基于I2C温湿度传感器控制系统的设计.doc

3中华人民共和国教育部东北林业大学 毕 业 设 计 设计题目： 基于I2C温湿度传感器控制系统的设计 学 生： * 指导教师： * 教授 学 院： 信息与计算机工程学院 专 业： 电子信息工程2007级2班 2011年6月东北林业大学毕 业 设 计 任 务 书设计题目 基于I2C温湿度传感器控制系统的设计 指导教师 * 教授 专 业 电子信息工程2007级2班 学 生 * 2010年 12 月 20 日题目名称：基于I2C温湿度传感器控制系统的设计任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）一、内容温湿度的测量在仓储管理、生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用，传统的模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。 SHT11是瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。该传感器采用独特的CMOSens TM技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。通过51单片机控制SHT11传感器实现对周围环境的温湿度的实时测量和显示，并具有键盘输入、数据存储、时钟和语音播报等功能。二、计划、时间安排第七学期1、18周 准备开题，撰写开题报告；第八学期2、1-2 周 毕业实习，进行开题报告答辩3、3-5周 查阅、搜集关远SHT11温湿度传感器原理资料，选择某时钟芯片和语音芯片，并熟悉其控制原理。4、6-13周 进行系统设计、开发和软件、硬件调试；5、14-16周 撰写设计说明书、准备答辩。三、完成工作量与水平具体要求1、熟悉和了解单片机控制技术，掌握51单片机语言编程；2、通过51单片机控制SHT11传感器实现对周围环境的温湿度的实时测量和显示，并具有键盘输入、数据存储、时钟和语音播报等功能。3、进行系统方案设计，进行软件、硬件调试。参考文献篇数：20篇以上（含3篇外文） 说明书字数：10000字以上外文翻译：一篇与本设计相关的文章（1000外文单词以上） 专业负责人意见签名：年 月 日基于I2C温湿度传感器控制系统的设计摘 要随着传感器在生产和生活中的更加广泛的应用，利用复合传感器实现对各种场合的温度及湿度的测试与控制得到更快的开发。本设计以单片机AT89C52作为处理器，控制SHT11采集温、湿度数据，并做了数据非线性校正，通过LED数码管实时显示测量的温、湿度值。控制DS1302时钟芯片在LCD上实时显示时间和日期，并具有修改时间、日期等功能。控制存储芯片24C02实现数据（温湿度、时间）存储、读出显示和上传等功能。当温、湿度超过设定的阈值时本系统具有语音报警功能。本设计详细介绍了SHT11数字温湿度传感器的工作原理、内部结构,测量分辨率和测量范围、操作命令和接口时序；时钟芯片DS1302的外部引脚、内部寄存器以及读写时序；语音芯片ISD1420的操作方法、存储器24C02的管脚及时序操作；CH451的特点和功能。同时对利用SHT11温湿度传感器、AT89C52微控器组成的自动温湿度测控系统,提出了硬件的组成及软件的设计方案,使其达到了整个系统的温度测量误差优于0.5C,相对湿度测量误差优于4%RH的预期指标。为开发高集成度、高测量精度、高可靠性的温湿度测控系统提供了技术支持。关键词：SHT11；测量与控制；温度和湿度 Based on the I2C of temperature and humidity control system designAbstractAs sensors in production and life more extensive application of the compound sensor to m- -ake various venues of temperature and humidity test and control get faster development.This d- -esign system based on the single chip computer AT89C52 as processor, control SHT11 tempe- -rature, humidity data acquisition, data and the nonlinear correction, through the LED digital di- -splay real-time measurement of the temperature and humidity value. DS1302 clock control ch- -ips in the real-time display LCD time and date, and have modification time, date function.Con- -trol memory chip 24 C02 realize data (temperature and humidity, time) storage, read display a- -nd upload function. When the temperature, humidity set more than the threshold value of this system with voice alarm function. This design