【正文】 ........24 顯示模塊程序流程圖 ...........................................25 語音播報(bào)模塊程序流程圖 .......................................26 執(zhí)行模塊程序流程圖 ...........................................27 結(jié)論 ........................................................ 28 參考文獻(xiàn) ..................................................... 29 致謝及聲明 ................................................... 30 附錄 ........................................................ 31 附錄一：整機(jī)電路圖 ...............................................31 附錄二：部分程序 .................................................33 第一章 引言 1 第一章 引 言 課題背景及意義 水溫控制系統(tǒng) 起源于早期的溫度控制，而溫度控制最早的應(yīng)用是在大工業(yè)生產(chǎn)時期的工廠中，例如鋼鐵生產(chǎn)，鋼材的等級、型 號 等技術(shù)指標(biāo)的區(qū)分在于對不同溫度鋼水控制來實(shí)現(xiàn)。之后在隨著技術(shù)的革新進(jìn)步，生產(chǎn)活動的擴(kuò)大，越來越多的行業(yè)開始應(yīng)用溫度控制， 而溫度控制也不再限于單一介質(zhì)，空氣、水、化工染料都會成為被控制對象。通過控制介質(zhì)， 來保證產(chǎn)品的質(zhì)量或者用來生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，例如芯片制造，對溫度、濕度的要求就極其嚴(yán)格；在紡織領(lǐng)域， 不同溫度的水處理過的紡織線，在性質(zhì)上具有極大的差別，具體表現(xiàn)在絲線的韌度、彈性 有很大不同。 隨著生產(chǎn)力的發(fā)展與進(jìn)步，溫度控制不再單單應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)上，越來越多日常生活設(shè)施開始使用溫度控制系統(tǒng)，進(jìn)一步改善人類生活環(huán)境，提高生活質(zhì)量。例如，現(xiàn)代化的泳池，當(dāng)前社會在實(shí)用性的基礎(chǔ)上更加講究舒適性，表現(xiàn)在室內(nèi)泳池上，就是泳池 的 水溫要保持在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以使身處泳池之中人的體表感官保持舒適；在家居生活中，技術(shù)較新的產(chǎn)品為了在性能上出眾，以達(dá)到增加銷量的目的，越來越多的人性化設(shè)計(jì)開始使用到家電之中，以電飯煲為例，現(xiàn)在 的電飯煲不在簡簡單單的能煮飯，如果飯煮好后主人沒能及時將飯盛出，電飯煲會根據(jù)溫度進(jìn)行自身調(diào)節(jié)， 以使其中的飯始終保持在適宜食用的溫度范圍內(nèi)，這其中用到的就是溫度控制。 溫度控制系統(tǒng)經(jīng)歷了較長的發(fā)展歷程，技術(shù)越來越成熟，其理論框架基本不會再有較大的改動，而電子科技的發(fā)展為其性能的提升創(chuàng)造了空間。集成化、微型化、多功能化、高效化、低碳化 、簡便化 成為當(dāng)下溫度控制的目標(biāo)。本文將從溫度控制中應(yīng)用最為廣泛的水溫控制系統(tǒng)為例，將較為先進(jìn)集成芯片用到系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)多種功能。本設(shè)計(jì)定位為具有語音播報(bào)功能的水溫控制系統(tǒng)，系統(tǒng)是將 AT89C51 單片機(jī)作為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)的， AT89C51 的強(qiáng)大功能將完成接收鍵盤的指令信號，接受數(shù)據(jù)收集芯片的收集到的實(shí)時數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理之后將要第一章 引言 2 顯示的部分傳送至顯示屏，并可根據(jù)需要控制語音輸出，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的指令控制實(shí)現(xiàn)電路調(diào)整水溫。