具有语音播报功能的水温控制系统

毕业设计具有语音播报功能的水温控制系统学院：专业：学生姓名：学号：指导教师：2012年6月摘要本文所描述的具有语音播报功能的水温控制系统是以成熟的框架为基础进行设计的,当前系统框架下,设计之中的区别主要在于系统各个部分单元电路选用的器件的不同.因此,本文将首先从整体框架中硬件的选择来确定总体电路,之后将描述各单元电路可行的元器件,在对比中确定优先项。之后将根据设计要就进行软件程序的设计。文中确定了已AT89C51单片机为核心设计的系统，AT89C51的强大功能将完成接收键盘的指令信号，接受数据收集芯片的收集到的实时数据，进行处理之后将要显示的部分传送至LED显示屏，并可根据需要控制语音输出，根据预先设定的指令控制实现电路调整水温。语音播报部分采用集成芯片，进行语音对外传输，选用ISD4004在很大程度上优化了系统，ISD4004采用的是“直接模拟量存储”技术，该技术优势明显可以直接进行模拟数据的录入，即语音播报部分内容可以直接输入，无需模数装换，存储，再数模装换，不但简化了流程，而且最大限度的减少失真，输出效果较好。数据采集模块将使用DS18B20数字化温度传感器，DS18B20突出的特点是无需数模装换，可以直接接入单片机，减少信号失真。控制实现部分将使用继电器，由单片机数的小电流经继电器完成对大电流控制。依靠以上设计，系统将高效、稳定地实现数据采集、处理、输出，实现语音播报、温度控制与恒定。关键字：语音播报，水温控制，单片机，芯片，继电器

AbstractPaperdescribeswithspeechfunctionofthewatertemperaturecontrolsystemisthebasisofmatureframeworkdesign,thecurrentsystemframe,designofthemaindifferenceliesinthesystemofeachpartoftheunitcircuitchoosedifferentdevices.So,thispaperwillfirstfromthewholeframeworkofthechoiceofhardwaretosettheoverallcircuit,thenwilldescribeeachunitcircuitfeasiblecomponents,incontrasttodetermineapriority.Accordingtothedesigntoaftersoftwareprogramdesign.AredeterminedalreadyAT89C51single-chipmicrocomputerasthecoreofthesystemdesign,thestrongfunctionofAT89C51willcompletethesignalsreceivedkeyboard,acceptdatacollectionofchiptocollectdatainrealtime,todealwiththatistobereveaLEDafterthepartissenttoadisplayscreen,,andbasedontheneedtocontrolspeechoutput,accordingtothepredeterminedcommandcontrolrealizationcircuittemperatureadjustment.Speechbroadcastoftheintegratedchip,forvoiceforeigntransmission,chooseISD4004largelyoptimizesthesystem,ISD4004USESisthe"directsimulationamountstorage"technology,thistechnologycandirectlytotheadvantageofthesimulationdataentry,namelyspeechbroadcastcontentcandirectinputpart,withoutmodulusoutfitchange,storage,andmathematicalmodelwithchange,notonlysimplifytheprocess,andminimizedistortion,outputeffectisgood.DataacquisitionchipwilluseDS18B20,DS18B20outstandingcharacteristicisnomathematicalmodelwithchange,candirectlyaccessmicrocontroller,reducesignaldistortion.Controlrealizepartwillusetherelay,thenumberofsinglechipmicrocomputerbysmallelectriccurrentflowsthroughtorelaytocontrol.Relyontheabovedesign,thesystemwillbeefficient,stablerealizedataacquisition,processing,output,andrealizethespeechbroadcast,temperaturecontrolandconstant.Keywords:speechbroadcast，watertemperaturecontrol，single-chipmicrocomputer，chip，relay目录摘要 IAbstract II目录 III第一章引言 11.1课题背景及意义 11.2主要设计技术指标与参数 21.2.1基本要求 21.2.2主要性能指标 21.2.3主要设计内容 2第二章系统总体框图和方案对比论证 32.1总体方案的对比论证 32.2系统框图 32.3单元电路方案的对比论证 42.3.1数采集模块 42.3.2语音播报模块 52.3.3控制实现模块 6第三章硬件单元电路设计及相关参数 93.1单片机AT89C51模块 93.1.1主要性能参数： 93.1.2功能特性概述: 93.1.3引脚功能说明: 103.2按键模块 123.3数据采集模块 133.3.1DS18B20主要特性 133.3.2封装及引脚排列、功能 133.3.3单片机访问DS18B20流程 143.3.4DS18B20测温原理 153.3.5单片机与DS18B20的连接 163.4LED显示模块 163.5语音播报模块 173.5.1ISD4004外部引脚 183.5.2工作参数 193.5.3语音播放单元电路 193.6执行模块 203.6.1固态继电器SSR工作原理 203.6.2固态继电器SSR的特点 213.6.3继电器控制电路图 223.7时钟和复位电路 223.7.1时钟 223.7.2复位电路 233.8主电源电路 24第四章系统各单元模块程序设计 234.1主程序流程图 234.2键盘模块程序流程图 244.3数据采集模块程序流程图 244.4显示模块程序流程图 254.5语音播报模块程序流程图 264.6执行模块程序流程图 27结论 28参考文献 29致谢及声明 30附录 31附录一：整机电路图 31附录二：部分程序 33第一章引言1.1课题背景及意义水温控制系统起源于早期的温度控制，而温度控制最早的应用是在大工业生产时期的工厂中，例如钢铁生产，钢材的等级、型号等技术指标的区分在于对不同温度钢水控制来实现。之后在随着技术的革新进步，生产活动的扩大，越来越多的行业开始应用温度控制，而温度控制也不再限于单一介质，空气、水、化工染料都会成为被控制对象。通过控制介质，来保证产品的质量或者用来生产不同的产品，例如芯片制造，对温度、湿度的要求就极其严格；在纺织领域，不同温度的水处理过的纺织线，在性质上具有极大的差别，具体表现在丝线的韧度、弹性有很大不同。随着生产力的发展与进步，温度控制不再单单应用在工业生产上，越来越多日常生活设施开始使用温度控制系统，进一步改善人类生活环境，提高生活质量。例如，现代化的泳池，当前社会在实用性的基础上更加讲究舒适性，表现在室内泳池上，就是泳池的水温要保持在一个适当的范围内，以使身处泳池之中人的体表感官保持舒适；在家居生活中，技术较新的产品为了在性能上出众，以达到增加销量的目的，越来越多的人性化设计开始使用到家电之中，以电饭煲为例，现在的电饭煲不在简简单单的能煮饭，如果饭煮好后主人没能及时将饭盛出，电饭煲会根据温度进行自身调节，以使其中的饭始终保持在适宜食用的温度范围内，这其中用到的就是温度控制。温度控制系统经历了较长的发展历程，技术越来越成熟，其理论框架基本不会再有较大的改动，而电子科技的发展为其性能的提升创造了空间。集成化、微型化、多功能化、高效化、低碳化、简便化成为当下温度控制的目标。本文将从温度控制中应用最为广泛的水温控制系统为例，将较为先进集成芯片用到系统中以实现多种功能。本设计定位为具有语音播报功能的水温控制系统，系统是将AT89C51单片机作为核心进行设计的，AT89C51的强大功能将完成接收键盘的指令信号，接受数据收集芯片的收集到的实时数据，进行处理之后将要显示的部分传送至显示屏，并可根据需要控制语音输出，根据预先设定的指令控制实现电路调整水温。语音播报部分采用集成芯片，进行语音对外传输，选用ISD4004在很大程度上优化了系统，ISD4004采用的是“直接模拟量存储”技术，该技术优势明显可以直接进行模拟数据的录入，即语音播报部分内容可以直接输入，无需模数装换、存储、再数模装换的复杂流程，不但简化了流程，而且最大限度的减少失真，输出效果较好。