语音温度播报控制器(毕业设计)

贵州大学 本科毕业论文（设计） 论文（设计）题目：语音温度播报控制器 学 院：职业技术学院＿ 专 业：电子信息工程 班 级：＿＿＿051＿＿ 学 号：＿0514111117＿ 学生姓名：＿＿李忠涛＿＿ 指导教师：＿＿王开建＿＿ 2009年 05 月 20 日 贵州大学本科毕业论文（设计） 诚信责任书 本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。 特此声明。 论文（设计）作者签名： 日 期： TOC \o "1-3" \h \z \u 摘要 III abstract IV 第1章. 前言 1 1.1. 引言 1 1.2. 研究的意义与目的 1 1.3. 国内外发展状况 1 第2章. 系统总体设计 3 2.1. 系统结构 3 2.2. 系统功能设计与分析 4 2.2.1. 度采集温 5 2.2.2. 数字显示功能 5 2.2.3. 语音播放功能 6 2.2.4. 温度控制系统 7 第3章. 硬件电路设计 9 3.1. 电源模块 9 3.2. 单片机模块 9 3.2.1. 微处理器（MCU）AT89S52 9 3.2.2. 单片机硬件电路 11 3.3. 温度采集模块 12 3.3.1. 数字化温度传感器DS18B20功能简介 12 4.3.2 DS18B20硬件电路 19 3.4. 数字显示模块 19 3.4.1. LED数码管 19 3.4.2. LED数码管硬件电路 20 3.5. 语音播报模块 20 3.5.1. 单片语音芯片ISD2590 20 3.5.2. ISD2590硬件电路 25 3.6. 温度控制模块 26 3.6.1. 继电器 26 3.6.2. 继电器控制电路 27 第4章. 软件设计 28 4.1 单片机主程序设计 28 4.2 DS18B20软件设计 29 4.3 LED数码管显示软件设计 30 4.4 ISD2590软件设计 33 4.5 继电器软件设计 37 第5章. pcb的制作和实物 38 5.1. Protel的功能和使用 38 5.2. 原理图的绘制 38 5.3. PCB板的制作 38 5.3.1. 打印 38 5.3.2. 转印 39 5.3.3. 蚀刻 39 5.3.4. 钻孔 40 5.4. 元件的认识和检测 40 5.5. 元器件安装的基本要求与原则 41 5.5.1. 元器件的安装要求 41 5.5.2. 元器件的安装原则 41 5.6. 元器件的焊接 42 5.6.1. 点的基本要求 42 5.6.2. 焊接前的准备 42 5.6.3. 焊接操作 43 5.7. 系统调试与分析 43 第6章. 总结 44 致 谢 46 参考文献 47 附 录A 系统原理图 48 附 录B 实物图 49 附 录C 元器件清单 50 附 录D 原理PCB 52 附 录E 程序清单 53 语音播报温度控制器 摘要 随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化。 可编程控制器的出现给人类生活的自动化带来了一次革命，而单片语音芯片的发展更是给人们的烦闷生活中带来了一场新的革命——语音播报 本设计系统由AT89S52单片机、温度传感器DS18B20、ISD2590语音芯片和LED数码显示等部分组成。以AT89S52单片机为控制核心，温度传感器DS18B20提供测量到的温度信息，经过单片机数据处理后，传至LED数码管显示，同时将温度信息对应的语音地址输入ISD2590语音芯片中，驱动喇叭播报出语音，进而完全播报出当前的温度值，并最终实现数字显示功能和语音播报功能；另一方面，单片机根据实测温度控制电磁继电器，进而决定是否驱动电热器工作，从而实现温度控制功能。 透过本系统的研究设计，我们可以自豪地说：“人类生活的新革命已经到来！” 关键词：单片机；温度传感器；语音播报 abstract With the development of electronic technology, particularly with the formation of large-scale integrated circuits, to the people's life has brought fundamental changes. PLC to the emergence of the automation of human life brought about a revolution, and the development of monolithic voice chip is Fanmen to people's life has brought a new revolution —— voice broadcast This design system from AT89S52 SCM, temperature sensors DS18B20, ISD1420 voice chip and LED digital display and other components. AT89S52 for the control