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1、摘要锅炉是在生产和生活中广泛使用而又具有爆炸危险的设备。锅炉的爆炸又常造成惨重的损失。为加强锅炉运行的安全性，在实际中必须严格地控制炉膛内的温度、水位和蒸汽压力，实时对这三个参数进行检测，当某一参数越界，及时产生报警。论文根据报警系统的发展趋势，详尽地阐述了基于单片机的语音报警系统的设计全过程。该系统采用了单片机AT89C2051作为CPU，它是系统的控制核心。本系统采用的音频合成器件是美国ISD公司生产的ISD1420语音芯片，对于它的特点和管脚功能及在本系统中的应用作了详细介绍。在系统优化阶段，为温度和水位增设了显示功能，完善了系统的设计。系统软件采用汇编语言编写，主要由主程序、报警语音输
2、出子程序、语音录入子程序和显示子程序四部分组成，程序简洁、运行可靠。在完成硬件设计和软件的编制后，对硬件系统进行了联机仿真调试，系统的正常运行验证了设计的正确性。最后，用Protel 99绘制了电路原理图，并制作了PCB电路板。关键字 语音报警；单片机；语音芯片Abstract Boiler is abroadly used in production and living, but it can easily explode and usually bring disaster. In order to enhance security, it must strictly control t
3、emperature, water level and steam pressure. Its necessary to check the three parameters periodly. If found one slop over, it can produce alarming signal in time. With developing trend of alarming system, the paper expatiates the whole designing process of voice alarming system that is based on singl
4、echip microcontroller. AT89c2051 is CPU of system, and it is core of system. Audio-synthesizer of the system is ISD1420 that is made in ISD Company of American. The paper detailedly explains its characteristic and application in the designed system. In the period of optimizing design, display circui
5、t is added for temperature and water level. This perfects the whole design. Software is programmed by assembly language. The software system includes main program, subprogram of voice output, subprogram of voice input and subprogram of display. After designing hardware of the system and programming
