具有语音播报功能的数字温度计设计.doc
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具有语音播报功能的数字温度计设计
摘要：
本课题针对普通温度计无法播报、灵敏度低、读数不易识别等特点，提出了具有语音播报功能的数字式温度计的设计方案。
选用AT89C51为主控芯片进行温度信号采集、数据处理和语音播放等控制，选用DS18B20对环境温度进行采集，ISD1760进行语音存储与播放，通过ZLG7290实现按键控制，使用128*64液晶来显示温度，时钟芯片PCF8563实现定时功能，以上构建了硬件电路。
该语音温度计测量范围为-25～60℃，误差为±0.5℃，该语音温度计测温速度快，读数方便，语音清晰，语音可定时播报，可广泛用于家庭生活，工厂，实验室等场合。
关键词：
AT89C51；语音播报；数字式温度计
Thedesignofdigitalthermometerwithspeechfunction
Abstract：
Thetopicfortheordinarythermometercan’tbroadcast,lowsensitivity,readingisnoteasytoidentifythecharacteristics,putsforwardadesignschemeofthedigitalthermometerwithvoicebroadcastfunction.UsingAT89C51asthemaincontrolchipfortemperaturesignalcollecting,dataprocessingandvoiceplaybackcontrol,useDS18B20tocollecttheenvironmentaltemperature,ISD1760forvoicestorageanddisplay,throughtheZLG7290torealizationcontrolofbuttons,theuseof128*64LCDtodisplaythetemperature,theclockchipPCF8563torealizethetimingfunction,allthosesetuptheconstructionofthecircuitsystem.Thevoicethermometermeasuringrangeis-25~60℃,erroris±0.5℃.Thiskindofvoicethermometermeasurementtemperatureisfast,elsebroadcastisconvenient,clearvoice,andthebroadcastcanbetiming,sothiskindofthermometercanbewidelyusedinfamilies,factories,laboratoriesandotheroccasions.
Keywords:
AT89C51;voicebroadcast;digitalthermometer
目录
目录
第1章绪论 1
1.1选题目的和意义：
1
1.2本课题在国内外的研究状况及发展趋势：
1
1.3本课题主要讨论问题 1
第2章方案选择与论证 3
2.1系统的总体设计思路 3
2.2核心控制CPU模块 3
2.3温度采集模块 4
2.4显示模块和键盘控制 4
2.5语音播报模块 5
2.6时钟芯片模块 6
第3章系统硬件电路设计 8
3.1核心控制CPU的介绍 8
3.1.1AT89C51的功能描述 8
3.1.2AT89C51管脚功能 8
3.1.3AT89C51系统资源的分配 10
3.2温度传感器模块 10
3.2.1DS18B20的功能描述 10
3.2.2DS18B20的特点 10
3.2.3DS18B20的测温原理 11
3.2.4DS18B20与AT89C51的接口电路设计 13
3.3语音播报模块 13
3.3.1ISD1760语音模块功能描述 13
3.3.2ISD1760各引脚功能描述 14
3.3.3ISD1760语音芯片录放音电路设计 16
3.4显示电路 18
3.4.1LCD12864液晶模块的功能描述 18
3.4.2LCD12864液晶显示模块与AT89C51接口电路设计 18
3.5键盘以及定时电路 19
3.5.1ZLG7290的功能描述 19
3.5.2ZLG7290的原理及硬件接口电路设计 20
第4章系统的软件设计 21
4.1系统的主程序设计 21
4.2测量温度子程序 22
4.3ISD1760语音播报子程序 23
结束语 24
致谢 25
参考文献 26
附录1总电路图 27
附录2系统主程序 28
附录3测量温度子程序 29
附录4ISD1760语音播报子程序 30
附录5英文文献原文及翻译 31
第2页
西安文理学院本科毕业设计（论文）
第1章绪论
1.1选题目的和意义：
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，因此研究合适的测温方法和测温装置具有重要的意义。
