摘要：為避免水閘附近漁船在水閘開閘放水時被上游的水沖走，設計出一種水閘語音報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于單片機AT89S52和語音芯片ISD17 60，在開閘前10分鐘，通過系統(tǒng)的通信模塊接收遠程水閘控制中心發(fā)送的指令，判斷指令的種類，給予相應的報警提示，同時控制水閘上方的報警指示燈閃亮，通知水閘附近的船只迅速撤離到安全水域。在巢湖市裕溪水閘實際應用中，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作，有效地減少了水閘附近漁船發(fā)生危險的事故數(shù)，達到了避免不必要的傷亡和損失的要求。
關鍵詞：語音報警；ISD1760；AT89S52；水閘
隨著水利管理現(xiàn)代化的提高，水閘遠程自動化控制逐漸普及。由于閘室采用無人值守運行方式，水閘開閘放水時，存在下游漁船被放水沖擊而翻船，上游船只被水流帶人到閘孔中的安全隱患。
為了避免上述危險情況的發(fā)生，需要設計一個水閘開閘報警系統(tǒng)。傳統(tǒng)的語音報警系統(tǒng)通過語音合成技術實現(xiàn)語音報警，但這樣的報警系統(tǒng)實時性和可靠性較差，而且系統(tǒng)也比較復雜，不適用于對實時性和可靠性要求很高的水閘報警方面?，F(xiàn)在市場上有很多報警系統(tǒng)，雖說性能較好，但其技術復雜，價格昂貴，且不易安裝和操作，而現(xiàn)在的單片機技術比較成熟，價格也比較低，所以采用單片機的語音報警系統(tǒng)能夠很好地平衡價格和性能，具有很高的實用性。因此本文提出了一種基于單片機和ISD1760的水閘語音報警系統(tǒng)，目標就是設計一種簡單實用易于操作而且可靠性較高的以單片機為控制芯片的自動報警裝置。
本系統(tǒng)具有錄制和播放報警信息功能，在開閘前10分鐘，通過通信模塊接收遠程水閘控制中心的報警命令，自動播放報警提示，同時控制水閘上方的報警指示燈閃亮，通知水閘附近的船只迅速撤離到安全水域。
1 系統(tǒng)組成
水閘語音報警系統(tǒng)利用單片機作為控制中心，由核心處理模塊、通信模塊、錄放音模塊、音頻放大模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 核心處理模塊
核心處理模塊是水閘語音報警系統(tǒng)工作的核心，它不僅要對語音錄放進行控制，還要向計算機發(fā)送開閘指令。核心處理模塊主要由單片機，鍵盤，顯示電路等組成。其中，單片機是核心處理模塊的核心部分，其主要任務是配合軟件來實現(xiàn)語音的錄放功能、控制和調(diào)度其他模塊正常工作、向水閘控制中心發(fā)送開閘指令等工作。從水閘語音報警系統(tǒng)功能需要、性價比、程序的數(shù)據(jù)量和接口電路等多方面考慮，本設計選用ATMEL公司的AT89S52單片機作為控制器的核心。
顯示電路主要包括液晶顯示和指示燈顯示。本模塊中為了體現(xiàn)系統(tǒng)友好的人機界面，便于查詢時間，輸入控制參數(shù)，本設計采用獨立式鍵盤來進行系統(tǒng)控制參數(shù)修改，并通過LCD1602來顯示。本設計中LCD1602主要顯示以下幾個部分：當前距離開閘所剩時間；當前語音芯片的工作狀態(tài)：開閘倒計時時間的設置。
為了能夠更有效地讓附近水域的漁民注意到報警信息，在水閘上方高處設置一個大的指示燈，當開始語音報警或者人工示警時，指示燈閃亮，這樣水閘附近水域的人都能看到指示燈在閃亮，就知道此時在報警通知他們迅速離開。
2．2 語音錄放模塊
語音信號是模擬量，語音芯片存儲播放聲音的基本方式為：聲音-模擬量-A／D-存儲-D／A-模擬量-播放，采用此方式的語音芯片外圍電路比較復雜，聲音質(zhì)量也有一定的失真，不適用于對實時性和可靠性很高的水閘語音報警方面；而另一類語音芯片采用E2PROM存儲方法，將模擬語音數(shù)據(jù)直接寫入半導體存儲單元中，不需要另加A／D和D／A變換電路，使用方便且語音質(zhì)量很自然，語音芯片ISD1760就是這種芯片的典型代表。
ISD1700系列錄放芯片是一種高集成度，高性能的芯片。它可以多段錄音，采樣率在4～12k間調(diào)節(jié)，供電范圍可以在2.4～5.5V之間。 ISD1760系列錄放芯片可工作于獨立按鍵模式和SPI控制模式。芯片提供多項新功能，包括內(nèi)置專利的多信息管理系統(tǒng)，新信息提示，雙運作模式，以及可定制的信息操作指示音效。芯片內(nèi)部包含有自動增益控制、麥克風前置擴大器、揚聲器驅(qū)動線路、振蕩器與內(nèi)存等全方位整合系統(tǒng)功能。芯片內(nèi)的存儲管理系統(tǒng)可以管理多段語音，這樣在獨立按鍵模式下也能進行多段語音錄放。錄音數(shù)據(jù)存儲在芯片的FLASH內(nèi)，沒有經(jīng)過任何壓縮，所以有較好的音質(zhì)和斷電存儲。