6、the software, building hardware of the system and debugging online. It validates correctness in the design. In the end,circuit drawing and circuit board is made by Protel 99.Key words voice alarm；microcontroller；voice chip目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 锅炉的作用和工作原理11.2 锅炉事故的分类和原因11.3 锅炉报警的现状及研究意义21.4 本论文的工
7、作和特点31.5 本章小节3第2章 锅炉报警系统的硬件分析与设计52.1 系统的硬件分析52.1.1 信号采集器52.1.2 微控制器CPU72.1.3 语音报警电路72.1.4 显示电路72.2 AT89C2051的应用82.2.1 AT89C2051简介82.2.2 AT89C2051在本系统中的应用102.3 ISD1420的应用112.3.1 ISD1420简介112.3.2 ISD1420在本系统中的应用142.4 显示电路162.4.1 LED简介162.4.2 LED在本系统中的应用172.5 本章小节18第3章 软件设计193.1 系统软件设计原则193.2 软件实现功能193
8、.3 本章小节26第4章 硬件焊接及系统调试274.1 硬件焊接274.2 调试274.2.1 硬件调试方法274.2.2 软件调试方法284.3 本章小结29第5章 PROTEL 99绘制电路原理图和制作PCB板305.1 Protel 99简介305.1.1 Protel 99的历史及其操作风格305.1.2 Protel 99的强大功能305.2 Protel电路设计的基本方法和步骤315.2.1 设计电路原理图315.2.2 制作PCB电路板325.3 使用Protel 99的经验总结335.4 本章小节35结论36参考文献37致 谢38第1章 绪论1.1 锅炉的作用和工作原理（1）锅
9、炉在国民经济中的作用火力发电是电力工业的主要组成部分。目前在世界上多数国家及我国电力工业中，火力发电约占总发电量的70。火力发电虽然成本较高，但基建投资较少，一般不受地区限制，建设时间较短，能较快地满足工农业发展的需要。因此火力发电建设的规模将是巨大的。锅炉是火力发电厂主机之一，火力发电的发展要求锅炉工业以相应的速度发展，因此，锅炉工业的任务也是巨大的。在各种工业企业的动力设备中，锅炉是重要的组成部分。锅炉生产的蒸汽供工业生产直接需用，还供取暖使用。工业锅炉数量大、分布广，每年燃煤量约大于全国煤炭总产量的四分之一。因此，提高效率 提高机化 自动化水平以及防止环境污染等，均是工业锅炉的重大研究课
10、题。锅炉工业本身也在不断发展。目前国外工业锅炉的涵义已从蒸发量为每每小时几吨的锅炉发展到蒸发量为每小时200吨的锅炉。电站锅炉已由高压，超高压锅炉发展到大量亚临界压力和超临界压力锅炉，单台容量达1300MW。锅炉除一般工业锅炉与电站锅炉之外，还包括一切动力工业中用以产生蒸汽的换热设备，如核反应堆蒸汽发生器及太阳能锅炉等。总之，随着国民经济的发展，锅炉工业将发挥愈来愈重要的作用。（2）锅炉的一般工作原理锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过煤 油或燃气等燃料的燃烧释放出化学能，并通过传热过程将能量传递给水，使水转变为蒸汽，蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机 能转变为机 能，或
11、通过汽轮发电机转变为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转变为蒸汽的热能。因此，近代锅炉亦称为蒸汽发生器。锅炉的主要部件包括炉膛 燃烧器 水冷壁 过热器省煤器 空气预热器 钢架炉墙等，这些被称为锅炉本体。此外，锅炉还有重要的辅助装置：（1）磨煤装置，包括磨煤机 排粉机 粗粉及细粉分离器以及媒粉输送管道；（2）送风装置，包括送风机及风道，送风机将空气通过空气预热器送往炉子中；（3）引风装置，包括引风机及烟囱，将炉子中排出的烟气送入大气中；（4）给水装置，包括给水泵 给水管及水处理装置；（5）燃料供应装置，将燃料由储煤场送到锅炉房，包括装卸和运输机等；（6）除渣装置，从锅炉中除去灰渣