語音播報(bào)部分采用集成芯片，進(jìn)行語音對外傳輸，選用 ISD4004 在很大程度上優(yōu)化了系統(tǒng)， ISD4004 采用的是“直接模擬量存儲”技術(shù)，該技術(shù)優(yōu)勢明顯可以直接進(jìn) 行模擬數(shù)據(jù)的錄入，即語音播報(bào)部分內(nèi)容可以直接輸入，無需模數(shù)裝換、存儲、 再數(shù)模裝換 的復(fù)雜流程 ，不但簡化了流程，而且最大限度的減少 失真，輸出效果較好。數(shù)據(jù)采集芯片將使用 DS18B20，DS18B20 突出的特點(diǎn)是無需數(shù)模裝換，可以直接接入單片機(jī)，減少信號失真，而軟件部分程序設(shè)計(jì)將十分簡單。 該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能： 鍵盤輸入及控制系統(tǒng)運(yùn)作 預(yù)先溫度設(shè)定，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定的溫度進(jìn)行控制 語音播報(bào) 實(shí)時顯示當(dāng)前溫度 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與參數(shù) 基本要求 控制對象為 1 升 凈水，水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實(shí)現(xiàn)自動控制，以保持設(shè)定的溫度基本不變。 主要性能指標(biāo) （ 1）以單片機(jī)為控制核心。 （ 2）達(dá)到設(shè)定的水溫時，進(jìn)行語音播報(bào)。 （ 3）電路可以采用集成電路也可以采用分立式電路 （ 4）用十進(jìn)制數(shù)碼顯示水的實(shí)際溫度 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 （ 1）給出電路設(shè)計(jì)總體框圖 （ 2）給出單元電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算，并分析單元電路的工作原理 （ 3）將單元電路進(jìn)行級聯(lián)形成總體電路，并分析工作原理 第二章 系統(tǒng)總體框圖和方案對比論證 3 第二章 系統(tǒng)總體框圖和 方案對比論證 總體方案的對比論證 本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是具有語音播報(bào)功能的水溫控制系統(tǒng)。要求 控制對象為 1 升凈水，水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降 低時實(shí)現(xiàn)自動控制，以保持設(shè)定的溫度基本 不變。以單片機(jī)為控制核心 ,達(dá)到設(shè)定的水溫時，進(jìn)行語音播報(bào)。電路可以采用集成電路也可以采用分立式電路。用十進(jìn)制數(shù)碼顯示水的實(shí)際溫度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，有以下方案可供選擇： 方案 1：以十六位單片機(jī) SPCE061A 為核心 ， 采用常見的分立式設(shè)計(jì)完成外圍電路功能 。 方案 2： 以 單片機(jī) AT89C51 為核心， 采用 集成芯片 完成外圍電路功能 。 方案 對比： 方案 1使用的 SPCE061A 單片機(jī)， 其優(yōu)勢在于 自身 配 備 語音播放函數(shù)， 可以簡單快捷的 實(shí)現(xiàn)語音播放 ； 芯片內(nèi)置在線仿 真、編程接口， 對于 在線調(diào)試 較為有用 。 方案 2使用的 AT89C51 單片機(jī) ， 優(yōu)勢在于 軟件編程自由度大，可用編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制 。