李 攀,牛 鑫,陳 平

(1.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系,河南 濟(jì)源 459000;2.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，河南 濟(jì)源 459000)

語音聲光報(bào)警器是煤礦安全生產(chǎn)的重要設(shè)備.目前國內(nèi)有很多種類型的語音聲光報(bào)警器,但存在以下缺點(diǎn):煤礦一般提供1140 V、660 V、380 V和127 V等交流電源,但大部分產(chǎn)品不能直接使用;一般設(shè)備只有一種語言功能,不能滿足煤礦實(shí)際生產(chǎn)的需求;一般設(shè)備只能在井口、風(fēng)門或彎道中等單一地方使用,一旦環(huán)境有所變化需重新采購設(shè)備;普通設(shè)備因?yàn)闆]有聯(lián)機(jī)功能而無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[1].

本文設(shè)計(jì)的新型礦用報(bào)警系統(tǒng)采用微控制技術(shù),任何場(chǎng)合的信號(hào)設(shè)備都能適用,并且不需要用戶提供單獨(dú)本安電源;具有語音報(bào)警、聲光顯示、打點(diǎn)信號(hào)、通訊聯(lián)絡(luò)等功能，語音報(bào)警信息可根據(jù)不同場(chǎng)合需求任意設(shè)置，報(bào)警器可以多臺(tái)聯(lián)機(jī),沿線報(bào)警;如報(bào)警揚(yáng)聲器需要提高報(bào)警聲音,還可以外連大功率揚(yáng)聲器以提高報(bào)警音量;采用RS485通信接口,可以方便地與上位機(jī)通訊,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制.本設(shè)計(jì)功能齊全,性能可靠,結(jié)構(gòu)緊湊,是集聲光信號(hào)、語音報(bào)警、通訊為一體的使用方便的煤礦安全設(shè)施多功能信號(hào)裝置.

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)交流127 V電源經(jīng)過處理后輸出直流12 V電壓作為其他各本安電路的電源.通過AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)的按鍵控制WTV040語音芯片工作,當(dāng)需要開動(dòng)絞車或斜坡道下面的人需要開車時(shí)語音提示“正在行車,不準(zhǔn)行人”“信號(hào)已發(fā),嚴(yán)禁入罐”“1000 Hz方波信號(hào)”等報(bào)警語音信號(hào)和紅燈閃爍及綠燈指示信號(hào);當(dāng)按下話筒按鈕,即可與其他地方的人員進(jìn)行對(duì)話.八段數(shù)碼管顯示打點(diǎn)信息.采用抗干擾強(qiáng)和通信距離遠(yuǎn)的RS485通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)其他設(shè)備的聯(lián)絡(luò)通訊.軟件方案主要依靠程序編制完成:主程序、初始化子程序、語音播放模式選擇子程序、打點(diǎn)數(shù)碼管顯示子程序、定時(shí)器中斷子程序、按鍵子程序等.

1.2 硬件框圖

圖1是系統(tǒng)硬件框圖.本機(jī)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源電路、按鍵輸入、麥克風(fēng)輸入、語音輸入、聲光報(bào)警、顯示電路、繼電器輸出電路和RS485通訊電路組成.

圖1 語音聲光報(bào)警器的硬件框圖

1.3 電源電路

電網(wǎng)的交流127 V經(jīng)過變壓器降壓到交流24 V,經(jīng)過橋式整流、濾波、LM317、LM7815CT和LM7812三端穩(wěn)壓器后輸出直流12 V電壓,作為其他各本安電路的電源[2-3].電源電路圖如圖2所示.

圖2 變壓器電路圖

1.4 語音報(bào)警和語音通信電路

此電路采用新型語音芯片WTV040,該芯片語音長達(dá)40 s.其內(nèi)置的16bits DAC數(shù)字/仿真轉(zhuǎn)換器、PSG語音合成器和音質(zhì)優(yōu)化算法器,保證了音頻質(zhì)量;WTV040同時(shí)具備了按鍵控制、按鍵組合控制、并口控制及串口控制等多種控制模式[4].因?yàn)檎Z音聲音較少,本設(shè)計(jì)中采用并口控制,可用于播出“正在行車,不準(zhǔn)行人”“信號(hào)已發(fā),嚴(yán)禁入罐”“1000 Hz方波信號(hào)”等幾種語音報(bào)警信號(hào),當(dāng)出現(xiàn)故障信息時(shí),可循環(huán)播放不同的語音提醒人們注意操作安全.

WTV040語音芯片的四種語音信號(hào)分別由單片機(jī)P10-P13來控制,P14來控制語音芯片的復(fù)位信號(hào),當(dāng)復(fù)位信號(hào)為低電平時(shí),該語音芯片不處于復(fù)位狀態(tài)[5-6].語音芯片和音頻放大電路如圖3所示.

