工业锅炉控制系统(软件)毕业设计论文

1、摘 要 本设计综合运用单片微型计算机技术与嵌入式自动化程序控制编程技术和语音合 成技术，能独立完成对工业现场的中小型锅炉的直接控制，并且能用汉语语音提示及 报警；能接收工业现场的传感器信号，输出控制工业常规物理量，如：压力、温度、 液位、流量、进料、出料等；能根据用户工业现场的实际需要，设定上限、上极限、 下限、下极限，定位设定准确，控制精度高等；强电、弱电之间采用了光电隔离，抗 干扰能力强。属中小型链条式工业锅炉用的新型测控装置。 根据该设计开发成产品后，能广泛应用于工业和生活用锅炉，能对蒸汽锅炉或热 水锅炉的引风机、鼓风机、炉排、水泵等进行自动化程序控制。 关键词：关键词：语音合成 抗干扰

2、技术 锅炉自动控制 abstract this design synthesizes to make use of single slice microcomputer technique and the speech synthesis technique with the embedded automation procedure control ,can independent completion direct control of the small scaled boiler on the industry spot ，and can hint and report to the

3、alarm with the chinese language speech . which can receive sensor date from the industry spot ,output the normal industrial control physics quantity ,such as ： pressure ,temperature, liquid, flow, enter material, out material etc . which can enactment upper limit, ascend extreme limit, descend limit

4、 and descend extreme limit , according to the real demand of the industrial spot of the customer . the fixed position set accurate , control accuracy high etc . the strong electricity , weak electricity adopted the light electricity insulate technique ,the anti-interference ability is strong. it is

5、the new measure control device of the medium- small scaled industrial chain boiler . after product the product according to this design, it can be apply in the industry and life boiler extensively ,can carry on automating procedure control on the steam boiler or the hot water boiler on the lead mach

6、ine ,the drum breeze machine ,stove row, the water pump etc. keywords：speech synthesis technique anti-interference technique automatic boiler control 目 录 摘 要 .i abstract .ii 1 绪论 .1 1.1 设计背景.1 1.2 国内外研究现状 .2 1.3 系统简介 .2 2 开发环境简介 .4 2.1 protel 简介 .4 2.2 使用 protel 画原理图.6 2.3 软件开发环境.7 3 基本概念与芯片介绍 .13 3

7、.1 基本概念.13 3.1.1 单片机的基本概念.13 3.1.2 存储器的基本概念.14 3.1.3 语音合成基础.15 3.2 80c31 芯片.16 3.2.1 芯片选择.16 3.2.2 mcs-51 内部结构.17 3.2.3 80c31 引脚说明.18 3.3 um5100 语音芯片.20 4 系统硬件设计 .23 4.1 系统总体设计 .23 4.2 主控板电路设计.24 5 软件设计 .26 5.1 mcs-51 汇编语言简介.26 52 系统软件设计 .28 结束语 .34 致 谢 .35 参考文献 .36 1 绪论 1.1 设计背景 目前我国的燃煤锅炉数量众多，我国现有中

8、、小型锅炉 30 多万台，每年耗煤量占 我国原煤产量的 1 / 4 ，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重 的生产状态。国家在第 10 到第 11 个五年计划的科技创新指南中，对光机电一体化、 资源与环境、新能源与高效节能的指导性设计中明确指出：需要开发研制自动化程度 高、节能潜力大、提高安全系数、减轻环境污染、减轻劳动强度、价格低的新型测控 装置。要求节煤率达到 5 以上，装置投资的回收期在 l 年以内，采暖锅炉为 3 年以 内。如中小型链条式工业锅炉用的新型测控装置。因此这个设计有现实意义且市场前 景良好。 锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、

9、自动 控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控 制方式相比具有以下明显优势： 1. 直观而集中的显示锅炉各运行参数。能显示液位、压力、温度的状态。 . 2. 在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数。 可以方便的改变液位、压力、温度等的上限、下限。 3. 提高锅炉的热效率。采用计算机控制后热效率可比以前提高 5 一 10 % ，据用户 统计，一台 20t 的锅炉，全年平均负荷 70 % ，以平均热效率提高 5 计，全年节煤 800 吨。 4. 锅炉系统中包含鼓风机、引风机、给水泵等大功率电动机，由于锅炉本身特性和 选型的因素，这些风

10、机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板 控制流量，浪费非常严重。通过对风机、水泵进行微机控制可以平均节电达到 30 一 40 。 5. 作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作 人员的劳动强度。在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可 以设置多点声光报警和自动连锁停炉。杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。 综合以上种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统是行业的大势所趋。单片机 是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的 cpu 、存储器、输入、输出等部件。单 片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用