二者各有千秋，但是 SPCE061A 單片機(jī)與我們?nèi)粘＝佑|的 51系列在指令系統(tǒng)上面差別很大，同時單片機(jī)使用的是 PID算法，在目前的知識儲備中未曾接觸過這種算法，在軟件編程上存在困難。而方案 2使用的 AT89C51 單片機(jī)在以前接觸過，較為了解，使用起來比較簡單方便。 結(jié)論：基于以上對比，本設(shè)計(jì)采用方案 2。 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)主要包含三部分：輸入模塊（按鍵 輸入、數(shù)據(jù)采集模塊的信息輸入）、輸出模塊（語音播報(bào)、 LED 顯示）、控制實(shí)現(xiàn)模塊（繼電器、電爐） ，另 外，電路還需要時鐘電路和復(fù)位電路以及電源電路提供外圍輔助 。 系統(tǒng)框圖 如 圖 所示。 第二章 系統(tǒng)總體框圖和方案對比論證 4 圖 21 系統(tǒng)框圖 單元電路 方案 的 對比論證 該部分將從系統(tǒng)框圖中的 模塊出發(fā)，分析各單元電路的可行方案，通過對比分析選擇最優(yōu)方案 ，同時也是從技術(shù)角度出發(fā)，說明總體方案是最優(yōu)選項(xiàng) 。 數(shù) 采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊是顯示模塊的前提，同時也是控制電路執(zhí)行模塊反饋形成的必要條件。數(shù)據(jù)采集模塊在很大程度上要求，具有高精度、高靈敏性，數(shù)據(jù)采集模塊的精度 影響到處理過程的誤差波動，靈敏性影響到反饋的形成。 數(shù)據(jù)采集模塊有以下三個方案： 方案 1： 采用 分立式的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集模塊由 溫度傳感器鉑電阻 Pt1000 和運(yùn)算放大器 HT9274，該運(yùn)算放大器為電壓 差動運(yùn) 算 放 大 ，通過 調(diào)節(jié) 可調(diào)電阻可以 完成調(diào)零 。鉑熱電阻的 突出性能是在 高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定， 線性度非常好，因此 它 通常用于 工業(yè)測溫。 鉑電阻傳感器將測得的溫度線號傳到信號放大器，進(jìn)行電壓信號放大，之后由單片機(jī)對信號進(jìn)行處理并做出反應(yīng)。工作電路如圖 所示。 方案 2：采用集成式的設(shè)計(jì) ,由 DS18B20 數(shù)字化溫度傳感器 獨(dú)立 完成數(shù)據(jù)采集工作 。 DSB1820 突出的特點(diǎn)是可以直接接入單片機(jī)，無需數(shù)模裝換，能夠直接讀出被測溫度 ,減少信號失真，而軟件部分程序設(shè)計(jì)將十分簡單。其讀數(shù)方式是數(shù)字式的 ,有效寬度 (912 位 )完全可以滿足需求 ,而且讀數(shù)時間極短 ,在一秒 單片機(jī) AT89C51 LED 顯示 語音播報(bào) ISD4004 繼電器 電爐 盛水容器 數(shù)據(jù)采集DS18b20 按鍵 時鐘與復(fù)位電路 第二章 系統(tǒng)總體框圖和方案對比論證 5 鐘之內(nèi)就可以完成 ,芯片的讀寫都依賴于一個總線 ,簡化了電路 ,其功耗也比較低。 圖 22 由 PT1000和 HT9274構(gòu)成的測溫電路 方案對比：方案 1 應(yīng)用的是鉑電阻，鉑電阻線性好，但是需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在一定程度上影響了數(shù)據(jù)精度，相比較而言，方案 2更為合適。 結(jié)論：基于以上 對比，數(shù)據(jù)采集模塊選用方案 2。 語音播報(bào)模塊 語音播報(bào)模塊實(shí)現(xiàn)的途徑是通過 單片機(jī)控制語音播放器件傳輸?shù)綌U(kuò)音器 ,將預(yù)先設(shè)定好的語音播放出來。可行的方案有以下兩個： 方案 1： 以 SK040G 語音芯片直接驅(qū)動的 的擴(kuò)音器。 SK040G 語音芯片是一次性可編程語音芯片，語音輸出有 PWM 和 DAC兩種模式 ，可以選擇控制模式，控制模式有三種并口控制、串口控制、按鍵控制等。該語音芯片內(nèi)部自帶濾波功率放大器，直接連接擴(kuò)音器也不會影響音質(zhì)。 