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1、引言从1946年第一台电子计算机问世到现在不过几十年的历史，但它的开展与变化却极为惊人。这几十年来，电子计算机的开展已经历了四代：第一代为电子管数字计算机，其开展年代大约为1946年到1958年。此时，计算机的逻辑元件采用电子管,主存储器采用磁芯磁鼓，外存储器已开始采用磁带,运行速度为每秒几千次到几万次。用途那么主要用于科学计算。编写程序主要采用机器语言，后期逐渐开展了汇编语言。第二代是晶体管计算机，其开展年代大致为1958年至1964年。晶体管代替了电子管作为计算机的逻辑元件。第三代计算机开始采用中小规模集成电路，其开展年代为1964年至1971年。到1971 年出现了集成在一块大规模集成电
2、路上的微处理器微型计算机的核心。一般认为第四代计算机的起点是 70 年代的中期以后，那时，大规模集成电路芯片开始用于一些中大型计算机， 80 年代那么仍然是第四代计算机的年代。在微处理器由低档向高档开展的同时，单片微型计算机也在不断地开展： 1975 年美国德州仪器 TI 公司推出 TMS-1000, 英代尔公司推出4004 4位单片机。1980年英代尔公司在 MCS48 系列的根底上，又推出高性能的MCS51系列8位单片机。1982年 16 位单片机问世后。英代尔又推出了MCS-96系列16位单片机。而今32位单片机又以其强大的功能提供给应用者。单片机目前继续向提高性能的方向开展：一方面继续
3、增加芯片的时钟频率，使之适应更加快速的应用环境，另外片内的存储器的容量也在继续增加，使得芯片存放程序和数据的能力可以不断加大。芯片特有的功能也是单片机开展的一个方向。实际上，单片机的品种远比微处理器的品种多，原因就在于各种不同的单片机可以有各自不同的性能上的特点，可以更加地适应不同的应用环境。随着集成技术的开展和广泛应用的迫切需要，单片机的开展十分迅速，其开展趋势具有以下特点：技术高新化，低功耗，宽电压，高速度，高可靠性，品种多样化。21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，现代信息技术的三大根底是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。随着人类探知领域和空间的拓
4、展，使得人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术传感技术必须跟上信息化开展的需要。传感器技术是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。它属于信息技术的前沿尖端产品，尤其温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量居各种传感器之首。近百年来，温度传感器的开展大致经历了以下三个阶段：(1)传统的分立式温度传感器 (含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器控制器；(3)智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向开展。作为现代信息技术的三大核心
5、技术之一的传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术开展方面争夺的一个重要领域。1 设计要求利用所学的电子电路、单片机、计算机方面的有关知识，设计语音温度计。以AT89S51单片机为核心,用DS18B20数字温度传感器来采集环境温度，用数码管显示，测量范围为:0-100摄氏度，能够使用语音芯片来实现语音报温并且能够记录和修改报警温度值。2 设计思路以及方案选择论证2.1 系统设计思路 本次设计题目为语音温度计的设计，因为要用单片机去完成程序控制，以及数据转换，故外围电路设计起来就比拟简单，具体说来整个硬件设计大体有如下几个局部：核心控制CPU，环境温度采集，数码管显示，语音播报, 键盘以及超量
6、报警。所以设计的重点也就转移到程序设计上来。硬件电路的系统框图如图 1 所示：MCUAT89S51ISD语音报温串行LED显示键盘温度传感器图1 语音温度计设计的系统框图2.2 方案选择论证基于图 1 的框图介绍，我们可以清楚的了解到语音温度计设计的几个模块。每个模块都有一个核心器件，对于核心器件的选择在某种程度上也就决定了设计方案的选择。下面就介绍一下在确定原理图时对方案的选择依据。首先，由于是利用单片机来控制整个电路，所以在整个电路中，单片机控制处理器是最核心的器件。在本次设计中可以用 AT89C2051, 也可以用 AT89S51 ，还可以用凌阳公司生产的16位单片机等。但是因为凌阳单片
7、机相对价格比拟昂贵，所以没有选用它，即使用凌阳单片机可能实现语音播放可能比拟方便。同时基于电路外围芯片用的比拟多，所要用到的单片机的输入输出口也相比照拟多，如果用 AT89C2051 的话，输入输出口将不够用，就无法同时实现语音温度计所需要的显示和报温以及按键控制等功能。同时C51系列单片机是目前应用最广泛, 品种最多的单片机。它具有集成度高，系统结构简单，扩展方便，可靠性高，处理功能强、速度快，容易产品化等优点。更重要的是AT89S51在国内应用最广泛，容易买到，也是所有单片机中最为熟悉的，所以本次设计中选择了AT89S51单片机作为核心控制CPU。第二，要设计温度计一定要有温度采集，可以采