12、并送出电厂；（7）除尘装置，除去锅炉烟气中的飞灰，改善环境卫生；（8）自动控制与仪表，包括热工测量仪表及自动控制装置。1.2 锅炉事故的分类和原因（1）锅炉事故分类锅炉运行中出现的事故大致可分成3类：a. 爆炸事故：锅炉中的主要受压部件锅筒（锅壳）、集箱、炉胆、管板等发生破裂爆炸的事故。这种事故常导致设备 厂房损失和人身伤亡，造成重大损失。b. 重大事故：锅炉无法维持正常运行而被迫停炉的事故，主要有缺水事故 满水事故 汽水共沸 炉管爆裂 过热器损坏 省煤气管损坏 水击 炉膛爆炸 二次燃烧等事故。这类事故虽不象锅炉爆炸事故严重，但也常常造成设备损坏和人身伤亡，并使锅炉被迫停运，导致用汽部门局部或
13、全部停工停产，造成严重经济损失。c. 一般事故：在运行中可以排除的事故或经过短暂停炉即可排除的事故，其影响和损失较小。（2）事故的发生原因a. 超压：由于安全阀、压力表不齐全、损坏或装设错误，操作人员擅离岗位或放弃监视责任，操作人员有意无意关闭或关小出汽通道 无承压能力的生活锅炉改作承压蒸汽锅炉等原因，致使锅炉主要受压元件筒体、封头、管板、炉胆等承压的压力超过其承载力，而造成锅炉事故。b. 缺陷：锅炉承受的压力并未超过额定压力，但因锅炉主要受压元件出现裂纹 严重变形、腐蚀、组织变化等情况，导致主要受压元件丧失承压能力，突然大面积破裂。b. 缺水：锅炉一旦缺水，主要受压元件得不到正常冷却，甚至被
14、干烧，金属温度急剧上升甚至烧红。这样的缺水情况是严禁加水的，应立即停炉。由上可见，在锅炉运行过程中，其炉内的水位，温度和蒸汽压力是要严格地控制在安全工作的允许范围内，否则将可能发生或小或大的事故，轻则停炉，重则造成人身伤亡。1.3 锅炉报警的现状及研究意义（1） 锅炉报警的现状 锅炉是生产建设和人民生活中广泛使用的热力设备。因为锅炉有较高的温度和压力，发生爆炸等危险的可能也就比较大，即使是些微的漏汽，漏水或者操作失常，有时也会造成严重的伤亡和经济损失。因此，锅炉的安全运行备受关注。而与锅炉安全工作密切相关的三个参数是炉膛内的温度、水位和蒸汽压力。因此，针对这三个参数设计的报警器就有了现实意义。
15、目前国内的许多锅炉还在采用玻璃管式水位表，温度计和各种压力表来显示水位、温度和压力，工作人员需要频繁地观察各种表的视数，这是一个十分繁重的工作。由于工作人员的粗心，可能造成或轻或重的锅炉事故。也有一些锅炉安装了简单的报警装置，它们主要是由无CPU的硬件电路驱动蜂鸣器发出报警信号，电路的性能不是非常稳定，所以工作人员不能完全依赖报警信号来判断锅炉的工作情况。（2） 研究意义自单片机出现至今，单片机技术已走过了30多年的发展路程。纵观30年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以其高可靠性、高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、
16、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用。基于单片机的锅炉报警系统以单片微机为控制核心，它接收传感器发来的数据（以转变为数字量），并将这些数据存放到相应的数据区中。然后，单片机将周期性地提取部分数据与预设的临界值比较，当有数据越界，将产生相应的报警。从这一过程可以看出，整个报警系统是在单片机的控制下，有节拍地进行工作的。基于单片机的锅炉报警系统工作可靠、可扩展性强、性能价格比高。在现代大多工业控制系统中，对显示、报警仪器仪表多采用数码、指示灯、光子牌、光柱等来实现显示，对听觉信号大多采用电铃、蜂鸣等来实现。如果在显示报警仪表上采用数字语言技术、使适合用听觉传送的信息用语言传送，就
