摘要：以AT89C51為核心，采用直接模擬存儲(chǔ)技術(shù)DAST芯片ISDl420和8位A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809，設(shè)計(jì)了一種多路語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)，包括信號(hào)放大、處理電路，A／D轉(zhuǎn)換模塊，語(yǔ)音報(bào)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(yīng)用于各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：語(yǔ)音報(bào)警；單片機(jī)；ISDl420；ADC0809

    語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于礦井、糧倉(cāng)溫度測(cè)量及控制、溫室溫度采集和控制、火災(zāi)語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)等。本系統(tǒng)功能是進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)和語(yǔ)音報(bào)警，包括運(yùn)算放大器、A／D轉(zhuǎn)換模塊、語(yǔ)音錄放模塊、輸出控制模塊、顯示模塊和繼電器驅(qū)動(dòng)以及控制電路等部分。單片機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、顯示和判斷，以及對(duì)ISDl420語(yǔ)音芯片控制，系統(tǒng)硬件框圖，如圖1所示。

1 基于ISDl420的語(yǔ)音報(bào)警模塊
    ISDl420為ISD公司出品的優(yōu)質(zhì)單片語(yǔ)音錄放電路，單片錄放時(shí)間8～20 s音質(zhì)較好。芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、話筒前置放大、自動(dòng)增益控制、防混淆濾波器、平滑濾波器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)及EEPROM陣列。在錄放操作結(jié)束后，芯片自動(dòng)進(jìn)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(chǔ)專利技術(shù)，每個(gè)采樣直接存儲(chǔ)在片內(nèi)EEPROM單元中，因能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)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(duì)音質(zhì)僅有輕微影響。片內(nèi)信息可保存100年(無(wú)需后備電源)，EEPROM單片可反復(fù)錄音10萬(wàn)次。
1．1 ISDl420的工作原理
    ISDl420是采用模擬存取技術(shù)集成的可反復(fù)錄放的20 s語(yǔ)音芯片，掉電語(yǔ)音不丟失，最大可分為160段，最小每段語(yǔ)音長(zhǎng)度為125 ms，每段語(yǔ)音都可由地址線控制輸出，每125 ms為一個(gè)地址，由A0～A7這8根地址線控制，地址語(yǔ)音控制表，如表1所示。用戶錄制的語(yǔ)音每段結(jié)束后芯片自動(dòng)設(shè)有段結(jié)束標(biāo)志(EOM)，芯片錄滿后設(shè)有溢出標(biāo)志(OVF)。用單片機(jī)控制電路按某一段的起始地址進(jìn)行放音操作，遇到段結(jié)束標(biāo)志(EOM)即自動(dòng)停止放音，單片機(jī)收到段結(jié)束標(biāo)志(EOM)就開(kāi)始觸發(fā)下一段語(yǔ)音的起始地址，如此控制，即可以將很多不同段的語(yǔ)音組合成一句話放音出來(lái)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的自動(dòng)組合。
    用戶可以通過(guò)專用ISDl420語(yǔ)音編程拷貝機(jī)將需要的語(yǔ)音分段編程、連續(xù)錄制到芯片中，每段語(yǔ)音長(zhǎng)度不限，制成語(yǔ)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(jī)電路控制放音。首先，單片機(jī)將ISDl420語(yǔ)音芯片完整搜索一遍，自動(dòng)找出每一段的起始地址，按分段順序編號(hào)存入外置的串行存儲(chǔ)器中；然后用戶通過(guò)單片機(jī)串口發(fā)出指令，單片機(jī)即將這些段的編號(hào)、地址調(diào)出，依次向語(yǔ)音芯片發(fā)出首地址、放音該段、該段結(jié)束，單片機(jī)收到EOM標(biāo)志后單片機(jī)發(fā)出下一段語(yǔ)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。[!--empirenews.page--]
    這種控制方式有較強(qiáng)的通用性和方便性，它不需要事先規(guī)定每段語(yǔ)音的時(shí)間長(zhǎng)度和總段數(shù)，甚至不需要知道每段語(yǔ)音在ISDl420芯片上的具體地址，只要用戶記住錄入語(yǔ)音的段順序即可控制各段語(yǔ)音的自由組合。

