基于单片机的温度语音播报系统设计与实现

康晓丽 王 艳

（山西省信息产业技术研究院有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

随着物联网的快速发展与应用普及，人工智能更加为人们所熟知，同时也深刻影响着人们的日常生活及生产方式，其不但能够提供便捷化支持，还可以提供良好的安全保障条件。温控技术早在20世纪就已出现，发展到今天已经基本成熟与完善，从实验成果转化为实践器具。

本文选用AT89S52单片机为控制器，由温度传感器DS18B20、液晶显示屏1602、稳压芯片AMS1117、功放芯片LM86、喇叭、驻极体等主要元器件构成了一个完整的温度语音播报系统[1]。单片机可实时响应温度传感器输出的信号，通过LCD同步显示，其温度阈值可依据应用场景动态调节，并设置有语音录音和播报功能。通过多次测试一天中屋内不同时间的温度，验证了其精确度、灵敏度和语音播报功能达到预期目标[2]。

1 系统设计方案

AT89S52单片机是一款8位微控制器，它因低功耗和高性能的特点而颇受人们喜爱，此外片内存储空间大，可以进行更为复杂的编程设计，运行速度不会受到很大影响。制造方面采用的是Atmel公司的技术，所以与80C51系列的产品有很好的兼容性。AT89S52单片机拥有带电可擦可编程只读存储器和8位CPU，使其能够适用于绝大多数场合[3]。

因此，本文选用AT89S52单片机为控制器，温度传感器DS18B20、实时语音芯片ISD4004和按键模块等均为外部设备串行通信元件。系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 单片机最小系统

本项目中，单片机构成的系统有很多I/O接口可以进行多个微型处理器的嵌套，可以方便地搭建各种所需的系统；可编程性较强，可以通过仿真软件实现仿真模拟，以确保方案的可行性。系统设计过程中会用到单片机定时器以实现延时功能，此外还有中断系统等。其构成电路如图2所示。

图2 单片机最小系统电路

2.1.1 复位电路设计

重启作为微型控制系统执行的第一个步骤，是针对芯片整个电路实施控制，芯片中电路初始化，返回到预定的初始状态。外部的复位电路控制着AT89S52的恢复，复位电路一般有两种——上电复位和手动复位，前者使用较多。

上电复位是一种比较简单的复位重启电路，一般在RST端口和高电位中间加一个电容，之后接一个电阻再接地。上电复位一般是指在闭合电源开关前，将一个很短的高电平信号输送到RST输入端，之后在电源给电容充电时这个复位信号会降低，因此RST引脚高电平维持时间具体以电容充电时间为准，一般情况下，RST输入端口的高电平信号应保证充足的时间。

在手动复位时需要于复位端口加载高电平。一般在使用方式上，是于VCC端和RST中另外增设按键，在按键按下之后VCC与RST电位相同，动作时间一般为几十毫秒，可以使系统在安全的环境内重启。

该系统复位电路图如图3所示。

图3 复位电路

2.1.2 时钟电路设计

由于单片机各个部分的执行都是以时钟频率作为参考，计数和延时等最常用的功能都依靠时钟电路来实现，因此时钟电路的精确性决定着整个系统的稳定性与可靠性。时钟频率的大小直接影响着单片机运行速度，一般时钟电路的设计有两种——外部时钟和内部时钟，电路如图4所示。

图4 时钟电路

2.2 系统外设电路设计

AT89S52内 包 含 有32个I/O口、4k的flash、128位RAM、40个引脚、5个中断、2个16 bytes的可编程定时计数器、2个全双工串行通信口、WDT电路、片内时钟振荡器。AT89S52的I/O端口分配情况如表1所示。

表1 AT89S52的I/O端口分配列表

在设计中，AT89S52的P0.0～P0.7与LCD的D0～D7相连，以实时显示温度；P1.4～P1.7与语音芯片ISD4004的MISO、MOSI、以及SCLK对应连接；P1.0与DS18B20的第二个管脚相连，实现单片机与传感器的双向通信；扩音器模块的+INPUT与ISD4004的ANDOUT相连。