introduces SHT11 digital temperature and humidity sensor of the working pri- -nciple, structure, measurement of resolution and measurement range, operation orders and int- -erface timing; The clock DS1302 chip external pins, internal registers and timing, speaking,re- -ading and writing; Voice chip ISD1420 the operating methods, the memory of the 24C02 in ti- -me sequence operation; tube feet CH451 characteristics and function. At the same time use S- -HT11 temperature and humidity sensor, AT89C51 micro controller of automatic temperature and humidity measurement and control system, and put forward the hardware composition and software design plan to make it to the whole system temperature measurement error better than the 0.5 C, relative humidity measurement error is better than the expected 4% RH index. For the development of the high level of integration, high measurement precision, high reliability of the temperature and humidity control system provides technical support. Key words：SHT11; measurement and control; temperature and humidity目 录 摘要Abstract1 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 本设计的内容和实现方法22 芯片原理简介32.1 单片机的选择32.2 温湿度传感器的选择32.2.1 SHT11的内部结构32.2.2 SHT11的性能指标42.2.3 SHT11基本工作原理42.2.4 SHT11的数据测量和控制42.3 时钟芯片的选择72.3.1 DS1302外部引脚及内部结构72.3.2 DS1302内部寄存器82.3.3 DS1302读写时序92.4 语音芯片的选择102.4.1 ISD1420封装、各引脚功能及特性102.4.2 操作模式122.5 存储芯片的选择122.5.1 24C02管脚和特性132.5.2 24C02的时序操作132.6 数码管驱动及键盘控制芯片的选择142.6.1 CH451特点142.6.2 CH451的功能153 系统硬件电路的设计183.1 温湿度传感器SHT11的电路设计183.2 时钟电路的设计193.3 语音电路设计193.4 数据存储电路的设计213.5 键盘和显示电路的设计214 软件设计234.1 SHT11软件设计244.2 单片机外围电路的软件设计244.2.1 时钟电路的软件设计244.2.2 语音电路的软件设计264.2.3 数据存储器的软件设计264.3 显示电路软件设计284.3.1 LED显示电路的软件设计284.3.2 LCD显示电路的软件设计285 结论30参考文献附录致谢 东北林业大学毕业设计 基于I2C温湿度传感器控制系统的设计1 绪论1.1 课题的背景及意义在人类社会高度发达的今天，人们对信息的提取，处理，传输以及综合等要求愈来愈迫切，而作为信息提取的功能器件传感器与人类的关系也愈加密切。由于计算机技术突飞猛进的发展和微型计算机的兴起，国民经济中任何一个部门中重要提取的各种信息都有可能通过计算机进行正确及时地处理，如在仓储管理、工业生产制造、智能化建筑、科学研究及日常生活中需要对温度和湿度进行较为准确的测量和控制，温度和湿度传感器在这里就起着至关重要的作用。市场上常见的温度，湿度传感器以电压输出为主要表现形式，温度湿度与所表现出来的电压信号呈非线性的关系，且因为材料本身的差异，不同的传感器其非线性曲线也各不相同，缺乏一个产品应具备的通用性和互换性1。实际中的应用的温湿度传感器要具备以下特点：(1) 敏感材料的特性岁温湿度的变化有较大的变化，而且该变化易于测量；(2) 材料对温湿度的变化有较好一一对应关系，即对除温湿度外其它物理量的变化不敏感；(3) 性能误差及老化小，重复性好，尺寸小；(4) 有较强的耐机械、化学及热作用等特点；(5) 与被检测的温湿度范围和精度相适应。随着科学技术的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如010mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。