太原科技大学
毕业设计（论文）设计(论文)题目：关于AT89c51的语音温度计
姓名_ 陈强____
学院（系）_ 机电工程系___
专业_过程装备与控制工程_
年级__ 2012级_______
指导教师__张翠英______
2016 年 6 月 3 日
太原科技大学毕业设计（论文）任务书学院（直属系）:化学与生物工程学院时间：2016年3月1 日学生姓名陈强指导教师张翠英设计（论文）题目
基于AT89C51单片机的语音温度计设计
主要研究内容1.研究语音温度计的工作原理；
2.学习单片机系统的工作原理，并且选择系统的单片机型号；
3.选择合理的外围电路器件，设计语音温度计系统；
4.用proteus软件对语音温度计进行仿真。
研究方法
主要技术指标(或研究目标)
主要参考文
献
AT89c51单片机的语音温度计设计
摘要
温度是一种基本的环境参数.它关系着我们的日常生活.在我们的生活中需要测量温度,在化工生产中需要测量温度,在农业里温度的测量也有至关重要的作用,所以温度的准确测量对我们整个社会有着非常重要的意义.研究温度的测量方法和装置对整个社会的进步都有非常大的帮助.
通常测量温度的仪器叫做温度计,水银玻璃温度计和酒精温度计就是我们日常生活中最常见的温度计,它们的测量的方式是以温度刻度的方式来表示温度的高与低,人们必须通过观察刻度来读取温度值。比如玻璃水银温度计虽然测量较为准确，但是由于价格较低，刻度的制作过于精细，测量出来的度数不容易读数，同时还有易碎的缺点。随着电子技术的迅速发展，完全可以设计一款智能语音温度计，以语音的方式读出温度值，方便简单，有直接准确，非常的实用。在这个基础上采用单片机控制技术，使测量的温度信息用语音的方式播报出来，可以发挥现代的电子技术的优势，准确而已直观的弥补常用温度计不易度数和容易损坏的特点，可以为我们的生产生活提供很大的便利
关键词：语音温度计；智能； AT89c51 单片机
第1章绪论
1.1 课题的背景意义
单片微型计算机简称单片机---典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统）。它的体积小、质量轻、
价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。
本课程设计叙述了智能温度计的设计,包括硬件组成和软件的设计,该系统在硬件设计上本课程设计叙述了智能温度计的设计，包括硬件组成和软件的设计，该系统在硬件设计上主要是通过温度传感器对温度进行采集，把温度转换成变化的电压，然后由放大器将信号放大，通过A/D转换器，MC14433将模拟温度电压信号转化为对应的数字温度信号电压。其硬件设计中最为核心的器件是单片机AT89C51。整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机AT89C51实现其控制功能。整个系统结构紧凑，简单可靠，操作灵活，功能强大，性能价格比高，较好的满足了现代农业生产和科研的需要。
2 硬件系统的选择
本课题的目的是设计一种基于AT89C51单片机的语音温度计设计。主要内容包含硬件系统和软件系统两部分。
硬件系统包含六个部分模块：单片机模块、键盘控制模块、LCD显示模块、温度传感器模块、语音播报模块、电源模块等。
单片机采用八位机AT89C51，根据内部的特性，完全能满足功能要求；因为需要输入的数字量不多，所以采用独立式按键模式；显示器使用LCD显示屏，温度传感器采用DS18B20这种供电方式简单的温度传感器，语音播报模块采用ISD1420语音录放。
2.1电源模块的选择
方案1：采用干电池作为供电电源。这种方案的优点是设计简单实用，成本不高；可以独立地驱动单片机，完全满足要求。
方案2：采用小额稳压电源。电源的稳定性较好，可以保证整个系统稳定工作，但是有很多的多余线路，过于复杂。
综合分析采用方案1不仅成本低而且稳定工作，满足设计要求。
2.2温度传感器的选择
方案1:DS18B20是一种应用非常广泛的温度传感器。18B20 单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：
( 1 )采用单总线的接口方式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。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
( 2 )测量温度范围宽，测量精度高 DS18B20 的测量范围为 -55 ℃ ~+ 125 ℃ ; 在 -10~+ 85°C范围内，精度为± 0.5°C 。
( 3 )在使用中不需要任何外围元件。
( 4 )持多点组网功能多个 DS18B20 可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。
( 5 )供电方式灵活 DS18B20 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。
( 6 )测量参数可配置 DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定 9~12 位。
( 7 ) 负压特性电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
( 8 )掉电保护功能 DS18B20 内部含有 EEPROM ，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。
DS18B20 具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统。
方案2：AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4 V至30 V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1 μA/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K (25°C)时输出298.2 μA电流。
AD590适用于150°C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、
与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。
综合分析根据本设计系统的要求，温度传感器DS18B20具有更高的性价比，同时它还具有更为经济的测温网络，在一定范围里准确性更好。所以选择方案1温度传感器DS18B20。
2.3显示模块的选择
方案1：采用8 位数码管，将单片机的传入的数据通过数码管显示。这种方案简单成本低，但是所需的元件较多，不易操作，并且耗电量较大。