17、可以发挥听觉的优势，弥补完全用视觉信号传递信息的不足。因此语言数字方式可以成为工业仪表中人机联系的一个友好界面，如把非常熟练的操作者的经验，后者是领域专家对此问题的评判及处理措施，用语言对现行操作者以提示、指导，使该系统具有一定的智能，具有这种功能的报警器将会在现代工业测控系统中应用愈来愈广泛。1.4 本论文的工作和特点本论文探讨了一种符合未来报警技术发展方向的锅炉报警系统的软硬件设计，并对其关键部位予以仿真实现，验证系统设计的正确性。1 论文所作的工作（1） 报警系统的整体规划（2） 完成锅炉语音报警系统的硬件设计（包括语音报警电路，及在系统优化时增加的显示电路的设计）（3） 完成锅炉语音报
18、警系统的软件设计（包括主程序、语音报警输出程序、录音程序和显示程序的编制）（4） 搭建硬件电路并进行联机调试，实现了报警输出功能。（5） 利用Protel 99绘制了电路原理图并制作了PCB电路板。2 主要特点（1） 是基于单片机的报警系统，系统的可扩展性好（2） 采用了ISD1420语音芯片作为音频合成器，是一个语音报警系统（3） 系统设计合理，并增加了显示功能1.5 本章小节本章作为论文的开始，介绍了有关课题背景方面的知识。首先强调了锅炉在生产和生活中的重要作用，然后对锅炉事故的分类及其发生原因进行了简要的介绍，接着讨论了锅炉报警的现状和研究的重要意义，最后，对本论文所作的工作及论文的特点
19、进行了总结。第2章 系统分析与介绍 2.1 系统方案设计 一个最基本的锅炉报警系统应包括信号采集器，CPU，语音报警器三部分组成。其中信号采集器包括传感器和A/D转换电路。在系统的优化阶段，又为系统添加了显示电路。整个系统的工作原理如图21所示。 CPU 传感器A/D转换电路语音报警电路 显示电路 图21 锅炉报警系统工作原理图CPU控制着传感器的工作。当CPU发出相应的控制信号，传感器开始工作，它输出与被测的量相应的电压/电流信号，此信号经过放大电路放大后，被送到A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送入CPU，CPU一方面将采样值存入规定的存储单元中，以供CPU查询是否有越
20、界发生，若发生越界，则控制语音报警电路发出相应的语音报警信号；另一方面，CPU对采样值进行计算，处理后，驱动显示电路显示出被测量的数值，以供用户察看。2.2 信号采集器2.2.1 传感器此处的传感器包括温度传感器、水位传感器和气压传感器三种。首先，介绍一下传感器的定义。人们通常将能把非电量信息转变为电量信息的器件称为传感器 ，传感器实质上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转变成电信号。它是实现测试与自动控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么，无论是信号转换或信息处理，或是最佳数据的显示和控制都将无法实现。传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术包括
21、计算机技术、通信技术和传感器技术。计算机和通信技术发展极快，相当成熟，对此运用自如的工程技术人员也非常多，但精通而灵活使用传感器技术的工作者却很少，这是因为传感器应用技术都需要使用模拟技术，而模拟技术有很多问题难以解决。为了适应现代科学技术的发展，世界众多国家都把传感器技术列为现代的关键技术之一。传感器干差万别，即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，因此，要根据需要选用最适宜的传感器。 a. 测量条件如果误选传感器，就会降低系统的可靠性。为此，要从系统总体考虑，明确使用的目的以及采用传感器的必要性，绝对不要采用不适宜的传感器与不必要的传感器。测量条件列举如下，即测量目的，测量量