传感器本身体积也是越小越好，传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高性能、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。集成化半导体传感器满足以上要求，而且得到越来越广泛的应用2。自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，发挥出强大的优势互补作用。SHT11智能化数字传感器内部集成了相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位A/D转换器、校准存储器（E2PROM）、随机存取存储器（RAM）、状态寄存器、循环冗余校验码（CRC）寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路。这样就免去了传感器外围电路，保证了高可靠性和高稳定性，提高了看干扰能力。而且不需要经过复杂的校准、标定过程，测量精度得到保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面都不错。在未来的大型温湿测控系统中将得到广泛的应用。1.2 本设计的内容和实现方法在生产生活中，温湿度传感器得到越来越广泛的应用。高科技电子类产品、工业生产制造等领域都需要对环境温湿度进行实时控制，而市场上的温湿测控系统是多数以传统温湿度传感器为核心的测控系统，在要求高精度，高可靠性的场合，已不能满足需要。随着传感器制造技术的发展，多种新型的传感器出现在我们面前，它们采用当前最前沿的传感器制造技术，利用先进的生产工艺制造，由着良好的适应性和较高的可靠性，而且使用方便。SHT11就是这样一种数字温湿度智能传感器。本设计是利用SHT11传感器设计出一个可用到环境监测和控制的温湿度的控系统。利用SHT11温湿度传感器对环境温度和湿度进行采集和处理，从而实现对环境温湿度的实时检测和控制，并且可以语音播报和对数据的存储和读取。本设计采用I2C总线协议传输的，整个系统主要包括：数字式温湿度传感器SHT11、显示电路LCD、LED、时钟电路、键盘电路、外存储器电路、语音电路及电源电路。温湿度传感器主要完成对周围温湿度的采集、处理，是整个系统的核心部分；LED用来显示当前实时温度值、湿度值以及温度预警值、湿度预警值；LCD用来显示当前时间包括年、月、日、时、分、秒；语音电路主要用来报警，当温度、湿度高于预警值时触发语音芯片工作；键盘主要控制温、湿度预警值的调整、时间的调整以及时间、温、湿度等信息的保存和调用；电源电路提供5V电压为系统供电。2 芯片原理简介2.1 单片机的选择AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。 AT89C52提供以下标准功能：8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位3。2.2 温湿度传感器的选择SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器。它是一种全新的基于智能传感器设计理念的新型传感器,该传感器将温度、湿度传感器、信号调理、数字变换、串行数字通信接口、数字校准全部集成到一个高集成度、体积极小的芯片当中, 利用它可以同时测量目标对象的温度和湿度,并实现数字式输出。在现代工业中,利用微控制器进行数据通讯的工业控制越来越广泛。特别是由于传输距离、现场状况等诸多可能出现的因素的影响,微控制器与传感器之间的通讯数据常会发生无法预测的错误。为了防止错误所带来的影响,在数据的接收端必须进行差错校验。本文基于温湿度内漏检测系统而编写的传感器SHT11和微控制器之间的串行通讯系统,介绍了一种软件差错校验方案循环冗余校验法,克服了传统差错检验法对数据行或列的偶数个错误不敏感、漏判概率高等缺点,使校验过程既简单实用又成本低廉。2.2.1 SHT11的内部结构内部结构主要包括了相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位A/D转换器、校准存储器（E2PROM）、随机存取存储器（RAM）、状态寄存器、循环冗余校验码（CRC）寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路。其外部引脚如图2-1所示。SCK是传感器和微处理器之间同步传输时钟输入端。DATA三态门用于数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态, 并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间,在SCK时钟高电平时,DATA必须保持稳定。为避免信号冲突,微处理器应驱动DATA在低电平。需要一个外部的上拉电阻(10 k)将信号提拉至高电平4。GNDNOP SHT112.2.2 SHT11的性能指标DATANOP(1)温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线 接口全部集成于一个芯片上（CMOSens技术）； NOPSCK(2)全校准相对湿度及温度值输出； (3)工业标准I2C总线数字输出接口；NOPVDD(4)具有露点值计算输出功能；(5)免外围元件； (6)卓越的长期稳定性； 图2-1 SHT11的外部引脚(7)湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，可编程降至12位和8位；(8)可靠的CRC数据传输校验功能；(9)片内装载的校准系数，保证100%的互换性；(10)电源电压：2.4V5.5V；(11)电流消耗:测量0.55mA，平均0.28mA，睡眠0.3mA。