of the microcontroller core, the temperature sensor DS18B20 to measure the temperature to provide information, the MCU data-processing, spread to the LED digital display, while the corresponding temperature information address voice input ISD1420 voice chip, drive Loudspeaker broadcast a voice, then broadcast to all the current temperature and, ultimately, the digital display and voice broadcast feature on the other hand, the measured temperature control SCM electromagnetic relays, to determine whether the electric drive for work, thereby Temperature control. Through this system of design, we can proudly say: "Human life of the new revolution has arrived!" Keywords: Micyoco; Temperature sensor; Voice broadcast 第1章.​ 前言 1.1.​ 引言 随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化。 可编程控制器的出现给人类生活的自动化带来了一次革命，而单片语音芯片的发展更是给人们的烦闷生活中带来了一场新的革命——语音播报 在日常生活中，人们需要不同温度的水来满足日常生活，同时如今有许多产品都实现了语音功能，它更能满足人们的需要，当然也获得更多人的喜爱。本课题通过对具有语音播报功能的水温控制系统设计，来深切体会现代微电子技术的发展对人们日常生活带来的便利和深远的影响。 1.2.​ 研究的意义与目的 水，生命之源。我们日常生活需要不同温度的水，比如：我们洗澡时水温是40℃到50℃；我们矿泉水饮水机中热水保温范围是85℃到96℃，冰水的温度范围是5℃到10℃；等等。同时热水器烧开水时，我们很多时候是并不知道的，结果浪费了许多资源，更有甚者在水烧干后引发了安全隐患。 具有语音播报的水温控制系统能在控制水温的同时能语音播报，这样既能满足不同使用者或不同使用场合对水温的控制，还能方便使用者了解实时温度，提醒使用者安全信息。 1.3.​ 国内外发展状况 近年来，随着集成电路的飞速发展，单片语音集成电路领域出现重大变革，产生了许多新的技术和产品，开拓了更广泛的应用领域，并朝着更大容量、更优音质、更高智能、更具灵活性的发展。通信设备电话机、智能仪器仪表、治安报警系统、语音报站/报数/报价器、语音讲解系统、便携式语音记录装置、语音复读机、教学仪器、智能玩具和高档电子礼品等语音产品飞进了我们的生活里。 语音播报温度也在一些产品中出现，但是主要是在现代化的工业生产中，在我们平常生活中出现得比较少，这主要是因为语音技术是一门新兴技术，实现起来比较难；在工业化生产中，程序都已经被固定，不用根据个人的需要重新调节，因此能应用于其中。 但是随着ISD语音芯片的不断发展，个人调节语音变得越来越容易实现。其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。采用单片机来对水温进行控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点。 单片机同语音芯片一起实现语音播报功能的水温控制系统是完全能在我们日常生活中实现的，并且我们还可以调节水温的范围来满足我们的需要。 第2章.​ 系统总体设计 2.1.​ 系统结构 本次设计选择ATMEL公司AT89系列的AT89S52单片机为MCU，主要是因为其造价低廉，且拥有256字节的片内RAM内存，其8K大的ROM采用Flash型，可以在调试程序的时候重复擦写程序，一方面可以直接用硬件进行调试，节省调试时间，增加系统的可靠性、稳定性，另一方面也节省了因修改程序而换芯片的成本。 如图2-1，系统主要由AT89S52，数字化温度传感器DS18B20，显示模块LED数码管，单片语音芯片ISD2590，以及按键和电磁继电器等器件组成。 2.2.​ 系统功能设计与分析 图 2-2 系统总体功能框图 本设计系统总功能框图如图2-2所示，本系统以AT89S52单片机为控制核心，温度传感器DS18B20提供温度信息，经过数据处理，传至LED数码管显示，同时将温度信息对应的语音地址输入ISD2590语音芯片中，驱动喇叭播放出语音，进而完全播报出当前的温度值，并最终实现数字显示功能和语音播报功能。 