单片机式语音播报伏特表

 引言 
       传统的伏特表在我们的日常生活及科学研究中起到了其独特的作用，但是在科学技术日新月异、集成芯片在日常生活中的应用越来越广泛的今天显得比较落伍：①它们的量程往往在出厂以前就限定好的，不能根据具体使用场合进行相应调整；②测量有限；③不能够将测量结果用语音播放出来。本文将介绍一种由单片机系统[1][3]、模－数转换电路[3] [5]、语音电路[2][4]、LED显示电路[1][3]组成的单片机式语音播报伏特表。
       1、硬件设计
       整个系统的组成可以分成四大部分：单片机、模－数转换电路、语音电路、LED显示电路。下面就主要的部分进行具体介绍。
       1．1、单片机
        目前流行的单片机很多,其中89C51自带有片内ROM和一定数量的RAM，一般不需要扩展片外的存储器，并且能和MCS—51产品兼容。本设计选择89C51单片机，如下图所示：

                                             图1  89C51单片机
       本设计选用简单基本的经典复位电路，它利用电容和电阻的充放电来产生一个达到时间要求的连续低电压，并输入到单片机的复位管脚。
       1．2、 模－数转换电路

       模－数转换选择8位的ADC即AD0809，模块分布如图 1－2，测量范围由REF(-)和REF(+)接的电压决定，使用的时候可以根据具体的需求更改测量量程。
       工作原理如下：首先，地址控制模块中，由单片机送来“通道控制信号”选择我们所需要的通道，随后ALE信号锁定该通道。此时，外界的模拟输入就可以通过“模拟输入开关”进入AD转换器。这时，只要START信号一有效马上就开始进行AD转换。
       AD转换的过程其实就是一个“和参考电压比较，逐次逼近”的过程。由“256电阻阶梯”模块提供参考电压，并在“开关阵列”的控制下，和输入进行比较，直到在“S．Ａ．Ｒ．”模块中得到一个比较的数字化输出值，这时由“控制/定时模块”发送EOC信号通知外部AD转换完毕。所的到的数字信号存于“输出锁存模块”中，只要单片机来一个OUTPUT ENABLE信号即可输出数据。

       ADC芯片如下：

图 1－3   ADC芯片图

       模－数转换工作主要是由硬件完成的，其软件部分相当简单。
       1．3、 语音播报

       从设计的要求、芯片的性能等方面考虑，设计时选择了ISD1400。它的功能齐全，控制信号只使用89C51的I/O控制线。内含64K/128K EEPROM存储器、消除噪声的话筒前置放大器和自动增益调节AGC电路、适合语音的专用滤波电路、具有极高温度稳定性能的时钟振荡电路及全部语音处理电路。这种电路还提了多种应用方式选择和接口，并可方便地应用到各种集成化电子语音系统中。语音录放组件可用于各种一段式语音留言装置、语音报警及语音提示装置中，能够在电源断开的情况下，长期保存信息。设计时具体的连接如下：

                                                   图 1－4  语音系统
       ISD1420可分段存贮20秒语音信息，按每秒钟可读3个汉字计算，20秒可分段贮存609多个汉字语音。将ISD1420的A2～A7与单片机CPU的I/O口连接，这样可单独提取64段语音信息，并在软件的支持下可自动组合成若干段完整的长短语句。接通电源，电路自动进入节电准备状态。按住录音键(REC保

持低电平)，电路进入录音状态，录音指示灯亮，直至REC变高或存储器录满，录音结束进入准备状态。录音完毕即可使用。
       1．4、  LED显示方案
       显示方案常用的有两种：串口和并口。由于设计中，对于89C51的I/O口利用紧张的关系，我们选用串口来显示。为了能够同时显示3个LED数码管，本系统需要增加三个74LS164做串——并转换。同时，由于电压的关系，还需要加上限流电阻。在译码方面有硬件和软件两种方式，为了减小硬件的复杂程度，设计采用软件查表译码的方法。
       2    软件设计
       软件的设计实行模块化，主要由模数转换、误差判断（如果一直测同一值即误差很小就不二次播报）、码制转换、LED显示、语音播报几大模块构成。软件
流程图如下：

       3、软件调试
       本系统的软件系统全部采用Ｃ51来编写，由于一般的仿真器对Ｃ51的支持有一定的缺陷，软件调试比较复杂．除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接到单片机来调试．采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统调试。
       4、硬件调试
       调试时使用标准电源，digital multimeter DT9505数字万用表可以判定系统测量的。系统供电电压：5V（标准）对所测的数据进行分析可以得出以下结论：用标准的５伏电压供电的时候，所测的电压只在个别的电压范围内有0.01伏的误差，其他范围几乎没有误差。由于软件算法的限制，误差在５伏处，为0.02伏。
       5、软硬件联调
       通过设定仿真器的属性，从而通过仿真器实现软硬件联调。对应每个模块功能在硬件电路实现，通过仿真器的单步执行或断点执行及全速执行，来观察硬件电路的反应是否正常。在调试过程中对出现的问题进行修改和改进，为硬件的脱机运行打下基础。
       焊接硬件电路在认真检查的基础上，还要掌握好焊接的时间。为避免虚焊，要求焊锡与导线充分接触，但我们均采用胶皮导线，过高的温度会使胶皮脱落，在与其他导线交叉的情况下容易造成两导线的短接，产生不可靠性。在焊接时，亦容易将座子的塑胶材料烧坏。
       使用模拟仿真头与使用真实仿真头调试有点区别。模拟仿真头调试的时候不易出现真实仿真头调试时产生的硬调故障。真实仿真头要接收硬件电路的中断信号，并进入中断服务子程序完成相应的动作。所以，本设计软件中本应该用定时器延时的地方，不得不用软件延时，导致设计未能够充分利用资源，增大了CPU的负担。
、结论

        研究的基于MCS—51单片机的语音播报伏特表，采用串口扩展（LED部分）、实时转换（ADC部分）、按键复位等技术，可以对直流电压进行比较高的测量并用语音播报该值。系统的运行可靠、稳定。对系统测量结果分析可以看出：用标准的５伏电压供电时，所测的电压误差在0.01伏范围内。
       伏特表的量程调整也是很方便的，在实际的运用过程中，不同的用户可以根据自己的实际需要，更改REF（-）和REF（+）值便可调整量程。
参考文献：
[1]  全国大学生电子设计竞赛组委会 ．第五界全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编　　北京：北京理工大学出版社  
[2]  winbond.   ISD1400 Series Single-Chip Voice Record/Playback Devices 16-and 20-Second Durations .  America ： Ele ctronics Corporation America   

[3]   上海市教育委员会组 丁元杰．  单片微机原理及应用    北京：机械工业出版社    P176――185   P200――－204
[4]    https://www.21cm.com.cn/product/zy1420/ISD1420shouce.pdf
[5]    https://stocks.find-ic.com/search.asp?p=AD0809 

[6]. 89C51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/89C51_105386.html.
[7]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[8]. AD0809 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD0809_1135625.html.
[9]. ISD1400 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ISD1400_409579.html.
[10]. ISD1420 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ISD1420_409804.html.
[11]. 74LS164 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/74LS164_1054394.html.