具有语音功能的温度检测与警报系统的设计.doc

天津工程师范学院天津工程师范学院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 设计题目 具有语音功能的温度检测与报警系统的设计 学生姓名 田立金 系别 自动化 专业 电气 班级 0004 指导教师姓名 邴志刚 职称 副教授 课题来源 科研立项 任务书下达时间 20041220 教研室主任签字 系主任签字 1、 毕业设计主要内容 以凌阳 61 板套件为基础，完成硬件分析、焊接、调试； 温度检测与报警系统相关器件选择、通道功能实现； 语音识别相关软件设计 2、 毕业设计的主要技术指标 硬件系统原理分析清晰，功能正常； 温度检测与报警系统相关器件选择合理、通道功能正常； 语音识别相关软件设计功能正常； 3、工艺制作任务 硬件分析、焊接、调试； 前后向通道功能实现； 语音识别相关功能； 4、毕业设计基本要求 符合学院相关规定 5、应收集的文献资料 http：/ 单片机相关资料； 传感器相关资料； 语音识别与合成相关资料 6、进度计划 序号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 硬件分析、焊接、调试； 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 12 周 36 周 710 周 1113 周 注：上述各项均可增加附页 天津工程师范学院 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 题题 目目 具有语音功能的温度检测与报警系统的设计 副标题副标题 性性 质：质： 毕业设计毕业设计 毕业论文毕业论文 学生姓名学生姓名 田立金田立金 年年 级级 00040004 系系 别别 自动化系自动化系 专专 业业 电气技术教育电气技术教育 指导教师指导教师 邴志刚邴志刚 评定成绩评定成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 目目 录录 摘 要3 ABSTRACT3 第一章 概述4 1.1 温度检测的广泛应用和意义4 1.2 多媒体功能用于温度检测与报警系统的意义4 1.3 本设计的主要工作4 第二章 系统总体设计与实现4 2.1 主控制器的选择与介绍4 2.1.1 主控制器的选择4 2.1.2 SPCE061A 单片机简介 5 2.2 温度传感器的选择与介绍7 2.2.1 温度传感器的选择7 2.2.2 DS18B20 介绍8 2.3 显示部件的选择与介绍11 2.3.1 显示部件的选择11 2.3.2 显示部件的介绍12 2.4 硬件系统总体设计12 2.5 本系统软件功能简介13 第三章 语音技术及实现13 3.1 语音技术简介13 3.1.1 语音分析技术14 3.1.2 语音编码技术14 3.1.3 语音识别技术15 3.1.4 语音合成技术15 3.2 嵌入式语音处理技术的发展16 3.3 本系统的语音实现17 3.3.1SPCE061A 单片机的语音功能 17 3.3.2 语音识别的实现17 3.3.3 报警功能的实现19 第四章 系统调试与测试19 4.1 调试中的问题和解决19 4.1.1 温度传感器 DS18B20 的时序问题19 4.1.2 语音播放问题19 4.2 可靠性和抗干扰问题19 4.3 实验结果分析19 4.4 结论20 第五章 系统下一步工作20 5.1 多点温度测量20 5.2 远距离温度测量21 5.3 在本设计基础上进行结构扩展21 5.3.1 完整控制系统与多层控制21 5.3.2 构成恒温系统或微机温度测量系统网22 致谢23 参 考 文 献24 附录25 附录（一）元件清单25 附录（二）英语论文27 附录（三）中文翻译34 具有语音功能的温度检测与报警系统的设计 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 Design of A temperature check-up and alarm system with voice function Tian Lijin Abstract The extensive application value of temperature measurement is introduced. Multi-media techniques, especially speech technique can improve the functions of temperature measurement. On the base of general principles of components choosing, choosing of the main components, including controller ,sensor ,display etc. , are discussed. A kind of special single-ship computer, SPCE061A, is introduced, and the using method of DS18B20, which is a kind of digitized temperature sensor, is illustrated. Using DS18B20 as the sensor，and SPCE061A as the controller ,the temperature measurement and alarm system is realized. The hardware and the software of system are debugged and realized t in the lab environment. Some ideas of future work, which may make the system more perfect ,are discussed. The system works well in the lab with high stability and precision， and can reach the performance that expected. Keywords Microcontroller Voice technology Temperature check-up Sensor 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 099，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。 