语音播报作息时间控制系统

目录TOC\o"1-3"\h\u5544摘要 III第1章绪论1.1本文研究背景和意义

新材料制作技术、网络通讯技术以及控制技术的发展和进步下，有着快速发展并能广泛的应用在生活之中当数智能控制这一部分，而智能控制在现代控制设备系统的应用最为普遍，越来越得到人们的青睐。科技迅速进步的同时使得人们的整体生活水平有着质的飞跃，人们不再满足过去的老套科学技术，这就对现在科学技术有了更高的要求，在享受高新技术给我们带来的方便、智能和安全的同时使得更加智能的控制系统，这是科学进步必要的发展过程。控制科学给我们带来更加智能的生活方式，它让人们的起居作息时间环境更加舒适和便利。但是由于部分产品技术不成熟以及使用者不熟悉操作会带来一定的危害，对我们的正常生活造成一定的安全隐患。比如：使用时间过长的产品由于没有保护装置会因为线路老化问题，在使用过程中会造成短路起火危险，所以我们迫切需求一款使用便利，运行稳定，感觉舒服的智能化产品来改变我们的科技生活，本设计研发的语音播报作息时间系统就是典型的智能系统的应用。目前的智能产品使用的系统主要是结合组网技术、通信技术、检测技术、智慧控制水平于一体化运用到智能产品中。过去因为不同厂家运用不同通讯协议和技术指标，造成很多智能产品均采用集合布线综合系统或者电力载波传输系统。任何一种控制系统，核心部分都是数据通信技术的运用，所以，数据通信技术是语音播报作息时间控制系统中的核心部分[1]。因此未来语音播报作息时间控制系统是结合了智慧控制技术、高速信号处理技术、无线信号组网传输技术和无线传感器技术。可以说未来的语音播报作息时间控制系统是赋予智慧的技术，能够实现多方面的信息互交服务，改变我们的科技生活环境。通过语音播报作息时间控制系统平台还可以扩充到其它服务平台，使得我们生活工作更加智能化，安全化和环保护[2]。1.2语音播报作息时间控制系统发展状况 在20世纪末到21世纪初时，很多大型制造厂商逐渐涉入到语音播报作息时间控制行业中，那些企业把研究语音播报作息时间控制系统当作企业具有最有前途的研究项目，例如Revolv、NEYWELL、JDS等科技公司、通信制作商逐渐入股语音播报作息时间控制产品的研究与开发。按照目前发展情况，现阶段语音播报作息时间控制系统分为下面3个阶段。（1）产品电子化：家电产品电子电路逐渐丰富，但都是单个的个体，没有形成网络；（2）产品自动化：产品的功能逐渐丰富，基本上实现自动控制，形成了简单的组网控制；（3）产品智能化：通过组网技术把家居连成一个网络中，相互通信，集中控制。1.2.1国外发展状况由于最新科学技术逐渐运用到语音播报作息时间设备中，国外很多大型企业和研究所都很看好语音播报作息时间控制系统的市场前景，比如：英国TELETASK、美国的Honeywell、德国的Merten等世界一流大公司，都在语音播报作息时间控制系统研究上投入很大人力和物力，这些公司展开了多方面的研究，各有各的特点，如英国TELETASK主要研究控制方法；美国的Honeywell公司主要研究其语音播报作息时间运行稳定性质量提高和舒适性上升，采用了模块化设计思想，各个模块接口部分由总线相连接。1.2.2国内发展状况在21世纪初，我国才开始研究智能化产品，从目前的科技发展状况来看，我国已经逐渐从制造大国慢慢进入制造强国，过去我们大多数产品都是用的别人技术进行生产，创新性很低，成本很高，制造出的产品没有任何竞争力。但是自从我国把智能化控制写入政府报告以来，我国科学技术水平不断发展和进步，已经逐渐跟上发达国家的步伐了，降低了产品开发成本，促使了产品具有核心价值，因此我国在语音播报作息时间控制系统相关产品的研发和制造赶上了世界先进水平。例如目前我国在研究语音播报作息时间产品的公司有力创、清华同方、科龙集团等，并且都开发出一系列具有代表性的设备产品。1.3本文研究内容本文设计的语音播报作息时间控制系统是综合目前控制系统存在的缺陷，设计出一款具有安全、易扩展和成本低等特点，整个控制系统采用了模块化设计思想，降低了系统设计难度。本文开发出一类语音播报作息时间控制系统，是利用核心芯片STC89C52为开发平台，硬件系统设计了其最小系统和外围电路，软件系统主要包括底层驱动程序和应用程序[3-4]。本文主要研究了以下内容。第一章为绪论，主要是对本文研究的背景、意义作了简要论述，同时对比分析了国内外语音播报作息时间发展现状。重点介绍了控制系统总体方案设计，主要论述了系统的功能描述和总体网关架构描述方案设计，并对本系统中的关键技术进行了阐述。重点介绍了语音播报作息时间控制系统硬件平台搭建，阐述了运用单片机系统的硬件设计与原理，介绍了核心芯片的最小系统组成电路，以及描述了各模块电路设计及相应匹配电路绘制，完成了整个系统硬件电路设计。详细的介绍了控制系统的软件系统设计，说明了单片机软件平台的搭建，包括Keil软件的介绍，各个模块工作流程图以及应用程序的设计等。介绍了对语音播报作息时间完整控制系统硬件电路和系统软件硬件测试，主要是对控制系统实现的功能进行验证、测量数据进行分析以及相关性能测试。最后介绍了对本文主要研究的内容和最后设计的控制系统进行了总结以及本系统后续的研究方向进行展望。第2章控制系统总体方案设计2.1控制系统功能分析本文研究语音播报作息时间控制系统使用的主要是利用现代的组网技术、通信技术、检测技术、智慧控制水平于一体化运用到本设计产品中。该研究的准侧是“智慧、环保和安全为本”，即把用户使用感受放到第一位，让用户可以根据自己的需求实现相应的控制要求[5]。本文所研究的智能控制器系统是根据产品需要实现的功能而设计的。整个控制系统主要是实现如下功能。（1）以通过蓝牙APP发送指令修改时间和设置闹钟。（可以设置2个闹钟，掉电不丢失数据）；LCD1602液晶实时显示当前日期和温度。