基于单片机的语音播报数字多用表

1、ii 基于单片机的语音播报数字多用表基于单片机的语音播报数字多用表 摘要：摘要：本系统设计了一个基于 at89s52 单片机控制的语音播报数字多用表。 通过将测量参数 r、l、c、i、v 等经过频率转换电路，将对应的参数值转换成 相应的频率，再通过 at89s52 单片机的 t0 口对此频率进行采样计数，经过单 片机内部处理后将频率恢复成实际数据值，在 led 数码显示管上显示，并通过 isd1420 语音芯片播报出来。通常的仪表测量是通过谐振法、电桥法或是伏安 法来测量数据，在测量时误差比较大，而本设计采用将预测参数转换成相应频 率后再处理、恢复出数据，测量误差比较小，从而提高了仪表的精确度

2、。本设 计在显示测量数据的值后，还用语音芯片电路，将测量的值通过语音的方式播 报出来，从而减小了因视觉误差而带来的读数误差，进一步提高了仪表的测量 精确度。 关键字：关键字：at89s52；语音播报；频率转换；isd1420 iii a voice broadcast digital multimeter system based on mcu abstract: this design designed a voice broadcast digital multimeter system based on mcu at89s52.the parameters r, l, c, i ,v w

3、ill be changed into a freauency by a frequency conversion circuit. then the parameters will be measured through the t0 of mcu at89s52 to sampling and count the frdauency of the corresponding parameters. and now through the mcu at89s52 to compute the freauency and educe the value of the parameters, l

4、astly let the value in the led digital display tube display, and broadcast by the isd1420 voice chip. usually, the measure of meters are resonance method, bridge or voltammetry, but use these methods will make some more errors. however, in this design, after the parameters will measured changed into

5、 corresponding frequencies, then dispose the frequencies, resume the parameters value. use this method to measure the parameters will make a little error, and enhance the systems measuring precision. in this design, the parameters value will be broadcasted out using the voice-chip circuit, then cut

6、down the error witch arosed by vision, so, can enhance the systems precision ulteriorly. keywords: at89s52; voice broadcast; frequency conversion; isd1420 iii 目目 录录 引 言.1 第一章 方案设计比较、选择.2 1.1 测量电路方案比较选择.2 1.2 主控芯片方案比较选择.3 1.3 语音播报控制芯片的选择.3 1.4 显示电路方案比较选择.3 1.5 总体方案选择与设计.4 第二章 硬件电路设计.5 2.1 测量电路设计.5 2.

7、1.1 rx、cx 测量电路的设计.5 2.1.2 lx 测量电路的设计.7 2.1.3 电压、电流测量电路的设计.10 2.2 单片机控制系统的设计.11 2.2.1 at89s52 芯片介绍.11 2.2.2 at89s52 最小系统电路设计.14 2.3 语音播报模块电路的设计.15 2.4 led 显示电路及指示灯电路.19 2.4.1 led 数码管显示电路.19 2.4.2 系统指示灯电路.20 2.5 选择电路的设计.20 2.6 电源电路设计.21 2.7 系统 pcb 板设计 .22 第三章 软件设计.23 3.1 系统测量电路软件计算原理.23 3.1.1 rx 电阻测量电

8、路.23 3.1.2 cx 电阻测量电路.24 3.1.3 lx 电感测量电路.26 iv 3.1.4 v/i 测量电路.27 3.2 测量电路选择原理.29 3.3 语音录放软件原理.30 3.4 整个系统软件描述.31 3.5 系统软件 c 编设计.32 3.5.1 引脚定义头文件编写.33 3.5.2 软件程序 c 文件编写.34 总 结.48 参考文献.49 附录 1 系统整机原理图.50 附录 2 系统 pcb 图 .51 附录 3 系统元件清单.53 第 1 页 共 55 页 引引 言言 随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，软件技术的高度发展及 其在电子测量技术与仪器上的应

9、用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试 领域以及新的仪器结构不断出现，产品智能化、数字化、语音化已成为人们追 求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子 设备的精密度和稳定度最为关注。在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电 子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。纵览目前国内外传统的模拟多参数 测试仪，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，而且价格比较昂 贵。例如传统的用阻抗法、q 表、电桥平衡法等测试参数的过程中不够智能而 且体积笨重，价格昂贵，需要外围环境优越，测试操作过程中需要调很多参数， 对初学者来说很不方便，当今社会，对很多参数的测试虽然已经很成熟了

10、，但 是价格和操作简单特别是智能方面有待发展，价格便宜和操作简单、智能化的 仪表开发和应用存在巨大的发展空间，本系统正是应社会发展的要求，研制出 一种价格便宜和操作简单、自动显示和播报测量数据结果、体积更小、功能强 大、便于携带的语音播报数字多用表，充分利用现代单片机和语音芯片的技术， 研究了基于单片机的智能语音播报数字多用表，能够测量一定范围内的电阻、 电容、电感、电流、电压，有 led 数码管显示和语音播报功能，具有十分重要 的意义。本系统是用振荡电路把 r、l、c、u、i 的参数转换成频率，再用单片 机计算频率，然后对其值进行补偿后再显示 r、l、c、u、i 的值，所以用起来 非常方便而