数据采集芯片将使用DS18B20，DS18B20突出的特点是无需数模装换，可以直接接入单片机，减少信号失真，而软件部分程序设计将十分简单。该系统可以实现以下功能：·键盘输入及控制系统运作·预先温度设定，系统将根据设定的温度进行控制·语音播报·实时显示当前温度1.2主要设计技术指标与参数1.2.1基本要求控制对象为1升净水，水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。1.2.2主要性能指标（1）以单片机为控制核心。（2）达到设定的水温时，进行语音播报。（3）电路可以采用集成电路也可以采用分立式电路（4）用十进制数码显示水的实际温度1.2.3主要设计内容（1）给出电路设计总体框图（2）给出单元电路的设计与计算，并分析单元电路的工作原理（3）将单元电路进行级联形成总体电路，并分析工作原理第二章系统总体框图和方案对比论证2.1总体方案的对比论证本设计的目标是具有语音播报功能的水温控制系统。要求控制对象为1升净水，水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。以单片机为控制核心,达到设定的水温时，进行语音播报。电路可以采用集成电路也可以采用分立式电路。用十进制数码显示水的实际温度。根据设计要求，有以下方案可供选择：方案1：以十六位单片机SPCE061A为核心，采用常见的分立式设计完成外围电路功能。方案2：以单片机AT89C51为核心，采用集成芯片完成外围电路功能。方案对比：方案1使用的SPCE061A单片机，其优势在于自身配备语音播放函数，可以简单快捷的实现语音播放；芯片内置在线仿真、编程接口，对于在线调试较为有用。方案2使用的AT89C51单片机，优势在于软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。二者各有千秋，但是SPCE061A单片机与我们日常接触的51系列在指令系统上面差别很大，同时单片机使用的是PID算法，在目前的知识储备中未曾接触过这种算法，在软件编程上存在困难。而方案2使用的AT89C51单片机在以前接触过，较为了解，使用起来比较简单方便。结论：基于以上对比，本设计采用方案2。2.2系统框图系统主要包含三部分：输入模块（按键输入、数据采集模块的信息输入）、输出模块（语音播报、LED显示）、控制实现模块（继电器、电炉），另外，电路还需要时钟电路和复位电路以及电源电路提供外围辅助。系统框图如图2.1所示。单片机单片机AT89C51LED显示语音播报ISD4004继电器电炉盛水容器数据采集DS18b20按键时钟与复位电路图2-1系统框图2.3单元电路方案的对比论证该部分将从系统框图中的模块出发，分析各单元电路的可行方案，通过对比分析选择最优方案，同时也是从技术角度出发，说明总体方案是最优选项。2.3.1数采集模块数据采集模块是显示模块的前提，同时也是控制电路执行模块反馈形成的必要条件。数据采集模块在很大程度上要求，具有高精度、高灵敏性，数据采集模块的精度影响到处理过程的误差波动，灵敏性影响到反馈的形成。数据采集模块有以下三个方案：方案1：采用分立式的设计，数据采集模块由温度传感器铂电阻Pt1000和运算放大器HT9274，该运算放大器为电压差动运算放大，通过调节可调电阻可以完成调零。铂热电阻的突出性能是在高温和氧化性介质中很稳定，线性度非常好，因此它通常用于工业测温。铂电阻传感器将测得的温度线号传到信号放大器，进行电压信号放大，之后由单片机对信号进行处理并做出反应。工作电路如图2.2所示。方案2：采用集成式的设计,由DS18B20数字化温度传感器独立完成数据采集工作。DSB1820突出的特点是可以直接接入单片机，无需数模装换，能够直接读出被测温度,减少信号失真，而软件部分程序设计将十分简单。其读数方式是数字式的,有效宽度(9-12位)完全可以满足需求,而且读数时间极短,在一秒钟之内就可以完成,芯片的读写都依赖于一个总线,简化了电路,其功耗也比较低。图2-2由PT1000和HT9274构成的测温电路方案对比：方案1应用的是铂电阻，铂电阻线性好，但是需要进行模数转换，在一定程度上影响了数据精度，相比较而言，方案2更为合适。结论：基于以上对比，数据采集模块选用方案2。2.3.2语音播报模块语音播报模块实现的途径是通过单片机控制语音播放器件传输到扩音器,将预先设定好的语音播放出来。可行的方案有以下两个：方案1：以SK040G语音芯片直接驱动的0.5W的扩音器。SK040G语音芯片是一次性可编程语音芯片，语音输出有PWM和DAC两种模式，可以选择控制模式，控制模式有三种并口控制、串口控制、按键控制等。该语音芯片内部自带滤波功率放大器，直接连接扩音器也不会影响音质。方案2：以AT89C51单片机为核心，由ISD4004语音芯片配合音频功率放大器LM386、麦克风、扩音器等简单外围器件完成语音播放工作，单片机只需要提供工作信号，在信号驱动下语音芯片便可通过扬声器将预先设定的语音内容播放出来，而所播放的语音内容可以以录音的方式直接收录进语音芯片便可，这得益于ISD4004语音芯片所特有的“直接模拟量存储”专利技术。