22、的选定，测量的范围，输入信号的带宽，要求的精度，测量所需要的时间，过输入发生的频繁程度。b. 传感器的性能选用传感器时，要考虑传感器的下述性能，即精度，稳定性，响应速度，模拟信号或者数字信号，输出量及其电平，被测对象特性的影响，校准周期，过输入保护。c. 传感器的使用条件传感器的使用条件即为设置的场所，环境(湿度、温度、振动等)，测量的时间，与显示器之间的信号传输距离，与外设的连接方式，供电电源容量。2.2.2 A/D转换器在设计及选择A/D转换电路时，有如下几个研究项目：(1) 输入通道数 有若干个测量信号时，A/D转换电路中通常用多路调制器（MPX）切换输入。一个多路调制器最多可切换16个
23、通道。(2) 输入电压范围多数A/D转换器本身的输入电压只能在0-+5V、0一+10V、-5一+5V、-10+10V范围内变换。所以，输入电压太大或太小时，应适当地加入衰减器或放大器。(3) 转换时间 进行A/D转换需要一定时间，因此，模拟信号的频率范围以及在一定时间内可转换的信号数是有限制的。(4) 转换方式 A/D转换有各种各样的方式，这些方式在转换精度和转换速度（转换时间）等方面都各有特点。(5) 分辨率 所谓分辨率是指模拟输入信号能够转换成多少位的数字输出。这种分辨率由位数来决定。例如：8位的分辨率为满刻度的1/256，12位的分辨率为满刻度的1/4096。低于这种分辨率的值就无法表示
24、了，我们把它称为量化误差。(6) 非线性精度由于AD转换器电路各组成部分的精度、温度系数和漂移等因素的影响，AD转换器会存在误差，使输入和输出偏离线性关系。表征这种偏离的特性就是非线性精度。(7) 数字接口形式根据是并行输出还是串行输出、是“CPU兼容”型(内含输出数据锁存)还是“非CPU兼容”型，是分配到I/O口地址还是分配到存贮器地址，以及是否采用插入等等，所设计的数字接口形式是各不相同的。传感器和A/D转换器不作为本论文讨论的重点内容，所以不作过多的阐述，对于本系统中所使用的传感器没有给出具体型号，这要根据锅炉的具体工作情况来选定。2.3 微控制器CPU微控制器CPU是锅炉报警系统的核心
25、，完成数据处理、控制报警等功能，选择通用性强、功耗小、性能稳定良好的8位CMOS微处理器芯片AT89C2051,它与常用MCS51型单片机兼容，工作电压为2.7V6V，具有16条可编程I/O端口,2个16位定时/计数器，1288位内部RAM，内带2K字节快闪EEPROM的特点，大大简化了电路的设计。AT89C2051有两个16位可编程的定时器/计数器，128字节RAM，5个中断源，1个全双工串行通讯口，1个精密模拟比较器以及片内振荡器和时钟电路，操作电压为2.7V至5.5V，主频为11.0592MHz。此外,89C2051是用可降到0频率的静态逻辑操作设计的,并支持两种可选的软件节电工作方式。
26、AT89C2051内部采用了Flash存储器,是采用了ATMEL的高密非易失存储技术制造的。通过在单块芯片上组合通用的PL和Flash存储器,使AT89C2051成为一款强劲的微型计算机。它为许多嵌入式控制应用提供了高度灵活和低成本的解决办法。因而,在89C2051芯片的使用过程中,错误编程之后仍可以重新编程,直到正确为止。可以反复进行系统试验。每次试验可以编入不同的程序,这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随着用户的需要和产品的更新换代,还可以不断地进行修改,使系统能够不断追随用户的最新要求,与时俱进。在一般情况下,可以重新使用1000次左右。 现将AT89c2051的特点总结如下:l
27、指令与MCS-51芯片兼容l 内含2k字节的可编程闪速存储器l 工作电压范围：2.7V至6Vl 内含128位RAMl 15条可编程控制IO线l 片内模拟电压比较器l 2个16位定时器计数器寄存器l 6个中断源l 可编程串行URAT通道l 直接LED驱动输出l 低功耗的闲置和掉电模式l 二级程序存储器加锁l 寿命：1000次写擦循环l 数据保留时间：10年管脚功能介绍：端口P1：可以用作为8位双向I/O引脚控制,P1.2至P1.7提供内部提升电阻，P1.0及P1.1则需要外加提升电阻，P1.0也作为内部模拟比较器的负端(AINI)输入，P1的输出缓冲器可以吸入20mA而直接驱LED显示器，P1.
