基于单片机的语音提示测温播报系统的设计和实现 电子信息工程专业.docx

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基于单片机的语音提示测温播报系统的设计和实现电子信息工程专业

基于单片机的语音提示测温播报系统的设计

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摘要：

此文章对再单片机基础上开发的语音提示测温系统进行了详细的描述，系统的环境条件采集部件是DS18B20的温度传感器，其探头还采用了防水的设计，让传感器可以在多种类型的液体介质当中还能够对对象的温度进行测量。

系统的显示部件是使用的LCD1602液晶，播报部分是使用的TTS中文文字转语音模块对温度进行播报。

而且，报警的范围用户是可以自行进行调整的，方便对于现场的温度条件开展即时的观察和控制，如果环境中温度数值大于设定的阈值，那么蜂鸣器由于受到驱动而进行报警。

而系统的处理器采用的来自STC公司研发的经典51单片机STC89C52RC型号来当开展，和温度传感器部件的连接方式是使用的单总线方式，能够及时地获取温度信息。

而且显示部分还用了LCD1602的液晶显示，还提供了设置温度范围报警的方式，轻碰按键电路能够引发温度数值的广播和温度数值区间的设置。

同时，TTSTS中文文字转语音电路部分能够广播语音。

蜂鸣器部分可以进行高温报警，而且，随后还进行了实验验证，结果发现，在单片机基础上开发的语音提示测温系统可以精准的对气体或者液体的温度信息进行测量，而且整个使用过程简单便捷。

系统可以测量温度的区间是-55摄氏度到125摄氏度之间，其准确度控制在0.5范围。

而且，成本相对较低，误差较小、效率较高而且功耗较低等优点，可以在很多要进行测温的场景中进行运用。

关键词：

温度测量；STC89C52单片机；DS18B20温度传感器；TTS中文文字转语音

DESIGNOFVOICEPROMPTTEMPERATUREMEASUREMENTSYSTEMBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTER

Abstract：

Thisarticleintroducesavoiceprompttemperaturemeasurementsystembasedonsinglechipmicrocomputer.ItusesDS18B20temperaturesensortocollectambienttemperature.Thesensorprobeisinawaterproofpackageandcanbedirectlyplacedinvariousliquidstomeasurethetargettemperature.ThedesignisdisplayedthroughtheLCD1602liquidcrystal,andcanalsodrivetheTTSChinesetext-to-speechmoduletobroadcastthemeasuredtemperature.Theusercansetthealarmthresholdthroughthebuttonmoduleforreal-timemonitoringoftheon-sitetemperature,anddrivethebuzzertoringthealarmwhenthetemperatureishigherthanthethreshold.ThedesignusesSTC89C52RC,aclassic51singlechipmicrocomputerofSTC,asthemainprocessorofthesystem.Itusesasinglebustoconnectthetemperaturesensortoobtaintheon-sitetemperaturevalue.Atthesametime,itbuildsanLCD1602liquidcrystaltodisplayreal-timetemperatureandthresholdtemperature.Itisusedtotriggerthetemperaturebroadcastandsetthetemperaturethreshold,thebuzzercircuitisusedforhightemperaturealarm,andtheTTSChinesetext-to-speechcircuitisusedforvoicebroadcast.Experimentsshowthatthevoiceprompttemperaturemeasurementsystembasedonsinglechipmicrocomputerdesignedinthispapercanaccuratelymeasurethetemperatureofgasorliquid.Thewholesystemiseasytouseandtheuserinterfaceisfriendly.Thetemperaturemeasurementrangeis-55℃～+125℃,andthetemperaturemeasurementaccuracyis0.5℃.Theoverallcostislow,andithasthecharacteristicsoflowpowerconsumption,lowerror,highacquisitionspeed,etc.,andcanbeappliedtovariousoccasionswheretemperaturemeasurementisrequired.

Keywords：

Temperaturemeasurement;STC89C52microcontroller;DS18B20temperaturesensor;TTSChinesetexttospeech

1绪论

1.1选题的背景与意义

1.1.1单片机测温系统的研究背景

日新月异，时代在发展，科技也在进步，单片机技术从诞生到现在广泛运用到多个领域中经历了一段时间的考验[1]，单片机在研发出来后，就开始被运用到各种场景当中，比如温度测量，而且也获得了很大程度的进展。

