以16位單片機(jī)SPCE061A為控制核心的智能溫度計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

常用溫度計(jì)依材料和用途種類可分為以下幾種：玻璃水銀溫度計(jì)，測量準(zhǔn)確，價格低廉，但必須直接接觸人體3 min以上，而且由于刻度過細(xì)，不易讀數(shù)，同時還有易碎等缺點(diǎn)；電子數(shù)字顯示溫度計(jì)，以數(shù)字形式顯示體溫，對玻璃水銀溫度計(jì)不易讀數(shù)的缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，但仍然存在緊急情況下需要一直關(guān)注溫度計(jì)的缺點(diǎn)；貼紙溫度計(jì)，使用方便但精度不高；奶嘴溫度計(jì)，屬于專用溫度計(jì)，夜間使用不方便；耳溫槍，價格昂貴；一次性體溫計(jì)相對成本較高等。

在數(shù)字溫度計(jì)的基礎(chǔ)上采用數(shù)字語音技術(shù)，測量結(jié)果通過語音的方式播報(bào)，可以發(fā)揮聽覺的優(yōu)勢，彌補(bǔ)完全用光信號傳遞信息的不足，實(shí)現(xiàn)溫度測量由“查詢方式” 向“中斷方式”的過渡，充分發(fā)揮中斷方式的優(yōu)勢，如在光線較暗的地方或者眼睛正在關(guān)注其他細(xì)節(jié)的時候或者其他特殊情況（如夜間長時間監(jiān)測溫度）。本文設(shè)計(jì)并研制了一種集可編程（設(shè)置參數(shù)）、語音播報(bào)、超限報(bào)警功能于一體，并能聯(lián)機(jī)顯示溫度變化曲線和可聯(lián)網(wǎng)使用的新型智能溫度計(jì)?？梢詮V泛地應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)甚至家庭，如夜間測體溫和體溫監(jiān)測中，在監(jiān)護(hù)重癥病人時，設(shè)置合適的報(bào)警溫度值，可以有效地減輕監(jiān)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，同時又可及時發(fā)現(xiàn)溫度異常。通過聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，在傳染性較強(qiáng)、和體溫有關(guān)的疾病檢測中也可以發(fā)揮其優(yōu)勢，可以有效地保護(hù)醫(yī)務(wù)人員。該溫度計(jì)可編程，本身可以裁減，給溫度計(jì)的使用帶來了極大的靈活性，在不同的需要測溫的行業(yè)中都可以推廣使用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）系統(tǒng)每分鐘采用語音報(bào)告一次所測溫度的實(shí)時值，無誤報(bào)、漏報(bào)。當(dāng)所測溫度超過預(yù)警溫度值時，系統(tǒng)立即報(bào)警。

（2）系統(tǒng)預(yù)警溫度值可在-55．0～+125．0℃的范圍內(nèi)任意設(shè)置（默認(rèn)值設(shè)定為37．0℃）。

（3）記錄測溫結(jié)果，并可以和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)顯示溫度變化曲線。

（4）測量精度為±0．1℃（或0．2 F）。

（5）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格合理。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用一般自動測試系統(tǒng)的成熟方案，由主控單片機(jī)、測溫電路、語音播報(bào)和編程電路組成。

2．1 主控芯片的選擇

可供選擇的主控芯片比較多，如使用面最廣的MCS-5l系列、資源豐富的ARM7TDMI-S系列微控制器、低功耗的MSP430系列等?？紤]到語音播報(bào)和語音編程功能的高性價比實(shí)現(xiàn)方案，所以采用***凌陽公司推出的16位μ’nSPTM內(nèi)核單片機(jī)SPCE061A，其較高的處理速度能夠非常容易、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號，也是適用于數(shù)字語音識別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。

2．2 測溫方案

在不同的測溫范圍，成熟的測溫方案也比較多，如采用熱敏電阻、利用鉑電阻、基于集成溫度傳感器等的測溫系統(tǒng)。當(dāng)前流行的數(shù)字型溫度傳感器有 AD7416；MAX6575L／H以及DSl8X20。前兩者多用于計(jì)算機(jī)或儀器設(shè)備內(nèi)部的溫度檢測。鑒于后者接口簡單，且就測量精度、器件可靠性、穩(wěn)定性及參數(shù)一致性而言表現(xiàn)良好，應(yīng)用較廣泛。由于在-10～+85℃范圍其測溫誤差不超過±0．5℃，以及有12位的分辨率而使其在各適用領(lǐng)域十分受歡迎。本系統(tǒng)采用DSl8B20，該傳感器內(nèi)部自帶信號調(diào)理和A／D轉(zhuǎn)換，與單片機(jī)之間的硬件接口非常簡單，只需要通過一根數(shù)據(jù)線與單片機(jī)相連，所以保證了系統(tǒng)的高可靠性。為了實(shí)現(xiàn)測量精度為±0．1℃，利用了DSl8B20中SCRATCHPAD中的“剩余脈沖數(shù)”和“每度脈沖數(shù)”，通過公式：高分辨率溫度值=TI-0．25+（Tp—TR）／TP可以獲得±0．1℃的測量精度。

2．3 語音播報(bào)

