摘要：以AT89C51為核心，采用直接模擬存儲技術DAST芯片ISDl420和8位A／D轉換器ADC0809，設計了一種多路語音報警系統(tǒng)，包括信號放大、處理電路，A／D轉換模塊，語音報警模塊、數(shù)碼顯示模塊、按鍵輸入模塊等。系統(tǒng)具有一定通用性、穩(wěn)定可靠，可廣泛應用于各種監(jiān)測系統(tǒng)中。
關鍵詞：語音報警；單片機；ISDl420；ADC0809

    語音報警系統(tǒng)廣泛應用于礦井、糧倉溫度測量及控制、溫室溫度采集和控制、火災語音報警系統(tǒng)等。本系統(tǒng)功能是進行信號檢測和語音報警，包括運算放大器、A／D轉換模塊、語音錄放模塊、輸出控制模塊、顯示模塊和繼電器驅動以及控制電路等部分。單片機主要負責數(shù)據(jù)采集、顯示和判斷，以及對ISDl420語音芯片控制，系統(tǒng)硬件框圖，如圖1所示。

1 基于ISDl420的語音報警模塊
    ISDl420為ISD公司出品的優(yōu)質單片語音錄放電路，單片錄放時間8～20 s音質較好。芯片采用CMOS技術，內含振蕩器、話筒前置放大、自動增益控制、防混淆濾波器、平滑濾波器、揚聲器驅動及EEPROM陣列。在錄放操作結束后，芯片自動進入低功耗節(jié)電模式、功耗僅0．5μW。芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術，每個采樣直接存儲在片內EEPROM單元中，因能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調各效果，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。采樣頻率為5．3 kHz，6．4 kHz和8．0 kHz，對音質僅有輕微影響。片內信息可保存100年(無需后備電源)，EEPROM單片可反復錄音10萬次。
1．1 ISDl420的工作原理
    ISDl420是采用模擬存取技術集成的可反復錄放的20 s語音芯片，掉電語音不丟失，最大可分為160段，最小每段語音長度為125 ms，每段語音都可由地址線控制輸出，每125 ms為一個地址，由A0～A7這8根地址線控制，地址語音控制表，如表1所示。用戶錄制的語音每段結束后芯片自動設有段結束標志(EOM)，芯片錄滿后設有溢出標志(OVF)。用單片機控制電路按某一段的起始地址進行放音操作，遇到段結束標志(EOM)即自動停止放音，單片機收到段結束標志(EOM)就開始觸發(fā)下一段語音的起始地址，如此控制，即可以將很多不同段的語音組合成一句話放音出來，實現(xiàn)語音的自動組合。
    用戶可以通過專用ISDl420語音編程拷貝機將需要的語音分段編程、連續(xù)錄制到芯片中，每段語音長度不限，制成語音源片后，將源片的錄音端封住不讓其再做錄音操作，再由單片機電路控制放音。首先，單片機將ISDl420語音芯片完整搜索一遍，自動找出每一段的起始地址，按分段順序編號存入外置的串行存儲器中；然后用戶通過單片機串口發(fā)出指令，單片機即將這些段的編號、地址調出，依次向語音芯片發(fā)出首地址、放音該段、該段結束，單片機收到EOM標志后單片機發(fā)出下一段語音的首地址、放音該段，如此工作，直到要求的一句話合成完畢。
    這種控制方式有較強的通用性和方便性，它不需要事先規(guī)定每段語音的時間長度和總段數(shù)，甚至不需要知道每段語音在ISDl420芯片上的具體地址，只要用戶記住錄入語音的段順序即可控制各段語音的自由組合。

    ISDl420系列內置了若了干操作模式，可用最少的外圍器件實現(xiàn)最多的功能。操作模式也由地址端控制，當A7和A6都為l時，其它地址端置高就選擇某個(或某幾個)模式。因為操作模式和直接尋址互相排斥。操作模式可由微控制器或硬件實現(xiàn)。ISDl420操作模式簡表如表2所示。使用操作模式有兩點注意：(1)所有操作都從O地址，即存儲空間的起始端開始。后續(xù)操作根據(jù)所選用的模式可從其它的地址開始。此外，A4模式中，當電路由錄轉為放時地址計數(shù)器復位為0，而由放轉為錄則不復位；(2)當控制信號(PLAYL，PLAYE或REC)變低，同時A6和A7為高時，執(zhí)行操作模式。這種操作模式一直有效，除非控制信號再次由高變低，芯片重新鎖存當前的地址／模式端電平，然后執(zhí)行相應操作。

