一種電子音響報警器的設計

王俊現

（上海自動化儀表股份有限公司上海200092）

核電報警系統是核電廠控制室重要的人機接口之一[1]。電子音響報警器是核電報警系統的重要組成部分。傳統的音響報警器一般采用專用音樂芯片來存儲報警聲音文件，電路構成復雜，且通用性不好，若想更改音樂文件很麻煩。本文中的報警音響器是一個具有4個輸入通道的報警發聲裝置。它采用單片機控制，把4個輸入通道分成不同的報警等級，每個通道經編碼開關可選擇十種不同的報警音調，以便區分不同的報警等級。當有兩種或者以上的報警音時，遵循高報警級的報警音優先級高于低報警級音，報警音高于恢復報警音。如系統中，既有一級報警信息，也有二級報警信息，則此時報警音為一級報警音[2]。音樂文件存儲在單片機內部存儲器中，更改起來很方便，重新燒寫程序即可。且電路實現起來非常簡單。

一般說來，單片機演奏音樂基本都是單音頻率，它不包含相應幅度的諧波頻率，也就是說不能象電子琴那樣能奏出多種音色的聲音。因此單片機奏樂只需弄清楚兩個概念即可，也就是“音調”和“節拍”。音調表示一個音符唱多高的頻率，節拍表示一個音符唱多長的時間。音符決定該音調的高低，節拍則決定了該音調是多少拍。因此，一個音調是由兩個字節組成的。根據音符字節產生該大小次數的延時，聲音輸出口取反，就可以得到該音調的高低音。根據設置單位節拍的延時大小，可以控制音樂演唱速度。因此算法很簡單：定義單片機的一個I/O端腳為聲音輸出口，在規定的節拍內，根據音符字節的大小產生延時，將聲音輸出口不斷的置高置低（即取反），就可以得到該音調。只要選取合適的單位節拍延時，就可以輸出動聽的音樂[3]。

1 硬件設計

1.1 硬件總體結構圖

音頻功放部分電路使用24 V直流電壓供電。使用7805可以將24 V轉換為5 V電壓，給單片機電路供電。單片機使用STC公司的單時鐘單片機STC12C5608AD，具有超強抗干擾能力，且速度很快。4路具有優先級的報警輸入信號經光耦隔離后輸入單片機。單片機使用8個IO口對編碼開關電路進行定時掃描，獲得各個編碼開關的狀態。單片機P3.7端口輸出一個PWM波形，驅動功放芯片，使揚聲器發出聲音。結構示意圖如圖1所示。下面分別介紹電源電路，單片機電路，報警輸入選擇電路，報警音樂選擇電路和功放電路。

1.2 電源電路

電源電路如圖2所示。24 V直流電壓通過接插件X6輸入。V19為防反接二極管。24 V電壓主要用于給音頻功放部分供電。24 V通過7805后，轉換為5 V電壓，主要用于給單片機部分供電。X4為發光二極管，用作電源指示燈。24 V通過R25和V1后，也可以提供給外部供電，用于提供報警輸入信號的正電壓。

圖1 報警音響器硬件結構示意圖Fig.1 Hardware structure of the audio alarmer

圖2 電源電路Fig.2 The power circuit

1.3 單片機電路

如圖3所示，單片機采用宏晶公司的單時鐘單片機STC 12C5608AD。具有超強抗干擾，超強抗靜電能力。可以用ISP功能使用電腦串口下載程序，無需編程器，使用起來非常方便[4]。雖然單片機內部也有振蕩器電路，但精度不高。因為輸出音樂編碼需要比較精確的定時，所以這里采用了外部6 M晶振。使用外部看門狗IMP813LCSA，程序跑飛時可以使單片機復位。單片機共有15個I/O口。這里用到了其中的14個，未用的P3.5端口接地。

圖3 單片機電路Fig.3 The microcontroller circuit

1.4 報警輸入選擇電路

如圖4所示，共有4路報警信號CH1～CH4，代表4路不同優先級的報警信號。COM為信號輸入的公共端，接輸入信號低電平。輸入信號經光耦隔離后，輸入單片機的IO口。4個輸入通道的報警等級是通道1為最高優選等級，優選于其他通道，如4個通道都有信號時只發出通道1設定的報警音調；通道2優選于通道3和4；通道3優選于通道4。當接通電源后，在輸入信號的觸發下喇叭只發出報警等級高的報警聲響。

