数字电子钟毕业设计论文.doc

I 摘要摘要 数字电子钟具有读取方便 显示直观 功能多样和电路简洁等优点 符合电子仪 器仪表的发展趋势 具有广阔的市场前景 该设计除了数字时钟显示之外 还具有语音报时功能 采用 AT89S52 单片机芯片 专用时钟芯片和语音芯片 外加一些外围电路 信号处理 传输电路等构成具有语音 报时的数字电子钟 该设计主要包含五部分 第一部分为语音报时数字钟方案的提出 第二部分为系 统方案 它结合各个模块的方案 提出语音报时数字钟的总体实现方案 第三部分为 硬件设计 主要包括单片机系统模块 时钟芯片模块 语音报时模块和液晶显示屏显 示模块 第四部分为 PCB 电路板设计 它主要包括总电路图的原理图设计和 PCB 图设 计 第五部分为软件程序的设计 解决了程序的问题 关键词 语音报时 数字钟 AT89S52 II 目录目录 摘要 I ABSTRACT II 第一章 引言 1 第二章 方案论证 2 2 1 系统基本方案选择 2 2 1 1 单片机芯片的选择 2 2 1 2 时钟芯片的选择 2 2 1 3 语言芯片的选择 3 2 1 4 显示模块的选择 3 2 1 5 温度传感器的选择 3 2 2 电路设计最终方案决定 4 第三章 系统的硬件设计与实现 5 3 1 主要器件的介绍 5 3 1 1 单片机 5 3 1 2 时钟芯片 DS1302 10 3 1 3 语音芯片 ISD4003 13 3 1 4 LCD1602 液晶显示屏 17 3 1 5 DS18B20 19 3 2 电路设计框图 21 3 3 主要单元电路的设计 21 3 3 1 单片机主控制电路模块 21 3 3 2 电源电路模块 23 3 3 3 DS1302 时钟模块 23 3 3 4 语音报时模块 24 3 3 5 时钟显示模块 27 3 3 6 温度采集模块 27 3 3 7 按键控制模块 27 第四章 PCB 设计 29 4 1 具有语音报时的数字电子钟原理图 29 4 2 具有语音报时的数字电子钟 PCB 图 30 4 3 总结 31 第五章 系统的软件设计 32 5 1 程序流程框图 32 5 1 1 主程序流程图 32 5 1 2 显示子程序流程图 33 5 1 3 语音报时子程序流程图 36 III 5 1 4 日期 时钟调整流程图 42 结束语 49 致谢 50 参考文献 51 1 第一章第一章 引言引言 单片机自 20 世纪 70 年代问世以来 以其极高的性能价格比 受到人们的重视和 关注 应用很广 发展很快 单片机具有体积小 重量轻 抗干扰能力强 环境要求 不高 价格低廉 可靠性高 灵活性好 开发较为容易 目前单片机渗透到我们生活的各个领域 几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪 迹 导弹的导航装置 飞机上各种仪表的控制 计算机的网络通讯与数据传输 工业 自动化过程的实时控制和数据处理 广泛使用的各种智能 IC 卡 录象机 摄象机 以 及程控玩具 电子宠物等等 这些都离不开单片机 更不用说自动控制领域的机器人 智能仪表 医疗器械了 因此 单片机的学习 开发与应用将造就一批计算机应用与 智能化控制的科学家 工程师 电子钟是一种利用数字电路来显示秒 分 时的计时装置 与传统的机械钟相比 它具有走时准确 显示直观 无机械传动装置等优点 因而得到广泛应用 并且本设 计还伴有语音报时的功能 将大大方便人们的使用 并有助于盲人对时间的掌握 随 着人们生活环境的不断改善和美化 在许多场合可以看到数字电子钟 在城市的主要 营业场所 车站 码头等公共场所使用 LCD 数字电子钟已经成为一种时尚 数字电子 钟已经成为我们生活中的一部分 所以对它的设计还是很有必要的 2 第二章第二章 方案论证方案论证 2 1 系统基本方案选择 2 1 1 单片机芯片的选择 单片机芯片是本设计的最主要的部分 根据设计需要 有以下两种方案实现 方案一 采用 89C51 芯片作为硬件核心 采用 Flash ROM 内部具有 4KB ROM 存储空间 能 于 3V 的超低压工作 而且与 MCS 51 系列单片机完全兼容 但是运用于电路设计中时由 于不具备 ISP 在线编程技术 当在对电路进行调试时 由于程序的错误修改或对程序 的新增功能需要烧入程序时 对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏 方案二 采用 AT89S52 片内 ROM 全都采用 Flash ROM 能以 3V 的超底压工作 同时也与 MCS 51 系列单片机完全该芯片内部存储器为 8KB ROM 存储空间 同样具有 89C51 的功 能 且具有在线编程可擦除技术 当在对电路进行调试时 由于程序的错误修改或对 程序的新增功能需要烧入程序时 不需要对芯片多次拔插 所以不会对芯片造成损坏 综合以上所述 选择采用 AT89S52 作为主控制系统比较好 2 1 2 时钟芯片的选择 根据设计需要 可利用以下两种方案实现 方案一 本方案完全用软件实现数字时钟 原理为 在单片机内部存储器设字节分别存放 时钟的时 分 秒等信息 利用定时器与软件结合实现 1 秒定时中断 每产生一次中 断 存储器内相应的秒值加 1 若秒值达到 60 则将其清零 并将相应的分字节值加 1 若分值达到 60 则清零分字节 并将时字节值加 1 若时值达到 24 则将时字节清 零 这样下去达到设计的要求 单片机内部具有定时器 可方便实现定时功能 但由 于系统晶振误差 