基于單片機控制的具有語音播報功能的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計

1、摘 要本文從硬件和軟件兩方面介紹了具有語音播報功能的水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，采用AT89C51單片機為檢測控制中心，此芯片功能強大，能滿足設(shè)計要求。采用DS18B20為數(shù)據(jù)采集芯片，不需要AD轉(zhuǎn)換，與單片機接口簡單，編程容易。本設(shè)計與一般的水溫控制系統(tǒng)不同的是具有語音播報功能，此功能模塊的實現(xiàn)主要靠ISD4004語音芯片，ISD芯片采用了“直接模擬量存儲”專利技術(shù)，信號無需經(jīng)過模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換，數(shù)字壓縮和語音合成等復(fù)雜的數(shù)字信號處理過程，減少了失真，使其聲音存貯效果較以前產(chǎn)品有大幅提高。由于單片機直接輸出電流小，所以輸出電流經(jīng)過MOC光耦器件由繼電器控制電機工作，從而控制水泵進行水溫調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)

2、可以實現(xiàn)設(shè)定、播報、控制水溫及越限報警等多方面功能。關(guān)鍵字：水溫控制 單片機 語音播報 電機ABSTRACTThis arcticle introduces the design of the water temperature control system with speech function from both hardware and software. SCM AT89C51is used to detect control center. This powerful chip can meet the design requirements. DS18B20 is used fo

3、r data acquisition chip, which does not require AD conversion, and also has simple interface with SCM and easy programming. The difference between the design and the general temperature control system is the voice broadcast feature with the ability to rely mainly on the realization of modules ISD400

4、4 voice chip. ISD chip applies "direct analog storage" (DAST) patented technology. It processes signal without going through A / D, D / A converters, digital compression and voice synthesis, and other complex digital signal processing, at the same time decreases distortion to sound effects

5、 than before storage products are substantially increased. As a direct output current SCM small, so output current through the device by the MOC Optocoupler relay driven motor, so as to control water pumps for water temperature adjustment. The system can be set, broadcast, temperature control and al

6、arm, and so the more limited function.Keyword: Water temperature control；SCM；Voice broadcast；Motor目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒 論1 1.1 系統(tǒng)概述1 1.2設(shè)計任務(wù)和主要內(nèi)容21.2.1 基本要求21.2.2 主要性能指標(biāo)21.2.3 擴展功能22 系統(tǒng)框圖和方案論證3 2.1總體方案論證3 2.2系統(tǒng)框圖3 2.3 各部分電路方案論證42.3.1 數(shù)據(jù)采集部分42.3.2 鍵盤顯示部分63 AT89C51單片機8 3.1 單片機的基本組成83.1.1 中央處理器83.1.2 存儲

7、器93.1.3 外圍接口電路103.1.4 時鐘震蕩電路10 3.2 引腳排列及功能103.2.1 I/O口線113.2.2 控制信號線123.2.3 電源線133.2.4 外部晶振引線134 單片機外圍電路14 4.1 數(shù)據(jù)采集電路144.1.1 DS18B20特性144.1.2 引腳排列及功能144.1.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)154.1.4 測溫原理18 4.2 鍵盤顯示電路194.2.1 鍵盤電路設(shè)計194.2.2 顯示電路設(shè)計20 4.3 語音播報電路的設(shè)計214.3.1 ISD4004外部引腳214.3.2 ISD4004內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖234.3.3 極限參數(shù)244.3.4 串行外圍接口SP

8、I244.3.5 錄放音工作原理26 4.4 電機制執(zhí)行電路設(shè)計275 系統(tǒng)的軟件設(shè)計29 5.1 主程序30 5.2 數(shù)據(jù)采集電路程序設(shè)計31 5.3 控制電路程序設(shè)計39 5.4 ISD4004語音電路程序設(shè)計396 總結(jié)與展望46致 謝47參考文獻48附錄：系統(tǒng)總電路圖501 緒 論1.1 系統(tǒng)概述隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，那么可編程控制器的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制測控領(lǐng)域帶來了一次新的革命。在現(xiàn)代社會中，溫度控制不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了各個方面。而水溫控制在工業(yè)

9、生產(chǎn)過程和日常生活中也起著非常重要的作用，過低的溫度或過高的溫度都會使水資源失去應(yīng)有的作用，從而造成水資源的巨大浪費。隨著人們生活質(zhì)量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會見到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務(wù)于社會目前，單片機控制器在從生活工具到工業(yè)應(yīng)用的各個領(lǐng)域，例如生活工具的電梯、工業(yè)生產(chǎn)中的現(xiàn)場控制儀表、數(shù)控機床等。尤其是用單片機控制器改造落后的設(shè)備具有性價比高、提高設(shè)備的使用壽命、提高設(shè)備的自動化程度的特點。 現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計、工程建設(shè)及日常生活中常常需要用到溫度控制,早期溫度控制主要應(yīng)用于工廠中，例如鋼鐵的水溶溫度，不同等級的鋼鐵要通過不同溫度的鐵水來實現(xiàn)，這樣就可能有效的利用溫度控制來掌

