基于单片机的温度语音播报系统设计与实现

摘

要：温度是一个非常重要的物理量，现代生活中所用到的电器、家具设备，包括工业产品等对温度的要求日益提高，灵敏的温度控制预警系统已成为日常生活中必不可少的产品。鉴于此，设计了基于AT89S52单片机的温度语音播报系统，温度值可通过显控单元直观展示，其温度阈值可根据生活场景动态调整，并可进行录音及语音播报。该系统抗干扰能力强，性价比高，扩展方便，可广泛应用于公共场所、大型仓库、工厂、智能化建筑等领域的多点温度检测中。关键词：AT89S52单片机；温度检测；语音播报；温度阈值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，同时也深刻影响了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。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。1

系统设计方案AT89S52单片机是一款8位微控制器，它以低功耗和高性能的特点颇受人们喜爱，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。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。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。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端以及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。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。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16bytes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。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、SS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DC5V供电。外部电源接到系统5V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5V电压变为3.3V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。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。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。因此，系统选择DS18B20为温度采集器，测温电路图如图6所示。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。2.5LCD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，改变显示区域的电压大小就可以控制显示器工作。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。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3V，能够录音8～16min，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。音频输入电路如图8所示，语音电路如图9所示。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KeiluVision5进行软件设计，KeiluVision5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。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。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。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