本科毕业论文基于51单片机的家用温湿度语音播报系统设计正文.docx

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本科毕业论文基于51单片机的家用温湿度语音播报系统设计正文

毕业设计（论文）

题目：

基于51单片机的家用温湿度语音播报系统设计

姓名

学院名

专业

指导教师

2014年月日

诚信承诺

本人__________声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成，论文所利用的一切资料均符合论文著作要求，且在参考文献中列出。

签名：

日期：

摘要

本系统是一个基于单片机AT89C51的语音播报系统的设计，用来测量环境温湿度，整个设计系统分为5部分：

单片机控制、DHT11温湿度传感器、液晶显示、语音播报以及键盘控制电路，整个设计是以AT89C51为核心，选用DHT11温湿度传感器，LED12864液晶显示器实现。

当测量温湿度超过设定的温度上下限时，启动蜂鸣器和指示灯报警。

语音录放选用的集成块是ISD1420芯片，其保真度高，录音效果好，而且经济实惠。

LCD采用的是LCD12864，它具有功耗低、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，应用越来越广泛。

整个设计的重点在于编程，因为其外围电路相对比较简单，实现容易。

在本论文中附带了软件实现的流程图以及部分子程序以及各种硬件电路图。

关键词：

液晶显示；语音播报；ISD1420

ABSTRACT

ThissystemisadesignofthespeechthermometeraccordingtothemicroprocessorAT89C51,whichisusedtomeasuretheenvironmenttemperature,Thewholedesignsystemisdividedinto5parts:

Amicroprocessorcontrol,temperaturesensor，theLCDdisplay,thespeechreportandthekeyboardcontrolcircuit,atthesametime，ThewholedesigntakeAT89C51asthecore,choosetosinglebusdigitaltemperaturesensorDS18B20,DS1302serialclockchip,RT1602LCDmonitorrealization,LCDdisplaythecurrentdate,time,weeksandtemperature.Whenmeasuringtemperatureoversettemperaturefluctuationlimit,startwithlightalarmbuzzer.Temperaturedisplaystability,andtemperaturemeasurementerroracuities1℃,plusorminustemperaturethedecimalpartretainedtwosignificantdigits.IncreasedCelsiustemperatureconversioncontrastwithFahrenheitandsetsupadisplayfunctionbeepvoiceautomaticallybroadcasttimetemperature,manualreal-timebroadcasttimetemperaturefunction.Thespeechrecoding&；playbackIchoosetouseistheICofISD1420,ithashighfidelity,goodrecordeffective,andeconomic.TheLCDIchooseisTC1602A,itspowerconsumeislow,ithasmanyadvantages,forexample,thevolumeissmall,thecontentsisabundant,superthinandagileetc,anditsapplicationisbecomingmoreandmoreextensive.Thewholedesignliesintheprogram,becauseitsoutercircuitismuchmoresimple,anditcancarryoutmoreeasily.Inmythesis,thereareflowchartandpartssubprogramandvarioushardwarecircuitdiagrams.

KeyWords:

DS18B20;LCD;speechfunction;soundingandlightalarm.

引言

人民的生活与环境的温度和湿度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温湿度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究合适的测温方法和测温装置具有重要的意义。

随着自动化水平在工业生产过程中的日益提高，智能化已经成为一种趋势。

人们越来越希望，生产生活中能够最大限度的趋于自动化和智能化，并且具有一定的人机交互性。

大规模语音处理集成电路的发展，使得语音播报系统在实际生活生产中的应用越来越广泛[3]。

语音播报技术体现了智能化，人性化，它不仅在需要用声音传递信息的环境中担当信息传输纽带的重要作用，还在繁忙的日常生产服务中通过温馨、亲切的语音提示方式调节受用者心情。

语音播报技术的相关研究也已成为一个热门领域，现今生产生活中其相关技术的应用随处可见。

具有语音播报的温度控制系统在工农业生产中拥有广泛的应用前景。

目前生产生活中经常需要某一特殊的环境温湿度，测量一旦达不到一个相当高的要求就会造成巨大的损失。

传统的方式对人力浪费较大，对温湿度控制不精确，而且一不小心容易发生意外。

如果设计一套基于电子技术的具有语音播报功能的温湿度控制系统，就可以实时监测温湿度，并可以通过键盘准确地控制温湿度，不需要人力检测。

第一章绪论

1.1课题开发背景

智能语音播报系统在我国属于新兴技术产业，有着极为光明的前景，此方面国内市场的主要产品趋向于应用国外先进的基础硬件生产成品。

随着我国国民经济持续高速的发展，智能化生产规模日趋扩大，语音播报融入日常生活已成为一种趋势。

如：

对车辆收取管理、通行或进入等费用、提示语等播报的智能语音系统，或是在各公共场合的时间、天气、问候等提示语的播报。

1.2设计的目的和意义

人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温湿度，在农业生产中也离不开温湿度的测量，因此研究合适的测温方法和测温装置具有重要的意义。