方案比较：两个方案从功能上来说都能顺利完成任务，但是方案1中SK040G是可编程语音芯片，要完成语音播放任务需要预先的编程，增加了工作量；另外，虽然该芯片的价格只有几元钱，但是其是一次性可编程的，完成一次变成后期编程功能即丧失，经济性好，但性价比低。方案2中使用的ISD4004语音芯片因其所特有直接模拟量存储技术，大大简化了工作量，并且可以反复使用。结论：基于以上比较，语音播放模块选择方案2。2.3.3控制实现模块控制实现模块的方案理论上的方案都是通过继电器衔接电炉，完成弱电信号对强电的控制，而使用什么样的继电器对电路的完成效率有着很大的影响，主要由以下两种选择：方案1：使用传统电磁式继电器，电磁式继电器结构简单、实用，单片机传送高电平信号至三极管，三极管正向导通信号传至2号接口，继电器电流输入口两个反向电压作用，磁性消失，原本被吸附弹片落下，连接高压两端电路，电路导通，开始加热。图2-3传统继电器方案2：使用较为新型的固态继电器，完成强弱电信号衔接。单片机接口连接一个快速反相器，再连接到固态继电器上，固态继电器另一端连接220V电源，正向信号传送至反相器导通，固态继电器工作，强电电路导通，驱动电炉工作。图2-4固态继电器方案比较：方案设计要求中并没有对加热装置的使用做出明确要求，但是控制对象明确为1L水，加热非常简单，普通的1Kw电炉就可以胜任。外界的电压为220V,继电器及其连接部应该有两倍的耐压性，并能保证继电器电路本身不会对前级电路造成影响。方案2的SSR继电器具有过零控制功能，可以实现。结论：基于以上对比，控制实现单元采用方案2.第三章硬件单元电路设计及相关参数3.1单片机AT89C51模块AT89C51是美国ATMEL公司生产的高性能8位CMOS单片机，单片机ROM采用具有可快速擦写功能的只读程序存储器（PEROM），容量为4Kbytes，而RAM为128bytes大小的随机存取数据存储器，ATMEL公司的在8951身上使用了高密度、非易失性存储技术，单片机兼容标准的MCS-51产品指令系统，片内CPU为通用8位中央处理器，并置有flash存储单元，功能强大。AT89C51单片机因其高性价比适用广泛，为各种控制领域所青睐。3.1.1主要性能参数：·具有良好的兼容性，MCS-51系列产品的指令系统完全可应用于AT89C51·flash闪速存储器容量较大,可达4K字节·数据存储器擦鞋周期长,最高可达1000次·静态操作频率宽,下限0Hz,上限24MHz·程序存储器可进行三级加密·内部数据存储器（RAM）为128*8字节·四组8引脚可编程的I/O口·16位定时／计数器2个·中断源6个·可编程串行UART通道·低功耗空闲和掉电模式3.1.2功能特性概述:AT89C51提供以下标准功能：内含两级中断结构,其向量数为5，通信口为串行全双工通信，带有内部时钟电路，但是精度较低。同时，AT89C51可在0Hz状态下进行静态逻辑操作，该单片机提供两种节电模式，模式选择由软件完成。当单片机处于空闲方式，其CPU将停止工作，在此期间RAM的读取不受影响，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。单片机掉电后，能自动保存RAM中的内容，与此同时，振荡器将停止提供时钟信号，在下一个硬件复位前，所有部件都会被禁止。3.1.3引脚功能说明:图3-1AT89C51引脚排列（PDIP）P0口：P0口是双向I/O口，具有八个引脚，各引脚为漏极开路型，是地址或者数据总线复位口，低八位地址线和数据总线分时复用。P1口：P1口同样是双向I/O口，引脚也是八个，但是P1口各引脚的不同之处在于其带内部上拉电阻的，P1可以通过吸收或输出电流的方式由其输出缓冲级完成对TTL逻辑门电路的驱动，可以驱动的个数为4个。P2口：P2口的性质功能与P1口基本相同，不同之处在于在进行Flash编程和程序校检时，P2口可以获取16位地址的外部数据，但是P1口只能获取低8位地址P3口：P3口是的性质功能与P1、P2口重叠，但是P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3.1所示:表3-1P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0Rxd(串行输入口)P3.1Txd(串行输出口)P3.2^int0(外中断0)P3.3^int1(外中断1)P3.4t0(定时/计数器0)P3.5t1(定时/计数器1)P3.6^WR(外部数据存储器写选通)P3.7^RD(外部数据存储器读选通)除此之外，P3口还可以接收控制信号，这些控制信号一般用于f闪速存储器编程和程序校验。