【正文】 限于單一介質(zhì)，空氣、水、化工染料都會(huì)成為被控制對(duì)象。語音播報(bào)部分采用集成芯片，進(jìn)行語音對(duì)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(chǔ)”技術(shù)，該技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(chǔ)、 再數(shù)模裝換 的復(fù)雜流程 ，不但簡(jiǎn)化了流程，而且最大限度的減少 失真，輸出效果較好。 （ 2）達(dá)到設(shè)定的水溫時(shí)，進(jìn)行語音播報(bào)。 方案 對(duì)比： 方案 1使用的 SPCE061A 單片機(jī)， 其優(yōu)勢(shì)在于 自身 配 備 語音播放函數(shù)， 可以簡(jiǎn)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(duì)于 在線調(diào)試 較為有用 。 數(shù) 采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊是顯示模塊的前提，同時(shí)也是控制電路執(zhí)行模塊反饋形成的必要條件。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(shí)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(shí)鐘與復(fù)位電路 第二章 系統(tǒng)總體框圖和方案對(duì)比論證 5 鐘之內(nèi)就可以完成 ,芯片的讀寫都依賴于一個(gè)總線 ,簡(jiǎn)化了電路 ,其功耗也比較低。 方案比較： 兩個(gè)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(jià)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(jià)比低。 方案 2的 SSR繼電器具有過零控制功能，可以實(shí)現(xiàn)。 程序 存儲(chǔ)器 可進(jìn)行三級(jí)加密 當(dāng)單片機(jī)處于空閑方式，其 CPU 將 停止 工作，在此期間 RAM的讀取不受影響 ，定時(shí)／計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 EA/VPP:EA 保持低電平時(shí)， 單片機(jī)的 CPU 只能 訪問 外部 程序存儲(chǔ)器，當(dāng) EA保持高電平時(shí)，需要接 VCC 端， CPU就只能訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 XTAL1: 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸出端。按鍵 K4 與 相連，采用外部中斷方式，并且優(yōu)先級(jí)定為最高； K2 和 K3 分別與 和 相連，采用軟件查詢的方式。 適用 溫度范圍 較寬 ,下限 為 – 55176。 VDD 可選電源端 。 DS18B20 測(cè)溫原理 DS18B20內(nèi)部有四個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件，其中 包括帶有 64位序列號(hào)的光刻只讀存儲(chǔ)器 ROM，溫度傳感器，溫度傳感器的儲(chǔ)存器，配置寄存器。由于 AT89C51單片機(jī)帶有 32個(gè)引腳，無需端口擴(kuò)展 。 ISD4004外部引腳 語音芯片 ISD4004的外部引腳圖如圖 37所示。 （ 9） 外部時(shí)鐘（ XCLK） 沒有 接 外 部 時(shí)鐘時(shí)，此端必須接地。 采樣頻率： 8KHz（頻率可選： ,，頻率越低，錄放時(shí)間越長(zhǎng)，但是音質(zhì)會(huì)下降） 語音播放單元電路 MK1 為 駐極體話筒（ MIC）， 用于語音信號(hào)錄入， LS為 麥克風(fēng)， 功率為 ，用于語音信號(hào)播放 。 所謂 “ 過零 ” 是指， 輸入端 加 控制信號(hào)，交流電壓過零時(shí)， 固態(tài)繼電器 即為通態(tài)；而當(dāng)斷開控制信號(hào)后， 固態(tài)繼電器 要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn) (零電位 )時(shí)， 固態(tài)繼電器 才為斷態(tài)。單片 機(jī) 的 時(shí)鐘信號(hào) 和復(fù)位需要本單元電路的 時(shí)鐘 51 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)可以由外部時(shí)鐘提供，也可以有內(nèi)部時(shí)鐘提供。 時(shí)鐘電路 和復(fù)位電路如圖 311 所示。 圖 41主程序流程圖 開始 初始 化 調(diào)用鍵盤掃描模塊程序 調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊程序 開中斷 調(diào)用顯示模塊程序 調(diào)用執(zhí)行模塊程序 調(diào)用語音播報(bào)模塊程序中斷 關(guān)中斷 調(diào)用顯示模塊程序 第四章 系統(tǒng)各電源模塊程序設(shè)計(jì) 24 鍵盤 模塊 程序 流程圖 系統(tǒng)上電以后掃描鍵盤，若鍵盤的確認(rèn)鍵 K4按下，則系統(tǒng)處于設(shè)定狀態(tài)，調(diào)用顯示模塊，將掃描 K2， K3鍵的結(jié)果傳送至顯示模塊，使其顯示顯示設(shè)定的溫度值， 當(dāng) K4 鍵再次按下，設(shè)定完成， 將設(shè)定值送單片機(jī)存儲(chǔ)。 