随着自动化水平在工业生产过程中的日益提高，智能化已经成为一种趋势。

人们越来越希望，生产生活中能够最大限度的趋于自动化和智能化，并且具有一定的人机交互性。

大规模语音处理集成电路的发展，使得语音播报系统在实际生活生产中的应用越来越广泛。

语音播报技术体现了智能化，人性化，它不仅在需要用声音传递信息的环境中担当信息传输纽带的重要作用，还在繁忙的日常生产服务中通过温馨、亲切的语音提示方式调节受用者心情。

语音播报技术的相关研究也已成为一个热门领域，现生产生活中其相关技术的应用随处可见。

具有语音播报的温度控制系统在工农业生产中拥有广泛的应用前景。

目前生产生活中经常需要某一特殊的环境温湿度，测量一旦达不到一个相当高的要求就会造成巨大的损失。

传统的方式对人力浪费较大，对温度控制不精确，而且一不小心容易发生意外。

如果设计一套基于电子技术的具有语音播报功能的温湿度控制系统，就可以实时监测温湿度，并可以通过键盘准确地控制温湿度，不需要人力检测，其测量速度、精度及可行度都得以保障，实现可远程监控、并尽可能节约人力资源的智能语音播报温度系统。

相关产品利用率高，设备简单，费用低，效果好。

1.3国内外现状及水平

现代工业控制过程广泛应用了有播报功能的工作状态和故障状态报警装置。

它以直观、易懂、方便、准确的形式向操作者提供有关信息，使操作者能够更准确、快速地处理系统问题。

如：

火车站信号自动语音播报系统可通过对多路信号进行检测采集，提供安全警示语音信息并播报，实现安全操作提示及报警，国内对此项技术的要求趋向人性化，高效化，智能化。

采取的措施为不断完善传统呆板的录播式语音播报器，实现真正的智能化数字语音播报，根据不同的情况可以随时调整播报的语言及语音语调等。

温度传感方面，温度传感器在我国工业生产、国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究都有光明的前景。

如CN61M/KG3004B矿用温度传感器，拥有操作方便、读数直观、工作可靠、体积小、重量轻、维修简便等特点，适于在煤矿、油田、化工等有爆炸危险的场所连续检测被测量对象的温度，并且有信号输出功能，可与国内各种型号的煤矿善传统呆板的录播式语音播报器，实现真正的智能化数字语音播报，根据不同的情况可以随时调整播报的语言及语音语调等。

为了提高对传感器的认识和了解，尤其对温湿度传感器的深入研究以及用法和用途，基于实用丶广泛和典型的原则，因此设计了本系统，在生产和生活中应用性都比较强。

本文利用单片机结合传感器技术和语音技术而开发设计了这一室内温湿度语音播报系统。

本设计不紧可以显示室内温湿度，而且还能实现温湿度语音播报，使其更人性化，操作方便，控制灵活。

随着科学技术的发展和电子设备智能化程度的提高一些电子产品除了使用传统的键盘和显示器件作为人机交互操作界面之外还借助于语音作为反馈信息以体现智能化和人性化设计本文以AT89S51单片机和语音芯片ISD1760为核心设计了一种温度和湿度语音播报系统完成了数据的实时播报实现了测量过程的智能化和自动化以适应各种对测量服务要求比较高的场合.，因此设计了本系统，在生产和生活中应用性都比较强。

本文利用单片机结合传感器技术和语音技术而开发设计了这一室内温湿度语音播报系统。

本设计不紧可以显示室内温湿度，而且还能实现温湿度语音播报，使其更人性化，操作方便，控制灵活。

第二章设计方案

2.1设计任务

1.显示当前温度。

2当测量温湿度超过设定温湿度值时，启动报警模块报警。

3.手动实时播报温湿度。

4.温度显示温度，误差≤±1℃

2.2原理框图

分析本题，根据设计要求我们确定了本系统的整体设计原理框图如图所示2.1电源模块

2.3电源模块

方案：

采用独立的稳压电源。

电源的稳压的特性较好，能够保证整个系统稳定工作。

2.4温湿度传感器模块

方案：

DS18B20是美国达拉斯半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

①、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

②、测温范围－55℃～+125℃，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）1℃。

③、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

④、工作电源:

3.0~5.5V/DC（可以数据线寄生电源）

⑤、在使用中不需要任何外围元件

⑥、测量结果以9~12位数字量方式串行传送

⑦、不锈钢保护管直径Φ6

⑧、适用于DN15~25,DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温

⑨、标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选

⑩、PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。

2.5显示模块

方案：

采用LCD显示屏进行显示。

LCD显示屏是一种低压、微功耗的显示器件，2-3伏就可以工作了，工作电流为几微安，这是其它显示器无法比较的，而且可以显示（除数字外）大量信息，显示曲线，字母，比传统的LED数码显示器的画面有提高。

