基于單片機(jī)的溫度語音播報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

康曉麗 王 艷

（山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與應(yīng)用普及，人工智能更加為人們所熟知，同時(shí)也深刻影響著人們的日常生活及生產(chǎn)方式，其不但能夠提供便捷化支持，還可以提供良好的安全保障條件。溫控技術(shù)早在20世紀(jì)就已出現(xiàn)，發(fā)展到今天已經(jīng)基本成熟與完善，從實(shí)驗(yàn)成果轉(zhuǎn)化為實(shí)踐器具。

本文選用AT89S52單片機(jī)為控制器，由溫度傳感器DS18B20、液晶顯示屏1602、穩(wěn)壓芯片AMS1117、功放芯片LM86、喇叭、駐極體等主要元器件構(gòu)成了一個(gè)完整的溫度語音播報(bào)系統(tǒng)[1]。單片機(jī)可實(shí)時(shí)響應(yīng)溫度傳感器輸出的信號，通過LCD同步顯示，其溫度閾值可依據(jù)應(yīng)用場景動態(tài)調(diào)節(jié)，并設(shè)置有語音錄音和播報(bào)功能。通過多次測試一天中屋內(nèi)不同時(shí)間的溫度，驗(yàn)證了其精確度、靈敏度和語音播報(bào)功能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

AT89S52單片機(jī)是一款8位微控制器，它因低功耗和高性能的特點(diǎn)而頗受人們喜愛，此外片內(nèi)存儲空間大，可以進(jìn)行更為復(fù)雜的編程設(shè)計(jì)，運(yùn)行速度不會受到很大影響。制造方面采用的是Atmel公司的技術(shù)，所以與80C51系列的產(chǎn)品有很好的兼容性。AT89S52單片機(jī)擁有帶電可擦可編程只讀存儲器和8位CPU，使其能夠適用于絕大多數(shù)場合[3]。

因此，本文選用AT89S52單片機(jī)為控制器，溫度傳感器DS18B20、實(shí)時(shí)語音芯片ISD4004和按鍵模塊等均為外部設(shè)備串行通信元件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本項(xiàng)目中，單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)有很多I/O接口可以進(jìn)行多個(gè)微型處理器的嵌套，可以方便地搭建各種所需的系統(tǒng)；可編程性較強(qiáng)，可以通過仿真軟件實(shí)現(xiàn)仿真模擬，以確保方案的可行性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中會用到單片機(jī)定時(shí)器以實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能，此外還有中斷系統(tǒng)等。其構(gòu)成電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

2.1.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

重啟作為微型控制系統(tǒng)執(zhí)行的第一個(gè)步驟，是針對芯片整個(gè)電路實(shí)施控制，芯片中電路初始化，返回到預(yù)定的初始狀態(tài)。外部的復(fù)位電路控制著AT89S52的恢復(fù)，復(fù)位電路一般有兩種——上電復(fù)位和手動復(fù)位，前者使用較多。

上電復(fù)位是一種比較簡單的復(fù)位重啟電路，一般在RST端口和高電位中間加一個(gè)電容，之后接一個(gè)電阻再接地。上電復(fù)位一般是指在閉合電源開關(guān)前，將一個(gè)很短的高電平信號輸送到RST輸入端，之后在電源給電容充電時(shí)這個(gè)復(fù)位信號會降低，因此RST引腳高電平維持時(shí)間具體以電容充電時(shí)間為準(zhǔn)，一般情況下，RST輸入端口的高電平信號應(yīng)保證充足的時(shí)間。

在手動復(fù)位時(shí)需要于復(fù)位端口加載高電平。一般在使用方式上，是于VCC端和RST中另外增設(shè)按鍵，在按鍵按下之后VCC與RST電位相同，動作時(shí)間一般為幾十毫秒，可以使系統(tǒng)在安全的環(huán)境內(nèi)重啟。

該系統(tǒng)復(fù)位電路圖如圖3所示。

圖3 復(fù)位電路

2.1.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)各個(gè)部分的執(zhí)行都是以時(shí)鐘頻率作為參考，計(jì)數(shù)和延時(shí)等最常用的功能都依靠時(shí)鐘電路來實(shí)現(xiàn)，因此時(shí)鐘電路的精確性決定著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。時(shí)鐘頻率的大小直接影響著單片機(jī)運(yùn)行速度，一般時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)有兩種——外部時(shí)鐘和內(nèi)部時(shí)鐘，電路如圖4所示。

圖4 時(shí)鐘電路

2.2 系統(tǒng)外設(shè)電路設(shè)計(jì)

AT89S52內(nèi) 包 含 有32個(gè)I/O口、4k的flash、128位RAM、40個(gè)引腳、5個(gè)中斷、2個(gè)16 bytes的可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器、2個(gè)全雙工串行通信口、WDT電路、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。AT89S52的I/O端口分配情況如表1所示。

表1 AT89S52的I/O端口分配列表

在設(shè)計(jì)中，AT89S52的P0.0～P0.7與LCD的D0～D7相連，以實(shí)時(shí)顯示溫度；P1.4～P1.7與語音芯片ISD4004的MISO、MOSI、以及SCLK對應(yīng)連接；P1.0與DS18B20的第二個(gè)管腳相連，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與傳感器的雙向通信；擴(kuò)音器模塊的+INPUT與ISD4004的ANDOUT相連。