28、6是比较器输出端。端口引脚P3.0-P3.5及P3.7可以作为7位双向I/O引脚控制，并提供内部提升电阻。 AT89c2051的管脚图如图22所示。图22 AT89C2051的管脚图2.4 语音报警电路本系统是一个语音报警系统，这是设计上的一个最大特色。采用了美国ISD公司生产的ISD1420语音芯片作为系统的音频合成存储器件，这一款语音芯片采用了ISD公司的专利技术直接模拟存储技术（DAST TM）来存储语音信号，它具有重现优质原声，没有常见的背景噪声；使用方便，外部元件少；无耗电信息存储，省掉备用电池；信息可保存100年，可反复录放10万次；具有较强的分段选址能力可处理多达160断信息等等
29、，这些优点是选择它的依据。ISD1420为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用于美国ISD公司的专利直接模拟存储技术（DAST TM）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。不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。(1) 特点：l 使用方便的单片录放系统，外部元件最少l 重现
30、优质原声，没有常见的背景噪声l 放音可由边沿或电平触发l 无耗电信息存储，省掉备用电池l 信息可保存100年，可反复录放10万次l 无需专用编程或开发系统l 较强的分段选址能力可处理多达160段信息l 具有自动节电模式l 录或放后立即进入维持状态，仅需0.5uA电流l 单一5伏电源供电(2) 电特性l 工作电压：5Vl 静态电流：典型值0.5uA,最大值2uAl 工作电流：典型值15mA，最大值30 mA（16欧姆）(3) 功能描述l 语音质量：ISD1420 语音芯片提供6.4K取样频率。取样的语音直接存储到片内的不挥发存储器内部。直接模拟存储能提供真实自然的语音，音乐，声音，不象其它的固态
31、数字录音质量要受到影响。l 录放音时间：ISD1420 能提供20 秒的录放音时间。l EEPROM 存储：ISD 的ChipCorder 技术使用片上不挥发存储器，断电后信息可以持续保存100 年。器件可以重复录制10 万次。l 基本操作：ISD1420 ChipCorder 由一个单录音信号REC 实现录音操作，两个放音信号其中的一个实现放音操作，PLAYE （触发放音），PLAYL（ 电平放音）。ISD1420 可以配置成单一信息的应用。如果使用地址线也可以用于复杂信息的处理。器件的操作在下面解释。l 自动掉电模式：在录音或放音操作的结束，ISD1420 将自动进入低功率等待模式，消耗0
32、.5uA 电流。在放音操作中，当信息结束时器件自动进入掉电模式；在录音操作中，REC 信号释放变为高电平时器件进入掉电模式。l 寻址（可选）：作为处理单一信息的补充，ISD1420 提供了全地址的寻址功能。ISD1400 系列内部存储阵列有160 个可寻址的段，能实现下面的功能。参考ISD1400 应用信息的地址表。(4) 芯片管脚图及管脚功能说明：图27 ISD1420管脚图2.5 显示电路 显示电路是在系统优化阶段完成的，它是对系统设计的完善。 LED显示器是单片机应用系统中常用的输出器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导
33、通，就能显示出各种字符。常用的LED显示器有7段和“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。1 LED静态显示方式LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或+5V）；每位的段选线（adp）分别与一个8位的锁存器输出相连。所以称为静态显示
34、。各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正因为如此，静态显示器的亮度都较高。2 LED动态显示方式在多位LED显示时，为了简单硬件电路，通常将所有位的段选线相应地并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。即在同一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其它各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。这样，虽然这些字符是在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于LED显示器的余晖和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够
