具有语音功能的温度检测与报警系统的设计Word格式.docx
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毕业设计阶段性工作及成果
时间安排
1
2
3
4
消化资料，开题报告
通道功能相关软件；
语音识别相关软件
系统完善；
论文与答辩准备
1~2周
3~6周
7~10周
11~13周
注：
上述各项均可增加附页
毕业设计（论文）
题目具有语音功能的温度检测与报警系统的设计
副标题
性质：
毕业设计毕业论文
学生姓名田立金
年级0004
系别自动化系
专业电气技术教育
指导教师邴志刚
评定成绩优良中及格不及格
作者：
田立金
[摘要]
简介了温度检测的广泛应用价值，以及多媒体技术，尤其是语音合成与识别技术，用于温度检测系统的意义。
在一般部件选择原则的基础上，具体对控制器、传感器、显示部件等进行了合理选择，并详细介绍了SPCE061A单片机的功能特点，以及数字化温度传感器DS18B20的特性以及使用方法。
利用DS18B20作为温度传感器，SPCE061A单片机作为主控制器，实现了温度检测与报警系统的总体设计，并具体实现了整个系统硬件和软件系统的设计、调试和测试。
最后给出了系统功能可以继续完善的一些基本思路。
系统在实验室环境下实际运行和相关测试，结果表明：
该系统稳定性好、精度高，达到了预期的性能指标要求。
[关键词]单片机语音技术温度检测传感器
DesignofAtemperaturecheck-upandalarmsystemwithvoicefunction
TianLijin
[Abstract]
Theextensiveapplicationvalueoftemperaturemeasurementisintroduced.Multi-mediatechniques,especiallyspeechtechniquecanimprovethefunctionsoftemperaturemeasurement.Onthebaseofgeneralprinciplesofcomponentschoosing,choosingofthemaincomponents,includingcontroller,sensor,displayetc.,arediscussed.Akindofspecialsingle-shipcomputer,SPCE061A,isintroduced,andtheusingmethodofDS18B20,whichisakindofdigitizedtemperaturesensor,isillustrated.UsingDS18B20asthesensor，andSPCE061Aasthecontroller,thetemperaturemeasurementandalarmsystemisrealized.Thehardwareandthesoftwareofsystemaredebuggedandrealizedtinthelabenvironment.Someideasoffuturework,whichmaymakethesystemmoreperfect,arediscussed.Thesystemworkswellinthelabwithhighstabilityandprecision，andcanreachtheperformancethatexpected.
[Keywords]MicrocontrollerVoicetechnologyTemperaturecheck-upSensor
第一章概述
1.1温度检测的广泛应用和意义
温度是在多种多样的应用中都必须监测和控制的关键参数。
不仅是在冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各类工业中，及时准确地得到温度信息并对其进行适时地控制，是重要的环节；
就是在农业生产和日常生活中，温度也是必须得到准确监测和控制的关键参数。
多种多样的温度检测就存在人们的日常生活中，如人计算机（PC），移动电话，家用电器，汽车，医用设备和游戏控制台等等，都有不同的温度检测与控制系统。
1.2多媒体功能用于温度检测与报警系统的意义
多媒体涉及声音、图像、视频等与人类社会息息相关的信息处理，具有实时性、交互性、控制性、集成性、高质性等特点。
因此它的应用领域极其广泛，渗透到了计算机应用的各个领域。
不仅如此，随着多媒体技术的发展，一些新的应用领域正在开拓，前景十分广阔。
把多媒体引入嵌入式系统正是它应用的一个方面，也会给嵌入式系统发展带来一片新的天地。
