1、温度采集和语音报温系统设计温度采集和语音报温系统设计摘 要温度是一种最基本的环境参数，日常生活和工农业生产中经常要检测温度。随着半导体技术的飞速发展，各种数字化、智能化温度测量技术的应用范围越来越广。传统的温度采集方式是采用热电偶或热电阻，由于其输出为模拟信号，必须经过A/D转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器连接，使得硬件电路结构比较复杂，制作成本较高。近年来，以美国DALLAS公司生产的DS18B20为代表的新型单总线数字式温度传感器得到广泛的应用。本文设计了一个以DS18B20传感器为核心，通过单片机来控制的温度采集，语音播报系统。该系统将温度直接转变成数字信号送入单片机中进行实
2、时采集，通过LCD1602液晶显示模块将结果显示出来，增加了摄氏温度与华氏温度转换对比显示功能，设定了整点语音自动播报时间温度，手动实时播报时间温度功能。关键字：AT89S52；LCD1602；数字温度传感器；ISD1420The system designing of temperature collection and voice reported that temperatureAbstract: Temperature is one of the m94ost basic environmental parameters, and it usually must be measured
3、 in daily life and industrial&agricultural production. Withthe rapid development of semiconductor technology,moreand more,digital&intelligenttemperature measuring technology is widely applied.So it is particularly important tomaster the technology of designing a temperature measurement&control syste
4、m inhardware and software.The traditional mode of Temperature measurement adopted thermocouple orthermistor whose output is analog signals and must be converted to digital signals,thentransmitted into SCM(Simple Chip Machine).So it is rather complex with little higher cost.In recent years,DS18B20(DA
5、LLAS USA),as a representative of the new digitaltemperature sensor with single bus,is widely used.In this project,a temperature measuring&transmition system controlled by SCM and PC is designed.At front end,the real-timetemperature data acquired and converted to digital type through DS18B20 sensor a
6、re sentinto SCM,and it is displayed on LCD1602 module. Increased Celsius temperature conversion contrast with Fahrenheit and sets up a display function beep voice automatically broadcast time temperature, manual real-time broadcast time temperature function.Key words：AT89S52；LCD1602；Digital Temperat
7、ure Sensor；ISD1420第一章前言1.1 概述随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。1.2 温度采集器件的发展测量温度的关键是温
8、度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：1传统的分立式温度传感器2模拟集成温度传感器 3智能集成温度传感器目前的智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展，本文将介绍智能集成温度传感器D
9、S18B20的结构特征及控制方法，并对以此传感器，AT89S52单片机为控制器构成的数字温度测量装置的工作原理及程序设计作了详细的介绍。与传统的温度计相比，其具有读数方便，测温范围广，测温准确，输出温度采用数字显示，主要用于对测温要求比较准确的场所，或科研实验室使用。本次设计使用AT89S52单片机，测温传感器使用DS18B20，用LCD液晶来实现温度显示。1.3存在的问题分析DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线
10、必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。1.4研究思路本文主要对DS18B20数字温度传感器的研究，设计了一个简易的温度采集系统。由于该温度传感器的精度有限，所以显示的温度只能精确到0.1摄氏度。通过DS18B20将采集到的温度信息以数字信号的形式传给单片机，经过处理后一端传给LCD显示，另一端传给ISD1420语音芯片经处理后实现报温，从而实现既能显示温度信息，又能播报温度信息的功能。由于成本较低，容易被多数家庭
11、所采纳，可用于工业的大批量生产。第二章系统总体结构设计2.1 系统的结构框图系统以AT89S52单片机作为核心控制器件，外围主要有实时语音芯片ISD1420、温度传感器DS18B20等，均为串行通信器件，使得系统线路简单可靠性高。系统结构框图如图2-1所示：图2-1 系统结构框图2.2 主要电路功能介绍1电源电路由于干电池输出功率不高，只能勉强驱动单片机，而且在整个系统工作中，电压会随着时间的推移不断降低，进而出现死机等情况，因此本系统采用独立的1805稳压电源。电源的稳压的特性较好，能够保证整个系统稳定工作。2.温度采集DS18B20是美国达拉斯半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温