同时，单片机的技术也在持续的发展成熟和扩大，也能够实现对场景中温度的多个参数进行测量。

我们知晓，温度在很多场景、很多领域都会有所涉及，如果能够对温度进行精准的测量，那将会起着重要的作用[2]。

运用到的场景如下，比如：

工业领域当中的冶炼金属、家用当中的空调和种植业当中的温室大棚生产等，都需要我们对温度进行较为精准的测量。

1.1.2单片机测温系统的研究意义

社会发展日新月异，即使是农业技术也都在不断进步，同时其中会运用到的测温技术也在不断今年不。

如果可以过呢国家精准的、更好的使用测温系统，从而来实现对温度开展一定程度的控制，会有利于让工农业更加安全、更好的发展。

温度如我们所熟知，在物理层面上，是指的物体本身冷热程度的一个表达量。

但是在工业农业这些行业来说，温度不仅仅是一个表达量，还代表着生产效率、能源问题和产品质量，放大来看对我们国家的经济发展都有着关键的影响[3]。

基于单片机来开展这一技术的关键之处在于测温环节工业测量目标当中的关键组成就包括了温度测量[4]。

所以，可以得知，基于单片机来进行测温也就是对温度开展有效精准的测量[5]，同时，这项技术也已经广泛运用到了现实的工业生产，特别是关键的工业行业当中，比如电气自动化等。

不仅是在工业等行业当中，在我们的实际生活里，温度的测量也有着很广泛的用途，例如在家庭环境中，有各种可以进行室内温度测量的场景，比如暖手宝、电热毯、热水器、空调、地暖等[6]。

但是，温度本身作为一个模拟的参数，将模拟出来的温度参数化为数值是不太复杂的，只要有对应的原件和技术支撑，但是其电路的设计较繁杂，成本也不低，该研究的目的是在设计出能够进行实时语音播放和蜂鸣器报警功能的同时降低成本消耗。

1.2文章的内容及方法

此文的分为了几部分来叙述，首先是基于单片机来进行测温的研究背景和意义所在；其次阐述了开展该研究需要所做的各种准备事项；之后细致介绍了该研究的设计思想，介绍了硬件软件的结构和流程设计，硬件部分还讲解了硬件的组成、结构还有每个部分之间的连接情况还有进行工作的原理等内容

同时，该文章还运用了很多方法来进行研究，其中包括文献阅读法、描述性研究方法、系统科学方法、文本细读方法、信息研究、经验总结以及综合分析的方法等，综合来设计实验。

1.3文章组织结构

此文分为了6部分来进行介绍，如下：

一、绪论部分：

引入该课题研究的背景、现状和研究意义，同时还细致的讲解了目前整个测量温度体系的技术现状，并且总结了此文的整体架构。

二、体系整体的设计计划：

这部分运用到了系统的方框图来进行直观的展示，介绍了整个体系的原理设计和各组件之间的构成，而且通过方框图结合实际的功能需求来提出实际可行的设计方案，再通过不断的对比结果从而来确定更加符合需求的设计。

三、硬件部分介绍：

这部分介绍讲解了系统的硬件构成和对应的原理。

把整个体系进行合理科学的划分，分成若干个功能模块来进行剖析。

四、软件部分介绍：

此环节是该文章的重心环节，讲述了系统的软件设计环节，用图表来辅助说明其中的各个模块的作用和流程设计。

五、进行系统的调试和测试环节：

这部分对前面设计的软件硬件部分进行整体的测试，而且对整个调试和测试环节进行了细致的描述。

六、总结：

这部分对前面的内容进行概述，而且也挑明了设计系统的优缺点以及适用的场景，同时也展望了未来研究可以深入之处。

2系统总体方案设计

2.1系统总体方案设计思路

如果要设计一个电子系统，需要先假设真实情况下的需求和要实现的功能模块进行设计，然后再开展硬件和软件部分的设计。

为了能够给对系统的组成进行更加直观的展示，这里使用系统框图来描述，它能使得体系内各个模块的连接展现的更加直观和清楚。

而且，也可以更加直观的呈现该体系的主要设计理念[13]，结合框图，我们能够了解到体系的硬件组成部分有哪些，以及如何通过模块化的连接让各个功能之间实现组合。

针对该系统的系统框图如下图展示，图2.1。

图2.1系统方框图

从框图中可以看到，处理器是整个系统的核心，[14]，可以按照实际的需求来进行编程实现的硬件部分，不过只有处理器是没有办法实现全部功能的[15]，处理器仍然要依靠和外部的一些特定的硬件来辅助，这样形成一个完整的体系架构才能够实现我们需要的功能。