在多媒体技术、自动化技术发展水平如此高的今天，将多媒体技术用于温度检测与控制，将使其变得轻松、简单，并可以使操作者乐于操作。
同时也是由于具有简单和多媒体的特点，可以使得一些特殊的人群，如盲人、聋哑人、儿童、老人、等也可以方便地进行温度检测与控制。
尤其是语音技术，将其用于温度检测与控制，不仅增加了系统的自动化性，而且可以使其具有一定的智能，使操作变得简单，方便，易于实现对温度的各种控制，具有广泛的应用领域和良好的市场前景。
1.3本设计的主要工作
本设计的主要工作是要设计一个温度检测系统。
具体指标和功能要求如下：
（1）完成整个系统硬件和软件系统的设计、调试和测试；
（2）测量范围为0～99℃，精度
1℃；
（3）温度上限自动报警；
（4）特定人语音识别报告温度值；
（5）显示器件显示温度值；
（6）系统稳定性好、精度高，结构简单，维修方便。
第二章系统总体设计与实现
2.1主控制器的选择与介绍
2.1.1主控制器的选择
进行温度控制有多种方法，但由于既要降低成本，又要保证质量，提高可靠性、方便性，决定采用单片机进行温度控制。
2.1.1.1单片机选型的一般原则
单片机（MCU）的选型可参考以下原则：
（1）高可靠性原则
工业级MCU能满足绝大多数场合，特殊场合可选用军用品；
知名品牌MCU供应商的MCU一般都有较好的可靠性保证。
（2）合适的位数和功能
要根据计算量的大小和系统对实时性的要求。
在大多数场合中，8位机都能很好满足系统要求。
尽量选用片内资源够用的MCU，使产品尽量接近“单片化”；
还要遵循够用、留有适当富裕量的原则。
（3）选用主流技术、机型
要结合开发者的技术储备、现有的开发装置、库存和供货渠道等多种因素，尽量选择主流机型。
选择主流机型有很多可借鉴的经验，同时它的仿真器支持应该使很完善的，开发性价比高。
（4）频率选择就低的原则
大多数嵌入式应用对象有响应时间要求，但频率不是越高越好，还是要遵循够用就低的原则，因为过高频率可能造成不必要的干扰。
（5）选用主流技术、机型
在小型和便携式产品中要考虑采用小体积、微功耗MCU。
2.1.1.2本系统的具体选择
由于本设计的主要任务是将语音功能用于温度检测与报警系统。
故可以有以下两种方案进行选择：
方案一：
采用由单片机组成的语音识别专用IC。
它以8位或16位机为计算核心，外加A/D转换、D/A转换及存储器。
由于单片机的运算能力有限，因而其识别算法不可能复杂，精度也低，故一般识别率不会太高。
典型芯片是1996年美国Sensory公司生产的RSC-146。
方案二：
采用语音识别系统级芯片SoC（SystemonCircuit）。
它将MCU、DSP、A/D、D/A、RAM、ROM以及预放、功放等电路集成在一个芯片上，只要加上极少的电源供电等单元，就可以实现语音识别、语音合成以及语音回放等功能。
这是最近两年出现的最先进的语音识别芯片，其性能价格比较高，功耗省。
较具代表性的是Sensory公司生产的RSC-364及Infineon公司生产的UniSpeeh-SDA80D51，和凌阳公司生产的SPCE061A单片机。
可以看到，采用系统级芯片SOC，不仅有较高的语音识别率，增加了系统的可靠性，能够满足本设计的要求；
而且其外围电路简单，缩短了设计周期，电路简单也是可靠性设计的一个要求。
由于凌阳公司生产的SPCE061A单片机已是语音识别的主流产品，并且其开发环境简单，价格低，所以本系统采用SPCE061A单片机作为主控制机。
2.1.2SPCE061A单片机简介
2.1.2.1凌阳单片机概述
随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、
数据处理以及数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）等领域。
凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。
它的CPU内核采用凌阳最新推出的μ´
nSP™（MicrocontrollerandSignalProcessor）16位微处理器芯片（以下简称μ´
nSP™）。
围绕μ´
nSP™所形成的16位μ´
nSP™系列单片机（以下简称μ´
nSP™家族）采用的是模块式集成结构，它以μ´
nSP™内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件，如图2-1所示。
图2-1μ´
nSP™家族的模块式结构图
μ´
nSP™内核是一个通用的核结构。
