毕业设计（论文）基于单片机的多功能数字温度计的设计（软件）.doc

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1、分类号 编 号 华北水利水电学院North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power 毕 业 设 计题目：多功能数字温度计的设计（软件）系 别 信息工程学院 专 业 电子信息工程 姓 名 学 号 指导教师 2011 年5 月 11 日毕业设计任务书一 设计题目 多功能数字温度计的设计（软件）二 设计目的利用所学习的高级程序语言及单片机的相关知识，设计一个能采集温度，显示温度和语音报温的电路，并可以实现时间和闹钟功能，其中时和分由按键控制可调，闹铃可切换。三 设计内容1. 使用单片机对温度传感器进行控制并获取其温度。

2、2. 使用单片机控制数码管显示温度数据。3. 使用单片机对语音芯片ISD1720进行控制并录音。4. 使用单片机自身的定时功能实现其计时功能。5. 使用单片机的定时功能控制语音芯片播放闹钟。四 任务与要求1. 熟悉单片机使用原理，熟悉高级程序语言C语言的语法。2. 熟悉Keil C51软件的使用方法。3. 熟悉Proteus软件，并汇出系统原理图。4. 对程序流程进行分析，画出程序流程图。5. 阅读文献，编写开题报告，设计方案不少于两种，并且进行论证。6. 翻译不少于2000字的外文资料。7. 编写各个流程图中相应模块的程序。8. 将软件和硬件相结合进行相应的编码测试及整个软硬件系统的综合测试

3、，实现功能并达到性能要求。9. 按论文的规范撰写论文。五 时间安排第1-2周：查阅相关文献；第3周：与设计内容相关的学习；第4周：完成开题报告；第5-6周：完成硬件电路设计，购买相关器件；第7-8周：编写软件程序；第9-11周：软硬件系统调试；第12周：撰写论文；第13周：修改打印；第14周：论文答辩。六 系统组成1电源模块2显示模块3语音模块七 参考文献1.苏小红 陈慧鹏 孙志刚C语言大学实用教程电子工业出版社，2007年2. (语音芯片资料 权威下载网站)3.闫玉德 俞虹MCS-51单片机原理与应用机械工业出版社，2002年4.李广弟，单片机基础，北京航空航天大学出版社，1994年5. 刘

4、守义，单片机应用技术，西安电子科技大学出版社，2002年6. 关德新 冯文全单片机外围器件实用手册北京航空航天大学出版社，1998年 7. Proteus软件 “资料下载”。华北水利水电学院本科生毕业设计开题报告 2011年5月11日学生姓名尹 铮 铮学号200711901专业电子信息工程题目名称多功能数字温度计的设计（软件）课题来源主要内容一温度采集原理温度部分的采集是通过温度传感器ISD18B20来采集外界的温度，并将数据提供给单片机来实现。其具体步骤如下：1.首先由单片机对温度传感器进行确认是否正确连接并对其进行初始化操作。2.单片机通过对温度传感器进行发送温度获取命令来换取传感器传回的

5、温度数据。初始化操作/命令单片机温度传感器传回温度数据二温度显示原理对于温度的显示，主要是通过单片机对4位8段数码管的控制来实现的。其具体步骤如下：1.首先在单片机内部建立一张类似表（数据表）的函数，以此来实现实际数据到显示数据的对应转换，该表函数创建一次即可，以备后用。2.显示时每次由单片机发送控制命令，以此来告诉点亮第几位数码管。3.单片机紧跟将温度数据查表后获取显示数据并送给驱动，由驱动74LS245加强信号后送数码管显示。先发送控制命令共阴数码管单片机后发送显示数据 三语音报温原理 对于语音部分，我们使用的是ISD1720语音芯片。 其具体实现步骤如下：1. 实现对录音的控制（掌握录音

6、地址）。为减轻单片机的负担，我们首先建立一个仅用于录音的程序，烧写进单片机将芯片提前录音。该录音程序包含了对语音芯片的初始化和定点录音命令。以此来掌握录音的位置。 2. 创建录音查表函数。（命令表） 在定点录音命令中包含了录音的地址，我们在查表函数中使用类似的定点放音命令来播放相应地址的录音。每一个数据都有对应的一段录音。 3. 单片机在接到温度数据时，在报温键动作时，迅速将温度数据在录音查询表内查询相应的定点放音命令即可。 语音芯片单片机将温度数据查表扫描到报温键动作(发送命令)四时间功能原理 对于时间功能，我们使用的是单片机内部的定时器To，并设置计时数据时，分，秒为全局变量。并在单片机端

