(華能重慶珞璜發(fā)電有限責任公司，重慶 402283)

配電室作為發(fā)電廠的核心之一，具有給全廠供電的重要作用。在發(fā)電廠的運行中，電氣設(shè)備的停送電不可避免，如何防止走錯間隔進行正確的電氣操作非常重要，這直接關(guān)系到操作人員的人身安全與設(shè)備的正常運行。在傳統(tǒng)的發(fā)電廠，長期的經(jīng)驗及教訓(xùn)形成了一套行之有效的制度及措施，很大程度上避免了走錯間隔，但根據(jù)近年來的事故來看，走錯間隔導(dǎo)致的電氣誤操作仍時有發(fā)生。

在某360 MW發(fā)電廠，其3#、4#機相鄰機組配電設(shè)備均放置于同一配電室，配電室的布置基本相同，甚至出現(xiàn)相鄰機組的同一位置設(shè)備一致的情況，例如33102 A為 3#機3爐水泵，34102 A為4#機3爐水泵，同樣的102 A位置都是3#爐水泵，很容易出現(xiàn)走錯間隔誤操作的情況。在發(fā)電廠配電室區(qū)域，現(xiàn)在區(qū)分間隔一般采用的是標示牌，例如3#機配電區(qū)域上方懸掛有3#機組，4#機配電區(qū)域上方懸掛有4#機組，相應(yīng)的負荷開關(guān)也有唯一的標識，但這些都是從視覺這單一感官上的區(qū)分，不足以保證操作人員的安全。因此，基于聽覺這一感官考慮，本文研究了配電室語音提示系統(tǒng)的設(shè)計，旨在將語音提示系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)，盡可能降低電氣操作間隔誤入率，保證電氣操作的可靠進行。

1 系統(tǒng)工作原理

語音提示系統(tǒng)主要由控制器STC11F04E、語音芯片ISD4004、外設(shè)紅外線對射傳感器、外設(shè)功率放大器、外設(shè)揚聲器等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理

正常工作情況下，控制器處于掃描狀態(tài)，持續(xù)掃描紅外線對射傳感器的動作情況。當傳感器動作后，動作情況由I/O口輸入控制器，控制器STC11F04E通過串行通信SPI接口向語音芯片ISD4004發(fā)出放音指令，發(fā)出放音指令后，控制器STC11F04E立即恢復(fù)傳感器掃描模式。

語音芯片ISD4004接收到放音指令后，開始播放傳感器對應(yīng)的語音提示信息，該語音輸出經(jīng)過外設(shè)功率放大器進行功率放大后由揚聲器進行聲音播放。播放過程中，若新傳感器動作，舊的語音播放停止，新的語音播放隨即開始。播放完成后，語音電路ISD4004下電進入節(jié)能模式。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計概述

語音提示系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 語音提示系統(tǒng)硬件框圖

由圖2可知：控制器通過SPI口與語音芯片ISD4004連接；控制器通過I/O口與外設(shè)探測器連接；控制器通過I/O口與按鍵連接；LED顯示電路與按鍵電路連接；外設(shè)功放音箱通過2.5 mm音頻接口與語音芯片ISD4004連接。

2.2 供電電路設(shè)計

本設(shè)計采取供電電壓為5 V的USB供電方式，由于控制器STC11F04E采用的是5 V供電電壓，語音芯片ISD4004采用的是3.3 V供電電壓，雖然可以直接給控制器供電，但對于語音芯片ISD4004，就必須設(shè)置一個電壓變換電路。采用LM1117MPX-3.3固定電壓調(diào)節(jié)器實現(xiàn)變壓功能，保證芯片供電的穩(wěn)定性與可靠性，電路的連接方式如圖3所示。

圖3 供電電路

圖3所示的電路為5 V轉(zhuǎn)3.3 V的典型電路。選擇了10 μF的鉭電容作為輸入端旁路電容，可以有效增強輸入電壓的穩(wěn)定性。輸出電容值的大小影響回路的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)，電容越大，穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)越好，因此采用了22 μF的輸出電容。

對于電源變換電路，為了直觀反映其工作狀態(tài)，添加了1個發(fā)光二極管。當電源變換電路正常工作時，發(fā)光二極管處于點亮狀態(tài)。圖3所示的電路中，在發(fā)光二極管上串聯(lián)了1個220 Ω的電阻，該電阻起限流作用，使得發(fā)光二極管能在3.3 V的電壓環(huán)境下工作[1]。