RST：复位信号输入端，外部复位电路提供复位信号，复位电路的形式分为手动和自动两种。ALE/PROG：ALE（地址所存允许）引脚有两个作用，当CPU访问外部程序存储器或数据存储器时，输出脉冲信号，用于低8位字节地址的锁存；当CPU对flash存储器进行编程时，该引脚可以完成编程脉冲（^PROG）信号的输入。^PSEN：^PSEN是程序存储允许，其作用是输出外部程序存储器的读选通信号，每个机器周期内，允许两次读取外部程序存储器。EA/VPP:EA保持低电平时，单片机的CPU只能访问外部程序存储器，当EA保持高电平时，需要接VCC端，CPU就只能访问内部程序存储器XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输出端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。3.2按键模块按键的功能是完成对系统初始温度的设定,实现这样的要求最少需要三个键,一个功能键,另外两个键调节温度。各个键的功能描述如表3-2所示。表3-2按键控制描述按键名称功能描述K2加一键每按一次键，数字加1K3减一键每按一次键，数字减1K4功能键按键按下,系统处于设定状态,再次按下,系统设定完成。图3-2按键输入模块按键与单片机AT89C51的连接方式是，三个按键的一端都接地，另一端分别接10K的上拉电阻，电阻另一端接+5V的直流电源。从硬件电路来看，正常情况下，直流电源、电阻、单片机构成通路，单片机与按键单元连接的引脚始终处于低电平状态，只有当某个按键按下的时候，才会有高电平信号输入对应引脚。从软件的工作原理来看，按键单元采用软件查询和外部中断相结合的方法，由单片机直接对键盘进行扫描，低电平有效。按键K4与P1.5相连，采用外部中断方式，并且优先级定为最高；K2和K3分别与P1.7和P1.6相连，采用软件查询的方式。3.3数据采集模块数据采集模块采用的是美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DS18B20，其特性是可以直接把温度转变为相应的数字量，该温度传感器特备适合于各种计算机组成单线多点温度测量系统。3.3.1DS18B20主要特性·温度转化与输出过程全部采用数字量

·一根数据总线完成输入输出通信·数据采集精度,温度误差不超过0.5摄氏度·在最大分辨率下,工作周期为750毫秒

·供电方式采用独立供电或寄生供电

·适用温度范围较宽,下限为–55°C上限为·内部带有EEPROM，并具备限温报警功能

·内部只读存储器(ROM)含有64位产品序列号

·多样的封装形式3.3.2封装及引脚排列、功能DS18B20有多种封装形式，如管道式、磁铁吸附式、不锈钢封装式等，所以可以适应不同的工作环境，如高炉水循环测温、锅炉测温等。在本设计中，采用不锈钢封装式的DS18B20，为保证测温精度,需要用传感器对被测试对象(1L水)进行直接接触式测温,不锈钢形式的封装可以保护传感器不受腐蚀。图3-3DS18B20引脚排列及封装DS18B20外形看起来像一只三极管，引脚如图3-3，引脚名称及功能如下：GND接地端DQ数字输入输出，与TTL电平兼容。VDD可选电源端。每只DS18B20都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电（寄生电源供电）和外部供电。采用数据总线供电时，VDD接地，这样的方式有三个优点，一是可以进行远距离测温，省去外部电源；二是可以在没有外接电源的情况下完成测温程序执行；三是节省一根传输线，简化了电路，但缺点是采用寄生供电方式会延长测温时间，并且对外部电源的稳定性要求较高，需要电源长时间稳定在+5V；采取外部供电方式时，VDD需要接5V直流电源，优点是可以提高测量速度，并且该方式下对电源要求宽泛，当工作中电压从+5V降到+3V芯片仍然能够正常工作，但是该状态下，GND引脚绝对不能悬空，否则程序会进入死循环，读取的温度值始终是85摄氏度。3.3.3单片机访问DS18B20流程单片机是DS18B20的控制器，在控制器的指令引导下，温度传感器完成温度采集和数据传输工作。单片机通过一线总线访问DS18B20的话，需要经过以下几个步骤：复位单片机上电后，向DS18B20发送不少于480us的低电平信号，DS18B20会在最长60us的时间内向的单片机返回一个脉冲信号，证明数据采集芯片正在待命，复位完成。执行ROM指令复位完成后，单片机向DS18B20发送ROM指令，功能是读取DS18B20内部序列号，当然，读取序列号的过程是为了区分单总线上的多个DS18B20，当总线上连接单个DS18B20温度传感器时，可以执行跳过ROM指令。在本设计中仅挂接一片温度传感器，就可以执行跳过命令。