那些外围部分的硬件自然而然也就是处理器的最小系统外围硬件组成部分，但是还是需要通过和处理器的专门的IO进行连接了方能发挥作用。

其中，显示电路部分负责对温度进行即时的显示，并且展示报警数据区间的硬件，工作过程中由处理器变成来控制实现。

如果要对某个具体的传感参数进行测量，那么就需要参数对应的传感器硬件来做到。

在本文的实验当中，我们可以看到目的是要检测环境中的温度变量，所以，只有把温度传感器硬件和处理器硬件进行连接才能发挥功能。

同时，还要做到对使用者的控制请求进行识别，还要由输入硬件，传递输入信号到处理器，然后对使用者的请求进行处理[16]，而涉及到此次试验，需要进行识别的请求是：

对温度广播的控制和温度区间的触发信号的设计。

是借助按键电路来对传入的信号进行识别和分析。

系统还涉及到了报警电路，这个电路在系统当中十分常见，也经常运用在进行人机互动的流程中进行具体的操作预警。

该系统的报警电路模块做到了用警铃来对用户进行提醒，如果系统检测到了温度超过了设定的区间数值，就会直接进行报警和提醒。

系统当中的语音部分也是需要通过处理器进行编程来实现的，要实现数字信号转为模拟信号的过程，也就是实现通过语音来播报系统当前观测到的温度参数数值。

2.2系统总体方案比较论证

2.2.1处理器的选择

通过翻阅文献可以知道，在常见的电子控制的系统当中，arm芯片和单片机还是主要充当着主控芯片的角色。

（1）arm处理器

首先介绍arm处理器，通常出现在中高端产品线的电子产品中，由64位和32位的处理器分类[17]，借助处理器可以做到对数据进行快速的运算和处理，还可以开展一定程度的繁杂运算和操作，甚至能够对其它高性能的优秀显示硬件进行无卡顿的控制。

在操作系统角度而言，arm可以适配各种软件操作系统，在工作时，借助多进程的原理来对每个进程进行合理科学的安排，做到高效化。

（2）8位单片机

这部分介绍8位单片机。

和arm处理器对应，8位单片机主要是出现在较为低端的电子产品当中，其成本也相对较低，使用起来更加简单快捷，若要求不高，那它可以在较为简单的电子硬件体系当中稳定持续地运转。

通常，是用单片机来作为主要控制器的硬件系统来说，因为成本的限制，性能方面也会发挥的不高。

所以，使用单片机的软件上是无法携带操作系统的。

8位单片机在单片机中是很常见的，如果是单片的成本甚至能够降低到1元之下。

而且在日常的生活当中用途很广，比如洗衣机、电磁炉和电饭锅等非智能的生活电器。

通过前面的介绍我们可以知道，虽然arm的处理器在性能方面比单片机要发挥的更好，但是考虑到我们本次实验是要实现。

通过语音来提醒用户的温度测量控制体系。

主要在功能上是要实现对温度的监控测量、显示还有播报。

在算法方面的要求不是很高。

所以这里并没有采用arm的处理器，而是决定使用单片机芯片就可以满足此次实验的要求。

而且考虑到成本方面，为了降低硬件方面的消耗。

此次实验主要使用8位单片机来作为处理器，型号是STC89C52RC。

2.2.2温度传感器的选择

（1）模拟传感器pt100

通过前面的分析可知，如果要对温度进行测量监控，那么在系统的电路设计方案当中需要使用到传感器，而传感器在涉及到信号方面也分为两种，一种是模拟传感器，另外一种是数字传感器。

通过名字我们可以简单的看到前者模拟传感器，它能够进行分析识别的信号是模拟信号。

但是需要借助其他模数转换电路来将模拟信号转变成数字信号才能够交给处理器来进行操作和识别。

举例来说明，通常可以见到的一种温度传感器是pt100的模拟信号传感器，其优点有准确度良好而且温度测控范围也大。

使得其在各种工业领域当中都经常见到。

pt100别称铂电阻，如其名，根本上组成是电阻。

而这款模拟温度传感器它的电阻大小与温度的高低有关。

所以若是能够得出传感器的电阻值大小，那么就能够测量出当时情境下的温度数值的大小。

（2）数字传感器

数字传感器和模拟传感器不同。

通过模拟传感器来传达信号的话，同时还需要使用模数转换外电路、信号处理才能够实现需求[18]，但是如果使用数字传感器，因为它本身已经拥有了对应的电路设计，这只需要让数字传感器和处理器连接。