11、领域日益广泛。工业控制系统的工作环境恶劣，干扰强。故要求控制系统的工作稳定、 抗干扰能力强。单片机能满足这些要求，因此单片机在控制领域得到了广泛的应用。 使用单片控制锅炉是很好的选择。 1.2 国内外研究现状 目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中，取得了很大的成绩，总结了很 多经验。但在这个行业，仍处于发展期。经调查，北京、天津的高校、科研院所在这 方面开展的工作更看重的是理论、算法，研究出来的成果是论文的较多，看重在生产 实际应用的较少：在上海，新型单片机测控装置与系统的研究、生产基础较雄厚，在 生产中需要新型测控装置与系统，也就努力研究、开发。因此，上海的工程技术和科 研人员需要的是

12、应用技术，更看重的是生产实际应用，对研究理论、算法、成果是论 文的较少；深圳在研制新型测控装置与系统领域也比较有成绩，尽管与其他国家开发 者比尚有距离，但是，深圳的高校、科研院所的最大特点就是实际，与生产实际应用 项目无关的问题基本上不去考虑，这里的工程技术和科研人员关心的不是理论、不是 算法、不是论文，而考虑，是用什么材料、测控什么物理量、优点是什么、与机器设 备的通讯接口等等。一些发达国家在单片机新型测控装置与系统研究、制造、应用上， 己积累了经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制 造、应用和经验上，有一定的基础，与其他发达国家相比还存在距离，但是，我国的 科研

13、人员能够克服很多困难，有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平，这 是发展趋势。 1.3 系统简介 随着国内外单片机技术的发展，经过市场调研、比较权衡，我们决定用市场使用 广泛的 intel 的 80c31 芯片做为锅炉控制系统的处理器，用联华公司的 ums 100 做为 系统的语音报警芯片。 80c31 采用 40 引脚的直插封装，有四组 i/o 口 p0 、p1、p2 、p3 ，其中 p0 、p2 可用于输出地址，因此 80c31 的寻址空间为 64k 。um5100 是 umc 推出的较早的 语音合成芯片，用于语音信号的纪录和再生，使用的存储器为 sdrm 或 eprom 。um51

14、00 是 40 脚双列 dip ，语音再生质量高，是用低功耗的 cmos 工艺制成的，3v -6v 供电，采样速率为 10k -28k ，适合作为 8031 的语音合成芯片。存储器采用 eprom 型的 27c512 。因为语音要占大量的空间，因此我们选用存储空间为 64k 的存 储器。 本设计所设计的系统具有以下几个性能特点： 1 可设置温度的上、下限。 2 可设置压力的上、下限。 3 可设置液位的上、下限。 4 可设置压力的上极限。 5 可设置液位的下极限。 6 . 220v 50hz 交流电源供电。 7 可接收 8 个传感器信号。 8 可设置鼓风机的开、关。 9 可设置引风机的开、关。

15、10 可设置炉排的开、关。 11可设置水泵的开、关。 12 单片机用 intel 的 80c31 。 13 存储器用 64k 的 eprom 27c512 。 14 语音芯片用 umc 的 um5100 。 15 . 可显示液位是否高于上限，低于下极限，低于下限。 16 . 可显示压力是否高于上限，高于上极限，低于下限。 17 可显示温度是否高于上限，低于下限。 18 . 可语音报警，液位是否高于上限，低于下极限，低于下限。 19 . 可语音报警，压力是否高于上限，高于上极限，低于下限。 20 可语音报警，温度是否高于上限，低于下限。 2 开发环境简介 2.1 protel 简介 protel

16、 是电子电路设计软件，它能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以 及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。今天的 protel 99se 软件已不是单纯的 pcb（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具， protel 99se 的功能共分 5 个模块，即原理图设计、pcb 设计、自动布线、原理图 混合信号仿真和 pld 设计。 下面就介绍 protel 的使用。 1. 启动 protel 99se 图 2-1 protel 99se 启动后的主窗口 2. protel 99se 的菜单栏 2.1 “文件”菜单用于文件的创建、退出、打开等操作。 【新建】：该操作用于新建一个设计文件，文件的后

17、缀名为“.ddb”。 【打开】：该操作用于打开一个已经存在的 protel 文件，文件后缀名除了 可以是“.ddb”外，还可以是“.sch”或“.pcb”。 【退出】：该操作用于退出 protel 99se 软件。 2.2 “视图”菜单用于相应功能窗口的打开与关闭。 工具栏 菜单栏 设计管理 器 工作栏 状态栏 【设计管理器】：用于启动关闭设计管理器。 【状态栏】: 用于启动关闭状态栏。 【命令状态栏】：用于启动关闭命令状态栏。 2.3 “帮助”菜单用于打开各种帮助信息。 3. protel 99se 的工具栏 实际上是菜单栏菜单中的部分内容。 用于启动关闭设计管理器。 用于打开一个已经存在的

18、 protel 文件，文件后缀名除了可以是 “.ddb“外，还可以是“.sch”或“.pcb”。 用于打开各种帮助信息。 4. protel 99se 的状态栏 用来在进行设计时显示各种设计信息。 5. “server”菜单 是 protel 软件特有的菜单。 servers 菜单：主要为用户提供一些服务器安装方面的服务，用户可以通过此菜单 添加新的服务器或删除已有的服务器。 customize 菜单：允许用户对资源进行定制，用户通过此菜单可以对当前使用的菜 单、工具栏及快捷键进行定制。 preferences 菜单：允许用户对系统进行参数选择，通过此菜单用户可以选择是否 在存储文件时同时进行

