摘要：針對水銀溫度計不便讀數(shù)、響應(yīng)速度慢、在普通家庭中使用面狹窄的特點(diǎn)，提出了數(shù)碼語音溫度計的設(shè)計方案。選擇不銹鋼封裝的DS18B20作溫度傳感器、ISD1720進(jìn)行語音錄放、STC89C52單片機(jī)進(jìn)行溫度信號采集、數(shù)據(jù)處理和語音回放控制，構(gòu)建了實(shí)際的電路系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該數(shù)碼語音溫度計測量范圍為0～99．9℃，顯示分辨率為0．1℃，誤差不大于±0．5℃，測溫速度快，讀數(shù)方便，語音清晰，語音播報間隔時間可調(diào)，可廣泛應(yīng)用于家庭或需要溫度語音提示的場合。
關(guān)鍵詞：數(shù)碼語音溫度計；溫度傳感器；溫度信號采集；數(shù)據(jù)處理

0 引言
    溫度測量在人們的日常生活中扮演著重要的角色，當(dāng)人們感到身體不適時，通常需要測量體溫；家中的嬰兒或病人吃的流質(zhì)食物，給嬰兒準(zhǔn)備的洗澡水等，都需要事先感測溫度，溫度過高或過低都會對病人或嬰兒造成危害。目前便宜的體溫計在家中廣泛使用，但其通常只用于測量體溫，量程小、最大42℃；讀數(shù)不方便，特別是老年人視力不好，不容易讀準(zhǔn)確；在測量體溫以外的情況下不便使用，并且破損后水銀泄漏對身體會造成危害等，一些國家已開始禁止銷售水銀溫度計；非接觸式的紅外測溫儀雖然方便使用，但價格昂貴。文獻(xiàn)介紹了一種用于工業(yè)應(yīng)用的數(shù)字溫度計設(shè)計方法，文獻(xiàn)分別介紹了采用具有語音處理功能的單片機(jī)和語音芯片設(shè)計溫度計的方法，但是在儀器的小型化、
使用方便性以及成本等因數(shù)影響下，在一般家庭不容易推廣，并且其核心技術(shù)也沒有公開。因此，研制一種使用方便、既能數(shù)碼顯示又能語音提示，價格便宜，應(yīng)用場合廣泛，特別適合家庭使用的溫度測量儀器，具有重要的實(shí)用價值。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計
1．1 系統(tǒng)的工作原理
    單片機(jī)對溫度傳感器的信號進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)通過處理后一方面輸出給數(shù)碼管進(jìn)行顯示，另一方面輸出給語音模塊，進(jìn)行語音溫度提示，語音提示的間隔時間通過撥擋開關(guān)進(jìn)行設(shè)定，也可以關(guān)斷語音功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1．2．1溫度傳感器
    采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該產(chǎn)品采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域；由于項(xiàng)目要求能測量液體溫度、方便人體接觸等，因此采用外加不銹鋼保護(hù)管的封裝形式，具有耐磨耐碰、防水等功能。DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通信，可測溫范圍：-55～+125℃，可編程為9～12位A／D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0．062 5℃。被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路；連接電路如圖2所示：

