基于單片機的數(shù)碼語音溫度計設(shè)計 - 全文

　　引 言

　　目前便宜的體溫計在家中廣泛使用，但其通常只用于測量體溫，量程小、最大42℃ ;讀數(shù)不方便，特別是老年人視力不好，不容易讀準(zhǔn)確; 在測量體溫以外的情況下不便使用，并且破損后水銀泄漏對身體會造成危害等，一些國家已開始禁止銷售水銀溫度計; 非接觸式的紅外測溫儀雖然方便使用，但價格昂貴。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計

　　1. 1 系統(tǒng)的工作原理

　　單片機對溫度傳感器的信號進行采集，采集的數(shù)據(jù)通過處理后一方面輸出給數(shù)碼管進行顯示，另一方面輸出給語音模塊，進行語音溫度提示，語音提示的間隔時間通過撥擋開關(guān)進行設(shè)定，也可以關(guān)斷語音功能。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

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　　圖1 系統(tǒng)的方案框圖

　　1. 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　1. 2. 1 溫度傳感器

　　采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該產(chǎn)品采用美國DALLAS 公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域; 由于項目要求能測量液體溫度、方便人體接觸等，因此采用外加不銹鋼保護管的封裝形式，具有耐磨耐碰、防水等功能。DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)雙向通信，可測溫范圍: - 55~ + 125℃ ，可編程為9~ 12 位A/ D 轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0. 062 5℃ 。被測溫度用符號擴展的16 位數(shù)字量方式串行輸出; 其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生; 多個DS18B20 可以并聯(lián)到3 根或2 根線上， CPU 只需一根端口線就能與諸多DS18B20 通信， 占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路; 連接電路如圖2 所示:

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　　圖2 傳感器的連接圖

　　圖2 中傳感器的2 腳與單片機的輸入/ 輸出( I/ O)腳連接，進行雙方通信，采用4. 7 k 的電阻上拉。由于DS18B20 單線通信功能是分時完成的，系統(tǒng)對它的各項操作必須嚴(yán)格按協(xié)議進行。操作協(xié)議為: 初始化DS18B20( 發(fā)復(fù)位脈沖) →發(fā)ROM 功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)，各項操作都有嚴(yán)格的時序要求。

　　1. 2. 2 單片機

　　采用與MCS51兼容的STC89C52， 具有8K 字節(jié)的在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器，其MOSI、MISO、REST、SCK 等引腳通過鎖存后與計算機的并口連接，就可實現(xiàn)對內(nèi)部的Flash 存儲器編程，內(nèi)含512 B 的RAM， 32 個可編程I/ O口線， 3 個16 位的定時/ 計數(shù)器等特點，可以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，非常適合本項目的應(yīng)用。

　　1. 2. 3 語音模塊

　　采用美國華幫公司生產(chǎn)的高集成度、高性能的ISD1720 語音錄放芯片， 采樣率在4~ 12 kHz 之間調(diào)節(jié)，根據(jù)采樣頻率的不同，可以錄存12~ 36 s 的語音信息， 語音信息在該芯片內(nèi)部的固態(tài)多級存儲陣列里按行存放，可以通過指令中的11 位地址精確尋址; 該芯片集語音處理和存儲于一體，具有重復(fù)自開發(fā)，掉電信息保存，可工作于獨立按鍵模式和SPI 控制模式，錄放結(jié)束自動進人低功耗狀態(tài)，可直接*輸人或模擬通道輸入，也可喇叭直接輸出，芯片工作電壓2. 4~ 5. 5 V之間，可以多段錄音， 其基本存儲單元入口地址范圍是0X010~0X09F。應(yīng)用電路如圖3 所示。根據(jù)需要，將錄制的語音分成13 個段，即“零~ 十、點、度”，如37. 5 度，播報為“ 三、十、七、點、五、度”，每段語音的錄制時間約為1. 35 s，由于錄制時間不易精確掌握，用手動控制的方式對13 段語音進行錄制，然后手動檢查每段語音錄制效果，如圖3 所示，閉合S4 進行語音信息錄制、松開即錄制結(jié)束，語音信息通過MIC 錄入，觸發(fā)S5 鍵進行播放，檢查當(dāng)前錄制信息段的效果，在錄制或者播放的過程中，可以通過LED 的閃爍來了解操作的進程; 如果某段語音錄制效果不理想，必須及時刪除，因為在手動控制方式下，刪除操作只對開始一段和最末一段信息有效; 錄制完成后，還必須檢查每段信息在器件的存儲體系中是否是按環(huán)形結(jié)構(gòu)存儲的，這可以通過閉合S5 并保持來實現(xiàn)，此時，器件將按順序不停的播放當(dāng)前信息段與其前一信息段之間的所有信息段，通過反復(fù)錄制，直到滿意為止; 當(dāng)然，也可以采用商業(yè)的錄制設(shè)備來實現(xiàn)。