11、且价格便宜、精确度高，测量误差保持在%5 以内。 第 2 页 共 55 页 第一章第一章 方案设计比较、选择方案设计比较、选择 本设计要设计一个能够实现语音播报数字多用表系统，要求能够准确测量 一定范围内的电阻、电容、电感、电流及电压各参数，且要同时通过显示和语 音播报的方式将测量结果告诉用户，具有一定的智能性。要设计一个达到以上 要求的系统，方案有很多，现就性能、经费和技术等一些问题，对此设计做一 个方案的比较、选择。 1.1 测量电路方案比较选择测量电路方案比较选择 对参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法三种方法，各种方法比 较如下。 （1）电桥法）电桥法 电桥法是能同时测量电器组件

12、 r、l、c 等最典型的方法，电阻 r 可用直 流电桥测量，电感 l、电容 c 可用交流电桥测量。电桥平衡的条件为： )*( 2 )*( 1 21 * xn j x j n ezzezz 通过调节阻抗使电桥平衡，根据平衡条件及一些已知的电路参数就可以求出被 测参数。用这种测量方法，参数的值还要通过联立方程求解，调节电阻值一般 只能手动，电桥平衡的判别亦难以用简单的电路实现。这样，电桥法不易实现 自动测量。 （2）谐振法）谐振法 谐振法可以用来测量 l、c 值，它可以在工作频率上进行测量，使测量的 条件更接近使用情况。但是，这种测量方法要求的频率连续可调，直至谐振。 因此它对震荡器要求较高，另外

13、，和电桥法一样，调节和平衡判断很难实现智 能化。 （3）伏安法）伏安法 伏安法是测量电阻的最基本方法，分别用电流表和电压表测出通过电阻的 电流和电压，根据公式 r=u/i 求得电阻。这种测量方法要同时测出两个模拟量， 不易实现自动化。而指针式万用表欧姆挡是把被测电阻与标准电阻及电池串联， 用电流表测出电流，由于被测电阻与电流一一对应，由此就可读出被测电阻阻 第 3 页 共 55 页 值，这种测量的方法的精度变化大，若要较高的精度，必须较多的量程，电路 复杂。 以上各种方法都难以实现智能化，因此没有被本设计采用。很多仪表都是 把较难测量的物理量转变精度较高且较容易测量的物理量或电量，基于此思路，

14、 本设计把电子组件的集中参数 r、c、l、v、i 转换成相应的频率信号 f，然后 用单片机计数其相应的频率后再运算求出相应的 r、c、l、v、i 的值。此设计 中， r、c 的频率转换电路中，选取 555 电路来将预测量参数转换成频率； l 值则由电容三点式电路将 l 值转换成频率；电压、电路则由 lm331 v/f 转换芯 片控制转换成频率。 1.2 主控芯片方案比较选择主控芯片方案比较选择 （1）选择）选择 arm、fpga 芯片作为主控制芯片芯片作为主控制芯片 arm、fpga 芯片具有复杂的内部结构、丰富的内部资源，而且在价格上 比较昂贵，广泛应用在中高端电子产品的设计开发中。对于本设

15、计，并不需要 高速的数据处理，而且在设计成本的限制，使得选择 arm、fpga 芯片作为主 控芯片是不可行的。 （2）选择）选择 52 单片机作为主控制芯片单片机作为主控制芯片 52 单片机具有结构简单，内部资源较丰富，外部控制电路简单，价格便宜 的等优点，使其广泛应用于中低端的电子产品的设计开发中。对于本设计，并 不需要处理复杂的数据，也不需要设计复杂的外部电路，并且对于所设计的产 品要经济实惠。所以选择 52 单片机作为本设计的主控芯片是比较可行实用的。 1.3 语音播报控制芯片的选择语音播报控制芯片的选择 鉴于设计成本，在众多的语音控制芯片中，本设计选择既简单实用、价格 又便宜的 isd

16、1420 作为语音控制电路的控制芯片。通过对单片机编程来实现对 isd1420 的控制。isd1420 中语音信号输出后经过放大处理，由扬声器播报声 音。 第 4 页 共 55 页 1.4 显示电路方案比较选择显示电路方案比较选择 （1）lcd 作为显示器作为显示器 用 lcd 来显示数据具有显示清楚直观等优点，但是其成本相对来说比较昂 贵，并且在编程显示上，要求较复杂的编程。鉴于设计成本和设计复杂度的考 虑，本设计抛弃了使用 lcd 作为显示器的想法。 （2）led 作为显示器作为显示器 led 具有价格低廉，控制简单易懂，显示清晰等优点。出于成本考虑，本 设计选取 led 作为数据参数的显