（2）闹钟时间到后，对应的语音模块开始播放语音（5秒后自动停止播放）；其中语音内容可以自行录制。语音播报作息时间硬件系统设计综合考虑因素有以下几点：关于成本，想要在市场上有较高竞争力，首先必须考虑到价格。本课题的语音播报作息时间硬件系统它的主要功能是为了方面数据的传输和接受，所需要的是在满足要求同时硬件模块价格和低功耗是我们首要的选择。统一的接口标准，系统设计的时候我们要考虑接口的兼容性的问题，市面上传统的语音播报作息时间传感器接口没有做一个标准的统一化，这给我们后期工作带来很大的麻烦，还会使系统的兼容性降低，因为我们的数据传输、发送都需要统一通信协议，所以说一个稳定可靠地设备是必须的。上位机的选择，伴随着信息网络的发展还有各类智能终端的发展，上位机的选择是多样的，最多就是液晶显示屏、智能手机以及其他的智能终端。多样性的选择给使用者在体验系统的全面和智能提供了极大的便利。系统整体功能的完整性，丰富完整的系统功能是决定一个语音播报作息时间发展的决定性因素，决定用户是否愿意使用，所以说完善系统的多样性的选择是研发者多多思考的问题。2.2系统总体框架设计本文研究的控制系统以器件集成化方法进行研究的设计，主要是运用将集成化的器件分成块状的控制部分，被研究的分支和数据传输分支，分步满足相应部分，所有的分支完成后组合在一起，设计出完整的控制系统，最后进行综合测试。从控制系统需要实现的功能和硬件设计的综合角度确立了研究目的的总体框图[6]。具体框图如2-1所示。温度采集电路温度采集电路无线蓝牙电路51单片机最小系统总电源转换电路LCD1602显示屏时钟模块电路语音模块图2-1系统整体结构框图2.2.1系统硬件组成部分电源部分：电源设计的合理性是为了保证整个智能控制系统工作稳定性，因此是硬件设计的重点，整个系统的输入电压是市电220V，经过适配器和电源转换电路转变为各个模块的工作电压。单片机控制中心设计：为了降低各个整个系统PCB开发难度，在控制空心中只设计了单片机最小系统。外围电路设计：DS1302时钟电路、DS18B20温度采集电路、LCD1602液晶显示电路、无线蓝牙电路和ISD1820语音模块电路组成。2.2.2系统软件组成部分系统软件组成部分：要研究一类智能化控制系统，需要软件和硬件相互匹配才行的，本文智能控制系统的软件部分运用了典型单片机实时操作系统作为软件开发系统，以Keil软件为开发环境平台。整体软件系统运用模块化思想，增加了程序可读性。研究者在Keil软件开发平台继续二次开发，极大了降低了系统开发难度和时间。（2）系统程序层次结构：系统程序分为三个软件层。底层是以Keil内核为主，主要担任管理内部存储器、通信服务和定时器管理等工作内容；中间层主要负责内存的芯片运行管理和通信服务程序管理；外层是硬件接口层，主要负责用户程序编写。项目程序的编写是搭建在这三层的基础上，底层和内层为开发者提供程序调用功能。用户开发程序之前需要实现单片机操作系统的移植，然后在编写硬件相关驱动程序，最后才是研发应用程序。本文所做的重点内容就是Keil操作系统的移植和应用程序开发等。2.3控制系统所用到关键技术2.3.1单片机技术自从我国进入从互联网到物联网转换时代，从我们的普通家居用品到医疗设备产品再到高端的军事领域，单片机系统所使用的地方涉及到各个领域。我们正处于一个科技、网络、信息快速发展于一体的时代，大数据的爆发物联网的迅速崛起，单片机系统凭借这它不可比拟的优点和广阔的使用场所，成为21世纪研究的热门技术。首先我们不要将嵌入式系统和我们平时所说的电脑或PC机相提并论，单片机系统的使用含有趋向特制功能的特色。它和我们平时所用的PC机电脑的应用系统的不同的，它的使用通常要和具体的应用相结合，根据需要的实现功能才能够赋予嵌入式系统生命力。值得一提的是它的硬件还有软件都可以根据需求裁剪，主要适用对应用系统的功率损耗、封装体积大小、安全性能。单片机系统包括硬件部分和软件部分这两个模块，其中硬件平台部分包含MCU、Memory、I/O管脚和内部Register等。软件平台部分包括作系统软件程序、底层驱动程序和应用程序等。应用程序的主要功能是控制真个系统的正常运行，而操作系统的功能就是控制着应用程序编程与硬件之间的交互。它具有软件程序占比低、较高的智能化、反应时间比较短等，所以这种系统可以适用于要求实时的和多任务的体系。单片机系统也有和我们普通计算机系统共同的地方，它也是由硬件和软件在一起混合的控制系统。硬件系统是整个系统的物理基础，它为软件的运行提供了平台基础和通信接口，系统主要的核心技术是靠软件部分，硬件电路组成部分又包括单片机MCU、外围电路和搭配电路三个部分；软件组成部分分为单片机操作系统和单片机应用软件两个层次。2.3.2传感器网络技术由于测量技术和单片机技术同传感器组合技术越来越先进，含有感官能力、数据处理能力和信号传输能力的传感器开始在智能技术得到了广泛使用。因为这类型传感器形成了现代的传感器网络使得很多研究者开始关注。这类传感器网络技术结合了普通传感器技术、单片机技术、数据处理技术和信号传输技术，可以运用网络实时测量对象信号参数，把采集到的信号进行处理，得到我们需要的数据信息，再把处理好的信息传输到后端进行进一步处理。