然后通过是使用特定的协议编程方式来读取到传感器当时的数据，从而会减少电路设计的复杂程度。

但是考虑到实验的成本，此类传感器的精确度一般没有模拟传感器高，所以对于要求高精确度的场合就不适用。

数字传感器的常用是DS18B20，此型号的传感器里面存在对温度进行测量的设计电路，不需要信号转换就能够通过对应的接口来得到对应的环境数值。

同时，对电源的要求不是很严格，只要在3.3-5V的宽电压电源即可，使用中可以直接使用单片机的5V电源，无需为传感器设计另外的电源。

通过前面的比较，可以看到，若使用模拟传感器，它的精度测量很好，但是本次实验的设计使用场景通常是处于气液两相的状态当中。

对于温度的监控要求不是非常的复杂，对于温度测量的准确度也不需要非常准确，所以此次试验计划最终采用数字传感器DS18B20来进行温度数值的测量。

2.2.3按键模块的选择

这一部分是按键模块硬件的选择，按键模块是用来获取到使用者的输入信号的。

然后根据使用者输入的信号情况来让整个系统设置报警的区间或者是进行当前温度的广播。

在常用的电子系统当中。

使用到的按键模块分为两种，分别是轻触按键和摇杆传感器按键。

（1）摇杆传感器按键

首先来看摇杆传感器，它能够进行全方位的操作。

通常是借助横轴和纵轴双轴来对模拟量进行输出。

当使用者往某个方向操作操纵杆的时候，双轴输出对应的模拟量大小。

根据这两个模拟量的大小和比值可以大概计算操作的方向，还有幅度信息，所以如果要使用此类传感器，它可以达到多方位的控制，但是涉及的成本也比较高。

对应的编程也比另外一种更加复杂。

同时需要使用AD电路来把遥感传感器按钮的模拟输出的信号转化成对应的数字信号，然后通过数字信号来计算操作者的方向和幅度大小。

（2）轻触按键

这一部分来介绍另外一种控制方式是轻触按键的方式。

它也在电子设备当中非常常见，涉及到结构也比前者更加简单。

两个按钮触点状态的变化是通过内部金属弹簧片来实现的。

所以轻触按键对应的信号输出是逻辑数字信号，只能对应两种状态。

然后在进行软件编程的过程当中，就意味着只需要一个普通的数字IO接口就能够使做到对操作的检测。

只要识别到对应数字IO接口的电平变化，就能够来识别使用者是否触碰了这个按钮。

通过前面的比较我们可以得知，根据我们此次实验的系统，我们只需要涉及到三个需要识别的输入信号，不需要用到摇杆传感器按钮来增加硬件方面的难度和成本，直接在系统当中增添三个轻触按钮，就能够做到对用户使用者输入信号的识别，同时还能够减少一定的编程难度。

所以此次实验选择了触摸按钮来对按键模块进行构建。

2.3最终方案选择

通过前面的分析，我们可以总结出来最后选择的硬件适配方案是嗯，单片机型号STC89C52作为此次实验的处理器，进行温度测量的温度传感器是DS18B20。

用来识别使用者输入型号的是轻触按键。

之后还要结合报警模块的蜂鸣器以及设计的TTS中文文字转语音电路以及显示部分LCD1602液晶电路来对阈值之外的温度进行报警、温度的广播还有信息的呈现等功能模块部分。

3系统硬件设计

3.1STC89C52RC单片机最小系统电路

从前面的内容可以得知，单片机是一种能够进行软件操作的芯片。

但是在涉及到编程的时候，让单片机通电就能够开始进行工作。

但是这些功能没有办法通过单个的芯片来进行实现。

所以若要实现整个系统的功能和编程，那么就要涉及到使用若干个单片机来构建一个最小的系统方案。

若要实现处理器芯片支持软件操作的功能，那么硬件方面方案设计的第一步就是要构成通过使用最少外围组件的处理器最小系统电路。

而且这一步也是整个系统实现功能的第一步，如果这一步出现了问题，那么找最后整个设计出来的系统将不能正常的实现对应的功能。

所以涉及到处理器的最小系统电路设计是这一部分的基础，也是关键。

此次实验选择的是STC89C52RC，STC公司生产的处理器[19]，它的最小系统电路中有两个关键的部分分别是时钟电路和复位电路，它的最小系统电路如下所示，图3.1：

