【正文】 度傳感器 DS18B20 具有更高的性價比，DS18B20 能夠構(gòu)建經(jīng)濟的測溫網(wǎng)絡(luò)。因而在本次設(shè)計中，選用的是數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，故采用的是方案二。 3 顯示模塊方案一：采用八位數(shù)碼管，將單片機的數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管顯示出來。該方案簡單易行，但所需的元器件較多，且不容易進(jìn)行操作，可讀性較差，一旦設(shè)定后，很難加入其它的功能，顯示格式受控制，且耗電量大。方案二：采用 LCD 顯示屏進(jìn)行顯示。LCD 顯示屏是一種低壓、微功耗的顯示器件，只要 23 伏就可以工作了，工作電流僅為幾微安，是其它顯示器無法比擬的，同時可以顯示大量信息，除數(shù)字外，還可以顯示字母，曲線，比傳統(tǒng)的 LED 數(shù)碼顯示器的畫面有了質(zhì)的提高。雖然 LCD 顯示器的價格比傳統(tǒng)的 LED數(shù)碼管要貴些，但它的顯示效果更好，是當(dāng)今顯示器的主流，所以采用 LCD 作為顯示器。采用 LCD，更容易實現(xiàn)題目的要求，對后續(xù)的功能兼容性高，只需將軟件修改即可，可操作性強，易于度數(shù)，采用 RT1602 兩行十六字符的顯示，能同時顯示時間，溫度。綜上分析，采用第二種方案。 鍵盤控制模塊方案一：44 矩陣式鍵盤。此方案對于本系統(tǒng)來說無非是浪費 I/O 占用MCU 的資源，不利于系統(tǒng)的擴展，這就使系統(tǒng)的實用性降低，況且本系統(tǒng)根本不需要 16 個按鍵。方案二：獨立式按鍵。對于獨立式按鍵來說，如果設(shè)置過多按鍵，雖然會占用較多 I/O 口，給布線帶來不便，此方案適用于按鍵較少的情況。在本設(shè)計中所需要的控制點數(shù)的較少，只需要幾個功能鍵，簡便、易操作、成本低就成了首要考慮的因素。所以此時，可采用獨立式按鍵結(jié)構(gòu)。 語音播報模塊方案一：通過 A/D 轉(zhuǎn)換器、單片機，存儲器，D\A 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)聲音信號的采樣、處理、存儲和實現(xiàn)。首先將聲音信號放大，通過 AD 轉(zhuǎn)換器采樣將語音模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并由單片機和處理存放到存儲器中，實現(xiàn)錄音操作。在錄、放音過程中由單片機控制 D/A 轉(zhuǎn)換器，將存儲器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成聲音信號。此方案安裝調(diào)試復(fù)雜，集成度低，成本也不低。方案二：采用 ISD1420 語音錄放。ISD1420 是采用模擬存取技術(shù)集成的可反復(fù)錄放的 20 秒語音芯片，掉電語音不丟失，最大可分 160 段，最小每段語音 4長度為 125ms，每段語音都可由地址線控制輸出，每 125ms 為一個地址，由 A0A7 八根地址線控制。該芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術(shù)，每個采樣值可直接存儲在片內(nèi)單個 EEPROM 單元中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲。此外，ISD1420 還省去了 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器，方便擴展更多的功能。綜上所述，選擇方案二，即 ISD1420。4 設(shè)計原理本系統(tǒng)選用的模塊包括：單片機系統(tǒng)，電源模塊，LCD 顯示模塊，語音播報模塊，溫度傳感器模塊，鍵盤控制模塊，具體的電路圖參照附錄二。此次的畢業(yè)設(shè)計的核心部分是單片機的控制，給以相關(guān)的命令，按照人們的意愿執(zhí)行相應(yīng)的操作，這次選用的是 ATMEL 公司生產(chǎn)的常用芯片 AT89S52,主要是他的價格便宜,而且是我們通用性較強,容易獲得。CPU 即中央處理器的簡稱，是單片機的核心部件，它完成各種運算和控制操作，CPU 由運算器和控制器兩部分電路組成。 a. 運算器電路 運算器電路包括 ALU（算術(shù)邏輯單元） 、ACC（累加器） 、B 寄存器、狀態(tài)寄存器、暫存器1和暫存器2等部件，運算器的功能是進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算。 b. 控制器電路控制器電路包括程序計數(shù)器 PC、PC 加1寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針 DPTR、堆棧指針 SP、緩沖器以及定時與控制電路等。控制電路完成指揮控制工作，協(xié)調(diào)單片機各部分正常工作。 c. 定時器/計數(shù)器 MCS－52單片機片內(nèi)有兩個16位的定時/計數(shù)器，即定時器0和定時器1。它們可以用于定時控制、延時以及對外部事件的計數(shù)和檢測等。 d. 存儲器 MCS－52系列單片機的存儲器包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，其主要特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間是相互獨立的，物理結(jié)構(gòu)也不相同。 5e. 