7、口设置按键，来调节时与分的值。关于数据的显示部分可参考第二部分：温度显示原理。五闹钟功能原理 利用计时数据和定点放音命令，在相应的时间执行定点放音命令即可。另外在单片机的外部设有按键，来切换闹铃的铃声。计时数据可参考第四部分：计时显示原理。定点放音命令可参考第二部分：温度显示原理。特别说明 由于温度数据和时间数据共用一个全局变量类型的数组，在显示时间时数组内容已经被修改为时间，故此时报温键动作将不能正确报温。解决办法为设置两组全局变量分别用于显示时间数据和温度数据。但这样会使程序繁琐，加重单片机工作时的负担。为简单起见，该设计暂不采用。性能调试（主要为单片机控制系统的调试） 1. 软件调试使用

8、keil软件对程序的正确性和功能进行初步的调试和仿真，随后使用proteus软件进行原理图的绘制并将keil编译生产的*.Hex 文件导入相应的单片机仿真部分中进行整体设计的原理性仿真，由于proteus中可能缺乏某些实际产品中相应的仿真元器件，因此某些部分需等待硬件、软件的综合测试。2. 硬件、软件综合测试 在经过硬件、软件的单独调试之后，即可进入硬件和软件联合仿真调试的阶段。采取的主要技术路线或方法1. 使用C语言对程序进行模块化的编写和组合。2. 使用keil软件进行程序的仿真和调试。3. 使用proteus软件对整体原理图进行绘制并对可覆盖模块进行仿真。4. 硬件、软件综合测试。预期的

9、成果及形式1.能正确获取并显示温度。2.能在温度显示和时间显示间灵活切换。3.能正确语音报温。4.能在预定的时间闹钟。时间安排第1-2周：查阅相关文献；第3周：与设计内容相关的学习；第4周：完成开题报告；第5-6周：与组员共同完成硬件电路设计，进行相应芯片选型和购买相关器件；第7-8周：编写软件；第9-11周：性能调试；第12周：撰写论文；第13周：修改打印；第14周：论文答辩指导教师意见签 名：年 月 日备注多功能数字温度计的设计（软件） 摘要随着人们生活水平的提高，人们对于自己生活的环境越来越关心。近些年来，由于全球变暖问题越来越受到人们的关注，人们对于温度方面极为关注，对于温度这个字眼也

10、越来越敏感。在当今时代，温度的确对于农业，工业和人们的生活都有着甚为紧密的影响。而温度的测量就成了一项必不可少的工作，传统的测量工具既费时间，而且测量的精度不高。而数字温度计与传统的温度计相比，具有读数直观，测量范围广和测量精度高的特点，再借助目前的单片机技术，使测量工具更小巧，轻便。广泛应用于大众的生活中。本文主要介绍了由单片机STC89C52和温度传感器DS18B20及语音芯片ISD1720为主要器件的以温度采集，显示和语音报温为主要功能的详解电路设计方案。其中包括软件部分的设计和硬件部分的设计。显示部分采用共阴极4位一体的8段LED数码管。软件设计部分采用高级程序设计语言C语言实现。软件

11、设计工具包括Keil C51和Protues仿真软件。关键字：单片机；数字温度计；C语言；语音芯片；ISD1720AbstractAs peoples living standards improve, people are increasingly concerning about their living environment. In recent years, global warming problems are payed more and more attention.People are extremely concerning about the temperature, w

12、hich has become increasingly sensitive to the word. In modern times, temperature has a very strong influence on agriculture, industry and peoples lives. So the temperature measurement becomes a necessary work. While the traditional measurements is time-consuming and the accuracy is not high. Compare

13、 a digital thermometer with a traditional thermometer, former has intuitive readings, wide measurement range and high precision measurement.And then with the current chip technology, the measurement tool is more compact and light,which is widely used in public life. This paper describes a detailed c

14、ircuit design including temperature sensor DS18B20, microcontroller STC89C52 and voice chip ISD1720 , which include software design and hardware design. And a 4-bit common cathode LED digital tube is used to display datas. Software design uses high level programming language ,C-language. Software de