10、握所需要的產(chǎn)品了。 隨著社會的發(fā)展、娛樂設(shè)施的普及，越來越多的學(xué)校開始構(gòu)建游泳池，供學(xué)生學(xué)習(xí)和訓(xùn)練之用。而如何監(jiān)測并控制游泳池的水溫，則是建游泳池主要關(guān)心的技術(shù)之一，本文設(shè)計的具有語音播報功能的水溫控制系統(tǒng)就是為了達到這樣的溫度控制要求而進行設(shè)計的。本設(shè)計采用以AT89C51單片機為檢測控制中心，此芯片功能強大，能滿足設(shè)計要求。采用DS18B20為數(shù)據(jù)采集芯片，不需要AD轉(zhuǎn)換，與單片機接口簡單，編程容易。此外，采用ISD4004語音芯片實現(xiàn)語音播報功能。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，有較強的通用性。該設(shè)計的控制系統(tǒng)有以下功能：·溫度設(shè)定范圍：2040，最小區(qū)分度為。· 實現(xiàn)控制

11、可以升溫也可以降溫；· 語音播報水的溫度· 實時顯示當(dāng)前溫度值：· 按鍵控制：功能轉(zhuǎn)換鍵、加一鍵、減一鍵：· 越限報警。1.2設(shè)計任務(wù)和主要內(nèi)容1.2.1 基本要求一般大學(xué)里的游泳池長50m，寬25m，平均水深1.8m，其總水容量為2250m3?？刂瞥厮臏囟?，要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。1.2.2 主要性能指標(biāo)(1) 溫度設(shè)定范圍：2040，最小區(qū)分度為。(2) 控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差。(3)用十進制數(shù)碼顯示實際水溫及設(shè)定水溫。(4)語音播報溫度功能。1.2.3 擴展功能(1)具

12、有通信能力，可接收其他數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)來的命令，或?qū)⒔Y(jié)果傳送到其他數(shù)據(jù)設(shè)備。(2)采用適當(dāng)?shù)目刂品椒▽崿F(xiàn)當(dāng)設(shè)定溫度或環(huán)境溫度突變時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。(3)溫度控制的靜態(tài)誤差。2 系統(tǒng)框圖和方案論證2.1總體方案論證本題目是設(shè)計制作一個具有語音播報功能的水溫控制系統(tǒng)。 要求能在20-40范圍內(nèi)設(shè)定控制水溫，并具有較好的快速性和較小的超調(diào)，以及十進制數(shù)碼管顯示等功能。根據(jù)題目要求，我們提出以下兩種方案：方案1：采用凌陽十六位單片機SPCE061A實現(xiàn)溫度控制，溫度信號由PT1000和電壓放大電路提供。通過PID算法實現(xiàn)對電爐功率和水溫控制。同時，具有溫度數(shù)字語音播報和顯示。方案2：采用單片機

13、AT89C51為核心。采用DS18B20進行數(shù)據(jù)采集，芯片ISD4004實現(xiàn)語音播報功能。使用單片機具有編程靈活，控制簡單的優(yōu)點，使系統(tǒng)能簡單的實現(xiàn)溫度的控制及顯示，并且通過軟件編程能實現(xiàn)各種控制算法使系統(tǒng)還具有控制精度高的特點。比較上述兩種方案，雖然方案1SPCE061A單片機內(nèi)置8路ADC,2路DAC,且集成開發(fā)環(huán)境中，配有很多語音播放函數(shù)，用SPCE061A實現(xiàn)語音播放極為方便，但是由于凌陽單片機與我們之前所學(xué)的MCS-5系列單片機在結(jié)構(gòu)、性能及指令系統(tǒng)方面相差較大，另PID算法也不熟悉，學(xué)習(xí)使用起來較費力。方案2中使用的單片機及各芯已熟悉其結(jié)構(gòu)功能，并具有控制簡單、控制溫度精度高的特點

14、，因此本設(shè)計電路采用方案2。2.2系統(tǒng)框圖AT89C51鍵盤設(shè)定數(shù)據(jù)采集DS18B20游泳池水顯示電路LED語音播報ISD4004報警電路控制電路水泵圖2.1系統(tǒng)框圖從功能模塊上來看，此系統(tǒng)電路可分為：主機電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、語音播報電路、控制執(zhí)行電路以及報警電路。系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。2.3 各部分電路方案論證 現(xiàn)將各部分主要元件及電路做以下的論證：2.3.1 數(shù)據(jù)采集部分方案1：采用溫度傳感器AD590和ADC0809芯片。ADC0809是一種8路模擬輸入的8路逐次漸逼式A/D轉(zhuǎn)換器件，是28引腳DIP封裝的芯片，其引腳排列圖如圖2.2所示。其內(nèi)部有8位A/D轉(zhuǎn)換電路和8路

15、模擬開關(guān)，其作用可根據(jù)地址譯碼信號來選擇8路模擬輸入，使8路模擬輸入共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。圖2.2 ADC 0809引腳排列圖 AD590具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。其測量范圍在-50- +150，滿刻度范圍誤差為±0.3，當(dāng)電源電壓在510V之間，穩(wěn)定度為1時，誤差只有±0.01，其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計要求。此外AD590是溫度-電流傳感器，對于提高系統(tǒng)抗干擾能力有很大的幫助。方案2：采用溫度傳感器AD590和ADC0832芯片。ADC0832是NS(National Semiconductor)公司生產(chǎn)的具有