1.5 報警音樂選擇電路

圖4 報警輸入選擇電路Fig.4 The alarminput selection circuit

如圖5所示，每路報警輸入信號播放的音樂，可以由一個十進制的編碼開關來設定。每路報警信號對應一個十進制的編碼開關。單片機對音樂選擇電路進行定時掃描。每次P3.0，P3.1，P3.2，P3.44個信號只有一個為低電平，然后讀取P1.0～P1.3的狀態，可以得到對應的編碼開關的編碼。使用的編碼開關有0～9 10種狀態，如圖6所示。因此，每個通道的報警信號最多可以有10種報警音樂可以選擇。

圖5 報警音樂選擇電路Fig.5 Alarm music selection circuit

圖6 編碼開關內部連接狀態Fig.6 The internal status of the rotary encoder switch

1.6 音頻功放電路

音頻功放主要有AB類和D類兩大類。AB類音頻功放比D類的音頻性能更好，THD+N低，PSRR的絕對數值高。D類功放工作在非線性區，會產生某些高頻諧波[5]。考慮到這里功率比較小，以及D類運放噪聲比較大，所以這里選用了AB類的運放TDA1013B。

TDA1013B是帶有直流音量控制的集成音頻功率放大器。SIL9塑料封裝。供電電壓范圍很寬（10～40 V）。直流音量控制端可調音量范圍可達80 dB，控制電壓2～6.5 V[6]。芯片外部只需要很少的元器件，性能和穩定性都很好。如圖7所示。

圖7 音頻功放電路Fig.7 Audio amplifier circuit

1，9腳是地。24 V電壓經LC濾波后輸入3腳。單片機輸出的音樂信號經R23，R24分壓和C8隔直后輸入芯片第8腳。芯片第7腳接可變電阻，音量可以調節。

2 軟件結構

軟件流程圖如圖8所示。程序開始后，先進行變量，寄存器，中斷等的初始化。然后進入一個無限循環。在無限循環內部，先讀取報警通道輸入信號，看是否有報警信號輸入，以及是哪路報警信號輸入。如果同時有多個報警信號輸入，則優先級高的輸入得到響應。然后讀取編碼開關的狀態，看需要播放哪首樂曲。然后進行樂曲的播放。播完，重新循環。

圖8 軟件流程圖Fig.8 Software flowchart

3 測試波形

圖9所示為揚聲器的波形。波形的幅度代表了聲音音量的大小，可以用可調電阻來調節。音量較小時，幅度會變小。可見，揚聲器的波形是一個幅度可調的交流波形。

圖9 揚聲器波形Fig.9 Waveform of the speaker

4 結束語

使用PHILIPS公司的TDA1013B芯片，設計了一種電子音響報警器的解決方案，并給出了相應的硬件電路和軟件流程圖。該報警器，電路實現簡單，各方面表現良好，音量可調，可靠性較高，現該報警器已在核電站的報警系統中得到應用。

[1] 鄭明光，張琴舜，徐濟鋆，等.核電站先進報警系統[J].核動力工程，2001，22（4）:354-359.ZHENG Ming-guang，ZHANG Qin-shun，XU Ji-jun，et al.The advanced alarm system for nuclear power station[J].Nuclear Power Engineering，2001，22（4）:354-359.

[2] 余佳，劉偉，石桂連，等.核電站報警系統的設計[J].自動化博覽，2009（3）:78-80.YU Jia，LIU Wei，SHI Gui-lian，et al.The alarm system designs for nuclear power station[J].Automation Panorama，2009（3）:78-80.

[3] 單片機演奏音樂時音調和節拍的確定方法[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/fc6aaed333d4b14e852468e6.html

[4] STC.STC12C5620AD series microcontroller user mannal[EB/OL].（2010）.http://www.mcu-memory.com/datasheet/stc/STCAD-PDF/STC12C5628AD.pdf.

[5] 薛智.便攜電子設備中音頻功放的發展[J].電子技術，2010，37（11）:86-87.XUE Zhi.Audio power amplifier in portable electronic devices[J].Electronic Technology，2010，37（11）:86-87.

[6] PHILIPS.Datasheet TDA1013B 4W audio power amplifier with DC volume control[EB/OL].（1994）.http://www.nxp.com/documents/data_sheet/TDA1013B.pdf.