单片机根据实测温度控制电磁继电器的工作进而控制电热器以实现温度控制功能。 主要包括： 温度采集、TH（报警高值）、TL（报警低值）值设置 数字显示功能 语音播放功能 温度控制功能 这四个大的系统功能。 2.2.1.​ 度采集温 温度采集和TH、TL值设置功能的实现，主要是依靠温度传感器DS18B20,如图2-3： DS18B20测量温度范围为-55℃~+125℃，而水在大气压下的温度范围为0℃~+100℃,因此在该系统设计中用DS18b20作为温度传感器是完全可以的。又在-10℃~+85℃测量范围内，DS18b20的精度是±0.5℃，在测量水温方面这样的误差是允许的。 首先单片机向DS18B20发出复位信号和其他的控制信号，继而DS18B20做出相应的响应，如：温度转换、用暂存器存储单片机设置的TH、TL值、将暂存器的值拷贝到内部EEPROM进行固化、将内部EEPROM值拷贝到暂存器中、将暂存器中的当前温度值和TH、TL值传给单片机等。 图 2-3 温度采集框图 2.2.2.​ 数字显示功能 在本系统中，显示功能是依靠LED数码管来实现的。如图 2-4 ： 图 2-4 数字显示框图 在本系统中，数码管将显示数字字符0~9和小数点以及字母字符“L”“H”“—”“F”。单片机的P0口为数码管提供显示字符的数据信息，而P2口为数码管提供片选信号，获得低电平的数码管将发光，其余不发光。 在系统上电后，单片机将检测是否有DS18B20，如没有检测到，数码管将显示字符“F”，在我们看来，五个数码管都将显示为“F”。 在温度显示时，数码管的第一位显示当前的温度是过高“H”，偏低“L”和适合“0”，而其余数码管显示温度值，第四位数码管的小数点将一直发光。 在TH、TL值设置时，第一位数码管显示当前设置温度是TH值“H”,还是TL值“L”,最后一、二或者三位是设置温度值，其余位显示字符“—”。 2.2.3.​ 语音播放功能 本系统的语音功能是通过语音芯片ISD2590和喇叭实现的，如图 2-5 ： 图 2-5 语音播放框图 系统中需要播放的语音有：“请检查传感器！”、0~9、“十”、“百”、“负”、“点”、“度”、“现在温度是”、“温度过高！”、“温度偏低！”这些语音都已经先录制到语音芯片中的不同地址。 语音播放时，单片机将语音地址数据传给ISD2590，同时也传送了控制播放信号，而喇叭就播放出语音芯片中的语音。在语音播放时，单片机将采取延时来等待下个语音的到来。 2.2.4.​ 温度控制系统 系统通过电磁继电器控制电热器加热与否，进而实现温度的自动控制，如图 2-6 ： 图 2-6 温度控制框图 单片机通过控制P1.3这位的高低电平，控制继电器的工作，进而控制电热器，最终实现水温的自动控制。 第3章.​ 硬件电路设计 3.1.​ 电源模块 图 3-1 系统电源电路 如图3-1，在电源电路中，首先220V的交流电经过变压器T0将电压降低，然后经过四个二极管组成的桥式整流电路D0整流，此时电流已经成为直流。 直流电流通过C0组成的滤波电路，电压将趋于稳定电压12V，这部分是用直流电源实现。12V的直流电通过由三端稳压器7805组成的直流稳压电路将电压稳定在VCC——5V。发光二极管DS1在系统上电（S0闭合）时发光，表示电路已接通。 3.2.​ 单片机模块 3.2.1.​ 微处理器（MCU）AT89S52 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决。 外部引脚介绍： VCC : 电源 GND: 地 P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。 3.2.2.​ 单片机硬件电路 图3-3 系统单片机电路 如图3-3，在整个硬件电路中，有 单片机最小系统：1）电源和地的连接；2）单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体以及C3和C2就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号；3）RST引脚外接C1、R1、R2和K0构成了上电与按键均有效的复位电路。4） 引脚连接VCC表明使用内部8K的FALSH作为程序存储器。 与DS18B20连接口——P1.0 ： 1）采集的温度数据从P1.0输入单片机，然后单片机进行BCD处理；2）设置、修改的TH和TL值通过P1.0拷贝到DS18B20中。 数码管显示利用P0、P2口： 1）P0口为数码管显示提供段选信号；2）P2中的P2.3至P2.7为数码管显示提供位选信号。 语音芯片连接的P3口： 1）P3.0~P3.5为ISD2590放音提供地址数据；2）P3.6控制喇叭的停放音。 3.3.​ 温度采集模块 3.3.1.​ 数字化温度传感器DS18B20功能简介 (1)Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。现在，新一代的“DS18B20”体积更小、更经济、更灵活。本设计采用DS18B20作为可编程的温度传感器。