圖3 語音報(bào)警芯片電路

TDA2030音頻放大電路的輸入信號(hào)有兩個(gè):語音芯片內(nèi)存儲(chǔ)的語音信號(hào)和通過MIC進(jìn)行通訊廣播的聲音信號(hào).本設(shè)計(jì)中還包括一個(gè)半雙工對(duì)講功能,當(dāng)按下話筒按鈕,即可與其他地方的人員進(jìn)行對(duì)話.其電路如圖4所示.

圖4 語音通訊功能電路

控制電路采用了CD4066,當(dāng)摘機(jī)信號(hào)SA為高電平時(shí),控制U16A、U16B、U16C三個(gè)傳輸門同時(shí)導(dǎo)通,此時(shí)MIC信號(hào)經(jīng)LM386放大后的信號(hào)經(jīng)A、B、C傳輸?shù)较屡_(tái)報(bào)警電路的交流載波線上,在下臺(tái)報(bào)警器中,SA信號(hào)同時(shí)串入并打開了U16C傳輸門,即把MIC過來的聲音信號(hào)同時(shí)經(jīng)confgb傳輸?shù)矫颗_(tái)報(bào)警器的功放前端,完成了語音通訊及播放功能.同時(shí)SA信號(hào)還打開U16D傳輸門,把P14拉為低電平,使得語音芯片WTV040復(fù)位信號(hào)有效,保證功放在同一時(shí)間只播放一種語音信號(hào).

1.5 顯示電路

顯示電路由超亮度紅綠兩種發(fā)光二極管和數(shù)碼管組成,發(fā)光二極管用于顯示司機(jī)發(fā)出的各種信號(hào),而數(shù)碼管用于顯示打點(diǎn)信號(hào)的數(shù)(當(dāng)打點(diǎn)信號(hào)松開后一秒鐘內(nèi)再次打點(diǎn),那么這次打點(diǎn)將記為本次打點(diǎn)信號(hào)的次數(shù)).

發(fā)光二極管顯示電路具有三種工作狀態(tài),即:靜態(tài)工作狀態(tài)，紅燈熄,綠燈亮(即無打點(diǎn)信號(hào)和開車信號(hào));開車工作狀態(tài)，綠燈熄,紅燈閃爍;打點(diǎn)工作狀態(tài)，綠燈熄,紅燈亮.其具體電路如圖5和圖6所示.

圖5 發(fā)光二極管顯示電路

圖6 數(shù)碼管顯示電路

1.6 通信電路

MAX485電路實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)控制,LED發(fā)光二極管的亮滅主要用于顯示系統(tǒng)是否連上、是否正在傳輸數(shù)據(jù)等信息.MAX485可實(shí)現(xiàn)電腦對(duì)系統(tǒng)的有效控制，如圖7所示.

MAX232主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的ISP下載功能,MAX232與串口相連實(shí)現(xiàn)燒錄功能.MAX232總共有兩組,本次只使用一組，如圖8所示.

圖7 數(shù)碼管顯示電路圖8 MAX232通訊電路圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序

軟件部分主要包括:主程序、初始化子程序、打點(diǎn)數(shù)碼管顯示子程序、語音播放模式選擇子程序、定時(shí)器中斷子程序、按鍵子程序.主程序初始化定時(shí)器0、語音報(bào)警模塊和RS485通信，判斷報(bào)警及打點(diǎn)信號(hào).主程序流程圖如圖9所示.

圖9 主程序流程圖

主程序主要功能是實(shí)現(xiàn)定時(shí)器、語音報(bào)警和RS485的初始化，通過死循環(huán)判斷是否報(bào)警和打點(diǎn)并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下.

void main ()

{

time0_init()； //定時(shí)器初始化

w040_init()； //語音報(bào)警初始化

UART485_init()； //RS485初始化

while(1)

{

if(!Key_k) //報(bào)警

{

}

else if(!Key_x)//打點(diǎn)

{

}

}

}

2.2 定時(shí)器中斷

1秒計(jì)時(shí),在1秒內(nèi)的打點(diǎn)認(rèn)為同一次,不在一秒內(nèi)顯示則為最后打點(diǎn)的次數(shù);定時(shí)器在打點(diǎn)按下后開始計(jì)時(shí)中斷,計(jì)時(shí)時(shí)間到后改為計(jì)時(shí)10秒鐘顯示次數(shù)，然后清0，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼為.

void time0_init()

{

ET0 = 1;

TR0 = 0； //定時(shí)器T0中斷不允許

TMOD = 0x01； // 設(shè)置定時(shí)器的工作方式

TH0 = 0x3c； //定時(shí)50ms

TL0 = 0xb0;

sec_cou = 20;

sec_num = NUM1;

sec10_num = NUM10;//計(jì)時(shí)賦值

EA = 1;

}

2.3 語音播放模式選擇

{P17,P16}={00,01,10,11 }形成四種語音播放模式,其中模式0表示不準(zhǔn)行人,模式1表示禁止入罐,模式2和模式3未用，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下.

uchar mode_judge()

{

uchar temp;

temp=P1;

……

}

2.4 通信程序設(shè)計(jì)

