单片机控制的多声报警装置设计工学毕业设计 内含实物制作图Word文档格式.docx

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本设计能实时的反映当时的实际状况，采用多声音来报警，在设计过程中采用大量的现代单片机科技技术和信号传输技术实现此设计。

不仅仅体现了科技的重要性，更为越来越方便的生活与工作创造了无与伦比的财富。

语音是人类最自然、方便、快捷的交流方式,让人和机器能够通过自然语音进行交流是人们长期以来的梦想。

随着单片机的技术的日益发展，人们已经不再满足于键盘输入，屏显输出这样传统的输入/输出方式，希望拥有更友好的人机界面，更便捷的操作方式。

具有语音功能的单片机多方位报警系统于是应运而生，而且得到了广泛的应用。

近年来计算机在各行业的日益普及应用，给各行业带来了崭新的面貌。

与此同时用户逐步对各种计算机应用系统提出了更高的要求，他们希望自己的系统有更高的自动化程度和更方便的人机界面。

语音技术的进展给这种应用需要提供了一种有力的技术支持，逐渐被广大用户所接受，并广泛用于各种需要语音响应的场合。

智能生产、仪表监测、监控设备、工业控制系统等都有这种需求。

所以研究语音报警器对生产，生活都有极其重要的意义。

1.2单片机的发展前景

单片机现在已越来越广泛地应用于智能仪表、工业控制、日常生活等很多领域，可以说单片机的应用已渗透到人类的生活、工作的每一个角落，这说明它和我们每个人的工作、生活密切相关，也说明我们每个人都有可能和有机会利用单片机去改造你身边的仪器、产品、工作与生活环境。

而对于单片机未来50年的发展前景来说，中国使用单片机的历史只有短短的30年，在初始的短短五年时间里发展极为迅速。

1986年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，很多地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。

单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。

电子界，在2003年7月，（91猎头网）在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。

大家都有些奇怪一块小小的片子，为何有这样的魔力？

我们首先从它的构成说起：

单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。

它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，正因为如此他才改变了我的生活。

它为我们改变了什么？

纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。

以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。

在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。

这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。

所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。

据统计，我国的单片机年容量已达3亿片，且每年以大约20%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。

特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。

所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。

1.3语音芯片的现状

在声学领域，单片机技术与各种语音芯片相结合，即可完成语音的合成技术，使得单片机语音系统的实现成为可能。

所谓语音芯片就是在人工或者控制器的控制下可以录音和放音的芯片。

语音信号为模拟量，语音芯片存储播放声音的基本工作方式：

声音——模拟量——A/D——存储——D/A模拟量——播放。

采用这种方式的语音芯片的外围电路比较复杂，声音质量也有一定的失真，而另一类语音芯片采用EEPROM存储方法将模拟语音数据直接写入半导体存储单元中，不需要另加A/D和D/A转换电路，使用方便，且语音音质自然。

语音芯片的发展是极其迅速的，语音IC有很多种类，随着技术的发展，新产品不断涌现，原来可望而不可及的昂贵品种也能进入廉价的市场领域，原来设计控制都极为复杂的品种也随着集成技术的发展变得非常简单，因此，语音IC领域充满了生机和活力，如：

随录随放型语声IC。

这类IC具有完整的录音机功能，和录音磁带机一样，它可以自由地通过话筒或模拟音频线路来进行录音，把语声存储到IC内部，在用户需要的时候，就可以还原存储的语声通过驱动喇叭放音。

这其中又分几种类型：

1、怕断电且语声的存储、保存需要比较大的电流的语声IC。

像外语复读机里的语声复读芯片。

这种电路以DRAM动态存储器IC为介质,它需要不断内部刷新，要保存其中的语声还需要比较大的电流消耗，通常需要几个到几十个毫安，一断电内部存储的语声就全部丢失了。

特点是DRAM的价格便宜，如果使用有个别坏损单元的ADRAM就更便宜。

这种ADRAM在电脑等需要精密计算的产品中是不能使用的，但在语声存储中只是多了一点点噪音对使用没有太大影响，因而在复读机中广泛使用。

2、怕断电且语声保存需要很小的电流的语声IC。

像一些录音贺卡，这种语声IC以SRAM静态存储器IC为介质，断电时保存的数码语声即丢失，但维持保存的工作电流很小，通常只有几微安，在录音贺卡等录音礼品中常将几粒扣式电池嵌入到产品中,这样可以保存录音几个月甚至一年多。

特点是只用很小的电力就可以较长期保存语声。

由于SRAM的需求量很小，其价格比DRAM要高得多，现在甚至比下面要提到的FLASHRAM还要高了，这类产品目前只存在于20秒录音以下的品种中，多数就是做录音贺卡用，已经没有多少发展前景了。