12、度传感器。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可以将温度直接转化成串行数字量供微处理器处理。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网优点，在实际测温的过程中取得了良好的测量效果。其供电方式简单，可用数据线供电，所需的外围器件较少，甚至不需要外围器件。因此，在本次设计中采用DS18B20作为温度采集器。3.键盘控制由于在本设计中所需要的控制点数较少，只需要几个功能键，简便、易操作、成本低就成了首要考虑的因素。所以，采用了独立式按键结构
13、。4.控制电路本次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AT89S52,主要是它的价格便宜,而且通用性较强,容易获得。在设计中，单片机的P0.0到P0.7与LCD的D0到D7相连，控制它的时间和温度显示。P1.0到P1.7与语音芯片ISD1420的A0到A7相连，实现语音片段的地址传输。5.显示模块本次设计采用的是采用LCD显示屏进行显示。LCD显示屏是一种低压、微功耗的显示器件，工作电流仅为几微安，是其它显示器无法比拟的，同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示字母，曲线，比传统的LED数码显示器的画面有了质
14、的提高。虽然LCD显示器的价格比传统的LED数码管要贵些，但它的显示效果更好，是当今显示器的主流，所以采用LCD作为显示器。采用LCD，更容易实现题目的要求，对后续的功能兼容性高，只需将软件修改即可，可操作性强，易于度数，采用RT1602两行十六字符的显示，能同时显示时间，温度。6.报警电路报警电路比较简单，主要由一个发光二极管和蜂鸣器构成。三极管器开关的作用。当温度低于下限温度或高于上限温度时二极管闪烁蜂鸣器报警。7.语音录放本系统除了实现温度的显示外还有一个重要功能是实现语音报温。在这次设计中采用了ISD1420语音芯片实现语音录放功能。ISD1420是采用模拟存取技术集成的可反复录放的2
15、0秒语音芯片，掉电语音不丢失，最大可分160段，最小每段语音长度为125ms，每段语音都可由地址线控制输出，每125ms为一个地址，由A0-A7八根地址线控制。该芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样值可直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声。此外，ISD1420还省去了A/D和D/A转换器，方便扩展更多的功能。第三章系统的硬件设计3.1 控制电路在本设计中，考虑到单片机构成的应用系统有较大的可靠性，容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。还具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现。本设计还需要利用单片机
16、的定时计数器、中断系统等等。所以，选择以单片机为核心进行设计具有极大的必要性。3.1.1 单片机简介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。 1. 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。 2. 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。 3. 定时器/计数器 MC
17、S52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。 4. 存储器 MCS52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。 5. 并行I/O口 MCS52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。 6. 串行I/O口 MCS52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
18、接收数据。 7. 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。 8. 时钟电路 MCS52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1.2MHz12MHz，典型取值为6MHz。 9.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。 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
19、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 。AT89S52的管脚图如图3-1所示：图3-1AT89S52管脚图3.1.2单片机外围电路设计本设计选用的AT89S52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，兼容标准MCS-51指令系统及80S52引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和IS
20、P Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52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，AT89S52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
21、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。AT89S52单片机综合了微型处理器的基本功能。当AT89S52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AT89S52硬件连接图如图3-2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AT89S52的 I/O端口具体分配与下表3-1:图3-2单片机与外围设备硬件连接图表3-1 AT8