16、Microwire/Plus串行接口的8位A/D轉(zhuǎn)換器，通過三線接口與單片機連接，功耗低，性能價格比較高，適宜在袖珍式智能儀器中使用。圖2.3為AT89C51與ADC0832的SPI串行接口方式，將DO和DI分別接于P1.0和P1.1引腳。 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3DODI CH0CLKCSAT89C51ADC0832圖2.3 AT89C51與ADC0832接口方案3：采用DS18B20芯片。DSB1820能夠直接讀出被測溫度，不需要任何外圍器件，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93175 m s 和750 m s 內(nèi)完成9 位和12

17、位的數(shù)字量, 并且從DS18B20 讀出的信息或?qū)懭隓S18B20 的信息僅需要一根口線(單線接口) 讀寫, 溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線, 總線本身也可以向所掛接的DS18B20 供電, 而無需額外電源。比較這3種方案，方案1采用并行接口，轉(zhuǎn)換快，但考慮到此設(shè)計中所用外圍芯片較多，I/O接口不足，雖然 ADC0832與單片機只有三線接口，但方案1、2都需要外接器件AD590進行數(shù)據(jù)采集。使用DS18B20比AD590精度低（其固有測溫分辨率為0.5 ，測量游泳池水溫已夠用），但比較圖2.4和圖2.5可知DS18B20線路簡單，不需要輔助電路，編程容易。圖2.4 AD590、ADC0832與單片

18、機組成的數(shù)據(jù)采集電路接口示意圖圖2.5 DS18B20與單片機的接口示意圖2.3.2 鍵盤顯示部分 控制與顯示電路是反映電路性能、外觀的最直觀部分，所以此部分電路設(shè)計的好壞直接影響到電路的好壞。 方案1：采用可編程控制器8279與數(shù)碼管及地址譯碼器74LS138組成，可編程/顯示器件8279實現(xiàn)對按鍵的掃描、消除抖動、提供LED的顯示信號，并對LED顯示控制。用8279和鍵盤組成的人機控制平臺，能夠方便的進行控制單片機的輸出。方案2：采用單片機AT89C51的I/O口直接和按鍵連接，用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法設(shè)計，低電平有效。顯示采用2位共陽LED動態(tài)顯示方式，顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個

19、位。2個數(shù)碼管共用同一個段碼輸出口，通過片選端口分時輪流通電。 對比兩種方案可知，方案1雖然也能很好的實現(xiàn)電路的要求，但考慮到電路設(shè)計的成本和電路整體的性能，我們采用方案2。方案2接線簡單，程序編寫也容易。 3 AT89C51單片機 AT89C51是美國ATMWEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4K byes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMWEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可提供

20、許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用與各種控制領(lǐng)域。其主要工作特性是：·內(nèi)含4KB的Flash存儲器，擦寫次數(shù)1000次；· 內(nèi)含128字節(jié)的RAM；· 具有32根可編程I/O線；· 具有2個16位可編程定時器；· 具有6個中斷源、5個中斷矢量、2級優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；· 具有1個全雙工的可編程串行通信接口；· 兩種低功耗工作模式，即空閑模式和掉電模式；· 具有可編程的3級程序鎖定位；· AT89C51的工作電源電壓為5（1±0.2）V且典型值為5V，AT89C51的工作電源為2.76V，是低電壓單

21、片機；· AT89C51最高工作頻率為24MHz。3.1 單片機的基本組成單片機的基本組成如圖3.1所示。3.1.1 中央處理器單片機的中央處理器（CPU）是單片機的核心，完成運算和控制操作。中央處理器包括運算器和控制器兩部分。單片機CPU和通用微處理器基本相同，只是增加了“面向控制”的處理功能，如位處理器、查表、多種跳轉(zhuǎn)等。（1）運算器運算器主要用來實現(xiàn)算術(shù)、邏輯運算和位操作。其中包括算術(shù)和邏輯運算單元ALU、累加器ACC、B寄存器、程序控制字PSW和兩個暫存器等。圖3.1 AT89C51的基本組成（2）控制器控制器是識別指令并根據(jù)指令性質(zhì)協(xié)調(diào)計算機內(nèi)各組成單元進行工作的部件?？刂?/p>

22、器主要包括程序計數(shù)器PC、PC增量其、指令寄存器、指令譯碼器、定時及控制邏輯電路等。其功能是控制指令的讀入、譯碼和執(zhí)行，并對指令執(zhí)行過程進行定時和邏輯控制。3.1.2 存儲器單片機內(nèi)部的存儲器分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。程序存儲器主要用來存儲指令代碼和一些常數(shù)及表格。標(biāo)準(zhǔn)型AT89單片機的程序存儲器采用4 KB的快速擦寫存儲器Flash Memory,編程和擦除完全是電氣實現(xiàn)。編程和擦除速度快，可以使用通用的編程器脫機編程，也可在線編程。在單片機中，用隨機存儲器RAM來存儲程序運行期間的工作變量和數(shù)據(jù)，所以又稱為數(shù)據(jù)存儲器。標(biāo)準(zhǔn)型AT89單片機含有128×8位RAM，采用單字節(jié)地址。