并行 I/O 口 MCS－52單片機共有4個8位的 I/O 口（P0、PP2和 P3） ，每一條 I/O 線都能獨立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個 TTL 門電路，PP2和 P3口為準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力為4個 TTL 門電路。 f. 串行 I/O 口 MCS－521單片機具有一個采用通用異步工作方式的全雙工串行通信接口，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 g. 中斷控制系統(tǒng) 8051共有5個中斷源，即外中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中斷1個。 h. 時鐘電路 MCS－52芯片內(nèi)部有時鐘電路，但晶體振蕩器和微調(diào)電容必須外接。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列，～12MHz，典型取值為6MHz。 以上所有組成部分都是通過總線連接起來，從而構(gòu)成一個完整的單片機。系統(tǒng)的地址信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號都是通過總線傳送的，總線結(jié)構(gòu)減少了單片機的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。 選用單片機的結(jié)構(gòu)： 1 一個8 位算術(shù)邏輯單元 2 32 個 I/O 口4 組8 位端口可單獨尋址 3 兩個16 位定時計數(shù)器 4 全雙工串行通信 5 6 個中斷源兩個中斷優(yōu)先級 6 128 字節(jié)內(nèi)置 RAM 7 獨立的64K 字節(jié)可尋址數(shù)據(jù)和代碼區(qū) 每個8051 處理周期包括12 個振蕩周期每12 個振蕩周期用來完成一項操作如取指令和計算指令執(zhí)行時間可把時鐘頻率除以12 取倒數(shù)然后指令執(zhí)行所須的周期 除以12 后就得到了每秒執(zhí)行的指令個數(shù) 。： 6 AT89S52管腳圖 單片機外圍電路設(shè)計 本設(shè)計選用的 AT89S52 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng)及 80S52 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89S52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S52 具有如下特點：40 個引腳，4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器，128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，32 個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5 個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷，2 個 16 位可編程定時計數(shù)器,2 個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89S52 設(shè)計和配置了振蕩頻率，并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式。AT89S52 單片機綜合了微型處理器的基本功能。當(dāng) AT89S52 芯片接到來自溫度傳感器的信號時，其內(nèi)部程序?qū)⒏鶕?jù)信號的類型進(jìn)行處理，并且將處理的結(jié)果送到顯示模塊、報警模塊、語音播報模塊，發(fā)送控制信號控制各模塊。該模塊在硬件設(shè)計方面，其外圍電路提供能使之工 7作的晶振脈沖、復(fù)位按鍵，四個 I/O 口分別用于外圍設(shè)備連接。單片機AT89S52 硬件連接圖如圖 所示，其中 P0 接口外接上拉電阻以保證高低電平的準(zhǔn)確性。單片機 AT89S52 的 I/O 端口具體分配與下表 :圖 單片機與外圍設(shè)備硬件連接圖 表 AT89S52 的 I/O 端口具體分配AT89S52 的 IO 端口 外接點 LCD 顯示地址端口 語音芯片播音地址端口 DS18b20 通道 連接鍵盤控制端口 連接報警器端口 開始播音口 LCD 讀/寫選擇端 LCD 數(shù)據(jù)/命令端 LCD 使能端 8 AT89S52復(fù)位電路系統(tǒng)復(fù)位是任何微機系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個控制芯片回到默認(rèn)的硬件狀態(tài)下即單片機的片內(nèi)電路初始化，使單片機從一種確定的初態(tài)開始運行。AT89S52 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。復(fù)位引腳 RST 通過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。手動復(fù)位：手動復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端加高電平讓系統(tǒng)復(fù)位。一般采用的方法是在 RST 端和正電源 VCC 之間接一個按鍵，當(dāng)按下按鍵后，VCC 和 RST端接通，RST 引腳處有高電平，而且按鍵動作一般是數(shù)十毫秒、大于兩個機器周期的時間，能夠安全的讓系統(tǒng)復(fù)位。上電復(fù)位：上電復(fù)位電路是—種簡單的復(fù)位電路，只要在 RST 復(fù)位引腳接一個電容到 VCC，接一個電阻到地就可以了。