除此之外的其他功能模块均为可选结构，即这种结构可大可小或可有可无。
借助这种通用结构附加可选结构的积木式构成，便可形成各种不同系列的派生产品，以适应不同的应用场合，SPCE061A便是其中一种。
2.1.2.2结构概览
SPCE061A的结构如图2-2所示。
图2-2SPCE061A的结构
凌阳的SPCE061A是16位结构的微控制器，具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点；
具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达到49M，具备运算速度高的优势等等，这些都无疑为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。
凌阳SPCE061A单片机数字语音识别应用领域的一种较经济选择。
2.1.2.3主要性能
（1）内核采用16位μ´
nSP™微处理器；
（2）工作电压：
VDD为2.4～3.6V（CPU），VDDH为2.4～5.5V（I/O）；
（3）CPU时钟：
32768Hz～49.152MHz；
（4）内置2K字SRAM；
（5）内置32K闪存FLASH；
（6）可编程音频处理功能；
（7）32位通用可编程输入/输出端口；
（8）32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
（9）2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；
（10）2个10位DAC（数-模转换）输出通道；
（11）7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道语音模-数转换器；
（12）声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制（AGC）功能；
（13）系统处于备用状态下（时钟处于停止状态）耗电小于********；
（14）具备触键唤醒的功能；
（15）14个中断源：
定时器A/B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等；
（16）具备异步、同步串行设备接口；
（17）具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；
（18）内置在线仿真电路接口ICE（In-CircuitEmulator）；
（19）具有保密能力；
（20）具有WatchDog功能。
2.2温度传感器的选择与介绍
2.2.1温度传感器的选择
2.2.1.1选择温度传感器应考虑的主要问题
通常要求传感器能够快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换。
具体而言，选择传感器时应该考虑的因素主要有：
（1）具有很好的信号选择能力，以便从干扰的信号中提取有用信号；
（2）具有足够大的工作范围和量程，且有一定的过载能力；
（3）输出信号与被测输入信号成确定关系（希望为线性），且灵敏度高，与测量或控制系统匹配性好；
（4）传感器本身是测量用的特殊系统，应该具有满足测量要求的静态响应和动态响应，即必须有足够快的反应速度、较高的稳定性（如时漂、温漂小）和准确性，而且工作可靠性高；
（5）适用性和适应性强，即传感器动作能量小，对被测对象的状态影响小，以防止破坏被测对象的正常工作状态，内部噪声小又不易受外界干扰，使用安全等；
（6）使用经济，成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。
实际使用中，应根据测量目的、使用环境、被测对象状况、准确度要求和信号处理等具体条件做全面综合考虑，不应片面追求某些方面的高指标。
2.2.1.2几种常用温度传感器及其主要性能特点
人们已经开发出许多不同的测量技术以满足实际应用对各种技术和成本的要求，这些测量技术包括热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）、红外（IR）测温、热电偶以及许多最新推出的集成电路（IC）温度传感器。
（1）热敏电阻：
热敏电阻是利用半导体的电阻随温度变化较显著的特点制成的一种热敏元件。
主要特点是灵敏度高、体积小、热惯性小、价格低廉、寿命长；
主要缺点是其阻值与温度变化呈非线性关系，测量范围较窄（-100~300℃），且元件的稳定性和互换性差。
广泛用于点温度、表面温度、温差和温度场的测量。
（2）电阻温度检测器（RTD）：
