基于TTS模塊的語音播報紅外數字測溫計設計

引言

由于現代醫學發展的需要，在某些場合傳統的溫度計已經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。

硬件系統設計

系統總體結構

非接觸式語音紅外數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字測溫計總體設計框圖

系統硬件部分由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接口發送到XF-S4240模塊實施語音合成，再經LM386實現音頻信號放大后推動喇叭發音;LDO芯片AMS1117則用于實現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，

; 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，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，其輸出數據幀包括5個字節。各字節具體含義如表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引腳則用于傳輸數據幀。

圖2 非接觸式語音紅外數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外發展迅速，在我國，語音合成技術的研究也已逐步從理論向研制開發方面發展，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/女聲發音，并可靈活地調節語速、語調及音量。

XF-S4240通訊方式

XF-S4240支持異步串口(UART)、SPI和I2C通訊方式，允許發送數據的最大長度為1K字節。

串口通訊模式：波特率：9600bps(默認值)，起始位：1bit,數據位：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。