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。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。 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（System on Circuit）。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。 2.1.2 SPCE061A 单片机简介 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，Digital Signal Processing）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nSP （Microcontroller and Signal Processor）16 位微处理器芯片（以下简称nSP）。围绕 nSP所形成的16 位nSP系列单片机（以下简称nSP家族）采用的是模块式集 成结构，它以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2-1 nSP家族的模块式结构图 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。 结构概览 SPCE061A 的结构如图 2-2 所示。 图2-2 SPCE061A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。 主要性能 （1）内核采用 16 位 nSP微处理器； （2）工作电压：VDD 为 2.43.6V（CPU）， VDDH 为 2.45.5V（I/O）； （3）CPU 时钟：32768Hz49.152MHz ； （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 2mA3.6V； （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-Circuit Emulator）； （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 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。 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（-100300），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-55150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。 本系统的具体选择 本系统的要求是能完成 099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 3 1 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。 2.2.2 DS18B20 介绍 DS18B20 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 2-3 DS18B20 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=X8X5X41）。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。 DS18B20 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 2-1 DS18B20 的程序设置寄存器 TMR1R011111 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，6 byte 的产品序号和 1 byte 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 。 4 DS18B20 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 2-4 DS18B20 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 480960 s，如果复位操作正常，在 1560 s 之后 DS18B20 会返回一个应答脉冲，将会保持 60240 s，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 2-2 ROM 操作命令 读 ROM 命令33H读总线上 DS18B20 的序列号 匹配 ROM 命令（55 H）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 2-3 RAM 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 5 byte 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 1s 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 15 s 内，将数据发送到数据总线上，主机可以在 15 s 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 1s。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 1.3 秒命令有 效；为了增强可靠性，每条命令训练两次。语音训练结束后，按下 K2 键就可以进行语音 识别，系统开始工作。而温度显示是在系统上电以后就有的。 