又叫热电阻，主要由电阻体、保护套管和接线盒等组成，通常是将电阻丝以双线绕制的形式绕在石英、云母或塑料骨架上，结构复杂、体积较大。
热电阻测量精度高，适合测量较低温度；
工业上广泛应用铂电阻和铜电阻测量温度。
（3）红外（IR）测温：
技术含量高、价格贵、应用于工业医用等特殊场合、比如车站入口检测乘客体温。
（4）热电偶：
其下又分若干种类，但总的特点是：
测量温度范围最高可测1800℃，最低可测-200℃；
稳定性好；
主要用于温度变化范围宽的特殊环境中。
（5）集成电路（IC）温度传感器：
适合于-55℃～150℃温度范围内的应用，测量范围比热电偶和RTD的测量范围小一些，但是它们有小封装、高精度和低价格等特点，并且容易与其它器件连接，例如，放大器、稳压器、数字信号处理器（DSP）和微控制器（MCU）。
IC温度传感器有两种主要类型——模拟温度传感器和数字温度传感器。
模拟温度传感器的输出是一个与温度成比例的电压或者电流信号。
数字温度传感器的输出不是以电流或电压形式而是将其转换为1或0形式的数字量，因此，数字输出温度传感器特别适合于连接到一个MCU。
2.2.1.3本系统的具体选择
本系统的要求是能完成0~99℃范围内的温度检测，精度为
1℃。
考虑到传感器、数据处理和执行器件各部分的误差匹配，各部分的误差不应超过
℃，同时兼顾其他方面的设计要求，决定采用Dallas公司的数字温度传感器DS18B20。
温度传感器DS18B20和SPCE061A单片机都具有A/D转换功能，SPCE061A内置8通道10位A/D转换器，而DS18B20可以完成最高12位的A/D转换，本系统采用温度传感器DS18B20完成A/D转换，这也是提高精度，减小误差的一个重要措施。
2.2.2DS18B20介绍
2.2.2.1DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构如图2-3所示，主要由4部分组成：
64位ROM、温度传感器、温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
图2-3DS18B20内部结构
ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。
64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。
ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
2.2.2.2DS18B20的分辨率
Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
其结构简单，并可以由用户设定报警限，为测量系统的构建引入全新概念。
DS18B20是DS1820的更新产品，功能和测温精度提高，已经成为DS1820的替代品，在温度检测范围内得到广泛的运用。
与DS1820相比，主要具有更宽的测温范围，同时增加了程序设置寄存器，用来设置分辨率的位数，具体情况如表2-1所示：
表2-1DS18B20的程序设置寄存器
TM
R1
R0
TM是测试模式位，为1表示测试模式，为0表示工作模式，出厂时该位设置为0，且不可改变。
温度分辨率由RO，R1位决定，OOH表示9位；
O1H表示10位；
10H表示11位；
11H表示12位。
DS18B20具有64位ROM编码。
从高位算起，该ROM有1byte的CRC校验码，6byte的产品序号和1byte的家族代码。
温度数据寄存器由2个字节组成。
对于DS1820与DS18B20来说，字节的各位代表的意义或温度值不一样，DS1820分辨率为0.5℃，DS18B20对于12位的分辨率为2
℃。
2.2.2.3DS18B20的应用
DSl8B20常见的封装形式有2种，如图2-4所示。
DQ为数字信号输入／输出端；
GND为电源地；
VDD为外接供电电源输入端。
DS18B20的供电模式有2种，即寄生电源模式和外电源供电模式。
对于DS18B20的操作遵循严格的时序操作，由于一线总线的技术的采用，对DS18B20的操作通常有以下几个步骤：
初始化、匹配ROM，读取RAM.数据交换命令。
图2-4DS18B20封装
总线上所有挂接的DS18B20在进行其他的操作之前要进行复位操作，即主机对DS18B20相连的口线激发一个低电平，并且保持480~960μs，如果复位操作正常，在15~60μs之后DS18B20会返回一个应答脉冲，将会保持60~240μs，其时序如图2-5所示。
图2-5时序图
