一種語音播報系統的研究與設計*

楊照坤，黃高祥，鄭秀宏

（1.深圳技術大學中德智能制造學院，廣東深圳 518118；2.深圳市理邦精密儀器股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

“工欲善其事，必先利其器”，工具在生活中發揮著巨大的作用。隨著現代社會的飛躍式發展，高新技術迅猛變化，使得工業生產中對一些測溫器件的使用要求提高了；在溫度測量領域，要求生產中的測量更加快速、精確，并且測量范圍也要完全適應生產中所發生的不可預知的變化。

本文從實際應用角度出發，設計一款操作簡單、價格便宜，滿足日常生活及工業生產場景需要的溫度測量系統，該設計基于AT89S51單片機，集成了溫度檢測、語音實時播報、數據實時刷新顯示等功能。其中，單片機作為系統控制核心，實時處理溫度傳感器反饋的數據，遍歷尋找溫度字段用于語音播報及LCD實時顯示[1]。該測量裝置不僅可以用于日常生活的家用溫度測量，特別是復雜環境場合需要實時播報當前所測溫度，還能在中低溫的工業生產場合使用。由于其測量范圍較大、系統穩定、硬件成本較低、功能豐富以及操作簡單易上手，而且AT89S51單片機資源豐富、接口較多，其功能容易拓展[2]，如進行多路溫度測量等，與目前市場上存在的價格較高、功能較單一的測溫產品相比，具有很大的市場應用潛力。

1 溫度測量技術現狀

隨著高新技術在工業化中扮演的角色越來越重要，使得溫度檢測技術在一定程度上取得了較大進步。現在生活生產中使用的溫度計種類復雜，但主要的測量原理有以下幾種。

（1）物體熱脹冷縮原理

工業生產中常見的有3種，這些元件原理一致，都是利用物體特有的性質制成[3]，分別為玻璃溫度計、雙金屬溫度計、壓力式溫度計。

（2）熱電效應技術

基于此技術制成的溫度檢測元件種類繁多，比較常見的就是熱電偶。熱電偶構造簡單、操作方便，并且很久之前已開始使用，目前熱電偶技術已十分成熟。該技術具有操作簡單、測量原理易理解、測量精度高、可控性較強等特點。

（3）熱阻效應技術

熱阻效應作為某些物質的固有性質，已被人類認識并且加以應用，在生產中應用較多的有電阻測溫元件、導體測溫元件、陶瓷熱敏元件[4]。

（4）熱輻射原理

熱輻射原理雖然很長一段時間內沒有被人們理解并應用，但近些年其先進之處已逐漸吸引眾多的工業生產專家，其可以制成高效的溫度測量元件。在工業生產中應用的比較多的有單色輻射高溫計，即實驗室所用的光學高溫計；以及全輻射高溫計，工作安全高效，利用物體可以輻射能量的原理制成的測量元件。

（5）其他

由于傳統測量元件已不能完全滿足生產要求，許多生產專家都在積極研究新型的測量技術以適應迅猛發展的高新技術。目前已有很多新興技術，如點到點、點到線、點到面的測量技術等，相信在未來工業生產中會經常見到這些新型先進技術的身影。

2 系統結構設計

首先考慮主控模塊，根據設計的靈活性、操作的簡單性及優良的性價比，綜合考慮選用AT89S51單片機作為主要控制核心。采用DS18B20作為溫度測量元件，其功耗低、連線簡單，不需要復雜的驅動電路[5]。溫度顯示方面采用LCD液晶屏，其是一種低壓、微功耗的顯示器件，只要2～3 V就可以工作，工作電流僅為幾微安，是任何顯示器無法比擬的；同時可以顯示大量信息，除數字外，還可以顯示一些簡單的流線型文字。語音播報芯片采用超鼎電子的一款語音芯片NY3P035，該芯片有多達32段語音內容，出廠前已經固化在芯片內，用戶可以控制輸出所需語音內容[6]。

3 硬件電路設計

系統總體框圖結構如圖1所示。系統電路如圖2所示。

圖1 系統框圖

圖2 中，單片機最小系統結構上包括4個雙向的8位并行I/O端口，及內部晶振電路用于產生單片機工作所必須的時鐘控制信號[7]，復位是通過外部復位電路的來實現的。DS18B20與單片機的I/O口直接連接。不管是外接電源還是依靠總線傳輸能源，I/O口線要接10 kΩ左右的上拉電阻。采用第一種連接方法，如圖3～4所示，把DS18B20的數據線與單片機的第1管腳連接（DQ連P1.0腳），再加上上拉電阻。按鍵設計成低電平有效，主控制器通過檢測對應I/O口的電平狀態來判斷按鍵操作情況。

圖2 系統原理

另外，為了提高系統的抗干擾性，只有按鍵按下后，I/O才被按鍵拉到地（低電平），從而減小了外界的干擾[8]。語音芯片是針對市場推出的一款具有PWM輸出的OTP語音標準芯片，外部共有3個I/O口，工作能耗小，此語音芯片內置電阻，沒有外圍元件，外圍電路只需要1個104電容，整個方案的費用節省30%～50%左右。語音播報采用模擬串行的控制方式，如需要播放第幾個地址的內容就發送幾個脈沖（大于0.2 ms即可，建議采用1 ms左右，下同），能準確的控制多達32段地址的任意組合。例如現在需要播放第10段聲音，那么控制系統先發送一個復位脈沖到RST（Rest）腳，接著發送10個脈沖到DATA腳，芯片即刻工作，播放第10段的聲音，不同的聲音組合變成所需要的播報內容。

4 軟件程序設計

系統軟件流程如圖3所示。

圖3 系統軟件流程

系統開始工作時要先初始化，比如清液晶兩行顯示、關光標閃爍等；然后從DS18B20讀取溫度數據，再進行溫度轉換，得到真正的溫度值，送到液晶1602上顯示出來；再對按鍵進行掃描，若有低電平信號則進行溫度值的語音播報，否則不播報語音。

5 結束語

本設計是以AT89S51為控制核心的具有語音播報及數值顯示功能的溫度計，溫度測量范圍在－55℃～＋125℃，系統整體設計利用軟硬件結合方式實現對溫度的快速、精確測量。由于溫度與日常生活息息相關，同時也是工業生產中常用的被測參數，被控對象的溫度指標能否被穩定、快速獲取，直接關乎生產是否能高效、順利的進行。該測溫系統硬件結構設計簡單，操作簡便易行，能夠滿足日常生活及工業中低溫場合應用的需求，采用模塊化設計便于后續產品功能拓展。