环境温度的语音播报系统设计.docx
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环境温度的语音播报系统设计
摘要
随着现代信息技术的飞速发展，在生活中温度的准确测量是一个比较重要而困难的事情从最初的酒精、水银温度计到现在的数字化、集成化的温度检测系统。
可见传感器的发展是飞快的。
它快速的发展必将带来新一轮的工业化的革命和社会发展的飞跃。
由于电子产品突飞猛进的发展，电子测量仪也逐渐丰富起来，原来的模拟产品逐步向数字化综合化转化，并且不断走向人性化。
该设计的实现在工农业生产以及科学实验中起到不可忽视的作用，发挥了它灵活轻巧使用方便的特点。
该设计语音播报系统能够充分发挥人性化的性质，利用AT89S52作为单片机的主芯片，配合DS18B20温度传感器，实现带语音播报功能的温度测试仪。
并且在实现语音播报当前温度的同时，也实现了数字显示的功能。
本设计所介绍的语音温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89S52,测温传感器使用DS18B20,用4位共阳极LED数码管以串口传送数据，实现温度显示，能准确达到以上要求。
关键词：
单片机，LED显示，DS18B20温度传感器，语音播报
Systemdesignofvoicebroadcastenvironmenttemperature
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofmoderninformationtechnology,thetemperatureaccuratesurveyisbecomingoneofquiteimportantanddifficultmatterinthedailylife.Fromtheinitialalcoholandmercurythermometertothepresentdigitizationintegratedtemperatureexaminationsystem.ItisObviousthatthesensordevelopmentisrapidly.Itsfastdevelopmentwillcertainlybringthenewindustrializationrevolutionandtheleapofsocialdevelopment.Duetothedevelopmentofelectronicproductsbyleapsandbounds,theelectronicmeasuringinstrumentalsograduallyenriches,theoriginalsimulationproducttransformsgraduallytothedigitizedintegration,andmovestowardstotheuserfriendlyunceasingly.Thisdesignrealizationplaysanoticeableroleintheindustryandagricultureproductionaswellasthescientificexperiment,alsohasdisplayeditsnimbledexterouseasytooperatecharacteristic.Thispronunciationdisseminatesnewsthesystemdesignedtobeabletodisplaytheuserfriendlyfullythenature,usingAT89S52tookthemonolithicintegratedcircuitthemainchip,coordinatestheDS18B20temperaturesensor,realizesthebeltpronunciationtodisseminatenewsthefunctionthetemperaturereflectscopereflector.Whileshowingcurrenttemperatureduringtherealizationpronunciation,italsohasrealizedthenumeralliquidcrystaldisplayfunction.Thisdesignintroducedthepronunciationthermometercompareswiththetraditionalthermometerhasthecharacterofconvenienttoreading,broadtemperaturemeasurementscopeandaccuracytemperaturemeasurement,itsoutputtemperatureadoptthedigitaldisplay,mainlyusesintothetemperaturemeasurementquiteaccurateplace,orthescientificresearchlaboratoryuse,thecontrollerusemonolithicintegratedcircuitAT89S52,temperaturemeasurementsensoradoptsDS18B20,with4altogetheranodeLEDnixietubebytheserialporttransmissiondatatorealizetemperaturedisplay,allthesecanhelpachievetheaboveaccuratelyrequests.