2.2.3 SHT11基本工作原理单片机向SHT11发出命令，SHT11利用两只传感器分别产生相对湿度和温度的信号，然后经过放大器放大，分别送至A/D转换器进行模/数转换，校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至单片机处理。单片机处理数据后进行数字显示，并作相应的控制。 单片机向传感器发出的命令由三位地址位和传感器的五位命令位组成。SHT11的命令集如表2-1所示。表2-1 SHT11的命令集命令编码说明测量温度00011温度测量测量湿度00101湿度测量读寄存器状态00111“读“状态寄存器写寄存器状态00110“写“状态寄存器软启动11110重启芯片，清除状态记录器的错误记录，11ms后进入下一个命令SHT11有五条命令，即测量湿度（00101），测量温度（00011），写状态寄存器（00110），读状态寄存器（00111）和软件复位（11110）。一般SHT11在8个SCK时钟后，如果命令接受正确将DATA端拉低。在第9个SCK时钟结束后DATA线变高，开始响应5。2.2.4 SHT11的数据测量和控制1)、SHT11传感器数据测量过程：(1) 发送命令在发送命令之前，应先发送一个“传输开始”序列，该序列组成如图2-2所示。之后发送命令，命令由三位地址位（只支持000）和5位命令组成。其5条命令即是上面已经提到过的：测量湿度（00101）、测量温度（00011）、写状态寄存器（00110）、读状态寄存器（00111）和软件复位（11110）命令。须指出的是在8个SCK时钟之后，如果命令接收正确将DATA端拉低（ACK回答）。在第9个SCK时钟结束后DATA线边高。发送命令的时序如图2-3所示。DATASCK图2-2 传输开始序列SCKSDAA2A1A0C4C3C2C1C0ACK 图2-3 命令时序(2) 测量时序1在微处理器（本设计用的是AT89C52单片机）发出一个测量命令（00000101为湿度测量命令，00000011为温度测量命令）后，微处理器等待SHT11测量，大约需要210ms，这个时间由SHT11内部的振荡器确定。测量完毕后，SHT11将DATA信号线拉低；接着SHT11和微处理器进行数据传送，当传输完每个字节的测量数据后，由控制器拉低数据线，表示承认接收的每个字节；接收全部数据是MSB在第一位（对12位的结果，数据第一个字节的第5个是SCK是MSB位；对8位数据结果，第一字节是无效的）。如果8位CRC校验和不用，控制器可爱测量数据的LSB位后将ACK变高。如果8位校验和使用，控制器可在测量数据的LSB位后面将ACK变低。在CRC数据的回答位传输结束后，SHT11自动返回等睡眠，等待下次开始。以测量相对湿度,测量值N = 0000100100110001为例,整个测量过程时序如图2-4、2-5、2-6所示。1000000dataSck 图2-4 发送湿度测量命令dataack0001110011 0000LSBsckMSB图2-5 读取相对湿度数据CRC校检和DATASCKMSBLSBack返回休眠模式图2-6 读取CRC校检和(3) 复位时序如果传感器传输失败，下一SCK信号将复位串行接口，当使DATA处于高电平时，触发SCK9次以上并随后发出一个前述的“传输开始”序列，此时时序只复位接口，状态寄存器保持它的内容。复位时序如图2-7所示。DATA开始时序图2-7 复位时序SCK(4) 状态寄存器SHT11的状态寄存器是一个8位的寄存器，详见表2-2。表2-2 SHT11状态寄存器类型及说明位类型说明缺省7保留06读工检限（低电压检查）5保留04保留03只用于实验02读/写加热0关1读/写不从OTP重下载0重下载0读/写“1”=8位相对湿度，12位温度分辨率“0”=12位相对湿度，14位温度分辨率012位相对湿度，14位温度具体情况如下：D6：电池低压检测位。当D6=0时，表示VCC大于2.47V。当D6=1时，表示VCC小于2.47V。D2：加热控制位。当D2=0是关断加热器，当D2=1时，接通加热器。D1：再装校准存储器控制位。当D1=0时，表示不再装。当D1=1时，表示再装。D0：精确控制位。当D0=0时，表示12位湿度/14位温度测量。当D0=1时表示8位湿度/12位温度测量。2) 数据处理(1) 湿度变换 SHT11的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，可按如下公式修正湿度值： RHlinear=c1c2*SORHc3*SORH2 式中SORH为传感器相对湿度测量值，系数取值如下： 12位SORH：c1= -4 c2= 0.0405 c3= -2.8*10-6 8位SORH： c1= -4 c2= 0.648 c3= -7.2*10-4 (2) 温度补偿上述湿度计算公式是按环境温度为25进行计算的，而实际的测量温度则在一定范围内变化，所以应考虑湿度传感器的温度系数，按如下公式对环境温度进行补偿。 RH true=（T-25）*（t1t2*SORH） RHlinear 当SORH为12位时t1= 0.01；t2= 0.00008，当SORH为8位时，t2= 0.00128 (3) 温度变换由设计决定的SHT11温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值： 温度=d1d2*SOT 当电源电压为5V、温度传感器的分辨率为14位时，d1= -40,d2= 0.01，当温度传感器的分辨率为12位时，d1= -40,d2= 0.047。