具有语音播报功能的水温控制系统.doc
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毕业设计
具有语音播报功能的水温控制系统
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2012年6月
摘要
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
Abstract
Paperdescribeswithspeechfunctionofthewatertemperaturecontrolsystemisthebasisofmatureframeworkdesign,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
35
目录
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章引言 1
1.1课题背景及意义 1
1.2主要设计技术指标与参数 2
1.2.1基本要求 2
1.2.2主要性能指标 2
1.2.3主要设计内容 2
第二章系统总体框图和方案对比论证 3
2.1总体方案的对比论证 3
2.2系统框图 3
2.3单元电路方案的对比论证 4
2.3.1数采集模块 4
2.3.2语音播报模块 5
2.3.3控制实现模块 6
第三章硬件单元电路设计及相关参数 9
3.1单片机AT89C51模块 9
3.1.1主要性能参数:
9
3.1.2功能特性概述:
9
3.1.3引脚功能说明:
10
3.2按键模块 12
3.3数据采集模块 13
3.3.1DS18B20主要特性 13
3.3.2封装及引脚排列、功能 13
3.3.3单片机访问DS18B20流程 14
3.3.4DS18B20测温原理 15
3.3.5单片机与DS18B20的连接 16
3.4LED显示模块 16
3.5语音播报模块 17
3.5.1ISD4004外部引脚 18
3.5.2工作参数 19
3.5.3语音播放单元电路 19
3.6执行模块 20
3.6.1固态继电器SSR工作原理 20
3.6.2固态继电器SSR的特点 21
3.6.3继电器控制电路图 22
3.7时钟和复位电路 22
3.7.1时钟 22
3.7.2复位电路 23
3.8主电源电路 24
第四章系统各单元模块程序设计 23
4.1主程序流程图 23
4.2键盘模块程序流程图 24
4.3数据采集模块程序流程图 24
4.4显示模块程序流程图 25
4.5语音播报模块程序流程图 26
4.6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
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
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
AT89C51
LED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
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
P3.0
Rxd(串行输入口)
P3.1
Txd(串行输出口)
P3.2
^int0(外中断0)
P3.3
^int1(外中断1)
P3.4
t0(定时/计数器0)
P3.5
t1(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1
K3
减一键
每按一次键,数字减1
K4
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
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