KEYWORDS:
Microcontroller,LEDdisplay,DS18B20temperaturesensor,Voice
Broadcast
第1章绪论 1
1.1开发背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3系统整体目标 2
1.4本课题所做的工作 2
第2章系统总体设计 3
2.1系统总体框图 3
2.2系统模块的方案选择和论证 3
2.2.1电源模块 3
2.2.2温度传感器模块 4
2.2.3显示模块 4
2.2.4键盘控制 5
2.2.5语音播报模块 5
第3章系统硬件设计 6
3.1系统电源模块 6
3.2主控制模块 6
3.2.1AT89S52系统资源的分配 7
3.2.2AT89S52复位电路 8
3.2.3AT89S51时钟电路 9
3.3测量模块 10
3.3.1温度传感器 10
3.3.2DS18B20的工作时序图 11
3.3.3DS18B20与AT89S52的接口电路设计 14
3.4键盘控制模块 14
3.5语音模块 15
第4章系统软件设计 18
4.1系统的主程序设计 18
4.2温度测量子程序设计 19
4.3语音播放子程序 21
第5章系统仿真和调试 22
5.1仿真调试软件介绍 22
5.2实物焊接与调试 23
结论 25
谢辞 26
参考文献 27
附录 28
外文资料翻译 42
第1章绪论
1.1开发背景及意义
温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量,因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。
温度计是测温仪器的总称，水银玻璃温度计和酒精温度计就是我们日常生活中最常见的温度计它们常常以刻度的形式表示温度的高低，人们必须通过读取刻度值的多少来测量温度。
比如玻璃水银温度计虽测量准确，价格低廉，但由于刻度过细，因而测量出来的温度不容易读数，同时也有易碎等缺点。
随着电子技术的发展，设计一款智能温度计能直接显示数字形式的温度值已成为迫切需要,既简单方便，又直观准确。
在其基础上再采用单片机控制技术，使测量的温度信息用语音播报出来，就可以发挥听觉的优势，弥补完全用视觉信号传递信息的不足。
设计一款语音的温度计，跟传统的温度计完全不一样，为现代人工作、科研、生活、提供更多的方便。
1.2国内外研究现状
国外对于温度控制研究比较早，开始于20世纪70年代。
首先采用模拟式的组合仪器，来进行现场信息采集、指示、记录和控制。
目前，很多温度采集系统都采用有线通讯。
正在开发和研制的计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。
现在温度控制技术正在飞速发展，一些国家在实现简单自动化的基础上开始向着完全自动化、智能化的方向发展。
国内对温度控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。
温度传感器是测量的关键，国内一些工程技术人员在借鉴发达国家温度测控技术的基础上，逐渐掌握了室内温度微机控制技术，但此技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。
国内温度测控设施在计算机上的应用，在总体上正从简单应用阶段向实用化和综合性应用阶段发展。
在技术上，以单片机控制的温度控制系统居多，正从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。
在国内，温度测量控制技术还没有达到工厂自动化的程度，生产实践中仍然有诸多问题困扰着人们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。
本设计采用的较为先进的分布式采集温度方式来实现对温度的控制。
1.3系统整体目标
本设计采用AT89S52作为核心器件实现对系统的自动控制，采用单片机串行处理结构。
实现了温度值的显示及语音播报温度的功能。
语音功能便可克服传统体温计的许多缺陷。
它不但可以以数字的方式显示出测量结果，使测量过程变得直观，而且可以根据需要以语音播报出当前的温度值，除此之外，语音体温计还具有较高的灵敏度，可以在几秒钟内测得结果，且寿命长，是较为理想的测温仪器。
该系统能够对温度进行测量采集，通过LED进行实时显示，语音播报当前温度值。
1.4本课题所做的工作
本课题详细介绍了语音温度测量系统的构成及各个模块的组成原理和设计过程。
大致分为硬件电路设计和软件程序设计，其中包括单片机及电压电源模块、温度传感器DS18B20温度采集模块、按键模块、LED显示模块和语音播报模块。
关于各个模块的原理图和相关参数的程序设计将在下面的章节中一一介绍。
另附有系统原理图和原程序代码。
第2章系统总体设计
2.1系统总体框图
系统主要组成部分：
主要由单总线数字温度传感器DS18B20组成的温度采集模块，采集温度信号并把温度转换后的信号输入给单片机，然后送给LED显示器显示出当前的测量温度；同时由按键控制是否进行温度播报。
图2-1系统总体框图
2.2系统模块的方案选择和论证
2.2.1电源模块
方案一：
采用三只碱性电池提供电源。
该方案的优点是系统简单，成本低廉；缺点是输出功率不是很高，只能勉强驱动单片机，适合小电流负载供电。
而且在整个系统在工作过程中，电压会随着时间的推移而不断降低,在程序运行期间会受到欠压干扰而导致程序出错。
方案二：
采用独立的稳压电源。
电源的稳压性能好，系统可以稳定工
作。
综上分析，为使系统调试方便，能够稳定工作，必须有可靠电源，应选择第二种方案。
2.2.2温度传感器模块