虽然LCD显示器的价格比传统的LED数码管要贵，但它的显示效果更好，也是当今的显示器不二选择，所以采用LCD作为显示器。

采用LCD，更容易实现题目的要求，而且功能兼容性高，只需将软件修改即可，可操作性强，易于度数，采用LCD12864四行十六字符的显示，能同时显示温湿度。

2.6键盘控制模块

方案：

独立式按键。

对于独立式按键来说，如果设置过多按键，虽然会占用较多I/O口，给布线带来不便，此方案适用于按键较少的情况。

在本设计中所需要的控制点数的较少，只需要几个功能键，简便、易操作、成本低就成了首要考虑的因素。

所以此时，可采用独立式按键结构。

2.7语音播报模块

方案：

采用ISD1420为美国ISD公司出品的优质单片语音录放电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。

一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。

录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方法是借助于美国ISD公司的专利--直接模拟存储技术（DASTTM）实现的。

利用它，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入EEPROM存储器.直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语音的再现。

仅语音质量优胜，而且断电语音保护。

第三章硬件设计

3.1单片机模块

此次的毕业设计单片机的控制湿最主要的核心部分，给出以相关的指令，按照用户的意愿执行相应的操作，这次选用是ATMEL公司生产的芯片AT89S51,它的价格廉价,而且通用性比较强,很容易获取。

3.1.1单片机介绍

CPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路组成。

微型计算机即单片机是因工业测控系统数字化，智能化的迫切需求而发展起来的。

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C51使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

此系列单片机易于开发、使用灵活、而且体积小、抗干扰能力强，可以兼容种类众多的支持芯片、较为丰富的软件资源，可以工作于各种恶劣的条件下，工作稳定等特点。

考虑到本系统的需要以及本人对单片机的熟悉程度，因此本设计选用STC系列的STC89C51单片机作为本系统的CPU。

由STC89C51单片机为核心的单片机最小系统包括晶振电路和复位电路。

AT89C51的管脚图如图所示：

AT89C51的引脚功能

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

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。

当P1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。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.1.2单片机外围电路设计

本设计选用的AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89C51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89C51设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。

AT89C51单片机综合了微型处理器的基本功能。

当AT89C51芯片接到来自温度传感器的信号时，其内部程序将根据信号的类型进行处理，并且将处理的结果送到显示模块、报警模块、语音播报模块，发送控制信号控制各模块。

该模块在硬件设计方面，其外围电路提供能使之工作的晶振脉冲、复位按键，四个I/O口分别用于外围设备连接。

单片机AT89C51硬件连接图如图4.2所示，其中P0接口外接上拉电阻以保证高低电平的准确性。

单片机AT89C51的I/O端口具体分配与下表3.1:

图3.2单片机与外围设备硬件连接图

表3.1AT89C51的I/O端口具体分配

AT89C51的IO端口

外接点

P0.0-P0.7

LCD显示地址端口

P1.0-P1.7

语音芯片播音地址端口

P2.0

DS18b20通道

P2.1-P2.4

连接键盘控制端口

P2.6

连接报警器端口

P3.3

开始播音口

P3.6

LCD读/写选择端

P3.7

LCD数据/命令端

P2.7

LCD使能端

3.1.3AT89C51复位电路

基本的复位方式

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

1、手动按钮复位

手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平（图1）。

一般采用的法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。

手动按钮复位的电路如所示。

由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

单片机系统的复位方式有：

手动按钮复位和上电复位。

2、上电复位

AT89C51的上电复位电路如图2所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。

对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1?

F。

上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。

为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。

上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。

在图2的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。

另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。

如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。

3、积分型上电复位

常用的上电或开关。

上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。

当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。

根据实际操作的经验，下面给出这种复位电路的电容、电阻参考值。

C：

=1uF，Rl=lk，R2=10k

在本设计中复位电路的设计是采用简单，用得比较广的复位电路接法，如图3.3所示，它具有上电复位和按键复位的双重复位功能。

图3.3复位电路

3.1.4AT89C51时钟电路

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

常用的时钟电路有两种方式：

一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。

本文用的是内部时钟方式。

电路图3.4所示：

时钟电路图

AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。

3.2电源模块

鉴于系统使用的单片机AT89C51和各芯片工作电压在5V左右。

我们选择了5V稳压电源给单片机和各芯片供电。

电路由简单实用的三端稳压器构成，输入电压5V，满足大部分电路的要求，电源电路图如下图3.5所示，由于使用了全桥，电压输入既可以使用交流输入，又可以使用正负直流输入，能够防止由于极性接反造成的事故。

滤波电容使用电解电容与小电容并联的方式，能够有效消除高频自激现象。

发光二极管接到电源与地之间，如果电源输出不正常，发光二极管都会出现工作异常，提示电源部分故障。

图3.5电源电路图

3.3温湿度传感器模块

数字温湿度传感器DHT11是一款含有已校准熟悉信号输出温湿度复合传感器，它应用专用的温湿度传感技术和数字模块采