15、sign tools include simulation software Keil C51 and Protues. Keywords: microcontroller; digital thermometer; language C; voice chip; ISD1720 目录第一章 绪论- 课题开发背景-1 课题研究的目的意义-1课题开发工具和语言-2第二章 方案调研- 温度采集方案调研-3 录音方案调研-5 语音报温方案调研-7第三章 软件设计- 模块化设计思想-9总体功能框图-10按键扫描框图-10总体流程图-11核心模块 程序源代码及解析-温度采集模块 程序源代码及程序设计思路

16、-12语音报温模块 程序源代码及程序设计思路-13按键扫描模块 程序源代码及程序设计思路-15中断服务模块 程序源代码及程序设计思路-16第四章 单片机应用系统调试-软件调试方法-18本次设计中遇到的主要问题和解决办法-18第五章 总结-19致谢-20附录 英语文献-21附录 录音部分名录代码- -26附录 附录总程序源代码-28附录 Protues仿真图-46附录 参考文献-49第1章 绪论本章详细阐述了课题开发的背景、课题研究的目的和意义、课题开发工具Keil及Proteus软件以及本设计所采用的开发语言的特点。11课题开发背景随着人们生活水平的提高，人们对于自己生活的环境越来越关心。近些

17、年来，由于全球变暖问题越来越受到人们的关注，人们对于温度方面极为关注，对于温度这个字眼也越来越敏感。在当今时代，温度的确对于农业，工业和人们的生活都有着甚为紧密的影响。而温度的测量就成了一项必不可少的工作，传统的测量工具既费时间，而且测量的精度不高。而数字温度计与传统的温度计相比，具有读数直观，测量范围广和测量精度高的特点，再借助目前的单片机技术，使测量工具更小巧，轻便。广泛应用于大众的生活中。该设计以此背景为前提，在尽可能满足以上背景需求的前提下，兼顾本人的能力范围，设想在以单片机芯片STC89C52，温度传感器DS18B20，语音芯片ISD1720为基础的前提下，设计一个可以采集温度，显示

18、温度并语音报温的电路，在此基础之上，可以附加一些额外功能，例如可以利用单片机的定时功能，实现显示时间功能。另外在语音芯片中，可以留出一部分空闲地址，录制一段铃声，在特定的时间来播放，以此模拟闹钟功能。另外可以在单片机外部增设若干个按键，来调节小时与分钟的值，或者切换各种不同的铃声。12课题研究的目的意义 单片机具有可靠性强、功能强、体积小、功耗低、使用方便及性价比高等特点，特别适合用于小型电子器件的设计。本设计在成功以后，软件部分可以将其再进一步的精简，硬件部分还可以集成化处理。既可以作为单独的测量温度工具，又可以附加在大型的电子器件上作为子模块功能。本次设计特点：1.功耗小，电源电压仅需5V

19、直流电压。2.功能齐全，强大，温度显示，语音保温，显示时间，闹钟，切换铃声。3.廉价，各种所用芯片价格十分便宜。4.耐用，如果板子做成PCB板，会十分的结实和耐用。13课题开发工具和语言开发工具1.Keil C51软件介绍Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生

20、成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。2.Proteus仿真软件介绍Proteus 是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：ARM7(LPC21xx)、 80

21、51/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2、MPLAB等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。开发语言在本设计中，开发语言选用C语言。以下将说明C语言的特点。1.简洁紧凑，灵活方便。2.运算符丰富。3.数据结构丰富。4.语法限制不太严格，程序设计自由度大

22、。5.允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作。6.生成代码质量高，程序执行效率高，仅比汇编效率低1020%，由于该设计对执行效率没有很严格的要求，故综合起来权衡利弊，使用C语言作为开发语言。7.可移植性好。第2章 方案调研在我们接到设计题目后，首先要进行的就是对设计内容进行模块化，找出主攻的难题并对其进行调研。其中有两点需要注意：1.权衡软硬件部分的分工。有时候硬件的选择会对软件的模块划分产生重要影响。比如一个硬件的选取，可能涵盖了软件部分的一个模块，那么软件部分在设计时就无需考虑该模块。但该硬件的引入，又可能带来其他方面的问题，那么软件部分在设计时，就要新增加该部分的模块。2.在一般情

23、况下，软件部分应更多代替硬件，此部分会更彰显软件设计的特色。3.积极获取相关资料，借鉴成熟技术，避免重复性的劳动，在此基础上可视能力进行创新。2.1温度采集方案调研对于温度的获取，考虑选用DS18B20温度传感器，传感器在使用时，需要遵从其协议。其协议内容如下: 初始化；ROM操作命令；存储器操作命令；处理数据。根据DS18B20的通信协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：1. 每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。2. 复位要求主CPU将数据线下拉至少480微秒，