    ISDl420系列內(nèi)置了若了干操作模式，可用最少的外圍器件實(shí)現(xiàn)最多的功能。操作模式也由地址端控制，當(dāng)A7和A6都為l時(shí)，其它地址端置高就選擇某個(gè)(或某幾個(gè))模式。因?yàn)椴僮髂Ｊ胶椭苯訉ぶ坊ハ嗯懦?。操作模式可由微控制器或硬件?shí)現(xiàn)。ISDl420操作模式簡(jiǎn)表如表2所示。使用操作模式有兩點(diǎn)注意：(1)所有操作都從O地址，即存儲(chǔ)空間的起始端開(kāi)始。后續(xù)操作根據(jù)所選用的模式可從其它的地址開(kāi)始。此外，A4模式中，當(dāng)電路由錄轉(zhuǎn)為放時(shí)地址計(jì)數(shù)器復(fù)位為0，而由放轉(zhuǎn)為錄則不復(fù)位；(2)當(dāng)控制信號(hào)(PLAYL，PLAYE或REC)變低，同時(shí)A6和A7為高時(shí)，執(zhí)行操作模式。這種操作模式一直有效，除非控制信號(hào)再次由高變低，芯片重新鎖存當(dāng)前的地址／模式端電平，然后執(zhí)行相應(yīng)操作。

1．2 ISDl420語(yǔ)音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)
    為了使系統(tǒng)能夠?qū)φZ(yǔ)音進(jìn)行分段控制，設(shè)計(jì)一個(gè)ISDl420與單片機(jī)的接口電路，ISDl420的地址段A0～A7由單片機(jī)的IO口控制。具體的電路，如圖2所示。錄制信息時(shí)：將REC電平變低，從內(nèi)部存儲(chǔ)器空間開(kāi)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(chǔ)器空間錄滿，這時(shí)錄音結(jié)束。如果REC變?yōu)楦唠娖剑娐穼⒆詣?dòng)進(jìn)入掉電模式。邊緣啟動(dòng)放音時(shí)：將PLAYE變低，從存儲(chǔ)器開(kāi)始或選定的位置開(kāi)始放音。PLAYE的上升沿對(duì)操作沒(méi)有影響。如果存儲(chǔ)器內(nèi)部全部錄滿信息，則可以播放內(nèi)部全部信息。如果到達(dá)結(jié)束標(biāo)志EOM，電路將停止放音并自動(dòng)進(jìn)入掉電模式。一個(gè)新的PLAYE下降沿將觸發(fā)另一個(gè)從起始地址的錄音。電平觸發(fā)放音時(shí)：將PLAYL變低，將從存儲(chǔ)器開(kāi)始或選定的位置開(kāi)始放音。如果存儲(chǔ)器內(nèi)部全部錄滿信息，則可以播放內(nèi)部全部信息。如果到達(dá)結(jié)束標(biāo)志EOM，電路將停止放音并自動(dòng)進(jìn)入掉電模式。一個(gè)新的PLAYL下降沿將觸發(fā)另一個(gè)從起始地址的放音。錄音(中斷放音)時(shí)：REC引起的錄音操作優(yōu)先于其他操作。任何時(shí)間REC信號(hào)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(kāi)始，不論當(dāng)前是否進(jìn)行其他操作。RECLED操作時(shí)：在錄音操作時(shí)，RECLED將輸出低電平有效信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED，表明現(xiàn)在正在錄音操作。如果整個(gè)存儲(chǔ)器空間錄滿，或REC變?yōu)楦唠娖浇Y(jié)束錄音，則RECLED將變?yōu)楦唠娖?。另外，在放音過(guò)程中，如果遇到一個(gè)EOF標(biāo)志，RE-CLED總是輸出一個(gè)低電平脈沖。

