基于AT89S51单片机的红外语音报警系统

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基于AT89S51单片机的红外语音报警系统陈明，乔莹

中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（221008）E-mail：srkuu123@163.com摘要：目前，矿用电机车的启停制动行驶过程均以电机车司机眼力发现危险信号，再行刹车，在这种纯靠眼力的情形下，不可避免的会出现一定的失误，本设计就是为解决矿用电机车在井下行驶的安全性问题。本文研究设计的是由红外传感器实现人靠近电机车车道之危险信号的检测，并自动语音报警的智能报警系统。当热释电红外传感器检测到有人靠近车道的时候，就会向单片机发出中断请求，再由单片机控制语音芯片播放预先录制好的语音信息，实现语音报警，来通知电机车司机以及路人，以便让他们及时的作出相应措施，减少事故的发生。由于来自红外传感器的信号太弱，故加入了信号放大电路，同时用红外传感信号处理器专用芯片处理来自传感器的信号，继而再传给单片机相应I/O口。本系统的电源由开关电源采用DC/DC转换得来。关键词：电机车；热释电红外传感器；单片机；语音电路；开关电源中图分类号：TP368.21．引言

矿用电机车主要用于井下运输大巷和地面的长距离运输。它相当于铁路运输中的电气机车头，牵引着由矿车或人车组成的列车在轨道上行走，完成对煤炭、矸石、材料、设备、人员的运送。电机车启动前应检查各连接部位的螺栓是否松动，各电气元件绝缘是否良好，各操作手把是否灵活。经检查无异常情况后，发出开车信号，提醒附近人员注意。按所需行进方向，操作控制器上的换向手把，确定机车前进方向。操作控制器上的调速手把，缓慢给出速度，完成启动过程。电机车在行进过程中，随时要根据道路坡度情况和生产运输情况进行调速。调速时，操作控制器上的调速手把向加速或减速的方向转动，直到所需的速度。在调速过程中，应注意观察前方的路面状况及行人情况，防止意外事故发生。目前矿用电机车的启停制动行驶过程均以机车司机眼力发现情况，再行刹车，以防止意外事故发生。当电机车司机处于疲劳或者开小差时候，纯靠眼力，仍然有可能发生事故。本课题主要研究矿用电机车通过红外检测、语音报警解决其在井下行驶安全性问题。此报警装置利用热释电红外传感器作为探头，进行非接触式远距离检测，将感测到的红外信息转换成电压信号，经过单片机处理，完成语音报警功能。当有人在电机车车道上时，语音报警提醒路人离开，司机减速刹车等以确保路人安全，减少事故的发生。2．系统总体设计方案

此系统是被动式基于热释电红外智能检测的报警装置[1]。当路人所辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，热释电红外传感器将输出电压信号，然后经信号放大电路放大后送入红外传感信号处理器，经处理后向单片机输出高电平。由单片机控制语音芯片放音警醒路人与机车司机。系统主要由红外采集模块，信号处理模块，MCU控制模块、语音报警模块组成，见图1。待测目标红外采集模块信号处理模块图1系统构成模块

-1-MCU控制模块语音报警模块中国科技论文在线

各模块所用器件及作用为：http://www.paper.edu.cn

(1)红外采集模块：红外检测电路的功能是由热释电红外[2]探头P288来实现。它将数据采集、A/D转换、比较判断等功能集成于一体。(2)信号处理模块：由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1～10Hz左右），所以应对热释电红外传感器输出的电压信号进行放大。放大后的信号在送入单片机处理控制之前，采用专用红外传感信号处理器BIS001进行预处理，以供单片机使用。(3)MCU控制模块：MCU控制部分是由单片机AT89S51来实现的。它是整个系统的“心脏”，由它来接收报警信号并控制、协调各功能模块的正常工作。(4)语音报警模块：语音电路采用美国ISD公司的高保真录放一体化语音芯片ISD1420及一些附属的电阻，电容和扬声器来完成语音报警功能。3．系统的硬件设计