温漂 中断响应时间的不确定性及定时器重新装载时间常数所带来 的误差 决定它不能用来作为时钟的时间基准 该方案具有硬件电路简单的特点 但由于每次执行程序时 定时器都要重新赋初 第二章 方案论证 3 值 所以该时钟精度不高 而且 由于是软件实现 当单片机不上电 程序不执行时 时钟将不工作 方案二 专用时钟芯片实现 目前市场上已有很多实时时钟芯片 如 DS12887 DS1302 AT90S8535 X1227 等 芯片内都集成了时钟 日历功能 给时钟系统设计带来很多方便 因此计时功能以选专 用时钟芯片为宜 由于 DS1302 芯片是一种高性能的时钟芯片 可自动对秒 分 时 日 周 月 年以及闰年补偿的年进行计数 而且精度高 8 位的 RAM 做为数据暂存区 工作电压 2 5V 5 5V 范围内 2 5V 时耗电小于 300nA 基于时钟芯片的优点 结合设计要求 本次设计采用方案二完成多功能数字时钟 的功能 2 1 3 语言芯片的选择 根据设计需要 采用专用的语音芯片 本设计采用了 ISD4003 系列语音录放存储 芯片作为语音的存储体 存储需要播放的语音信息 并且通过单片机控制其播放语音 因为本设计录放时间 4 分钟已经足矣 所以采用 ISD4003 04M 型号的语音芯片 2 1 4 显示模块的选择 方案一 采用 LED 数码管动态扫描 虽然 LED 数码管价格便宜 但该设计显示的数字较多 如选用 LED 数码管 则会给设计的电路板排版制造一定的难度 布局和布线会增加难 度 方案二 采用 LCD 液晶显示屏 LCD 液晶显示屏价格适中 显示功能强大 可显示大量文字 图形 显示多样 清晰可见 且具有现代感 符合时代发展的趋势 整体看起来美观 基于 LCD 液晶显示屏的优点 结合设计要求 本次设计采用方案二完成模块显示 功能 2 1 5 温度传感器的选择 方案一 使用热敏电阻作为传感器 用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压 利用热 敏电阻阻值随温度变化而变化的特性 采集这两个电阻变化的分压值 并进行 A D 转 换 此设计方案需用 A D 转换电路 增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不 4 是严格线性的 会产生较大的测量误差 方案二 采用数字式温度传感器 DS18B20 此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据 线进行数据传输 易于与单片机连接 可以去除 A D 模块 降低硬件成本 简化系统 电路 另外 数字式温度传感器还具有测量精度高 测量范围广等优点 2 2 电路设计最终方案决定 综上各方案所述 对此次作品的方案选定 采用 AT89S52 作为主控制系统 DS1302 提供时钟 ISD4003 4M 实现语音报时功能 数字式温度传感器 LCD 液晶显示屏作为显 示 第三章 系统的硬件设计与实现 5 第三章第三章 系统的硬件设计与实现系统的硬件设计与实现 3 1 主要器件的介绍 3 1 1 单片机 1 性能及特性简介 17 主要性能 AT89S52 与 MCS 51 单片机产品兼容 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 33Hz 三级加密程序存储器 32 个可编程 I O 口线 三个 16 位定时器 计数器八个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 功能特性描述 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 超有效的解决方案 AT89S52 具有以下标准功 能 8k 字节 Flash 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位 定时器 计数器 一个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内晶振及 时钟电路 另外 AT89S52 可降至 0Hz 静态逻 辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空 闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工 作 掉电 保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中 断或硬件复位为止 8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52 2 引脚及封装 AT89S52 单片机为 40 引脚双列直插芯片 如图 3 1 所示 6 图 3 1 AT89S52 引脚图 Vcc 为电源电压输入端 GND 为地 P0 口时一个 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 P1 口时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 同时 P1 0 T2 口还可以作为定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1 T2EX 作为定时器 计数器 T2 的捕捉 重载出发信号和方向控制 P1 5 