基于單片機(jī)的溫度語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘

要：溫度是一個(gè)非常重要的物理量，現(xiàn)代生活中所用到的電器、家具設(shè)備，包括工業(yè)產(chǎn)品等對(duì)溫度的要求日益提高，靈敏的溫度控制預(yù)警系統(tǒng)已成為日常生活中必不可少的產(chǎn)品。鑒于此，設(shè)計(jì)了基于AT89S52單片機(jī)的溫度語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)，溫度值可通過(guò)顯控單元直觀展示，其溫度閾值可根據(jù)生活場(chǎng)景動(dòng)態(tài)調(diào)整，并可進(jìn)行錄音及語(yǔ)音播報(bào)。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高，擴(kuò)展方便，可廣泛應(yīng)用于公共場(chǎng)所、大型倉(cāng)庫(kù)、工廠、智能化建筑等領(lǐng)域的多點(diǎn)溫度檢測(cè)中。關(guān)鍵詞：AT89S52單片機(jī)；溫度檢測(cè)；語(yǔ)音播報(bào)；溫度閾值0

引言隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與應(yīng)用普及，人工智能更加為人們所熟知，同時(shí)也深刻影響了人們的日常生活及生產(chǎn)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(shù)早在20世紀(jì)就已出現(xiàn)，發(fā)展到今天已經(jīng)基本成熟與完善，從實(shí)驗(yàn)成果轉(zhuǎn)化為實(shí)踐器具。本文選用AT89S52單片機(jī)為控制器，由溫度傳感器DS18B20、液晶顯示屏1602、穩(wěn)壓芯片AMS1117、功放芯片LM86、喇叭、駐極體等主要元器件構(gòu)成了一個(gè)完整的溫度語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)。單片機(jī)可實(shí)時(shí)響應(yīng)溫度傳感器輸出的信號(hào)，通過(guò)LCD同步顯示，其溫度閾值可依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并設(shè)置有語(yǔ)音錄音和播報(bào)功能。通過(guò)多次測(cè)試一天中屋內(nèi)不同時(shí)間的溫度，驗(yàn)證了其精確度、靈敏度和語(yǔ)音播報(bào)功能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。1

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案AT89S52單片機(jī)是一款8位微控制器，它以低功耗和高性能的特點(diǎn)頗受人們喜愛，此外片內(nèi)存儲(chǔ)空間大，可以進(jìn)行更為復(fù)雜的編程設(shè)計(jì)，運(yùn)行速度不會(huì)受到很大影響。制造方面采用的是Atmel公司的技術(shù)，所以與80C51系列的產(chǎn)品有很好的兼容性。AT89S52單片機(jī)擁有帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器和8位CPU，使其能夠適用于絕大多數(shù)場(chǎng)合。因此，本文選用AT89S52單片機(jī)為控制器，溫度傳感器DS18B20、實(shí)時(shí)語(yǔ)音芯片ISD4004和按鍵模塊等均為外部設(shè)備串行通信元件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)本項(xiàng)目中，單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)有很多I/O接口可以進(jìn)行多個(gè)微型處理器的嵌套，可以方便地搭建各種所需的系統(tǒng)；可編程性較強(qiáng)，可以通過(guò)仿真軟件實(shí)現(xiàn)仿真模擬，以確保方案的可行性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)用到單片機(jī)定時(shí)器以實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能，此外還有中斷系統(tǒng)等。其構(gòu)成電路如圖2所示。2.1.1

復(fù)位電路設(shè)計(jì)重啟作為微型控制系統(tǒng)執(zhí)行的第一個(gè)步驟，是針對(duì)芯片整個(gè)電路實(shí)施控制，芯片中電路初始化，返回到預(yù)定的初始狀態(tài)。外部的復(fù)位電路控制著AT89S52的恢復(fù)，復(fù)位電路一般有兩種——上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，前者使用較多。上電復(fù)位是一種比較簡(jiǎn)單的復(fù)位重啟電路，一般在RST端口和高電位中間加一個(gè)電容，之后接一個(gè)電阻再接地。上電復(fù)位一般是指在閉合電源開關(guān)前，將一個(gè)很短的高電平信號(hào)輸送到RST輸入端，之后在電源給電容充電時(shí)這個(gè)復(fù)位信號(hào)會(huì)降低，因此RST引腳高電平維持時(shí)間具體以電容充電時(shí)間為準(zhǔn)，一般情況下，RST輸入端口的高電平信號(hào)應(yīng)保證充足的時(shí)間。在手動(dòng)復(fù)位時(shí)需要于復(fù)位端口加載高電平。一般在使用方式上，是于VCC端以及RST中另外增設(shè)按鍵，在按鍵按下之后VCC與RST電位相同，動(dòng)作時(shí)間一般為幾十毫秒，可以使系統(tǒng)在安全的環(huán)境內(nèi)重啟。該系統(tǒng)復(fù)位電路圖如圖3所示。2.1.2