由于网络发展方向从互联网转向物联网，人类已经进入信息共享的时代。因为信号采集和处理是最底层和最关键的技术（也称为传感器技术），因此传感器网络获得快速发展的时代，信号采集和处理技术已经从单一信号对象逐渐朝多信号对象共同采集处理发展了。目前比较流行的是无线传感器网络是目前研究最热门的传感器网络，它具有宽广的应用场合，无线传感器网络发展和使用，必会给工业技术和人类的生活质量带来很大的影响。2.4本章小结本章主要介绍了智能控制系统实现功能的分析，确定控制系统需要实现的功能以及给出了功能之间的信号传输关系。通过需要实现的功能确定了系统方案框架，主要有信号输入模块、控制中心模块、执行机构模块和上位机模块四个部分组成，文中给出了四个部分的模型框架。最后介绍了控制系统所用的主要技术，包括单片机技术和传感器网络技术。第3章系统的硬件电路设计3.1控制中心电路设计3.1.1最小系统电路设计52系列的单片机内部都含有ROM/EPROM的存储器，这是单片机组成该系列的最小系统的必要成分。使用52系列的单片机组成最小系统，我们不需要有外接复杂电路，把最小系统所需的RST电路和TIME电路连接上就可以了。组成图如图3-1所示，另外是受板子大小的原因，最小系统只能当做简单容易的控制使用的，如需要复杂功能，必须外接电路实现[7]。52系列单片机芯片的工作电压在4.8到5.2V之间，其中此款芯片内部嵌入4KB的只读存储器空间和256KB的随机存储器空间的，而且部分引脚含有特殊功能的，含有内部Time电路，有定时和计数功能，当程序运行出现死机时，看门狗电路会立刻启动运行，系统工作的频率范围是0Hz到50MHz，当系统电源稳定时，工作频率可以达到55MHz左右，具有4*8普通输入输出接口，也就是普通接口，编程的时候不需要特殊的的工具来进行编程，而且此款芯片的子程序调用完全符合传统的8051MCU[8]。除了上面具有的特点，另外具有性价比高，编程容易，工作性能稳定等优点，最小系统如下图3-1所示单片机引脚图输入输出接口图[9]。1.STC89C52芯片主要功能、性能参数如下所示：（1）内置标准52内核，机器周期：增强型为6时钟，普通型为12时钟；（2）工作频率范围：0~40MHz，相当于普通8051的0~80MHz；（3）STC89C52RC对应Flash空间：4KB；（4）内部存储器（RAM)：512B；（5）定时器\计数器：3个16位；（6）通用异步通信口（UART）1个；（7）中断源:8个；（9）通用I\O口：32\36个；（10）工作电压：4.8~5.2V；（11）外形封装：40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。图3-1STC89C52单片机引脚图2.STC89C52单片机的特殊引脚说明如表3-1所示：表3-1STC89C52单片机的特殊引脚说明3.STC89C52单片机最小系统：52系列的单片机内部有ROM/EPROM的存储内存，所以，该系列的单片机组成的系统是极小简单系统。工作性能稳定，安全，性价比极高。使用52系列的单片机组成最小系统，我们不需要有外接复杂电路，把最下系统所需的RST电路和TIME电路连接上就可以了。组成图如图3-2所示，另外是受板子大小的原因，极小简单系统只能当做简单容易的控制使用的，如需要复杂功能，必须外接电路实现[10-11]。单片机最小系统时钟电路复位电路晶振电路单片机最小系统时钟电路复位电路晶振电路I/O口图3-2单片机最小系统原理框图4.复位电路控制系统启动之前，一般都对系统进行复位一次，保证系统各模块都恢复到原始状态。若复位电路设计有缺陷，则会造成开发好的代码通过仿真器测试时是没有问题的，但是在现场运行时可能出现了“死机”或者“程序瘫痪”等问题，因此在最小系统中复位电路启动了重要位置，在控制系统中运用微分型复位电路[12-14]。设计下图3-3复位电路硬件接线图。图3-3单片机复位电路5.晶振电路有控制芯片的数字电路正常工作是需要Time(时钟)电路的，需要时钟电路自动发出系统时间，使得控制芯片正常工作。提高给控制芯片正常工作的时钟信号，一般把这种工作方式称为“拍”，时钟电路由信号源、电容、晶振电阻、上拉电阻一起组成的[15]，由于要保证控制系统能正常工作，提高他的工作能力，我们经常用11.0592MHZ晶振和30PF的电容进行组合，电容为了让系统电源更加稳定，满足了数字控制器上电以后可以正常工作，因此设计了下图3-4晶振电路硬件接线图[16]。图3-4晶振电路硬件接线图3.1.2电源转换电路本控制器系统设计所需的电源全部都是5VUSB直流电源直接供电，为了使电源电路设计简单，通过手机适配器USB接口直接接入市电，然后转换为5V，这样可以保证系统电源稳定，而且成本低下。例外在开关输出处并联电容，是进行滤波，保证电源稳定在5V输出，使得系统更加稳定的输出，通过红色LED灯可以清晰看出电源是否供上电了[17-18]。3.2信号采集与处理电路设计3.2.1LCD1602显示电路设计目前市场上很多液晶显示屏都是在HD44780芯片基础上开发的，LCD1602也是在它的基础上开发的，因此LCD1602的工作原理和软件程序和HD44780显示屏一样的。其中LCD1602显示屏内部嵌入三种存储器，分别是DDRAM、CGROM和CDRAM存储器，DDRAM主要用来存储动态显示字符，CGROM用来显示192个字符对应的字模编号，CDRAM用来存储底层驱动程序和开发者自己设计的字符库。LCD1602共有两端电源输入，一个是显示电源另一个是背光电源，可以通过程序设计背光时间，从而降低对能源的消耗。LCD1602一个有16引脚，其中三个信号线管脚、8个数据线管脚和一个对比度改变管脚，通过单片机进行控制，下图3-5和表3-2为LCD1602显示屏硬件接线图和管脚功能图。图3-5LCD1602显示屏硬件接线图表3-2LCD1602引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS接地端9D2数据2VDD电源正极10D3数据3AO对比度调节11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5RW读/写选择13D6数据6E使能信号端14D7数据7D0数据15A背光源正极8D1数据16K背光源负极本系统使用的是5V电压，因此可以直接给LCD1602供电，不需要额外增加电源转换电路，例外本电路通过10K（PR1）电位器调整显示对比度，当电位器调节到在1号端，对比度最低，到调节到3号，对比度最高。