2.3 时钟芯片的选择DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.55.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中8。2.3.1 DS1302外部引脚及内部结构DS1302的外部引脚分配如图2-9所示,内部结构如图2-10所示。1 82 73 64 5Vcc2Vcc1X1X2GNDSclkI/OCE 图2-9 外部引脚分配 图2-10 DS1302内部结构各引脚的功能为：Vcc1：主电源；Vcc2：备份电源。当Vcc2Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2 Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。SCLK：串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；I/O：三线接口时的双向数据线；CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。2.3.2 DS1302内部寄存器(1) DS1302有下列几组寄存器： DS1302有关日历、时间的寄存器共有12个，其中有7个寄存器（读时81h8Dh，写时80h8Ch），存放的数据格式为BCD码形式，如表2-3所示9。小时寄存器（85h、84h）的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。当为高时，选择12小时模式。在12小时模式时，位5是，当为1时，表示PM。在24小时模式时，位5是第二个10小时位。秒寄存器（81h、80h）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。当该位置为1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；当该位置为0时，时钟开始运行。控制寄存器（8Fh、8Eh）的位7是写保护位（WP），其它7位均置为0。在任何的对时钟和RAM的写操作之前，WP位必须为0。当WP位为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。 表2-3 DS1302有关的日历、时间寄存器读寄存器写寄存器范围Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit081h80h00-59CH10秒秒83h82h00-5910分分85h84h1-12/0-2312/24010时时AM/PM87h86h1-310010日日89h88h1-1200010月月8Bh8Ah1-700000周日8Dh8CH00-9910年年8Fh8EhWP0000000 (2) DS1302有关RAM的地址 DS1302中附加31字节静态RAM的地址如表2-4所示。表2-4 附加31字节静态RAM的地址读地址写地址数据范围C1hC0h00-ffC3hC2h00-ffFDhFCh00-ff(3) DS1302的工作模式寄存器 所谓突发模式是指一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。突发模式寄存器如表2-5所示。表2-5 工作模式寄存器工作模式寄存器读寄存器写寄存器时钟突发模式寄存器CLOCK BURSTBFhBEhRAM突发模式寄存器RAM BURSTFFhFEh2.3.3 DS1302读写时序DS1302是SPI总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。要想与DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。DS1302的控制字如表2-6。表2-6 控制字1RAMA4A3A2A1A0RD/CK/WR控制字的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中；位6：如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1（A4A0）：指示操作单元的地址； 位0（最低有效位）：如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。数据读写时序如图2-11、2-12所示。CE图2-11 单字节读 I/OSCKD0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7R/W A0 A1 A2 A3 A4 R/C 1 CESCKR/W A0 A1 A2 A3 A4 R/C 1 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 I/O图2-12 单字节写2.4 语音芯片的选择信息储存器件ISD1402语音芯片是单片高质量短周期的录放音电路采用CMOS工艺内部包含片上时钟麦克前置放大器自动增益控制带通滤波器平滑滤波器和功率放大器由ISD1400 组成的最小应用系统仅包含一个麦克喇叭几个阻容元件两个开关和电源。录制的信息存放在内部不挥发单元中断电后可以长久保存这种独特的单片解决方案使用了ISD 的专利模拟存储技术语音和音频信号不经过转换直接以原来状态存储到内部存储器可以实现高质量的语音复制。