語音錄放電路如圖2所示，語音錄放模塊電路采用按鍵工作模式，使得錄放電路非常簡單，且功能強大。不僅有錄、放功能，還有語音擦除、音量控制、直通話音和復位等功能。按下REC鍵，REC管腳電平變低后開始錄音，直到松開按鍵使電平拉高或芯片錄滿時結(jié)束。錄音結(jié)束后，錄音指針自動移向下一個有效地址。而放音指針則指向剛剛錄完的那段語音地址，放音操作有兩種模式：邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā)，都是由／PLAY管腳觸發(fā)，在本設計中，放音操作采用電平放音模式，通過單片機控制PLAY管腳電平持續(xù)為低，芯片內(nèi)所有語音信息播放出來，并且循環(huán)播放直到PLAY管腳電平拉高。
當水閘控制室無人監(jiān)控時，通過ISD1760播放報警信息，通知周圍漁船迅速撤離；當水閘控制室有人監(jiān)控或者在危急情況下，通過ISD17 60的直通方式，直接進行人工喊話示警。語音報警和人工示警相結(jié)合，提高了語音報警系統(tǒng)的效率。
2．3 音頻放大模塊
在語音信號的傳輸過程中，尤其是在本系統(tǒng)中，需要將聲音傳播到一定距離之外的地方，往往會遇到噪聲干擾信號太大淹沒有用信號的現(xiàn)象。針對這種情況，采用了既能增大有用信號又能抑制噪聲的語音放大電路來解決這一問題。
本設計中選用有源帶通濾波電路和功率放大電路來實現(xiàn)音頻的放大。符合一定指標(頻率范圍300～3 000 Hz，整個通帶增益為8 dB)的有源帶通濾波器非常適合語音增大，音頻功率放大器LM386主要作用是向負載提供功率，使得輸出功率盡可能的大，轉(zhuǎn)換效率盡可能高，非線性失真盡可能小?；谝纛l功率放大器LM386的音頻放大電路如圖3所示。
2．4 通信模塊
本系統(tǒng)需要傳輸信息的距離為500～1 000m，由于RS-232接口標準存在傳輸速率慢、傳送距離短的缺點，很難滿足系統(tǒng)的實時性要求和遠距離傳輸?shù)闹笜?，所以采用RS-485接口，RS-485接口標準在通信速率、傳輸距離、多級連接等方面均有了非常大的提高，RS-485的標準傳輸距離可達1200m，能夠滿足本設計的要求。由于PC機不具備485接口，所以必須通過232／485轉(zhuǎn)接設備連接到485總線。通過此通信模塊，水閘語音報警系統(tǒng)可以接收水閘控制中心發(fā)送的指令，執(zhí)行相關操作后開始語音報警：10分鐘后，控制中心開閘放水。
2．5 水閘控制中心
本語音報警系統(tǒng)需要水閘控制中心的參與，才能發(fā)揮更好的作用。本系統(tǒng)中水閘控制中心所起的功能如下：在開閘前10分鐘，水閘控制中心通過通信模塊發(fā)送一個查詢語音報警系統(tǒng)狀態(tài)是否空閑的指令，如果報警系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，則反饋給水閘控制中心一個空閑確認信號，控制中心接收到該回饋信號后發(fā)送指令，報警系統(tǒng)收到此命令后分析是什么指令。如果是報警信號，則調(diào)用報警函數(shù)，開始報警提示周圍漁船離開，如果是直通信號，則進入直通語音方式進行人工喊話示警，如果是其他信號，則退出掃描，結(jié)束此次操作。上述報警和直通兩種信號分別對應于水閘控制中心無人監(jiān)控和有人監(jiān)控情況下。如果執(zhí)行的是上述兩種指令，則10分鐘后水閘控制中心開閘放水。
3 系統(tǒng)軟件設計
水閘語音報警系統(tǒng)的軟件設計是整個語音報警系統(tǒng)可靠運行的關鍵。硬件部分設計完成后，需要設計相應功能的軟件，通過軟硬件結(jié)合才能將該系統(tǒng)的功能完整的發(fā)揮出來。本設計中單片機主要負責數(shù)據(jù)的顯示，判斷，發(fā)送開閘指令以及對ISD1760語音芯片的控制，這些工作都需要相應的程序來實現(xiàn)。為了能夠充分利用ISD1760語音芯片的功能，在錄制聲音前，要計算好每段語音的時間才能確定需要調(diào)用的延時程序。對系統(tǒng)初始化后，如果需要錄制報警信息，則按下錄音鍵，啟動錄音功能，錄制所需要的語音報警信息，本系統(tǒng)中因為不需要經(jīng)常錄音，所以錄音功能被獨立出去。此處需要注意的是錄音時間不能超過預先設定的每段語音的時間。當水閘控制室無人監(jiān)控時，由水閘控制中心控制語音報警系統(tǒng)報警，調(diào)用報警函數(shù)播放報警信息3次；當水閘控制室有人監(jiān)控或情況危急情況下，可以通過ISD1760的直通方式直接進行人工喊話示警。圖4是水閘語音報警系統(tǒng)程序流程圖。
4 結(jié)束語
此水閘語音報警系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試使用，能夠很好地應用于巢湖市裕溪水閘安全方面，有效地保證了裕溪水閘開閘放水時下游漁船的安全，減少了水閘附近漁船發(fā)生危險的事故數(shù)，從而避免不必要的傷亡和損失。該系統(tǒng)可以再增加一些功能，譬如結(jié)合電話機實現(xiàn)遠程語音報警，結(jié)合Modem實現(xiàn)遠程計算機監(jiān)控，通過無線傳輸信息等；該水閘語音報警系統(tǒng)也可以經(jīng)過改裝，應用于油田、電信、電力等無人值守設備的故障報警。