RS485芯片為MAX485.MAX485的1和4引腳分別接單片機(jī)的P31和P30引腳,進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收;2和3引腳接NPN三極管的c極;單片機(jī)的P16引腳接三極管b極進(jìn)行方向控制;實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信.芯片程序?yàn)閁ART485_init()函數(shù),即啟動(dòng)UART485接收中斷、設(shè)置通信波特率、允許接收和啟動(dòng)T/C1產(chǎn)生波特率.在發(fā)送函數(shù)UART485_T()中將參數(shù)中的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī),該函數(shù)完成靜態(tài)、開車和打點(diǎn)工作狀態(tài)信號(hào)傳輸.RS485串口中斷處理函數(shù)UART485_R() interrupt 4接收到數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生中斷,將接收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)數(shù)組內(nèi)容進(jìn)行讀取,執(zhí)行更換語言報(bào)警內(nèi)容、調(diào)節(jié)發(fā)光二極管閃爍頻率和變換數(shù)碼管打點(diǎn)數(shù)，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下.

void UART485_R() interrupt 4

{

//接收

RI = 0; //接收中斷標(biāo)志位為0(軟件清零)

table[j++]=SBUF； //存數(shù)據(jù)到接收緩存

if(j>=8){bz2=1;} //數(shù)組滿時(shí),允許發(fā)送

}

void UART_T (unsigned char UART_data)

{

SBUF = UART_data;//將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送回去

while(TI == 0);//檢查發(fā)送中斷標(biāo)志位

TI = 0; //令發(fā)送中斷標(biāo)志位為0(軟件清零)

}

軟件部分的程序均通過Keil C51軟件進(jìn)行編寫、編譯，將生成的十六進(jìn)制文件通過燒錄器寫到AT89C51單片機(jī)，經(jīng)過調(diào)試最終實(shí)現(xiàn)了新型礦用報(bào)警器的全部自動(dòng)控制功能.

3 系統(tǒng)測(cè)試

本文通過報(bào)警器軟硬件的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了控制語言機(jī)自動(dòng)報(bào)警,通過話筒與其他人員進(jìn)行對(duì)話,由超亮度紅綠兩種發(fā)光二極管和數(shù)碼管組成顯示電路.實(shí)現(xiàn)了紅燈熄、綠燈亮(即無打點(diǎn)信號(hào)和開車信號(hào))的靜態(tài)工作狀態(tài),綠燈熄、紅燈閃爍(語音提示正在行車不準(zhǔn)行人)的開車工作狀態(tài),綠燈熄,紅燈亮(給司機(jī)一個(gè)開車信號(hào),數(shù)碼管顯示打點(diǎn)信號(hào),語言機(jī)發(fā)1000 Hz信號(hào))的打點(diǎn)工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了可以隨時(shí)對(duì)講的雙工通信方式,系統(tǒng)實(shí)物圖分別如圖10、圖11和圖12所示.該系統(tǒng)本安端最高開路電壓為DC 12 V;本安端最大短電流為DC 0.5 A;音頻輸出功率為5 W;燈光閃爍頻率為1 Hz;信號(hào)頻率為1000 Hz±100.該報(bào)警器經(jīng)煤礦實(shí)際應(yīng)用,性能穩(wěn)定可靠、安全性能好、使用方便,滿足了設(shè)計(jì)要求,取得了較好的效果.

圖10 靜態(tài)工作狀態(tài)圖11 開車工作狀態(tài)

圖12 打點(diǎn)工作狀態(tài)

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用本安電源供電,整個(gè)控制電路由單片機(jī)來完成,單片機(jī)通過判斷按鍵輸入控制預(yù)先錄音好的語音芯片進(jìn)行不同的語音播放,經(jīng)過處理放大后的信號(hào)推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲.麥克風(fēng)經(jīng)過電路處理實(shí)現(xiàn)半雙工通信,摘下話筒即可與其他地方的人員進(jìn)行對(duì)話,單片機(jī)控制警示信息用紅綠燈顯示,通過單片機(jī)進(jìn)行打點(diǎn)數(shù)判斷并顯示到數(shù)碼管上,不同設(shè)備按照RS485通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信.濟(jì)源市是全國的煤炭機(jī)電產(chǎn)品的生產(chǎn)基地,該設(shè)計(jì)具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益.

由于現(xiàn)在礦用控制器采用的還是純數(shù)字電路,用單片機(jī)代替純數(shù)字電路,處理速度快、性能穩(wěn)定、具有可編程等優(yōu)點(diǎn);采用便宜的WTV040代替較貴的ISD4004語音芯片,節(jié)省了硬件成本;采用數(shù)碼管顯示出打點(diǎn)數(shù)據(jù),以往產(chǎn)品都無此功能;設(shè)計(jì)麥克風(fēng)具有半雙工通信功能,按下話筒按鈕,即可與其他地方的人員進(jìn)行對(duì)話;用RS485能夠直接聯(lián)網(wǎng),完成井下設(shè)備和上位機(jī)的通信.