摘要：為避免水閘附近漁船在水閘開閘放水時(shí)被上游的水沖走，設(shè)計(jì)出一種水閘語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于單片機(jī)AT89S52和語(yǔ)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(yuǎn)程水閘控制中心發(fā)送的指令，判斷指令的種類，給予相應(yīng)的報(bào)警提示，同時(shí)控制水閘上方的報(bào)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(shí)際應(yīng)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(xiǎn)的事故數(shù)，達(dá)到了避免不必要的傷亡和損失的要求。
關(guān)鍵詞：語(yǔ)音報(bào)警；ISD1760；AT89S52；水閘

    隨著水利管理現(xiàn)代化的提高，水閘遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制逐漸普及。由于閘室采用無人值守運(yùn)行方式，水閘開閘放水時(shí)，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(xiǎn)情況的發(fā)生，需要設(shè)計(jì)一個(gè)水閘開閘報(bào)警系統(tǒng)。傳統(tǒng)的語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)通過語(yǔ)音合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警，但這樣的報(bào)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性較差，而且系統(tǒng)也比較復(fù)雜，不適用于對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求很高的水閘報(bào)警方面。現(xiàn)在市場(chǎng)上有很多報(bào)警系統(tǒng)，雖說性能較好，但其技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，且不易安裝和操作，而現(xiàn)在的單片機(jī)技術(shù)比較成熟，價(jià)格也比較低，所以采用單片機(jī)的語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)能夠很好地平衡價(jià)格和性能，具有很高的實(shí)用性。因此本文提出了一種基于單片機(jī)和ISD1760的水閘語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)，目標(biāo)就是設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單實(shí)用易于操作而且可靠性較高的以單片機(jī)為控制芯片的自動(dòng)報(bào)警裝置。
    本系統(tǒng)具有錄制和播放報(bào)警信息功能，在開閘前10分鐘，通過通信模塊接收遠(yuǎn)程水閘控制中心的報(bào)警命令，自動(dòng)播放報(bào)警提示，同時(shí)控制水閘上方的報(bào)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(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)利用單片機(jī)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(shè)計(jì)
2．1 核心處理模塊
    核心處理模塊是水閘語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)工作的核心，它不僅要對(duì)語(yǔ)音錄放進(jìn)行控制，還要向計(jì)算機(jī)發(fā)送開閘指令。核心處理模塊主要由單片機(jī)，鍵盤，顯示電路等組成。其中，單片機(jī)是核心處理模塊的核心部分，其主要任務(wù)是配合軟件來實(shí)現(xiàn)語(yǔ)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(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)功能需要、性價(jià)比、程序的數(shù)據(jù)量和接口電路等多方面考慮，本設(shè)計(jì)選用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)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(jī)界面，便于查詢時(shí)間，輸入控制參數(shù)，本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式鍵盤來進(jìn)行系統(tǒng)控制參數(shù)修改，并通過LCD1602來顯示。本設(shè)計(jì)中LCD1602主要顯示以下幾個(gè)部分：當(dāng)前距離開閘所剩時(shí)間；當(dāng)前語(yǔ)音芯片的工作狀態(tài)：開閘倒計(jì)時(shí)時(shí)間的設(shè)置。
    為了能夠更有效地讓附近水域的漁民注意到報(bào)警信息，在水閘上方高處設(shè)置一個(gè)大的指示燈，當(dāng)開始語(yǔ)音報(bào)警或者人工示警時(shí)，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(shí)在報(bào)警通知他們迅速離開。
2．2 語(yǔ)音錄放模塊
    語(yǔ)音信號(hào)是模擬量，語(yǔ)音芯片存儲(chǔ)播放聲音的基本方式為：聲音-模擬量-A／D-存儲(chǔ)-D／A-模擬量-播放，采用此方式的語(yǔ)音芯片外圍電路比較復(fù)雜，聲音質(zhì)量也有一定的失真，不適用于對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性很高的水閘語(yǔ)音報(bào)警方面；而另一類語(yǔ)音芯片采用E2PROM存儲(chǔ)方法，將模擬語(yǔ)音數(shù)據(jù)直接寫入半導(dǎo)體存儲(chǔ)單元中，不需要另加A／D和D／A變換電路，使用方便且語(yǔ)音質(zhì)量很自然，語(yǔ)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(dú)立按鍵模式和SPI控制模式。芯片提供多項(xiàng)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(yùn)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(dòng)增益控制、麥克風(fēng)前置擴(kuò)大器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)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(chǔ)管理系統(tǒng)可以管理多段語(yǔ)音，這樣在獨(dú)立按鍵模式下也能進(jìn)行多段語(yǔ)音錄放。錄音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)。
    語(yǔ)音錄放電路如圖2所示，語(yǔ)音錄放模塊電路采用按鍵工作模式，使得錄放電路非常簡(jiǎn)單，且功能強(qiáng)大。不僅有錄、放功能，還有語(yǔ)音擦除、音量控制、直通話音和復(fù)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(shí)結(jié)束。錄音結(jié)束后，錄音指針自動(dòng)移向下一個(gè)有效地址。而放音指針則指向剛剛錄完的那段語(yǔ)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(shè)計(jì)中，放音操作采用電平放音模式，通過單片機(jī)控制PLAY管腳電平持續(xù)為低，芯片內(nèi)所有語(yǔ)音信息播放出來，并且循環(huán)播放直到PLAY管腳電平拉高。