上图中4、5和6管脚是信号线，来读取液晶内部寄存器数据，7~14是双向数据线，用来控制显示的字符内容。3.2.2时钟电路设计本设计系统选用的时钟是DS1302芯片，此芯片自身含有一个实时时钟、日历和星期，是一个32位数字信号输出器，内部含有31个字节静态随机存储器，主要运用串口通信原理，具体电路如下图3-6所示。这款时钟芯片可是实时显示年月日和时间，可以通过软件设置显示时间方式是24小时制还是12小时制，当设置好年份以后，系统自动确定闰年年份。DS1302芯片主要的工作原理是当芯片的RET、I/O和SCLK三根线分别与单片机三个引脚相连后，根据芯片的内部时钟，内部含有的静态随机存储器就不断的更新数据，并把数据以数组的形式存入相应的存储器中，只需要程序调用这个数组，就能显示具体时间。此款时钟芯片运用两个电源供电，正常情况下利用系统电源进行供电，若系统电源断电或者电压不足，则会自动选用备用电池进行供电，这样是为了保证数据永久不丢失。图3-6时钟电路图由上图可知，DS1302芯片与单片机三个引脚相连接，其中SCLK和/RST采用I2C串行总线连接方式，其中一个是SDA（串行数据线），一个是SCL（串行时钟线）。2号和3号引脚连接32.768KHz晶振，提供时钟晶振源。为了使得信号传输稳定，在5、6和7号管脚增加10K上拉电阻。3.2.3无线蓝牙控制电路设计本设计需要实现数据无线通信，根据前面无线技术比较采用蓝牙模块作为无线通信模块，本文选用的蓝牙使用的是2.4Hz频率通信方式，符合国际蓝牙频率标准，可以满足蓝牙PPS准则。此款蓝牙HC-06模块含有2种运行方式，指令方式和数据传输方式，在数据传输方式主要含有主机、从机工作方式，在主从机中可以实现相互通信，通过绑定方式组成无线通道，数据从一个模块传输到另一个模块；在蓝牙工作方式是指令方式的时候，可以通过发送AT指令进行相应的操作，其中使用者可以向蓝牙发送AT指令进行操作，通过数据解析后进行处理，本文使用的就是指令工作模式，用户可以使用上位机给蓝牙发送指令，此处的蓝牙设备当作中介设备，负责把上位机发送来的数据传输给设备。当蓝牙模块处于断开状态时，上面的指示灯会一直闪烁，直到有上位机连接到设备以后，指示灯会变成一直常亮。该串口蓝牙模块具有以下特点如下表3-3所示。表3-3串口蓝牙模块特点特点性能采用兼容CSR的主流蓝牙芯片蓝牙V2.1+EDR协议标准，通过了蓝牙BQB认证。快速启动只需要0..3秒就可以完成整个模块的初始化工作。兼容性更好能够与Windows自带协议栈、IVT、Widcomm、Android等系统兼容。内置RC复位电路POR、Brown-Out、LVR电源电压监测电路，复位稳定可靠，无须外部复位电路。内置电源防反接内可以防止电源短路。置电源管理芯片供电电压范围，3.0V~6V。内置TTL信号电平转换电路兼容3/3.5/5V信号，TXD高电平输出电压VCC。工作电流，配对中默认参数：波特率9600、配对码1234、工作模式主从机。最大发射功率4~12mA配对完毕未通信通讯距离空旷条件下30M（最远可达60M，但不做保证），正常使用环境15M左右。因为蓝牙模块通信方式简单，基本上所有上位机都含有蓝牙模块，因此搭配系统比较容易，而且蓝牙模块功耗非常低，因此得到了广泛地使用。当使用蓝牙模块时，只需要把蓝牙模块上面的串口线交叉接在控制器的设备串口线上就可以了，注意了一定是TXD接RXD，否则数据无法通信，本文设计的蓝牙电路如下图3-7所示。图3-7蓝牙模块硬件接线图3.2.4温度测量电路设计目前在温度测量主要使用的传感器有热电偶传感器，水银温度计，DHT11传感器和DS18B20传感器等，其中热电偶式测量范围特别广，精度高，但是成本很高，水银温度计由于封装问题，很多场合不适合使用，DHT11是温湿度同时可以测量，成本很低，但是测量范围和精度有限，DS18B20是有一款测量精度高，抗干扰能力强而且成本低的传感器。综上所述，本设计温度测量使用的的是数字式DS18B20传感器，DS18B20主要特点有封装集成度高、价格便宜、抗干扰能力强，精度高等。可知DS18B20外部只有3个管脚，分别是I/O管脚DQ，电源管脚VCC和GND。DS18B20通过内部存储器可以确立端口的通讯方式，数据起始用写寄存器的指令写入寄存器里面，然后也能用读寄存器的指令来确定这些数据，当确定这些数据后，就能通过复制寄存器的指令把确定的数据传输到可电擦除RAM中，若改过寄存器中的数据，这个进程可以保证数据的不变性。本设计采用下图3-8温度采集原理图。图3-8DS18B20接线原理图上图中1号引脚接GND，3号引脚接VCC，2（P14）号引脚接信号线，与单片机I\O口相连接。为了使得信号传输更加稳定，串联了一个10K电阻，提高数据输出稳定性。3.2.5语音播放电路设计语音播放模块是为了在系统检测到异常信号时，通过语音向其发出警告音。可预先录入告警声音，当系统检测到驾驶员疲劳驾驶或者车距较近时，单片机发送信号驱动语音模块自动播放语音。实现此功能需要选择录音及播放控制芯片和扬声器。录音及播放控制芯片种类较多，可实现不同录音长度、不同播放方式和不同控制方式的语音操作。本系统选择的是８~20秒单段语音录放芯片ISD1820，主要基于以下几个原因：ISD1820芯片具有内部存储器，不需要外接存储电路；ISD1820芯片可以利用上下沿或高低电平进行驱动，软件操作简单；内部嵌入振荡电路、话筒前置驱动电路、杂音滤波以及外放驱动放大电路设计简易。