独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 （2）在使用中不需要任何外围元件。 （3）可用数据线供电，电压范围： 3.0" 5.5 V。 （4）测温范围：-55 " 125 ℃。固有测温分辨率为0.5 ℃。 （5）通过编程可实现9"12位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。 （7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。　 （8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作 3.3.1.1.​ 管脚及特点 DS18B20 可编程温度传感器有3 个管脚。GND 为接地线,DQ 为数据输入输出接口,通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。VDD为电源接口,既可由数据线提供电源,又可由外部提供电源,范围3.0～5.5 V。本系统使用外部电源供电。 主要特点有: (1) 用户可自设定非易失性的报警上下限温度值。 (2) 不需要外部组件,能测量- 55～ + 125 ℃范围内的温度。 (3) - 10℃～ + 85 ℃范围内的测温准确度为±0.5 ℃。 (4) 通过编程可实现9～12 位的数字读数方式,可在至多750ms内将温度转换成12bit 的数字,测温分辨率可达0.0625 ℃。 (5) 独特的单总线接口方式,与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现与微处理器双向通讯。 3.3.1.2.​ 内部结构 DS18B20 内部功能模块如图3-4所示,主要由4 部分组成:64 位光刻ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH 和TL 、配置寄存器。 ROM 中的64 位序列号是出厂前被光刻好的,他可以看作是该DS18B20 的地址序列码,每个DS18B20 的64 位序列号均不相同。 高低温报警触发器TH 和TL , 配置寄存器均由一个字节的E2PROM组成,使用一个存储器功能命令可对TH , TL 或配置寄存器写入或读出。 图 3-4 DS18B20 内部功能模块 3.3.1.3.​ 内存结构 如图3-5,DS18B20 温度传感器的内部高速缓存存储器，包含了9个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第1个字节的内容是温度的低8位,第2个字节是温度的高8位。第3个和第4个字节是TH ,TL 的拷贝，在每一次上电复位时被刷新。接着就是配置寄存器。 第9个字节是冗余检验字节,校验前面所有8个字节的CRC码,可用来保证通信正确。其余字节为保留字节。 配置寄存器中R1 ,R0 决定温度转换的精度位数: R1R0 =“00”, 9 位精度, 最大转换时间为93.75 ms ;R1R0 =“01”, 10 位精度, 最大转换时间为187.5 ms ; R1R0 =“10”, 11 位精度, 最大转换时间为375 ms ;R1R0 =“11”,12 位精度,最大转换时间为750 ms 。 (1) 64 b闪速ROM的结构如下： 开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。 (2) 非易市失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。 (3) 高速暂存存储器 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM。后者用于存储TH，TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给E2RAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下： 低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表1所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。 设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。 高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下所示。其中温度信息（第1，2字节）、TH和TL值第3，4字节、第6～8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。 当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0062 5 ℃/LSB形式表示。温度值格式如下： 对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。表2是对应的一部分温度值。 DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若T>TH或T　＜　TL,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。 (4) CRC的产生在64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。 图3-5 DS18B20内部存储器结构 图3-6 配置寄存器各位示意图 3.3.1.4.​ 操作流程 由于DS18B20 采用1-Wire总线方式,即在一根数据线实现数据的双向传输,因此发送接收口必须是三态的。而对AT89S52 单片机,硬件上并不支持单总线协议,因此,必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序,完成对DS18B20 芯片的访问。 DS18B20 有严格的通信协议保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序:初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备,单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机启动写时序开始,如果要求单总线器件回送数据,在进行写命令后,主机需启动读时序完成数据接收。 主机操作单线器件DS18B20必须遵循下面的顺序。 （1）​ 复位及初始化 如图3-7时序图所示，主机通过拉低单线480us以上，产生复位脉冲，然后释放该线。 主机释放总路线时，会产生一个上升沿。单线器件DS18B20检测到该上升沿后，延时15~60μs，通过拉低总线60~240μs来产生应答脉冲。主机接收到从机的应答脉冲，就有单线器件在线。 图 3-7 DS18B20初始化时序图 （2）​ ROM操作命令 一旦总线主机检测到应答脉冲，便可以发起ROM操作命令。ROM操作命令有：①Read Rom(读ROM)，用于总线上只有单个DS18B20器件的情况；②Match Rom(匹配ROM)，寻址多挂接总线上的对应DS18B20；③Skip Rom(跳过ROM)，用于单挂总线系统时，无须提供64位ROM对其匹配；④Search Rom(搜索ROM)，用命令通过一个排除法可以识别出总线上所有器件的ROM序列号；⑤Alarm Search(告警搜索)。图3-8为各个ROM操作命令流程图。 （3）​ 内存操作命令 在成功执行了ROM操作命令之后,才可以使用内存操作命令。主机可以提供6种内存操作命令，分别为：①Write Scratchpad(写暂存器) 4EH；②Read Scratchpad(读暂存器) BEH；③Copy Scratchpad(复制暂存器) 48H；④Covert T(温度转换) 44H；⑤Recall E2(重调E2存储器) B8H；⑥Read Power Supply(读供电方式) B4H。 图 3-8 ROM操作命令流程图 （4）​ 数据处理 DS18B20的数据读写是通过时间隙处理位和命令字来确认信息交换。 写时间隙，当主机把数据线从逻辑高电平拉到逻辑低电平的时候，写时间隙开始。有两种写时间隙：写1时间隙和写0时间隙。所有写时间隙必须最少持续60μs，包括两个写周期间至少1μs 的恢复时间。I/O 线电平变低后，DS1820 在一个15μs 到60μs的窗口内对I/O 线采样。如果线上是高电平，就是写1，如果线上是低电平，就是写0。 读时间隙，当从 DS1820读取数据时，主机生成读时间隙。当主机把数据线从高电平拉到低电平时，写时间隙开始。数据线必须保持至少 1μs；从 DS1820输出的数据在读时间隙的下降沿出现后 15μs内有效。因此，主机在读时间隙开始后必须停止把 I/O 脚驱动为低电平 15μs，以读取 I/O 脚状态。在读时间隙的结尾，I/O 引脚将被外部上拉电阻拉到高电平。所有读时间隙必须最少 60μs，包括两个读周期间至少 1μs的恢复时间。 3.3.1.5.​ 测温功能 当DS18B20接收到温度转换命令后,开始启动转换。转换完成后的温度值就以16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1 ,2 字节。单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式以0.0625 ℃/ LSB 形式表示。温度值格式如图3-9所示,其中“S”为标志位,对应的温度计算: 当符号位S = 0时,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,先将补码变换为原码,再计算十进制值。此时精度为12位。 图 3-9 DS18B20温度格式 4.3.2​ DS18B20硬件电路 图 3-10 DS18B20硬件电路 如图3-10，DS18B20通过P1.0与单片机连接，在单总线结构下，单片机只能通过自身软件的设计才能同DS18B20通信。 3.4.​ 数字显示模块 3.4.1.