17、示器。 1.5 总体方案选择与设计总体方案选择与设计 此系统主要分为四个模块，分别为频率转换模块、控制与计算模块、语音 播报模块及显示模块，由以上分析和对每个模块的方案选择，本设计最终设计 方案为：测量电路使用典型的 555 振荡器将 r、c 值转换成频率，使用电容三 点式电路将 l 值转换成频率，使用 lm331 芯片将 v/i 值转换成频率；主控电路 使用 at89s52 作为主控芯片；语音播报电路使用 isd1420 作为控制芯片；显示 电路使用四位一体 led 数码管来显示。基于设计要求及设计思想，结合设计方 案选择，本设计的总体设计方案方框图如图1.1所示。 第 5 页 共 55 页

18、 被测 电阻 被测 电容 被测 电感 被测 电流 被测 电压 555rc 振荡器 555rc 振荡器 电容三点 式振荡器 lm331 v/f 转换器 lm331 v/f 转换器 isd1420 语音播 报电路 频率 选通 信号 转换 成电压 f_r f_c f_l f_v f_v 多 端 模 拟 开 关 单片机 (at89s52) led 数 码管显示 测量指示 led 灯 控制模拟 开关选通 频率转换模块单片机主控模块 图 1.1 系统总体方案设计方框图 第 6 页 共 55 页 第二章第二章 硬件电路设计硬件电路设计 2.1 测量电路设计测量电路设计 2.1.1 rx、cx 测量电路的设计

19、测量电路的设计 本设计利用 555 时基电路构成多谐振荡器来测量电阻 r、电容 c，为了测 量两个物理量需要两块 555 时基电路，为节省一部分硬件空间，本设计以一片 556 时基电路来代替。一片 556 含两个相同的 555 时基电路。 （1）ts556 芯片简介芯片简介 556 双时基集成是 coms 型的，内含两个相同的 555 时基电路，它的顶视 图如下图 2.1.1 所示，采用双列直插 14 脚封装。 图 2.1.1 555 时基电路顶视图 顶视图各引脚的功能分别为：1、13 脚：放电；2、12 脚：阈值；3、11 脚： 控制；4、10 脚：复位；5、9 脚：输出；6、8 脚：置位触

20、发；7 脚：gnd；14 脚：+电源 vcc。 （2）芯片的等效功能方框图及工作原理）芯片的等效功能方框图及工作原理 芯片的等效功能方框图如下图 2.1.2 所示，由于 556 双时基集成块内含两个 相同的 555 时基电路，它的等效功能方框图与一个 555 时基电路的等效功能方 框图相同，在下面的分析中，可就个 556 芯片单独分析。 1 2 第 7 页 共 55 页 图 2.1.2 555 时基电路等效功能方框图 ts556 芯片的工作原理：芯片的工作原理： ts556 的等效功能框图中包含两个 coms 电压比较器 a 和 b，一个 rs 1 2 触发器，一个反相器，一个 p 沟道 mo

21、s 场效应管构成的放电开关 sw，三个阻 值相等的分压电阻网络，以及输出缓冲级。三个电阻组成的分压网络为上比较 器 a 和下比较器 b 分别提供vcc 和vcc 的偏置电压。当上比较器 a 的同相 2 3 1 3 输入端 r 高于反相输入端电位vcc 时，a 输出为高电平，rs 触发器翻转，输 2 3 出端 vo为逻辑“0”电平。即当 vthvcc 时，vo为 “0”电平，处于复位状态； 2 3 而当置位触发端的电位，即 vsvcc 时，下比较器 b 的输出为“1”，rs 触s 1 3 发器置位，输出端 vo为“1”电平。即当 vsvcc 时，vo为 “1”电平，处于置 1 3 位状态。可见，

22、该ts556 的等效功能框图相当一个置位复位触发器。在 rs 1 2 触发器内，还设置了一个强制复位端，即不管阈值端 r 和置位触发端处mrs 于何种电平，只要使=“0”，则 rs 触发器的输出必为“1”，从而使输出 vo为mr “0”电平。从芯片的等效功能方框图得出各功能端的真值表，如表 2.1.1 所示。 第 8 页 共 55 页 表 2.1.1 556 芯片各功能端的真值表 （强制复位）mr （置位触发）sr（复位触发）vo（输出） 00 101 1110 110保持原电平 注：“0” 电平vcc 1 3 “1” 电平 vcc 2 3 “”表示任意电平 （3）ts556 设计的设计的 r

23、、c 测量电路测量电路 因为 ts556 内含两个完全一样的 555 时基电路，所以将 rx、cx 测量电路 共同使用一个 ts556 芯片。如图 2.1.3 所示： di 1 thr 2 c_vo 3 reset 4 output 5 tri 6 gnd 7 tri 8 output 9 reset 10 c_vo 11 thr 12 di 13 vcc 14 ts556 u1ts556 r1 4k rx c1 0.1uf c2 0.1uf rx vcc c3 0.1uf r2 cx r3 cx vcc 图 2.1.3 ts556 设计的 rx、cx 测量电路 图 2.1.3 中，左边部分是