24、然后释放，当DS18B20收到信号后等待1560微秒左右，然后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。3. 单总线上的所有处理均从初始化开始，总线主机检测到DSl8B20的存在，便可以发出ROM操作命令之一。4. 之后就可以发出存储器操作命令之一。ROM命令一览：指令约定代码功能读ROM33H读DS18B20温度传感器ROM中的编码（即64位地址）符合 ROM55H发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS18B20 使之作出响应，为下一步对该 DS18B20 的读写作准备。搜索 ROM0FOH用于确定挂接在同一总线上 DS18

25、B20 的个数和识别 64 位 ROM 地址。为操作各器件作好准备。跳过 ROM0CCH忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 发温度变换命令。适用于单片工作。告警搜索命令0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。存储器操作命令一览：指令约定代码功 能温度变换44H启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM中。读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的3 、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器48H将RAM中第3 、4字节的

26、内容复制到EEPROM中。重调 EEPROM0B8H将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3 、4字节。读供电方式0B4H读DS18B20的供电模式。寄生供电时DS18B20发送“ 0 ”，外接电源供电 DS18B20发送“ 1 ”。单片机使用时间隙(time slots)来读写DSl8B20的数据位和写命令字的位。2.2录音方案调研1、ISD1700系列语音芯片采样频率、振荡电阻以及录放音时间的关系 ISD17xx系列的录放音典型值为xx秒，xx表示录放音时间的长短，例如ISD1720录放音时间是20s，ISD1760则是60s。典型值xx是在采样率为8kHz时的录放音时间，用户可以通过改变

27、外接的振荡电阻的阻值来改变采样频率和录放音持续时间的长短。具体相对应关系如表1和表2所示。表1 采样频率与振荡电阻的关系表2 采样频率与录放音持续时间的关系2、ISD1700系列的语音存储管理方式 语音信息在片内存储器中按行阵列存储，一个行地址是被访问的最小存储单元。在开始的16个存储单元存储着4个声效提示音（SE），每个占4个行地址，所以用户真正能利用的行地址是从0x10开始至末地址的，而0x00至0x0f为SE的地址。ISD1760的存储阵列结构如表3所示。表3 ISD1760存储阵列ISD1700系列的最小存储单元存储的时间与采样频率的关系如表4所示。表4 采样频率与最小存储时间的关系

28、举个例子，当采样频率在标准的8kHz时，最小存储单元即一个行地址的存储空间可以存储125ms，从而可以计算出每个SE的长度4125ms=0.5s，除去SE所占的时间，剩下的为用户可以录放的语音信息存储空间。3、知道芯片型号，如何知道存储空间呢，方便定点录放音。 为了确定存储空间的大小，必须以标准的采样频率8kHz下计算，以ISD1720为例，在采样频率为8kHz的录放音到持续时间为20s，最小存储单元分辨率为125ms，那么总共存储空间为20000/125=160（0xA0），减去4个SE所占的空间（44=16），真正用户可以使用的只有160-16=144个，转化成时间共144125ms=18

29、s，ISD1720的存储阵列结构如表5所示。表5 ISD1720存储阵列验证 如下表所示为ISD1720用户可以使用的存储单元与采样频率的关系。说明计算方法是正确的。2.3 语音报温方案调研语音芯片使用ISD1720。以下为其类似产品ISD1700示意图。ISD1720有两种工作模式：一种为独立按键模式，另一种为SPI控制模式。SPI协议总述1.一个SPI处理开始于/SS管脚的下降沿。2.在一个完整的SPI指令传输周期，/SS管脚必须保持低电平。3.数据在SCLK的上升沿锁存在芯片的MOSI管脚，在SCLK的下降沿从MISO管脚输出，并且首先移出低位。4.SPI指令操作码包括命令字节，数据字节

30、和地址字节，这决定于1700的指令类型。5.当命令字及地址数据输入到MOSI管脚时，同样状态寄存器和当前行地址信息从MISO管脚移出。6.一个SPI处理在/SS变高后启动。7.在完成一个SPI命令的操作后，会启动一个中断信息，并且持续保持为低，直到芯片收到CLR_INT命令或者芯片复位。芯片的使用步骤如下：先要对其正确初始化一次。发送SPI命令。每次在SPI命令输入到芯片之前，SPI端口应保持如下状态。/SS=HIGH SCLK=HIGH MOSI=LOW并且每次命令前最好检查一下上次命令是否成功并且芯片是否做好下次的命令接收准备。SPI部分命令一览：其中有阴影标注的部分为本次设计所用到的命令