​ LED数码管 LED数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；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。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 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。 在单片机系统中，由于单片机I/O口的驱动能力，一般不考虑共阴数码管。在本系统中，采用的是共阳五位的八段数码管（一个一位的加上一个四位的）。 3.4.2.​ LED数码管硬件电路 图 3-11 系统LED数码管硬件电路 在LED数码管显示电路中，LED采用三极管驱动，能够提供足够的电流；P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口，在外接LED时应在LED与P0口间接入限流电阻，防止烧坏LED和LED强拉P0口为高电平。 3.5.​ 语音播报模块 3.5.1.​ 单片语音芯片ISD2590 3.5.1.1.​ 概述 信息储存器件ISD2590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ISD2590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。 图 3-12 ISD2590内部功能图 3.5.1.2.​  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℃ 3.5.1.3.​  功能描述 语音质量 ISD2590提供128K的取样频率。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。 录放音时间 ISD2590能提供120秒的录放音时间。 EEPROM 存储 ISD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。 基本操作 ISD2590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）。ISD2590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。 自动掉电模式 在录音或放音操作的结束，ISD2590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。 寻址 作为处理单一信息的补充，ISD2590提供了全地址的寻址功能。内部存储阵列有160个可寻址的段，每个地址存储声音时间为125ms。 3.5.1.4.​  管脚描述 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。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。 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。 电源输入（VCCA，VCCD） ISD2590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，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。 地输入（VSSA，VSSD） 同VCCA VCCD 类似，ISD2590内部模拟地和数字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。 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。 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ISD2590输入的低频截止频率。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 操作模式 A6,A7同为高电平时,即为操作模式。如图3-14为ISD2590 操作模式表： 图 3-13 ISD1420 操作模式表图 3.5.2.​ ISD2590硬件电路 3.5.2.1.​ 单ISD2590录放音电路 图 3-14 单ISD2590录放音电路图 在单ISD2590录音电路中，按下S3键，录音开始，LED发光。录音地址从0地址开始，直到S3断开或录音满为止。 按下S2，喇叭将从录音地址0开始放录放的音，中间断开S2，不影响放音，直到遇到结束标志（EOM）或存储器的尾部。 按下S1，喇叭放音，遇到结束标志（EOM）或存储器的尾部或断开S1时，放音结束。 3.5.2.2.​ 系统ISD2590放音电路 图 3-15系统ISD2590放音电路图 经过单ISD2590录音，芯片内部已经在相应地址储存了系统需要调用的音。