    當(dāng)水閘控制室無人監(jiān)控時(shí)，通過ISD1760播放報(bào)警信息，通知周圍漁船迅速撤離；當(dāng)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(jìn)行人工喊話示警。語(yǔ)音報(bào)警和人工示警相結(jié)合，提高了語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)的效率。
2．3 音頻放大模塊
    在語(yǔ)音信號(hào)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(huì)遇到噪聲干擾信號(hào)太大淹沒有用信號(hào)的現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，采用了既能增大有用信號(hào)又能抑制噪聲的語(yǔ)音放大電路來解決這一問題。
    本設(shè)計(jì)中選用有源帶通濾波電路和功率放大電路來實(shí)現(xiàn)音頻的放大。符合一定指標(biāo)(頻率范圍300～3 000 Hz，整個(gè)通帶增益為8 dB)的有源帶通濾波器非常適合語(yǔ)音增大，音頻功率放大器LM386主要作用是向負(fù)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。基于音頻功率放大器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(biāo)準(zhǔn)存在傳輸速率慢、傳送距離短的缺點(diǎn)，很難滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹笜?biāo)，所以采用RS-485接口，RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)在通信速率、傳輸距離、多級(jí)連接等方面均有了非常大的提高，RS-485的標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離可達(dá)1200m，能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求。由于PC機(jī)不具備485接口，所以必須通過232／485轉(zhuǎn)接設(shè)備連接到485總線。通過此通信模塊，水閘語(yǔ)音報(bào)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(guān)操作后開始語(yǔ)音報(bào)警：10分鐘后，控制中心開閘放水。
2．5 水閘控制中心
    本語(yǔ)音報(bào)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(gè)查詢語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)狀態(tài)是否空閑的指令，如果報(bào)警系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，則反饋給水閘控制中心一個(gè)空閑確認(rèn)信號(hào)，控制中心接收到該回饋信號(hào)后發(fā)送指令，報(bào)警系統(tǒng)收到此命令后分析是什么指令。如果是報(bào)警信號(hào)，則調(diào)用報(bào)警函數(shù)，開始報(bào)警提示周圍漁船離開，如果是直通信號(hào)，則進(jìn)入直通語(yǔ)音方式進(jìn)行人工喊話示警，如果是其他信號(hào)，則退出掃描，結(jié)束此次操作。上述報(bào)警和直通兩種信號(hào)分別對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)
    水閘語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。硬件部分設(shè)計(jì)完成后，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)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(shè)計(jì)中單片機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示，判斷，發(fā)送開閘指令以及對(duì)ISD1760語(yǔ)音芯片的控制，這些工作都需要相應(yīng)的程序來實(shí)現(xiàn)。為了能夠充分利用ISD1760語(yǔ)音芯片的功能，在錄制聲音前，要計(jì)算好每段語(yǔ)音的時(shí)間才能確定需要調(diào)用的延時(shí)程序。對(duì)系統(tǒng)初始化后，如果需要錄制報(bào)警信息，則按下錄音鍵，啟動(dòng)錄音功能，錄制所需要的語(yǔ)音報(bào)警信息，本系統(tǒng)中因?yàn)椴恍枰?jīng)常錄音，所以錄音功能被獨(dú)立出去。此處需要注意的是錄音時(shí)間不能超過預(yù)先設(shè)定的每段語(yǔ)音的時(shí)間。當(dāng)水閘控制室無人監(jiān)控時(shí)，由水閘控制中心控制語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警，調(diào)用報(bào)警函數(shù)播放報(bào)警信息3次；當(dāng)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(jìn)行人工喊話示警。圖4是水閘語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)程序流程圖。

4 結(jié)束語(yǔ)
    此水閘語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試使用，能夠很好地應(yīng)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(shí)下游漁船的安全，減少了水閘附近漁船發(fā)生危險(xiǎn)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(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程語(yǔ)音報(bào)警，結(jié)合Modem實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控，通過無線傳輸信息等；該水閘語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)也可以經(jīng)過改裝，應(yīng)用于油田、電信、電力等無人值守設(shè)備的故障報(bào)警。