基于單片機的溫度語音播報系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘

要：溫度是一個非常重要的物理量，現(xiàn)代生活中所用到的電器、家具設(shè)備，包括工業(yè)產(chǎn)品等對溫度的要求日益提高，靈敏的溫度控制預(yù)警系統(tǒng)已成為日常生活中必不可少的產(chǎn)品。鑒于此，設(shè)計了基于AT89S52單片機的溫度語音播報系統(tǒng)，溫度值可通過顯控單元直觀展示，其溫度閾值可根據(jù)生活場景動態(tài)調(diào)整，并可進行錄音及語音播報。該系統(tǒng)抗干擾能力強，性價比高，擴展方便，可廣泛應(yīng)用于公共場所、大型倉庫、工廠、智能化建筑等領(lǐng)域的多點溫度檢測中。關(guān)鍵詞：AT89S52單片機；溫度檢測；語音播報；溫度閾值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，同時也深刻影響了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，從實驗成果轉(zhuǎn)化為實踐器具。本文選用AT89S52單片機為控制器，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)成了一個完整的溫度語音播報系統(tǒng)。單片機可實時響應(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功能。通過多次測試一天中屋內(nèi)不同時間的溫度，驗證了其精確度、靈敏度和語音播報功能達到預(yù)期目標(biāo)。1

系統(tǒng)設(shè)計方案AT89S52單片機是一款8位微控制器，它以低功耗和高性能的特點頗受人們喜愛，此外片內(nèi)存儲空間大，可以進行更為復(fù)雜的編程設(shè)計，運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。因此，本文選用AT89S52單片機為控制器，溫度傳感器DS18B20、實時語音芯片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。2

系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1單片機最小系統(tǒng)本項目中，單片機構(gòu)成的系統(tǒng)有很多I/O接口可以進行多個微型處理器的嵌套，可以方便地搭建各種所需的系統(tǒng)；可編程性較強，可以通過仿真軟件實現(xiàn)仿真模擬，以確保方案的可行性。系統(tǒng)設(shè)計過程中會用到單片機定時器以實現(xiàn)延時功能，此外還有中斷系統(tǒng)等。其構(gòu)成電路如圖2所示。2.1.1

復(fù)位電路設(shè)計重啟作為微型控制系統(tǒng)執(zhí)行的第一個步驟，是針對芯片整個電路實施控制，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電容，之后接一個電阻再接地。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這個復(fù)位信號會降低，因此RST引腳高電平維持時間具體以電容充電時間為準(zhǔn)，一般情況下，RST輸入端口的高電平信號應(yīng)保證充足的時間。在手動復(fù)位時需要于復(fù)位端口加載高電平。一般在使用方式上，是于VCC端以及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。2.1.2

時鐘電路設(shè)計由于單片機各個部分的執(zhí)行都是以時鐘頻率作為參考，計數(shù)和延時等最常用的功能都依靠時鐘電路來實現(xiàn)，因此時鐘電路的精確性決定著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。時鐘頻率的大小直接影響著單片機運行速度，一般時鐘電路的設(shè)計有兩種——外部時鐘和內(nèi)部時鐘，電路如圖4所示。2.2系統(tǒng)外設(shè)電路設(shè)計AT89S52內(nèi)包含有32個I/O口、4k的flash、128位RAM、40個引腳、5個中斷、2個16bytes的可編程定時計數(shù)器、2個全雙工串行通信口、WDT電路、片內(nèi)時鐘振蕩器。AT89S52的I/O端口分配情況如表1所示。在設(shè)計中，AT89S52的P0.0～P0.7與LCD的D0～D7相連，以實時顯示溫度；P1.4～P1.7與語音芯片ISD4004的MISO、MOSI、SS以及SCLK對應(yīng)連接；P1.0與DS18B20的第二個管腳相連，實現(xiàn)單片機與傳感器的雙向通信；擴音器模塊的+INPUT與ISD4004的ANDOUT相連。2.3電源電路設(shè)計干電池電池容量有限，持續(xù)時間短，成本高，隨著外設(shè)的增多和時間的推移，電池電壓在不斷減小，不能保證系統(tǒng)的正常運行，因此本系統(tǒng)采用獨立的DC5V供電。外部電源接到系統(tǒng)5V的DC端口之后經(jīng)過自鎖開關(guān)給整個系統(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)?.3V給語音芯片ISD4004使用，保證了整個系統(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，能夠進行穩(wěn)壓；C6為非極性電容，能夠進行濾波，屬于低通濾波器，保留直流成分。2.4溫度采集模塊設(shè)計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。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。因此，系統(tǒng)選擇DS18B20為溫度采集器，測溫電路圖如圖6所示。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。2.5LCD顯示模塊設(shè)計本文選用LCD1602作為顯示單元。LCD1602的工作原理是基于液晶自身的特點，改變顯示區(qū)域的電壓大小就可以控制顯示器工作。LCD1602有16個引腳，其與單片機的應(yīng)用連接電路圖如圖7所示，LCD基本操作時序如表3所示。2.6語音播報電路設(shè)計ISD400系列適用于手機和其他便攜式電子設(shè)備，工作電壓3V，能夠錄音8～16min，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。在進行芯片設(shè)計時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，每個樣本直接存儲在閃存中，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。音頻輸入電路如圖8所示，語音電路如圖9所示。3

系統(tǒng)的軟件設(shè)計C語言單片機的編程設(shè)計，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KeiluVision5進行軟件設(shè)計，KeiluVision5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)境都進行了升級優(yōu)化。3.1系統(tǒng)主程序設(shè)計程序在開始執(zhí)行時首先要對主程序進行初始化，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，實時測量當(dāng)前的溫度值。將測得值與設(shè)定值進行比較，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)用報警子程序并進行語音提示。主程序流程圖如圖10所示。3.2測溫子程序設(shè)計該系統(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，則即使后面單片機對信號處理得再好或者顯示電路、語音播報報警都能夠正常準(zhǔn)確工作，實際結(jié)果還是達不到要求，整個系統(tǒng)不能準(zhǔn)確進行溫度測量及語音播報[8]。因此，DS18B20能否正常工作關(guān)系到整個系統(tǒng)能否正常運行。DS18B20在通信時發(fā)送和接收信號是分開進行的，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)進行初步處理。其程序流程如圖11所示。4

系統(tǒng)仿真及其結(jié)果分析系統(tǒng)各項功能仿真方法及結(jié)果如表4所示。利用Proteus進行的系統(tǒng)仿真如圖12所示，顯示屏可以實時顯示當(dāng)前溫度，通過按鍵可以實現(xiàn)語音播報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