2.4.1 ISD1420封装、各引脚功能及特性1) ISD1420的封装如图2-13所示12。 (1) 录音REC1 282 273 264 255 246 237 228 219 2010 1911 1812 1713 1614 15A0A1A2Sp+A3A4A5 NC NCA6 A7 NCVssdVssaSp-VccdRECSclkRLEDPLAYEPLAYLNCANA outANA inAGCMic refMICVcca ISD1420REC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。(2) 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。(3) 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。 图2-13 ISD1420的封装(4) 电源输入VCC 、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，注意尽量靠近系统，电源连接在一起务必在靠近器件处加退藕措施。(5) 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这些管脚在尽可能靠近器件处连接接地。(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-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关于低频截止频率的计算见应用信息。(8) 麦克基准MIC REFMIC 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AGCAGC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 INANA 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XCLKISD1420 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。(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。根据 A7 、A6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象操作模式中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。(14) 地址输入A0-A7根据最高两位地址位的数值,地址输入有两种功能.当 A7、A6 至少有一位为0时,输入认为是地址输入,输入的地址被当作当前录音或放音的起始地址,这些地址管脚全部为输入管脚与操作模式中能输出地址信息不同地址输入在信号PLAYE、PLAYL或REC的下降沿被锁存。2) 特性 (1) 使用简单的单片录放音电路 (2) 高保真语音/音频处理 (3) 开关接口放音可以是脉冲触发或电平触发 (4) 录放周期为20秒 (5) 自动功率节约模式 (6) 零功率存储 (7) 处理复杂信息可使用地址操作 (8) 100年信息保存 (9) 片上时钟 (10) 不需要编程器和开发系统 (11) +5V 供电 (12) 提供裸片 DIP SOIC 封装 (13) 提供工业级别温度型号-40C 到85C2.4.2 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15。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2.5 存储芯片的选择CAT24WC02支持I2C总线数据传送协议，I2C总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器，数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器。但由主器件控制传送数据发送或接收的模式，通过器件地址输入端A0、A1、A2可以实现将最多8个24WC02器件连接到总线上15。2.5.1 24C02管脚和特性24C02是一个8管脚的存储芯片，其各引脚如图2-14所示。 Vss1 8 2 73 64 5 VccWPSCLSDAA0A1A2图2-14 24C02引脚图(1) SCL：串行时钟CAT24WC02串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟，这是一个输入管脚。(2) SDA：串行数据/地址CAT24WC02双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的发送或接收，SDA是一个开漏输出管脚，可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线或。(3) A0 A1 A2：器件地址输入端这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址，当这些脚悬空时默认值为0 当使用24WC02 时最大可级联8个器件如果只有一个24WC02被总线寻址这三个地址输入脚 A0 A1 A2 可悬空或连接到Vss。 (4) WP：写保护如果WP管脚连接到Vcc，所有的内容都被写保护，只能读。当WP管脚连接到Vss或悬空允许器件进行正常的读/写操作。24C