因此，只要PLAYL对应的线为低电平，那么喇叭将按ISD2590芯片A7~A0对应的位置放音。 3.6.​ 温度控制模块 3.6.1.​ 继电器 继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 3.6.2.​ 继电器控制电路 图 3-16继电器电路图 1N4004是整流二极管，它在电路中的作用是防止电磁继电器产生的瞬间高压感应电动势对三极管的击穿，起到保护电路的作用。 P1为加热部分的电热器。 第4章.​ 软件设计 4.1​ 单片机主程序设计 图4-1 系统主流程图 程序中，首先检测DS18B20的存在与否并初始化DS18B20。如果检测不到DS18B20，单片机向语音芯片发出信息并重新检测传感器，喇叭发出“请检查传感器！”的声音。若一直未检测到传感器，喇叭将反复发出声音。 其次，DS18B20将在单片机控制下进行温度测量和数据输入，单片机将原始温度数据BCD处理，并将处理结果经P0、P2口连接的数码管组动态显示出来。 再次，单片机将温度数据同TH、TL值进行比较，并将比较结果输出，超出范围时将控制继电器的开启与吸合，控制电热器工作，进而控制水温。 最后，按键扫描并响应相应程序。按键响应程序有：1）查看或修改TH、TL值；2）语音播报温度值，格式为：“现在温度是xxx度。”3）语音播报温度范围 “温度过高！”或“温度偏低！” 如此无限循环，单片机将不断显示温度值，并可通过按键响应程序语音播报当前温度情况。 4.2​ DS18B20软件设计 在DS18B20的软件设计中，主要有两个方面： 1）DS18B20测量温度并将数据传送到单片机； 2）设置DS18B20中的TH、TL值。 图 4-2 测量温度流程图 图 4-3 设置温度报警值流程图 单片机对DS18B20复位和初始化，流程图如下： 图 4-4 DS18B20复位和初始化流程图 在设置温度报警值TH、TL时，程序使得TH≤125℃,TL≥0℃,TH≥TL+1。当TH值超过125℃，将自动变为TH的最小值，即TH=TL+1；而当TL值低于0℃，将自动变为TL的最大值，即TL=TH-1。 4.3 LED数码管显示软件设计 4.3.1 LED数码管驱动方式 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 ① 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 ② 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。 本系统中，显示位数只有5位，因此将P2口作为控制数码管公共极电位的I/O口，p0口控制各位数码管的显示字形，采用动态驱动方式。 4.3.2​ 系统数码管显示软件设计 4-5 数码管显示温度值流程图 如图4-5数码管显示温度值流程图，数码管先显示温度值的小数位，存储单元是70H,显示2MS，然后显示温度值个位数，并将此位数码管的“点”数码管点亮用着温度数值中的小数点，以此类推，直至温度值的百位显示出来。 另外还有最后一位显示当前温度值同温度报警值的TH、TL的比较结果，TT≥TL,则显示“0”。 整个显示系统就这样动态的显示当前温度值，对于人眼而言，会觉得五个数码同时在工作，显示温度信息。在温度报警值设置显示时，也是采用这种流程显示。 4.4​ ISD2590软件设计 ISD2590语音芯片经过特定的录音，在内部已经存放了系统需要播放的音。所以，只需单片机提供需要播放音的地址和PLAYL引脚的低电平，喇叭就可以放音了。 再经过一定的延时，反复为语音芯片提供语音地址和放音信号，就组成温度值的语音信息。 4.4.1​ 语音延时设计 在放音时，系统中有这些语音：“请检查传感器！”、0~9、“十”、“百”、“负”、“点”、“度”、“现在温度是”、“温度过高！”、“温度偏低！”按照每三个字放音时间一秒算，放音时间有2S、1.5S和0.5S三种。 当喇叭工作时，单片机需要延时，并且数码管能显示当前的温度值，所以必须得把温度值显示程序嵌入到延时程序中。温度值显示程序执行时间为10289μs，延时0.5S时，需循环调用50次显示程序。如图4-6为语音延时0.5S流程图。 图 4-6 语音延时0.5S流程图 而语音延时1.5S或2S是在延时0.5S的基础上再循环3次或4次即可得。 4.4.2​ 放音设计 放音程序可反复调用，直至放完语句中的各字及词段，22H为子程序的入口参数，如图4-7为0.5S放音流程图。 图 4-7 0.5S的放音流程图 由于ISD2590锁存放音地址需要十几毫秒，若同时把放音地址和放音信号送往P3口，放音将固定从芯片的0地址开始，无法得到温度值的音。因此本设计是先把放音地址通过P3口送到语音芯片中，再延时20MS，后发送语音播放信号，进而实现语音播放。而延时20MS这段时间同语音延时一样是调用温度值显示程序来实现，这样更加保证了语音播放期间的温度值显示。 1.5S和2S放音程序同0.5S的流程一样，不同之处是语音延时分别变为了1.5S和2S。 