吳金華

(江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電系，江西贛州 341000)

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)題目為語音溫度計(jì)，因?yàn)橐脝纹瑱C(jī)去完成程序控制以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，故外圍電路設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單。硬件設(shè)計(jì)可分為:核心控制CPU、環(huán)境溫度采集、數(shù)碼管顯示、語音播報(bào)、鍵盤以及超量報(bào)警［1］。硬件電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 語音溫度計(jì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖

1.2 方案選擇

基于圖1的框圖介紹，可了解到語音溫度計(jì)設(shè)計(jì)的各種模塊。每一模塊均有一個(gè)核心器件，對(duì)于該器件的選擇在某種程度上決定了設(shè)計(jì)方案的選擇［2］。

(1)由于是利用單片機(jī)控制電路，因此在電路中，單片機(jī)控制處理器為核心器件［3］。在該設(shè)計(jì)中可使用AT89C2051、AT89S51以及凌陽公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)等。但考慮到各種因素，設(shè)計(jì)選用AT89S51單片機(jī)作為核心控制CPU。

(2)要設(shè)計(jì)溫度計(jì)便要有溫度采集，可以采集溫度的途徑較多，文中采用達(dá)拉斯(Dallas)公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其可使溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微處理器處理，且外圍電路簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便。

(3)要彌補(bǔ)之前用視覺單一解決問題的缺陷，可采用美國(guó)ISD公司出品的新型優(yōu)質(zhì)單片錄放音電路實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)功能，該功能采用直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)DAST來完成語音的錄入、存儲(chǔ)及分段輸出。因此失真小、使用方便、不需專用語音開發(fā)工具且成本低廉，所以得到了廣泛使用。

(4)在語音播報(bào)時(shí)需考慮音量的大小，設(shè)計(jì)采用LM386音頻功率放大器來實(shí)現(xiàn)音量大小的調(diào)節(jié)。語音芯片輸出的聲音大小無法直接改變，需通過外圍電路對(duì)其進(jìn)行放大，因此在外圍電路添加一個(gè)放大的音頻功率電路，在此電路中應(yīng)用LM386既可實(shí)現(xiàn)音量放大且造價(jià)低廉、操作方便易實(shí)現(xiàn)，因此選擇該系統(tǒng)來控制音頻。

(5)顯示技術(shù)是傳遞視覺信息的技術(shù)，由于LED數(shù)碼管顯示器的壽命較長(zhǎng)、價(jià)格低廉且顯示清晰，所以在設(shè)計(jì)中選擇LED顯示環(huán)境溫度［4］。

1.3 系統(tǒng)電路的軟硬件設(shè)計(jì)和模塊原理

系統(tǒng)電路的軟硬件設(shè)計(jì)和模塊原理，如圖2～圖5所示。

2 各單元的建立

2.1 核心控制CPU的介紹

AT89S51是一種低損耗、高性能、CMOS 8位的微處理器，片內(nèi)有4 kB的在線可重復(fù)編程快擦快寫存儲(chǔ)器，可重復(fù)寫入或擦除1 000次，數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)10年。其與MCS 251系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS 251系列單片機(jī)，且功能多于MCS251系列。AT89S51可構(gòu)成單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積、增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性且降低了成本。只要程序長(zhǎng)度≤4 kB，4個(gè)I/O口全部為用戶提供?？捎? V電壓編程，且擦寫時(shí)間僅需10 ms，僅為8751/87C51擦除時(shí)間的1%，與875/87C51的12 V電壓擦寫相比，不易損壞器件，并無兩種電源的要求，且改寫時(shí)無需拔下芯片，適用于眾多嵌入式控制領(lǐng)域。

2.2 鍵盤控制模塊

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中除復(fù)位按鍵有專門的復(fù)位電路及復(fù)位功能外，其他按鍵或鍵盤均是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置功能或輸入數(shù)據(jù)的。因此，這些開關(guān)不僅單一用于電平輸入。

當(dāng)所設(shè)的功能鍵或數(shù)字鍵按下時(shí)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)將完成該鍵預(yù)設(shè)的功能。因此，鍵信息輸入是與軟件結(jié)構(gòu)相應(yīng)的過程。對(duì)于某些應(yīng)用系統(tǒng)，鍵輸入程序是整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的核心。圖6為單片機(jī)鍵盤掃描框圖。

對(duì)于一組鍵或一個(gè)鍵盤，總有一個(gè)接口電路與CPU相連。通過軟件了解鍵輸入信息，CPU可采用中斷或查詢的方式了解是否按下按鍵，并檢查按鍵。當(dāng)有鍵按下時(shí)，便執(zhí)行該鍵的功能程序。

圖6 鍵盤掃描框圖

2.3 溫度采集模塊

(1)設(shè)計(jì)采用DS18B20作為數(shù)據(jù)采集器，其精度可精確到0.062 5，可進(jìn)行環(huán)境溫度的測(cè)量。DS18B20是美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器，可將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微處理器處理，而且可在一條總線上掛接多個(gè)DS18B20芯片，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)無需任何外加硬件。DS18B20數(shù)字溫度傳感器可提供9～12位溫度讀數(shù)，讀取或?qū)懭隓S18B20的信息僅需一根總線，總線本身可向所有掛接的DS18B20芯片提供電源，無需額外電源［5－6］。

(2)溫度傳感器與單片機(jī)的接口。設(shè)計(jì)中，傳感器的DQ端連接單片機(jī)AT89S51的P1.0端。其測(cè)量溫度子程序的流程圖如圖7所示，可根據(jù)流程圖以及DS18B20測(cè)量溫度的基本指令來編寫程序。

圖7 測(cè)溫流程圖

2.4 語音錄放模塊

ISD1400系列語音芯片是美國(guó)ISD公司的新產(chǎn)品，圖8是其原理框圖，包括時(shí)鐘振蕩器、低噪前置放大器和差分功率放大器等電路。ISD1400系列語音芯片采用直接存儲(chǔ)模擬信號(hào)、自動(dòng)待機(jī)省電、可編程電擦除和讀寫存儲(chǔ)等技術(shù)。

2.5 數(shù)顯電路模塊

數(shù)碼管使用的是4位共陽極的LED數(shù)碼管，公共端都經(jīng)過PNP三極管連接電源，由單片機(jī)的P2.0～P2.3接口控制三極管的基極。當(dāng)基極為低電平時(shí)三極管導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管點(diǎn)亮并顯示相應(yīng)的數(shù)值，如圖9所示。

圖8 ISD1420的原理框圖

圖9 數(shù)顯電路圖

3 結(jié)束語

溫度監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能:(1)可在0～90℃之間設(shè)定，標(biāo)定溫差為xx。(2)當(dāng)溫度未在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并發(fā)送無線信號(hào)，發(fā)送距離＞10 m。(3)LED數(shù)碼管可較為準(zhǔn)確地顯示實(shí)際溫度。(4)通過按鍵可設(shè)置溫度和語音播報(bào)，語音可完成遠(yuǎn)距離傳送報(bào)警信號(hào)。

［1］白駒珩，雷曉平.單片計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用［M］.成都:電子科技大學(xué)出版社，1997.

［2］朱定華.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［3］譚家玉.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［4］郭強(qiáng).液晶顯示應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［5］鄧鵬.基于單片機(jī)的家用電話遠(yuǎn)程遙控裝置設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2011，24(12):79 －81.

［6］呂俊亞.一種基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012(7):242－245.