第二章 系統(tǒng)總體框圖和方案對比論證 6 方案 2：以 AT89C51 單片機(jī)為核心，由 ISD4004 語音芯片 配合 音頻 功率放大器 LM38麥克風(fēng)、擴(kuò)音器等簡單外圍器件完成語音播放 工作，單片機(jī)只需要提供工作信號，在信號驅(qū)動下語音芯片便可 通過 揚(yáng)聲器將預(yù)先設(shè)定的語音內(nèi)容播放出來，而所播放的語音內(nèi)容可以以錄音的方式直接收錄進(jìn)語音芯片便可，這得益于 ISD4004 語音芯片所特有的“ 直接模擬量存儲”專利技術(shù)。 方案比較： 兩個方案從功能上來說都能順利完成任務(wù)，但是方案 1中 SK040G是可編程語音芯片，要完成語音播放任務(wù)需要預(yù)先的編程，增加了工作量；另外，雖然該芯片的價格只有 幾 元 錢 ，但是其是一次性可編程的，完成一次變成后期編程功能即喪失， 經(jīng)濟(jì)性好，但性價比低。方案 2中使用的 ISD4004 語音芯片因其所特有直接模擬量存儲技術(shù)，大大簡化了工作量，并且可以反復(fù)使用。 結(jié)論：基于以上比較，語音播放模塊選擇方案 2。 控制實(shí)現(xiàn)模塊 控制實(shí)現(xiàn)模塊的方案理 論上的方案都是通過繼電器銜接電爐，完成弱電信號對強(qiáng)電的控制，而使 用什么樣的繼電器對電路的完成效率有著很大的影響，主要由以下兩種選擇： 方案 1：使用傳統(tǒng)電磁式繼電器，電磁式繼電器結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用， 單片機(jī)傳送高電平信號至三極管，三極管正向?qū)ㄐ盘杺髦?2號接口，繼電器電流輸入口兩個反向電壓作用，磁性消 失，原本被吸附彈片落下，連接高壓兩端電路，電路導(dǎo)通，開始加熱。 圖 23 傳統(tǒng)繼電器 第二章 系統(tǒng)總體框圖和方案對比論證 7 方案 2：使用較為新型的固態(tài)繼電器，完成強(qiáng)弱電信號銜接。 單片機(jī)接口連接一個快速反相器，再連接到固態(tài)繼電器上，固態(tài)繼電器另一端連接 220V 電源，正向信號傳送至反相器導(dǎo)通，固態(tài)繼電器工作，強(qiáng)電 電路導(dǎo)通，驅(qū)動電爐工作。 圖 24 固態(tài)繼電器 方案比較：方案設(shè)計(jì)要求中并沒有對加熱裝置的使用做出明確要求，但是控制對象明確為 1L 水，加熱非常簡單，普通的 1Kw 電爐就可以勝任。外界的電壓為 220V,繼電器及其連接部應(yīng)該有兩倍的 耐壓性，并能保證繼電器電路本身不會對前級電路造成影響。 方案 2的 SSR繼電器具有過零控制功能，可以實(shí)現(xiàn)。 結(jié)論：基于以上對比，控制實(shí)現(xiàn)單元采用方案 2.第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 9 第三章 硬件 單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 單片機(jī) AT89C51 模塊 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的高性能 8 位 CMOS 單片機(jī)， 單片機(jī) ROM 采用具有可快速擦寫功能的 只讀程序存儲器（ PEROM） ，容量為 4Kbytes，而 RAM為 128 bytes 大小的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器， ATMEL 公司的 在 8951 身上使用了高密度、非易失性存儲技術(shù) ， 單片機(jī) 兼容標(biāo)準(zhǔn) 的 MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)，片內(nèi) CPU為 通用 8 位中央處理器，并置有 flash 存儲單元，功能強(qiáng)大 。 AT89C51 單片機(jī)因其高性價比適用廣泛，為 各種控制領(lǐng)域 所青睞 。 主要性能參數(shù)： 具有良好的兼容性， MCS51系列 產(chǎn)品 的 指令系統(tǒng) 完全可應(yīng)用于 AT89C51 flash 閃速存儲器 容量較大 ,可達(dá) 4K 字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲器擦鞋周期長 ,最高 可達(dá) 1000 次 靜態(tài)操作 頻率 寬 ,下限 0Hz,上限 24MHz 程序 存儲器 可進(jìn)行三級加密 內(nèi)部 數(shù)據(jù)存儲器（ RAM