2.3 电源电路设计

干电池电池容量有限，持续时间短，成本高，随着外设的增多和时间的推移，电池电压在不断减小，不能保证系统的正常运行，因此本系统采用独立的DC5 V供电。外部电源接到系统5 V的DC端口之后经过自锁开关给整个系统提供电源，此外，以稳压芯片AMS1117构成稳压电路，能够将5 V电压变为3.3 V给语音芯片ISD4004使用，保证了整个系统的稳定工作。电源稳压电路如图5所示，其中C4为极性电容，能够进行稳压；C6为非极性电容，能够进行滤波，属于低通滤波器，保留直流成分。

图5 电源稳压电路

2.4 温度采集模块设计

DS18B20是Dallas Semiconductor第一款支持“单线总线”接口的温度传感器，测量精度为±0.5℃，测量精度高，能够适应复杂恶劣的环境，对于微处理器处理，能够直接将温度转换为串行数字量[4]。DS18B20采用单线总线，可用数据线直接供电，因此可以不使用任何外围设备，减少了外围设备的使用量[5]。因此，系统选择DS18B20为温度采集器，测温电路图如图6所示。

图6 测温电路图

DQ脚作为温度传感器中的关键要素，其主要功能情况如表2所示。

表2 DB18B20引脚功能详细描述

2.5 LCD显示模块设计

本文选用LCD1602作为显示单元。LCD1602的工作原理是基于液晶自身的特点，通过改变显示区域的电压大小来控制显示器工作。LCD1602有16个引脚，其与单片机的应用连接电路图如图7所示，LCD基本操作时序如表3所示。

图7 液晶显示模块接口电路

表3 LCD基本操作时序

2.6 语音播报电路设计

ISD400系列适用于手机和其他便携式电子设备，工作电压3 V，能够录音8～16 min，音质较好，具备CMOS技术，内部还包含振荡器、平滑滤波器、音频放大器等。在进行芯片设计时需要考虑到所有的控制要求，并且能够用串行通信接口输入。在模拟的体积存储技术中，每个样本都直接存储在闪存中，因此可以非常自然地再现，很大程度上减少了一般的固体录音电路产生的“金属声”和量化噪声[6]。音频输入电路如图8所示，语音电路如图9所示。

图8 音频输入电路

图9 语音电路

3 系统的软件设计

C语言单片机的编程设计，大多数人选择使用Keil，在Keil中不论是选择C语言编程还是汇编都非常方便。本文选用Keil uVision5进行软件设计，Keil uVision5可以很好地兼容之前的版本，并加大对Cortex系列的开发力度，不论是界面还是开发环境都进行了升级优化。

3.1 系统主程序设计

程序在开始执行时首先要对主程序进行初始化，如温度检测程序、I/O口的初始化等。初始化结束后，执行温度测量的相关程序，实时测量当前的温度值。将测得值与设定值进行比较，判断此温度是否超过了阈值[7]，如果超过温度上限或下限，则调用报警子程序并进行语音提示。主程序流程图如图10所示。

图10 主程序流程图

3.2 测温子程序设计

该系统能够正常工作的充分条件是能够精准地测量温度。若温度采集缺乏准确性，则即使后面单片机对信号处理得再好或者显示电路、语音播报报警都能够正常准确工作，实际结果也还是达不到要求，整个系统不能准确进行温度测量及语音播报[8]。因此，DS18B20能否正常工作关系到整个系统能否正常运行。

DS18B20在通信时发送和接收信号是分开进行的，具备明确定义，其基本规则为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发出命令→对数据进行初步处理。其程序流程如图11所示。

图11 测温子程序流程图

4 系统仿真及其结果分析

系统各项功能仿真方法及结果如表4所示。

表4 各项功能仿真方法及结果

利用Proteus进行的系统仿真如图12所示，显示屏可以实时显示当前温度，通过按键可以实现语音播报功能的切换和温度上下限的调节，系统温度上限调节仿真图如图13所示，系统录音选择仿真图如图14所示。

图12 系统仿真图

图13 系统温度上限调节仿真图

图14 系统录音选择仿真图

5 结语

本项目基于Proteus和单片机AT89S52完成了温度语音播报系统的设计及研发工作，不仅实现了温度实时监测，而且可自由录制提示语音、灵活部署，适用于公共场所、仓储库房、客厅、智能化建筑等领域的多点温度检测。整个系统采用模块化设计，结构简单，调试结果表明系统符合预期目标，可有效保障人们的日常生活安全。