24、电容 c 测量电路，右边是电阻 r 测量电路。ts556 的 5、9 脚输出的分别是预测电容 cx、预测电阻 rx 经振荡电路后转换成对应的 频率，此频率经过多端模拟开关选择后送入单片机进行处理。 2.1.2 lx 测量电路的设计测量电路的设计 （1）电容三点式振荡器测）电容三点式振荡器测 lx 电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的，如图 2.1.4 所示。三点式 第 9 页 共 55 页 电路是指：lc 回路中与发射极相连的两个电抗组件必须是同性质的，另外一个 电抗组件必须为异性质的，而与发射极相连的两个电抗组件同为电容时的三点 式电路，成为电容三点式电路。 在这个电容三点式振荡电路中

25、，c7 、c8分别 采用 1000pf、2200pf 的独石电容，其电容值远大于晶体管极间电容，可以把 极间电容忽略。 振荡公式： ，其中 1 2 f lc 87 87 cc cc c 则电感的感抗为 22 1 4 l f c r4 100k r5 1k r6 100k r7 2k r8 1k q1 q2 c4 22uf c5 0.1uf c7 1000pf c8 2200pf c9 lx vcc vcc f_lx 图 2.1.4 电容三点式电感测量电路 （2） cd40106 施密特整形电路施密特整形电路 在测量电感的时候，发现电感起振频率非常的高，大致到达 3mhz 左右， 而单片机的最大

26、计数频率大约为 500khz，在频率方面达不到测量电感频率， 因此在这里必须想办法将电容三点式振荡器输出的信号频率降低，于是在这里 采用两片高速十进制计数器 74ch160 组成八位计数器作为分频电路对该频率进 行分频，最后可以将频率降低到，就满足单片机计数要求了。 8 3000000 211719 但是由正弦不能直接由 74ch160 组成的分频器处理，所以在这之前要对电容三 点式振荡器输出的信号进行整形，将正弦波转换成同频率的矩形波。最后将分 频后的矩形波送到单片机中计算。 因此这里必须用到两个电路，一是整形电路，二是分频电路。首先，分析 cd40106 施密特触发器整形电路。其电路图所图

27、 2.1.5 所示。 第 10 页 共 55 页 a 1 a 2 b 3 b 4 c 5 c 6 vss 7 d 8 d 9 e 10 e 11 f 12 f 13 vdd 14 u8cd4016 vcc f_lx cp 图 2.1.5 cd40106 施密特整形电路 cd40106 是一种单端输入且具有高速整形作用的 cmos 施密特触发器集成 电路，最高工作电压是 20v，当 vcc 为 5v 时，它的最高工作频率可达 4m， 用于 3m 信号整形足够了，内部包含六个施密特整形电路的集成电路。此芯片 没有外围电路，原理简单，使用方便。图中 f v/i 是其输入信号，cp 为输出信 号，被用

28、来作为分频电路的时钟信号。 以下对其整形的过程进行简单的介绍。 在输入信号 vin 为低电平时，输出端 uo 稳定在高电平；当 uin 逐渐升高， 达到施密特触发器的接通电位 vp 时，触发器翻转，uo 由高电平跳变到低电平； 若 uin 继续升高，uo 将稳定在低电平不变；uin 从最高点逐渐低，又到达接 通电位 vp 时，输出端仍保持低电平；直到 uin 下降到施密特触发器的断开电 位 vn 时，uo 才会由低电平跳变到高电平。接通电位 vp 与断开电位 vn 的差 值 vh=vp-vn，叫做施密特触发器的回差电压。其施密特电路的传输特性如图 2.1.6 所示： 图 2.1.6 施密特电路

29、的传输特性 （3） 74ch160 分频电路分频电路 在前面已经有提到为什么要用到分频的原因，在此就不再赘叙了。本设计 第 11 页 共 55 页 中采用两个高速 74ch160 级联成 256 次分频电路，其电路图如图 2.1.7 所示。 cr 1 cp 2 d0 3 d1 4 d2 5 d3 6 ctp 7 gnd 8 ld 9 ctt 10 q3 11 q2 12 q1 13 q0 14 co 15 vcc 16 u6a74ls160 cr 1 cp 2 d0 3 d1 4 d2 5 d3 6 ctp 7 gnd 8 ld 9 ctt 10 q3 11 q2 12 q1 13 q0 14

30、 co 15 vcc 16 u6b 74ls160 vcc vcc lx cp 图 2.1.7 74ch160 分频电路 图中的时钟信号 cp 由前端的整形电路提供，第一级 74ch160 u6a 的 q3 输出的是一个 16 分频，再将 u6a 的 q3 送到第二级 74ch160 u6b 的时钟信号 cp，通过 u6b 再一次 16 分频后，则最后的输出就得到了一个 256 次分频信号。 2.1.3 电压、电流测量电路的设计电压、电流测量电路的设计 （1）电压）电压/频率转换电路的设计频率转换电路的设计 电压/频率转换即 v/f 转换，是将一定的输入电压信号按线性的比例关系转 换成频率信号