4.4.3​ 温度值语音播报设计 在ISD2590中，各字段语音地址如下： 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 ，十 ，百 ，负 ，点 ，度 C0H C1H C2H C3H C4H C5H C6H C7H C8H C9H CAH CBH CCH CDH CEH 现在温度是，温度过高，温度偏低,请检查传感器 CFH~D2H D3H~D5H D6H~D8H D9H~DCH 图 4-8 温度值语音播报流程图 结合图4-8所示，可知温度值播报首先播放语音“现在温度是”，然后播放温度值的百位的音直到小数位的音，最后播放的是“度”。 其中，流程图中有处理这些特殊温度值的程序,包括负值、零值和一百零几等温度值，使得语音播报温度的范围在温度传感器的测量范围内。 4.5​ 继电器软件设计 继电器软件设计在合理的硬件电路下，实现起来比较简单，只需P1.3高电平对应继电器的关闭，而其低电平对应继电器的吸合，就实现了使用继电器控制电热器加热与否来控制水温。 第5章.​ pcb的制作和实物 5.1.​ Protel的功能和使用 Protel是Protel Technology公司的产品。是基于Windows平台的32位EDA设计系统，它具有丰富多样的逻辑功能，强大编辑的自动化设计能力。完善有效的检测工具。灵活有序的设计管理和手段，它为用户提供极其丰富的原理图元件库，PCB元件库以及出色的在线编辑和库管理，良好的开放性还使它可以兼容多种格式的设计文件。Protel99还支持Windows平台上所以输出外设。提供高分辨率的光绘文件。使用户可以轻松地控制电路设计的全过程。 5.2.​ 原理图的绘制 电路原理图的绘制分以下几个步骤： 1）在Protel99软件中先新建一个文档，把所需要的元件载入到文档里面。 2）再按照系统电路图绘制导线，把元件连接好。 3）通过电气检查如果没有错误，那么系统的电路图就绘制完成。 5.3.​ PCB板的制作 用Protel99设计好PCB板，认真检查正确无误以后就开始制作电路板．其过程包括打印、转印、蚀刻和钻孔四个主要制作工序。下面分别叙述制作过程。 5.3.1.​ 打印 打印是一项非常重要的工序，直接关系着PCB板的质量，所以务必要认真做好这一工序。把准备好的热转印纸放入打印中，一定要注意光滑的一面向上。打开用Protel 99设计的EDA文件中的PCB文件，单击菜单栏中的“文件”，“打印设置”。弹出打印设置对话框，选择你已安装好的打印机型号，带“Final”的选项，表示分层打印。后带“Composite”的选项是组合打印。在这里我们选择“Final”分层打印选项，在打印设置对话框下面有三个按钮：“Print”、“options”、“Layers”。首先单击“options”按钮，弹出打印设置选项对话框，勾上“Show hole”选项显示焊盘孔。再单击“Setup”按钮，在大小选项中选择A4。在“来源”选项中，如果只装有一台打印机，可选用自动选择默盒。如安装有多台打印机的话就要选择你所想要打印的打印机纸盒。要是打印图纸是长方形的，而且比较大，可在方向选项中选择横向打印。设置好了“options”对话框之后单击确定即可。然后选择“Layers”板层选项，在这里我们制作的是单层板，所以在“Signal Layers”信号层选项中只选择“Bottom Layer”项。再选择“Mid Layer pads”项中的“Include unconnent”包含没有连接选项，设置好后单击确定。注意，由于考虑到打印机的原理，为了打印出更好质量的PCB图，在打印之前可以先打印一张废纸，使打印机已均匀地加热，要是打印两面板时，两面的图形要一起打，不要等到打印机停一会再，这样由于打印机的热胀冷缩原理，使打出来的图形不太对称。再有打印双面板时，顶层要镜像。全部打印设置好后，打印出电路图。 5.3.2.​ 转印 按设计好的PCB板大小裁板，这里要裁一块110mm×85mm的敷铜板，先用画笔按尺寸在敷铜板上画好边框。再用锯跟着画好的线路锯板。裁好后用水磨沙布把敷铜板的敷铜面打磨干净，冲洗干净，晾干。接上热转印机的电源，打开热转印机，将转印温度设置成150度。这样转印机开始慢慢加热。把打印好的转印纸光滑的一面对上敷铜板的敷铜面，要注意四边留出的边宽度一样，对好后把要送进转印机转印的开头的一边打折。当热转印机的温度上升到150摄氏度的时候，小心把打了折的一面慢慢送进热转印机开始转印，手慢慢的用力往里推，要推到敷铜板确定已以进去的时候才放开手。转印好后，要等铜板上温度降低以后才能撕掉转印纸，否则将会使打印在上面的线条一并撕掉，但温度也不要太低，温度太低敷铜板和纸就帖得比较紧，很难撕掉，效果也明显不好。 5.3.3.​ 蚀刻 转印好的线路板必须经过检查、修板，直至确认无误后便可以进行腐蚀了。蚀刻，有人亦叫“烂板”。这是指通过化学物质，把经过印刷的敷铜板的非保护部分的铜箔腐蚀掉。蚀刻可以通过一份固体三氯化铁兑两份水配置而成进行腐蚀。步骤如下：首先，配置腐蚀液，可以用三氯化铁和水1：2左右配置而成。可以用塑料盆或陶瓷盆盛腐蚀液，把要腐蚀的线路板浸没在溶液之中，来回晃动线路板以加快腐蚀速度。腐蚀操作时要特别注意掌握蚀刻时间。时间太长，腐蚀过久