19、备份，是否在文件关闭时记忆当前的状态，以便下一次打开此 文件时自动进入该状态，以及是否进行文件自动存储、系统字体设置等方面的内容。 design utilities 菜单：用来对资料库中文件进行维护，当用户经常在一个资料 库中加入或删除文件时，该资料库就有可能被分成很多小碎片，从而使文件的运行速 度降低，此时，用户就可以利用该菜单的 compact 项来进行资料库的压缩，另外在资 料库被损坏后，用户同样可以利用 repdair 项来进行修复。 run script 菜单：用来将资料库添加到 explorer 管理器中。 run process 菜单：包含其他编辑器中的所有命令。 securit

20、y 菜单：用来供用户对编辑器进行添加密码和取消密码。 2.2 使用 protel 画原理图 图 2-2 画原理图状态界面 画原理图分为以下几步： 第一步，依次打开 file 菜单，点新建命令，选择 schematic，界面如 2-2。 第二步，放入元件，打开 library 面板，选择需要的元件，如果我们要的元件在 library 未包括，我们还要添加元件库，单击 libraries 选项来完成元件库的添加； 如果软件给的元件库中没有我们要的元件，则要自己动手建元件库，方法是在新建时 选择 schemati library 选项而非 scheoatic 。 第三步，连接元件。单击工具栏的 wi

21、re 按钮，光标变成“+ ”型，这时处于连线 编辑状态，当出现红色的十字的时候表示和元件己经电器连接，我们可以把鼠标指向 任意方向来指向要连接的元件，单击左键完成这次连接，单击右键则取消连线编辑状 态。 第四步，画总线，放置总线入口。各元件要通过总线连在一起，总线和连线要通过 总线入口连在一起。如图 2-4 所示，led 通过导线总线入口和总线连接，图中 a11 是 标号，它起实际的电器连接作用，一定不能忘记放标号 图 2-3 打开 library 面板 图 2-4 导线通过总线入口和总线连接 第五步，保存文件到工程。 2.3 软件开发环境 本设计的软件开发环境为 wave6000 ，即使用伟

22、福 6000 系列仿真器调试程序，界 面如图 2-5 所示 图 2-5 wave6000 调试环境 一、文件（f） 包括：“打开文件” 、 “保存文件” 、 “新建文件” 、 “另存为” 、 “从新打开” 。 仿真器设置包括仿真器类型，仿真头类型，cpu 类型，显示格式和产生的目标文件 类型可以用以下几种方法设置仿真器。 1 在项目窗口中双击第一行，将打开仿真器设置窗口，对仿真器进行设置。 2 按鼠标右键，在弹出菜单中选择仿真器设置。 3 主菜单仿真器|仿真器设置，加入模块文件。 4 按鼠标右键，在弹出菜单中选择加入模块文件。 5 主菜单项目|加入模块文件加入包含文件。 6 按鼠标右键，在弹出

23、菜单中选择加入包含文件。 7 主菜单项目|加入包含文件。 二、编辑（e） 编辑| 撤销键入 取消上一次操作 编辑| 重复键入 恢复被取消的操作 编辑| 剪切 删除选定的正文，删除的内容被送到剪贴板 编辑| 复制 将选定的内容，复制到剪贴板上 编辑| 粘贴 将剪贴板的内容插入光标位置 编辑| 全选 选定当前窗口所有内容 三、搜索（s） 搜索|查找 在当前窗口中查找符号，字串 搜索|在文件中查找 可以在指定的一批文件中查找某个关键字 搜索|替换 在当前窗口查找相应文字，并替换成指定的文字。 搜索|查找下一个 查找文字符号下一次出现的地方 搜索|项目中查找 在项目所有模块中查找符号，字串 搜索|转到

24、指定行 将光标转到程序的某一行。 搜索|转到指定地址 将光标转到指定地址或标号所在位置 搜索|转到当前 pc 所在行 将光标转到 pc 所在的程序位置 四、执行（r） 执行|全速执行 运行程序 执行|跟踪 跟踪程序执行的每步，观察程序运行的状态 执行|单步 单步执行程序 执行|执行到光标处 程序从当前 pc 位置，全速执行到光标所在行 执行|暂停 暂停正在全速执行的程序 执行|复位 终止调试过程，程序将被复位，如果程序正在全速执行，则应先停止 执行|设置 pc 将程序指针 pc，设置到光标所在行 执行|自动单步跟踪 模仿用户连续按 f7 或 f8 单步执行程序 执行|编辑观察项 观察变量或表达