31、，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。 实现 v/f 转换有很多的集成芯片可以利用，其中 lm331 是一款性能价格 比较高的芯片，由美国 ns 公司生产，是一种目前十分常用的电压/频率转换器， 还可用作精密频率电压转换器、a/d 转换器、线性频率调制解调、长时间积分 器及其它相关器件。由于 lm331 采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工 作温度范围内和低到 4.0v 电源电压下都有极高的精度。lm331 的动态范围宽， 可达 100db；线性度好，最大非线性失真小于 0.01% ，工作频率低到 1hz 时尚 有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达 12 位；外接电路简单，只需接入

32、几个外部组件就可方便构成 v/f 或 f/v 等变换电路，并且容易保证转换精度。 lm331 可采用双电源或单电源供电，可工作在 4.040v 之间，输出可高达 第 12 页 共 55 页 40v，而且可以防止 vs 短路。图 2.1.8 是由 lm331 组成的电压/频率变换器。 1 2 3 45 6 7 8 u7 lm331 1 2 p_v 1 2 p_i r_v1 100k r_v2 18k r_v3 15k r_v4 1k r_v5 100k r_v6 47 r_v5k c_v1 0.022uf c_v2 1uf c_v30.1uf vcc vcc vcc r_iv f_v/i 图 2

33、.1.8 电压、电流/频率转换电路 测量电压时，只需要将 p_v 接口将入电压即可。 （2）电流）电流/频率转换电路的设计频率转换电路的设计 本设计测量电流和测量电压的电路采用统一电路。在测量电流时，只需要 通过一个定值电阻，将预测电流转换成电压，再通过电压/频率转换电路，即可 将转换的频率送入单品机进行处理。测量电路图如图 2.1.8，测量时，将电流接 入 p_i 接口即可。 2.2 单片机控制系统的设计单片机控制系统的设计 2.2.1 at89s52 芯片介绍芯片介绍 at89s 系列的单片机有 at89s51、at89s52 两种，它们的引脚几乎一样， 有直插式的和贴片式的，51 单片机

34、的内存容量比 52 单片机的内存容量小些， 只 52 单片机的一半，51 单片机是 4k 的，而 52 是 8k 的，都是可再编程的芯 片。 （1）at89s52 简介简介 at89s52 是美国 atmel 公司产生的低功耗、高性能 cmos 8 位单片机， 第 13 页 共 55 页 片内含 8k bytes 的可系统编程的 flash 程序内存既可在线编程（isp）也可用 传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中。atmel 公司的功能强 大、价格低廉的 at89s52 单片机可用于许多高性价比的应用场合，可灵活应用 于各种控制领域。 (2) at89s52 芯片引脚封装芯片引

35、脚封装 at89s52 dip 封装引脚封装图如图 2.2.1。 图 2.2.1 at89s52 芯片 dip 封装图 （3）at89s52 功能特性概述功能特性概述 at89s52 提供以下标准功能：8k 字节 flash 闪速内存，128 字节内部 ram，32 个 io 口线，看门狗（wdt） ，两个数据指针，两个 16 位定时器/计 数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟 电路。同时，at89s52 可降至 0hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节 电工作模式；空闲方式停止 cpu 的工作，但允许 ram，定时/计数器，串行通 信口及中断系统继续

36、工作。掉电方式保存 ram 中的内容，但振荡器停止工作 并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 （4）单片机的内部结构）单片机的内部结构 at89s52 是 8 位单片中一个非常基本、非常典型的芯片型号，它仍保持着 第 14 页 共 55 页 经典计算机的体系结构，主要由五大部分所组成。其组成部分为中央处理器 cpu，这是它的核心部分，由运算器和控制器组成；内部数据/程序存储器，用 于存储数据及程序；定时器/计数器，用于定时/计数；并行 i/o 口及串行口，用 于传送数据；中断控制电路，它共有五个中断源，外中断 2 个，定时/计数中断 2 个，串行中断 1 个；时钟电路，它有内部时钟电路，

37、但石英晶体和微调电容 需外接，为音片机产生时钟脉冲序列；位处理器；内部总路线，单片机因为它 的存在减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。内部结构方框图 如图 2.2.2 所示。 图 2.2.2 at89s52 单片机内部结构图 第 15 页 共 55 页 2.2.2 at89s52 最小系统电路设计最小系统电路设计 at89s52 单片机最小系统原理非常简单，其最小系统电路如图 2.2.3。由图 可知其最小系统只需要在 at89s52 芯片外加上复位电路、晶振电路、电源及地， 即具备了正常工作的条件。如需要实现其它功能，需要另外外接外围电路。在 本设计中要实现计算参量值、控制语音电路

38、的工作及显示电路工作等，因此在 最小系统的基础上外加了其它电路，在此系统中单片机引脚分配情况如表 2.2.1。 p1.0(t2) 1 p1.1(t2ex) 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5(mosi) 6 p1.6(miso) 7 p1.7(sck) 8 rst 9 p3.0(rxd) 10 p3.1(txd) 11 p3.2(int0) 12 p3.3(int1) 13 p3.4(t0) 14 p3.5(t1) 15 p3.6(wr) 16 p3.7(rd) 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 p2.0(a8) 21 p2.1(a9) 22 p2.2