MOSI 在系 统编程用 P1 6 MISO 在系统编程用 P1 7 SCK 在系统编程用 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 P3 口时一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 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 同时 P3 0 RXD 还可以作为串行输入 P3 1 TXD 作为串行输出 P3 2 INT0 作为外部中断 0 P3 3 INT0 作为外部中断 0 P3 4 T0 作为定时器 0 外部输入 P3 5 T1 作为定时器 1 外部输入 P3 6 WR 作为外 部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器写选通 RST 位复位输入 ALE PROG 地址锁存控制信号 ALE 时访问外部程序存储器时 锁存低 位地址的输出脉冲 在 flash 编程时 PROG 引脚可用作编程输入脉冲 PSEN 为外部程序存储器选通信号 EA VPP 为访问外部程序存储器控制信号 XTAL1 为振荡 器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 为振荡器反相放大器的输出端 3 存储器结构 MCS 51 器件有单独的程序存储器和数据存储器 外部程序存储器和数据存储器都 可以 64K 寻址 第三章 系统的硬件设计与实现 7 程序存储器 如果 EA 引脚接地 程序读取只从外部存储器开始 对于 89S52 如果 EA 接 VCC 程序读写先从内部存储器 地址为 0000H 1FFFH 开始 接着从 外部寻址 寻址地址为 2000H FFFFH 数据存储器 AT89S52 有 256 字节片内数据存储器 高 128 字节特殊功能寄存器 重叠 也就是说高 128 字节 特殊功能寄存器有相同的地址 而物理上是分开的 当一 条指令访问高于 7FH 的地址时 寻址方式决定 CPU 访问高 128 字节 RAM 还是特殊功能 寄存器空间 直接寻址方式访问特殊功能寄存器 SFR 4 波特率发生器 通过设置 T2CON 中的 TCLK 或 RCLK 可选择定时器 2 作为波特率发生器 如果定 时器 2 作为发送或接收波特率发生器 定时器 1 可用作它用 发送和接收的波特率可 以不同 设置 RCLK 或 TCLK 可以使定时器 2 工作于波特率产生模式 波特率产生工作模式与自动重载模式相似 因此 TH2 的翻转使得定时器 2 寄存器重载被软件预置 16 位值的 RCAP2H 和 RCAP2L 中的值 模式 1 和模式 3 的波特率由定时器 2 溢出速率决定 具体如下公式 模式 1 和模式 3 波特率 16 出出出2出 出出 定时器可设置成定时器 也可为计数器 在多数应用情况下 一般配置成定时方 式 CP T2 0 定时器 2 用于定时器操作波特率发生器有所不同 它在每一机器周期 1 12 晶振周期 都会增加 然而 作为波特率发生器 它在每一机器状态 1 2 晶 振周期 都会增加 波特率计算公式如下 模式 1 和模式 3 的波特率 L2RCAPH2RCAP6553632 晶振频率 其中 RCAP2H RCAP2L 是 RCAP2H 和 RCAP2L 组成的 16 位无符号整数 定时器 2 作为波特率发生器 如图 3 2 所示 图中仅仅在 T2CON 中 RCLK 或 TCLK 1 才有效 特别强调 TH2 的翻转并不置位 TF2 也不产生中断 EXEN2 置位后 T2EX 引脚上 1 0 的下跳变不会使 RCAP2H RCAP2L 重载到 TH2 TL2 中 因此 定时器 2 作 为波特率发生器 T2EX 也还可以作为一个额外的外部中断 8 图 3 2 定时器 2 波特率发生器模式 定时器 2 处于波特率产生模式 TR2 1 定时器 2 正常工作 TH2 或 TL2 不应该读 写 在这种模式下 定时器在每一状态都会增加 读或写就不会准确 寄存器 RCAP2 可以读 但不能写 因为写可能和重载交迭 造成写和重载错误 在读写定时器 2 或 RCAP2 寄存器时 应该关闭定时器 TR2 清 0 5 可编程时钟输出 图 3 3 定时器 2 时钟输出模式 如图 3 3 所示 可以通过编程在 P1 0 引脚输出一个占空比为 50 的时钟信号 这 个引脚除了常规的 I O 角外 还有两种可选择功能 它可以通过编程作为定时器 计数 器 2 的外部时钟输入或占空比为 50 的时钟输出 当工作频率为 16MHZ 时 时钟输出 频率范围为 61HZ 到 4HZ 为了把定时器 2 配置成时钟发生器 位 C T2 T2CON 1 必须清 0 位 T2OE T2MOD 1 必须置 1 位 TR2 T2CON 2 启动 停止定时器 时钟输出频率取决于晶 振频率和定时器 2 捕捉寄存器 RCAP2H RCAP2L 的重载值 如公式所示 LRCAPHRCAP2 2655364 晶振频率 时钟输出频率 在时钟输出模式下 定时器 2 不会产生中断 这和定时器 2 用作波特率发生器一样 第三章 系统的硬件设计与实现 9 定时器 2 也可以同时用作波特率发生器和时钟产生 不过 波特率和输出时钟频率相 互并不独立 它们都依赖于 RCAP2H 和 RCAP2L 6 中断 AT89S52 有 6 个中断源 两个外部中断 INT0 和 