传统温度计多采用物理原理，根据水银等随温度升降的热胀冷缩的性质，通过读取刻度值来判断温度值，此类方法准确度比较低，不易实现自动化，温度计容易损坏，并且测量需要的时间长，容易受到外界诸多物理因素的影响。
具有语音播报功能的数字温度计可克服传统温度计在生活生产中的诸多不利因素。
在对周围环境温度进行测量时，本设计可通过语音播报功能及数字显示功能成功地实现温度测控，其本身还可通过软硬件支持的相关功能及特定算法来调节测量精度，大大提高了设计的灵活性。
此类温度计测温性能方面准确快捷；显示方式则为清晰易懂的数字化类型，方便人们日常生活使用；语音播报功能使其更加智能化、人性化。
1.2本课题在国内外的研究状况及发展趋势：
智能语音播报系统在我国属于新兴技术产业，有着极为光明的前景，此方面国内市场的主要产品趋向于应用国外先进的基础硬件生产成品。
随着我国国民经济持续高速的发展，智能化生产规模日趋扩大，语音播报融入日常生活已成为一种趋势。
如：
对车辆收取管理、通行或进入等费用、提示语等播报的智能语音系统，或是在各公共场合的时间、天气、问候等提示语的播报。
在国外，语音播报技术已经非常先进，语音播报系统日趋成熟，许多国家致力于这方面的开发研究，到现在为止很多国家的产品已经达到国际先进水平，并已广泛应用于各个领域。
如：
美国ISD公司生产的ISD系列智能语音存储芯片音质好，长期断电语音信号不丢失，非常适合于电子产品的开发应用。
其各型号产品性能各异，特点鲜明，总体功能齐全，可根据开发项目和要求选择合适的产品进行设计，既实现预期要求又不会资源浪费。
总体来讲，我国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，总趋势为微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展。
1.3本课题主要讨论问题
此次设计是基于单片机控制的LED数码智能语音温度计。
主要研究的问题有：
1、温度的测量，包括温度传感器的选取；
2、播报语音的实现，包括选择语音芯片和编写对应程序；
3、数显功能的实现，要求测量结果的数据转换，能够显示零下的负号。
第36页
第2章方案选择与论证
2.1系统的总体设计思路
根据本设计任务书的内容，实现语音播报和数字显示的温度计，通过单片机完成程序控制与数据转换，硬件设计由如下几个部分组成：
核心控制CPU，温度采集，液晶显示，键盘控制，语音播报，硬件电路的系统框图如图2.1所示。
图2.1语音播报的数字温度计系统框图
基于图2.1系统框图，我们可以清楚的了解到具有语音播报的数字温度计设计的几个大模块。
每个模块都有一个核心器件，对于核心器件的选择在某种程度上也就决定了设计方案的选择，下面分别对各模块的方案进行选择和论证。
2.2核心控制CPU模块
方案一：
以SSI和MSI数字逻辑芯片为核心，若用此方案来解决对时钟信号产生、温度采集、信号处理、模拟量A/D转换后所得的数值的比较等问题话，将出现所用芯片数多，电路过于复杂而且PCB面积大，接线多，焊点多。
本方案可靠性差、灵活性不高，效率低而且成本也高。
方案二：
采用单片机作为控制核心来构造整个电路，通过单片机对温度传感器控制，读取温度信号并进行计算处理，分析并送入显示模块显示时间和温度，并可以通过键盘来控制语音播报和实时语音播报。
该方案最大的优点就是充分发挥了单片机的软件功能，并使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，而且容易扩展其他功能，具有高度的智能化、人性化。
而且单片机的种类繁多，适合低端应用的芯片也不少，价位也低于MSI的水平。
而在单片机家族的众多成员中，AT89C52系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，成为电子系统中最普遍的应用手段，并在工业控制、交通运输、家用电器、仪器仪表等领域取得了大量应用成果。
AT89C52系列的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和语言也大大简化。
综上所述，按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，系统的核心控制CPU选择方案二。
2.3温度采集模块
方案一：
采用热敏电阻，虽然热敏电阻成本低，但是热敏电阻的阻值与温度非线性严重，大多数热敏电阻仅适合0～150℃范围。
对于检测1摄氏度的信号是不适用的，并且不能满足零下的测量范围。
方案二：
DS18B20是美国达拉斯半导体公司推出的第一片支持"一线总线"接口的温度传感器。
它具有微型化、零待机功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理。
因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。
