引言

由于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要，在某些場(chǎng)合傳統(tǒng)的溫度計(jì)已經(jīng)滿(mǎn)足不了快速而又準(zhǔn)確的測(cè)溫要求。而紅外測(cè)溫技術(shù)打破了傳統(tǒng)測(cè)溫模式，兼具響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)，為測(cè)量人體體溫提供了一種快捷、非接觸的測(cè)量手段，廣泛應(yīng)用于密集人群的體溫排查，例如在車(chē)站和機(jī)場(chǎng)等人口密度較大的地方進(jìn)行人體溫度檢測(cè)。此外，紅外測(cè)溫在諸如機(jī)車(chē)軸溫巡檢等類(lèi)似需要非接觸測(cè)溫的工業(yè)領(lǐng)域也有著良好的應(yīng)用前景。本文給出一種基于紅外測(cè)溫模塊及TTS語(yǔ)音模塊的語(yǔ)音播報(bào)非接觸式紅外測(cè)溫計(jì)設(shè)計(jì)方案。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

非接觸式語(yǔ)音紅外數(shù)字測(cè)溫計(jì)硬件電路主要包括單片機(jī)控制模塊、紅外測(cè)溫模塊、語(yǔ)音合成模塊、LCD顯示模塊，按鍵模塊、電源模塊等。圖1為該測(cè)溫計(jì)的總體設(shè)計(jì)框圖。

圖1 非接觸式語(yǔ)音紅外數(shù)字測(cè)溫計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)硬件部分由AT89C51單片機(jī)芯片、臺(tái)灣陵陽(yáng)TN1紅外測(cè)溫模塊、科大訊飛XF-S4240嵌入式中文語(yǔ)音合成模塊、LM386音頻放大器、放音喇叭、操作按鍵、1602字符式LCD屏、4.2V/3.3V電源變換模塊等組成。單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)串行接口控制紅外測(cè)溫模塊完成被測(cè)溫度及環(huán)境溫度信息的獲取。測(cè)得的溫度值首先通過(guò)液晶屏顯示，同時(shí)使用SPI接口發(fā)送到XF-S4240模塊實(shí)施語(yǔ)音合成，再經(jīng)LM386實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)放大后推動(dòng)喇叭發(fā)音;LDO芯片AMS1117則用于實(shí)現(xiàn)4.2V→3.3V的電源變換，為XF-S4240及TN1提供所需的工作電源。

紅外測(cè)溫模塊及其電路設(shè)計(jì)

紅外測(cè)溫原理

紅外線(xiàn)普遍存在于自然界中，任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都在輻射紅外線(xiàn)。物體表面的溫度越高，紅外熱輻射的功率越大。紅外測(cè)溫的基本原理為斯蒂芬-彼爾茲曼定律。該定律給出了物質(zhì)溫度與輻射能之間的關(guān)系為：

　　(1)

式中： 為斯蒂芬-彼爾茲曼常數(shù)，

; 材料的比輻率;溫度; 物體表面輻射的電磁波的波長(zhǎng)。

紅外測(cè)溫傳感器輸出與 對(duì)應(yīng)的電壓V,則根據(jù)式(1)即可獲得溫度T.

TN1紅外測(cè)溫模塊簡(jiǎn)介

TN1紅外溫度傳感器由臺(tái)灣陵陽(yáng)公司生產(chǎn)，量程范圍可達(dá)-33℃~220℃，測(cè)溫距離可達(dá)30m,其外觀如圖3所示。為方便與MCU通訊，TN1提供了標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，其輸出數(shù)據(jù)幀包括5個(gè)字節(jié)。各字節(jié)具體含義如表1所示。

紅外測(cè)溫硬件電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，TN1與單片機(jī)通過(guò)SPI接口通訊，使用單片機(jī)的P1.0~P1.2分別連接TN1的DATA、CLK及ACT引腳。ACT引腳用于器件選通，而DATA、CLK引腳則用于傳輸數(shù)據(jù)幀。

圖2 非接觸式語(yǔ)音紅外數(shù)字測(cè)溫計(jì)硬件設(shè)計(jì)圖

XF-S4240語(yǔ)音合成模塊及其電路設(shè)計(jì)

XF-S4240語(yǔ)音合成模塊簡(jiǎn)介

語(yǔ)音合成技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)TTS(Text To Speech)技術(shù)，用于解決如何將文字信息轉(zhuǎn)化為聲音信息，從而使得人們獲取信息的方式更加豐富和自然。語(yǔ)音合成技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速，在我國(guó)，語(yǔ)音合成技術(shù)的研究也已逐步從理論向研制開(kāi)發(fā)方面發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，技術(shù)也日趨成熟。目前，在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，最具代表性的有科大訊飛XF-S4240、XF-S4041CN及宇音天下的SYN6288.