INT1 三个定时中断 定时器 0 1 2 和一个串行中断 这些中断如图 3 4 所示 图 3 4 中断源 每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器 IE 中的相关中断允许控制位分别使 得中断源有效或无效 IE 还包括一个中断允许总控制位 EA 它能一次禁止所有中断 如表 3 1 所示 IE 6 位是不可用的 对于 AT89S52 IE 5 位也是不能用的 用户 软件不应给这些位写 1 它们为 AT89 系列新产品预留 定时器 2 可以被寄存器 T2CON 中的 TF2 和 EXF2 的或逻辑触发 程序进入中断服 务后 这些标志位都可以由硬件清 0 实际上 中断服务程序必须判定是否是 TF2 或 EXF2 激活中断 标志位也必须由软件清 0 定时器 0 和定时器 1 标志位 TF0 和 TF1 在计数溢出的那个周期的 S5P2 被置位 它 们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来 然而 定时器 2 的标志位 TF2 在计数溢出 的那个周期的 S2P2 被置位 在同一个周期被电路捕捉下来 10 符号位地址功能 EAIE 7中断总允许控制位 EA 0 中断总禁止 EA 1 各中断由 各自的控制位设定 IE 6预留 ET2IE 5定时器 2 中断允许控制位 ESIE 4串行口中断允许控制位 ET1IE 3定时器 1 中断允许控制位 EX1IE 2外部中断 1 允许控制位 ET0IE 1定时器 0 中断允许控制位 EX0IE 0外部中断 1 允许控制位 表 3 1 7 晶振特性 如图 3 5 所示 AT89S52 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器 XTAL1 和 XTAL2 分别是放大器的输入 输出端 石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成 自激振荡器 从外部时钟源驱动器件的话 XTAL2 可以不接 而从 XTAL1 接入 如图 3 6 所示 由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的 所以对外部时 钟信号的占空比没有其它要求 最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要 符合要求的 图 3 5 内部振荡电路连接图 图 3 6 外部振荡电路连接图 3 1 2 时钟芯片 DS1302 DS1302原理框图见图3 7所示 DS1302包含一个实时时钟 日历和31字节的静态 第三章 系统的硬件设计与实现 11 RAM 它和单片机通信经由一个简单的串行接口 实时时钟 日历提供秒 分 时 日 周 月 年信息 月末日期自动调整 包括闰年的修正 时钟可工作在24小时格式或 12小时 AM PM 格式 单片机与DS1302接口使用同步串行通信 仅需三根线连接 1 RST 复位 2 1 O 串行数据 3 SCLK 串行时钟 数据传送从单片机到实时时 钟 RAM或实时时钟 RAM到单片机 可以每次1字节或每次31字节 它可以T作在很低 的耗电状态以保存时钟信息和数据 功耗小于1微瓦 图 3 7 DS1302 原理框图 DS1302具有一个可编程的涓流充电器 主电源和备份电源的双电源引脚 7个附加 字节的暂存寄存器 包括移位寄存器 控制逻辑 振荡器 实时时钟和RAM DS1302引 脚图见图3 8所示 引脚描述如下 X1 X2 32 768KHz 晶振管脚 GND 地 RST 复位脚 I O 数据输入 输出引脚 SCLK 串行时钟 Vcc1 Vcc2 电源供电管脚 图 3 8 DS1302 引脚图 12 图 3 8 示出 DS1302 的引脚排列 其中 Vcc1 为后备电源 Vcc2 为主电源 在主电 源关闭的情况下 也能保持时钟的连续运行 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 两者中的较大者 供电 当 Vcc2 大于 Vcc1 0 2V 时 Vcc2 给 DS1302 供电 当 Vcc2 小于 Vcc1 时 DS1302 由 Vcc1 供电 X1 和 X2 是振荡源 外接 32 768KHz 晶振 RST 是复位 片选线 通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送 RST 输入有两种功能 首先 RST 接通控制逻辑 允许地址 命令序列送入移位寄存器 其次 RST 提供终止单字节 或多字节数据的传送手段 当 RST 为高电平时 所有的数据传送被初始化 允许对 DS1302 进行操作 如果在传送过程中 RSTS 置为低电平 则会终止此次数据传送 I O 引脚变为高阻态 上电动行时 在 Vcc 大于等于 2 5V 之前 RST 必须保持低电平 只 有在 SCLK 为低电平时 才能将 RST 置为高电平 I O 为串行数据输入端 双向 SCLK 始终是输入端 命令字节 每次数据传输由命令字节开始 MSB 位 7 必须是逻辑 l 若该位是 0 则禁止操作 DS1302 位 6 为 0 时选择实时时钟 日历数据 位 6 为 l 时选择 RAM 数据 位 5 l 选 择操作的寄存器 LSB 位 0 选择写操作 逻辑 0 或读操作 逻辑 1 寄存器分配见下 表 表 3 2 