2.3 復(fù)位電路設(shè)計

控制器STC11F04E有5種復(fù)位方式，通過外部RST引腳復(fù)位、內(nèi)部低電壓檢測復(fù)位、軟件復(fù)位、掉電復(fù)位/上電復(fù)位、看門狗復(fù)位。

采用內(nèi)部低電壓檢測復(fù)位與掉電復(fù)位/上電復(fù)位3種方式，低電壓復(fù)位門檻電壓選擇4.1 V以下。外部RST引腳復(fù)位采用阻容復(fù)位的形式，根據(jù)芯片手冊，由于晶振頻率選擇的是11.059 2 MHz，復(fù)位電壓選擇4.1 V以下，可以不用電容，直接將RST引腳連接1 K的下拉電阻[2]。

2.4 時鐘電路設(shè)計

時鐘是控制器運行的基礎(chǔ)，本次設(shè)計采用的STC11F04E具有內(nèi)部IRC時鐘和外部時鐘兩個時鐘源。芯片內(nèi)部的IRC時鐘常溫下頻率是4～8 MHz，因為隨著溫度的變化，內(nèi)部IRC時鐘的頻率會發(fā)生溫漂[2]?？紤]到配電室的環(huán)境溫度較高，加上控制器運行發(fā)熱會影響內(nèi)部IRC時鐘，因此時鐘電路通過外部晶體振蕩器驅(qū)動，如圖4所示。根據(jù)需要，選擇的晶體振蕩器頻率為11.059 2 MHz，為了保證晶體振蕩器正常起振，晶振兩端各接1個20 pF的電容。圖4中的EXTAL與控制器STC11F04E外部晶體振高器輸入引腳4腳連接，XTAL與控制器晶體振高器輸出引腳5腳連接。

圖4 時鐘電路

2.5 開關(guān)電路設(shè)計

為了滿足現(xiàn)場機組運行、停運、檢修3種狀態(tài)下不同語音提示，采用開關(guān)來設(shè)置機組狀態(tài)。

開關(guān)在硬件系統(tǒng)中，通過開通/閉合來模擬高/低電平，從而實現(xiàn)控制信號的鍵入。采用的開關(guān)為三檔雙控，有兩組獨立輸出，電路圖如圖5所示。通過開關(guān)的位置設(shè)置，可以使控制器得到高/低電平兩種信號。

圖5 開關(guān)電路

根據(jù)控制器芯片資料，控制器內(nèi)部具有3種上拉電阻，因此未設(shè)置接地限流電阻與外部上拉電阻[2]。圖5中開關(guān)電路輸出信號S1、S2、S3、S4與控制器通用I/O口6、7、8、9相連。開關(guān)工作原理以K1為例，當K1開關(guān)置上位時，K1開關(guān)6腳與8腳導(dǎo)通接地、7腳懸空，控制器得到S1的低電平信號與S2的高電平信號；當K1置中位時，K1開關(guān)6腳懸空、7腳接地，控制器得到S1高電平信號與S2低電平信號；當K1置下位時，K1開關(guān)6、7腳均懸空，控制器得到S1、S2高電平信號。

2.6 LED顯示模塊設(shè)計

LED顯示電路直接與開關(guān)電路中的三檔雙控開關(guān)相連接，如圖5所示。以開關(guān)K1為例，當開關(guān)置上位時，開關(guān)的1、3腳導(dǎo)通接地，紅色LED燈亮；當開關(guān)置中位時，開關(guān)的2、4腳導(dǎo)通接地，綠色LED燈亮；當開關(guān)置下位時，開關(guān)的3、5腳接地，黃色LED燈亮。根據(jù)燈的顏色可以直觀地觀察到系統(tǒng)設(shè)置的機組狀態(tài)。

2.7 其他部分

系統(tǒng)除上述設(shè)計的硬件主機外，還具有部分外設(shè)。本次設(shè)計將4組外置紅外線對射探測器分別連接到控制器16～19腳4個I/O接口，紅外探測器正常運行時輸出高電平信號至控制器，動作時輸出低電平信號至控制器。此外主機語音芯片的2.5 mm音頻接口通過音頻線連接到外置功放，功放外接兩組揚聲器,實現(xiàn)聲音放大輸出。為簡化電路，未設(shè)計編程器，僅提供了接口供外部編程器使用。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 編程軟件介紹