35、短，则可造成多位亮的假象，达到同时显示的目的。本系统采用是共阳极LED显示器，由于需要8个LED显示器来显示被测的三个量，所以采用动态显示方式，这节省了输出端口，同时也节约了电能。2.6 本章小节本章主要介绍了系统整体方案的设计。在设计中，将系统分为了四大模块，包括CPU模块，语音报警模块，显示模块，信息采集模块。分别对各个模块进行了简单的介绍，并对前三个模块所选用的器件作了介绍。第3章 硬件电路设计 系统的方案设计在第二章中已经介绍，系统组成方框图见图21所示。具体硬件电路是按照这一方案分模块设计的。下面详细地介绍各个模块。3.1 CPU模块 系统的CPU采用了8位单片机AT89C2051，
36、它的特点和管脚功能在上一章中已经介绍，这里主要讲解它在本系统中的应用。 AT89C2051的P1口与ISD1420的8位地址端相连，用于向语音芯片提供放音/录音段的首地址。CPU从P1口输出首地址给语音芯片，当语音芯片接到放音或录音控制时，它就从这一首地址开始放音或录音，直到放音或录音操作结束为止。AT89C2051的P3.5与ISD1420的REC端口相连，用于控制语音芯片何时录音。REC为低电平时，录音开始，当REC变为高电平或是内部存储器已录满信息时，录音结束。AT89C2051的P3.7与ISD1420的PLAYL端口相连，用于控制语音芯片何时放音。PLAYL为低电平时，放音开始，当P
37、LAYL变为高电平或遇到结束标志或是到达存储器尾部时，放音结束。AT89C2051的P3.3口通过一反相器7406与一LED相连，这是正常工作指示灯。当正常工作时，指示灯亮起；当有报警输出时，这一指示灯熄灭。AT89C2051的RXD端作为串行输出端与74LS164的串行输入端相接，RXD端口每次串行输出8位数据，而74LS164将从输入端接收到的串行数据转变为并行数据输出。电路中用了两片74LS164，其一用于并行输出位码数据，另一用于并行输出段码数据。TXD端口与两片74LS164的时钟端相连，用于输出移位脉冲。P3.4口用于控制三态缓冲器74LS244的开启与关闭。AT89C2051的复
38、位电路采用的是上电自动复位电路，它是通过外部复位电路的电容充电来实现的。时钟电路采用内部时钟方式，需要在芯片引脚XTAL1和引脚XTAL2间跨接石英晶体振荡器和微调电容，以构成一个稳定的自激振荡器，其中，电路中的两电容的典型值通常选择为30PF左右，晶体的振荡频率的范围通常是在1.2MHZ12MHZ之间。电源电路设计上，先通过工频变压器将市电降压，在经过整流、平滑滤波、稳压、二极管降压，最后输出所要求的5V直流电压。AT89C2051是本系统的控制核心，它与外部的连接情况如图26所示。具体电路图请见附录1。AT89C2051ISD的A5-A7P1.5-P1.7正常指示灯P3.3ISD的RECP
39、3.5VCC P3.7RXDTXDP3.4XTAL2XTAL1复位电路RST ISD的PLAYL电源电路显示电路时钟电路图31 AT89C2051的连接情况示意图系统的时钟电路采用内部时钟方式，具体电路见图23所示。图32 片内振荡器的时钟电路系统的复位电路采用上电自动复位，这是最简单的复位电路。在通电瞬间，由于RC的充电过程，在RST端出现一定宽度的正脉冲，只要该脉冲能保持10ms以上，就能使单片机复位。具体电路见图34所示。图33 上电自动复位电路系统的电源电路要求输出5V直流电压，在将市电转变为所需输出时，需要经过变压、整流、平滑滤波和稳压。这里，整流电路采用的是桥式整流电路，稳压器件选
40、用了稳压三极管7806。电源电路见图35所示。图34 电源电路3.2 语音报警模块 语音报警模块的关键部件是语音芯片ISD1420，它是系统的语音合成存储器件。ISD1420是可以分段录/放音的，最小分段：20s/160段=0.125s/段，可分段160段。而录/放音的起始地址是由地址位A0A7来控制的。硬件设计上，把ISD1420的地址端A0A7分别与AT89C2051的P1.0P1.7相接，这就实现了由CPU控制录/放音的起始地址。ISD1420在本系统中采用电平放音方式，用P3.7口控制放音，低电平开启，高电平关闭。用P3.5口控制录音，低电平开启，高电平关闭。这样，CPU既能控制语音芯