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　　圖3 語音芯片連接圖

　　由該芯片內(nèi)部的語音存放地址范圍可知，每段語音存放約11 行，為了準(zhǔn)確知道每段語音的入口地址和結(jié)束地址，可以利用單片機檢查。ISD1720 提供了4 線( SCLK， MOSI， MISO， SS) SPI 接口與單片機連接，由于二者的SPI 時序不易協(xié)調(diào)，系統(tǒng)采用了單片機的P1. 1， P1. 2， P1. 3， P1. 4 口模擬SPI 時序?qū)SD1720 進行控制。具體操作時， 器件初始化完成后，發(fā)送PLAY指令，器件從當(dāng)前信息段的開始地址進行語音回放，當(dāng)遇到該段語音的結(jié)束標(biāo)志EOM 時，回放結(jié)束，讀取記錄指針和回放指針的位置( 即查閱狀態(tài)寄存器SR0 和SR1) ，這樣可以精確的知道每段語音的開始地址和結(jié)束地址。由于系統(tǒng)正常工作時，采用SPI 模式，根據(jù)測量得到的溫度值，尋找到相應(yīng)的語音段入口，將語音信息讀出; 在SPI 模式下，該芯片的操作命令SET PLAY、S ET REC、SET??REASE 有一個先入先出的緩存器，在相同類型的SET 命令下，使得從一個存儲塊到另一個存儲塊之間可以實現(xiàn)無縫連接，使人聽起來感覺到輸出的溫度語音信號是連續(xù)的。圖3 中S1 是復(fù)位按鈕， S2 是快進按鈕， S3 是檫除按鈕， S6 是直通模式選擇按鈕， S7 進行音量調(diào)節(jié); 以上開關(guān)按鈕都是低電平有效; R4 是語音采樣頻率的選擇電阻，當(dāng)其為80 k 時，語音錄制的采樣頻率為8 kHz; 當(dāng)不使用語音播報功能時，可以將SW 開關(guān)斷開，同時語音播報的時間間隔通過單片機電路中的1 個三位的撥碼開關(guān)選擇，可以設(shè)置8 個檔位，每個檔位的時間參數(shù)由程序控制。

　　1. 2. 4 顯示和電源模塊

　　采用3 位LED 數(shù)碼顯示，保留一位小數(shù)，輸出方式采用動態(tài)掃描形式，選擇單片機的兩個端口經(jīng)過驅(qū)動器后作為LED 的字段線和字位線，減少輸出的總電流;為了便攜式應(yīng)用，電源采用九伏電池供電，通過LM7805 降壓為5 V 供系統(tǒng)各模塊使用。布線和制作PCB 板時，特別要注意地線的處理，要求數(shù)字地、模擬地、以及揚聲器的地都要單獨走線，最后與電源地連接。

　　1. 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的軟件流程如圖4 所示。

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　　圖4 系統(tǒng)流程圖

　　系統(tǒng)初始化后，復(fù)位溫度傳感器，啟動溫度轉(zhuǎn)換，讀取溫度數(shù)據(jù)，進行處理，當(dāng)溫度處于快速變化過程中時，系統(tǒng)不停的進行溫度信號的采集和顯示，判斷語音播報的間隔時間是否來到，當(dāng)滿足要求時，根據(jù)測得的當(dāng)前溫度值，取出其十位、個位和小數(shù)位的值，然后查表得其相應(yīng)的語音信號入口地址，復(fù)位語音芯片，發(fā)上電指令并延時約25 ms，判斷是否已正常上電，正常上電后，要清除中斷標(biāo)志，判斷器件是否已準(zhǔn)備好接收下一條指令，當(dāng)準(zhǔn)備好后，發(fā)送第一段信息的放音指令，然后檢查狀態(tài)寄存器，判斷器件是否正常執(zhí)行剛發(fā)送的指令，正常執(zhí)行后，又判斷器件是否已準(zhǔn)備好接收下一條指令，只有等到器件已準(zhǔn)備好后，才能向器件發(fā)送下一條指令，否則，就可能造成指令的丟失。程序考慮了器件內(nèi)部的FIFO 緩沖器，使N 段語音信號就像一段語音一樣進行播放，每段語音之間幾乎沒有死區(qū)時間間隔。當(dāng)語音播報完成后，語音芯片失電，完成一次語音播報，程序回到系統(tǒng)的開始處，準(zhǔn)備下一個溫度采集、處理、顯示和語音輸出過程，如此不斷循環(huán)往復(fù)。

　　2 結(jié)語

　　采用語音提示和數(shù)碼顯示的方式設(shè)計的數(shù)碼語音溫度計，精確度高、測溫速度快; 應(yīng)用場合廣泛，既可測量體溫，也可測量食物、水等物質(zhì)的溫度，量程大; 操作使用方便，不僅適合普通家庭也適合某些需要語音提示的工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)用。