上電復(fù)位是指在給系統(tǒng)上電時，復(fù)位電路通過電容加到 RST 復(fù)位引腳一個短暫的高電平信號，這個復(fù)位信號隨著 VCC 對電容的充電過程而回落，所以 RST 引腳復(fù)位的高電平維持時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)安全可靠的復(fù)位，RST 引腳的高電平信號必須維持足夠長的時間。在本設(shè)計中復(fù)位電路的設(shè)計是采用簡單，用得比較廣的復(fù)位電路接法，如圖 所示，它具有上電復(fù)位和按鍵復(fù)位的雙重復(fù)位功能。圖 復(fù)位電路 AT89S52時鐘電路時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊的一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式：一種 9是內(nèi)部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。本文用的是內(nèi)部時鐘方式。電路圖 所示：圖 時鐘電路圖AT89S52 單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 電源模塊鑒于系統(tǒng)使用的單片機 AT89S52 和各芯片工作電壓在 5V 左右。我們選擇了 5V 穩(wěn)壓電源給單片機和各芯片供電。電路由簡單實用的三端穩(wěn)壓器構(gòu)成，輸入電壓 5V，滿足大部分電路的要求，電源電路圖如下圖 所示，由于使用了全橋，電壓輸入既可以使用交流輸入，又可以使用正負(fù)直流輸入，能夠防止由于極性接反造成的事故。濾波電容使用電解電容與小電容并聯(lián)的方式，能夠有效消除高頻自激現(xiàn)象。發(fā)光二極管接到電源與地之間，如果電源輸出不正常，發(fā)光二極管都會出現(xiàn)工作異常，提示電源部分故障。 10圖 電源電路圖本模塊主要作用是進(jìn)行溫度采集，然后經(jīng)采集的數(shù)據(jù)送入 AT89S52 里進(jìn)行分析處理。在本次設(shè)計中采用了 DS18B20 作為數(shù)據(jù)采集器，它的精度最少可以精確到 ，完全可以用來進(jìn)行環(huán)境溫度的測量。DS18B20 是美國 DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器,可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微處理器處理,而且可以在一條總線上掛接任意多個 DS18B20 芯片,構(gòu)成多點溫度檢測系統(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?DS18B20 的信息僅需一根總線 ,總線本身可以向所有掛接的DS18B20 芯片提供電源, 而不需額外的電源。由 DS18B20 這一特點,非常適合于多點溫度檢測系統(tǒng),硬件結(jié)構(gòu)簡單,方便聯(lián)網(wǎng),在倉儲管理、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制造、氣象觀測、科學(xué)研究以及日常生活中被廣泛應(yīng)用。 DS18B20的測溫原理DS18B20 內(nèi)有一個能直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的溫度傳感器,其分辨率 9,10 ,11 ,12bit 并且可編程,通過設(shè)置內(nèi)部配置寄存器來選擇溫度的轉(zhuǎn)換精度,出廠時默認(rèn)設(shè)置 12bit。溫度的轉(zhuǎn)換精度有 ℃、℃、℃、℃。溫度轉(zhuǎn)換后以 16bit 格式存入便箋式 RAM,可以用讀便箋式 RAM 命令(BEH) 通過 1 Wire 接口讀取溫度信息,數(shù)據(jù)傳輸時低位在前，高位在后。內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)格式如圖 所示。溫度/數(shù)字對應(yīng)關(guān)系如表 所示（分辨率為 12bit 時） 。由于DS18B20 單線通信功能是分時完成的，它有嚴(yán)格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。操作協(xié)議為：初始化 DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā) ROM 功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。 11 表 溫度和數(shù)據(jù)對應(yīng)表溫度 二進(jìn)制數(shù)據(jù) 十六進(jìn)制數(shù)據(jù)+125176。C 0000 0111 1101 0000 07D0h+85176。C* 0000 0101 0101 0000 0550h+176。C 0000 0001 1001 0001 0191h+176。C 0000 0000 1010 0010 00A2h+176。C 0000 0000 0000 1000 0008h0176。C 0000 0000 0000 0000 0000h176。C 1111 1111 1111 1000 FFF8h176。C 1111 1111 0101 1110 FF5Eh176。C 1111 1110 0110 1111 FE6Fh55176。C 1111 1100 1001 0000 FC90h圖 DS1820B 內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)格式 DS18B20與 AT89S52的接口電路設(shè)計DS18B20 可以從單總線上得到能量并儲存在內(nèi)部電容中,該能量是當(dāng)信號線處于低電平期間消耗,在信號線為