图2-8 SPCE061A与DS18B20和LED接线示意图 系统每断电一次就要重新进行语音训练。 系统的硬件设计简单，这是采用 DS18B20 作温度传感器的一个重要特点，当然这种简 单是相对的，是以增加了软件设计的一些麻烦换来的。 在使用时注意不要将 DS18B20 的数据引脚与电源引脚接错，否则将直接导致其过热烧 毁，在调试时，我遇到这样的事故，虽然即时改正，但测量精度明显下降。 2.5 本系统软件功能简介 软件具有很好的可模块化的特点，不仅减少了程序编辑和调试时的麻烦，而且增加了 程序的可读性和可移植性。系统的软件设计功能模块如图2-9所示。 图2-9 温度检测系统的软件设计功能模块图 （1） 温度检测子程序：主要工作是，主机控制DS18B20完成温度转换的三个步骤： 初始化、ROM操作指令和存储器操作指令。 （2） 主程序初始化：主要完成SPCE061A的初始化。包括时钟设置、开中断、设定 计数初值等。另外还要为各个子程序提供人口地址，管理和协调各个子程序。 （3） 键盘子程序：在语音训练时，通过按键开始语音训练；另一个作用就是按键后 语音报告温度。 （4） 语音训练子程序：完成程序下载后，系统开始工作前语音识别命令的训练。 （5） 放音子程序：完成温度上限报警的语音提示，语音识别命令的回答。其中语音 识别命令的回答有报告温度值。 （6） 数据处理子程序：完成温度采集后的数据处理，数据格式转换。 （7） 显示子程序：将数据处理后的温度值进行实时温度显示。 第三章 语音技术及实现 嵌入式语音处理技术得到广泛应用的是语音编码技术，而语音识别的嵌入式应用一直 是人们研究的热点。本系统所做的就是将语音技术引入温度检测系统，使其具有语音识别 功能。 3.1 语音技术简介 语音学和数字信号处理的交叉结合便形成了语音信号处理。语音信号处理（简称语音 处理技术或语音技术）是建立在语音学和数字信号处理技术之上的，对语音信号模型进行 分析、存储（编码）、传输、识别和合成等方面研究的一门综合性学科。它包括语音编码、 语音识别、说话人识别和语音合成四大学科分支，并由此形成了语音分析技术、语音存储 （编码）技术、语音识别技术和语音合成技术四大实用技术。 3.1.1 语音分析技术 语音分析的重要性 语音处理系统包括语音通信、语音识别、语音合成等几方面内容，其前提和基础是对 语音信号的分析。语音分析就是从语音信号中抽取出表现其本质的特征参数的语音处理技 术，只有分析出表现语音信号本质的特征参数，才有可能利用这些信号进行高效的语音通 信，才可能建立用于识别的模块和知识库，也才能建立用于语音合成的语音库。语音识别 率的高低、语音合成音质的好坏，都取决于对语音信号分析的准确度和精度。 语音信号的分析方法 语音信号的分析方法有时域分析、频域分析和线形预测分析等。时域分析和频域分析 是其中两种比较重要的方法。 时域分析分析最早使用，也是应用范围最广的一种方法。这种方法直接利用语音信号 的特点即时域波形来进行分析；时域分析具有物理意义清晰、运算简单等特点，通常用于 最基本的语音参数分析及语音的预处理、分割等方面。本系统采用的 SPCE061A 单片机采 用时域分析。 频域分析主要是在语音信号处理中应用傅里叶变换，语音信号的频谱具有非常明显的 语言声学意义，可以获得某些重要的语音特征。有短时傅里叶变换可以精确地恢复语音波 形。频域分析的算法复杂，运算量大，多用于 DSP 芯片中。 3.1.2 语音编码技术 语音编码的主要内容 语音编码的主要内容是：在尽量减少失真的情况下，对模拟信号进行高效率的压缩编 码。将语音信号编码为二进制数字序列。最简单的方法是对其直接进行模/数转换。只要采 样频率足够高，量化每个样本的比特数足够多，就可以保证解码恢复的语音信号有很好的 音质，不会丢失有用信息。 语音信号编码的应用 语音信号编码有非常广泛的应用，归纳起来可以分为两大类。第一类是编码、存储、 回放系统，或称数字语音录放系统；第二类是编码、传输、解码系统，或称数字电话系统。 语音编码的方法 语音编码的方法按传统概念可以分为波形编码、参数编码、混合编码 3 类。 波形编码：将时域信号直接变换为数字代码，力图使重建语音波形保持原语音信号的 波形形状。波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，然后将幅度 样本分层量化，并用代码表示。译码是其反过程，将收到的数字序列经过译码和滤波恢复 成模拟信号。 波形编码的特点是高话音质量，高码率，适于高保真音乐及语音。 参数编码：又称声源编码，是将信源信号在频率域或其他正交变换域提取特征参数， 并将其变换成数字代码进行传输。译码是其反过程，将收到的数字序列经过变换恢复特征 参量，再根据特征参量重建语音信号。该编码比特率可以压缩到 2 4.8kb/s，甚至更低，但 语音质量只能达到中等，特别是自然度低。 参数编码的特点是压缩比大，计算量大，音质不高，但廉价。 混合编码：混合编码是使用波形编码技术和参数编码技术，将两种技术组合起来。它 克服了原有波形编码和参数编码的弱点，结合各自的长处，力图保持波形编码的高质量和 参数编码的低比特率。其数据率和音质介于参数和波形编码之间。 SPCE061A 单片机常用的音频形式有三种，分别采用不同的压缩算法。SACM_A2000 采用波形编码，SACM_S240 采用参数编码，SACM_S480 采用混合编码。选择采用不同压 缩算法的音频形式，可以得到不同效果的语音，但是在使用时并不一定要选用音质最好的 SACM_A2000 格式，还要考虑存储器的空间，以及可能的系统功能的扩展，在综合考虑的 情况下尽量使用音质好的音频格式。 3.1.3 语音识别技术 语音识别的目的是研究一种具有人类听觉功能的机器，能够直接听懂人的讲话，理解 人的意图并做出相应的反应。具备语音识别功能的计算机或系统，在电子与通信、信息处 理、自动控制、人工智能等领域有着十分广泛的应用需求。本设计就是将语音识别用于温 度检测。 语音识别基本原理： 语音识别系统本质上是一种多维模式识别系统，基本结构图如图 3-1 所示。语音识别 系统与一般的模式识别系统类似，包括特征提取、语音模式库、模式匹配 3 个基本单元。 图 3-1 语音识别系统的基本结构 语音识别的发展历史 语音识别的历史可以上溯到本世纪五十年代初期。我们可以将语音识别近六十年的发 展历史划分为 4 个时期： （1）初始发展期。1955 年，Bell 实验室的 Davis