【正文】 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 ，同時也是從技術角度出發(fā)，說明總體方案是最優(yōu)選項 。數據采集模塊在很大程度上要求，具有高精度、高靈敏性，數據采集模塊的精度 影響到處理過程的誤差波動，靈敏性影響到反饋的形成。鉑熱電阻的 突出性能是在 高溫和氧化性介質中很穩(wěn)定， 線性度非常好，因此 它 通常用于 工業(yè)測溫。工作電路如圖 所示。 DSB1820 突出的特點是可以直接接入單片機，無需數模裝換，能夠直接讀出被測溫度 ,減少信號失真，而軟件部分程序設計將十分簡單。 圖 22 由 PT1000和 HT9274構成的測溫電路 方案對比：方案 1 應用的是鉑電阻，鉑電阻線性好，但是需要進行模數轉換，在一定程度上影響了數據精度，相比較而言，方案 2更為合適。 語音播報模塊 語音播報模塊實現的途徑是通過 單片機控制語音播放器件傳輸到擴音器 ,將預先設定好的語音播放出來。 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。 第二章 系統總體框圖和方案對比論證 6 方案 2：以 AT89C51 單片機為核心，由 ISD4004 語音芯片 配合 音頻 功率放大器 LM38麥克風、擴音器等簡單外圍器件完成語音播放 工作，單片機只需要提供工作信號，在信號驅動下語音芯片便可 通過 揚聲器將預先設定的語音內容播放出來，而所播放的語音內容可以以錄音的方式直接收錄進語音芯片便可，這得益于 ISD4004 語音芯片所特有的“ 直接模擬量存儲”專利技術。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，大大簡化了工作量，并且可以反復使用。 控制實現模塊 控制實現模塊的方案理 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：使用傳統電磁式繼電器，電磁式繼電器結構簡單、實用， 單片機傳送高電平信號至三極管，三極管正向導通信號傳至 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，電路導通，開始加熱。 單片機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通，固態(tài)繼電器工作，強電 電路導通，驅動電爐工作。外界的電壓為 220V,繼電器及其連接部應該有兩倍的 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。 結論：基于以上對比，控制實現單元采用方案 2.第三章 硬件單元電路設計及相關參數 9 第三章 硬件 單元電路設計及相關參數 單片機 AT89C51 模塊 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產的高性能 8 位 CMOS 單片機， 單片機 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 大小的隨機存取數據存儲器， ATMEL 公司的 在 8951 身上使用了高密度、非易失性存儲技術 ， 單片機 兼容標準 的 MCS51產品指令系統，片內 CPU為 通用 8 位中央處理器，并置有 flash 存儲單元，功能強大 。 主要性能參數： flash 閃速存儲器 容量較大 ,可達 4K 字節(jié) 靜態(tài)操作 頻率 寬 ,下限 0Hz,上限 24MHz 內部 數據存儲器（ RAM）為 128*8 字節(jié) 16 位定時 ／計數器 2 個 可編程串行 UART 通道 同時， AT89C51 可在 0Hz第三章 硬件單元電路設計及相關參數 10 狀態(tài)下進行 靜態(tài)邏輯操 作，該單片機 提供 兩種節(jié)電 模式 ， 模式選擇由軟件完成 。 單片機 掉電 后，能自動 保存RAM 中的內容，與此同時，振蕩器將停止提供時鐘 信號，在 下一個硬件復位 前，所有部件都會被禁止 。 