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

干電池電池容量有限，持續(xù)時(shí)間短，成本高，隨著外設(shè)的增多和時(shí)間的推移，電池電壓在不斷減小，不能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此本系統(tǒng)采用獨(dú)立的DC5 V供電。外部電源接到系統(tǒng)5 V的DC端口之后經(jīng)過自鎖開關(guān)給整個(gè)系統(tǒng)提供電源，此外，以穩(wěn)壓芯片AMS1117構(gòu)成穩(wěn)壓電路，能夠?qū)? V電壓變?yōu)?.3 V給語音芯片ISD4004使用，保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。電源穩(wěn)壓電路如圖5所示，其中C4為極性電容，能夠進(jìn)行穩(wěn)壓；C6為非極性電容，能夠進(jìn)行濾波，屬于低通濾波器，保留直流成分。

圖5 電源穩(wěn)壓電路

2.4 溫度采集模塊設(shè)計(jì)

DS18B20是Dallas Semiconductor第一款支持“單線總線”接口的溫度傳感器，測量精度為±0.5℃，測量精度高，能夠適應(yīng)復(fù)雜惡劣的環(huán)境，對于微處理器處理，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字量[4]。DS18B20采用單線總線，可用數(shù)據(jù)線直接供電，因此可以不使用任何外圍設(shè)備，減少了外圍設(shè)備的使用量[5]。因此，系統(tǒng)選擇DS18B20為溫度采集器，測溫電路圖如圖6所示。

圖6 測溫電路圖

DQ腳作為溫度傳感器中的關(guān)鍵要素，其主要功能情況如表2所示。

表2 DB18B20引腳功能詳細(xì)描述

2.5 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

本文選用LCD1602作為顯示單元。LCD1602的工作原理是基于液晶自身的特點(diǎn)，通過改變顯示區(qū)域的電壓大小來控制顯示器工作。LCD1602有16個(gè)引腳，其與單片機(jī)的應(yīng)用連接電路圖如圖7所示，LCD基本操作時(shí)序如表3所示。

圖7 液晶顯示模塊接口電路

表3 LCD基本操作時(shí)序

2.6 語音播報(bào)電路設(shè)計(jì)

ISD400系列適用于手機(jī)和其他便攜式電子設(shè)備，工作電壓3 V，能夠錄音8～16 min，音質(zhì)較好，具備CMOS技術(shù)，內(nèi)部還包含振蕩器、平滑濾波器、音頻放大器等。在進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到所有的控制要求，并且能夠用串行通信接口輸入。在模擬的體積存儲技術(shù)中，每個(gè)樣本都直接存儲在閃存中，因此可以非常自然地再現(xiàn)，很大程度上減少了一般的固體錄音電路產(chǎn)生的“金屬聲”和量化噪聲[6]。音頻輸入電路如圖8所示，語音電路如圖9所示。

圖8 音頻輸入電路

圖9 語音電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

C語言單片機(jī)的編程設(shè)計(jì)，大多數(shù)人選擇使用Keil，在Keil中不論是選擇C語言編程還是匯編都非常方便。本文選用Keil uVision5進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，Keil uVision5可以很好地兼容之前的版本，并加大對Cortex系列的開發(fā)力度，不論是界面還是開發(fā)環(huán)境都進(jìn)行了升級優(yōu)化。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

程序在開始執(zhí)行時(shí)首先要對主程序進(jìn)行初始化，如溫度檢測程序、I/O口的初始化等。初始化結(jié)束后，執(zhí)行溫度測量的相關(guān)程序，實(shí)時(shí)測量當(dāng)前的溫度值。將測得值與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷此溫度是否超過了閾值[7]，如果超過溫度上限或下限，則調(diào)用報(bào)警子程序并進(jìn)行語音提示。主程序流程圖如圖10所示。

圖10 主程序流程圖

3.2 測溫子程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)能夠正常工作的充分條件是能夠精準(zhǔn)地測量溫度。若溫度采集缺乏準(zhǔn)確性，則即使后面單片機(jī)對信號處理得再好或者顯示電路、語音播報(bào)報(bào)警都能夠正常準(zhǔn)確工作，實(shí)際結(jié)果也還是達(dá)不到要求，整個(gè)系統(tǒng)不能準(zhǔn)確進(jìn)行溫度測量及語音播報(bào)[8]。因此，DS18B20能否正常工作關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。

DS18B20在通信時(shí)發(fā)送和接收信號是分開進(jìn)行的，具備明確定義，其基本規(guī)則為：初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)出命令→對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。其程序流程如圖11所示。

圖11 測溫子程序流程圖

4 系統(tǒng)仿真及其結(jié)果分析

系統(tǒng)各項(xiàng)功能仿真方法及結(jié)果如表4所示。

表4 各項(xiàng)功能仿真方法及結(jié)果

利用Proteus進(jìn)行的系統(tǒng)仿真如圖12所示，顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度，通過按鍵可以實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)功能的切換和溫度上下限的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)溫度上限調(diào)節(jié)仿真圖如圖13所示，系統(tǒng)錄音選擇仿真圖如圖14所示。

圖12 系統(tǒng)仿真圖

圖13 系統(tǒng)溫度上限調(diào)節(jié)仿真圖

圖14 系統(tǒng)錄音選擇仿真圖

5 結(jié)語

本項(xiàng)目基于Proteus和單片機(jī)AT89S52完成了溫度語音播報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研發(fā)工作，不僅實(shí)現(xiàn)了溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且可自由錄制提示語音、靈活部署，適用于公共場所、倉儲庫房、客廳、智能化建筑等領(lǐng)域的多點(diǎn)溫度檢測。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)符合預(yù)期目標(biāo)，可有效保障人們的日常生活安全。