一种语音播报系统的研究与设计*

杨照坤，黄高祥，郑秀宏

（1.深圳技术大学中德智能制造学院，广东深圳 518118；2.深圳市理邦精密仪器股份有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

“工欲善其事，必先利其器”，工具在生活中发挥着巨大的作用。随着现代社会的飞跃式发展，高新技术迅猛变化，使得工业生产中对一些测温器件的使用要求提高了；在温度测量领域，要求生产中的测量更加快速、精确，并且测量范围也要完全适应生产中所发生的不可预知的变化。

本文从实际应用角度出发，设计一款操作简单、价格便宜，满足日常生活及工业生产场景需要的温度测量系统，该设计基于AT89S51单片机，集成了温度检测、语音实时播报、数据实时刷新显示等功能。其中，单片机作为系统控制核心，实时处理温度传感器反馈的数据，遍历寻找温度字段用于语音播报及LCD实时显示[1]。该测量装置不仅可以用于日常生活的家用温度测量，特别是复杂环境场合需要实时播报当前所测温度，还能在中低温的工业生产场合使用。由于其测量范围较大、系统稳定、硬件成本较低、功能丰富以及操作简单易上手，而且AT89S51单片机资源丰富、接口较多，其功能容易拓展[2]，如进行多路温度测量等，与目前市场上存在的价格较高、功能较单一的测温产品相比，具有很大的市场应用潜力。

1 温度测量技术现状

随着高新技术在工业化中扮演的角色越来越重要，使得温度检测技术在一定程度上取得了较大进步。现在生活生产中使用的温度计种类复杂，但主要的测量原理有以下几种。

（1）物体热胀冷缩原理

工业生产中常见的有3种，这些元件原理一致，都是利用物体特有的性质制成[3]，分别为玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。

（2）热电效应技术

基于此技术制成的温度检测元件种类繁多，比较常见的就是热电偶。热电偶构造简单、操作方便，并且很久之前已开始使用，目前热电偶技术已十分成熟。该技术具有操作简单、测量原理易理解、测量精度高、可控性较强等特点。

（3）热阻效应技术

热阻效应作为某些物质的固有性质，已被人类认识并且加以应用，在生产中应用较多的有电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件[4]。

（4）热辐射原理

热辐射原理虽然很长一段时间内没有被人们理解并应用，但近些年其先进之处已逐渐吸引众多的工业生产专家，其可以制成高效的温度测量元件。在工业生产中应用的比较多的有单色辐射高温计，即实验室所用的光学高温计；以及全辐射高温计，工作安全高效，利用物体可以辐射能量的原理制成的测量元件。

（5）其他

由于传统测量元件已不能完全满足生产要求，许多生产专家都在积极研究新型的测量技术以适应迅猛发展的高新技术。目前已有很多新兴技术，如点到点、点到线、点到面的测量技术等，相信在未来工业生产中会经常见到这些新型先进技术的身影。

2 系统结构设计

首先考虑主控模块，根据设计的灵活性、操作的简单性及优良的性价比，综合考虑选用AT89S51单片机作为主要控制核心。采用DS18B20作为温度测量元件，其功耗低、连线简单，不需要复杂的驱动电路[5]。温度显示方面采用LCD液晶屏，其是一种低压、微功耗的显示器件，只要2～3 V就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的；同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示一些简单的流线型文字。语音播报芯片采用超鼎电子的一款语音芯片NY3P035，该芯片有多达32段语音内容，出厂前已经固化在芯片内，用户可以控制输出所需语音内容[6]。

3 硬件电路设计

系统总体框图结构如图1所示。系统电路如图2所示。

图1 系统框图

图2 中，单片机最小系统结构上包括4个双向的8位并行I/O端口，及内部晶振电路用于产生单片机工作所必须的时钟控制信号[7]，复位是通过外部复位电路的来实现的。DS18B20与单片机的I/O口直接连接。不管是外接电源还是依靠总线传输能源，I/O口线要接10 kΩ左右的上拉电阻。采用第一种连接方法，如图3～4所示，把DS18B20的数据线与单片机的第1管脚连接（DQ连P1.0脚），再加上上拉电阻。按键设计成低电平有效，主控制器通过检测对应I/O口的电平状态来判断按键操作情况。

图2 系统原理

另外，为了提高系统的抗干扰性，只有按键按下后，I/O才被按键拉到地（低电平），从而减小了外界的干扰[8]。语音芯片是针对市场推出的一款具有PWM输出的OTP语音标准芯片，外部共有3个I/O口，工作能耗小，此语音芯片内置电阻，没有外围元件，外围电路只需要1个104电容，整个方案的费用节省30%～50%左右。语音播报采用模拟串行的控制方式，如需要播放第几个地址的内容就发送几个脉冲（大于0.2 ms即可，建议采用1 ms左右，下同），能准确的控制多达32段地址的任意组合。例如现在需要播放第10段声音，那么控制系统先发送一个复位脉冲到RST（Rest）脚，接着发送10个脉冲到DATA脚，芯片即刻工作，播放第10段的声音，不同的声音组合变成所需要的播报内容。

4 软件程序设计

系统软件流程如图3所示。

图3 系统软件流程

系统开始工作时要先初始化，比如清液晶两行显示、关光标闪烁等；然后从DS18B20读取温度数据，再进行温度转换，得到真正的温度值，送到液晶1602上显示出来；再对按键进行扫描，若有低电平信号则进行温度值的语音播报，否则不播报语音。

5 结束语

本设计是以AT89S51为控制核心的具有语音播报及数值显示功能的温度计，温度测量范围在－55℃～＋125℃，系统整体设计利用软硬件结合方式实现对温度的快速、精确测量。由于温度与日常生活息息相关，同时也是工业生产中常用的被测参数，被控对象的温度指标能否被稳定、快速获取，直接关乎生产是否能高效、顺利的进行。该测温系统硬件结构设计简单，操作简便易行，能够满足日常生活及工业中低温场合应用的需求，采用模块化设计便于后续产品功能拓展。