基于AT89S52和ISD1760的水闸语音报警系统设计

摘要：为避免水闸附近渔船在水闸开闸放水时被上游的水冲走，设计出一种水闸语音报警系统。该系统基于单片机AT89S52和语音芯片ISD17 60，在开闸前10分钟，通过系统的通信模块接收远程水闸控制中心发送的指令，判断指令的种类，给予相应的报警提示，同时控制水闸上方的报警指示灯闪亮，通知水闸附近的船只迅速撤离到安全水域。在巢湖市裕溪水闸实际应用中，该系统能够稳定地工作，有效地减少了水闸附近渔船发生危险的事故数，达到了避免不必要的伤亡和损失的要求。
关键词：语音报警；ISD1760；AT89S52；水闸

    随着水利管理现代化的提高，水闸远程自动化控制逐渐普及。由于闸室采用无人值守运行方式，水闸开闸放水时，存在下游渔船被放水冲击而翻船，上游船只被水流带人到闸孔中的安全隐患。
    为了避免上述危险情况的发生，需要设计一个水闸开闸报警系统。传统的语音报警系统通过语音合成技术实现语音报警，但这样的报警系统实时性和可靠性较差，而且系统也比较复杂，不适用于对实时性和可靠性要求很高的水闸报警方面。现在市场上有很多报警系统，虽说性能较好，但其技术复杂，价格昂贵，且不易安装和操作，而现在的单片机技术比较成熟，价格也比较低，所以采用单片机的语音报警系统能够很好地平衡价格和性能，具有很高的实用性。因此本文提出了一种基于单片机和ISD1760的水闸语音报警系统，目标就是设计一种简单实用易于操作而且可靠性较高的以单片机为控制芯片的自动报警装置。
    本系统具有录制和播放报警信息功能，在开闸前10分钟，通过通信模块接收远程水闸控制中心的报警命令，自动播放报警提示，同时控制水闸上方的报警指示灯闪亮，通知水闸附近的船只迅速撤离到安全水域。

1 系统组成
    水闸语音报警系统利用单片机作为控制中心，由核心处理模块、通信模块、录放音模块、音频放大模块等组成，系统结构如图1所示。

2 系统硬件设计
2．1 核心处理模块
    核心处理模块是水闸语音报警系统工作的核心，它不仅要对语音录放进行控制，还要向计算机发送开闸指令。核心处理模块主要由单片机，键盘，显示电路等组成。其中，单片机是核心处理模块的核心部分，其主要任务是配合软件来实现语音的录放功能、控制和调度其他模块正常工作、向水闸控制中心发送开闸指令等工作。从水闸语音报警系统功能需要、性价比、程序的数据量和接口电路等多方面考虑，本设计选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制器的核心。
    显示电路主要包括液晶显示和指示灯显示。本模块中为了体现系统友好的人机界面，便于查询时间，输入控制参数，本设计采用独立式键盘来进行系统控制参数修改，并通过LCD1602来显示。本设计中LCD1602主要显示以下几个部分：当前距离开闸所剩时间；当前语音芯片的工作状态：开闸倒计时时间的设置。
    为了能够更有效地让附近水域的渔民注意到报警信息，在水闸上方高处设置一个大的指示灯，当开始语音报警或者人工示警时，指示灯闪亮，这样水闸附近水域的人都能看到指示灯在闪亮，就知道此时在报警通知他们迅速离开。
2．2 语音录放模块
    语音信号是模拟量，语音芯片存储播放声音的基本方式为：声音-模拟量-A／D-存储-D／A-模拟量-播放，采用此方式的语音芯片外围电路比较复杂，声音质量也有一定的失真，不适用于对实时性和可靠性很高的水闸语音报警方面；而另一类语音芯片采用E2PROM存储方法，将模拟语音数据直接写入半导体存储单元中，不需要另加A／D和D／A变换电路，使用方便且语音质量很自然，语音芯片ISD1760就是这种芯片的典型代表。
    ISD1700系列录放芯片是一种高集成度，高性能的芯片。它可以多段录音，采样率在4～12k间调节，供电范围可以在2.4～5.5V之间。  ISD1760系列录放芯片可工作于独立按键模式和SPI控制模式。芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示，双运作模式，以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等全方位整合系统功能。芯片内的存储管理系统可以管理多段语音，这样在独立按键模式下也能进行多段语音录放。录音数据存储在芯片的FLASH内，没有经过任何压缩，所以有较好的音质和断电存储。
    语音录放电路如图2所示，语音录放模块电路采用按键工作模式，使得录放电路非常简单，且功能强大。不仅有录、放功能，还有语音擦除、音量控制、直通话音和复位等功能。按下REC键，REC管脚电平变低后开始录音，直到松开按键使电平拉高或芯片录满时结束。录音结束后，录音指针自动移向下一个有效地址。而放音指针则指向刚刚录完的那段语音地址，放音操作有两种模式：边沿触发和电平触发，都是由／PLAY管脚触发，在本设计中，放音操作采用电平放音模式，通过单片机控制PLAY管脚电平持续为低，芯片内所有语音信息播放出来，并且循环播放直到PLAY管脚电平拉高。