39、(a10) 23 p2.3(a11) 24 p2.4(a12) 25 p2.5(a13) 26 p2.6(a14) 27 p2.7(a15) 28 psen 29 ale/prog 30 ea/vpp 31 p0.7(ad7) 32 p0.6(ad6) 33 p0.5(ad5) 34 p0.4(ad4) 35 p0.3(ad3) 36 p0.2(ad2) 37 p0.1(ad1) 38 p0.0(ad0) 39 vcc 40 u3 at89s52 p10 p11 p12 t0 12 y1 11.0592 c11 22pf c10 22pf c12 22uf/16v r9 10k s_reset

40、 vcc vcc vcc p13 p14 p15 p16 p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 rp 10k*8 p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 led_v/ix p33 p32 p37 led_rx led_cx led_lx p36 图 2.2.3 at89s52 最小系统电路 表 2.2.1 单片机引脚分配情况 引脚 标号 网络 标号 分配情况 引脚 标号 网络 标号 分配情况 1p10控制电阻测量电路是否选通21p20led 段选 2p11控制电容测量电路是否选通22p21led 段选 3p12控制电感测量电路是否选通23p22led

41、段选 4p13led 为选个位24p23led 段选 5p14led 为选十位25p24led 段选 6p15led 为选百位26p25led 段选 7p16led 为选千位27p26led 段选 第 16 页 共 55 页 8led_rx电阻测量指示灯28p27led 段选 9reset29 10led_cx电容测量指示灯30 11led_lx电感测量指示灯31电源 12p32 控制 isd1420 的引脚recled 32led_v/ix 电压/电流测量 指示灯 13p33控制 isd1420 的 a7 引脚33p00isd1420 的 a0 14t0测量参数频率输入34p01isd142

42、0 的 a1 1535p02isd1420 的 a2 16p36控制电压/电流测量电路是否选通36p03isd1420 的 a3 17p37 控制 isd1420 的引脚playl 37p04isd1420 的 a4 18晶振引脚 238p05isd1420 的 a5 19晶振引脚 139p06isd1420 的 a6 20gnd40电源 2.3 语音播报模块电路的设计语音播报模块电路的设计 isd1420 芯片是由美国信息内存件公司推出的 isd 系列语音芯片中的一种。 其芯片引脚图如 2.3.1 所示。该芯片使用的外围组件比较简单，只需要少量的阻 容组件、麦克风即可组成一个完整录放系统；由

43、于使用模拟信息的形式存储语 音，使得重放音质极好，并有一定的混响效果；存储时间长，录放次数达 10 万 次，不耗电时间保持信息 100 年；操作简单，无需专用编程器及语音开发器； 可持续放音，也可分段放音，最多可分为 160 段，单片 isd1420 的放音最长时 间为 20s，在不够用的情况下可以进行多片级联。 第 17 页 共 55 页 图 2.3.1 isd1420 芯片引脚图 isd1420 语音芯片内部结构如图 2.3.2 所示。在录音的过程中，前置放大器 对麦克风送入的语音信号进行放大，并受自动增益电路控制，保证信号不失真。 前置放大器输出的信号通过电容耦合、信号放大器、滤波器，在

44、采样时钟和模 拟收发器控制下进行比较采样，把采样的结果送入仿真内存。在放音的过程中， 录入的信号通过模拟收发器、平滑滤波、输出放大器送到扬声器的引脚，从而 完成语音的重放。 图 2.3.2 isd1420 语音芯片内部结构图 isd1420 共 28 个引脚，主要的引脚包含有：a0a7 为分段地址输入引脚， vcca、vssa、vccd、vssd 分别为芯片内部数字、模拟电源和接地信号引 脚，mic 为麦克风输入引脚，ana out、ana in 分别为模拟输出、输入信号 第 18 页 共 55 页 引脚，xclk 为外部时钟输入引脚，为录音指示引脚，sp+、sp-为扬recled 声器输出引

45、脚，、分别为电平、边沿触发放音引脚，另外还有 4playlplaye 个 nc 引脚。 isd1420 的地址端有两个作用，取决于最高两位 a7、a6 的状态。当 a7、a6 不全为 1 的时候，所有的输入均为地址位，作为当前录放操作的起始 地址，地址在、变低，其它地址端置高电平就选择了某playlplayerec 个（或某几个）操作模式，此操作模式一直有效，除非控制信号再次由高变低， 芯片重新锁存当前的位元址/模式端电平，然后执行相应操作。位元址线与操作 模式的对应关系为： a0：信息检索，快速跳过信息而不必知道其确切的地址，控制端每输入一 个负脉冲，内部地址计数器就跳到下一个 eom 标志

46、，这个信息完成后录入的 所有信息就作为一条连续的信息，此模式仅用于录音。 a1：eom 删除，使分段信息变成一条信息，仅在信息的最后留一个 eom 标志，这个信息完成后录入的所有信息就作为一条连续的信息，此模式仅用于 录音。 a3：信息循环，循环重放位于存储空间起始处的那条信息，此模式仅用于 放音。 a4：连续寻址，正常情况下，重放遇到 eom 标志时，地址计数器会复位， a4 模式禁止位元址计数器重定，使得信息可以连续录入或重放，当芯片既非放 音和录音时将 a4 短暂拉低可以使计数器地址复位为 0。在 a4 模式中，当电路 由录转放时地址复位为 0，而由放转录时不复位。 由 isd1420