DS1302 寄存器分配表 复位和时钟控制 第三章 系统的硬件设计与实现 13 数据传输的启动是由 lIST 置为高电平开始的 lIST 启动控制逻辑 允许地址 命令序列进入移位寄存器 一个时钟周期是一个下降沿跟随一个上升沿 数据输入 时 在时钟上升沿数据必须有效 如果 RST 变低 所有数据传送即被终止 I O 引 脚到一个高阻状态 在电源上电过程中 RST 必须保持逻辑 0 直到 v 大于 2 0V 在 RST 由 0 变 l 的过程中 SCLK 必须是逻辑 0 数据输入 输入写命令字节 8 个时钟周期之后 在下 8 个时钟周期的上升沿输人数据 若有 额外的 SCLK 周期是不予理睬的 数据输入开始位是位 0 数据输出 输入读命令字节 8 个时钟周期之后 在下 8 个时钟周期的下降沿数据被送出 注 意 第一个数据位被送出发生在写命令字节最后一位的第一个下降沿 数据输出开始 位为位 0 3 1 3 语音芯片 ISD4003 1 概述 表 3 3 ISD4003 系列型号与性能对照表 型号录放时 间 输入采 样 典型带 宽 最大段 数 最小段 长 外部时钟 ISD4003 04M4 分钟8 0KHz3 4KHz1200200ms1024KHz ISD4003 05M5 分钟6 4KHz2 7KHz1200250ms819 2KHz ISD4003 06M6 分钟5 3KHz2 3KHz1200300ms682 7KHz ISD4003 08M8 分钟4 0KHz1 7KHz1200400ms512KHz ISD4003 系列工作电压 3V 单片录放语音时间 4 至 8 分钟 音质好 适应于移动 电话机及其它便携式电子产品中 芯片采用 CMOS 技术 内含振荡器 防混清滤波器 平滑滤波器 自动静噪 音频放大器及高密度多电平闪烁存贮陈列 芯片高级计是基 于所有操作必须由微控制器控制 操作命令通过串行通信接口 SPI 或 Micro wire 送入 芯片采用多电平直接模拟量存贮技术 每个采样值直接存贮在片内的闪烁存贮 器中 因此能够非常真实 自然地再现语音 音乐 音调和效果声 避免了一般固体 录音电路固置化和压缩造成的量化噪声和金属声 采样频率可为 4 0 5 3 6 4 8 0KHz 频率越低 录放时间越长 而音质则有所下降 片内信息存 于闪烁存贮器中 可在断电情况下保存 100 年 典型值 反复录音 10 万次 本设计采用型号为 ISD4003 04M 的 录放语音时间为 4 分钟 2 引脚 ISD4003 引脚图如图 3 9 所示 14 图 3 9 ISD4003 引脚图 引脚描述如下 电源 VCCA VCCD 为使噪声最小 芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总 线 并分别引到外封装的不同管脚上 模拟和数字电源端最好分别走线 尽可能靠近 供电电源处相连 而去耦电容应尽量靠近器件 地线 VSSA VSSD 芯片内的模拟和数字电中也使用不同的地线 几个 VSSA 尽 量在引脚焊盘上相连 并用低阻通路连至电源上 VSSD 也用低阻通路边到电源上 这 些接地通路在足以使 VSSA 与 VSSD 之间的阴值小于 3 芯片的背面是通过衬底电阻碍 连接妻 VSS 的 在做 COB 时托盘须接 VSS 或悬空 同相模拟输入 ANAIN 这是录音信号的同相输入端 输入放大器可用单元端 或差分驱动 单端输入时 信号由耦合电容输入 最大幅度为峰峰值 32mV 耦合电容 和本端的 3K 电阻输入阻挠决定了芯片频率的低端截止频率 在差分驱动时 信号最 大幅度为峰峰值 16mV 反相模拟输入 ANAIN 差分驱动进 这是录音信号的反相输入端 信号通过 耦合电容输入 最大幅度为峰峰值 16mA 本端的标知名人士输入阻挠为 56K 单端 驱动时本端通进电容接地 两种方式下 ANAIN 和 ANAIN 端的耦合电容值应相同 音频输出 AUDOUT 提供音频输出 可驱动 5K 的负载 片选 SS 此端为低 即选中 ISD4003 系列 串行输入 MISO 此为串行输入端 主控制器应在串行时钟上升之前半个周期 将数据放到本端 供 TER 输入 串行输出 MISO TER 的串行输出端 TER 末选中时 本端呈高阻态 串行时钟 SELK TER 的时钟输入端 由主控制器产生 用于同步 MOSI 和 MISO 的数据传输 数据在 SCLK 上升沿锁存到 TER 在下降沿移出 TER 中断 INI 本端为漏极开路输出 TER 在任何操作 包括快进 中检测到 EOM 或 OVF 时 本端变低并保持 中断状态在下一个 SPI 周期开始时清除 中断状态也可 第三章 系统的硬件设计与实现 15 用 RINT 指令读取 OVF 标志 指示 TER 录放操作已到棕存贮器的末尾 EOM 标志 只在放音中检测到内部的 EOM 标志时 此状态位置 1 行地址时钟 RAC 漏极开始输出 每个 RAC 周期表示 TER 存储器的操作进行了 一行 240B 存贮器的操作进行了一行 ISD4003 系列中的存贮器其 1200 行 该信号 175ms 保持高电平 低电平为 25ms 快进模式下 RAC218 75us 是高电平 31 25us 为低 电平 该端可用于存贮管理体制技术 外部时钟 XCLK 本端有内部下拉元件 芯片内部的采样时钟在出厂前已调节 器校 误差在 1 内 商业级芯片在整个温度各电压范围内 频率变化在 2 25 内 工 业级芯片在整个温度和电压范围内 频率变化为 