22、9S52的 I/O端口具体分配AT89S52IO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3.1.3 AT89S52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。AT89S52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
23、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
24、复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。图3-3 复位电路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3.1.3所示，它具有上电复位和按键复位的双重复位功能。3.1.4 AT89S52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3.1.4所示：图3-4 时钟电路AT89S52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
25、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简述DS18B20传感器的工作特性3.2.1 DS18B20功能简介DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。DS18B20产品的特点：1.DS18B20因为采用了单总线技术，可通过串行口线，也可通过其他I/O口线与微机直接接传感器直接输出被测温度值（二进制数）。2.在DS18B20中的每个器件上都有独一无二
26、的序列号。3.实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。4.测量温度范围在55。C到125。C之间。5.数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。6.内部有温度上、下限告警设置。7.用户可自设定非易失性的报警上下限值。8.支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。9.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。3.2.2 DS18B20结构引脚图图3-5 DS18B20引脚DS18B20的引脚较为简单，功能实现主要靠DQ脚实现。表3-2为个引脚功能介绍：表3-2 DB18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数
27、据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。3.2.3 DS18B20内部结构DS18B20主要由64位ROM，存储器，逻辑控制器，暂存器，8位CRC产生器和温度传感器构成，它的内部框图如图3-6所示：图3-6 DS18B20内部框图1. 64位ROM存储器件独一无二的序列号,如表3-3所示：表3-3 ROM各位功能2. DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM.后者用于存储TH，TL值。第5字节则是用户第3字节的镜像。第6,7,8字节为计数
28、寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的。第九个字节为前8个的crc效验码。DS18B20九个寄存器的名称及作用 如表3-4所示：表3-4 9个寄存器功能介绍序号寄存器名称作用序号寄存器名称作用0温度低字节存放补码4、5保留字节1、21温度高字节6计数器余值2TH/用户字节1温度上限7计数器/C3TL、用户字节2温度下限8CRC检验码表3-5是两个个8位的RAM中，存放二进制的数，高五位是符号位，如果温度大于0OC,这五位数为0，将测到的数值乘以0.0625，即得到实际的温度值;如果温度小于0OC,高五位为1，测到的数值需要取反加1，再乘以0.0625，才得到实际的温度值。高速暂存器R
29、AM共占0、1两个单元：表3-5 8位ROM表3-6给出了一些数字输出数据与对应的温度值的例子。表3-6 输出数据与温度对应关系3DS18B20不需额外的供电电源；当总线为高电平时，功率由单总线上的上拉电阻通过DQ引脚提供；高电平总线信号同时也向内部电容CPP充电，CPP在总线低电平时为器件供电。3.2.4 DS18B20控制模式一DS18B20的命令序列初始化：DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始。由主机发出的复位脉冲和跟在其后的由DS18B20发出的应答脉冲构成。当DS18B20发出响应主机的应答脉冲时，即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。ROM命令：ROM命令通过每个器
30、件64-bit的ROM码，使主机指定某一特定器件（如果有多个器件挂在总线上）与之进行通信。DS18B20的ROM如表3-7所示，每个ROM命令都是8 bit长。表3-7 ROM命令命令描述协议此命令发出后1-Wire总线上的活动SEARCH ROM识别总线上挂着的所有DS18B20的ROM码F0h所有DS18B20向主机传送ROM码READ ROM当只有一个DS18B20挂在总线上时，可用此命令来读取ROM码33hDS18B20向主机传送ROM码MATCH ROM主机用ROM码来指定某一DS18B20，只有匹配的DS18B20才会响应55h主机向总线传送一个ROM码SKIP ROM用于指定总线
31、上所有的器件CCh无ALARM SEARCH与SEARCH ROM命令类似，但只有温度超出警报线的DS18B20才会响应ECh超出警报线的DS18B20向主机传送ROM码功能命令：DS18B20的功能命令如表3-8所示：表3-8DS18B20向主机传送供电状态命令描述协议此命令发出后1-Wire总线上的活动温 度 转 换 命 令Convert T开始温度转换44hDS18B20向主机传送转换状态（寄生电源不适用）存 储 器 命 令Read Scratchpad读暂存器完整的数据BEhDS18B20向主机传送总共9字节的数据Write Scratchpad向暂存器的2、3和4字节写入数据（TH， TL和精度）4Eh主机向DS18B20传送3个字节的数据Copy Scratchpad将TH， TL和配置寄存器的数据复制到EEPROM48h无Recall E2将TH， TL和配置寄存器的数据从EE