单片机确认总线上存在DS18B20后，就会进行ROM的操作，操作的具体命令格式如表2-2所示。
表2-2ROM操作命令
读ROM命令〔33H〕
读总线上DS18B20的序列号
匹配ROM命令（55H）
对总线上DS18B20寻址
跳过ROM命令（CCH）
该命令执行后，将省去每次与ROM有关的操作
搜索ROM命令（FOH）
控制机识别总线上多个器件的DS18B20
编码报警搜索命令（ECH）
控制机搜索有报警的器件
单片机完成表2-2命令之后进行RAM的操作，操作的具体命令格式如表2-3所示。
表2-3RAM操作命令
温度变换命令（44H）
启动温度变换
读存储器命令（E8H）
从DS18B20读出5byte数据（其中有温度值、报警值等）
写存储器命令（4EH）
写上下限值到DS18B20中
复制存储器命令（48H）
将DS18B20存储器中的值写入EEPROM中
读EEPROM命令（B8H）
将DS18B20中的值写入存储器中
读供电方式命令（B4H）
检测DS18B20的供电方式
单片机对DS18B20进行写数据时，也就是向DS18B20发送各种命令，会先将数据总线置为低电平，并维持在1μs以上，然后根据写“1”还是写“0”将数据总线拉高或继续保持低电平；
读数据时，主机先将数据总线置为低电平，然后释放，DS18B20在数据线变为低电平15μs内，将数据发送到数据总线上，主机可以在15μs后进行读取。
写“0”、写“1”、读数据的时序分别如图2-5c、图2-5b、图2-5d。
两次数据读、写之间的时间间隔应大于1μs。
DS18B20的操作时序是使用其关键所在。
2.3显示部件的选择与介绍
2.3.1显示部件的选择
在单片机应用系统中、常用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。
这两种显示器具有耗电低、配置灵活、线路简单、安装方便、耐震动、寿命长等优点。
因为数码显示器应用较广泛，且价格低廉、结构简单，因而本系统选用LED显示。
LED显示器是由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。
数码管通常有共阴极和共阳极两种接法，本系统采用共阴极接法。
共阴极数码管的发光二极管阴极必须接低电平，当某发光二极管的阳极为高电平（一般为5伏）时，此二极管点亮。
显然，要显示某字形就应使此字形的相应字段点亮，实际就是送一个不同电平组合代表的数据至数码管，本系统的数据就是温度值。
LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。
静态显示电路在位数较多时，字符的更新速度慢，电路比较复杂，成本也较高。
动态扫描方式显示接口虽然硬件简单，但在使用时必须反复循环显示，若CPU需要做其他操作，只能插入循环程序中，这就降低了CPU的工作效率。
由于本系统的位数较少，考虑到显示的清晰和编程的方便，本系统采用静态显示。
其电路图如图2-6所示。
图2-6静态显示电路接线图
2.3.2显示部件的介绍
数码管工作在静态显示方式下，共阴极点连接在一起接地。
每位的段选信线与一个8位并行口相连。
只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。
这里的8位并行口可以直接采用并行I/O接口端，也可以采用串行输入/并行输出的移位寄存器。
考虑到采用并行I/O接口占用I/O资源较多，因而静态显示方式常采用串行口输出，外接74LS164移位寄存器构成显示电路。
显然，要显示某温度值，首先要把这个值转化为相应的字形码，然后再通过串行口发送到74LS164，74LS164把串行口接受到的数变为并行输出加到数码管上。
2.4硬件系统总体设计
系统以凌阳公司的61板为平台，以SPCE061A单片机为主机，以DS18B20作为测温元件，用数码管显示组成的温度检测电路。
系统的硬件电路连接示意图如图2-7所示。
图2-7系统的硬件电路连接示意图
SPCE061A与DS18B20的连接时，只要将DS18B20的数据信号线接到SPCE061A的1条I/O口线上，然后通过相应的软件设计，即可完成数据的采集、传输。
DS18B20采用外部电源供电模式，配有键盘输人电路、数码管显示电路。
电路连接示意图如图2-8所示。
在系统开始工作之前，首先按下K1键进行语音训练，在听到提示音后，等待2秒开始训练，每条命令只有1.3秒，也就是说，当训练命令超出1.3秒时，只有前1
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