P1 口： P1 口同樣是 雙向 I/O 口 ，引腳也是八個，但是 P1 口 各 引腳 的不同之處在于其 帶內部上拉電阻的， P1 可以通過 吸收或輸出電流 的 方式由其輸出緩沖級完成對 TTL 邏輯門電路 的驅動，可以驅動的個數為 4個 。 RST：復位 信號 輸入 端，外部復位電路提供復位信號，復位電路的形式分為手動和自動兩種 。 ^PSEN： ^PSEN 是程序存儲允許，其作用是輸出 外部程序存儲器的讀選通信號 ，每個機器周期內，允許兩次讀取外部程序存儲器 。 端口引腳 第二功能 Rxd (串行輸入口 ) Txd(串行輸出口 ) ^int0 (外中斷 0) ^int1 (外中斷 1) t0 (定時 /計數器 0) t1 (定時 /計數器 1) ^WR (外部數據存儲器寫選通 ) ^RD (外部數據存儲器讀選通 ) 第三章 硬件單元電路設計及相關參數 12 XTAL2: 振蕩器反相放大器的輸出端。各個鍵的功能描述如表 32 所示。 圖 32 按鍵輸入模塊 按鍵與單片機 AT89C51 的 連接方式是， 三個按鍵的一端都接地，另一端分別接 10K 的上拉電阻，電阻另一端接 +5V 的直流電源。從軟件的工作原理來看，按鍵單元 采用軟件查詢和外部中斷相結合的方法， 由單片機直接對鍵盤進行掃描， 低電平有效。 數據采集模塊 數據采集模塊 采用的是美國 Dallas 半導體公司生產的數字化溫度傳感器DS18B20，其特性是可以直接把溫度轉變?yōu)橄鄳臄底至浚?該溫度傳感器特備適合于各種計算機組成單線多點溫度測量系統。 溫度轉化與輸出過程全部采用數字量 數據采集精度 ,溫度誤差不超過 攝氏度 供電方式采用獨立供電或寄生供電 C 上限為 +125176。 內部帶有 EEPROM， 并具備 限溫報警功能 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，所以可以適應不同的工作環(huán)境，如高爐水循環(huán)測溫、鍋爐測溫等。 第三章 硬件單元電路設計及相關參數 14 圖 33 DS18B20引腳排列及封裝 DS18B20 外形看起來像一只三極管，引腳如圖 33，引腳名稱及功能如下： GND 接地端 DQ 數字輸入輸出，與 TTL 電平兼容。 每只 DS18B20 都可以設置成兩種供電方式，即 數據總線供電 （ 寄生電源供電） 和外部供電。 單片機訪問 DS18B20流程 單片機是 DS18B20 的 控制器，在控制器的指令引導下，溫度傳感器 完成溫度采集和數據傳輸工作 。 2. 執(zhí)行 ROM 指令 復位完成后，單片機向 DS18B20發(fā)送 ROM指令，功能是 讀取 DS18B20內部序列號 ，當然，讀取序列號的過程是為了區(qū)分單總線上的多個 DS18B20，當總線上連接單個 DS18B20溫度傳 感器 時，可以執(zhí)行跳過 ROM指令 。 3. 執(zhí)行 DS18B20 功能指令（ RAM 指令） 在 ROM指令發(fā)送完畢后，單片機直接向 DS18B20發(fā)送 RAM指令， RAM指令一共有六條，分別是，寫 RAM數據、讀取 RAM數據，將數據復制并發(fā)送到 EEPROM，進行溫度轉換、 EEPROM回傳數據給 RAM、進行工作方式的切換， DS18B20具體要進行什么樣的工作，由單片機發(fā)送的不同命令決定。 溫度傳感器 測量溫度的過程 實際上是 由 一只熱敏電阻 組成電路完成的 ，該熱敏電阻接入 一個 電橋中，基準溫度下，電橋處于平衡狀態(tài) 。 之后 ，得到溫度轉換命令后， DS18B20根據傳感器 測得的數量 值進行轉換，形成 二進制的 數字化溫度值 ，其計算過程為，測得溫度 t，若為正值， 則T=t/,直接將 T轉換為二進制 T1，如溫度 t等于 +125， T=2021，降 T轉化為二進制為 0000 0111 1101 0000，十六進制表示是 07D0H，若所的溫度為負值，如 t=，則 T=8，其二進制表示過程為， 8D=0000 0000 0000 1000B，取反為1111 1111 1111 0111 ，加 1后的 T1， T1=1111 1111 1111 1000，十六進制表示為 FFF8H。 