引言
由于現(xiàn)代醫(yī)學發(fā)展的需要，在某些場合傳統(tǒng)的溫度計已經(jīng)滿足不了快速而又準確的測溫要求。而紅外測溫技術打破了傳統(tǒng)測溫模式，兼具響應速度快、測量精度高、測量范圍廣等特點，為測量人體體溫提供了一種快捷、非接觸的測量手段，廣泛應用于密集人群的體溫排查，例如在車站和機場等人口密度較大的地方進行人體溫度檢測。此外，紅外測溫在諸如機車軸溫巡檢等類似需要非接觸測溫的工業(yè)領域也有著良好的應用前景。本文給出一種基于紅外測溫模塊及TTS語音模塊的語音播報非接觸式紅外測溫計設計方案。
硬件系統(tǒng)設計
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
非接觸式語音紅外數(shù)字測溫計硬件電路主要包括單片機控制模塊、紅外測溫模塊、語音合成模塊、LCD顯示模塊，按鍵模塊、電源模塊等。圖1為該測溫計的總體設計框圖。
圖1 非接觸式語音紅外數(shù)字測溫計總體設計框圖
系統(tǒng)硬件部分由AT89C51單片機芯片、臺灣陵陽TN1紅外測溫模塊、科大訊飛XF-S4240嵌入式中文語音合成模塊、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。單片機作為主控芯片，通過串行接口控制紅外測溫模塊完成被測溫度及環(huán)境溫度信息的獲取。測得的溫度值首先通過液晶屏顯示，同時使用SPI接口發(fā)送到XF-S4240模塊實施語音合成，再經(jīng)LM386實現(xiàn)音頻信號放大后推動喇叭發(fā)音;LDO芯片AMS1117則用于實現(xiàn)4.2V→3.3V的電源變換，為XF-S4240及TN1提供所需的工作電源。
紅外測溫模塊及其電路設計
紅外測溫原理
紅外線普遍存在于自然界中，任何溫度高于絕對零度的物體都在輻射紅外線。物體表面的溫度越高，紅外熱輻射的功率越大。紅外測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。
紅外測溫傳感器輸出與 對應的電壓V,則根據(jù)式(1)即可獲得溫度T.
TN1紅外測溫模塊簡介
TN1紅外溫度傳感器由臺灣陵陽公司生產(chǎn)，量程范圍可達-33℃~220℃，測溫距離可達30m,其外觀如圖3所示。為方便與MCU通訊，TN1提供了標準的SPI接口，其輸出數(shù)據(jù)幀包括5個字節(jié)。各字節(jié)具體含義如表1所示。
紅外測溫硬件電路設計
如圖2所示，TN1與單片機通過SPI接口通訊，使用單片機的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 非接觸式語音紅外數(shù)字測溫計硬件設計圖
XF-S4240語音合成模塊及其電路設計
XF-S4240語音合成模塊簡介
語音合成技術，簡稱TTS(Text To Speech)技術，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。語音合成技術在國內(nèi)外發(fā)展迅速，在我國，語音合成技術的研究也已逐步從理論向研制開發(fā)方面發(fā)展，其應用領域十分廣泛，技術也日趨成熟。目前，在嵌入式應用領域，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)中選用的語音合成模塊為科大訊飛的XF-S4240嵌入式中文語音合成模塊。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)語速、語調(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)的最大長度為1K字節(jié)。
串口通訊模式：波特率：9600bps(默認值)，起始位：1bit,數(shù)據(jù)位：8bits,停止位：1bit,校驗：無。
SPI通訊模式：采用4線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，則可同時掛接多個設備。[!--empirenews.page--]
I2C通訊模式：采用標準I2C總線接口，工作在Slave方式，在I2C總線上也可同時掛接多個設備。
XF-S4240控制命令
XF-S4240提供了多種語音合成控制命令，如：合成命令、停止合成命令、暫停合成命令、恢復合成命令;通過狀態(tài)查詢命令可查詢當前模塊的工作狀態(tài);而休眠命令則可置模塊于休眠方式以降低功耗。針對上位機發(fā)出的不同控制命令幀，XF-S4240模塊會向上位機回送單字節(jié)的反饋信息。此外，通過模塊輸出引腳RDY/BSY的電平變化，借助硬件電路也可識別模塊當前的工作狀態(tài)。
語音合成電路設計
語音合成系統(tǒng)設計如圖2所示。語音模塊借助SPI接口與單片機連接，由硬件RDY引腳指示模塊的工作狀態(tài)，與單片機的INT1引腳相連。當該引腳處于低電平時，表明板卡處于空閑狀態(tài)，可接收進一步的命令。音頻功放電路則采用LM368音頻放大器，輸出端可直接驅(qū)動揚聲器。
圖3 TN1外觀圖
其它模塊電路設計
LCD顯示電路
本設計中使用一片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溫度、環(huán)境溫度的顯示功能，參見圖2.
按鍵接口電路
本設計中使用若干按鍵作為系統(tǒng)操作的輸入接口，可供用戶選擇相關信息進行顯示或設置儀表內(nèi)部標定參數(shù)，參見圖2.
電源處理電路
本設計中電源使用4.2V鋰電池供電，以方便便攜式應用。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)設計
系統(tǒng)主程序框圖參見圖4.程序首先對單片機各IO端口、中斷系統(tǒng)、定時器等外部設備進行初始化，隨后進入工作循環(huán)。依次周期性更新被測溫度及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，之后更新LCD顯示，并將相關信息送TTS模塊以語音方式播報，其后讀取用戶按鍵信息并作相應處理。
語音合成程序的框圖則如圖5所示。單片機首先判別語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)、語音合成命令碼、語音合成格式控制碼及待合成文本，語音模塊將隨后依所設命令完成TTS轉(zhuǎn)換。
圖5 語音合成程序框圖
結(jié)語
本系統(tǒng)將紅外測溫模塊、智能TTS語音合成功能有機結(jié)合，為非接觸測溫及相關應用提供了一種新的模式。系統(tǒng)價格適中、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大，有著良好的實用價值。文中對系統(tǒng)各個部分的硬件電路和軟件實現(xiàn)進行了詳述。本系統(tǒng)的設計思想及技巧還可為其它相關產(chǎn)品的設計制作提供借鑒。
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