下图3-9是ISD1820芯片引脚图，表3-4是引脚功能。图3-9ISD1820芯片引脚图表3-4ISD1820引脚功能表名称功能REC持续为高电平时录音，变低或内存已满后自动写入信息结束标志。PLAYE上升沿触发放音，直到信息结束标志或内存结束。PLAYL高电平触发放音，直到变为低电平、遇到信息结束标志或内存结束。MIC和MICREF话筒输入，通过串联耦合电容连接话筒。AGC动态调整增益减小失真，通常接0.47uf电容效果较好。SP-和SP+扬声器输出，可直接驱动8R以上的扬声器。VSSA模拟地ROSC接震荡电阻至地，阻值决定录放音时长。VCC3.3V电源FT直通模式，高电平时声音经放大直接到达输出端，可作为喊话器。RECLED录音指示，录音状态时为低电平，可驱动LED。VSSD数字地结合芯片手册的典型应用电路以及结合本设计系统实际情况，设计ISD1820硬件模块电路如图3-10所示。图3-10语音模块硬件接线图3.3系统总体电路设计该系统的电路原理图是使用AltiumDesigner原理图绘制软件完成的。该款软件是PORTEL公司20世纪后期研发出的一款绘制原理图软件。采用标准库应用方式，能进行网络设计，这款软件有数据处理能力很快和开源系统及threeD仿真能力，是一个32位的常用软件，可以完成大多数系统图的制作，要你看看编译器生成的汇编代码,你将能够体验到此款软件的使用非常方便的,大部分语句生系统原理图板设计和PL器件制作等工作，能制作信号层最多32个，16个信号源。此款绘图软件的特色如下所示：可以很容易的画出好几十种的原理图链接方式；强大的全局编辑功能；此款绘图软件含有很大的定则原理，在编译窗口下，可以满足在在线编译和其它编译方法；此款绘图软件含有自动铺铜性能，而且另外具有全自动铺铜功能；软件所占内存很小，而且兼容性很好的。本设计的原理图是通过网络标号进行走线连接了，这样看起来更加清晰，不易混乱，而且查错非常简便。系统原理图如图3-11所示。图3-11系统原理图3.4本章小结本章主要完成系统硬件平台电路设计，主要包括根据系统实现的功能设计了硬件框架，单片机最小系统电路以及相应的信号采集与处理电路设计。第4章系统软件平台设计完整的控制系统由硬件系统和软件系统组成，前一章主要阐述了语音播报作息时间控制系统硬件电路的设计方案，若要充分发挥系统设计功能，则需要支持硬件平台的软件，本文软件分为系统驱动程序软件和应用程序软件两部分，均采用C语言进行编写。4.1控制中心开发环境软件与工具在语音播报作息时间系统控制中心软件中，利用52单片机为控制中心，采用的的是STC89C52RC芯片，开发环境是KeiluVision4byC51软件。程序的烧录使用的是stc-isp-15xx-v6.85p软件，这两款开发环境是目前52单片机系统的主流软件，使用的非常频繁。4.1.1单片机开发环境本设计52单片机开发环境是KeiluVision4，是如今嵌入式常用的开发环境，KeiluVision4是STC公司推出最新一代关于52单片机处理器的编译、连接和调试集成环境。KeiluVision4不仅提供了完整的Windows开发环境界面，支持C/C++语言开发，而且其C语言编辑效率很高，能够使开发者非常容易地使用C语言进行程序编程。其中Keil有以下特点，软件界面如下图4-1所示。图4-1KeiluVision4开发界面图Keil同时支持WINXP和WIN7等多种操作系统，提供了丰富的库函数和功能强大的开发工具。Keil可以完成从编辑、编译、到连接、调试和最后进行仿真的一套开发流程。KeiluVision4C51在KeilC51的基础上，增加了很多新的功能。如KeiluVision4更加增强了对内核微控制器的开发支持，并对KeilC51的开发形式和开发界面进行相应的改进。4.1.2软件开发流程52系列单片机开发首先需要建立“Project”工程，点击KeiluVision4界面中菜单中“Project”，选择“NewuVisionProject”，为新建的工程命名后点击保存；然后选择开发单片机芯片的型号，本工程选择“STC89C52”，这样就完成了“Project”的建立；当工程建立完毕后，点击“SourceGroup”，可以往里面添加.c文件，点击Add就可以编辑了该文件了，也可以把常用的.c文件拷贝到建立的“Project”目录下面，最后一个完成的工程软件就建立完毕了。具体工程开发如图4-2流程图所示。图4-2软件开发流程图4.1.3烧录工具介绍在KeiluVision4开发环境下，STC89C52RC芯片使用的是stc-isp-15xx-v6.85p烧录器，它是一款集成了代码下载，在线仿真和串口查看于一起软件备，在52系列智能产品研发过程中得到了广泛使用，性能高，是目前52系列单片机控制系统研发中不可缺少的一部分。在KeiluVision4开发环境中，需要进行一定的配置才能使用，当把下载器（仿真器）、设备和PC连接好，首先需要在软件中选择单片机型号和串口号，并把波特率设置和程序软件一致。然后选在项目程序“hex”文件所在的地址，最后就可以点击程序下载按钮了。具体如下图4-3所示。图4-3烧录软件对话框4.2控制系统软件本系统设计主要采用KeiluVision4软件编写与调试程序，程序语言采取易读性和移植性更高的C语言编写。系统的总体框架是当系统上电后，首先进行模块初始化，若有模块器件损坏，则不能正常运行；然后系统开始采集数据和处理数据，若处理的数据正确，则开始接受数据把传输到输出端作进一步处理。4.3系统信号采集与处理程序设计4.3.1LCD1602程序设计通过LCD1602液晶屏作为显示模块，LCD1602模块在系统向它传输信号或者指令之前都会查询运行状态，只能当LCD1602模块工作在休闲状态时，系统才能对它传输信号或者指令，否则传输的信号或者指令不会被执行。