軟件系統(tǒng)的設(shè)計采用編程軟件Keil uVision4來完成，Keil uVision4是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件研發(fā)系統(tǒng)。該研發(fā)系統(tǒng)引入靈活的窗口管理系統(tǒng)，使開發(fā)人員能夠使用多臺監(jiān)視器，并提供視覺上的表面對窗口位置的完全控制的任何地方，同時采用的用戶界面可以更好地利用屏幕空間和更有效地組織多個窗口，提供一個整潔、高效的環(huán)境來開發(fā)應(yīng)用程序[4]。

3.2 語言芯片ISD4004初始化程序

ISD4004在硬件系統(tǒng)搭建后處于空白狀態(tài)，需要將所需的語音信息錄入ISD4004的片內(nèi)存儲器，也就是對其進行初始化，對ISD4004的初始化采用錄音程序來實現(xiàn)，程序流程如圖6所示。

圖6 ISD4004初始化程序

1)定義12個地址，用于存儲12段所需的語音提示信息，程序開始后控制器STC11F04E開始檢測錄音鍵是否按下。當錄音鍵按下后，控制器將錄音起始地址1發(fā)送至語音芯片ISD4004，同時下達錄音開始指令，語音芯片ISD4004從地址1開始錄音。錄音開始后控制器開始檢測錄音鍵狀態(tài)，如果錄音鍵松開，控制器將停止錄音指令發(fā)送至語音芯片ISD4004，ISD4004結(jié)束錄音并保存。地址1錄音完成后，主程序開始檢測錄音鍵是否按下以開始第2段錄音，當錄音鍵按下后控制器將錄音起始地址2發(fā)送至語音芯片ISD4004，同時將錄音開始指令下達，語音芯片ISD4004就從地址2開始錄音。錄音開始后控制器開始檢測錄音鍵狀態(tài)，如果錄音鍵松開，控制器將停止錄音指令發(fā)送至語音芯片ISD4004，ISD4004結(jié)束錄音并保存。地址2錄音完成后，主程序開始檢測錄音鍵是否按下以開始第3段錄音，根據(jù)相同的步驟，主程序依次將12段語音信息錄入到語音芯片ISD4004，完成ISD4004的初始化。

2)本程序在錄音過程中沒有檢測語音芯片ISD4004的中斷OVF標志，OVF標志是指示ISD的錄放操作已到達存儲器的末尾[5]。因為本程序定義的12個地址，每兩個地址間錄音時長均設(shè)置為15 s，而錄音文件的時長僅為8 s，因此忽略了中斷OVF標志檢測，也省去了硬件方面的考慮。

3.3 系統(tǒng)控制程序

對ISD4004進行初始化后，語音信息被永久保存在ISD4004語音芯片里。正常運行時，如需輸出某條語音信息，僅需將存儲該語音信息的存儲首地址發(fā)送至ISD4004，然后發(fā)送放音指令，即可實現(xiàn)對應(yīng)語音信息的播放。因此，在主程序中，根據(jù)機組的運行情況以及相應(yīng)探測器的動作情況，有選擇地將錄音首地址通過控制器送入語音芯片ISD4004，實現(xiàn)配電室語音提示的功能，整個程序流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制程序

1)正常上電后，程序初始化，開始檢測3#、4#機運行狀態(tài)。3#、4#機運行狀態(tài)由控制器的4個I/O口狀態(tài)進行判定，4個I/O口接有開關(guān)，可以獨立分合得到1、0兩個信號。3#機運行時，對應(yīng)3#機的兩個I/O口為1、0；3#機停運時，對應(yīng)3#機的兩個I/O口為0、1；3#機檢修時，對應(yīng)3#機的兩個I/O口為1、1；4#機運行時，對應(yīng)4#機的兩個I/O口為1、0；4#機停運時，對應(yīng)4#機的兩個I/O口為0、1；4#機檢修時，對應(yīng)4#機的兩個I/O口為1、1。通過設(shè)置開關(guān)，可以將機組的運行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為I/O口信號，從而使控制器檢測到機組運行狀態(tài)。程序首先檢測3#機運行狀態(tài)，確定后檢測4#機運行狀態(tài)，機組狀態(tài)檢測完畢后開始檢測探測器的動作情況。

