 TLC549 语音 数字电压表 The Design of a Digital Voltmeter With The Phonetic Function Abstract The digital voltmeter DVM is relatively advanced among the various measuring instruments When people use a DVM to make a survey of the circuit voltage the measured value can be directly read out by the liquid crystal display LCD so people don t need to carefully watch the measurement scales to do matrixing and to estimate the measured value Meanwhile it s noteworthy that people still have to pay attention to the measuring point and are unable to focus on the LCD with the application of the DVM However the DVM with the phonetic function introduced by this paper can properly solve this problem Namely it can read out the measuring value in mandarin Chinese as people measure the voltage Therefore it makes the operation process much simpler and more straightforward Keyword TLC549 Voice DVM 2 前言 数字电压表简称 DVM 它是采用数字化测量技术 把连续的模拟量 直流输入电压 转换成不连续 离散的数字形式并加以显示的仪表 与此同时 由 DVM 扩展而成的各种通 用及专用数字仪器仪表 也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平 本章重点介绍单片 A D 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理 目前 由各种单片 A D 转换器构成的数字电压表 已被广泛用于电子及电工测量 工业自动化仪表 自动测试系 统等智能化测量领域 展示出强大的生命力 1 课题的背景 1 1 数字电压表概述 电压表 Digital Voltmeter 出现在 50 年代初 60 年代末发展起来的电压测量仪表 简称 DVM 它采用的是数字化测量技术 把连续的模拟量 也就是连续的电压值转变为 不连续的数字量 加以数字处理然后再通过显示器件显示 这种电子测量的仪表之所以出现 一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的 自 动控制实验研究的领域 提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求 即为了 实时控制及数据处理的需要 另一方面 也是电子计算机的发展 带动了脉冲数字电路技 术的进步 为数字化仪表的出现提供了条件 所以 数字化测理仪表的产生与发展与电子 计算机的发展是密切相关的 同时 为革新电子测量中的烦锁和陈旧方式也催促了它的飞 速发展 如今 它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁 如今 数字电压表已绝大部分已取代了传统的模拟指针式电压表 因为传统的模拟指 针式电压表功能单一 精度低 读数的时候也非常不方便 很容易出错 而采用单片机的 数字电压表由于测量精度高 速度快 读数时也非常的方便 抗干扰能力强 可扩展性强 等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量 工业自动化仪表 自动测试系统等智能化测 量领域 显示出强大的生命力 1 2 本设计数字电压表技术指标 本文设计了一款带语音功能的数字电压表 通过单片机部分 A D 转换部分 语音报 值部分和显示部分等几个部分的组合 实现了对 0 5V 直流电压的测量和报值 本电压表的特点表现在一下几个方面 1 精度高 可以测量 0 5v 的直流电压 可以精 确到小数点后三位 2 具有数码显示和语音报值双重功能 3 经济适用 适宜大规模的批 量生产 2 硬件电路的设计 2 1 数字电压表的工作原理 本次设计的数字电压表用到了单片机最小系统开发板 1 主要由单片机部分 电源部 分 A D 转换部分 2 显示部分以及扩展的语音部分组成 单片机部分选择 AT89C51 芯片 作为最小系统板的核心 采用外接电源为单片机提供 5V 的直流电源 在 A D 转换部分采 用的是 TLC549 芯片来实现 A D 转换 在显示部分使用 5461AG 共阴极四位一体数码管来 显示所测得的电压 语音部分采用的是 ISD1420 3 芯片来输出所测电压 当单片机开发板上电以后 按下 S2 保持 RST 高电平实现开关复位 待测电压信号 由 TLC549 芯片 AIN 引脚输入 经过 A D 转换以后由单片机控制显示部分在数码管上输出 具体数值并播报 3 电路图如下图 2 