25、式的值 五、窗口（w） 窗口|刷新 刷新打开的所有窗口，及窗口里的数据 窗口|信息窗口 显示系统编译输出的信息，如果程序有错，会以图标形式指出 窗口|观察窗口 项目编译正确后，可以在观察窗口中看到当前项目中的所有模块 窗口|cpu 窗口 反汇编窗口的弹出菜单 窗口|数据窗口 数据窗口根据选择的 cpu 类型不同，名称有所不同 图 2-6 wave6000 软件中的变量观察 窗口|断电窗口 通过断点窗口可以管理项目内的断点，可以在断点窗口中直观地看到断点的 行号，内容，可以通过断点迅速定位程序所在的位置。 窗口|书签窗口 通过书签窗口可以管理项目内的书签，在项目中迅速定位程序位置。 窗口|跟踪窗

26、口 显示跟踪器捕捉到的程序执行的轨迹，其中可以看到帧号，时标，反汇编程 序，对应的源程序和程序所在的文件名。 窗口|工具条 通过工具条，可以打开、关闭菜单上的各功能的快捷按钮 窗口|排列窗口 对打开的程序进行管理，可叠排、竖排、横排、最小化源程序窗口 六、外设（l） 外设|端口 设置或观察当前端口的状态 外设|定时器计数器 0 定义或观察定时器计数器 0 外设| 定时器/计数器1 定义或观察定时器/计数器1，通过定义定时器/计数器的工作方式，自动生 成相应的汇编/c 语言。可以“复制/粘贴”到你的程序中。 外设| 定时器/计数器2 定义或观察定时器/计数器2，通过定义定时器/计数器的工作方式，

27、自动生 成相应的汇编/c语言。可以“复制/粘贴”到你的程序中。 外设| 串行口 定义或观察串行口的工作方式，可以观察串行口的工作方式是否正确，也 可以定义串口的工作方式，自动生成串口初始化程序。（串口的波特率的 时钟为仿真器设置中“使用伟福软件模拟器”的晶体频率，见“仿真头设 置”） 外设| 中断 管理或观察中断源，也可以辅助生成中断初始化程序。 七、仿真器（o） 仿真器| 仿真器设置 编译器路径:指明本系统汇编器,编译器所在位置,系统缺省51 系列编译器在 c:comp51文件夹下,缺省96系列编译器在c:comp96文件夹下.本系统使用的编 译器为第三方软件,你应从其它途径获得. asm

28、命令行:若使用英特尔汇编器,则需要加上所需的命令行参数。若使用伟福 汇编器,则需要选择是否使用伟福预定义的符号.在伟福汇编器中已经把51/96 使用的 一些常用符号,寄存器名定义为相应的值.如果你使用伟福汇编器,就可以直接使用这些 符号.如果你自己已经定义了这些符号,又想使用伟福汇编器,就将“使用伟福预定义符 号”前面的选择去掉. c 命令行: 项目中若有c 语言程序,系统进行编译时,使用此行参数对c程序进行 编译. pl/m 命令行:项目中若有pl/m 语言程序,系统编译时,就使用此行参数对程序进 行编译. link 命令行:系统对目标文件链接时,使用此参数链接. 注: 除非你对命令行参数非

29、常了解,并且确实需要修改这些参数,一般情况下,不需 要修改系统给出的缺省参数.以免系统不能正常编译. 编译器选择: 选择使用伟福汇编器,还是英特尔汇编器,系统对c 语言程序和 pl/m 语言编译是采用第三方编译器. 一般情况下,如果用户项目中都是汇编语言程序, 没有c 语言和pl/m 语言,选择伟福汇编器. 如果用户项目中含有c 语言,pl/m 语言,或 者汇编语言是用英特尔格式编写的,就选择英特尔汇编器. 目标文件设置 选择仿真头: 框内为相应仿真器能支持的仿真头类型,选择所使用的仿真头. 选择cpu: 框内为选择的仿真器和仿真头能等进行仿真支持的cpu. 使用伟福软件模拟器:使用伟福软件模

30、拟器,可以在完全脱离硬件仿真器情况下, 对软件进行模拟执行. 如果使用硬件仿真器,请不要选择使用伟福软件. 晶体频率: 在使用伟福软件模拟功能时, 用来计算在软件模拟环境下程序执行 时间。在外设中串行口的波特率也是依据此频率计算出的。 仿真头设置: 可以设置该仿真头的特殊功能。包括仿真空间，看门狗，加密位 等等. 仿真头(pod)类型不同,设置内容有所不同. (见仿真头设置) 如果按照以上方式,定义好后,系统已经将控制字写入2018h 及201ah(mc/md)单元,即 使用户在程序中自己定义控制字,系统并不采用,而是用此对话框设置为准,所以用户在 仿真时和生成目标代码时,请用此对话框设置19

31、6系列的控制字 八、帮助(h) 帮助| 关于 帮助| chinese 选择中文或英文显示方式，适应不同操作系统的需要。 帮助| 安装mpasm 辅助用户安装microchip 的汇编器。将伟福bin文件夹下的mpasm复制到指定的文 件夹里。 利用此软件环境进行系统硬件调试一般分以下几部： 1 建立新程序：选择菜单文件|新建文件功能，在 nonamei 源程序窗口内输入 程序代码。 2保存新程序：选择菜单文件|保存文件或文件|另存为功能，将新文件保存。 3. 建立新项目：选择菜单文件|新建项目功能，分 3 步走：加入模块文件、加 入包含文件、保存项目。 4. 设置项目：选择菜单文件|仿真器设置