3、不怕断电的语声IC，像一些数码录音笔，它以FLASHRAM闪烁存储器IC为介质，完全断电后语声还能保存十年以上。

这种存储器是目前最被看好的方向，它可以反复使用、不需电流也能长期保存内部数据，由它制成的语声IC是一场技术革命。

特点是目前价格较高，但在快速滑落中。

美国ISD公司专门研制这类产品，并持有多项技术专利，生产从6秒至16分钟的一系列单片式语声芯片产品。

由于该公司的严谨作风和产品定位，ISD2500系列芯片的功能强大、性能质量优越，几乎是目前能使用在工业、车用产品中的极少选择之一。

第二章总体设计方案

2.1制定不同方案并选择

在选定题目之初，并且在黄老师的指导下制定了三种设计方案，并针对不同方案进行了深入的分析，并最终敲定选择其中一个设计方案。

2.1.1制定的三种方案

2.1.1.1方案一：

利用蜂鸣器产生不同频率的报警声音

这个方案比较简单，利用电流或者电压的大小来代替产生的不同报警信号，将此模拟电压送入A/D转换器使之成为51单片机能识别的信息，于是单片机按照程序对此分析并发出不同频率的数字信号给蜂鸣器，产生高低音，其大致的流程如图2-1所示：

图2-1加蜂鸣器的设计

优点：

（1）此设计简单易懂。

（2）在编程、电路组装和调试上不容易出错。

（3）设备选择上比较容易。

缺点：

（1）所用元器件比较单一，不能体现出单片机的强大功能。

（2）蜂鸣器只能发出嘀嗒的声音，而不能发出音乐声或者人声。

2.1.1.2方案二：

利用扬声器产生多种音乐声（人声）报警

这个方案是在方案一的基础上改变了一下，增加了D/A模块，用扬声器替换了蜂鸣器。

由于音乐声的音调有对应的16进制代码，所以直接编写进程序。

而人声没有相对应的16进制代码，所以采用了Matlab软件将声音采集并量化成16进制代码。

其具体操作过程是：

AT89C51前面部分和方案一是一样的，在数字信号进入单片机后经过程序判定后发出相应的音乐声或者人声的数字信号，经过D/A转换器处理后变成扬声器能够识别的模拟信号，于是发出音乐声（人声）。

其具体流程如图2-2所示：

图2-2AD转换后利用扬声器

（1）掩盖了方案一的两个缺点，使之不仅能实现单片机强大的控制功能，还实现了蜂鸣器不能发出的音乐声（人声）。

（2）在硬件选择上比较容易，在音乐发声程序的编译上较直观。

缺点（难点）：

（1）信号经过一系列转换容易受到干扰而失真，在调试实物时容易出错。

（2）单片机程序中对人声没有相对应的16进制代码，故很难编译出程序。

（3）采用Matlab软件对人声进行采集的数据庞大，在量化人声时失真。

2.1.1.3方案三：

利用51单片机和语音芯片的结合使之发出多种人声报警

此方案总结了前两个报警装置的优缺点，替换了报警信号的发生源。

替换了A/D、D/A而采用ISD2560,这个语音芯片是为实现人声报警而设计的。

大致操作过程是：

通过按键来实现高低电平从而产生不同的报警信号，此信号可直接传输进AT89C51。

此时单片机控制语音芯片ISD2560的录放功能，通过语音芯片的控制开关来实现录放选择，通过不同的按键作为一种报警信号即可发出相应的人声报警。

如图2-3所示：

图2-3单片机与语音芯片的组合

优缺点：

解决了前两个方案的一些技术缺憾，但同时在ISD2560录放声音时，在麦克风和扬声器的选取和使用上有些困难。

2.1.2最终选定的方案以及理由

最终经过相互比对和一层层的改进，选择了第三套方案。

理由：

（1）解决了前面两个方案设计的一些缺憾，不仅在元器件的选择上更为方便，在效果的实现上也能达到很好的效果。

（2）能充分体现出单片机AT89C51的强大程序编译功能和输入输出的控制作用。

（3）抗干扰性能强了许多，由于线路的简化，使得信号在传输过程中通过的一系列转换少，能尽可能的保证信号的完整性。

（4）由于选取了ISD2560来配合C51单片机完成语音报警，使得能发出人声。

在技术的先进性上以及可行性上比前两个方案要好。

2.2硬件选择

1、单片机的选择：

本设计触发信号用的是几个按键。

所以对处理器的运算能力不需要太高。

AT89C51是一种高效微控制器，由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89C51单片机虽然和其他新型单片机相比处理速度和运算速度上都比较慢，但它的体积小、质量轻、价格便宜，它的速度可以满足本次实验的要求，所以我采用AT89C51这款单片机。