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2 ADC0809的數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)
    A／D轉(zhuǎn)換接口是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)從一個(gè)或幾個(gè)信號(hào)源中采集模擬信號(hào)，并將這些信號(hào)通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便輸入單片機(jī)，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備。為滿足系統(tǒng)要求，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集電路，本設(shè)計(jì)采用ADC0-809模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
    ADC0809芯片的工作過(guò)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(fù)位，下降沿啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器。這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。與51單片機(jī)的接口電路，如圖3所示，采用中斷方式，轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)：EOC引腳經(jīng)過(guò)一個(gè)反相器接在單片機(jī)的引腳上，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC=1，經(jīng)過(guò)反相后為0，可以向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。

3 數(shù)碼顯示模塊
    LED動(dòng)態(tài)顯示電路占用單片機(jī)的I／O口資源很少，把所有LED顯示器的8個(gè)筆畫(huà)段a～g和dp的各段同名端互相連接起來(lái)，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(gè)顯示器應(yīng)該輪流顯示，在某一刻只能是其中的一個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮。因此每個(gè)數(shù)碼管的COM端還要受到另一信號(hào)的控制，可以接到另一個(gè)I／O輸出口上，某一個(gè)時(shí)刻只讓其中一個(gè)COM出現(xiàn)低電平點(diǎn)亮共陰數(shù)碼管。這樣，對(duì)一組LED數(shù)碼管顯示器需要兩組信號(hào)控制：段碼控制顯示的字形；位碼選擇第幾個(gè)顯示器工作。在這兩組信號(hào)的作用下，可以使各顯示器顯示各自的字符，當(dāng)然這些字符不是同時(shí)顯示的，但由于人眼存在視覺(jué)暫留，加上發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，只要掃描的速度足夠快，每位顯示的間隔時(shí)間足夠短，就可以給人同時(shí)顯示的感覺(jué)，而不會(huì)有閃爍感。系統(tǒng)中，由74LSl64串-并轉(zhuǎn)換擴(kuò)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(dòng)態(tài)顯示，如圖4所示。

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4 單片機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)
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(jī)的工作效率，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路時(shí)，采用了定時(shí)采集加中斷的方式，這樣既可以任意設(shè)定采集的間隔時(shí)間，又不妨礙單片機(jī)執(zhí)行其他程序。程序的詳細(xì)流程圖，如圖5所示。

4．2 ISDl420語(yǔ)音芯片控制程序
    為了充分利用ISDl420的語(yǔ)音分段程序，使語(yǔ)音資源的利用率提高。設(shè)計(jì)中將語(yǔ)音程序獨(dú)立編寫(xiě)、調(diào)試，在系統(tǒng)需要語(yǔ)音報(bào)警時(shí)，只需通過(guò)P0口給出不同的放音地址，調(diào)用語(yǔ)音播放程序就能實(shí)現(xiàn)智能語(yǔ)音報(bào)警。這部分的程序比較簡(jiǎn)單，主要是邏輯配合與精確延時(shí)程序的編寫(xiě)。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。圖6是該部分程序的流程圖。

4．3鍵盤(pán)和顯示程序
    系統(tǒng)的鍵盤(pán)采用了獨(dú)立式鍵盤(pán)并采用查詢方式，根據(jù)獨(dú)立式鍵盤(pán)的特點(diǎn)，程序必須不停地對(duì)鍵盤(pán)接口進(jìn)行查詢。LED顯示采用動(dòng)態(tài)顯示，并采用74LSl64作為I／O擴(kuò)展以節(jié)約單片機(jī)的I／O口資源。鍵盤(pán)程序和動(dòng)態(tài)顯示程序的流程，如圖7所示。

5 結(jié)束語(yǔ)
    此多路語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)經(jīng)過(guò)電路測(cè)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)組裝，可以實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集和語(yǔ)音報(bào)警，穩(wěn)定可靠?？蓮V泛應(yīng)用于礦井、糧倉(cāng)、石油工程、電站、隧道和大壩等領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。