其操作时序包括读操作时序和写操作时序。其具体程序运行流程图如图4-4所示。图4-4LCD1602显示流程图由上图可知，系统上电后，LCD1602首先进行模块初始化，然后显示固定不变的字符；若液晶空闲，则控制中心给液晶发送显示的字符，若显示的字符有效，则LCD1602输出显示。4.3.2时钟DS1302程序设计DS1302芯片主要的工作原理是当芯片的RET、I/O和SCLK三根线分别与单片机三个引脚相连后，根据芯片的内部时钟，内部含有的静态随机存储器就不断的更新数据，并把数据以数组的形式存入相应的存储器中，只需要程序调用这个数组，就能显示具体时间。时钟模块具体工作流程图如下图4-5所示。图4-5时钟模块软件工作流程图由上图可知，系统上电后，时钟模块首先进行模块初始化，然后系统打开中断，芯片开始写入数据，若写入的数据正确，则模块对写入的数据进一步处理，最后输出时间。4.3.3温度传感器程序设计本文设计系统温度测量采用DS18B20传感器，它是一类单总线的器件，其中指令和数据由一根总线来完成。所以DS18B20对操作时时序的要求精度很高，对于该温度传感器与单片机数据访问主要通过DATA线进行。以下的函数是传感器进行测量的函数：voidDS18B20_Rst(void）；//复位函数；u8DS18B20_Check(void)；//检测传感器是否存在；u8DS18B20_Read_Bit(void)；u8DS18B20_Read_Byte(void)；voidDS18B20_Write_Byte(u8dat)；voidDS18B20_Start(void)；shortDS18B20_Get_Temp(void)；根据以上函数定义，DS18B20传感器信号线DATA连接到单片机P14引脚上，图4-6是温度测量流程图。图4-6温度测量流程图由上图可知，系统上电后，温度传感器自动进行复位一次，系统程序检测温度传感器是否存在，若存在，则控制中心开始读取传感器的数据，并且向传感器发送控制指令数据。接下来把读取的数据进行转换和输出温度值。在使用温度传感器需要主要的是，VCC和GND不能连接反，否则温度传感器会迅速升温，造成一定的危险。4.3.4蓝牙信号传输程序设计信号传输采用的是串口数据传输，通过上位机传输或者接收数据，蓝牙模块起到了中介作用，当上位机APP发送正确数据，经过蓝牙解析以后传输到单片机，经过单片机内部处理后，执行相应的功能。如下图4-7所示，蓝牙运行流程图。图4-7蓝牙运行流程图当使用蓝牙模块时，只需要把蓝牙模块上面的串口线交叉接在控制器的设备串口线上就可以了，注意了一定是TXD接RXD，否则数据无法通信。4.3.5语音播放电路程序设计当系统运行到系统时间等于闹钟时间，则系统自动启动语音播报。系统在正常运行时，单片机引脚连续输出高电平信号，此时语音模块不能导通，当系统检测到异常信号时，单片机引脚交替输出高低电平信号，从而让ISD1820语音模块导通，发出事先的录音。ISD1820语音模块软件运行流程图如图4-8所示。图4-8语音模块运行流程图4.4本章小结本章使用的编程方式是模块化编程，即按照系统中的功能分块编程。在编程时进行模块化处理，能够提高程序的可读性和可移植性。软件编程实现的主要功能包括：数据采集，数据处理等，并阐明了具体的控制方式。依据设计方案给出了软件运行程序流程图。第5章系统调试与性能验证本文的前几章主要介绍语音播报作息时间研究背景和系统设计意义、控制系统总体方案设计、系统硬件平台设计以及系统软件平台设计过程。本章将以前面设计的硬件系统加上软件设计程序搭建系统测试平台，对每一个功能进行验证和结果做出相应的分析。5.1系统调试环境本文智能语音播报作息时间系统由硬件系统和软件系统构成组成，在硬件系统中主要分为信号输出端、信号处理端和信号输出端。软件系统主要由实现各个功能的程序代码和测试软件构成，在程序代码中采用模块化设计思想，极大的降低了程序设计难度和开发时间。5.2系统软硬件调试在搭建调试平台后，需要对软件程序进行调试，若程序调试没有问题，接下来开始验证系统功能是否满足要求，若功能有问题，需要继续调试程序，反复进行，直到所有功能都满足为止。5.2.1系统软件调试软件调试步骤如下：(1)在Keil4软件中先创建一个工程：单击菜单栏中的“工程”，输入新建工程名“基于单片机的语音播报作息时间控制器设计”，并保存；然后器件选择“”目录下的“”。（2）新建用户源文件：在新建的空白文本中编写程序源代码，编码完成保存文件并文件拓展名“基于单片机的语音播报作息时间控制器设计.c”，新文件创建完成。（3）程序编译和调试：单击编译按钮，系统会对文件进行运行，在输出窗口中可看到提示信息，如图5-1中有一个error，按提示找出错误并改正，直到提示没有错误为止，如图5-2所示。图5-1文件编译信息图5-2提示信息无错误5.2.2系统硬件调试在经过上面编写的程序编译没有问题后，烧录到单片机里面，接下来开始验证功能是否满足设计要求。数据采集：本设计系统主要采集上位机发送给设备的时间指令和环境温度信号。系统启动后，各个模块进行舒适化，蓝牙模块上指示灯进行闪烁，打开手机蓝牙并且设备蓝牙模块进行配对，配对成功后打开APP软件，进行端口号匹配，匹配成功后蓝牙指示灯停止闪烁。接下来手机发送时间指令给系统进行校准时间，指令发送成功后，系统时间与手机时间进行同步运行；接下来验证温度采集，正常情况下环境温度是25摄氏度，用手指捏住温度传感器，从LCD1602液晶屏上可以看出温度在逐渐上升，当温度达到30摄氏度时，把手指松开，然后温度慢慢降到环境正常值摄氏度。如图5-3所示。