其供电方式简单，可用数据线供电，所需的外围器件极少，甚至不需要外围元件。
以上，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。
2.4显示模块和键盘控制
显示方案有以下三种：
方案一：
采用LCD128*64液晶显示模块
显示方案一般可采用LCD或数码管显示。
LCD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要2～3伏就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线。
图2.2128*64电路实验箱图
方案二：
数码管
数码管方案简单易行，寿命长，价格便宜，显示亮度高，但是占用的I/O端口多，体积较大，只适用于数字的显示。
本次毕设的显示需要显示文字，故采用方案一。
采用ZLG7290不但可以驱动8位数码管，还可以驱动64个键盘，因此选用ZLG7290作为数码管显示和键盘的驱动芯片。
图2.3键盘扫描
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，成本高。
方案二：
采用ISD1760语音芯片。
ISD1760是华邦公司新推出的单片优质语音录放电路，芯片内部包含有自动控制增益、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等全方位整合系统功能。
可录音放音十万次，存储内容掉电可保留一百年，有两种录音方式和两种放音方式，可处理多达255段以上的信息。
不同的采样频率对应不同的录音时间，可自由选择。
音质好，电压范围宽，应用灵活，物美价廉。
图2.4ISD1760语音模块
综上所述，选择方案二，即ISD1760语音芯片。
2.6时钟芯片模块
时钟芯片模块主要功能是为系统提供基本的时间信息以实现定时播报的功能，本设计选用PCF8563。
PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。
PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。
可以满足系统的需要。
图2.5定时中断
第3章系统硬件电路设计
根据图1的系统框图可以知道系统电路的设计分为五大部分，即核心控制CPU、温度采集、语音播报、显示电路、键盘以及定时电路。
以下将分别介绍各个模块的工作原理，以及在整个电路中的接口电路。
系统电路图详见附录1。
3.1核心控制CPU的介绍
3.1.1AT89C51的功能描述
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C51是一种带2K字节闪存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1000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和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。
3.1.2AT89C51管脚功能
图3.1AT89C51引脚图
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P0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/地址的低八位。
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外部必须接上拉电阻。
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口作为低八位地址接收。
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。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
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。
3.1.3AT89C51系统资源的分配
AT89C51的端口
外围设备
P1.0
串行时钟SCL
P1.1
数据线SDA
P1.3
DS18b20通道
P1.4~P1.7
语音芯片地址端口
P3.2
键盘中断
P3.3
时钟中断
当AT89C51芯片接收到来自温度传感器的信号时，单片机根据信号的类型进行处理，根据时钟芯片的信号，将处理的结果送到显示模块、语音播报模块。
此单片机在硬件设计方面，其外围电路提供能使之工作的晶振、复位电路，I/O口用于外围设备连接。
表3.1AT89C51的试验箱接线
3.2温度传感器模块
3.2.1DS18B20的功能描述
本模块主要作用是进行温度采集，将采集的数据送入AT89C51里进行分析处理。
在本次设计中采用了DS18B20作为数据采集器，它的精度最少可以精确到0.0625，完全可以用来进行环境温度的测量。
DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器,可把温度信号直接转换成串行数字信号供微处理器处理,而且可以在一条总线上挂接任意多个DS18B20芯片,构成多点温度检测系统无需任何外加硬件。
DS18B20数字温度传感器可提供9～12位温度读数,读取或写入DS18B20的信息仅需一根总线,总线本身可以向所有挂接的DS18B20芯片提供电源,而不需额外的电源。
由DS18B20这一特点,非常适合于多点温度检测系统,硬件结构简单,方便联网,在仓储管理、工农业生产制造、气象观测、科学研究等日常生活中被广泛应用。
3.2.2DS18B20的特点
数据传输采用单总线结构，无需外围其他元件，能应用在分布式测量系统中。
温度输出为9bit-12bit可编程，测温范围为-55℃至125℃，在-10℃-85℃时精度为±0.5℃，输出分辨率为12bit时最大的转换时间为750MS，具有可编程的温度报警功能，电源电压范围为3-5.5V，低功耗，无外部供电电源也能可靠工作。
DS18B20的供电方式有两种：
一种是寄生电源，另一种是外接电源供电,本设计选用了外接电源供电。
3.2.3DS18B20的测温原理
DS18B20内有一个能直接转化为数字量的温度传感器,其分辨率9,10,11,12bit并且可编程,通过设置内部配置寄存器来选择温度的转换精度,出厂时默认设置12bit。
温度的转换精度有0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。
温度转换后以16bit格式存入便笺式RAM,可以用读便笺式RAM命令，通过Wire接口读取温度信息,数据传输时低位在前，高位在后。
内部温度数据格式如图3.3。
温度/数字对应关系如表3.4所示。
图3.2内部温度数据格式
表3.2温度/数字对应关系
温度
二进制数据
十六进制数据
+125℃
0000011111010000
07D0h
+85℃
0000010101010000
0550h
+25.0625℃
0000000110010001
0191h
+10.125℃
0000000010100010
00A2h
+0.5℃
0000000000001000
0008h
0℃
0000000000000000
0000h
-0.5℃
1111111111111000
FFF8h
-10.125℃
1111111101011110
FF5Eh
-25.0625℃
1111111001101111
FE6Fh
-55℃
1111110010010000
FC90h
单总线上每一个器件的使用都是从初始化开始的，初始化的时序是计算机先发出400-800us的复位脉冲，在15-60us后，一个或多个单总线期间发出60-240us的应答脉冲，其时序波形如图3.4（a）所示。
数据交换命令使用具体的读/写时序脉冲读出单总线上所输出的数据，或者向单总线上期间写入数据具体写“1”、“0”和读写信号时序如图3.4（b）（c）（d）所示。
只要将复位、读、写的时序了解清楚，使用DS18B20，就很容易实现温度的采集了。
DS18B20无论是初始化还是读写操作都有较为严格的时序要求。
初始化主机需要将总线拉低至少480us且等待SD18B20发回的存在脉冲。
DS18B20将在受到复位脉冲后15-60us后将总线拉低60-240us作为存在脉冲。
，股主机需要等待15-60us读取存在脉冲。
读写时序分别包裹“写1”“写0”时序和“读1”“读0”时序。
所有读写时序必须经过至少60us且在各个读写时序之
间要有1us的恢复时间。
图3.3DS18B20时序波形
如果计算机检测到单总线上有器件存在，就可以发出传送ROM命令，具体的传送ROM命令格式如表3.5
表3.3DS18B20的ROM命令
指令
说明
读ROM命令（33H）
读总线上DS18B20的序列号
匹配ROM命令（55H）
对总线上DS18B20寻址
跳过ROM命令（CCH）
该命令执行后，将省去每次与ROM有关的操作
搜索ROM命令（F0H）
控制机识别总线上多个器件的ROM编码
报警搜索命令（ECH）
控制机搜索有播报器件
传送RAM命令是上述命令之一被成功执行后，控制机发出的控制命令，他用来访问被选中的器件的存储和控制部件，例如。
启动单总线温度传感器DS18B20，温度转换等命令。
具体命令见表3.4
表3.4传送RAM命令
指令
说明
温度变换命令（44H）
启动温度变换
读存贮器命令（EBH）
从DS18B20读出9个字节数据
写存储器命令（4EH）
写上下线值到DS18B20中
复制存储器命令（48H）
将DS18B20存储器中的值写入EEPROM
读EEPROM命令（B8H）
将EEPROM中的值写入存储器中
读供电方式命令（B4H）
检测DS18B20的供电方
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