32、功能或按仿真器设置快捷图标，打开 仿真器设置对话框设置仿真器。 5. 编译程序： 按 f9 键编译写好的程序。 6单步调试程序： 按 f7 键单步调试程序 7. 连接硬件仿真： 按说明书将仿真器连到计算机，将仿真头连到仿真器。 3 基本概念与芯片介绍 3.1 基本概念 3.1.1 单片机的基本概念 单片微型计算机简称单片机，是早期 single chip microcomputer 的直译，它忠 实地反映了早期单片机的形态和本质。随后，按照面向对象，突出控制功能，在片内 集成了许多外围电路和外设接口，突破了传统意义的计算机结构，发展成 microcontroller 的体系结构，目前国外已普遍

33、称之为微控制器 mcu。鉴于它完全作嵌 入式应用，故又称之为嵌入式微控制器（embedded microcontroller ）。国内由于单 片机一词已约定俗成，仍沿用至今，但应将单片机的“机”理解成为微控制器而不是 微计算机。 二十世纪七十年代单片机的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑， 因为单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大 分支。计算机两大分支的产生大大促进了现代计算机技术的飞速发展。通用计算机系 统以发展海量高速数值计算为己任，不必兼顾控制功能，其数据急线宽度不断更新， 迅速从 8 位、16 位过渡到 32 位、64 位，不断完善其通用操作

34、系统，突出发展海量 高速数值计算能力，并在数据处理、模拟仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络 通信中得到了广泛的应用：单片机则以面向对象的实时控制为己任，目前仍以 8 位机 为主流，不断增强控制能力，降低成本，减小体积，改善开发环境，以空前的速度迅 速而广泛地取代经典电子系统。 单片机具有体积小、重量轻、功能强、功耗低、运行速度快、抗干扰能力强、性 价比高、可靠性高等特点，结构灵活，数据基本上都在单片机内部传送，易于组成各 种微机应用系统。它既可用于工业自动控制等场合，又可用于机电一体化产品、智能 仪器、测量仪器、医疗仪器、家用电器等领域，在过程控制、计算机网络及通讯等方 面得到广泛应用。单

35、片微型计算机经历了 1 位、4 位、8 位、16 位及 32 位的发展阶 段，世界上一些著名的半导体器件厂家都开发了单片微型计算机，如 intel 、motorola 、21 109 （泽洛格公司）、falrchild （仙童摄像机与仪器公司）、mos tek （莫斯蒂克公司）等，单片机的品种日益增加。在众多的通用型单片机里，以 intel 公司的 mcs-51 系列单片微型计算机最为著名。mcs-51 单片机系列有： 普通型：51 子系列 8051 / 8751 / 8031 ; 增强型：52 子系列 8052 / 8752 / 8032 ; 低功耗型：80c51 / 87c51 / 80c

36、31 ; 80c52 / 87c52 / 80c32 。 8031 内部没有 rom ，但外接一片 eprom 就相当于 8051 ，它具有价格低、功能强、 使用灵活、开发方便等特点，适合推广应用。 低功耗型单片机采用 chmos 半导体工艺，型号中用字母 c 标识。如 8051 功耗为 630mw 而 80c51 功耗仅为 120mw ，适于便携式或野外作业仪器设备中使用。 特别值得一提的是 mcs-51 的布尔处理器。它实际上是一个完整的一位微计算机， 这个一位机有自己的 cpu ，位寄存器，i0 口和指令集。把八位微机和一位微机结合 在一起是微机技术上的一个突破。一位机在开关决策，逻辑电

37、路仿真和实时控制方面 非常有效；而八位机在运算处理、数据采集方面有明显的长处。在 mcs-51 单片机中， 八位机和一位机（布尔处理器）的硬件资源是复合在一起的，二者相辅相承，这是 mcs-51 在设计上的精美之处，也是一般微机所不具备的，而且具有特殊的多机通讯功 能，可作为多机系统的一个子系统。 很多智能性应用场合，智能型产品都用到了单片微型计算机，单片微型计算机应 用开发一直受到人们的重视，并且日益强劲。mcs 一 51 单片机的应用设计一般包括两 大方面，即硬件接口设计和软件设计。软件设计中又分为与接口硬件有关的驱动程序 的设计以及与接口硬件无关的数据运算和处理程序的设计。 3.1.2

38、存储器的基本概念 半导体存储器按功能可以分为只读和随机存取存储器两大类。 rom 所谓只读，从字面上理解就是只可以从里面读，不能写进去，它类似于我们 的书本，发到我们手里之后，我们只能读里面的内容，不可以随意更改书本上的内容。 只读存储器的英文缩写为 rom ( read only memory ）。 ram 所谓随机存取存储器，即随时可以改写，也可以读出里面的数据，它类似于 我们的黑板，我可以随时写东西上去，也可以用黑板擦擦掉重写。随机存储器的英文 缩写为 ram ( reaorandom memory ) ，这两种存储器的英文缩写一定要记牢。 prom 称之为可编程存储器。我们可以用特殊的

