基于TTS模块的语音播报红外数字测温计设计

引言

由于现代医学发展的需要，在某些场合传统的温度计已经满足不了快速而又准确的测温要求。而红外测温技术打破了传统测温模式，兼具响应速度快、测量精度高、测量范围广等特点，为测量人体体温提供了一种快捷、非接触的测量手段，广泛应用于密集人群的体温排查，例如在车站和机场等人口密度较大的地方进行人体温度检测。此外，红外测温在诸如机车轴温巡检等类似需要非接触测温的工业领域也有着良好的应用前景。本文给出一种基于红外测温模块及TTS语音模块的语音播报非接触式红外测温计设计方案。

硬件系统设计

系统总体结构

非接触式语音红外数字测温计硬件电路主要包括单片机控制模块、红外测温模块、语音合成模块、LCD显示模块，按键模块、电源模块等。图1为该测温计的总体设计框图。

图1 非接触式语音红外数字测温计总体设计框图

系统硬件部分由AT89C51单片机芯片、台湾陵阳TN1红外测温模块、科大讯飞XF-S4240嵌入式中文语音合成模块、LM386音频放大器、放音喇叭、操作按键、1602字符式LCD屏、4.2V/3.3V电源变换模块等组成。单片机作为主控芯片，通过串行接口控制红外测温模块完成被测温度及环境温度信息的获取。测得的温度值首先通过液晶屏显示，同时使用SPI接口发送到XF-S4240模块实施语音合成，再经LM386实现音频信号放大后推动喇叭发音;LDO芯片AMS1117则用于实现4.2V→3.3V的电源变换，为XF-S4240及TN1提供所需的工作电源。

红外测温模块及其电路设计

红外测温原理

红外线普遍存在于自然界中，任何温度高于绝对零度的物体都在辐射红外线。物体表面的温度越高，红外热辐射的功率越大。红外测温的基本原理为斯蒂芬-彼尔兹曼定律。该定律给出了物质温度与辐射能之间的关系为：

(1)

式中： 为斯蒂芬-彼尔兹曼常数，

; 材料的比辐率;温度; 物体表面辐射的电磁波的波长。

红外测温传感器输出与 对应的电压V,则根据式(1)即可获得温度T.

TN1红外测温模块简介

TN1红外温度传感器由台湾陵阳公司生产，量程范围可达-33℃~220℃，测温距离可达30m,其外观如图3所示。为方便与MCU通讯，TN1提供了标准的SPI接口，其输出数据帧包括5个字节。各字节具体含义如表1所示。

红外测温硬件电路设计

如图2所示，TN1与单片机通过SPI接口通讯，使用单片机的P1.0~P1.2分别连接TN1的DATA、CLK及ACT引脚。ACT引脚用于器件选通，而DATA、CLK引脚则用于传输数据帧。

图2 非接触式语音红外数字测温计硬件设计图

XF-S4240语音合成模块及其电路设计

XF-S4240语音合成模块简介

语音合成技术，简称TTS(Text To Speech)技术，用于解决如何将文字信息转化为声音信息，从而使得人们获取信息的方式更加丰富和自然。语音合成技术在国内外发展迅速，在我国，语音合成技术的研究也已逐步从理论向研制开发方面发展，其应用领域十分广泛，技术也日趋成熟。目前，在嵌入式应用领域，最具代表性的有科大讯飞XF-S4240、XF-S4041CN及宇音天下的SYN6288.

本系统中选用的语音合成模块为科大讯飞的XF-S4240嵌入式中文语音合成模块。该模块支持GB2312、GBK、BIG5及UNICODE四种内码格式的中文文本，同时提供英文字母的合成，支持男/女声发音，并可灵活地调节语速、语调及音量。

XF-S4240通讯方式

XF-S4240支持异步串口(UART)、SPI和I2C通讯方式，允许发送数据的最大长度为1K字节。

串口通讯模式：波特率：9600bps(默认值)，起始位：1bit,数据位：8bits,停止位：1bit,校验：无。

SPI通讯模式：采用4线全双工同步串行通讯接口，工作在Slave方式，若SPI通讯接口使用SSEL选择使能信号，则可同时挂接多个设备。[p]

I2C通讯模式：采用标准I2C总线接口，工作在Slave方式，在I2C总线上也可同时挂接多个设备。

XF-S4240控制命令

XF-S4240提供了多种语音合成控制命令，如：合成命令、停止合成命令、暂停合成命令、恢复合成命令;通过状态查询命令可查询当前模块的工作状态;而休眠命令则可置模块于休眠方式以降低功耗。针对上位机发出的不同控制命令帧，XF-S4240模块会向上位机回送单字节的反馈信息。此外，通过模块输出引脚RDY/BSY的电平变化，借助硬件电路也可识别模块当前的工作状态。

语音合成电路设计

语音合成系统设计如图2所示。语音模块借助SPI接口与单片机连接，由硬件RDY引脚指示模块的工作状态，与单片机的INT1引脚相连。当该引脚处于低电平时，表明板卡处于空闲状态，可接收进一步的命令。音频功放电路则采用LM368音频放大器，输出端可直接驱动扬声器。

图3 TN1外观图

其它模块电路设计

LCD显示电路

本设计中使用一片1602字符形LCD模块作为系统的显示输出，提供操作指示及被测温度、环境温度的显示功能，参见图2.

按键接口电路

本设计中使用若干按键作为系统操作的输入接口，可供用户选择相关信息进行显示或设置仪表内部标定参数，参见图2.

电源处理电路

本设计中电源使用4.2V锂电池供电，以方便便携式应用。因XF-S4240、TN1模块还需采用3.3V供电，为此选用AMS1117-3.3V LDO器件实现电源变换，因篇幅所限，此部分电路略去。

图4系统主程序框图

软件系统设计

系统主程序框图参见图4.程序首先对单片机各IO端口、中断系统、定时器等外部设备进行初始化，随后进入工作循环。依次周期性更新被测温度及环境温度数据，之后更新LCD显示，并将相关信息送TTS模块以语音方式播报，其后读取用户按键信息并作相应处理。

语音合成程序的框图则如图5所示。单片机首先判别语音合成模块是否处于就绪状态，若是，则依次发送帧头、字节总数、语音合成命令码、语音合成格式控制码及待合成文本，语音模块将随后依所设命令完成TTS转换。

图5 语音合成程序框图

结语

本系统将红外测温模块、智能TTS语音合成功能有机结合，为非接触测温及相关应用提供了一种新的模式。系统价格适中、结构紧凑、功能强大，有着良好的实用价值。文中对系统各个部分的硬件电路和软件实现进行了详述。本系统的设计思想及技巧还可为其它相关产品的设计制作提供借鉴。