方案2：采用LCD显示屏。LCD显示屏是一种低压，微功耗的显示器件，只要2-3伏就可以正常工作。LCD显示器优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等，虽然LCD显示器的价格要比传统LED数码管贵许些，但是它的显示效果不是LED数码管能媲美的，是当今显示器的主流产品，所以选择LCD显示屏要更好，更能满足设计的要求。
综合分析，LCD显示器具有显示清晰，方便的特点，所以选用LCD显示器。
2.4键盘模块的选择
方案1：4x4矩阵式键盘。这个方案对于本系统来说。有点浪费I/O口占用MCU 的资源，会使系统的实用性大大降低。完全不用这么多的按键来达到所需的功能。
方案2 ：独立式按键。会占用较多的I/O口，给线路的布置带来点小麻烦，但是对于按键较少的一种情况，它也是个不错的选择。
综合分析，采用方案2 可以满足设计要求，成本低，易操作。
2.5语音播报模块
方案1：实用A/D转换器，单片机，存储器，D/A转换器就可以实现声音信号的采集，处理，存储和实现。首先可以将声音引号放大，通过AD转换器的采样将语音模拟信号转换成为数字信号，用单片机处理存放到存储器中，实现录音功能。在录，放过程中用单片机控制D/A转换器，把存储器中的数据转换成为声音信号。此安装安装调试复杂，集成度低，成本较高。
方案2:采用ISD1420语音录放。ISD1420为美国ISD公司出品的优质单片语音录放电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方法是借助于美国ISD公司的专利--直接模拟存储技术(DAST TM)实现的。利用它，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入EEPROM存储器.直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语音的再现。仅语音质量优胜，而且断电语音保护。
ISD1420是采用模拟存取技术集成的可以反复录放的20秒语音芯片，最大可以分为160段，最小每段语音长度为125ms，省去了A/D和D/A转换器，方便了许多。
综合分析：ISD1420性价比更高，较好的满足了设计要求。
第3章设计原理
3.1单片机模块
此次的毕业设计的核心部分是单片机的控制，给以相关的命令，按照人们的意愿执行相应的操作，这次选用的是ATMEL公司生产的常用芯片AT89S51,主要是他的价格便宜,而且是我们通用性较强,容易获得。
3.1.1单片机介绍
CPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路组成。
a. 运算器电路
运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。b. 控制器电路
控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。
c. 定时器/计数器
MCS－51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。
d. 存储器
MCS－51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。
e. 并行I/O口
MCS－51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。
f. 串行I/O口
MCS－51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。
g. 中断控制系统
8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。h. 时钟电路
MCS－51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2MHz～12MHz，典型取值为6MHz。
i.总线
以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。
选用单片机的结构：
1 一个8 位算术逻辑单元
2 32 个I/O 口4 组8 位端口可单独寻址
3 两个16 位定时计数器
4 全双工串行通信
5 5 个中断源两个中断优先级
6 128 字节内置RAM
7 独立的64K 字节可寻址数据和代码区
每个8051 处理周期包括12 个振荡周期每12 个振荡周期用来完成一项操作如取指令和计算指令执行时间可把时钟频率除以12 取倒数然后指令执行所须的周期数因此如果你的系统时钟是11.059MHz 除以12 后就得到了每秒执行的指令个数为921583条指令取倒数将得到每条指令所须的时间1.085ms 。
AT89C51的管脚图如图3.1所示：
图3.1 AT89C51管脚图
AT89C51的引脚功能
VCC：接正极电源+5v
GND：接地
RST：复位信号输入引脚
XTAL1，XTAL2：接外部晶振引脚，外部时钟电路如图1-6
P0，P1，P2，P3：不扩展功能作双向I/O口用，访问外部存储器时，P2，P0分别做地址总线高低8位地址。
3.1.2 单片机外围电路设计
本设计选用的AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）
电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89C51设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。AT89C51单片机综合了微型处理器的基本功能。
当AT89C51芯片接到来自温度传感器的信号时，其内部程序将根据信号的类型进行处理，并且将处理的结果送到显示模块、报警模块、语音播报模块，发送控制信号控制各模块。该模块在硬件设计方面，其外围电路提供能使之工作的晶振脉冲、复位按键，四个I/O口分别用于外围设备连接。单片机AT89C51硬件连接图如图4.2所示，其中P0接口外接上拉电阻以保证高低电平的准确性。单片机AT89C51的 I/O端口具体分配与下表3.1:
表3.1 A T89C51的I/O端口具体分配
AT89C51的IO端口外接点
P0.0-P0.7LCD显示地址端口
P1.0-P1.7语音芯片播音地址端口
P2.0DS18b20通道
P2.1-P2.4连接键盘控制端口
P2.6连接报警器端口
P3.3开始播音口
P3.6LCD读/写选择端
P3.7LCD数据/命令端
P2.7LCD使能端
3.1.3A T89C51复位电路
系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下即单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