23、實際上片內(nèi)的字節(jié)地址空間是26個（00HFFH），其中高128字節(jié)地址（80HFFH）被特殊功能寄存器SFR占用，用戶只能使用低128字節(jié)單元（00H7FH）來存放可讀/寫的數(shù)據(jù)。3.1.3 外圍接口電路CPU與外部設(shè)備的信息交換都要通過接口電路進行。這主要是為了解決CPU的高速處理能力和外部設(shè)備低速運行之間的速度匹配問題，并可以有效的提高CPU的工作效率；同時也提高了CPU的對外驅(qū)動能力。輸出接口電路具有鎖存器和驅(qū)動器，輸入接口電路具有三態(tài)門控制，成為接口電路的基本特征。AT89C51單片機的外圍接口電路主要包括：4個可編程并行I/O口，1個可編程串行口，2個16位的可編程定時器以及中斷系統(tǒng)

24、等。3.1.4 時鐘震蕩電路時鐘振蕩電路是CPU所需要的各種定時控制信號的必備單元。CPU只有在時序信號和控制信號的協(xié)調(diào)工作下，才能執(zhí)行各種指令。單片機芯片內(nèi)部有時鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。AT89C51的晶振頻率最高為24MHz。3.2 引腳排列及功能AT89C51單片機的封裝形式有PDIP,TQFP和PLCC等。圖3.2為PDIP封裝的引腳排列圖。圖3.2 AT89C51引腳排列（PDIP）3.2.1 I/O口線·P0口-8位，漏極開路的雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲器及外擴I/O口時，P0口作為低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線。在編程時，P0口可用于接收指令代碼字節(jié)；在程序校驗

25、是，P0口可輸出指令字節(jié)（這時需要加外部上拉電阻）。P0口也可做通用I/O口使用，但需加上拉電阻，變?yōu)闇?zhǔn)雙向口。當(dāng)作為普通輸入時，應(yīng)將輸出鎖存器置1.P0口可驅(qū)動8個TTL負(fù)載。·P1口-8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。P1口是為用戶準(zhǔn)備的I/O雙向口。在編程和校驗時，可用做輸入低8位地址。用做輸入時，應(yīng)先將輸出鎖存器置1。P1口可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。·P2口-8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。當(dāng)使用片外存儲器或外擴I/O口時，P2口輸出高8位地址。在編程/校驗時，P2口可接收高字節(jié)地址和某些控制信號。P2口也可做普通I/O口使用。用做輸入時，應(yīng)先將輸出鎖存器

26、置1。P2口也可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。·P3口-8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。P3口可做普通I/O口使用。用做輸入時，應(yīng)先將輸出鎖存器置1。在編程/校驗時，P3口接收某些控制信號。它可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。P3口還提供各種替代功能，如表3.1所列。表3-1 P3口替代功能引腳替代功能說明 P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收 P3.1 TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2 外部中斷0申請P3.3 外部中斷1申請 P3.4T0定時器0外部事件計數(shù)輸入 P3.5T1定時器1外部事件計數(shù)輸入 P3.6外部RAM寫選通 P3.7外部RAM讀選通3.2.2 控制信號線·RST-復(fù)位輸入信號，高電平

27、有效。在振蕩器穩(wěn)定工作室，在RST腳施加兩個機器周期（即24個晶振周期）以上的高電平，將器件復(fù)位。·/VPP-外部程序存儲器訪問允許信號EA(External Access Enable)。當(dāng)信號接地時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器，地址為0000HFFFFH；當(dāng)EA接VCC時，對ROM的讀操作從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延續(xù)至外部程序存儲器。在編程時，該引腳可接編程電壓（AT89C51的VPP為5V或12V）。在編程校驗時，該引腳可接VCC。·-片外程序存儲器讀選通信號PSEN(Program Store Enable),低電平有效。在片外程序存儲器取指令期間，當(dāng)有

28、效時，程序存儲器的內(nèi)容別送至P0口（數(shù)據(jù)總線）；在訪問外部RAM時，無效。·ALE/-低字節(jié)地址鎖存信號ALE(Address Latch Enable).在系統(tǒng)擴展時，ALE的下降沿將P0口輸出的低8位地址鎖存在外接的地址鎖存器中，以實現(xiàn)低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)的分時傳送。此外，ALE端連續(xù)輸出正脈沖，頻率為晶振頻率的1/6，可用作外部定是脈沖使用。但是注意，每次訪問外RAM是要丟失一個ALE脈沖。3.2.3 電源線·VCC-電源電壓輸入引腳。·GND-電源地。3.2.4 外部晶振引線·XTAL1-片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生線路的輸入端。使用片內(nèi)振蕩器時，