    当水闸控制室无人监控时，通过ISD1760播放报警信息，通知周围渔船迅速撤离；当水闸控制室有人监控或者在危急情况下，通过ISD17 60的直通方式，直接进行人工喊话示警。语音报警和人工示警相结合，提高了语音报警系统的效率。
2．3 音频放大模块
    在语音信号的传输过程中，尤其是在本系统中，需要将声音传播到一定距离之外的地方，往往会遇到噪声干扰信号太大淹没有用信号的现象。针对这种情况，采用了既能增大有用信号又能抑制噪声的语音放大电路来解决这一问题。
    本设计中选用有源带通滤波电路和功率放大电路来实现音频的放大。符合一定指标(频率范围300～3 000 Hz，整个通带增益为8 dB)的有源带通滤波器非常适合语音增大，音频功率放大器LM386主要作用是向负载提供功率，使得输出功率尽可能的大，转换效率尽可能高，非线性失真尽可能小。基于音频功率放大器LM386的音频放大电路如图3所示。

2．4 通信模块
    本系统需要传输信息的距离为500～1 000m，由于RS-232接口标准存在传输速率慢、传送距离短的缺点，很难满足系统的实时性要求和远距离传输的指标，所以采用RS-485接口，RS-485接口标准在通信速率、传输距离、多级连接等方面均有了非常大的提高，RS-485的标准传输距离可达1200m，能够满足本设计的要求。由于PC机不具备485接口，所以必须通过232／485转接设备连接到485总线。通过此通信模块，水闸语音报警系统可以接收水闸控制中心发送的指令，执行相关操作后开始语音报警：10分钟后，控制中心开闸放水。
2．5 水闸控制中心
    本语音报警系统需要水闸控制中心的参与，才能发挥更好的作用。本系统中水闸控制中心所起的功能如下：在开闸前10分钟，水闸控制中心通过通信模块发送一个查询语音报警系统状态是否空闲的指令，如果报警系统处于空闲状态，则反馈给水闸控制中心一个空闲确认信号，控制中心接收到该回馈信号后发送指令，报警系统收到此命令后分析是什么指令。如果是报警信号，则调用报警函数，开始报警提示周围渔船离开，如果是直通信号，则进入直通语音方式进行人工喊话示警，如果是其他信号，则退出扫描，结束此次操作。上述报警和直通两种信号分别对应于水闸控制中心无人监控和有人监控情况下。如果执行的是上述两种指令，则10分钟后水闸控制中心开闸放水。

3 系统软件设计
    水闸语音报警系统的软件设计是整个语音报警系统可靠运行的关键。硬件部分设计完成后，需要设计相应功能的软件，通过软硬件结合才能将该系统的功能完整的发挥出来。本设计中单片机主要负责数据的显示，判断，发送开闸指令以及对ISD1760语音芯片的控制，这些工作都需要相应的程序来实现。为了能够充分利用ISD1760语音芯片的功能，在录制声音前，要计算好每段语音的时间才能确定需要调用的延时程序。对系统初始化后，如果需要录制报警信息，则按下录音键，启动录音功能，录制所需要的语音报警信息，本系统中因为不需要经常录音，所以录音功能被独立出去。此处需要注意的是录音时间不能超过预先设定的每段语音的时间。当水闸控制室无人监控时，由水闸控制中心控制语音报警系统报警，调用报警函数播放报警信息3次；当水闸控制室有人监控或情况危急情况下，可以通过ISD1760的直通方式直接进行人工喊话示警。图4是水闸语音报警系统程序流程图。

4 结束语
    此水闸语音报警系统经过调试使用，能够很好地应用于巢湖市裕溪水闸安全方面，有效地保证了裕溪水闸开闸放水时下游渔船的安全，减少了水闸附近渔船发生危险的事故数，从而避免不必要的伤亡和损失。该系统可以再增加一些功能，譬如结合电话机实现远程语音报警，结合Modem实现远程计算机监控，通过无线传输信息等；该水闸语音报警系统也可以经过改装，应用于油田、电信、电力等无人值守设备的故障报警。