执行DS18B20功能指令（RAM指令）在ROM指令发送完毕后，单片机直接向DS18B20发送RAM指令，RAM指令一共有六条，分别是，写RAM数据、读取RAM数据，将数据复制并发送到EEPROM，进行温度转换、EEPROM回传数据给RAM、进行工作方式的切换，DS18B20具体要进行什么样的工作，由单片机发送的不同命令决定。3.3.4DS18B20测温原理DS18B20内部有四个主要的数据部件，其中包括带有64位序列号的光刻只读存储器ROM，温度传感器，温度传感器的储存器，配置寄存器。温度传感器测量温度的过程实际上是由一只热敏电阻组成电路完成的，该热敏电阻接入一个电桥中，基准温度下，电桥处于平衡状态。当热敏电阻感受到温度后，会产生阻值变化，电桥的平衡被打破输出端产生电压，即温度的模拟量值，该模拟量对应一个十进制数量值。之后，得到温度转换命令后，DS18B20根据传感器测得的数量值进行转换，形成二进制的数字化温度值，其计算过程为，测得温度t，若为正值，则T=t/0.0625,直接将T转换为二进制T1，如温度t等于+125，T=2000，降T转化为二进制为0000011111010000，十六进制表示是07D0H，若所的温度为负值，如t=-0.5，则T=-8，其二进制表示过程为，8D=0000000000001000B，取反为1111111111110111，加1后的T1，T1=1111111111111000，十六进制表示为FFF8H。该温度值被存储在存储器中，在单片机对DS18B20进行读取时，温度值传输至单片机内。3.3.5单片机与DS18B20的连接前面已经对DS18B20的引脚进行了介绍,该数据采集芯片只有三个引脚:GND接地端,DQ数字输入/输出端,VDD可选端,VDD可以接地也可以接5V直流电源,当VDD接地时会影响到读数速度,所以在进行连接时,1820VDD端口选择接5V直流电源。单片机与数据采集芯片的连接如图3.4所示。图3-4DS18B20与AT89C51单片机的接口电路3.4LED显示模块图3-5数码管的共阳极电路图根据系统设计要求，显示模块的电路要完成动态显示功能，其显示的温度用十进制表示，由于实际中并没有对精度提出明确要求，我们可以将步进值设置为1摄氏度，由两片LED构成电路，完成从0-99℃的温度显示。由于AT89C51单片机带有32个引脚，无需端口扩展。显示模块需要的器件有，两片8段LED数码管，一个8路三态反相驱动器74HC241，两个与非门74LS01，8个10K电阻。LED显示模块的电路连接图如图3-6所示，数码管采用共阳极电路，+5V直流电源接8个10K上拉电阻接入74HC241反相驱动器，74HC241接P0口，用作字形驱动，数码管8位引脚接入电阻与反相驱动器之间，74LS01用作位选驱动。数码管是8段共阳极，所以发光时，字形驱动“0”有效，，位选驱动“1工作时，位选信号每次仅有一路输出是“0”，另一路是“1”，同时P2口选通的数码管相对应的字形码信号。事实上，两只数码管轮流通电，仅有一只数码管显示数字，由于数码管发光具有余晖特性及人眼的视觉暂留作用，选取循环扫描频率，在视觉上是所有数码管同时点亮的。图3-6显示电路的数码管与单片机连接图3.5语音播报模块语音播报模块是以ISD4004为核心的，ISD4004是ISD4000系列语音芯片的一种,4000系列还有ISD4002、ISD4003等，个位上的数字表示语音录放时间，4004的录放时间为8、10、12、16，不同小类录放时间不同。ISD系列芯片与其他语音芯片相比，有一项独有技术——多电平直接模拟专利技术该技术的使用是4004在语音采集的过程中，将采集到的模拟量采样值直接存储到闪速存储器中，避免了A/D转换和数据压缩过程中导致的信号损失与误差，因此由ISD4004存储播放的语音显得真实、自然，效果极佳，一般的固体录音电路在量化和压缩过程中造成的量化噪声和金属声不会在ISD身上出现。3.5.1ISD4004外部引脚语音芯片ISD4004的外部引脚图如图3-7所示。图3-7ISD4004外部引脚图引脚说明：（1）同相模拟输入（ANA

IN+）录音信号的同相输入端（2）反相模拟输入（ANA

IN-）录音信号的反相输入端。（3）音频输出（AUD

OUT）音频经该端口输出，可驱动5kΩ的负载。

（4）片选（）端口低电平有效，即控制器向该口发送信号选中芯片。（5）串行输入（MOSI）串行输入端，主控制器向该口发送的控制信号，ISD4004获得信号输入。（6）串行输出（MISO）ISD4004串行输出端，芯片未处于工作状态，该端口呈高阻状态。（7）串行时钟（SCLK）由控制器将时钟信号通过该口发送给ISD4004。（8）中断（）漏极开路输出端口。（9）外部时钟（XCLK）没有接外部时钟时，此端必须接地。（10）自动静噪（AM