8、集温度的途径很多，在众多应用于温室环境监测的温敏元件中,温敏电阻虽然本钱低,但后续电路复杂, 精度、重复性、可靠性较差，且需进行温度标定;电流型集成温度传感器AD590 也因其输出为模拟信号,且输出信号较弱故需后续放大及A/D转换电路,假设采用普通运放那么精度难以保证,而测量放大器价格偏高,这就使系统的本钱升高。而达拉斯公司生产的单线数字温度传感器DS18B20，作为 DS1820的改版可使温度信号直接转换成串行数字信号供微处理器处理，而且外围电路很简单，实现方便。由于每片DS18B20 含有唯一的序列号，所以在一条总线上可挂多片 DS18B20 。微处理器可通过一根口线经序列号匹配识别后对每
9、一个DS18B20进行读写操作，大大节省了硬件资源，一总线独特而且经济的特点，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。新一代的数字温度传感器DS18B20体积更小、更经济、更灵活。DS18B20的测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内精度为0.5C，分辨率。现场温度直接以“一线总线的数字方式传输，每一颗自带地址，大大减少了系统的电缆数，提高了系统的稳定性和抗干扰性，因此得到广泛使用。所以温度采集选用了DS18B20单总线数字温度传感器。第三，要弥补以前用视觉单一解决问题的缺陷，使人们不仅能够看到还能够听到，就是要实现语音播报功能，这就必须要用语音集成块。I
10、SD系列语音芯片是美国ISD公司出品的新型优质单片录放音电路,它采用了直接模拟量存储技术DAST,完成语音的录入、存储及分段输出, 因而失真小, 使用方便, 不需专用语音开发工具, 本钱低廉，因而在现代技术上得到广泛使用。ISD系列语音芯片有很多款，根据时间容量不同大体有ISD1110、ISD1420、ISD4004等，而在本次设计中一共要录入16段话，大概要10秒到20秒的时间，在众多语音芯片中有10S，20S，16分钟等不同的时间容量，但是对于本毕业设计的要求来说，只要大概10秒到20秒的时间，所以选择ISD1420，大小为20秒的语音芯片，因为ISD1110是10秒的语音芯片，而ISD4
11、004是可以录入16分钟的时间，对本次设计的要求来说不是时间不够，就是资源浪费，所以采用了ISD1420，即符合设计要求也没有太多的资源浪费，而且ISD1420是现在语音领域运用最广泛的一个，所以本次设计中语音芯片选择了它。第四，在语音播报时还要考虑到声音的大小，因为播放出来就是要给人提供方便，弥补只用视觉单一解决问题的缺陷，所以考虑到人的听觉所限，声音不能太小。从语音芯片输出的声音大小不能直接改变，只有通过外围电路来对其进行放大，所以在外围电路添加了一个音频功率放大电路，采用的是LM386。LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品，在此电路中应用LM38
12、6既能实现声音放大，又简单容易实现，价钱也不贵，所以就选择了它进行音频放大。第五，显示技术是传递视觉信息的技术，所以也要注重显示设备的选用。随着信息社会的开展，显示技术也越来越重要。在本次设计中可以用到的显示也很多，比方数码管显示、液晶显示等，但是液晶管显示的寿命比拟短，价格高，显示不够直观。而数码管显示器却不一样，它的寿命长、价格廉价、显示很直观清楚的诸多优点，在各种应用系统中得到越来越广泛的应用。所以在本次设计中选择了74LS595驱动LED显示环境温度。3 系统电路的软硬件设计以及各模块原理介绍3.1 系统电路的硬件设计 系统电路的硬件电路图如图2所示： 图2 系统电路图由前面图1的系统
13、框图可以知道电路的设计大概就是分为5局部，即核心控制CPU、键盘、温度采集、语音录放以及显示电路。以下将分别介绍各个模块的工作原理，以及在整个电路种的接口的电路。1功能描述AT89S51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器, 片内有4k字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器, 能重复写入/擦除1000 次, 数据保存时间为十年。它与MCS 251系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容, 不仅可完全代替MCS251 系列单片机, 而且能使系统具有许多MCS251 系列产品没有的功能。AT89S51可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积, 增加系统的可靠性, 降低了系统本钱。只要程序长度
14、小于4k, 四个I/O 口全部提供给用户。可用5V 电压编程, 而且擦写时间仅需10 毫秒, 仅为8751/ 87C51 的擦除时间的百分之一, 与875/87C51 的12V电压擦写相比, 不易损坏器件, 没有两种电源的要求, 改写时不拔下芯片, 适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽2. 7V 6V , 全静态工作, 工作频率宽, 在0Hz 24MHz 内, 比8751/87C51 等51 系列的6MHz 12MHz 更具有灵活性, 系统能快能慢。AT89S51芯片提供三级程序存储器加密, 提供了方便灵活而可靠的硬加密手段, 能完全保证程序或系统不被仿制。另外, AT89S51 还具有MC
15、S251 系列单片机的所有优点。1288 位内部RAM,32 位双向输入输出线, 两个十六位定时计时器, 5个中断源, 两级中断优先级, 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。2管脚功能AT89S51单片机为40引脚芯片如图3所示。 图3 AT89S51芯片引脚排列 这四十个引脚按照功能大体可以分为三类，如下所示：I/O口P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程