    圖2中傳感器的2腳與單片機(jī)的輸入／輸出(I／O)腳連接，進(jìn)行雙方通信，采用4．7 kΩ的電阻上拉。由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，系統(tǒng)對它的各項(xiàng)操作必須嚴(yán)格按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖)→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)，各項(xiàng)操作都有嚴(yán)格的時序要求。[!--empirenews.page--]
1．2．2 單片機(jī)
    采用與MCS51兼容的
STC89C52，具有8K字節(jié)的在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，其MOSI、MISO、REST、SCK等引腳通過鎖存后與計算機(jī)的并口連接，就可實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部的Flash存儲器編程，內(nèi)含512 B的RAM，32個可編程I／O口線，3個16位的定時／計數(shù)器等特點(diǎn)，可以為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，非常適合本項(xiàng)目的應(yīng)用。
1．2．3 語音模塊
    采用美國華幫公司生產(chǎn)的高集成度、高性能的ISD1720語音錄放芯片，采樣率在4～12 kHz之間調(diào)節(jié)，根據(jù)采樣頻率的不同，可以錄存12～36 s的語音信息，語音信息在該芯片內(nèi)部的固態(tài)多級存儲陣列里按行存放，可以通過指令中的11位地址精確尋址；該芯片集語音處理和存儲于一體，具有重復(fù)自開發(fā)，掉電信息保存，可工作于獨(dú)立按鍵模式和SPI控制模式，錄放結(jié)束自動進(jìn)入低功耗狀態(tài)，可直接麥克風(fēng)輸入或模擬通道輸入，也可喇叭直接輸出，芯片工作電壓2．4～5．5 V之間，可以多段錄音，其基本存儲單元入口地址范圍是0X010～0X09F。應(yīng)用電路如圖3所示。根據(jù)需要，將錄制的語音分成13個段，即“零～十、點(diǎn)、度”，如37．5度，播報為“三、十、七、點(diǎn)、五、度”，每段語音的錄制時間約為1．35 s，由于錄制時間不易精確掌握，用手動控制的方式對13段語音進(jìn)行錄制，然后手動檢查每段語音錄制效果，如圖3所示，閉合S4進(jìn)行語音信息錄制、松開即錄制結(jié)束，語音信息通過MIC錄入，觸發(fā)S5鍵進(jìn)行播放，檢查當(dāng)前錄制信息段的效果，在錄制或者播放的過程中，可以通過LED的閃爍來了解操作的進(jìn)程；如果某段語音錄制效果不理想，必須及時刪除，因?yàn)樵谑謩涌刂品绞较?，刪除操作只對開始一段和最末一段信息有效；錄制完成后，還必須檢查每段信息在器件的存儲體系中是否是按環(huán)形結(jié)構(gòu)存儲的，這可以通過閉合S5并保持來實(shí)現(xiàn)，此時，器件將按順序不停的播放當(dāng)前信息段與其前一信息段之間的所有信息段，通過反復(fù)錄制，直到滿意為止；當(dāng)然，也可以采用商業(yè)的錄制設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。
    由該芯片內(nèi)部的語音存放地址范圍可知，每段語音存放約11行，為了準(zhǔn)確知道每段語音的入口地址和結(jié)束地址，可以利用單片機(jī)檢查。  ISD1720提供了4線(SCLK，MOSI，MISO，SS)SPI接口與單片機(jī)連接，由于二者的SPI時序不易協(xié)調(diào)，系統(tǒng)采用了單片機(jī)的P1．1，P1.2，P1.3，P1．4口模擬SPI時序?qū)SD1720進(jìn)行控制。具體操作時，器件初始化完成后，發(fā)送PLAY指令，器件從當(dāng)前信息段的開始地址進(jìn)行語音回放，當(dāng)
遇到該段語音的結(jié)束標(biāo)志EOM時，回放結(jié)束，讀取記錄指針和回放指針的位置(即查閱狀態(tài)寄存器SR0和SR1)，這樣可以精確的知道每段語音的開始地址和結(jié)束地址。由于系統(tǒng)正常工作時，采用SPI模式，根據(jù)測量得到的溫度值，尋找到相應(yīng)的語音段入口，將語音信息讀出；在SPI模式下，該芯片的操作命令SETPLAY、SET_REC、SET_REASE有一個先入先出的緩存器，在相同類型的SET命令下，使得從一個存儲塊到另一個存儲塊之間可以實(shí)現(xiàn)無縫連接，使人聽起來感覺到輸出的溫度語音信號是連續(xù)的。圖3中S1是復(fù)位按鈕，S2是快進(jìn)按鈕，S3是檫除按鈕，S6是直通模式選擇按鈕，S7進(jìn)行音量調(diào)節(jié)；以上開關(guān)按鈕都是低電平有效；R4是語音采樣頻率的選擇電阻，當(dāng)其為80 kΩ時，語音錄制的采樣頻率為8 kHz；當(dāng)不使用語音播報功能時，可以將SW開關(guān)斷開，同時語音播報的時問間隔通過單片機(jī)電路中的1個三位的撥碼開關(guān)選擇，可以設(shè)置
8個檔位，每個檔位的時間參數(shù)由程序控制。

1．2．4 顯示和電源模塊
    采用3位LED數(shù)碼顯示，保留一位小數(shù)，輸出方式采用動態(tài)掃描形式，選擇單片機(jī)的兩個端口經(jīng)過驅(qū)動器后作為LED的字段線和字位線，減少輸出的總電流；為了便攜式應(yīng)用，電源采用九伏電池供電，通過LM7805降壓為5 V供系統(tǒng)各模塊使用。布線和制作PCB板時，特別要注意地線的處理，要求數(shù)字地、模擬地、以及揚(yáng)聲器的地都要單獨(dú)走線，最后與電源地連接。

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1．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

    系統(tǒng)初始化后，復(fù)位溫度傳感器，啟動溫度轉(zhuǎn)換，讀取溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，當(dāng)溫度處于快速變化過程中時，系統(tǒng)不停的進(jìn)行溫度信號的采集和顯示，判斷語音播報的間隔時間是否來到，當(dāng)滿足要求時，根據(jù)測得的當(dāng)前溫度值，取出其十位、個位和小數(shù)位的值，然后查表得其相應(yīng)的語音信號入口地址，復(fù)位語音芯片，發(fā)上電指令并延時約25 ms，判斷是否已正常上電，正常上電后，要清除中斷標(biāo)志，判斷器件是否已準(zhǔn)備好接收下一條指令，當(dāng)準(zhǔn)備好后，發(fā)送第一段信息的放音指令，然后檢查狀態(tài)寄存器，判斷器件是否正常執(zhí)行剛發(fā)送的指令，正
常執(zhí)行后，又判斷器件是否已準(zhǔn)備好接收下一條指令，只有等到器件已準(zhǔn)備好后，才能向器件發(fā)送下一條指令，否則，就可能造成指令的丟失。程序考慮了器件內(nèi)部的FIFO緩沖器，使N段語音信號就像一段語音一樣進(jìn)行播放，每段語音之間幾乎沒有死區(qū)時間間隔。當(dāng)語音播報完成后，語音芯片失電，完成一次語音播報，程序回到系統(tǒng)的開始處，準(zhǔn)備下一個溫度采集、處理、顯示和語音輸出過程，如此不斷循環(huán)往復(fù)。

2 結(jié)語
    采用語音提示和數(shù)碼顯示的方式設(shè)計的數(shù)碼語音溫度計，精確度高、測溫速度快；應(yīng)用場合廣泛，既可測量體溫，也可測量食物、水等物質(zhì)的溫度，量程大；操作使用方便，不僅適合普通家庭也適合某些需要語音提示的工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)用。