時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)由于單片機(jī)各個(gè)部分的執(zhí)行都是以時(shí)鐘頻率作為參考，計(jì)數(shù)和延時(shí)等最常用的功能都依靠時(shí)鐘電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此時(shí)鐘電路的精確性決定著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。時(shí)鐘頻率的大小直接影響著單片機(jī)運(yùn)行速度，一般時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)有兩種——外部時(shí)鐘和內(nèi)部時(shí)鐘，電路如圖4所示。2.2系統(tǒng)外設(shè)電路設(shè)計(jì)AT89S52內(nèi)包含有32個(gè)I/O口、4k的flash、128位RAM、40個(gè)引腳、5個(gè)中斷、2個(gè)16bytes的可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器、2個(gè)全雙工串行通信口、WDT電路、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。AT89S52的I/O端口分配情況如表1所示。在設(shè)計(jì)中，AT89S52的P0.0～P0.7與LCD的D0～D7相連，以實(shí)時(shí)顯示溫度；P1.4～P1.7與語(yǔ)音芯片ISD4004的MISO、MOSI、SS以及SCLK對(duì)應(yīng)連接；P1.0與DS18B20的第二個(gè)管腳相連，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與傳感器的雙向通信；擴(kuò)音器模塊的+INPUT與ISD4004的ANDOUT相連。2.3電源電路設(shè)計(jì)干電池電池容量有限，持續(xù)時(shí)間短，成本高，隨著外設(shè)的增多和時(shí)間的推移，電池電壓在不斷減小，不能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此本系統(tǒng)采用獨(dú)立的DC5V供電。外部電源接到系統(tǒng)5V的DC端口之后經(jīng)過(guò)自鎖開關(guān)給整個(gè)系統(tǒng)提供電源，此外，以穩(wěn)壓芯片AMS1117構(gòu)成穩(wěn)壓電路，能夠?qū)?V電壓變?yōu)?.3V給語(yǔ)音芯片ISD4004使用，保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。電源穩(wěn)壓電路如圖5所示，其中C4為極性電容，能夠進(jìn)行穩(wěn)壓；C6為非極性電容，能夠進(jìn)行濾波，屬于低通濾波器，保留直流成分。2.4溫度采集模塊設(shè)計(jì)DS18B20是Dallas

Semiconductor第一款支持“單線總線”接口的溫度傳感器，測(cè)量精度為±0.5

℃，測(cè)量精度高，能夠適應(yīng)復(fù)雜惡劣的環(huán)境，對(duì)于微處理器處理，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字量。DS18B20采用單線總線，可用數(shù)據(jù)線直接供電，因此可以不使用任何外圍設(shè)備，減少了外圍設(shè)備的使用量。因此，系統(tǒng)選擇DS18B20為溫度采集器，測(cè)溫電路圖如圖6所示。DQ腳作為溫度傳感器中的關(guān)鍵要素，其主要功能情況如表2所示。2.5LCD顯示模塊設(shè)計(jì)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(diǎn)，改變顯示區(qū)域的電壓大小就可以控制顯示器工作。LCD1602有16個(gè)引腳，其與單片機(jī)的應(yīng)用連接電路圖如圖7所示，LCD基本操作時(shí)序如表3所示。2.6語(yǔ)音播報(bào)電路設(shè)計(jì)ISD400系列適用于手機(jī)和其他便攜式電子設(shè)備，工作電壓3V，能夠錄音8～16min，音質(zhì)較好，具備CMOS技術(shù)，內(nèi)部還包含振蕩器、平滑濾波器、音頻放大器等。在進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)時(shí)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(chǔ)技術(shù)中，每個(gè)樣本直接存儲(chǔ)在閃存中，因此可以非常自然地再現(xiàn)，很大程度上減少了一般的固體錄音電路產(chǎn)生的“金屬聲”和量化噪聲。音頻輸入電路如圖8所示，語(yǔ)音電路如圖9所示。3

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)C語(yǔ)言單片機(jī)的編程設(shè)計(jì)，大多數(shù)人選擇使用Keil，在Keil中不論是選擇C語(yǔ)言編程還是匯編都非常方便。本文選用KeiluVision5進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，KeiluVision5可以很好地兼容之前的版本，并加大對(duì)Cortex系列的開發(fā)力度，不論是界面還是開發(fā)環(huán)境都進(jìn)行了升級(jí)優(yōu)化。3.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)程序在開始執(zhí)行時(shí)首先要對(duì)主程序進(jìn)行初始化，如溫度檢測(cè)程序、I/O口的初始化等。初始化結(jié)束后，執(zhí)行溫度測(cè)量的相關(guān)程序，實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前的溫度值。將測(cè)得值與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷此溫度是否超過(guò)了閾值[7]，如果超過(guò)溫度上限或下限，則調(diào)用報(bào)警子程序并進(jìn)行語(yǔ)音提示。主程序流程圖如圖10所示。3.2測(cè)溫子程序設(shè)計(jì)該系統(tǒng)能夠正常工作的充分條件是能夠精準(zhǔn)地測(cè)量溫度。若溫度采集缺乏準(zhǔn)確性，則即使后面單片機(jī)對(duì)信號(hào)處理得再好或者顯示電路、語(yǔ)音播報(bào)報(bào)警都能夠正常準(zhǔn)確工作，實(shí)際結(jié)果還是達(dá)不到要求，整個(gè)系統(tǒng)不能準(zhǔn)確進(jìn)行溫度測(cè)量及語(yǔ)音播報(bào)[8]。因此，DS18B20能否正常工作關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。DS18B20在通信時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)是分開進(jìn)行的，具備明確定義，其基本規(guī)則為：初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)出命令→對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。其程序流程如圖11所示。4

系統(tǒng)仿真及其結(jié)果分析系統(tǒng)各項(xiàng)功能仿真方法及結(jié)果如表4所示。利用Proteus進(jìn)行的系統(tǒng)仿真如圖12所示，顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度，通過(guò)按鍵可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能的切換和溫度上下限的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)溫度上限調(diào)節(jié)仿真圖如圖13所示，系統(tǒng)錄