关于AT8951单片机以及整个51系列将在下一章做具体介绍和分析。

2、语音芯片的选择

目前市场流行的语音芯片有很多，从性价比的角度来考虑，我选择了ISD2500系列的ISD2560语音芯片。

因为ISD系列语音芯片具有以下优点：

（1）采用模拟量数据存储在半导体存储器直接存储的专利技术，即将模拟量数据直接写入单个存储单元，不需要经过A/D，D/A转换。

（2）内部集成了大容量的的EEPROM，不再需要扩展存储器。

（3）控制简单，控制引脚与TTL电平兼容。

（4）集成度高，使用方便。

（5）能较好的真时再现语音的自然效果，避免了一般固体语音电路的因为量化和压缩所造成的量化噪声和失真现象。

从以上特点分析而知，我选用ISD2500系列的语音芯片ISD2560，对于ISD2560及其一些重要电路我将在下几章做具体分析。

2.3软件选择

根据设计需要，在整个设计的过程中常用的软件有Protel99se、KeilC51、Proteus7（ISIS）。

下面是各个软件的用途，对于其详细信息将在第5章给出。

●Protel99se

本设计利用Protel软件画的硬件电路图主要有单片机AT89C51的最小系统和语音芯片ISD2560电路及它们的接口电路

●KeilC51

在本设计中KeilC51的主要作用是对单片机的语音录音和语音报警两部分分别构成的子函数进行编辑。

在编辑中需要用keilc51软件。

●Proteus7（ISIS）

在本次设计中遇到的很多方框图的绘制以及各种电路原理图的仿真都会用到此软件，这个软件使用很方便。

2.4本设计的主要任务和要求

1、主要任务

综合本设计的设计方案可知：

主要的硬件电路有单片机最小系统和语音模块的电路及其外围电路，及其接口电路。

其中单片机最小系统包括电源电路，复位电路和时钟电路。

所以根据上面的内容，可以将本例的功能硬件和软件模块划分为：

·

单片机最小系统：

系统的控制电路。

语音录放电路：

包括语音芯片的外围电路和单片机的接口电路。

软件部分用C语言编写程序，单片机程序控制语音芯片的正常工作。

并且利用仿真器对单片机进行编程开发，仿真和调试。

2、任务要求

根据设计要求，提出基于单片机的多声语音报警器的硬件电路设计方案，并应用Protel软件完成硬件电路原理图设计。

通过对单片机的编程开发可实现语音的录放等基本功能。

具体包括如下几个部分：

（1）学习单片机的工作原理，并应用Protel软件设计出单片机的最小系统和语音系统的控制电路，使其能可靠工作。

（2）学习有关语音方面的相关知识，拟采用集成语音芯片来实现语音的录放的功能。

要求掌握该芯片的工作原理，完成其外围电路和与单片机的接口电路，包括话筒和扬声器的电路设计。

（3）学习C程序设计语言，对单片机进行编程开发。

并完成仿真和调试，实现语音报警的基本功能。

第三章主要芯片简介

3.1单片机AT89C51概述

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。

3.1.1主要特性和基本组成

1、主要特性

1）振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2）芯片擦除

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

2、51单片机的基本组成：

它由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能通过内部总线相互连接起来。

输入/输出引脚P0、P1、P2、P3的功能：

P0.0~P0.7：

P0口是一个8位漏极开路型双向I/O端口。

在访问片外存储器时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。

在EPROM编程时，由P0输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。

验证程序时，要求外接上拉电阻。

P0能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。

P1.0~P1.7（1~8脚）:

P1是一上带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

在EPROM编程和验证程序时，由它输入低8位地址。

P1能驱动4个LSTTL负载。

在8032/8052中，P1.0还相当于专用功能端T2，即定时器的计数触发输入端；

P1.1还相当于专用功能端T2EX，即定时器T2的外部控制端。

P2.0~P2.7（21~28脚）：

P2也是一上带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

在访问外部存储器时，由它输出高8位地址。

在对EPROM编程和程序验证时，由它输入高8位地址。

P2可以驱动4个LSTTL负载。

P3.0~P3.7（10~17脚）：

P3也是一上带内部上拉电阻的双向I/O口。

在MCS-51中，这8个引脚还用于专门的第二功能。

3.1.2结构及主要管脚说明

1）外部结构图：

图3-1单片机外部接口

2）主要管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心

读引脚时也就是把端口作为外部输入线时首先要通过外部指令把端口锁存器置1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q^为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向