6 4 此时建议使用稳压电源 若 要求更高精度或系统同步 可从本端输入外部时钟 如前表中所列 由于内澡的防混 淆及平滑滤波器已设定 故上述推荐的时钟频率不应改变 输入时钟的占空比无关紧 要 因内部首先进行了分频 在不外接时钟时 此端必须接地 自动静噪 AMACP 当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时 自动静 噪功能使信号衰弱 这样有助于减少无信号 静音 时的噪声 通常本端对地接 1MF 电容 构成内部信号电平平峰值检测是路的一部分 检测出的峰值电平为内部设定的 阈值作比较 决定自动静噪功能的翻转点 大信号时 自动静噪电路不衰减 静音是 衰减 6dB 1uF 电容也影响自动静噪电路时信号幅度的响应速度 本端接 VCCA 则禁止 自动静噪 3 SPI 串行外设接口 ISD4003 工作于 SPI 串行接口 SPI 协议是一个同步串行数据传输协议 协议假定 微控制器的 SPI 移位寄存器在 SCLK 的下降沿动作 因此对 ISD4003 而言 在时钟止升沿 锁存 MOSI 引脚的数据 在下降沿将数据送至 MISO 引脚 协议的具体内容为 1 所有串行数据传输开始于 SS 下降沿 2 SS 在传输期间必须保持为低电平 在两条指令之间则保持为高电平 3 数据在时钟上升沿移入 在下降沿移出 4 SS 变低 输入指令和地址后 ISD 才能开始录放操作 5 指令格式是 5 位控制码 加 11 位地址码 6 ISD 的任何操作 含快进 如果遇到 EOM 或 OVF 则产生一个中断 该中断状态在下 一个 SPI 周期开始时被清除 7 使用 读 指令使中断状态位移出 ISD 的 MISO 引脚时 控制及地址数据也应同步 从 MOSI 端移入 因此要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容 当然 也允 许在一个 SPI 周期里 同时执行读状态和开始新的操作 即新移入的数据与器件当前的 操作可以不兼容 8 所有操作在运行位 RUN 置 1 时开始 置 0 时结束 16 9 所有指令都在 SS 端上升沿开始执行 一 信息快进 用户不必知道信息的确切地址 就能快进跳过一条信息 信息快进只用于放音模式 放音速度是正常的 1600 倍 遇到 EOM 后停止 然后内部地址计数器加 1 指向下条信息的 开始处 二 上电顺序 器件延时 TPUD 8kHz 采样时 约为 25 毫秒 后才能开始操作 因此 用户发完上电 指令后 必须等待 TPUD 才能发出一条操作指令 例如 从 00 从处发音 应遵循如下时 序 1 发 POWER Up 命令 2 等待 TPUD 上电延时 3 发地址值为 00 的 SETPLAY 命令 4 发 PLAY 命令 器件会从此 00 地址开始放音 当出现 EOM 时 立即中断 停止放音 指令表如下 指令5 位控制码 操作摘要 POWERUP00100 上电 等待 TPUD 后器件可以工作 SET PLAY11100 从指定地址开始放音 必须后跟 PLAY 指令 使放音继续 PLAY11110 从当前地址开始放音 直至 EOM 或 OVF SET REC10100 从指定地址开始录音 必须后跟 REC 指令 录音继续 REC10110 从当前地址开始录音 直至 OVF 或停止 SET MC11101 从指定地址开始快进 必须后跟 MC 指令快 进继续 MC11111 执行快进 直到 EOM 若再无信息 则进入 OVF 状态 STOP0X110 停止当前操作 STOP WRDN0X01X 停止当前操作并掉电 RINT0X110 读状态 OVF 和 EOM 表 3 4 指令表 三 SPI 端口的控制位 四 SPI 控制寄存器 SPI 控制寄存器控制器件的每个功能 如录放 录音 信息检索 快进 上电 掉电 第三章 系统的硬件设计与实现 17 开始和停止操作 忽略地址指针等 详见下表 位值功 能 位值功 能 RUN 1 0 允许 禁止操作 开始 停止 PU 1 0 电源控制 上电 掉电 P R 1 0 录 放模式 放取 录 IAB 1 0 操作是否使用指令地址 忽略输入地址寄存的内容 使用输入地址寄存的内容 MC 1 0 快进模式 允许快进 禁止 P9 P0 A9 A0 行指针寄存器输出 输入地址寄存器 表 3 5 3 1 4 LCD1602 液晶显示屏 1 概述 主要技术参数 显示容量 16 2 个字符 芯片工作电压 4 5 5 5V 工作电流 2 0mA 5 0V 模块最佳工作电压 5 0V 字符尺寸 2 95 4 35 WXH mm 引脚图如下 图 3 10 LCD1602 引脚图 GND 为电源地 VCC 为电源正极 VO 为液晶显示偏压信号 RS 为数据 命令选择端 H L RW 为读 写选择端 H L E 为使能信号 DB0 DB7 为数据通信 I O 口 BG VCC 为背光源正极 BG GND 为背光源负极 基本操作时序 1 读状态 输入 RS L RW H E H 输出 DB0 DB7 状态字 2 写指令 输入 RS L RW L DB0 DB7 指令码 E 高脉冲 输出 无 3 读数据 输入 RS H RW H E H 输出 DB0 DB7 数据 4 写数据 输入 RS H RW L DB0 DB7 数据 E 高脉冲 输出 无 18 2 状态字说明 STA7 D7 STA6 D6 STA5 D5 STA4 D4 STA3 D3 STA2 D2 