29、連接外部石英晶體和微調(diào)電容。·XTAL2-片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器時，外接石英晶體和微調(diào)電路。當(dāng)使用外部振蕩器時，引腳XTAL1接收外振蕩器信號，XTAL2懸空。4 單片機外圍電路4.1 數(shù)據(jù)采集電路本設(shè)計采用DS18B20數(shù)字溫度計，它以9位數(shù)字量的形式反應(yīng)器件的溫度值。DS18B20通過一個單線接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和DS18B20之間僅需一條連接線（加上地線）。用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得，無需外部電源。因為每個DS18B20都要一個獨特的片序列號，所以多只DS18B20可以同時連在一根單線總線上，這樣就可以把溫度傳感器放在許

30、多不同的地方。這一特性在HVAC環(huán)境控制、探測建筑物、儀器或機器的溫度以及過程檢測和控制等方面非常有用。4.1.1 DS18B20特性·獨特的單線接口，只需1個幾口引腳即可通信·多點（multidrop）能力使分布式溫度檢測應(yīng)用得以簡化·不需要外部原件·可用數(shù)據(jù)線供電·不需要備份電源·測量范圍從-55至+125，增量值0.5.等效的華氏溫度范圍是-67至257，增量值為0.9·以9位數(shù)字值方式讀出溫度·在1秒（典型值）內(nèi)把溫度變換為數(shù)字·用戶可定義的，非易失性的溫度告警設(shè)置·告警搜索命令識別和尋

31、址溫度在編定的極限之外的器件（溫度告警情況）·應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費類產(chǎn)品，溫度計或任何熱敏系統(tǒng)4.1.2 引腳排列及功能圖4.1 DS18B20引腳排列及封裝如圖4-1所示，各引腳說明如下GND 地DQ 數(shù)字輸入輸出VDD 可選的VDDNC 空引腳DNC 不連接 表4-1 詳細(xì)的引腳說明引腳8腳SOIC引腳PR35符號說明51GND地42DQ單線應(yīng)用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳；33VDD外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）4.1.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 采用3 腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝, 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4.2 所示。 圖4.2 DS18B20的

32、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(1)64 b 閃速ROM 的結(jié)構(gòu)如下:8 b檢驗CRC 48 b 序列號 8 b 工廠代碼（10H）MSB LSB MSB LSB MSB LSB開始8位是產(chǎn)品類型的編號, 接著是每個器件的惟一的序號, 共有48位, 最后8 位是前56位的CRC校驗碼, 這也是多個DS18B20 可以采用一線進行通信的原因。(2)非易市失性溫度報警觸發(fā)器TH 和TL , 可通過軟件寫入用戶報警上下限。(3) 高速暫存存儲器DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM 和一個非易失性的可電擦除的ERAM。后者用于存儲TH, TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM , 經(jīng)校驗后再傳給ERAM。而配置

33、寄存器為高速暫存器中的第5個字節(jié), 他的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率,DS18B20 工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如下:TMR1R011111低5位一直都是1, TM 是測試模式位, 用于設(shè)置DS18B20 在工作模式還是在測試模式。在DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為0, 用戶不要去改動, R 1 和R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù), 即是來設(shè)置分辨率, 如表4-2所示(DS18B20 出廠時被設(shè)置為12 位) 表4-2 R1和R0模式表R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時間/mm009位93.750110位187.51011位275.001112位750

34、.00 由表4.2可見, 設(shè)定的分辨率越高, 所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長。因此, 在實際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。高速暫存存儲器除了配置寄存器外, 還有其他8個字節(jié)組成, 其分配如下所示。其中溫度信息(第1,2 字節(jié))、T H 和T L 值第3, 4 字節(jié)、第6 8 字節(jié)未用,表現(xiàn)為全邏輯1; 第9 字節(jié)讀出的是前面所有8 個字節(jié)的CRC 碼, 可用來保證通信正確。當(dāng)DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后, 開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16 位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1, 2 字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù), 讀取時低位在前, 高位在后, 數(shù)

35、據(jù)格式以0.0625 /LSB 形式表示。溫度值格式如下： 表4-3 部分溫度值溫度/ 二進制表示十六進制表示+125000001111101000007D0H+25.062500000001100100010191H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFFFH-25.06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90H對應(yīng)的溫度計算: 當(dāng)符號位S=0 時, 直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制; 當(dāng)S=1 時, 先將補碼變換為原碼,再計算十進制值。表4-3是

36、對應(yīng)的一部分溫度值。DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后, 就把測得的溫度值與TH , TL 作比較, 若T > TH 或T < TL , 則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位, 并對主機發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此, 可用多只DS18B20 同時測量溫度并進行告警搜索。(4) CRC 的產(chǎn)生在64 b ROM 的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗碼(CRC)。主機根據(jù)ROM 的前56 位來計算CRC值, 并和存入DS18B20 中的CRC 值做比較, 以判斷主機收到的ROM 數(shù)據(jù)是否正確。4.1.4 測溫原理DS18B20 的測溫原理如圖4.3所示, 圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很

37、小 , 用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1, 高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變, 所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2 的脈沖輸入, 圖中還隱含著計數(shù)門, 當(dāng)計數(shù)門打開時, DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù), 進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定, 每次測量前,首先將- 55 所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中, 減法計數(shù)器1 和溫度寄存器被預(yù)置在- 55 所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù), 當(dāng)減法計數(shù)器1 的預(yù)置值減到0 時溫度寄存器的值將加1, 減法計數(shù)器1 的預(yù)置將重新被裝