41、片何时工作、何时停止，又控制了语音芯片在指定的存储空间中存入相应的语音信息，还能控制语音芯片从何处开始放音。此时语音芯片就可以按照CPU的指示工作。ISD1420与AT89C2051的连接如图28所示。ISD1420A5A6A7PLAYLRECP3.7P3.5P1.5P1.6P1.7图35 ISD1420与AT89C2051的连接示意图ISD1420的驱动能力有限（0.5W），直接接到扬声器上效果不是太理想，若接1W以上的扬声器将发生失真现象。通常1W以上的扬声器可用LM386、DD2283、DD2822、MC34119、TA7368等芯片驱动；1W10W的扬声器用TDA2003、LA4440
42、芯片驱动。注意：对于直接驱动发声装置，使用两个反极性的输出的功率是使用单输出功率的4倍。另外，同时使用SP+和SP-可以不使用喇叭的耦合电容。对于使用单个输出，必须在SP+和喇叭之间接一个耦合电容。在录音状态中，两个喇叭输出为高阻状态；在掉电模式中保持为VSSA。ISD1420的喇叭驱动电路如图29所示。图36 喇叭驱动电路图外部的麦克必须是AC 耦合，通过一个电容连接。电容的数值和MIC管脚内部的电阻（10K）决定ISD1420输入的低频截止频率。MIC REF是麦克前置放大的反向输入。当器件使用该输入脚并以差分形式连接到麦克时，能减低噪声和实现共模抑制。在麦克选择上，应选用优质驻极体麦克。
43、ISD1420的麦克接入电路如图210所示。图37 麦克接入电路 AGC阻容尽量靠近ISD芯片，且连线尽量短。AGC 电路能以很小的失真记录宽范围的声音，例如从很低的声音到很高的声音。AGC 的起控时间由电路内部的一个5K 电阻和一个外部连接的电容决定。图38 AGC端口阻容接法电路ANA OUT脚必须通过外部电容连接到ANA IN 脚。这个电容的数值与ANA IN 内部的3.0K 欧姆的输入电阻能提供又一个音频带宽的低频截止频率。3.3 显示电路显示部分主要由串入并出移位寄存器74LS164、三态缓冲器74LS244、三极管 和数码管组成，具体电路见图39所示。 图39 显示电路图电路工作原
44、理如下：单片机的串行口发送一帧数据时，由RXD端口一位一位地输出数据，而RXD与第一片74LS164的输入端相连，74LS164将这样串行输入的数据转变为并行输出。串行口先发送段码数据，当发送完毕后，这一段码数据就在第一片74LS164的输出端并行输出，但是此时74LS244处于关闭状态，数据是不能通过它被送出。接着，串行口再发送位码数据，当第一片74LS164接收到第8位数据时，先前发送的段码数据就移位到第二片74LS164输出，由于采用的是动态显示方式，所有数码管的段选线并联在一起，与第二片74LS164的输出端相连。这样，各个数码管都收到相同的段码数据，至于哪一个数码管亮起，就要看哪一个
45、数码管的位选线被选通。在位码数据发送完毕后，利用软件打开74LS244，这时74LS244将处于直通状态，输出的数据和输入的数据保持一致。输出的数据中仅有一位是0，其余都为1，输出为0的那一位将会使三极管导通，进而驱动相应的数码管显示数据。其余为1的位将不能使三极管导通，就不能够驱动数码管。3.4 本章小节本章详细讲述了硬件系统的设计。在设计中，将硬件系统分为三大模块，包括CPU模块、语音报警模块和显示模块。其中显示模块是对系统的优化，是在优化阶段完成的。针对各个模块，分别给出了电路连接示意图或是电路图，并对电路的工作原理作了详细的讲解。整体电路图请见附录1。第4章 软件设计4.1 系统软件设
46、计原则由于计算机系统软件的进步和飞速发展，在系统设计中，耗用了大量的开发时间，充分发挥软件功能，尽可能扩展软件的应用范围，这就相对地简化了硬件结构，降低了成本，提高了系统的性能。根据系统的设计情况，软件设计应具备如下功能：l 取参比较l 报警语音输出l 语音录入l 实时数据显示系统软件全部采用汇编语言编制，节约了硬件资源，同时提高了系统的实时性。4.2 软件编制系统软件采用模块化结构程序设计方法进行设计。程序模块主要包括主程序，报警语音输出子程序，语音录入子程序和显示子程序。(1) 主程序主程序流程图如图31所示。主程序模块完成系统初始化,取参比较，置位相应的报警标志，并控制相应操作等功能。在编制主程序时，设一个报警模型标志