STA1 D1 STA0 D0 STA0 6当前数据地址指针的数值 STA7读写操作使能1 禁止 0 允许 对控制器每次进行读写操作之前 都必须进行读写检测 确保 STA7 为 0 3 RAM 地址映射图 控制器内部带有 80 8 位 80 字节 的 RAM 缓冲区 对应关系如下图所示 图 3 11 RAM 地址映射图 4 指令说明 1 显示模式设置 指令码功能 00111000设置 16 2 显示 5 7 点阵 8 位数据接口 2 显示开 关及光标设置 指令码功能 00001DCBD 1 开显示 D 0 关显示 C 1 显示光标 C 0 不显示光标 B 1 光标闪烁 B 0 光标不显示 000001NSN 1 当读或写一个字符后地址指针加 1 且 光标加 1 N 0 当读或写一个字符后地址指针减 1 且 光标减 1 S 1 当写一个字符 整屏显示左移 N 1 或右移 N 0 以得到光标不移动而屏幕 移动的效果 S 0 当写一个字符 整屏显示不移动 3 数据控制 控制器内部设有一个数据地址指针 用户可通过它们来访问内部的全部 80 字节 第三章 系统的硬件设计与实现 19 RAM 数据指针设置 指令码功能 80H 地址码 0 27H 40H 67H 设置数据地址指针 读数据 输入 RS H RW H E H 输出 DB0 DB7 数据 写数据 输入 RS H RW L DB0 DB7 数据 E 高脉冲 输出 无 其它设置 指令码功能 01H显示清屏 1 数据指针清零 2 所有显示清零 02H显示回车 数据指针清零 3 1 5 DS18B20 1 DS18B20 的主要特性 1 独特的单线接口方式 DS18B20 在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 多点 multidrop 能力使分布式温度检测应用得以简化 3 适应电压范围更宽 电压范围 3 0 5 5V 在寄生电源方式下可由数据线供 电 不需备份电源 4 不需要外部元件 5 测量范围从 55 125 在 10 85 时精度为 0 5 等效的华氏温 度范围是 67 257 增量值为 0 9 6 可编程的分辨率为 9 12 位 对应的可分辨温度分别为 0 5 0 25 0 125 和 0 0625 可实现高精度测温 7 在 9 位分辨率时最多在 93 75ms 内把温度转换为数字 12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字 速度更快 8 测量结果在 1 秒内把温度变换为数字 9 负压特性 电源极性接反时 芯片不会因发热而烧毁 但不能正常工作 2 DS18B20 的结构及引脚 DS18B20 的引脚图如下 20 图 3 12 DS18B20 的引脚图 GND 为地 DQ 为数字输入输出 VDD 为外接供电电源输入端 在寄生电源接线方式时接地 3 综合概述 下图的方框图表示 DS18B20 的主要部件 图 3 13 DS18B20 的主要部件 DS18B20 有三个主要的数据部件 1 64 位激光 lasered ROM 2 温度灵 敏元件 3 非易失性温度告警触发器 TH 和 TL 器件从单线的通信线取得电源 在信号线为高电平的时间周期内 把能量贮存在内部的电容器中 在单信号线为低电 平的时间期内断开此电源 直到信号线为高电平重新接上寄生 电容 电源为止 作 为另一种可供选择的方法 DS18B20 也可用外部 5V 电源供电 与 DS18B20 的通信经过一个单线接口 在单线接口情况下 在 ROM 操作未定建 立之前不能使用贮存器和控制操作 主机必须首先提供五种 ROMa 操作命令之一 1 Read Rom 读 ROM 2 Match ROM 符合 ROM 3 Search ROM 搜索 ROM 4 Skip ROM 跳过 ROM 5 Alarm Search 告警搜索 这些命令对每一器件的 第三章 系统的硬件设计与实现 21 位激光 ROM 部分进行操作 如果在单线上有许多器件 那么可以挑选出一个特定 的器件 并给总线上的主机指示存在多少器件及其类型 在成功地执行了 ROM 操作序 列之后 可使用贮存器和控制操作 然后主机可以提供六种存贮器和控制操作命令之 一 一个控制操作命令指示 DS18B20 完成温度测量 该测量的结果将放入 DS18B20 的告诉暂存 便笺式 存贮器 Scratchpadmemoty 通过发出读暂存存储器内容的存 储器操作命令可以读出此结果 每一温度告警触发器 TH 和孔构成一个字节的 EEPROM 如果不对 DS18B20 施加告警搜索命令 这些寄存器可用作通用用户存储器 使用存储器操作命令可以写 TH 和 TL 对这些寄存器的读访问通过便笺存储器 所有 数据均以最低有效位在前的方式被读写 3 2 电路设计框图 根据以上选定的设计方案 设计出如下图所示的控制系统结构 AT89S5 2 单片机 主控制 模块 语音 报时 模块 显示 模块 温度 采集 模块 DS130 2 时钟 模块 按键模块 图 3 14 系统总结构图 单片机 AT89S52 作为主控制模块 负责温度信号和时间信号的读写 整理后向 LCD 输出显示 按键模块实现单片机的复位 日期调整和报时的控制 当按下语音报时的 按钮 单片机即向语音芯片发出信号 使其报时 3 3 主要单元电路的设计 22 3 3 1 单片机主控制电路模块 在该设计中 单片机 AT89S52 是一个主控制模块 1 在设计电路时 只要根据它 