38、入, 減法計數(shù)器1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù), 如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2 計數(shù)到0 時, 停止溫度寄存器值的累加, 此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖4.3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性, 其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值, 只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程, 直至溫度寄存器值達到被測溫度值, 這就是DS18B20 的測溫原理。斜率累加器計數(shù)比較器低溫度系數(shù)振蕩器減法計數(shù)器1預(yù)置減到0溫度寄存器預(yù)置減到0減法計數(shù)器2高溫度系數(shù)振蕩器增加 停止圖4.3 DS18B20內(nèi)部測溫電路原理框圖另外, 由于DS18B20 單線通信功能是分時完成的, 他有嚴(yán)格的時

39、隙概念, 因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20 的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為: 初始化DS18B20 (發(fā)復(fù)位脈沖) 發(fā)ROM 功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。4.2 鍵盤顯示電路4.2.1 鍵盤電路設(shè)計鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計，低電平有效。按鍵AN1，AN2，AN3的功能定義如表4-4所示。按鍵AN1與P3.3相連，采用外部中斷方式，并且優(yōu)先級定為最高；AN2和AN3分別與P0.4和P0.5相連，采用軟件查詢的方式。表4-4 按鍵功能按鍵鍵名功能AN1功能轉(zhuǎn)換鍵按鍵按下（L1亮）時，顯示溫度設(shè)定值；按鍵升起（L1不亮）時，顯示當(dāng)前溫度值A(chǔ)N2加1鍵設(shè)定溫度逐

40、次加1AN3減1鍵設(shè)定溫度逐次減14.2.2 顯示電路設(shè)計 圖4.5 數(shù)碼管顯示電路該顯示模塊采用兩個LED數(shù)碼管并連與單片機連接，動態(tài)顯示溫度的十位與個位數(shù)字，如圖4.5所示， P0口是送字符的，P3.0和P3.1口是用來位選數(shù)碼管的，分別控制十位、個位數(shù)碼管。當(dāng)P3.0或 P3.1端清零時數(shù)碼管被選中，其對應(yīng)所連接的發(fā)光二極管發(fā)亮。 單片機一上電，這兩個數(shù)碼管等待DS18B20發(fā)送程序命令，決定顯示與否，顯示實際溫度或設(shè)定溫度。這種動態(tài)LED顯示接口由于所有數(shù)碼管公用同一個段碼輸出口，分時輪流通電，從而大大簡化了硬件線路，降低了成本。4.3 語音播報電路的設(shè)計單片機AT89C51通過與語音

41、芯片ISD4004和揚聲器連接實現(xiàn)語音播報功能。 ISD系列語音芯片是美國ISD公司推出的產(chǎn)品。該系列語音芯片采用多電平直接接模擬存儲（Chip Corder）專利技術(shù)，聲音不需要A/D轉(zhuǎn)換和壓縮，每個采樣值直接存儲在片內(nèi)的閃爍存儲器中，沒有A/D轉(zhuǎn)換誤差，因此能夠真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂及效果聲。避免了一般固體錄音電路量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。ISD4004語音芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含晶體振蕩器、防混疊濾波器、平滑濾波器、自動靜噪、音頻功率放大器及高密度多電平閃爍存儲陣列等，因此只需很少的外圍器件就可構(gòu)成一個完整的聲音錄放系統(tǒng)。芯片設(shè)計是基于所有操作由微控制器

42、控制，操作命令通過串行通信接口（SPI或Microwire）送入。采樣頻率可為4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz、8.0kHz，頻率越低，錄放時間越長，而音質(zhì)則有所下降。片內(nèi)信息存于內(nèi)爍存儲器中，可在斷電情況下保存100年（典型值）反復(fù)錄音10萬次。器件工作電壓3V，工作電流2530mA，維持電流1A?單片錄放語音時間816min，音質(zhì)好，適用于移動電話機及其它便攜式電子產(chǎn)品中。4.3.1 ISD4004外部引腳語音芯片ISD4004的外部引腳圖如圖4.6所示。圖4.6 ISD4004外部引腳圖 引腳說明： （1）同相模擬輸入（ANA IN+）-這是錄音信號的同相輸入端，輸入放大器可

43、用單端或差分驅(qū)動。單端輸入時，信號由耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值32mV，耦合電容和本端的3k輸入阻抗決定了芯片頻率的低端截止頻率。在差分驅(qū)動時，信號最大幅度為峰峰值16mV。 （2）反相模擬輸入（ANA IN-）-差分驅(qū)動時，這是錄音信號的反相輸入端。信號通過耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值16mV，本端的標(biāo)稱輸入阻抗為56k,單端驅(qū)動時，本端通過電容接地。兩種方式下，ANA IN+和ANA IN-端的耦合電容值應(yīng)用相同。 （3）音頻輸出（AUD OUT）-提供音頻輸出，可驅(qū)動5k的負(fù)載。    （4）片選（）-此端為低，