图3.1STC89C52单片机最小系统电路示意图

3.1.1STC89C52RC单片机时钟电路

这一部分介绍该型号的时钟电路。

时钟电路的作用是为整个系统的处理器提供持续工作的振荡源。

若是没有为系统提供震荡信号，那么整个系统就不能正常的工作。

此次实验设计的处理器最小系统电路如下图3.2，这个电路包括了2个无极性电容器和振荡源——无源晶体振荡器。

无源晶体振荡器是时钟电路控制振荡信号的关键组成。

震荡信号是一种周期性的规律方波信号，其周期的长短也就是处理器的时钟周期大小。

同时，该处理器的时钟周期也是执行一句代码所耗的最短时间。

振荡器的频率越大越高，那么对应的输入信号的周期就越小，执行命令所耗的时间成本就越小。

但是，在用处理器的系统当中，虽然其处理四度快慢和时钟电路当中振荡器的振荡周期有关，但是并非对应的频率越高越好。

若振荡的频率持续升高，这系统的对抗干扰的能力就会降低。

所以在进行处理器时钟电路设计的时候，不可以直接选择高频的时钟源。

图3.2STC89C52RC型号的单片机时钟电路示意图

3.1.2STC89C52RC单片机复位电路

这部分介绍复位电路，这是一个功能型电路。

它的功能是如果复位电路开始运转，那么整个体系都能在软件当中回复到最初的状态，所以，复位电路在整个系统当中是必须存在的。

在涉及到单片机的最小系统电路中，经常看到的是上电复位电路和按钮复位电路。

前者能够为最小系统电路在电源输入的时候把程序进行初始化，这时，能够支持软件操作的处理器就能够在系统刚刚开始运转的时候就进行程序的初始化操作。

而后者按钮复位电路是通过控制对应的按钮来操控复位的操作。

涉及到的背后原理是电子系统在通电之后并且开始工作了的时刻，再进行的复位操作。

比如台式计算机的按钮重置就是类似的复位操作。

对于一个电子系统而言，按钮复位电路必须存在，功能模块可通过上电复位电路来做到，若是处理器的最小系统没有对上电复位进行设计，那么还可以通过在电子系统断电重新连接之后，借助按钮复位来进行实现。

图3.3STC89C52RC单片机复位电路的示意图

如上图所示，是STC89C52RC单片机复位电路的示意图，其中我们可以看到，电路是由一个10K色环电阻以及一个10uF电解电容构成的。

当开始通电，因为电容器充电，微控制器9号引脚的RST拉下。

所以，整个系统会在通电的时刻借助复位电路向处理器传递复位信号，如果充电结束了，处理器的9号引脚RST引脚变为电平变高了。

这时候，处理器就停止了复位信号传递，也就是代表着复位结束。

上电复位电路是通过电阻和电容组成的。

3.2DS18B20温度传感器电路

此次实验中的温度传感器是DS18B20，它是数字传感器，其本身就做到了实现繁杂的驱动电路设计，其中包含了模数转换电路的设计。

在使用过程中，只要单片机可以通过传感器的通用协议作查询的命令，那么就能够获得传感器传递到的关于温度的信息。

如图3.4，我们可以看到在单片机基础上的语音测温系统的DS18B20示意图。

电源是使用的单片机的5V电源。

单片机的P1.1引脚和传感器的数据收发相互连接，电阻通过把数据引脚DQ拉到电源VCC,能够保障数据的稳定传递。

图3.4DS18B20温度传感器电路示意图

3.3TTS中文文字转语音电路

播放语音部分是使用的TTS中文文本语音部分，其详细的模块模型是CN-TTS。

因为未获取到制造商的内部电路图，所以暂时不能够对内部结构进行剖析。

如下图3.5，是此次实验中TTS中文文本到语音电路的设计方案。

该模块和处理器借助TTL的串口进行交叉联接，从而达到了串行数据进行通信的功能。

所以，为了做到对数据的异步传输，需要STC89C52RC单片机和单片机把两个通信引脚进行反向的连接。

同时，因为TTS中文文本到语音部分使用的和STC89C52RC单片机所用电源都是5伏特的直流电，那么只用把单片机的引脚GND和VCC和模块电路的对应的引脚连接上就可以能够对TTS中文文本到语音电路进行通电。

而且，工作所需要的电源就是5伏特的直流电，所以在单片机系统中的电源就能够直接用，不用单独对电源电路进行设计。

TTS中文文本到语音电路的在通电了以后，初始化就会自行结束。

接下来，只要根据单片机规定的通信协议传递对应的数据信息，那么就能够完成输出模拟信号。

之后会传递到扬声器，从而会转化成人耳听到的语音，以上就是机器语音即时进行温度信息播报的功能。

图3.5TTS中文文字转语音电路示意图

3.4LCD1602液晶显示电路

此次实验使用的显示部件是LCD1602。

该部件在电子系统当中非常常见，成本低，是单色液晶显示。

其供电电源要求不高，是3.3V-5V，可以会使用并联控制的方式来进行奥做，若是处于并行状况，显示器和外部的处理器硬件会由若干个通信的接口，同时还需要用到十余个引脚来驱动。

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