1 所示 图2 1 总电路图 如图所示 该部分包括单片机部分与复位部分以及电源部分的连接原理图 是整个设 计可以实现的基础 通过5V的直流电压驱动开发板 通过P23 P24口连接A D转换芯片 TLC549 通过P00 P07口来连接数码显示部分 2 2 单片机 AT89C51 的最小系统设计 4 2 2 1 AT89C51 的基本结构和引脚功能 AT89C51 的 40 个引脚按引脚功能大致可分为 4 个部分 电源部分 时钟部分 控制部 分和 I O 引脚 1 电源部分 1 VCC 芯片电源 接 5V 2 VSS 接地端 2 时钟部分 XTAL1 XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端 晶振频率 11 0592Mhz 3 控制部分 控制线共有 4 根 1 ALE PROG 地址锁存允许 片内 EPROM 编程脉冲 ALE 功能 用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址 PROG 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 此引脚输入编程 脉冲 2 PSEN 外 ROM 读选通信号 3 RST VPD 复位 备用电源 RST Reset 功能 复位信号输入端 VPD 功能 在 Vcc 掉电情况下 接备用电源 4 EA Vpp 内外 ROM 选择 片内 EPROM 编程电源 EA 功能 内外 ROM 选择端 Vpp 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 施加编程电源 Vpp 4 I O 线 4 80C51 共有 4 个 8 位并行 I O 端口 P0 P1 P2 P3 口 共 32 个引脚 P3 口 还具有第二功能 用于特殊信号输入输出和控制信号 2 2 2 时钟电路与复位电路 单片机最小系统需要时钟电路和复位电路 本次设计的复位电路如下图 2 2 所示 图2 2 复位电路 该电路复位操作可以有两种方式 分别是上电复位和开关复位 由于单片机是使用的 高电平复位 所以按下开关之后一段时间RST持续高电平 可以实现复位 而上电之后 由 于电容C1充电 使RST持续一段时间的高电平 也可以完成复位 本次试验选择使用的是开 关复位 时钟电路的设计如下图 2 3所示 在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器 构成内部振 荡方式 由于单片机内部有一个高增益反相放大器 当外接晶振后 就构成了自激振荡器 并产生振荡时钟脉冲 图2 3 时钟电路 2 3 电源设计 本次设计的单片机最小系统开发板必须由外部提供 5V 的直流电源才能正常工作 所 以设计了一个电源稳压电路来给开发板供电 电路原理图如下图所示 外接一个 9V 的直 5 流电源 由一个 9V 的电池提供 经过 LM7805 集成稳压器 5 的转换 以 5V 的直流电压输 出为开发板供电 C4 C5 和 C6 C7 分别为输入输出滤波电容 电源设计原理原理图如图 2 4 所示 图2 4 电源电路 2 4 A D 转换设计 本次设计所选用的A D转换芯片选择的是TLC549 其引脚图如图2 5所示 TLC549是 TI公司生产的一种低价位 高性能的8位 A D转换器 它以8位开关电容逐次逼近的方法实 现 A D转换 其转换速度小于 17us 最大转换速率为40000HZ 4MHZ典型内部系统时 钟 电源为 3V至 6V 它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接 构成各种 廉价的测控应用系统 REF 正基准电压输入 2 5V REF Vcc 0 1 REF 负基准电压输入端 0 1V REF 2 5V 且要求 REF REF 1V VCC 系统电源 3V Vcc 6V GND 接地端 CS 芯片选择输入端 要求输入高电平 VIN 2V 输入低电平 VIN 0 8V DATA OUT 转换结果数据串行输出端 输出时高位在前 低位在后 ANALOGIN 模拟信号输入端 0 ANALOGIN Vcc 当 ANALOGIN REF 电压时 转换结果为全 1 0FFH ANALOGIN REF 电压时 转换结果为全 0 00H I O CLOCK 外接输入 输出时钟输入端 同于同步芯片的输入输出操作 无需与芯片 内部系统时钟同步 图2 5 引脚图 6 当 CS变为低电平后 TLC549芯片被选中 同时前次转换结果的最高有效位MSB A7 自 DATA OUT 端输出 接着要求自 I O CLOCK 端输入8个外部时钟信号 前7个 I O CLOCK信号的作用 是配合TLC549 输出前次转换结果的 A6 A0 位 并为本次转换 做准备 在第4个I O CLOCK信号由高至低的跳变之后 片内采样 保持电路对输入模拟量 采样开始 第8个I O CLOCK信号的下降沿使片内采样 保持电路进入保持状态并启动 A D 开始转换 转换时间为36个系统时钟周期 最大为17us 直到 A D转换完成前的这段时间 内 TLC549 的控制逻辑要求 或者 CS保持高电平 或者 I O CLOCK 时钟端保持36个 系统时钟周期的低电平 由此可见 在自 TLC549的 I O CLOCK 端输入8个外部时钟信 号期间需要完成以下工作 读入前次A D转换结果 对本次转换的输入模拟信号采样并保 持 启动本次 A D转换开始 本设计A D转换部分电路原理图如下图2 6所示 图2 6 A