44、即選中ISD4004系列。 （5）串行輸入（MOSI）-此為單行輸入端，主控制器應(yīng)在串行時鐘上升沿之前半個周期將數(shù)據(jù)放到本端，供ISD輸入。 （6）串行輸出（MISO）ISD-串行輸出端，ISD未選中時，本端呈高阻態(tài)。 （7）串行時鐘（SCLK）-ISD的時鐘輸入端，由于控制器產(chǎn)生，用于同步MOSI和MISO的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在SCLK上升沿鎖存到ISD，在下降沿移出ISD。   （8）中斷（）-本端為漏極開路輸出，ISD在任何操作（包括快進）中檢測到EOM或OVF時，本端變低并保持，中斷狀態(tài)在下一個SPI周期開始清除，中斷狀態(tài)也可用RITN指令讀取。   

45、;（9）行地址時鐘（RAC）-漏極開始輸出。生個RAC周期表示ISD存儲器的操作進行了一行（ISD4004系列中的存儲器有2400行）。8kHz采樣頻率的器件，RAC周期為200ms，其中175ms保持高電平，低電平為25ms?？爝M模式下，RAC為218.75s高電平，31.25s為低電平，該端可用于存儲管理技術(shù)。   （10）外部時鐘（XCLK）-本端有內(nèi)部下拉元件，芯片內(nèi)部的采樣時鐘在出廠前已調(diào)校，誤差在+1%內(nèi)，在不外接時鐘時，此端必須接地。   （11）自動靜噪（AM CAP）-1F電容構(gòu)成內(nèi)部峰值檢測電路的一部分，檢測出的峰值電平與內(nèi)

46、部設(shè)定的閾值作比較，決定自動靜噪電路的工作與否。大信號時自動靜噪電路不衰減，靜音時衰減6dB。同時，1F電容也影響自動靜噪電路時信號幅度的響應(yīng)速度，本端接VCCA則禁止自動靜噪。4.3.2 ISD4004內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖4.7所示圖4.7 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖4.3.3 極限參數(shù) ·直流電源電壓范圍（VCCVSS）:-0.3+7.0 V ·輸入電壓范圍（所有引腳）：(VSS-0.3 V)(VCC+0.3V) ·輸入電壓范圍（所有引腳，輸入電流不超過±20mA）:（VSS-1.0 V）(VCC+1.0 V) ·輸入電壓范圍（MOS

47、I、SCLK、RAC、引腳，輸入電流不超過±20mA）:(VSS-1.0 V)5.5 V ·結(jié)溫：±150 ·存儲溫度范圍（Tstg）:-65+150 ·引腳焊接溫度（10s）：+3004.3.4 串行外圍接口SPIISD4004工作于SPI串行接口。SPI協(xié)議是一個同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議協(xié)議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動作。因此，對ISD4004而言，在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳數(shù)據(jù)在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。協(xié)議具體內(nèi)容如下： (1)所有串行數(shù)據(jù)傳輸開始于下降沿。 (2)在傳輸期間必須保持為低電平,在兩條指令之間保持為

48、高電平。 (3)數(shù)據(jù)在時鐘上升沿移入,在下降沿移出。 (4)變低，輸入指令和地址后ISD行才開始錄放操作。 (5)指令格式是8位控制碼加16位地址碼。 (6)ISD的任何操作(含快進)如果遇到EOM或OVF，則產(chǎn)生一個中斷該中斷狀態(tài)在下一個SPI周期開始時被清除。 (7)使用“讀” 指令會使中斷狀態(tài)位移出ISD的MISO引腳時,控制及地址數(shù)據(jù)也同步從MOSI端移入。 (8) 所有操作在運行位(RUN)置1時開始， 置0時結(jié)束。 (9)所有指令都在端上升沿開始執(zhí)行。OVF標(biāo)志指示ISD錄放操作已到存儲器的末尾。圖4.8 ISP4004端口及其相關(guān)控制位示意圖 EOM標(biāo)志只在放音過程中檢測到內(nèi)部的

49、EOM標(biāo)志時，此狀態(tài)位置1，如圖4.8所示。SPI指令碼如表4-5所示。 表4-5 SPI指令表POWERUP00100XXX(XXXXXXXXX XXXXXXXX)上電，等待TPUD后器件可以工作SET PLAY11100XX(A15-A0)從指定地址開始放音，須后跟PLAY指令，使放音繼續(xù)PLAY1111XXX(XX XXXXXXX XXXXXX)從當(dāng)前地址開始錄音（直至ROM或OVF）SET REC10110XXX(A15-A0)從指定地址開始錄音，須后跟REC指令，使錄音繼續(xù)REC110110(XX XXXXXXX XXXXXX)從當(dāng)前地址開始錄音（直到OVF或停止）SET MC111

50、01XXX(A15-A0)從指定地址開始快進，須后跟MC指令，是快進繼續(xù)MC11111XXX(XXXXXXX XXXXXXX X)執(zhí)行快進，直到EOM,若再無消息，進入OVF狀態(tài)STOP0X110XXX(XXXXX XXXXXXX XXX)停止當(dāng)前操作續(xù)表4-5STOP PWRDN0X01XXX(XXXXXX XXXXXXX XXX)停止當(dāng)前操作并掉電RINT0X110XXX(XXXXXX XXXXXXX XXXX)讀狀態(tài)：OVF和EOM以下列舉了幾種對ISD器件進行操作時的指令次序。(1)信息快進。用戶不必知道確切的地址就能快進跳過一條信息。信息快進只用于放音模式。放音速度是正常的1600倍