單片機與 DS18B20的連接 前面已經對 DS18B20的引腳進行了介紹 ,該數據采集芯片 只有三個引腳 :GND 接地端 ,DQ數字 輸入 /輸出端 ,VDD可選端 ,VDD可以接地也可以接 5V直流電源 ,當VDD接地時會影響到讀數速度 ,所以在進行連接時 ,1820 VDD端口選擇接 5V直流電源 。 圖 34 DS18B20與 AT89C51單片機的接口電路 LED 顯示模塊 圖 35 數碼管 的共陽 極電路圖 根據系統 設計 要求， 顯示模塊的電路 要完成動態(tài)顯示功能，其顯示的溫度第三章 硬件單元電路設計及相關參數 17 用十進制表示，由于實際中并沒有對精度提出明確 要求，我們可以將步進值設置為 1攝氏度，由兩片 LED構成電路，完成從 099℃的溫度顯示。 顯示模塊需要的器件有，兩片 8段 LED數碼管， 一個 8路三態(tài)反相驅動器 74HC241， 兩個與非門 74LS01， 8個 10K電阻。數碼管是 8段共 陽極，所以發(fā)光時，字形驅動“ 0”有效，位選驅動“ 1”有效。事實上，兩只數碼管輪流通電，僅有一只數碼管顯示數字，由于數碼管發(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，在視覺上是所有數碼管同時點亮的。 ISD系列芯片與其他語音芯片相比，有一項獨有技術 —— 多電平直接模擬專利技術該技術的使用是4004在語音采集的過程中，將采集到的模擬量采樣值直接存儲到閃速存儲器中，避免了 A/D轉換和數據壓縮過程中導致的信號損失與誤差， 因此 由 ISD4004存儲播放的語音顯得 真實、自然 ， 效果 極佳 ， 一般 的 固體錄音電路 在 量化和壓縮 過程中 造成的量化噪聲和金屬聲 不會在 ISD身上出現 。 圖 37 ISD4004外部引腳圖 引腳說明： （ 1） 同相模擬輸入（ ANA IN+） 錄音信號的同相輸入端 （ 2） 反相模擬輸入（ ANA IN） 錄音信號的反相輸入端。 （ 4） 片選 （ SS ） 端口低電平有效 ，即 控制器向該口發(fā)送信號 選中 芯片。 第三章 硬件單元電路設計及相關參數 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)。 （ 8） 中斷（ INT ） 漏極開路輸出 端口。 （ 10） 自動靜噪（ AM CAP） 1μF 電容構成內部峰值檢測電路的一部分，檢測出的峰值電平與內部設定的閾值作比較，決定自動靜噪電路的工作與否。 工作電壓：單電源 +3V直流電壓 ,耐受范圍較寬 工作電流： 2530mA 錄音周期： 10萬次 在 播放語音的部分 中，輸出端 OUT接 低電壓通用集成功率放大器 LM386M， 放大器用于 驅動 揚聲器 LS。 第三章 硬件單元電路設計及相關參數 20 CS V C C DM O S I X C L KS C L KV S S AV S S AV S S DA M C A P O U TI N I N +V C C AV S S AP 2 .4P 2 .3P 2 .2C 1 21 u f+ 3 VL S 1YSM K 1M I CR S 1C 1 81 0 u fR 1 71 0 KR 1 91 0 KR 1 81 0 KR 2 01KC 1 72 2 0 u fC 1 40 . 1 u fC 1 50 . 1 u fC 1 64 . 7 u fC 1 32 2 u f+—G N DVSB Y PG A I NG A I N+ 5 vI S D 4 0 0 4L M 3 8 6C 1 91 0 u f23465781 圖 38 語音播放電路圖 執(zhí)行模塊 執(zhí)行模塊的功能是 將單片機傳送來的驅動信號送至繼電器，控制繼電器工作，由繼電器完成弱電流和強電流的銜接，使電爐轉為工作狀態(tài)，對容器中的水進行加熱，使水溫恢復到設定溫度 ,選用的型號是 240D10 固態(tài)繼電器 。設計中采用的 240D10 輸入電路為兩端直流輸入，前端加阻性負載， 抑制大電流產生，保障控制信號穩(wěn)定 ；