的内部电路结构扩展一些外围电路即可 它的 P0 P1 P2 和 P3 这四个 I O 口主要连 接其它的电路模块 1 复位电路 该复位电路 2 如下 图 3 15 复位电路 电容量为 0 1uF 的 C3 电容起滤波作用 它可以消除复位电路产生的一些高频噪音 电容量为 10uF 的 C20 电容是在电路复位时 当 RST 脚保持高电平持续时间 10MS 以上 则对系统进行一次复位 按钮 S5 是复位开关 当 S5 没有被按下时 复位电路没有对系统进行复位 当 S5 被按下后 D2 二极管隔断与地的电路 给 RES 送上一个高电平 使系统进行一次复位 2 调试接口电路 接口电路如下 图 3 16 接口电路 第三章 系统的硬件设计与实现 23 第 1 5 7 引脚分别接单片机的 P1 7 P1 5 和 P1 6 口 第 3 引脚接复位电路 3 其它接口电路 电路图如下 图 3 17 其它接口电路 XTAL1 接外部晶振和微调电容的一端 在片内它是振荡器倒相放大器的输入 XTAL2 接外部晶振和微调电容的另一端 在片内它是振荡器倒相放大器的输出 3 3 3 2 电源电路模块 该模块电路设计 5 如下 主要是为各电路模块芯片提供稳定 优质的直流稳压电 源 图 3 18 电源电路 电源经过变压后输入 然后经过单相桥式整流电路 使变为单方向的脉动直流电 压 再经过电容滤波 然后通过集成三端稳压器 7805 使产生 5V 稳定的直流稳压电 源 24 3 3 3 DS1302 时钟模块 DS1302 主要提供一个实时的时钟和日历 6 该模块电路如下 图 3 19 DS1302 时钟电路 DS1302 的第 2 3 脚连接一个标准的 32768Hz 石英晶体 第 5 6 7 脚分别连接单片机 的 P1 3 P1 2 P1 1 引脚 实现与单片机通信 18 3 3 4 语音报时模块 1 ISD4003 录音前置放大电路的设计 ISD4003 的声音输入引脚有两种输入方式 一种是单端输入方式 另一种是差分输 入方式 采用单端输入方式的时候输入信号的最大峰 峰值是 32mV 采用差分输入方式 的时候输入信号的最大峰 峰值是 16mV 因为 ISD4003 的录音输入电压要达到输入电压的大小要求才能够录制到内部的存 储器 而且不能超过规定的输入信号幅度 而驻极体话筒的输出电压很小 只有几 mV 不能达到要求 这样会因为输入声音电压太小而被当做噪声而抑制掉 所以要加 一级前置电压放大器 把话筒的输出音频电压放大成 ISD4003 要求的输入电压范围 本设计采用单端输入方式 其电路图如下 第三章 系统的硬件设计与实现 25 图 3 20 前置放大电路 通过电路图可以知道前置放大电路是一个电压并联负反馈单管放大电路 其中 R1 是一个分压电阻 把 5V 的电源电压降到 4V 左右作为放大器的电源电压 C21 为放大器 电源去耦电容 J5 为话筒输入插口 R3 是负载电阻兼作基极的偏置电阻 因为放大器 的电源经 R3 和 R4 为基极提供一个偏置电流 使三极管有一个合适的静态工作点 而 且 R4 也把输出电压的一部分反馈到输入回路 以稳定 Q1 的静态工作点 2 ISD4003 的后级输出功率放大电路 因为 ISD4004 的输出最大可以驱动 5K 的负载 所以要设计一个功率放大电路来缓 冲 本设计采用专用的功率放大芯片 LM386 来构成 ISD4003 输出信号的功率放大电路 由 LM386 构成的放大电路有电路简洁 工作稳定等优点 该电路图如下 图 3 21 后置放大电路 26 LM386 是专为低损耗电源所设计的功率放大器 它的内建增益为 20 透过 pin 1 和 pin8 脚位间电容的搭配 增益最高可达 200 LM386 的引脚图及内部方块图分别如图所 示 图 3 22 LM386 引脚图 图 3 23 LM386 内部电路图 本设计在 LM386 的 1 脚跟 8 脚之间加一个 10uF 的电容 使其变成一个增益为 200 的功率放大电路 该电路使用 5V 的系统电源 输出经过 J4 排针接扬声器 3 ISD4003 的应用电路设计 ISD4003 的基本应用电路如下 图 3 24 ISD4003 基本应用电路 供电电源采用一个发光二极管进行降压 使 ISD4003 能获得 3V 的稳定电压 芯片 的第 1 2 3 28 脚分别接单片机的 P3 4 P3 6 P3 7 和 P3 5 实现与单片机的通信 第三章 系统的硬件设计与实现 27 4 语音报时模块的总电路 语音报时模块的总电路如下 实现语音的录放功能 11 图 3 25 语音报时总电路 3 3 5 时钟显示模块 该电路主要由 LCD1602 组成 如下图 图 3 26 LCD1602 显示电路 通过第 4 14 脚与单片机通信 实现对日期 时钟和温度的显示 13 3 3 6 温度采集模块 温度采集模块采用数字式温度传感器 DS18B20 它是数字式温度传感器 具有测量 28 精度高 电路连接简单特点 该模块电路如下 图 3 27 温度采集电路 DS18B20 通过第 2 脚 I O 口与单片机 P1 0 引脚连接 实现温度信号的传输 3 3 7 按键控制模块 按键模块主要是实现人机交互功能 可以实现调日期 调时和即时语音报时 其 电路图如下 R11 R12 R13 R14 和 R15 充当一个上拉电阻 在按钮没按下的时候 给 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 和 P2