39、方法把数据写到里面，可一旦写上 去，就擦不掉了，所以它只能写一次，要是写错了，就报销了。 eprom 称之为紫外线擦除的可编程只读存储器。它里面的内容写上去之后，如果 觉得不满意，可以用一种特殊的方法去掉后重写，这就是用紫外线照射，紫外线就象 “消字灵”，可以把字去掉，然后再重写。当然消的次数多了，也就不灵光了，所以 这种芯片可以擦除的次数也是有限的 约几百次。 flash 称之为闪速存储器，它和 eprom 类似，写上去的东西也可以擦掉重写， 但它要方便一些，不需要光照了，只要用电学方法就可以擦除，所以就方便许多，而 且寿命也很长（几万到几十万次不等）。再次强调，这里所有的写都不是指在正常工

40、 作条件下。不管是 prom , eprom 还是 flash rom ，它们的写都要有特殊的条件， 一般我们用一种称之为“编程器”的设备来做这项工作，一旦把它装到它的工作位置， 就不能随便改写了。 3.1.3 语音合成基础 3.1.3.1 语音有关术语 语音：由人的声道发出的声音，主要由共振峰确定其频率特征。 发音：语音的基本生理过程。 声道：一根从声门延伸到非均匀截面的声管，他的形状变化是时间的函数。 共振峰：一些语音引起声道共振，组成一个音响共鸣系统。 滑音：是一种中间形式，发音时从一个音素变化到另一个因素时的中间形式。 3.1.3.2 语音信号的采样频率 香农定理表明，语音信号的采样频

41、率是语音所必须的频带的 2 倍以上。如要保存 skhz 带宽的频谱，采样频率必须 skhz2 ，即 10 khz 以上。人的耳朵可听到频率为 20hz20 khz 的声音。因此，在处理连续语音时 8 khz 就足以胜任，10 khz 来处理 就更为理想。 对语音信号进行采样的频率就叫采样频率，如果我们将采样频率 f 乘以编码位数 m ，既 fm ，这就是语音合成芯片的一个重要参数一比特率，即存储一秒钟语音信息 所需的位数，如用 10 khz 采样频率进行 8 位编码，那么一秒钟的信息量为 fm100008bit80000bps。 3.1.3.3 语音合成方法 1.波形存储法：首先由人讲一些单词

42、词组，在内存中建立语音库，尔后就可以在 处理中将这些数字信号调出来。 2.参数合成法：基于分析和模拟人的发音器官，以便寻求并建立描述方程。 3.规则合成法：将音素所表示的语音信号存储起来，拼音时随时取用。 3.1.3.4 语音合成方式 1. pcm ：数字脉冲编码调制方式，将声音的模拟量变为数字量，经过语音采样， 语音信号在计算机内体现为一个数字序列。 2. dpcm ：差分脉冲编码调制方式，从两个模拟信号的取样连接间进行差分变换， 而不是直接对原始语音信号编码。 3. 调制：对一个语音信号的表示方法是基于位的，比前一个信号高用“1 表 示，低就用“0 ”表示。 4 . adpcm ：在差分脉

43、冲编码调制中，改变量化幅值的方式。 5 ，其他：adm 、plc 等。 3.1.3.5 语音库的建立途径 在波形合成方式里分两步。第一步，将所需的字、词、句通过话筒输入，并由语 音合成芯片转化为数字量存在存储器中；第二步，决定字、词、句在存储器中所处的 以时间为轴的具体位置或在存储器中的地址。 在参数合成法或规则合成法里也分两步。第一步，由录音机录制字、词、句，然 后进行分析、计算，取得参数编码，再由语音芯片存储器来存储参数；第二步，基于 波形编码方式的输出结果。 使用语音库时应注意以下几点： 1从语音库获得字、词的数据后，在重组句子时要注意停顿语气、变化等。 2. 语音输出间的连接要留意停顿

44、、语气缓冲等音素。 3. 字、词重组时还要注意滑音的作用。 4. 以时间轴为基准的语音库不应太大。 5. 语音库的规模与选择的语音芯片有关。 3.2 80c31 芯片 3.2.1 芯片选择 目前国际市场上 8 位、16 位的单片机系列己经很多，但是，在我国使用较多的是 intel 的产品，其中又以 mcs-51 系列单片机应用尤为广泛。下表为 intel 公司产品的 性能表： 表 3-1 intel 公司产品性能表 型号制造技术片内程序存储器片内数据存储器 8051ahh mos rom（4k）128 字节 8031ahah mos 无128 字节 8751hh mos eprom（4k）12