本系統(tǒng)中選用的語(yǔ)音合成模塊為科大訊飛的XF-S4240嵌入式中文語(yǔ)音合成模塊。該模塊支持GB2312、GBK、BIG5及UNICODE四種內(nèi)碼格式的中文文本，同時(shí)提供英文字母的合成，支持男/女聲發(fā)音，并可靈活地調(diào)節(jié)語(yǔ)速、語(yǔ)調(diào)及音量。

XF-S4240通訊方式

XF-S4240支持異步串口(UART)、SPI和I2C通訊方式，允許發(fā)送數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度為1K字節(jié)。

串口通訊模式：波特率：9600bps(默認(rèn)值)，起始位：1bit,數(shù)據(jù)位：8bits,停止位：1bit,校驗(yàn)：無(wú)。

SPI通訊模式：采用4線(xiàn)全雙工同步串行通訊接口，工作在Slave方式，若SPI通訊接口使用SSEL選擇使能信號(hào)，則可同時(shí)掛接多個(gè)設(shè)備。[!--empirenews.page--]

I2C通訊模式：采用標(biāo)準(zhǔn)I2C總線(xiàn)接口，工作在Slave方式，在I2C總線(xiàn)上也可同時(shí)掛接多個(gè)設(shè)備。

XF-S4240控制命令

XF-S4240提供了多種語(yǔ)音合成控制命令，如：合成命令、停止合成命令、暫停合成命令、恢復(fù)合成命令;通過(guò)狀態(tài)查詢(xún)命令可查詢(xún)當(dāng)前模塊的工作狀態(tài);而休眠命令則可置模塊于休眠方式以降低功耗。針對(duì)上位機(jī)發(fā)出的不同控制命令幀，XF-S4240模塊會(huì)向上位機(jī)回送單字節(jié)的反饋信息。此外，通過(guò)模塊輸出引腳RDY/BSY的電平變化，借助硬件電路也可識(shí)別模塊當(dāng)前的工作狀態(tài)。

語(yǔ)音合成電路設(shè)計(jì)

語(yǔ)音合成系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。語(yǔ)音模塊借助SPI接口與單片機(jī)連接，由硬件RDY引腳指示模塊的工作狀態(tài)，與單片機(jī)的INT1引腳相連。當(dāng)該引腳處于低電平時(shí)，表明板卡處于空閑狀態(tài)，可接收進(jìn)一步的命令。音頻功放電路則采用LM368音頻放大器，輸出端可直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。

圖3 TN1外觀圖

其它模塊電路設(shè)計(jì)

LCD顯示電路

本設(shè)計(jì)中使用一片1602字符形LCD模塊作為系統(tǒng)的顯示輸出，提供操作指示及被測(cè)溫度、環(huán)境溫度的顯示功能，參見(jiàn)圖2.

按鍵接口電路

本設(shè)計(jì)中使用若干按鍵作為系統(tǒng)操作的輸入接口，可供用戶(hù)選擇相關(guān)信息進(jìn)行顯示或設(shè)置儀表內(nèi)部標(biāo)定參數(shù)，參見(jiàn)圖2.

電源處理電路

本設(shè)計(jì)中電源使用4.2V鋰電池供電，以方便便攜式應(yīng)用。因XF-S4240、TN1模塊還需采用3.3V供電，為此選用AMS1117-3.3V LDO器件實(shí)現(xiàn)電源變換，因篇幅所限，此部分電路略去。

圖4系統(tǒng)主程序框圖

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序框圖參見(jiàn)圖4.程序首先對(duì)單片機(jī)各IO端口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器等外部設(shè)備進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入工作循環(huán)。依次周期性更新被測(cè)溫度及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，之后更新LCD顯示，并將相關(guān)信息送TTS模塊以語(yǔ)音方式播報(bào)，其后讀取用戶(hù)按鍵信息并作相應(yīng)處理。

語(yǔ)音合成程序的框圖則如圖5所示。單片機(jī)首先判別語(yǔ)音合成模塊是否處于就緒狀態(tài)，若是，則依次發(fā)送幀頭、字節(jié)總數(shù)、語(yǔ)音合成命令碼、語(yǔ)音合成格式控制碼及待合成文本，語(yǔ)音模塊將隨后依所設(shè)命令完成TTS轉(zhuǎn)換。

圖5 語(yǔ)音合成程序框圖

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)將紅外測(cè)溫模塊、智能TTS語(yǔ)音合成功能有機(jī)結(jié)合，為非接觸測(cè)溫及相關(guān)應(yīng)用提供了一種新的模式。系統(tǒng)價(jià)格適中、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大，有著良好的實(shí)用價(jià)值。文中對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳述。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及技巧還可為其它相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制作提供借鑒。