3.1红外采集及信号处理模块的设计

3.1.1红外传感器的选择本设计选用热释电红外传感器P288，其中传感器的D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。热释电红外传感器P288外接12V电源，内部装有菲涅尔透镜，检测区域为球形，有效警戒距离可达15m，方向角为85°。3.1.2信号放大电路的设计由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1～10Hz左右），所以应对热释电红外传感器输出的电压信号进行放大。经过通用集成运算放大器LM324两级放大后获得足够的增益，输出VO1信号给专用红外传感信号处理器单元电路。在信号放大之前，先将由传感器P288输出的电压信号通过一个由电阻电容组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。下图图2是由集成运放LM324构成的信号放大电路。图2信号放大电路-2-中国科技论文在线

3.1.3红外传感信号处理器BIS001硬件电路的设计http://www.paper.edu.cn

信号放大器传出的信号经红外传感信号处理器BIS001中的运算放大器OP1前置放大后，由电容耦合给运算放大器OP2进行二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器。输出信号经晶体管Q1后接单片机，供其读取。见下图图3为红外传感信号处理器BIS001及其外围电路。图3红外传感信号处理器BIS001及其外围电路3.2MCU控制模块设计

在本设计中，我们选用了ATMEL公司的AT89S51[3]。时钟电路选用12MHz石英晶体，考虑电容C1、C2的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，选用30PF。复位电路由电阻、电容和按键开关构成，具有上电复位和手动复位的功能。单片机的INT0与红外传感器信号处理芯片BIS001输出的电压信号VO2相连。P0.0～P0.5接ISD1420语音芯片的A2～A7，P0.6接ISD1420语音芯片的/PLAYL，低电平有效。下图图4是AT89S51单片机及其外围电路。-3-中国科技论文在线

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图4AT89S51及其外围电路3.3语音报警电路的设计

本设计中的语音芯片采用ISD1420[4]语音录放芯片。3.3.1ISD1420工作原理录音过程中，ISD1420在进行存储操作之前，要分几个阶段对信号进行调整。首先要输入信号放大到存储电路动态范围的最佳电平，这个阶段由前置放大器、放大器和自动增益控制部分来完成。前置放大器通过隔直流电容与麦克风连接，隔直流电容用来去掉交流小信号中的直流成份(大约2mV~20mV)。信号的放大分两步完成，先经过输入前置放大器，然后经过固定增益放大器。完成信号的通路要在模拟输出端(ANAOUT)和模拟输入端(ANAIN)两个管脚之间连接一个电容器。自动增益控制电路动态的监控放大器输出的信号电平并发送增益控制电压到前置放大器。前置放大器增益自动调节以便维持进入滤波器的信号为最佳电平，这样录音的信号能得到最高电平又使削波减至最小。可以通过选择连接到AGC管脚的电阻和电容值来调节描述自动增益电路特性的两个时间常量，即响应时间和释放时间。下一个阶段的信号调整是由输入滤波器完成的。由于模拟信号的存储仍然是采用取样技术，因此还需要一个抗混淆滤波器以去掉(或至少减到可忽略不计的程度)取样频率1/2以上的输入频率分量。这样就满足了所有数据采集系统都遵循的奈奎斯特取样定律。语音的质量要想优于电话的音质，取样频率要用8KHz。低通滤波器的高频频限选在3.4KHz，可满足奈奎斯特取样定律，而且仍有足够宽的频带以得到高音质的语音。滤波器是一个连续时间五极点低通滤波器，在3.4kHZ每个倍频程衰减40dB。信号的调整完成后，将输入波形通过模拟收发器写入模拟存储阵列中。由8KHz取样时钟取样，并且经过电平移位而产生不挥发写入过程所需要的高电压，同时补偿与Fowler-Nordheim隧道效应相关的一些实际因素。取样时钟也用于存储阵列的地址译码，以便输入-4-中国科技论文在线

