基于單片機的溫度語音播報系統設計與實現

康曉麗 王 艷

（山西省信息產業技術研究院有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

隨著物聯網的快速發展與應用普及，人工智能更加為人們所熟知，同時也深刻影響著人們的日常生活及生產方式，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。溫控技術早在20世紀就已出現，發展到今天已經基本成熟與完善，從實驗成果轉化為實踐器具。

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、穩壓芯片AMS1117、功放芯片LM86、喇叭、駐極體等主要元器件構成了一個完整的溫度語音播報系統[1]。單片機可實時響應溫度傳感器輸出的信號，通過LCD同步顯示，其溫度閾值可依據應用場景動態調節，并設置有語音錄音和播報功能。通過多次測試一天中屋內不同時間的溫度，驗證了其精確度、靈敏度和語音播報功能達到預期目標[2]。

1 系統設計方案

AT89S52單片機是一款8位微控制器，它因低功耗和高性能的特點而頗受人們喜愛，此外片內存儲空間大，可以進行更為復雜的編程設計，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，所以與80C51系列的產品有很好的兼容性。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場合[3]。

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備串行通信元件。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 單片機最小系統

本項目中，單片機構成的系統有很多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；可編程性較強，可以通過仿真軟件實現仿真模擬，以確保方案的可行性。系統設計過程中會用到單片機定時器以實現延時功能，此外還有中斷系統等。其構成電路如圖2所示。

圖2 單片機最小系統電路

2.1.1 復位電路設計

重啟作為微型控制系統執行的第一個步驟，是針對芯片整個電路實施控制，芯片中電路初始化，返回到預定的初始狀態。外部的復位電路控制著AT89S52的恢復，復位電路一般有兩種——上電復位和手動復位，前者使用較多。

上電復位是一種比較簡單的復位重啟電路，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。上電復位一般是指在閉合電源開關前，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，一般情況下，RST輸入端口的高電平信號應保證充足的時間。

在手動復位時需要于復位端口加載高電平。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，可以使系統在安全的環境內重啟。

該系統復位電路圖如圖3所示。

圖3 復位電路

2.1.2 時鐘電路設計

由于單片機各個部分的執行都是以時鐘頻率作為參考，計數和延時等最常用的功能都依靠時鐘電路來實現，因此時鐘電路的精確性決定著整個系統的穩定性與可靠性。時鐘頻率的大小直接影響著單片機運行速度，一般時鐘電路的設計有兩種——外部時鐘和內部時鐘，電路如圖4所示。

圖4 時鐘電路

2.2 系統外設電路設計

AT89S52內 包 含 有32個I/O口、4k的flash、128位RAM、40個引腳、5個中斷、2個16 bytes的可編程定時計數器、2個全雙工串行通信口、WDT電路、片內時鐘振蕩器。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、以及SCLK對應連接；P1.0與DS18B20的第二個管腳相連，實現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 電源電路設計

干電池電池容量有限，持續時間短，成本高，隨著外設的增多和時間的推移，電池電壓在不斷減小，不能保證系統的正常運行，因此本系統采用獨立的DC5 V供電。外部電源接到系統5 V的DC端口之后經過自鎖開關給整個系統提供電源，此外，以穩壓芯片AMS1117構成穩壓電路，能夠將5 V電壓變為3.3 V給語音芯片ISD4004使用，保證了整個系統的穩定工作。電源穩壓電路如圖5所示，其中C4為極性電容，能夠進行穩壓；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。

圖5 電源穩壓電路

2.4 溫度采集模塊設計

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，能夠適應復雜惡劣的環境，對于微處理器處理，能夠直接將溫度轉換為串行數字量[4]。DS18B20采用單線總線，可用數據線直接供電，因此可以不使用任何外圍設備，減少了外圍設備的使用量[5]。因此，系統選擇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鍵要素，其主要功能情況如表2所示。

表2 DB18B20引腳功能詳細描述

2.5 LCD顯示模塊設計

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，通過改變顯示區域的電壓大小來控制顯示器工作。LCD1602有16個引腳，其與單片機的應用連接電路圖如圖7所示，LCD基本操作時序如表3所示。

圖7 液晶顯示模塊接口電路

表3 LCD基本操作時序

2.6 語音播報電路設計

ISD400系列適用于手機和其他便攜式電子設備，工作電壓3 V，能夠錄音8～16 min，音質較好，具備CMOS技術，內部還包含振蕩器、平滑濾波器、音頻放大器等。在進行芯片設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中，每個樣本都直接存儲在閃存中，因此可以非常自然地再現，很大程度上減少了一般的固體錄音電路產生的“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 系統的軟件設計

C語言單片機的編程設計，大多數人選擇使用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進行軟件設計，Keil uVision5可以很好地兼容之前的版本，并加大對Cortex系列的開發力度，不論是界面還是開發環境都進行了升級優化。

3.1 系統主程序設計

程序在開始執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。初始化結束后，執行溫度測量的相關程序，實時測量當前的溫度值。將測得值與設定值進行比較，判斷此溫度是否超過了閾值[7]，如果超過溫度上限或下限，則調用報警子程序并進行語音提示。主程序流程圖如圖10所示。

圖10 主程序流程圖

3.2 測溫子程序設計

該系統能夠正常工作的充分條件是能夠精準地測量溫度。若溫度采集缺乏準確性，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確工作，實際結果也還是達不到要求，整個系統不能準確進行溫度測量及語音播報[8]。因此，DS18B20能否正常工作關系到整個系統能否正常運行。

DS18B20在通信時發送和接收信號是分開進行的，具備明確定義，其基本規則為：初始化DS18B20（發復位脈沖）→發出命令→對數據進行初步處理。其程序流程如圖11所示。

圖11 測溫子程序流程圖

4 系統仿真及其結果分析

系統各項功能仿真方法及結果如表4所示。

表4 各項功能仿真方法及結果

利用Proteus進行的系統仿真如圖12所示，顯示屏可以實時顯示當前溫度，通過按鍵可以實現語音播報功能的切換和溫度上下限的調節，系統溫度上限調節仿真圖如圖13所示，系統錄音選擇仿真圖如圖14所示。

圖12 系統仿真圖

圖13 系統溫度上限調節仿真圖

圖14 系統錄音選擇仿真圖

5 結語

本項目基于Proteus和單片機AT89S52完成了溫度語音播報系統的設計及研發工作，不僅實現了溫度實時監測，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、智能化建筑等領域的多點溫度檢測。整個系統采用模塊化設計，結構簡單，調試結果表明系統符合預期目標，可有效保障人們的日常生活安全。