47、设计的语音播报模块电路如图 2.3.3 所示。 第 19 页 共 55 页 a0 1 a1 2 a2 3 a3 4 a4 5 a5 6 nc 7 nc 8 a6 9 a7 10 nc 11 vssp 12 vssa 13 sp+ 14 sp- 15 vcca 16 mic 17 mic ref 18 agc 19 ana in 20 ana out 21 nc 22 playl 23 playe 24 recled 25 xclk 26 rec 27 vccd 28isd1420 u5aisd1420 c15 100uf speaker r20 10k r2110k vcc p00 p01 p

48、02 p03 p04 p05 p06 p33 p32 p37 mic c_m1 0.1uf c_m2 0.1uf r_m1 r_m2 r_m3 cm_3 cm_4 图 2.3.3 isd1420 设计的语音播报模块电路 电路说明：如图所示，mic 为录音电路，声音通过 mic 输入，再由 0.1uf 的 c_m1 和 c_m2 进行一次滤波，可以滤除部分杂音；speaker 为放音电路，要 播放的语音从这里播出来，这里采用的 speaker 是自带了放大电路的 speaker， 在这里不需要大音量的放音，因此不需要加放大电路；cm_4、r_m1 为自动增 益控制电路，agc 经并联的电阻 r_

49、m1 和电容 cm_4 接地，由这两只元件建立 isd1420 内部前置放大器的自动增益控制电路的两个时间常量，即响应时间和 释放时间，响应时间由 isd1420 内部的电阻和外部电容 cm_4 组成的网络确定， 释放时间由两个并联的外部元件即 cm_4、r_m1 的阻容值确定，通常 cm_4=4.7uf，r_m1=470k；ana out、ana in 分别为模拟输出端，模拟输 入端，在它们之间加上 cm_3、r_m3，使得语音电信号得以进一步放大，这种 结构使得系统设计更加灵活（尤其是非语音信号的输入） ，同时提供了一个用于 截止低频信号的端子接口电路，cm_3 为耦合电容，可以在 0.2

50、2uf1uf 选取， r_m3 也可不用。 在图 2.3.3 中， 为录音指示引脚，但是根据 isd1420 录放音的原 recled 理，在录音时、都为 0，在放音时、都为 1，因此 recledrecrecledrec 将信号和接在一起，当、都为 0 时，就可以开始 recrecledrecledrec 通过麦克风 mic 录音了，根据需要可以录长达 20s 的语音，也可以分段录音， 录好音后通过 isd1420 的 a0 到 a7 的地址线将录音数据传至单片机中存储起来， a0 到 a7 与单片机通信，给录音分配存储空间。放音时，可按地址寻址找到要 第 20 页 共 55 页 放音的内容

51、通过 isd1420 芯片的 sp+、sp-两引脚接的 speaker 放出来即可。放 音触发有 两种方式，电平触发、边沿触发，、分别为电平、边 playlplaye 沿触发放音引脚。 2.4 led 显示电路及指示灯电路显示电路及指示灯电路 2.4.1 led 数码管显示电路数码管显示电路 本设计中的显示电路采用四位一体的共阳极 led 数码管来显示数据，由于 单片机提供的电流不足以驱动四位一体的 led 数码管正常发光，所以在 led 数码管的每个位选处都添加了一个 pnp 型的三极管来驱动，使得电路有足够大 的电流能驱动四位一体的 led 数码管能正常发光，显示电路图如图 2.4.1 所

52、示。 在本设计中，为了节省单片机端口资源，led 显示采用动态显示方式，其位选 由单片机的 p1.3 到 p1.6 控制，段选由单片机由单片机 p2 口控制，四个 led 数码管的段选共用单片机的 p2 口。因为出于实验阶段，并非生产产品，所以本 设计中只用了一个四位的数码管，当要求显示的数据大或是精度高时，此显示 电路就不能满足要求，需要另外添加 led 数码显示管。 a 11 b 7 c 4 d 2 e 1 f 10 g 5 dp 3 d1 12 d2 9 d3 8 d4 6 led0 q3 q4 q5 q6 vcc vcc vcc vcc r10 10k r11 10k r12 10k

53、r13 10k p13 p14 p15 p16 r_l1 470 r_l8 470 p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 图 2.4.1 led 数码管显示电路 第 21 页 共 55 页 2.4.2 系统指示灯电路系统指示灯电路 为了能更加方便直观的显示测量的参数种类及系统的状态，特在系统中添 加了指示灯电路，指示灯电路图如图 2.4.2 所示。如系统电路指示灯 led_vcc，当电源接通时，led_vcc 就处于常亮状态。再如，欲测量电阻值 时，将欲测电阻插在测量电路中的 rx 处，然后将单刀单掷开关 s_rx 闭合，此 时 led_rx 就处于发光状态，当单片机