ISD4004 采用直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，可以將錄入的語音信號(hào)直接存儲(chǔ)，無需 A/D 和數(shù)據(jù)壓縮過程，減少了信號(hào)失真。同時(shí)也感謝在設(shè)計(jì)過程中給與我?guī)椭耐瑢W(xué)們。123U7:A74LS01amp。電 路執(zhí)行部分，采用的是 SSR 固態(tài)繼電器，性能優(yōu)越。 第一溫度采集后，再次執(zhí)調(diào)用顯示模塊 初始化 掃描按鍵 送設(shè)定值儲(chǔ)存并顯示 開始 K4 鍵按下 Y N 返回 K4鍵按 下 Y N 第四章 系統(tǒng)各電源模塊程序設(shè)計(jì) 25 行溫度采集模塊時(shí)，跳過讀取序列號(hào)的過程，直接進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換并讀取溫度值。 其中數(shù)據(jù)采集模塊的 DS18B20 數(shù)字化溫度傳感器采用的是外部供電工作模式，要求 外部電源有較好的穩(wěn)定性；除此之外，繼電器既連接低電平直流電源，又連接著的高電壓交流電源，容易造成信號(hào)串?dāng)_ ； 從這兩方面考慮，系統(tǒng)中 應(yīng)該有獨(dú)立的電源為各 個(gè)模塊單獨(dú)供電。 由于本設(shè)計(jì)對(duì)精度要求不高，從簡(jiǎn)化電路 角度考慮，我們?cè)诒驹O(shè)計(jì)中選擇 內(nèi) 部時(shí)鐘電路。 固態(tài)繼電器 SSR的特點(diǎn) （ 1） SSR 通過 弱信號(hào)對(duì)強(qiáng)電 信號(hào)進(jìn)行 控制。 圖 38所示的功放與揚(yáng)聲器的連接是 LM368 的 典型電路 ， LM386M 兩個(gè) GAIN 腳 間外接 10μF 的旁路 電容 ，可以使電路的放大倍數(shù)提高 200 倍。 工作 參數(shù) （ 3） 音頻輸出（ AUD OUT） 音頻經(jīng)該端口 輸出，可驅(qū)動(dòng) 5kΩ 的負(fù)載。 LED顯示模塊的電路連接圖如圖 36所示，數(shù)碼管采用共陽極電路， +5V直流電源接 8個(gè) 10K上拉電阻接入 74HC241反相驅(qū)動(dòng)器 ， 74HC241接 P0口 ，用作字形驅(qū)動(dòng)， 數(shù)碼管 8位引腳接入電阻與反相驅(qū)動(dòng)器之間， 74LS01用作位選驅(qū)動(dòng)。當(dāng)熱敏電阻感受到溫度后，會(huì)產(chǎn)生阻值變化，電橋的平衡被打破輸出端產(chǎn)生電壓， 即 溫度的模擬量值 ，該模擬量對(duì)應(yīng)一個(gè)十進(jìn)制數(shù)量值 。采用數(shù)據(jù)總線供電時(shí)， VDD 接地，這樣的方式有三個(gè)優(yōu)點(diǎn) ，一是可以進(jìn)行遠(yuǎn)距 離測(cè)溫，省去外部 電源；二是 可以 在沒有外接電源的情況下完成測(cè)溫程序執(zhí)行；三是 節(jié)省一根傳輸線 ，簡(jiǎn)化了電路 ，但 缺點(diǎn)是 采用寄生供電方式會(huì)延長(zhǎng) 測(cè)溫時(shí)間 ，并且對(duì)外部電源的穩(wěn)定性要求較高，需要電源長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在 +5V；采取外部供電方式 時(shí) ， VDD 需要 接 5V直流電源 ， 優(yōu)點(diǎn)是可以提高測(cè)量速度 ，并且該方式下對(duì)電源要求寬泛，當(dāng)工作中電壓從 +5V 降到 +3V 芯片仍然能夠正常工作 ，但是該狀態(tài)下， GND 引腳絕對(duì)不能懸空，否則程序會(huì)進(jìn)入死循環(huán)，讀取的溫度值始終是 85攝氏度 。 C DS18B20 主要特性 按鍵 模塊 按鍵的功能是完成對(duì) 系統(tǒng)初始溫度的設(shè)定 ,實(shí)現(xiàn)這樣的要求最少需要三個(gè)鍵 ,一個(gè)功能鍵 ,另外兩個(gè)鍵調(diào)節(jié)溫度。 引腳功能說明 : 圖 31 AT89C51引腳排列（ PDIP） P0 口： P0 口是 雙向 I/O 口 ，具有八個(gè)引腳， 各 引腳為 漏極開路型 ，是 地址或者 數(shù)據(jù)總線復(fù)位口 ，低八位地址線和數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用 。 四組 8 引腳 可編程 的 I/O 口 AT89C51 單片機(jī)因其高性價(jià)比適用廣泛，為 各種控制領(lǐng)域 所青睞 。 結(jié)論：基于以上比較，語音播放模塊選擇方案 2。 結(jié)論：基于以上 對(duì)比，數(shù)據(jù)采集模塊選用方案 2。 數(shù)據(jù)采集模塊有以下三個(gè)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(dòng)運(yùn) 算 放 大 ，通過 調(diào)節(jié) 可調(diào)電阻可以 完成調(diào)零 。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(shí)單片機(jī)使用的是 PID算法，在目前的知識(shí)儲(chǔ)備中未曾接觸過這種算法，在軟件編程上存在困難。要求 控制對(duì)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(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以保持設(shè)定的溫度基本 不變。 