2)本次設(shè)計將3#機380 V區(qū)域探頭設(shè)置為探測器1，4#機380 V區(qū)域探頭設(shè)置為探測器2，3#機6 kV區(qū)域探頭設(shè)置為探測器3，4#機6 kV區(qū)域探頭設(shè)置為探測器4。機組狀態(tài)檢測完畢后，程序開始循環(huán)檢測4個探測器，首先檢測探測器1，若探測器1動作，則將探測器對應(yīng)的語音地址送入ISD4004進行播放，如圖7所示，指令發(fā)送完畢后，控制器又返回檢測模式。若探測器1未動作，控制器開始檢測探測器2，以此類推，一直不斷地檢測探測器動作情況，以及時將探測器動作情況通過語音輸出。

3)本程序在放音過程中檢測了語音芯片ISD4004的EOM標志，EOM標志是指示ISD4004的放音已經(jīng)到達該條存儲語音信息的末尾[6]。控制器發(fā)出放音指令后，語音芯片ISD4004開始放音，當放音到達該條語音信息的末尾時，將播放狀態(tài)反饋給控制器，控制器及時發(fā)出停止播放指令，避免了持續(xù)播放后續(xù)存儲地址的錄音。同時，通過檢測EOM可以在完成停止播放后及時將語音芯片ISD4004下電，降低了硬件的功耗。

4)在生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況中，常?？赡艹霈F(xiàn)操作人員短時間內(nèi)從一個區(qū)域轉(zhuǎn)移到另外一個區(qū)域，對應(yīng)圖7而言，就是兩個探測器先后動作，動作的間隔時間很短，以至于少于錄音播放時間，出現(xiàn)新探測器動作，老探測器動作還未播放完成的情況。針對這種情況，本程序采取新探測器優(yōu)先的原則，若新探測器動作，則老探測器播放終止，立即開始新探測器對應(yīng)語音信息的播放，保證提示信息的及時性。

放音程序示例：

voidPLAY_now(ucharadd_sect)

{

ISD_PowerUp();//ISD 上電

Delay1Ms(50);//延時

switch(add_sect)//選擇所需的語音地址

case 1:ISD_SetPlay(ISD_ADDS1);break;//發(fā)送播放地址

case 2:ISD_SetPlay(ISD_ADDS2);break;

case 3:ISD_SetPlay(ISD_ADDS3);break;

case 4:ISD_SetPlay(ISD_ADDS4);break;

case 5:ISD_SetPlay(ISD_ADDS5);break;

case 6:ISD_SetPlay(ISD_ADDS6);break;

case 7:ISD_SetPlay(ISD_ADDS7);break;

case 8:ISD_SetPlay(ISD_ADDS8);break;

case 9:ISD_SetPlay(ISD_ADDS9);break;

case 10:ISD_SetPlay(ISD_ADDS10);break;

case 11:ISD_SetPlay(ISD_ADDS11);break;

case 12:ISD_SetPlay(ISD_ADDS12);break;

}

ISD_Play(); //發(fā)送放音指令

while(ISD_INT==1);//檢測放音完成

ISD_Stop();//發(fā)送停止播放指令

ISD_PowerDown();//發(fā)送下電指令

4 結(jié)語

配電室是發(fā)電廠的血液命脈，配電安全事關(guān)人身安全與設(shè)備安全。為了減少走錯間隔導(dǎo)致的誤操作，本文從聲音這一感官出發(fā)，提出了配電室語音提示系統(tǒng)的設(shè)計方案，并根據(jù)需求完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計與程序設(shè)計。主要工作有兩個方面：一是研究了語音提示系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)過程，重點研究了各電路的設(shè)計過程，并對各個電路的工作原理進行了詳盡的闡述；二是研究了語音提示系統(tǒng)程序的設(shè)計，重點研究了語音芯片ISD4004的初始化程序及控制系統(tǒng)正常運行程序，并給出了放音部分的程序示例。軟硬件功能調(diào)試正常后，在配電室進行了現(xiàn)場安裝，現(xiàn)場運行人員進行電氣操作時，能及時給出準確有效的語音提示，并能根據(jù)機組運行情況設(shè)置不同的語音提示信息。系統(tǒng)投運以來，長時間運行穩(wěn)定，現(xiàn)場未出現(xiàn)誤入操作間隔等異常情況，運行人員反饋很大程度上降低了電氣操作間隔的誤入率，能有效保證電氣的操作安全，系統(tǒng)運行效果好。