CAP）1μF电容构成内部峰值检测电路的一部分，检测出的峰值电平与内部设定的阈值作比较，决定自动静噪电路的工作与否。3.5.2工作参数·工作电压：单电源+3V直流电压,耐受范围较宽·语音录放时间：8—16min·工作电流：25-30mA·维持电流：1uA·录音周期：10万次·采样频率：8KHz（频率可选：4.0,5.3,6.4,8.0KHz，频率越低，录放时间越长，但是音质会下降）3.5.3语音播放单元电路MK1为驻极体话筒（MIC），用于语音信号录入，LS为麦克风，功率为0.5w，用于语音信号播放。在播放语音的部分中，输出端OUT接低电压通用集成功率放大器LM386M，放大器用于驱动扬声器LS。图3-8所示的功放与扬声器的连接是LM368的典型电路，LM386M两个GAIN脚间外接10μF的旁路电容，可以使电路的放大倍数提高200倍。图3-8语音播放电路图3.6执行模块执行模块的功能是将单片机传送来的驱动信号送至继电器，控制继电器工作，由继电器完成弱电流和强电流的衔接，使电炉转为工作状态，对容器中的水进行加热，使水温恢复到设定温度,选用的型号是240D10固态继电器。3.6.1固态继电器SSR工作原理系统执行模块采用固态继电器SSR进行控制,SSR内部可以划分为三个部分：输入电路、耦合电路、输出电路。设计中采用的240D10输入电路为两端直流输入，前端加阻性负载，抑制大电流产生，保障控制信号稳定；在耦合电路中使用光耦合器，实现输入端与输出端的隔离控制，消除负载端大电流的串扰；输出电路使用单向可控硅SCR和双向可控硅Triac,控制负载电源的通断，输出端也是两端接口。在输入端加控制信号完成对输出端负载的“通”“断”控制SSR内部的光耦合器OPTOS01输入端的负载是发光二极管，这决定了输入端与输入信号电平匹配，使用时，SSR输入端直接与单片机输出口连接，由“1”与“0”逻辑电平控制。触发电路的功能是通过产生合适的触发信号，驱动开关电路工作，这种情况下，将产生射频干扰信号并以高次谐波或尖峰等干扰电路，为此设计了“过零控制电路”。所谓“过零”是指，输入端加控制信号，交流电压过零时，固态继电器即为通态；而当断开控制信号后，固态继电器要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时，固态继电器才为断态。下图为一种典型的交流型SSR的电路原理图，其内部结构图如图3-9所示。3.6.2固态继电器SSR的特点（1）SSR通过弱信号对强电信号进行控制。（2）SSR全部由固态电子元件组成，工作可靠性高、寿命长。（3）交流型SSR采用过零触发技术，避免了对计算机产生的干扰。（4）SSR可以承受的浪涌电流可达额定电流十倍左右。图3-9继电器内部结构图图3-10继电器控制模块及加热装置3.6.3继电器控制电路图下图是一个控制电阻丝加热的电路图，单片机通过P3.1口的输出控制继电器的开合并进行通讯,当继电器的开关闭合时，晶闸管的门极触发电路导通，即晶闸管导通，220V的交流电压直接加在加热装置，加热装置为日常用的1kw电阻性电炉，进行加热，其电路图如图3-10所示。3.7时钟和复位电路前面各单元电路都是以各种集成器件为核心,完成个单元承担的任务,在本单元索要设计的是即使外围辅助单元。单片机的时钟信号和复位需要本单元电路的3.7.1时钟51单片机的时钟信号可以由外部时钟提供，也可以有内部时钟提供。内部时钟的特点是，时钟电路由单片机自身内置的放大器与外部谐振构成自激振荡器电路，完成时钟信号提供，减少外围电路，但缺点是精度略差；外部时钟的特点是精确度高，稳定好，但是会大大增加外围电路。由于本设计对精度要求不高，从简化电路角度考虑，我们在本设计中选择内部时钟电路。AT89C51内置高增益反相放大器，该放大器外接一组谐振就可构成时钟电路，放大器的引脚是XTAL1和XTAL2，分别代表输入端和输出端。外部谐振可以选择石英晶体也可以选择陶瓷谐振，考虑到成本，设计中采用石英晶体谐振电路，电路中有两个电容C5，C7，谐振电路电容的大小影响振荡频率、稳定性、和起振。AT89C51的资料中建议使用30PF的电容，石英晶振要尽可能的提高频率以增加精度，所以选用12MHz的石英晶体。3.7.2复位电路复位电路为单片机提供复位信号，复位的方式由系统的工作原理决定，由于水温控制系统的水温设定是有手动完成，所以单片机的复位最好也由手动完成。因此在复位电路是按键电平复位，设置复位键K1，K1与+5V高电平相连，按下复位键，复位信号经电阻传至单片机复位端，完成复位过程，中间的时间仅需要2个机器周期。时钟电路和复位电路如图3-11所示。图3-11定时控制器和复位电路图3.8主电源电路由前面对各单元电路的描述可知，按键模块、数据采集模、显示模块、执行模块和复位电路均需要外接+5V的直流电源，而语音播报模块需要提供+3V左右的直流电源。其中数据采集模块的DS18B20数字化温度传感器采用的是外部供电工作模式，要求外部电源有较好的稳定性；除此之外，继电器既连接低电平直流电源，又连接着的高电压交流电源，容易造成信号串扰；从这两方面考虑，系统中应该有独立的电源为各个模块单独供电。