51、。遇到EOM后停止，內(nèi)部地址計數(shù)器加1，并接下條信息開始處。(2)上電順序。器件延時TPUD（8kHz)采樣時，約25ms后才能開始操作。因此，用戶發(fā)完上電指令后，必須等待TPUD 才能發(fā)出一條操作指令。例如從00處放音，應(yīng)遵循如下時序：發(fā)POWERLIP命令；等待TPUD上電延時； 發(fā)地址值為00的SETPLAY命令： 發(fā)PLAY命令。器件會從00地址開始放音 當(dāng)出現(xiàn)EOM時立即中斷 停止放音。如果從00處錄音 則按以下時序： 發(fā)POWER UP命令： 等待TPUD(上電延時)； 發(fā)POWER UP命令：等待2倍TPUD； 發(fā)地址值為00的SET REC命令： 發(fā)REC命令。器件便從00地址

52、開始錄音一直到出現(xiàn)OVF（存儲器末尾)時，錄音停止。4.3.5 錄放音工作原理錄音過程中，ISD4004器件在進行存儲操作之前，要分幾個階段對信號進行調(diào)整。首先要輸入信號放大到存儲電路動態(tài)范圍的最佳電平，這個階段由前置放大器、放大器和自動增益控制部分來完成。前置放大器通過隔直流電容與麥克風(fēng)連接，隔直流電容用來去掉交流小信號中的直流成份（大約220mv）。信號的放大分兩步完成：先經(jīng)過輸入前置放大器。完成信號的通路要在模擬輸出端（AUD OUT）和模擬輸入端（ANA IN）兩個引腳之間連接一個電容器。這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)設(shè)計更加靈活，尤其對于非語音信號的應(yīng)用，同時提供一個用于截止低頻的端口。自動增益控

53、制電路動態(tài)地監(jiān)控放大器輸出的信號電平并發(fā)送增益控制電壓到前置放大器，前置放大器增益自動調(diào)節(jié)以便維持進入濾波器的信號為最佳電平，這樣錄音的信號能得到最高電平又使削波減至最小。我們可以通過選擇連接到AGC引腳的電阻和電容值來調(diào)節(jié)描述自動增益電路特性的兩個時間常量：即響應(yīng)時間和釋放時間。 下一個階段的信號調(diào)整是由輸入濾波器完成的。由于模擬信號的存儲仍然是采用取樣技術(shù)，因此還需要一個抗混淆濾波器以去掉（或至少減到可忽略不計的程度）取樣頻率1/2以上的輸入頻率分量。這樣就滿足了所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都遵循的奈奎斯特取樣定律。語音的質(zhì)量要想優(yōu)于電話的音質(zhì)，取樣頻率要用8 KHz,低通濾波器的高頻頻限選在3.4K

54、Hz，可滿足奈奎斯特取樣定律，而且仍有足夠?qū)挼念l帶以得到高音質(zhì)的語音。濾波器是一個連續(xù)時間五級點低通濾波器，在3.4KHz每個倍頻衰減40db。信號的調(diào)整至此以告完成，然后將輸入波形通過模擬收發(fā)器寫入模擬存儲陣列中。由8 KHz取樣時鐘取樣，并且經(jīng)過電平移位而產(chǎn)生不會發(fā)寫入過程所需要的高電壓，同時補償與Fowler-Nordheim隧道效應(yīng)相關(guān)的一些實際因素。取樣時鐘也用于存儲陣列的地址譯碼，以便輸入信號順序的寫入存儲陣列。放音時，錄入的模擬電壓在取樣時鐘的控制下順序地從存儲陣列中讀出，恢復(fù)成原來的取樣波形，輸出通道上的平滑濾波器去掉取樣頻率分量并恢復(fù)原始波形。平滑濾波器的輸出通過一個模擬多路

55、開關(guān)連接到輸出功率放大器，兩個輸出管腳直接驅(qū)動揚聲器。ISD4004器件的線路設(shè)計基于每個EEPROM存儲單元等效于8位存儲器。信息寫入存儲單元采用閉環(huán)方式，取樣保持電路在變成周期內(nèi)保持?jǐn)?shù)據(jù)并將存儲的模擬電壓提供給比較器的一個輸入端，比較器的另一個輸入是存儲單元本身的輸出。在多次寫入中，電子被“泵入”存儲單元，并使存儲電平反饋到比較器，當(dāng)比較器的信號（也就是存儲單元的輸出電壓）等于取樣保持電平時，該存儲單元的編程停止。4.4 電機制執(zhí)行電路設(shè)計由輸出來控制電爐或風(fēng)扇，電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。風(fēng)扇可以認(rèn)為是線形環(huán)節(jié)實現(xiàn)對水溫的控制。為了實現(xiàn)強電和弱電的隔離，要選擇光電耦合器，但考慮到輸出信號要對