图5-3温度采集（2）功能验证：经过第一步数据采集测试后，功能验证之前，先给ISD1820语音模块录入语音提示数据，打开A语音模块录音功能，录入语音音乐数据，按下确定按键。再打开B语音模块录入功能，录入语音音乐数据，按下确定按键；通过上位机发送两个闹钟时间指令，分别是09:35和23:25，当系统时间运行到09:35时，A语音模块启动工作，连续5S发出音乐，当系统时间运行到23:25时，B语音模块启动工作，连续5S发出音乐。因此功能验证完毕，完全满足系统设计要求。5.3测试结果分析在测试过程中，会因为实际环境参数，验证设备和测试步等其他因素都会影响最终的测试结果的，在一定的程度上都会影响采集数据值与真实实际值之间存在一定的误差，例如本设计中，在数据采集中会因为系统设备存在一定的延时，导致采集信号不准确。为了降低实验中的误差，控制系统一般采用修正的方法来降低实际实验中的误差。其中修正的方法一般是在实验前或者实验中，通过其他某类系统误差的修正值来弥补该类误差值。其中在实验中采集数据和处理过程采取合适的修正值很重要，修正值的选取主要有三种方法。通过去图书馆查找相关资料获取；通过一定的理论推导和仿真实验获取；经过多次实验结果分析然后获取。本次运用的芯片可以通过查找技术手册获取误差修正值，在系统程序中，通过一定的子程序，提高数据采集的准确性。5.4本章小结本章主要是对所设计的语音播报作息时间整体系统实现功能验证及性能应用测试，对于系统测试的环境及具体测试的内容进行详细的阐述。主要包括系统测试平台的搭建，系统软硬件调试和系统性能验证。结论当把完整的控制系统开发出来以后，使我对自己的信心增加很多的，当初我在自己在想，一个人去设计一个完整的控制系统，根本就不敢去深入研究的，但是现在自己把原理图绘制出来，程序编写出来，最后实际验证了系统的可用性。经过此次的研究和开发，使得掌握了很多有关课本根本无法学到的知识，让我毕业以后可以更快的融入到工作环境中。1.论文工作总结：本文在参考和研究分析目前的语音播报作息时间研究的目的和意义的基础上，利用52单片机为控制芯片，利用各个组合模块电路，使得设计设备小型化、与程序设计模块化的方向，设计了一款数字智能控制系统方案。这种语音播报作息时间系统在硬件设计方式上运用了数据实时采集与上报显示方案。接下来简要说明了了这种研究方法中所包含的关鍵技术和应用平台，包括各种硬件模块电路的设计等。最后详细介绍了语音播报作息时间硬件平台搭建，重点介绍了应用程序的设计，实现了预期的数据采集、处理等功能，完成了预期的设计目标。2.论文工作展望本文虽然设计和实现了语音播报作息时间有关产品方案，但是还存在较多需要改进的地方。（1）从方案内部完善角度讲：方案的硬件模块体积较大，稳定性和可靠性有待提升；方案的软件易用度和功能都有待继续提升和丰富，增加数据处理速度，例外采用高速度无线数据传输功能等，这些都是后期需要继续研究的主要内容。（2）从方案横向扩展角度讲：这种方案目前只实现了语音播报作息时间的基本功能，但是它所用到的软硬件技术完全可以扩展到其他领域。（3）从方案纵向提升角度讲：这种方案目前只能完成智能控制和数据分析的基础，后面可以在这基础上研究自适应控制、机器学习、数据挖掘等一系列智能控制方法，而且可以加入其它智能设备共同控制等。致谢经过前段时间的研究与书写，现在已经圆满的完成了这篇毕业设计了。在这次的系统制作过程中，事实上遇到了很多棘手的问题，但是在指导老师和同学热心的帮助下，最后都一一解决了。所以我要郑重的感谢的我的毕业设计指导老师，在系统的制作和程序编写方面，老师给了我很多的帮助。从刚开始的毕业设计题目的确定，到论文的总体大纲的构思。再到论文的书写，老师不断的给我检查错误和纠正错误。指导老师很友好的指出了我的不足，让我把一篇又很多瑕疵的文章改为能满足学校毕业要求的文章。例外我还要感谢答辩老师在论文开题和论文中期答辩中提出很大有价值的问题，使我把文章修改以后，显得整个内容更加的全面，更加符合答辩老师的要求。参考文献熊媛.传感器技术在自动控制系统中的应用及发展展望[J].工业设计,2016,10(8):12-15.曾非一.嵌入式软件开发技术研究—MPC860目标机底层软件的实现[D].电子科技大学,2014.WeiX.TheapplicationofZigbeetechnologyinthedesignofintelligentsocket.powersystemcommunication,2011,32(3):78-81.杨成慧,王书志,何佑星等.一种基于STC89C52的智能窗帘控制系统设计[J].\o"紫色刊名为\“中国知网\”独家出版刊物"自动化与仪器仪表,2016,8(10):72-78.蔚承英,陈勇刚,杨利平等.基于GPRS和嵌入式计算机的远程监控系统研究[J].安防科技,2016,2(12):18-20.童静.基于LonWorks技术的智能小区信息管理系统的应用研究[D].武汉理工大学,2005.应山.基于Android系统的便携式智能家居控制终端技术研究[D].哈尔滨工业大学,2016.赖日平.智能家居网关软件系统的设计与实现[D].贵州大学,2016.许航飞.汽车雨量传感器设计与自动雨刮控制系统[D].中国计量学院,2016.黄小燕.智能化技术在建筑电气工程中的运用[J].建筑工程技术与设,2015,35(10):693-696.XiaojingX,KunhuiL.ResearchonKeyTechnologiesofspeechrecognition.computerengineeringandApplication,2006,42(11):66-69.袁麓,许艾明,童昭维.一种基于三网融合的智能家居网关系统的研究[J].中国有线电,2015,2(6):130-133.杨希.