對于語音播報(bào)，常用做法是用單片機(jī)對ISDl420操作來實(shí)現(xiàn)，所用硬件和連線都較多，所以系統(tǒng)的可靠性和成本都不占優(yōu)勢。本設(shè)計(jì)由于采用了 SPCE061A單片機(jī)，由于其強(qiáng)大的信號處理功能，所以可以直接由單片機(jī)輸出語音信號，不需要借助其他語音芯片，從而使系統(tǒng)的可靠性得到大幅提高。

2．4 語音控制（編程）

語音控制也有現(xiàn)成的芯片可供選擇，由于本系統(tǒng)采用的單片機(jī)具有較強(qiáng)的數(shù)字信號處理能力，而且其Mic輸入內(nèi)部已經(jīng)集成AGC電路，使得語音控制更為穩(wěn)定，所以直接用SPCE061A實(shí)現(xiàn)語音控制。由于凌陽公司提供的語音識別API是基于特定人語音識別技術(shù)的，所以使用之前需要用戶對系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，同時也只有對訓(xùn)練過的人的語音識別率才較高，所以使用很不方便。本系統(tǒng)基于DHMM模型的識別算法，用BaumWelch法對模板進(jìn)行訓(xùn)練，Viterbi算法進(jìn)行識別實(shí)現(xiàn)的非特定人語音識別，使得使用者可以直接控制而無需進(jìn)行繁瑣的訓(xùn)練，不同的用戶也不需要經(jīng)常反復(fù)訓(xùn)練，使系統(tǒng)的適應(yīng)性大為增強(qiáng)。

2．5 鍵盤電路

考慮到使用者講話的習(xí)慣，對于部分用戶，使用語音控制不太方便，所以設(shè)置鍵盤電路，以解決其設(shè)置（編程）問題，所以要求鍵盤電路非常簡單，對整體成本影響不大。SPCE06IA有2個16位的通用I／O接口Port A和Port B，而且Port A具有喚醒功能，所以采用A口直控鍵盤的形式。

2．6 聯(lián)網(wǎng)功能

SPCE061A同樣提供了通用異步串行接口UART，所以可以直接利用其通用異步串行接口進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)測溫人員與被測對象的隔離，即遠(yuǎn)距離和多點(diǎn)測溫。

綜上所述，整體硬件電路組成如圖1所示，由SCPE061A單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體控制并實(shí)現(xiàn)語音或鍵盤編程與語音播報(bào)，系統(tǒng)可通過通用異步串行接口實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，在不需要聯(lián)網(wǎng)的場合，溫度計(jì)也可以單獨(dú)使用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可裁剪，DSl8B20用來實(shí)現(xiàn)溫度檢測。

圖1系統(tǒng)組成

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是將測量溫度通過語音播報(bào)出來，接收編程數(shù)據(jù)使系統(tǒng)工作于不同的狀態(tài)。

3．1 溫度檢測

通過DSl8B20測溫時，要求控制器嚴(yán)格按照其單總線協(xié)議進(jìn)行通信，對于DSl8B20的通信控制程序已有很多討論，這里不再贅述。

3．2 語音播報(bào)

實(shí)驗(yàn)凌陽公司提供的API可以直接播放壓縮格式的語音，所以將O～9十個數(shù)字和攝氏度、設(shè)置、報(bào)警溫度等語音的數(shù)字信號（文件）壓縮后直接寫入單片機(jī)，播報(bào)溫時傳遞溫度參數(shù)給放音程序就可以實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)或者報(bào)警功能。

3．3 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置可以通過語音控制和鍵盤輸入實(shí)現(xiàn)，對于普通話較好的用戶，可以直接使用語音控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，而普通話不太好（ 識別率低）的用戶，則可以選擇使用鍵盤調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)采用非特定人語音識別技術(shù)，使得使用語言控制系統(tǒng)較為簡單、方便，同時鍵盤的設(shè)計(jì)也為不方便使用語音控制的人群提供了另一種選擇，可以適應(yīng)不同類型的用戶。

可設(shè)置的參數(shù)主要有，播報(bào)方式：“連續(xù)、隔x秒、禁止”；報(bào)警溫度值；工作方式等。在需要實(shí)時關(guān)注溫度值的時候，可以設(shè)置為連續(xù)播報(bào)；溫度變化較慢的時候可以設(shè)置為隔x秒方式；夜晚設(shè)置報(bào)警模式后，可以設(shè)置為禁止播報(bào)模式。設(shè)置報(bào)警溫度值后可以，可以處理其他事情，在出現(xiàn)警情時，系統(tǒng)給出報(bào)警，提示用戶。選擇工作方式為“聯(lián)網(wǎng)工作”后，系統(tǒng)除了現(xiàn)場播報(bào)和報(bào)警外，還將相應(yīng)信息通過異步串行口發(fā)送到遠(yuǎn)端。設(shè)置過程全部采用語音菜單方式，可以大幅度較低成本，設(shè)置流程圖如圖2所示。

圖2 設(shè)置子程序流程圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的智能溫度計(jì)，電路簡單、所需元器件少、測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時測溫、超限報(bào)警和語音播報(bào)等功能。由于各種功能是通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，可以根據(jù)具體要求添加不同的測溫模式，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，可廣泛地應(yīng)用于溫度測量和性價比要求較高的領(lǐng)域，尤其是特殊應(yīng)用場合。