手动复位：手动复位需要人为在复位输入端加高电平让系统复位。一般采用的方法是在RST端和正电源VCC之间接一个按键，当按下按键后，VCC和RST端接通，RST引脚处有高电平，而且按键动作一般是数十毫秒、大于两个机器周期的时间，能够安全的让系统复位。
上电复位：上电复位电路是—种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST 复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST 引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。
在本设计中复位电路的设计是采用简单，用得比较广的复位电路接法，如图3.3所示，它具有上电复位和按键复位的双重复位功能。
3.1.3A T89C51复位电路
系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下即单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
手动复位：手动复位需要人为在复位输入端加高电平让系统复位。一般采用的方法是在RST端和正电源VCC之间接一个按键，当按下按键后，VCC和RST端接通，RST引脚处有高电平，而且按键动作一般是数十毫秒、大于两个机器周期的时间，能够安全的让系统复位。
上电复位：上电复位电路是—种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST 复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST 引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。
在本设计中复位电路的设计是采用简单，用得比较广的复位电路接法，如图3.3所示，它具有上电复位和按键复位的双重复位功能。
图3.3 复位电路
.1.4 AT89C51时钟电路
时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度
时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种
方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本文用的是内部时钟方式。电路图3.4所示：
图3.4 时钟电路图
AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。
3.2电源模块
鉴于系统使用的单片机AT89C51和各芯片工作电压在5V左右。我们选择了5V稳压电源给单片机和各芯片供电。电路由简单实用的三端稳压器构成，输入电压5V，满足大部分电路的要求，电源电路图如下图3.5所示，由于使用了全桥，电压输入既可以使用交流输入，又可以使用正负直流输入，能够防止由于极性接反造成的事故。滤波电容使用电解电容与小电容并联的方式，能够有效消除高频自激现象。发光二极管接到电源与地之间，如果电源输出不正常，发光二极管都会出现工作异常，提示电源部分故障。
图3.5 电源电路图
3.3温度传感器模块
本模块主要作用是进行温度采集，然后经采集的数据送入AT89C51里进行分析处理。在本次设计中采用了DS18B20作为数据采集器，它的精度最少可以精确到0.0625，完全可以用来进行环境温度的测量。DS18B20是美国DALLAS 公司生产的单总线数字温度传感器,可把温度信号直接转换成串行数字信号供微处理器处理,而且可以在一条总线上挂接任意多个DS18B20芯片,构成多点温度检测系统无需任何外加硬件。DS18B20 数字温度传感器可提供9～12 位温度读数,读取或写入DS18B20 的信息仅需一根总线,总线本身可以向所有挂接的DS18B20 芯片提供电源,而不需额外的电源。由DS18B20 这一特点,非常适合于多点温度检测系统,硬件结构简单,方便联网,在仓储管理、工农业生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用。
3.3.1 DS18B20的测温原理
用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来的到温度值。计数器被预置到对应于-55的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到-55℃）的值增加，表明所测温度大于-55℃。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数知道0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期测温时获得比较高的分辨力，这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。DS18B20内部对此计算的结果可提供0.5℃的分辨力。温度以16bit带符号位扩展的二进制补码形式读出，表3.2给出了温度值和输出数据的关系。数据通过单线接口以串行方式传输。DS18B20测温范围-55℃~+125℃，以0.5℃递增。如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表。
表3.2 温度和数据对应表
注意DS18B20内温度表示值为1/2℃LSB，如下所示9bit格式：
表3.3温度表
最高有效（符号）位被复制充满存储器中两字节温度存储器的高MSB位，由这种“符号位扩展”产生出了表3.2的16bit温度读数。
3.3.2 DS18B20测温原理图：
图3.6 DS18B20 测温原理框图
可用下述方法获得更高的分辨力。首先，读取温度值，将0.5℃位（LSB）从读取的值中截去，这个值叫做TEMP_READ。然后读取计数器中剩余的值，这个值是门周期结束后保留下来的值（COUNT_REMAIN）。最后，我们用到在这个温度下每度的计数值（COUNT_PER_C）。用户可以用下面的公式计算实际温度值：
C
PER COUNT REMAIN
COUNT
C
PER
COUNT
READ
TEMP
E
TEMPERATUR
_
_
) _
_
_
25
.0
_-
-
-
=
3.3.3 DS18B20与A T89C51的接口电路设计
DS18B20可以从单总线上得到能量并储存在内部电容中,该能量是当信号线处于低电平期间消耗,在信号线为高电平时能量得到补充,这种供电方式称为
寄生电源供电。DS18B20也可以由3～5.5V的外部电源供电。所以在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相