方案一：
采用LM35、热电偶传感器，对于检测的信号是不适用的，也不能满足测量范围，精度、重复性、可靠性较差。
在温度测量系统中，也常采用单片温度传感器，比如AD590、热敏电阻等.由于这些芯片输出的都是模拟信号，只有经过A/D转换后的信号才能送给计算机，这样就使得测温系统的硬件结构相对复杂.另外，这种测温系统难以实现精确测温，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。
方案二：
美国Dallas半导体公司推出的DS18B20是第一片具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点并支持"一线总线〃接口的温度传感器。
在温度测量系统中，解决这些问题的最有效方案是采用抗干扰能力强的DS18B20,新型数字温度传感器DS18B20具有精度更高、体积更小、采用一线总线、适用电压更宽、可组网等优点，它可以直接将温度模拟信号转化成串行数字信号提供给微机处理。
在实际应用中取得了良好的测温效果，其所需的外围器件极少，可用数据线供电，甚至不需要外围元件，供电方式简单。
通过比较，温度传感器DS18B20有更强的性价比。
DS18B20使电压、特性及封装有更多的选择，可以构建经济的测温系统。
因而在本次设计中，选用的是DS18B20作为温度采集系统的温度检测元器。
2.2.3显示模块
方案一：
采用8位段数码管，将单片机得到的数据通过数码管显示出来。
该方案简单易行，LED即发光二极管，这种发光二极管工作的时候耗电量小，节能环保，时尚简约，工作原理就是把电能转化为光能，不产生热量或产生少量热量，对人体辐射比较小，另外LED使用寿命长，更适合现代人们的潮流。
数码管显示更加清晰，更加适合在白天等强光条件下显示。
价格便宜。
方案二：
采用LCD液晶屏进行显示。
LCD液晶显示屏可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线。
LCD液晶显示屏比较脆弱，容易受到损伤。
LCD液晶屏有零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等优点，但不适合在白天等强光条件下显示。
并且价格较贵。
综上分析，本设计采用第一个方案。
2.2.4键盘控制
方案一：
4X4矩阵式键盘。
此方案对于本系统来说无非是浪费I/O并占用MCU的资源，不利于系统的扩展，况且本系统根本不需要16个按键,这就使系统的实用性降低。
方案二：
独立式按键。
对于独立式按键来说，如果设置过多按键，必然会占用较多I/O给布线带来不便，此方案适用于按键较少的情况。
在本设计中所需要的控制点数的较少，只需要一个功能键，简便、易操作、成本低就成了首要考虑的因素。
所以此时，可采用独立式按键结构。
2.2.5语音播报模块
方案一：
通过A/D转换器、单片机，存储器，D\A转换器实现声音信号的采样、处理、存储和实现。
首先将声音信号放大，通过AD转换器采样将语音模拟信号转换成数字信号，并由单片机和处理存放到存储器中，实现录音操作。
在录、放音过程中由单片机控制D/A转换器，将存储器中的数据转化成声音信号。
此方案安装调试复杂，集成度低，成本也不低。
方案二：
采用语音标准芯片NY3P035,共有3个I/O口，外围最低仅需要一个104电容就可以稳定的工作，产品方案成本极低。
此语音芯片内置电阻，没有外围元件，外围电路只需要一个104电容。
整个方案的费用为您节省30%-50%左右。
此外NY3P035还省去了A/D和D/A转换器，方便扩展更多的功能。
综上所述，选择方案二，即NY3P035o
第3章系统硬件设计
3.1系统电源模块
由于系统使用的单片机AT89S52和各芯片工作电压在5V左右。
我们选择了5V稳压电源给单片机和各芯片供电。
电路由简单实用的三端稳压器构成，输入电压5V,满足大部分电路的要求，电源电路图如下图3T,由于使用了全桥，电压输入既可以使用交流输入，又可以使用正负直流输入，能够防止由于极性接反造成的事故。
滤波电容使用电解电容与小电容并联的方式，能够有效消除高频自激现象。
发光二极管接到电源与地之间，如果电源输出不正常，发光二极管都会出现工作异常，提示电源部分故障。
图3-1电源电路图
3.2主控制模块
本设计选用的AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52具有如下特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM）,32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层
中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S52设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。
AT89S51单片机综合了微型处理器的基本功能。
3.2.1AT89S52系统资源的分配
当AT89S52芯片接收到来自DS18B20的信号时，微处理器内部程序将按照信号的类型进行分类处理，然后将处理过的结果送给LED显示模块、语音播报模块，最后发送控制信号控制各模块。
该模块在硬件设计方面，其外围电路是提供能正常工作的晶振脉冲、自动上电复位，四个I/O口分别用于外围设备连接。
单片机AT89S51硬件连接图如图3-2,其中P0口外接上拉电阻以保证高低电平的准确性。
单片机AT89S52的I/O端口具体分配见下表3-1o
图3-2单片机与外围设备硬件连接图
12
表3TAT89S51的I/O端口具体分配