45、8 字节 atmc51chmos flashrom（4k）128 字节 80c31chmos 无128 字节 80c31h mos rom（8k）128 字节 80c31h mos 无128 字节 在我们做的系统中，我们选择的是 80c31 ，原因有以下几点： 1.制造工艺比较先进。8oc31 用先进的 chmos 工艺制造，比原来 hmos 造的产品 功耗低。如 8051 功耗为 630mw 而 80c51 功耗仅为 120mw ，适于便携式或野外作业仪 器设备中使用。 2.价格低。80c31 内部没有程序存储器，价格相对便宜。由于要存储语音信息， 内部程序存储器不能存储这么多的信息，因此我

46、们把程序也放到了外接的存储器中。 3.使用广泛，技术成熟。80c31 在我国使用广泛，技术也比较成熟，可以节约开 发经费，缩短开发时间。 3.2.2 mcs-51 内部结构 80c31 是 mcs-51 系列单片机的产品，产品型号的不同主要是内部程序存储器的差 别，其内部结构相同。mcs-51 系列的内部结构分以下几个部分： 一、中央处理器 中央处理器（cpu ）是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处 理 8 位二进制数据或代码，cpu 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完 成运算和控制输入输出功能等操作。 二、数据存储器（ram） mcs 一 51 内部有 128

47、 字节数据存储器（ram ）和 21 个专用寄存器单元，它们是 统一编址的，专用寄存器有专门的用途，通常用于存放控制指令数据，不能用作用户 数据的存放，用户能使用的 ram 只有 128 个字节，可存放读写的数据，运算的中间结 果或用户定义的字型表。 三、定时计数器（rom ) mcs-51 有两个 16 位的可编程定时计数器，以实现定时或计数，当定时计 数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。 四、并行输入输出（io ）口 mcs-51 共有 4 个 8 位的并行 io 口（po 、p1 、p2 、p3 ) ，用于对外部数 据的传输。 五、全双工串行口 mcs 一 51 内置一个全双工异步

48、串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送， 该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 六、中断系统 mcs-51 引具备较完善的中断功能，有五个中断源（两个外中断、两个定时计 数器中断和一个串行中断），可基本满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选 择。 七、时钟电路 mcs-51 内置最高频率达 12mhz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的时序脉 冲，但需外接晶体振荡器和振荡电容。 图 3-1 mcs-51 内部结构 3.2.3 80c31 引脚说明 1.主电源引脚 vcc 和 vss vcc（40 脚）接+5v 电源。 vss（20 脚）接地。 2. 外接晶体

49、引脚 xtal1 和 xtal2 xtal1( 19 脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的 输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对 hmos 单片机，此引 脚应接地；对 chm0s 单片机，此引脚作为驱动端。 xtalz ( 18 脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大 器的输出端。采用外部振荡器时，对 hmos 单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把 外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对 chmos 单片机，此引脚应悬 浮。 图 3-2 80c31 引脚 3 控制或与其它电源复用引脚 rstvpd 、alepro

50、g 、psen 和 eavpp。 rst / vpd ( 9 脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电 平将使单片机复位。推荐在此引脚与 vss 引脚之间连接一个约 8.2k 的下拉电阻，与 vcc 引脚之间连接一个约 10f 的电容，以保证可靠地复位。 vcc 掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部 ram 的数据不丢失。当 vcc 主电源下掉到低于规定的电平，而 vpd 在其规定的电压范围（5 士 0.5）内，vpd 就 向内部 ram 提供备用电源。 ale / prog ( 30 脚）：当访问外部存储器时，ale （允许地址锁存）的输出 用于锁存地址的低位字节。即使不访问

51、外部存储器，ale 端仍以不变的频率周期性地 出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 16 。因此，它可用作对外输出的时钟，或 用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ale 脉冲。 ale 端可以驱动（吸收或输出电流）8 个 ls 型的 ttl 输入电路。对于 eprom 型单片 机（如 8751 ) ，在 eprom 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（prog ）。 psen ( 29 脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序 存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次 psen 有效。但在此期间，每当访问 外部数据存储器时，这两次有效的 ps

52、en 信号将不出现。psen 同样可以驱动（吸收或 输出）8 个 ls 型的 ttl 输入。 ea / vpp（引脚）：当 ea 端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在 pc （程序计数器）值超过 offfh （对 851 / 8751 / 80c51 ）或 1fffh （对 8052 ）时， 将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当 ea 保持低电平时，则只访问外部程序存 储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的 8031 来说，无内部程序存储器，所以 ea 脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。 对于 eprom 型的单片机（如 8751 ) ，在 eprom 编程期间，此引脚也

53、用于施加 21v 的编程电源（vpp ）。 4输入输出（io）引脚 po 、p1 、pz2、p3 （共 32 根） po 口（39 脚至 32 脚）：是双向 8 位三态 io 口，在外接存储器时，与地址 总线的低 8 位及数据总线复用，用以吸收电流的方式驱动 8 个 ls 型的 ttl 负载。 pi 口（l 脚至 8 脚）：是准双向 8 位 i/o 口。由于这种接口输出没有高阻状 态，输入也不能锁存，故不是真正的双向 i/o 口。pl 口能驱动（吸收或输出电流）4 个 ls 型的 ttl 负载。对 8052 、8032 , pl.0 引脚的第二功能为 t2 定时计数器的 外部输入，pl.1 引