主电源电路分为两部分，一部分提供+5V直流电源，另一部分提供+3V直流电源。两部分结构相同，都是由变压器、桥式全波整流电路、电容(C1、C2、C8、C9)滤波电路、三端固定输出的集成稳压器78LXX构成，一端接直流电源，另一端输出直流电源，不同之处在于+5V电路采用的是78L05，+3.3V采用的是78L33。下图电路是，78L05和78L33的典型应用电路。系统的供电电源电路如图3.12所示。图3-12主电源电路第四章系统各单元模块程序设计系统软件由主程序和各单元模块的分支程序构成，单元模块的程序分别有：键盘模块程序、数据采集模块程序、显示模块程序、语音播报模块程序、执行模块程序4.1主程序流程图系统上电后,首先开启中断,对键盘进行扫描,如果键盘正在进行设定,则显示模块显示设定值,若未处于设定状态,则调用数据采集模块,传送实际温度给显示模块,执行模块通过不间断地对比实际温度与设定温度决定是否进行加热,语音播报款则根据,实际值与设定值的对比决定是否播报语音。开始开始化调用键盘扫描模块程序调用数据采集模块程序开中断调用显示模块程序调用执行模块程序调用语音播报模块程序中断关中断调用显示模块程序图4-1主程序流程图4.2键盘模块程序流程图系统上电以后扫描键盘，若键盘的确认键K4按下，则系统处于设定状态，调用显示模块，将扫描K2，K3键的结果传送至显示模块，使其显示显示设定的温度值，当K4键再次按下，设定完成，将设定值送单片机存储。调用显示模块调用显示模块初始化扫描按键送设定值储存并显示开始K4键按下YN返回下YN图4-2按键模块程序流程图4.3数据采集模块程序流程图系统上电后，对DS18B20发出搜索器件的序列号命令，读取DS18B20的序列号，之后启动DS18B20作温度转换并读取温度值。第一温度采集后，再次执行温度采集模块时，跳过读取序列号的过程，直接进行温度转换并读取温度值。图4-3数据采集模块流程图4.4显示模块程序流程图该模块首先判断系统是否处于设定状态，如果处于设定状态则显示设定温度，否则显示当前实际温度。显示子程序的功能是将显示缓冲区内的二进制数据先转化成对应的BCD码，分别存入十位和个位显示区，然后通过串行通信口送出显示。显示模块程序的流程见图4-4设定状态有效效设定状态有效效开始显示实际温度调用二进制转换成BCD码程序初始化设置串口方式设置显示位数串口发送显示返回YN图4-4显示模块流程图4.5语音播报模块程序流程图语音播报模块的响应系统前，首先要完成语音数据的录入工作，之后进入工作状态，对比实际温度与设定温度是否相同，相同则进行语音播报，不同则返回信号，20s之后再次进行检测，重复上一轮工作。调用键盘设定温度值调用键盘设定温度值开始调用数据采集模块程序，读取温度值初始化存储语音信号实际温度值与设定温度相等播放存贮的语音信号返回否是图4-5语音播报模块程序流程图4.6执行模块程序流程图读取18B20的实时数据与设定值的比较，开始进行加热，在加热的过程中需要进行每20秒一次的跟踪检测，并把检测到的实时数据与设定值比较，根据比较结果判断是否进行加热，其具体流程如图4-6所示。每隔每隔20秒检测1次实际温度与设定温度相等加热YN读18B20,调用实际温度值Y图4.7温度检测与控制流程图图4-6温度检测与控制流程图调用按键设定温度值初始化开始结论本论文所设计的系统采用AT89C51单片机为核心的成熟框架，在语音播报模块和数据采集模块应用了较为先进的ISD4004语音芯片和DS18B20数据采集芯片。ISD4004采用直接模拟量存储技术，可以将录入的语音信号直接存储，无需A/D和数据压缩过程，减少了信号失真。DS18B20是数字化温度传感器，其测得的温度数据在器件内部直接转换为数字量，并将数字量出输给控制器，大大简化了，数据转化过程，提高了集成度，增强了系统功能，简化了电路。电路执行部分，采用的是SSR固态继电器，性能优越。电路采用独立电源供电，为电路提供稳定的直流电源。电路设计中由于考虑到成本，没有完全发挥各器件的功能，如ISD4004芯片，其电源端分为VSSD和VSSA两类，VSSD代表数字电路电源端，而VSSA是模拟电路电源端，最好是单独供电，可以最大限度的降低噪声，但是电路中并没有设置两组+3V的直流电源。在软件设计部分由于AT89C51程序设计自由度较大，各单元模块的程序设计可变动性较强。语音模块和数据采集模块的程序在芯片的介绍中都已经给出，但是这两个程序非常的复杂，通过调整以适应系统设计要求，难度很大，故这两部分程序没有在论文中给出。参考文献[1]姜志海，黄玉清.单片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2009.[2]董晓红.单片机原理及接口技术[M].西安：西安电子