基于單片機(jī)的語音播報(bào)萬用表設(shè)計(jì)

1.引言

萬用表是一種最常用的電工測量儀表，目前主要使用的有兩種，即模擬以指針萬用表和數(shù)字式萬用表.這 兩種萬用表使用時(shí)存在一個(gè)共同的問題，就是測量時(shí)必須用眼睛觀看被測點(diǎn)和刻度盤或數(shù)據(jù)顯示屏，容易造成在觀測測量結(jié)果時(shí)表筆脫離被測點(diǎn)，或者造成表筆金屬 極在相鄰電路上短路.隨著語音技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)字萬用表中增加語音播報(bào)功能，為萬用表使用性能的實(shí)質(zhì)性進(jìn)步開辟了一條新的途徑，有了語音播報(bào)數(shù)值功能，可 以告訴測量數(shù)值和單位準(zhǔn)確的確認(rèn)讀數(shù)的結(jié)果，大大減少讀數(shù)出錯(cuò)的可能.不僅如此，本設(shè)計(jì)通過高精度A/D轉(zhuǎn)換，提高萬用表的測量精度，對其他電子儀器的改進(jìn)有著重要的意義.

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

語音播報(bào)萬用表，最主要目的是對萬用表測得數(shù)值進(jìn)行顯示和播放.系統(tǒng)采用模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由微處理器模塊.萬用表測量電路.高精度A/D電路.語音電路.顯示電路以及按鍵電路模塊組成，整體框圖如圖1所示.

在圖1 中， 系統(tǒng)微處理器處理器采用AT89S52,它是一種低功耗.高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器， 使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活.超有效的解決方案.萬用表測量電路將各種測量值轉(zhuǎn)化為電壓信號，在通過高精度A/D電路將模擬信 號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給單片機(jī)，再由單片機(jī)進(jìn)行算法處理后輸出到顯示電路，LCD顯示測得的電壓值，語音播放電路根據(jù)單片機(jī)算法運(yùn)算后尋找存儲該數(shù)值對應(yīng) 的語音信號進(jìn)行播報(bào).

2.2 高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊

萬用表的實(shí)現(xiàn)采用將各種測量數(shù)值轉(zhuǎn)化為直流電壓值，再將直流電壓值通過高精度A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號，進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理及輸出.提高萬用表精度的電壓表的核心提高A/D轉(zhuǎn)換的精度，系統(tǒng)采用16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7705將模擬電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字 量，并送入單片機(jī)，單片機(jī)對該數(shù)字量進(jìn)行規(guī)格化處理.

AD7705是16位AD轉(zhuǎn)換器，外接晶體振蕩器.精密基準(zhǔn)源和少量去耦電容，即可連續(xù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn) 換.它采用了Σ-Δ技術(shù)，可以獲得16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出.AD7705采用的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器連接，也比并行接口方式大大節(jié)省了 CPU的IO口[3]?采用AT89S52控制AD7705,對橋式傳感信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，能直接將傳感器測量到的微小信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換.該器件還具有高 分辨率.寬動(dòng)態(tài)范圍.自校準(zhǔn).優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)，非常適合儀表測量.

采用16位A/D可將測量電壓值精度根據(jù)數(shù)字信號±1的誤差，數(shù)據(jù)輸出公式為，1/65535*5V=0.00007V,也就是說在不改變電壓量程時(shí)，可達(dá)到0.1mV的精度.單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換的連接如圖2所示.

2.3 萬用表測量模塊

萬用表測量范圍包括直流電壓.交流電壓.直流電流.交流電流.電阻及電容等參數(shù).為了擴(kuò)大萬用表的測量范圍，增加電阻分流.分壓等功能，該部分設(shè)計(jì)原理基本相同，本設(shè)計(jì)未作改進(jìn).在交直流轉(zhuǎn)換及電阻測量方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，提高測量穩(wěn)定性.

數(shù)字萬用表中交流電壓測量電路是在直流電壓測量電路的基礎(chǔ)上，在分壓器或分流器之后加入一級交流-直流(AC-DC)變換器形成的，主要由集成運(yùn)算放大器.整流二極管.RC濾波器等組成，還包含一個(gè)能調(diào)整輸出電壓高低的電位器，用來對交流電壓進(jìn)行校準(zhǔn)之用，如圖3為所示.

系統(tǒng)中的電阻檔采用的是比例測量法，由穩(wěn)壓管ZD提供測量基準(zhǔn)電壓，流過標(biāo)準(zhǔn)電阻0 R和被測電阻X R 的電流基本相等.所以A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓RFE U 和輸入電壓IN U 有如下關(guān)系：

其電路如圖4所示.

2.4 顯示電路模塊

為了能夠更好的現(xiàn)實(shí)各種數(shù)字和符號，采用了12864LCD顯示器等組成顯示模塊.AT89S52通過將電壓信號的二進(jìn)制值進(jìn)行算法轉(zhuǎn)換后的數(shù)值通過IO口輸出到LCD顯示實(shí)時(shí)數(shù)值，電路如圖5所示.

2.5 語音播放模塊

語音模塊采用ISD4003語音錄放芯片，是美國ISD公司推出的產(chǎn)品.該系列語音芯片采用多電平 直接模擬存儲專利技術(shù)，聲音不需要A/D轉(zhuǎn)換和壓縮，每個(gè)采樣值直接存儲在片內(nèi)的閃爍存儲器中.ISD4003語音芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含晶體振蕩 器.防混疊濾波器.平滑濾波器.自動(dòng)靜噪.音頻功率放大器及高密度多電平閃爍存儲陳列等，因此只需很少的外圍器件就可構(gòu)成一個(gè)完整的聲音錄放系統(tǒng).芯片設(shè)計(jì)是基于所有操作由微控制器控制，操作命令通過串行通信接口送入.采樣頻率可為4.0Hz?5.3Hz?6.4Hz?8.0kHz,頻率越低，單片錄放語音時(shí)間8~16min.

語音錄放模塊電路主要由LM386功放電路.isd4003語音電路組成.LM386功放電路在放音電路中，輸出端選用低電壓通用集成功率放大器作為揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)電路.isd4003語 音電路，錄音時(shí)通過外部按鍵控制錄音的開始和停止.錄完后，每段語音信號都存儲在一個(gè)不同的地址段，播放的時(shí)候，只要找到該段語音的起始地址就能播放出相 應(yīng)的語音信號，語音錄放電路如圖6所示.

3.軟件設(shè)計(jì)

萬用表開啟時(shí)進(jìn)入測量及顯示狀態(tài)，并將顯示的數(shù)值及對應(yīng)的測量范圍進(jìn)行數(shù)字播報(bào)，主程序流程圖如圖7所示.

語音播報(bào)程序設(shè)計(jì)將根據(jù)AD采集的電壓信號進(jìn)行算法轉(zhuǎn)換后的數(shù)值尋找存儲在語音芯片中的語音信息.每段語音都有一個(gè)不同的存儲地址，要播放相應(yīng)的語音信息，只要找到該語音信號的存儲地址即可.流程圖如圖8所示.

4.結(jié)論

通過采用了高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊對參數(shù)的測量提高了萬用表測量精度，同時(shí)采用12864顯示及語音 播報(bào)芯片將通過語音和顯示多種人機(jī)交互方式為測量提供方便，將進(jìn)一步提高萬用表的實(shí)用性.因此具有自動(dòng)語音播報(bào)數(shù)值功能的語音萬用表，會有較大的需求，設(shè) 計(jì)具有較好的應(yīng)用前景.