D转换原理图 本次设计采用的A D转换芯片是TLC549CP 6 属于逐次比较型芯片 该芯片与MCU之 间采用串行SPI接口相接 具体硬件连接图如上图所示 在本设计中 A D转换通过STI SOFT BUS的CS3来进行片选 P23脚驱动CLK P24脚读取A D转换的数据 1脚连接一个 5V的直流的基准源 通过2口输入一个待测电压 通过芯片的处理之后转换结果由6脚串行 输出 而6脚又与单片机P24脚相连 输出的数据经过单片机处理后控制数码管来显示输出 2 5 显示设计 数码管是一种半导体发光器件 其基本单元是发光二极管 按发光二极管单元连接方 式分为共阳极数码管和共阴极数码管 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起 形成公共阳极 COM 的数码管 共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公 共阴极 COM 的数码管 共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上 当某 一字段发光二极管的阳极为高电平时 相应字段就点亮 当某一字段的阳极为低电平时 相应字段就不亮 本次的显示部分使用 5461AG 共阴极四位一体数码管来显示所测量到的电压值 如下 图所示 本数码管具有亮度高 显示大 驱动部分软件简单等特点 因此选择使用它来显 示 如图 2 7 所示 7 图 2 7 四位一体数码管 本次设计的数码管显示部分电路原理图 7 如下图 2 8 所示 在电路原理图中设计了显 示模块 两个锁存器 74HC574 一个控制位选 一个控制段选 来控制数码管的显示 采 用的是动态扫描的方式 所以 LED 数码管的段码和位码均可以锁存 由图可知 U7 锁存段码 U8 锁存位码 段码和位码均为 8 位 因此总共可以接 8 位 8 段数码管 但在开发板上仅使 用 4 位 锁存器 U7 和 U8 分别由 CS0 和 CS1 来控制数据的写入 软件编程一位一位的写入 段码 对数码管进行动态扫描 P00 P07 与单片机的 P00 P07 引脚相连 接受单片机处理 的数据 图 2 8 显示电路原理图 2 6 语音设计 语音电路采用 ISD1420 芯片 8 ISD1420 芯片各管脚功能如下表 2 1 所示 表 2 1 语音芯片引脚图 名 称管 脚功 能名 称管 脚功 能 A0 A51 6地址Ana Out21模拟输出 A6 A79 10地址 MSB Ana In20模拟输入 VCCD28数字电路电源AGC19自动增益控制 VCCA16模拟电路电源Mic17麦克风输入 VSSD12数字地Mic Ref18麦克风参考输入 VSSA13模拟地PLAYE24放音 边沿触发 SP 14 15喇叭输出 REC27录音 XCLK26外接定时器 可选 RECLED25发光二极管接口 NC11空脚PLAYL23放音 电平触发 8 其最大的特点是采用了直接模拟量存储技术 DAST 完成语音的录入 存储以及分段 调出 而无需像其他语音电路那样要经过 A D D A 转换 数字压缩和语音合成等复杂的 数字量信息处理以及变换环节 因而可以较好地保留模拟量中的有效成分减少失真 提高 录放音质量 它使用方便 无需专用语音开发系统 由麦克风录入存储 可随意改写删除 有多种信息取址方式供选择 分段灵活 抗干扰能力强 当 89C51 判断出某个数字时 只 要把该数字对应的地址码送到单片机的 P1 口 产生一个中断 于是该数字的语音便放了 出来 3 软件设计 3 1 流程设计 对该设计方案进行分析 主要可以分为以下几个部分 1 主程序 主要是用来初始化并调用各个子程序 2 按键中断子程序 主要是判断复位 3 显示子程序 用来显示 4 语音子程序 用来报值 5 因为本系统采用动态扫描 有相应的延时程序 使数据显示稳定 6 软设计大体框架如下图 3 1 所示 图 3 1 软件流程图 开始 初始化 送 ISD1420 复位信 号 A D 转换处理程序 调用显示程序 触发 ISD1420 语音状态 调用报值程序 9 3 2 程序分析 9 unsigned char TLC549 GetAD void char i unsigned char rt 0 1 将 A D 的 CS 线拉低 先读出 A7 的值 1 1 释放 DATA 信号线 TLC549 DATA 1 1 2 拉低 CLOCK TLC549 CLK 0 1 3 拉低 TLC549 CS 信号线 SELECT TLC549 1 4 读取 A D 转换 A7 的值 if TLC549 DATA 1 5 CLOCK 产生上跳沿 TLC549 CLK 1 TLC549 CLK 0 2 按照时序读取 A D A6 0 的值 for i 6 i 0 i 2 1 拉高 CLOCK 产生上跳沿 TLC549 CLK 1 2 2 从 DATA 信号线读取转换值 if TLC549 DATA 2 3 拉低 CLOCK 准备下一次读取 TLC549 CLK 0 3 拉高 CLOCK TLC549 CLK 1 SELECT NONE return rt 通过以上程序可以完成数据的 A D 转换 具体程序见附录 10 3 3 调试软件介绍 我们调试的主要软件为 keil Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单 片机 C 语言软件开发系统 与汇编相比 C 语言 10 在功能上 结构性 可读性 可维护性 上有明显的优势 因而易学易用 Keil 提供了包括 C 编译器 宏汇编 