54、脚的第二功能为 t2ex 捕捉、重装触发，即 t2 的外部控制端。对 eprom 编程和程序验证时，它接收低 8 位地址。 p2 口（21 脚至 28 脚）：是准双向 8 位 io 口。在访问外部存储器时，它 可以作为扩展电路高 8 位地址总线送出高 8 位地址。在对 eprom 编程和程序验证期间， 它接收高 8 位地址。p2 可以驱动（吸收或输出电流）4 个 ls 型的 ttl 负载。 p3 口（10 脚至 17 脚）：是准双向 8 位 io 口，在 mcs -51 中，这 8 个引 脚还用于专门功能，是复用双功能口。p3 能驱动（吸收或输出电流）4 个 ls 型的 ttl 负载 作为第一

55、功能使用时，就作为普通 io 口用，功能和操作方法与 pl 口相同。作 为第二功能使用时，各引脚的定义如表 3-2 所示。 表 3-2 p3 各口线的第二功能定义 口线引脚第二功能 p3.010 rxd（串行输入） p3.111 txd（串行输入） p3.212 into（外部中断 0） p3.313 int1（外部中断 1） p3.414 to（定时器 0 外部输入） p3.515 t1(定时器 1 外部输入) p3.616 wr（外部数据存储器写脉冲） p3.717 rd（外部数据存储器写脉冲） 3.3 um5100 语音芯片 um5100 是 umc 生产的较早的语音合成芯片，它有 40

56、 个引脚，用时需要外接 sdram 或 eprom 型存储器，适合作为 8031 的语音合成芯片，外接 sdram 时可以录音 也可以放音，外接 eprom 时只能作为放音系统。本系统使用 eprom 型存储器，因此系 统为报警放音系统，下面介绍 um5100 各引脚功能。 图 3-3 um5100 引脚图 图 3-3 是 um5100 的引脚图，表 3-3 是它的引脚功能： 表 3-3 um5100 引脚功能说明 引脚引脚名功能 1error!error!error!error !error! error!error!error!error !error! 写脉冲输出信号端，低电平有效 2-

57、10 a12，a7-a0地址总线 a12，a7-a0 1113d0-d2 数据总线 d0-d2 14c1 内部时钟振荡器外接电容器端 15r1 内部时钟振荡器外接电阻端 16reset 复位输入端，低电平有效 17 error!error!error!error ! 放音输入端，低电平有效 18compdata 比较输入端，用以检测比较和反馈信号 产生的增量斜率 19clock driver 时钟驱动端 2040vssvdd 电源接地端电源正输入端 21filter 滤波输出端 22envelope 语音信号输入端 23 error!error!error!正向模拟信号语音输出端 24 err

58、or!error!正向辅加信号的低频输入端，以调制语 音信号幅度 25ang 正向模拟信号语音输出端 26td 正向辅加信号的低频输入端，以调制语 音信号幅度 27-31d3-d7 数据总线 d3-d7 32 error!error!error!error ! 读出输出端，低电平有效 33a10 地址总线 a10 34 error!error!error!error !error!error! 录音触发输入端，低电平有效 35-39 a14-a11，a9-a8地址总线 a14-a11，a9-a8 4 系统硬件设计 4.1 系统总体设计 锅炉 压力传感器 温度传感器 液位传感器 鼓 风 机 压力

59、 仪表 炉 排 水 泵 引 风 机 温度 仪表 液位 仪表 继 电 器 鼓风机 炉排信 水泵信 引风机 压力报警 温度报警 液位报警 信号输 号输出 号输出 信号输 信号输入 信号输入 信号输入 出 出 锅炉的单片机控制系统主控板 温度 温度 压力 压力极 压力 液位 液位 液位极 高 低 高 限高 低 高 低 限低 报警显示板 图 4-1 锅炉控制系统图 如图 4-1 所示，锅炉上装有温度、压力、液位传感器，这些反映锅炉运行状态的 信号送到仪表层；仪表层包括温度仪表、压力仪表、液位仪表，我们可以在这些仪表 上设置上限和下限，如果传感器送来的信号高于我们设定的上限或低于我们设定的下 限，仪表内

60、部的继电器开关就会合上，代表上限或下限的输出信号就会输出高电平， 这些信号作为系统主控板的开关量信号输入；系统主控板的输出控制信号经过继电器 后和系统执行机构相连，继电器是一种可以以小电流驱动大电流的物理元件，我们系 统输出的信号电压比较低，不能直接驱动大功率用电器，因此中间要接继电器；主控 板的另一输出接系统显示板，这样锅炉运行的状况就可以直观的显示给用户。系统中 的传感器、仪表、继电器、执行机构部件在市场上可以买到，这里就不介绍他们的原 理了，下面我们主要叙述主控板的设计。 4.2 主控板电路设计 如图 4-2 所示，报警信号进入控制板后接到光电隔离器上，这样可以防止干扰而 使系统误动作，