无线传感器网络协议栈与定位技术的研究与实现[D].东南大学,2012.李振.基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制研究[D].云南农业大学,2015.杨晓芬.基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统[J].电子世界,2016,19(10):75-78.方琳.基于ARM的智能家居系统设计与实现[D].南京邮电大学,2015.CinazB,KennH.HeadSLAM-SimultaneousLocalizationandMappingwithHead-mountedInertialandLaserRangeSensors//Proceedingsofthe12thIEEEInternationalSymposiumonWearableComputers.Pittsburgh,USA:IEEECSPress,2008:3-10.刘美红.基于ARM的汽轮机监视保护系统设计与实现[D].武汉理工大学,2015.附录1电路原理图附录2源程序#include<reg52.h>#include<intrins.h>#include<stdio.h>#include"1602.h"#include"delay.h"#include"ds1302.h"#include"eeprom.h"#include"18b20.h" sbityy2=P1^5; sbityy1=P1^6;unsignedcharxdatadis0[16];unsignedcharxdatadis1[16];unsignedcharxdatadis2[16];unsignedcharxdatatime_buf2[17];unsignedcharSetFlag=0; xdataunsignedcharfirstin=0; xdataunsignedchartab[20]; xdataunsignedcharCount=0; xdataunsignedcharuartbusy=0;bitReadTimeFlag;unsignedchari;bitsetClockFlag=0;unsignedcharinitFlagData;//eepromunsignedlongtime_20ms=0;voidInit_Timer0(void); voiduartSendStr(unsignedchar*s,unsignedcharlength);voidUART_Init(void);voiduartSendByte(unsignedchardat);unsignedcharsetHour_01=18;unsignedcharsetMin_01=30;unsignedcharsetHour_02=8;unsignedcharsetMin_02=0;unsignedcharReadTempFlag=0;inttemp1; floattemperature;bitdisFlag=0;voidwrite_eeprom(){ SectorErase(0x2000); byte_write(0x2000,setHour_01); byte_write(0x2001,setMin_01); byte_write(0x2002,setHour_02); byte_write(0x2003,setMin_02); byte_write(0x2055,initFlagData); }voidread_eeprom(){ setHour_01=byte_read(0x2000); setMin_01=byte_read(0x2001); setHour_02=byte_read(0x2002); setMin_02=byte_read(0x2003); initFlagData=byte_read(0x2055)}voidinit_eeprom(){ read_eeprom(); if(initFlagData!=0x55) { setHour_01=18; setMin_01=30; setHour_02=8; setMin_02=0; initFlagData=0x55; write_eeprom(); } }voidmain(void){ Init_Timer0(); UART_Init(); DelayMs(200); LCD_Init(); DelayMs(20); LCD_Clear(); Ds1302_Init(); Ds1302_Read_Time(); uartSendStr("readyok!",10); init_eeprom(); while(1) { if(SetFlag==1) { for(i=0;i<8;i++) { time_buf1[i]=time_buf2[2*i]*10+time_buf2[2*i+1]; } Ds1302_Write_Time(); SetFlag=0;} if(setClockFlag==1) { setClockFlag=0; write_eeprom();} if(ReadTimeFlag==1) { ReadTimeFlag=0; Ds1302_Read_Time(); sprintf(dis0,"20%02d-%02d-%02d%d%2.0fC",(int)time_buf1[1],(int)time_buf1[2],(int)time_buf1[3],(int)time_buf1[7],temperature); LCD_Write_String(0,0,dis0); sprintf(dis1,"%02d:%02d:%02d",(int)time_bu