該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能： 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。 文中確定了已 AT89C51 單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，AT89C51 的強(qiáng)大功能將完成接收鍵盤的指令信號(hào)，接受數(shù)據(jù)收集芯片的收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理之后將要顯示的部分傳送至 LED 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?？刂茖?shí)現(xiàn)部分將使用繼電器，由單片機(jī)數(shù)的小電流經(jīng)繼電器完成對(duì)大電流控制。集成化、微型化、多功能化、高效化、低碳化 、簡(jiǎn)便化 成為當(dāng)下溫度控制的目標(biāo)。語音播報(bào) 用十進(jìn)制數(shù)碼顯示水的實(shí)際溫度。 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(shí)鐘電路和復(fù)位電路以及電源電路提供外圍輔助 。工作電路如圖 所示。 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。 單片機(jī)接口連接一個(gè)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(hào)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(dòng)電爐工作。 flash 閃速存儲(chǔ)器 容量較大 ,可達(dá) 4K 字節(jié) 可編程串行 UART 通道 RST：復(fù)位 信號(hào) 輸入 端，外部復(fù)位電路提供復(fù)位信號(hào)，復(fù)位電路的形式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種 。 圖 32 按鍵輸入模塊 按鍵與單片機(jī) AT89C51 的 連接方式是， 三個(gè)按鍵的一端都接地，另一端分別接 10K 的上拉電阻，電阻另一端接 +5V 的直流電源。 數(shù)據(jù)采集精度 ,溫度誤差不超過 攝氏度 多樣 的 封裝形式 封裝及 引腳排列、功能 DS18B20 有多種封裝形式 ，如管道式、磁鐵吸附式、不銹鋼封裝式等，所以可以適應(yīng)不同的工作環(huán)境，如高爐水循環(huán)測(cè)溫、鍋爐測(cè)溫等。 2. 執(zhí)行 ROM 指令 復(fù)位完成后，單片機(jī)向 DS18B20發(fā)送 ROM指令，功能是 讀取 DS18B20內(nèi)部序列號(hào) ，當(dāng)然，讀取序列號(hào)的過程是為了區(qū)分單總線上的多個(gè) DS18B20，當(dāng)總線上連接單個(gè) DS18B20溫度傳 感器 時(shí)，可以執(zhí)行跳過 ROM指令 。 單片機(jī)與 DS18B20的連接 前面已經(jīng)對(duì) DS18B20的引腳進(jìn)行了介紹 ,該數(shù)據(jù)采集芯片 只有三個(gè)引腳 :GND 接地端 ,DQ數(shù)字 輸入 /輸出端 ,VDD可選端 ,VDD可以接地也可以接 5V直流電源 ,當(dāng)VDD接地時(shí)會(huì)影響到讀數(shù)速度 ,所以在進(jìn)行連接時(shí) ,1820 VDD端口選擇接 5V直流電源 。事實(shí)上，兩只數(shù)碼管輪流通電，僅有一只數(shù)碼管顯示數(shù)字，由于數(shù)碼管發(fā)光具有余暉特性及人眼的視覺暫留作用 ，選取循環(huán)掃描頻率，在視覺上是所有數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮的。 第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 19 （ 6） 串行輸出（ MISO） ISD4004 串行輸出端， 芯片未處于工作狀態(tài) ，該 端 口 呈高阻 狀 態(tài)。 工作電流： 2530mA 設(shè)計(jì)中采用的 240D10 輸入電路為兩端直流輸入，前端加阻性負(fù)載， 抑制大電流產(chǎn)生，保障控制信號(hào)穩(wěn)定 ； 在耦合 電路中使用光耦合器，實(shí)現(xiàn)輸入端與輸出端的隔離控制，消除負(fù)載端大電流的串?dāng)_；第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 21 輸出電路使用單向可控硅 SCR 和雙向可控硅 Triac,控制負(fù)載電源的通斷，輸出端也是兩端接口。 （ 4） SSR 可以 承受的浪涌電流可達(dá)額定電流十倍左右。 AT89C51 的資料中建議使用 30PF 的電容，石英晶振要盡可能的提高頻率以增加精度，所以選用 12MHz 的石英晶體。 下圖電路是， 78L05 和 78L33 的典型應(yīng)用電路。顯示模塊程序的流程見圖 44 第四章 系統(tǒng)各電源模塊程序設(shè)計(jì) 26 圖 44 顯示模塊流程圖 語音播報(bào)模塊程序 流程圖 語音播報(bào)模塊的響應(yīng)系統(tǒng)前，首先要完成語音數(shù)據(jù)的錄入工作，之后進(jìn)入工作狀態(tài)，對(duì)比實(shí)際溫度與 設(shè)定溫度是否相同，相同則進(jìn)行語音播報(bào)，不同則返回信號(hào)， 20s 之后再次進(jìn)行檢測(cè)，重復(fù)上一輪工作。 在軟件設(shè)計(jì)部分由于 AT89C51 程序設(shè)計(jì)自由度較大，各單元模塊的程序設(shè)計(jì)可變動(dòng)性較強(qiáng)