连接器 库管理和 一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案 通过一个集成开发环境 uVision 将 这些部分组合在一起 运行 Keil 软件需要 WIN98 NT WIN2000 WINXP 等操作系统 如果使用 C 语言编程 那么 Keil 几乎就是不二之选 即使不使用 C 语言而仅用汇编语言 编程 其方便易用的集成环境 强大的软件仿真调试工具也会事半功倍 因此本次设计采 用全 C 语言编写 Keil C51 其优点有以下两点 1 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容易理 解 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 2 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因 而易学易用 用过汇编语言后再使用C 来开发 体会更加深刻 Keil C51 软件提供 丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全Windows 界面 其界面如下面图 3 2 所示 图 3 2 Keil C51 界面 图 4 结论 DVM 是采用数字化技术的电压表 其高准确度 高可靠性 高分辨力 高性价比等 优良特性备受人们青睐 数字电压表作为数字化仪表的基础跟核心 被广泛运用于电子跟 电工测量 工业自动化仪表 自动测试系统等领域 显示出强大的生命力 与此同时 由 数字电压表扩展而成的各种通用及专用仪器仪表 也将电量及非电量测量技术提高到崭新 的水平 通过对带语音的数字电压表的设计 制造和调试 我学会了综合应用所学的电子技术 知识进行电子产品的设计 本硬件系统在设计时尽量使体积最小 因此选用了 AT89C51 单 片机 显示部分采用数码管显示电路 而本文的软件系统用 C 语言编写给编制 阅读和修 改程序带来了极大的方便 本次设计实现了对 0 5V 直流电压的测量 精度较高 如下图 11 4 1 所示 测量干电池的电压输出测量结果 通过此次专题实践 让我更加清楚的掌握了单片机的有关知识 认识了其强大的功能 其结构特点及其相关的一些开发平台为本系统的设计提供了便利的条件 32 个可编程的 I O 口使得在设计中扩展红外测温模组和键盘显示模块非常的灵活 而且具有丰富的中断 源 使得系统在数据显示 报警等方面游刃有余 扩展性强 通过这次设计 我加深了对 所学知识的了解和综合认识 增强了动手能力 图 4 1 实物截图 致 谢 在这里我要感谢我的指导老师刘芳老师给我的精心指导 因为在准备论文资料的时候 同学老师帮助我找资料 节省了我的时间 使我找的资料针对性很强 在写论文的时候系 部老师对论文中应注意的问题 以及把什么放在重点描述对我做了详细的介绍 使我在写 论文的时候得心应手 在学校的日子里 老师是我的益友良师 对我的帮助使我专心于我 的学习 当然还要感谢在我找资料时帮助过我的老师 同学 他们牺牲了自己宝贵的时间来帮 助我 我十分的感动 最后我要感谢中南民族大学工商学院四年来对我的培养 感谢给过 我指导的老师们 以及帮助过我的同学们 参考文献 1 刘霞 电子设计与实践 M 北京 电子工业出版社 2009 84 165 2 胡汉才编著 单片机原理及接口技术 M 北京 清华大学出版社 1999 139 189 3 陈冠方主编 电子设备制造工艺 M 成都 电子科技大学出版社 1990 90 178 4 增光奇主编 工程测试技术基础 武汉 华中科技大学出版社 2002 12 5 林凌 李刚编著 实用电子技术1000问 北京 电子工业出版社 2008 9 6 闫胜利编著 Altium Designer 实用宝典 北京 电子工业出版社 2007 8 7 继宗南编著 单片机外围器件实用手册 北京 北京航空航天大学出版社 2005 6 8 金龙国 陈萌 李雪梅 单片机原理及应用技术 M 北京 中国水利电力出版社 2005 9 赖麒文编著 8051 单片机 C 语言彻底应用 M 北京 科学出版社 2002 59 133 10 谭浩强编著 C 语言程序设计 第三版 北京 清华大学出版社 2005 7 附录 1 主程序 include include TLC594 TLC594 h define vcc 5 unsigned char dispram 4 unsigned char ad unsigned long int buf 0 unsigned char i 0 unsigned char code seg code 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 0 xbf 0 x86 0 xdb 0 xcf 0 xe6 0 xed 0 xfd 0 x87 0 xff 0 xdf unsigned char cs void trf void void writesegdata unsigned char void writecsdate unsigned char void inittimer1 void void delay void 延时 unsigned char j 255 for j 0 j 13 void main void P0 0 xff P2 0 xff P1 0 xff dispram 0 0 dispram 1 0 dispram 2 0 dispram 3 0 inittimer1 TR1 1 while 1 ad TLC549 Get