1．2 ISDl420語音報警電路的設計
    為了使系統(tǒng)能夠對語音進行分段控制，設計一個ISDl420與單片機的接口電路，ISDl420的地址段A0～A7由單片機的IO口控制。具體的電路，如圖2所示。錄制信息時：將REC電平變低，從內部存儲器空間開始錄制信息。如果REC保持低電平，錄音操作一直持續(xù)到存儲器空間錄滿，這時錄音結束。如果REC變?yōu)楦唠娖?，電路將自動進入掉電模式。邊緣啟動放音時：將PLAYE變低，從存儲器開始或選定的位置開始放音。PLAYE的上升沿對操作沒有影響。如果存儲器內部全部錄滿信息，則可以播放內部全部信息。如果到達結束標志EOM，電路將停止放音并自動進入掉電模式。一個新的PLAYE下降沿將觸發(fā)另一個從起始地址的錄音。電平觸發(fā)放音時：將PLAYL變低，將從存儲器開始或選定的位置開始放音。如果存儲器內部全部錄滿信息，則可以播放內部全部信息。如果到達結束標志EOM，電路將停止放音并自動進入掉電模式。一個新的PLAYL下降沿將觸發(fā)另一個從起始地址的放音。錄音(中斷放音)時：REC引起的錄音操作優(yōu)先于其他操作。任何時間REC信號的變低將引起一次新的錄音操作，地址從起始地址或指定的地址開始，不論當前是否進行其他操作。RECLED操作時：在錄音操作時，RECLED將輸出低電平有效信號，可以驅動一個LED，表明現(xiàn)在正在錄音操作。如果整個存儲器空間錄滿，或REC變?yōu)楦唠娖浇Y束錄音，則RECLED將變?yōu)楦唠娖?。另外，在放音過程中，如果遇到一個EOF標志，RE-CLED總是輸出一個低電平脈沖。

2 ADC0809的數(shù)據(jù)采集電路的設計
    A／D轉換接口是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道中的一個重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集和轉換系統(tǒng)從一個或幾個信號源中采集模擬信號，并將這些信號通過A／D轉換接口轉換成數(shù)字信號，以便輸入單片機，為進一步的數(shù)據(jù)處理做好準備。為滿足系統(tǒng)要求，簡化數(shù)據(jù)采集電路，本設計采用ADC0-809模數(shù)轉換器對模擬信號進行轉換。
    ADC0809芯片的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。START上升沿將逐次逼近寄存器復位，下降沿啟動A／D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A／D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続／D轉換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器。這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平時，打開三態(tài)輸出鎖存器，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。與51單片機的接口電路，如圖3所示，采用中斷方式，轉換完成的狀態(tài)信號：EOC引腳經(jīng)過一個反相器接在單片機的引腳上，轉換結束后，EOC=1，經(jīng)過反相后為0，可以向單片機發(fā)出中斷請求。

3 數(shù)碼顯示模塊
    LED動態(tài)顯示電路占用單片機的I／O口資源很少，把所有LED顯示器的8個筆畫段a～g和dp的各段同名端互相連接起來，并把它接到輸出口上。為了防止各顯示器顯示同樣的數(shù)字，各個顯示器應該輪流顯示，在某一刻只能是其中的一個數(shù)碼管點亮。因此每個數(shù)碼管的COM端還要受到另一信號的控制，可以接到另一個I／O輸出口上，某一個時刻只讓其中一個COM出現(xiàn)低電平點亮共陰數(shù)碼管。這樣，對一組LED數(shù)碼管顯示器需要兩組信號控制：段碼控制顯示的字形；位碼選擇第幾個顯示器工作。在這兩組信號的作用下，可以使各顯示器顯示各自的字符，當然這些字符不是同時顯示的，但由于人眼存在視覺暫留，加上發(fā)光二極管的余輝效應，只要掃描的速度足夠快，每位顯示的間隔時間足夠短，就可以給人同時顯示的感覺，而不會有閃爍感。系統(tǒng)中，由74LSl64串-并轉換擴展I／O，DsDat連接AT89C51的RXD，DsClk連接AT89C5l的TXD，GW，SW，BW和QW分別接AT89C5l的P1.0～P1.3，采用LED動態(tài)顯示，如圖4所示。

4 單片機控制軟件的設計
4．1 ADC0809數(shù)據(jù)采集程序
    為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和單片機的工作效率，在設計數(shù)據(jù)采集電路時，采用了定時采集加中斷的方式，這樣既可以任意設定采集的間隔時間，又不妨礙單片機執(zhí)行其他程序。程序的詳細流程圖，如圖5所示。

4．2 ISDl420語音芯片控制程序
    為了充分利用ISDl420的語音分段程序，使語音資源的利用率提高。設計中將語音程序獨立編寫、調試，在系統(tǒng)需要語音報警時，只需通過P0口給出不同的放音地址，調用語音播放程序就能實現(xiàn)智能語音報警。這部分的程序比較簡單，主要是邏輯配合與精確延時程序的編寫。在錄制聲音前，要計算好每段語音的時間才能確定需要調用的延時程序。圖6是該部分程序的流程圖。

4．3鍵盤和顯示程序
    系統(tǒng)的鍵盤采用了獨立式鍵盤并采用查詢方式，根據(jù)獨立式鍵盤的特點，程序必須不停地對鍵盤接口進行查詢。LED顯示采用動態(tài)顯示，并采用74LSl64作為I／O擴展以節(jié)約單片機的I／O口資源。鍵盤程序和動態(tài)顯示程序的流程，如圖7所示。

5 結束語
    此多路語音報警系統(tǒng)經(jīng)過電路測試、軟件調試和系統(tǒng)組裝，可以實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集和語音報警，穩(wěn)定可靠?？蓮V泛應用于礦井、糧倉、石油工程、電站、隧道和大壩等領域的監(jiān)測系統(tǒng)中。