54、检测到 led_rx 为 0 时，就可以通过相 应的程序来控制多端模拟开关来选通电阻测量电路以及在单片机内部调用相应 的电阻测量模块函数来计算电阻值，测出欲测值后，在送到显示电路显示和语 音播报电路中去播报。 r_vcc 470 led_vcc vcc led_rx led_cx led_lx r_rx 470 r_cx 470 r_lx 470 vcc s_lx s_rx s_cx led_v/ix r_v/ix 470 s_v/ix led_v/ix led_lx led_cx led_rx 图 2.4.2 系统指示灯电路 2.5 选择电路的设计选择电路的设计 在测量过程中，需要对所测量的

55、参数进行测量电路的选择。在本设计中， 使用了多端模拟开关 cd4066 芯片来控制测量电路的选择。通过对 at89s52 编 程来实现 cd4066 芯片的选通与否。cd4066 芯片引脚图如图 2.5.1。在使用时， cd4066 芯片和单片机连接在一起，当 cd4066 接收到单片机相应的选通信号 1时，cd4066 选通对应的电路，相反当 cd4066 接收到单片机相应的选通信 号，cd4066 禁止选通。例如 cd4066 的 13 脚，控制 1、2 脚是否连通，当 13 脚位高电平1时，1、2 连通，当 13 脚位0时，1、2 脚断开。 第 22 页 共 55 页 图 2.5.1 c

56、d4066 引脚图 cd4066 多端模拟开关电路图如图 2.5.2 所示，p10、p11、p12、p36 分别 控制电阻、电容、电流/电压、电感频率转换电路选通与否，当 p10 置高位1时， 1 脚与 2 脚连通了，即 rx 被选通了，这样被测电阻转换后的频率就可送入单片 机计算了，相反，当 p10 置低位0时，rx 就被禁止选通了，同样的原理， p11、p12、p36 置高位1时，4 脚与 3 脚连通了，8 脚与 9 脚连通了，11 脚与 10 脚也连通了，这样 cx、lx 、f_v/i 就被选通了，则相应的频率就可送入单 片机计算了。 sa i/o 1 sa o/i 2 sb o/i 3

57、 sb i/o 4 cl b 5 cl c 6 gnd 7 sc i/o 8 sc o/i 9 sd o/i 10 sd i/o 11 cl d 12 cl a 13 vdd 14 u2 cd4066 vcc rx cx lx t0 t0 p10 p11 p12 p36 f_lx 图 2.5.2 cd4066 多端模拟开关电路图 2.6 电源电路设计电源电路设计 电路说明：在图 2.6.1 中，在接口 power 出接入的是一个 512v 的电压， 经过滤波整流，在经过 ht7251 稳压在 5.0v，为整个系统提供 vcc。这里 power 处从外界引入交直流电，单刀开关合上，通过后面的滤波

58、整流电路， 则可给系统提供 5.0v 的电压。 第 23 页 共 55 页 d1 c16 0.1uf c17 100uf 1 2 3 ht7252 u4 512v 1 2 power s_power vcc 图 2.6.1 系统电源电路图 2.7 系统系统 pcb 板设计板设计 在各模块原理图设计完成后，把它们连接在一起就组成一个完整的系统原 理图，整个系统原理图如附录 1 所示，整个系统电路的元件清单表如附录 3 所 示。本次设计使用 protel dxp 2004 对硬件电路进行设计，在 protel dxp 2004 中画好原理图后，经电气检查无误，便可以导入元器件封装，装载到 pcb

59、板设 计接口，进行 pcb 的设计。本设计 pcb 采用双面板设计布线，设计规则为： 顶层垂直方向布线，底层水平方向布线；一般线宽为 0.6mm，vcc 和 gnd 线 宽为 1mm；安全间距 0.5mm。在完成元器件布局、布线后，经过 drc 检查， 添加泪滴焊盘后，便可以出图，进行硬件电路板的制作了。系统 pcb 图如附录 2 所示。 第 24 页 共 55 页 第三章第三章 软件设计软件设计 在本章将介绍本设计的软件设计的一系列的问题，主要有各参数的测量电 路、计算过程及 c 编计算设计，软件设计的总流程及部分模块软件设计流程。 3.1 系统测量电路软件计算原理系统测量电路软件计算原理

60、3.1.1 rx 电阻测量电路电阻测量电路 图 3.1.1 是一由 555 电路构成的多谐振荡电路。 gnd 1 tri 2 out 3 reset 4 c_vo 5 thr 6 dis 7 vcc 8 555 rx r1 4k c10.1uf c2 0.1uf f_rx vcc vcc 图 3.1.1 测量 rx 的 555 时基 rc 振荡电路 它的振荡周期为： 2122121 )2)(2(ln)2(ln)(2(lncrrcrcrrttt xxx 即 (1)bkt r c t rx 2)2(ln2 1 2 式中,。 2 )2(ln2 1 c k 2 1 r b 为了避免直接采用式(1)来计