31、。指令命令字Databyte1Data byte2或开始地址byte1Data byte2、3或开始地址byte2结束地址Byte1/2/3备注PU0x010x00STOP0x020x00RESET0x030x00CLR_INT0x040x00RD_STATUS0x050x000x00RD_PLAY_PTR0x060x000x000x00PD0x070x00RD_REC_PTR0x080x000x000x00DEVID0x090x000x00PLAY0x400x00REC0x410x00ERASE0x420x00G_ERASE0x430x00RD_APC0x440x000x000x00SET_

32、PLAY0x800x00SET_REC0x810x00SET_ERASE0x820x00第3章 软件设计一个好的系统是硬件系统和软件系统的完美结合。由于软件部分的设计比较灵活，在通常情况下，软件设计要尽量代替硬件实物来降低开发成本。在硬件系统的结构确定以后，软件部分设计的好坏将直接影响到系统的性能。因此，一个良好的软件设计思路是至关重要的。同时，一个良好的设计思路也是一个软件开发人员必备的优秀素质之一。31模块化设计思想按照实际设计内容，可以将整个程序划分为以下若干个主模块：按键扫描模块温度采集模块显示数据模块语音模块中断服务模块依据实际设计内容，其中按键扫描模块又可划分为：主扫描模块和条件扫

33、描模块。温度采集模块中，还要包含对传感器的复位模块，读写数据模块等。显示数据模块中，要依据显示内容的不同，设置不同的显示模块，在该设计中，主要为温度显示模块和时间显示模块。语音模块中，要包含语音报温模块和闹钟模块。中断服务模块主要是为时间显示模块准备所必需的时间数据，同时其数据还要受按键扫描模块的键动作影响。3.1.1 总体功能框图 单片机按键扫描4位8段数码管ISD1720语音芯片DS18B20温度传感器芯片初始化(一次)定点录音（备用）检测按键 语音报温定时播放铃声复位操作和命令传回温度数据检测按键显示温度检测按键显示时间开启定时，扫描按键调整时间数据检测按键 切换铃声3.1.2按键扫描框

34、图 按键扫描模块又可划分为：主扫描模块和条件扫描模块。单片机单片机（在温度显示的情况下） 扫描显示键切换闹铃铃声 时间显示与温度显示 切换 扫描报温键语音报温单片机（在时间显示的情况下） 扫描控制键调整显示时间条件扫描主扫描 扫描铃声键主流程图显示键按下切换显示是是铃声键按下切换铃声否否当前为时间时控键按下开始初始化操作扫描按键是否调整小时分控键按下是调整分钟否是否报温键按下是语音保温否说明：每60秒 自动闹铃未在图上标注32核心模块 程序源代码及解析以下主要分析的是温度采集模块，语言模块中的语音报温模块，按键扫描模块和中断服务模块。3.2.1温度采集模块 程序源代码及程序设计思路 /* 读取

35、温度函数 * 函数原型：void Get_Temp(void);* 功能： 获取传感器的温度*/void Get_Temp(void) Reset();Write_Byte(0xCC); / 跳过 ROMWrite_Byte(0x44); / 启动温度转换Delay(50);/延时820usReset(); /复位操作Write_Byte(0xCC); / 跳过 ROMWrite_Byte(0xBE); / 读暂存器temperature_L=Read_Byte();temperature_H=Read_Byte();temperature=temperature_H;temperature=

36、8;temperature=temperature|temperature_L;程序设计思路根据温度传感器的使用要求，每次在使用时都要先进行复位操作。复位成功后发送一条ROM指令，我们发送的是0xCC命令，跳过ROM。最后发送RAM指令，我们发送的是0x44命令，启动温度转换。稍作延时。再次进行复位操作。再次发送0xCC命令，跳过ROM。发送0xBE命令，获取温度。读温度低位，读温度高位，并整合成一个双字节的温度数据。（其中已包含温度符号） 3.2.2语音报温模块 程序源代码及程序设计思路/*语音报温* 函数原型：void Play_Temperature(void);* 功能： 语音报温*/void Play_Temperature(void) uchar i;for(i=0;i4;i+)if(i=0) switch(display_datai) case 0: do ISD_Read_Status();while(Flag_Ready=0);Delay(10); ISD_SET_PLAY(0x