AT89S52的10端口
外接点
P0.0~P0.2-pO.4-pO.6
LED显示段地址端口
P2.0-P2.7
LED显示位地址端口
P3.7
DS18b20通道
P3.0
连接键盘控制端口
P3.2
Busy工作状态识别
P3.3
Data脉冲识别
P3.4
Rest工作复位
3.2.2AT89S52复位电路
复位是任何微机系统开机的第一步，就是要单片机应用系统在正式工作前处于一种特定状态，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下即单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。
AT89S52的上电复位电路如图3-3所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至VCC端，下接一个电阻接地即可。
这种复位电路的工作原理是：
通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始正常工作。
上电复位的工作过程是在加电时，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。
为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
在复位电路中，当VCC掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。
另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“1”态。
如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。
在本设计中复位电路的设计是采用简单，用得比较广的复位电路接法。
图3-3复位电路
3.2.3AT89S51时钟电路
时钟是单片机的心脏，时钟电路就是一个振荡器，给单片机提供一个节拍，单片机执行各种操作必须在这个节拍的控制下才能进行。
因此，时钟直接影响单片机系统的稳定性，时钟电路的频率也影响单片机的运行速度。
常用的时钟电路有两种方式：
一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。
本文用的是内部时钟方式。
电路图3-4所示
图3-4时钟电路图
AT89S52单片机内部有一个高增益反相放大器，它用于用于构成振荡器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2o这两个引脚跨接在两个微调电容和石英晶体振荡器，就构成一个稳定的自激振荡器。
14
3.3测量模块
3.3.1温度传感器
温度传感器采用的DS18B20是美国DALLAS公司推出的单总线数字化测温集成电路，它具有独特的单线接口方式，将非电模拟量温度值转换为数字信号串行输出仅需占用1位I/O端口，能够直接读取被测现场的温度值。
它体积小，电压适用范围宽（3V~5V）,且可通过编程实现9~12位的温度读数，即具有可调的温度分辨率，因此实用性和可靠性较高，应用广泛。
DS18B20实物如图3-5所示，引脚图如图3-6所示。
图3-5DS18B20实物图
DS18B20有4个主要的数据部件:
（1） 1.64位激光ROM。
64位激光ROM从高位到低位依次为8位CRC、48位序列号和8位家族代码（28H）组成。
（2） 2.温度灵敏元件。
（3） 非易失性温度报警触发器TH和TLo可通过软件写入用户报警上下限值。
（4） 配置寄存器。
配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。
DS18B20的测温范围为一55°C〜+125°C,在一10°C~+85°C范围内，精
度为±0.5°C。
在电压低于3.4V时精度误差较大。
在本系统中使用的DS18B20温度传感器，测温范围为0°C~100°C,考虑到驱动能力的不足，采用外加5V电源以满足传感器精度高的要求。
本设计中采用单总线的方式将DS18B20与单片机P3.7口连接在一起，将采集到的温度数据通过P3.7口传给单片机。
对DS18B20的设计，需要注意以下问题：
（1） 对于硬件结构简单的单线DS18B20温度传感器进行操作，需要用相对比较复杂的程序完成。
编制程序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行，读、写时序严格编写。
（2） DS18B20在三线制应用时，应将其三线焊接牢固；在两线应用时，应将VCC与GND接在一起，焊接牢固。
若VCC脱开未接，传感器只送85.0°C的温度值。
（3） 当有多个测温点时，应先考虑系统能实现传感器出错自动指示，进行自动排序和自动DS18B20序列号，以减少调试和维护工作量。
（4） 实际应用时，要注意单线的驱动能力，不能挂接过多的DS18B20,同时还应注意最远接线距离。
另外还应根据实际情况选择其接线拓扑结构。
23
22
21
2°
2』
2-2
2-3
2^
bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8
S
S
S
S
S
26
25
24
bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1 bitO
图3-7 DS1820B内部温度数据格式
3.3.2DS18B20的工作时序图
下图为时序图中各个总线状态。
图3-8时序图中各个总线态
16
1.初始化
时序图如下图3-9所示。
先将数据线至
升级会员 