信号顺序的写入存储阵列。http://www.paper.edu.cn

放音时，录入的模拟电压在取样时钟的控制下顺序地从存储阵列中读出，恢复成原来的取样波形。输出通道上的平滑滤波器去掉取样频率分量并恢复原始波形，平滑滤波器的输出通过一个模拟多路开关连接到输出功率放大器，两个输出管脚直接驱动扬声器。3.3.2ISD1420外围电路设计图5是ISD1420及其外围电路图。因是单端使用，故在输出端和喇叭间接耦合电容。录音采用事先录音方式，按键K按下时录音开始，RECLED引脚端口被置为低电平，此时发光二极管LED被点亮，提示录音开始，当录音结束时，LED熄灭。录音内容为“车来了，请远离车道”，从MIC1直接输入，经MIC和MICREF引脚输入芯片内部的放大器放大，放大后的输出信号从模拟输出端ANAOUT输出，再经0.1uf电容耦合至模拟输入端ANAIN再一次放大，经放大音频信号从SP+输出推动扬声器发音。ISD1420语音芯片A2～A7接单片机P0口的P0.0～P0.5，/PLAYL接单片机P0.6口，低电平有效，控制放音时间。一旦开始放音，延时10s后停止，等待下次/PLAYL为“0”时再次放音。图5语音芯片ISD1420及其外围电路因为ISD1420的驱动能力有限（0.5W），直接接到扬声器上效果不太理想，若接1W以上的扬声器将发生失真。通常1W以下的扬声器用LM386、D2822、MC34119及TA368等芯片驱动，见图6（以LM386为例）。1W～10W的扬声器用TDA2003、LA4440芯片驱动，见图7（以TDA2003为例）。中国科技论文在线

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图6选用LM386为扬声器驱动芯片的电路图7选用TDA2003为扬声器驱动芯片的电路本设计中采用图7所示电路，以期音响喇叭音量足够大，提醒机车司机、行人。当在一定情况下所需喇叭功率比较大时，可采用下图图8所示电路联接，可达到高响度音响效果。-6-中国科技论文在线

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图8高响度语音电路设计3.4电源模块的设计

矿用电机车按其工作电源来源可分为架线式电机车和蓄电池式电机车。为电机车提供牵引力的电源是直流电，架线式电机车电压为250V～120V，蓄电池式电机车电压约为110V。3.4.1系统电源分析本设计所涉及到器件的工作电压见下表表1。从中分析可知道本系统工作电压集中在12V和5V，而电机车的工作电压约为110DCV~250DCV。表1系统涉及到的器件工作电压分析器件所属系统模块器件名称器件典型工作电压（V）

红外采集模块信号处理模块主控制器语音电路功放模块

3.4.2开关电源的选择P288LM324

BIS001AT89S51ISD1420LM386TDA2003

125555512

从开关电源[5]变换电压前后直交流可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现在已经实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已经成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的过程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。不管是架线式电机车还是蓄电池式电机车，提供的都是直流电，那么可以给系统提供供电电源的也就是直流电，自此，只能利用开关电源DC/DC转换器转换。图9工矿电机车电源本设计选用沈阳新阳光机电科技有限公司的电源设备产品之工矿电机车电源，见图9。-7-中国科技论文在线

用LM2575可以将12V转换成5V供系统使用，电路图见下图图10。http://www.paper.edu.cn

如此，可以从牵引电力网或者蓄电池处获得12V电压，作为系统电源使用。本设计采图10采用LM2575使得12V转化为5V电路图在利用LM2575设计电路时，应注意以下几点：(1)电感的选择应根据输出的电压档次、最大输入电压(MAX)、最大负载电流(MAX)等参数选择电感。(2)输入输出电容的选择输入电容应大于47μF，并要求尽量靠近电路。而输出电容推荐使用的电容量为100μF-470μF，其耐压值应大于额定输出的1.5-2倍。对于5V电压输出，推荐使用耐压值为16V的电容。(3)二极管的选择二极管的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，但考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2575的最大电流限制；另外二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍。4.系统的软件设计

系统放音程序流程图下图图11。单片机AT89S51接收来自红外传感器信号的中断，启动语音芯片ISD1420报警。-8-中国科技论文在线

开始http://www.paper.edu.cn

系统初始化红外信号检测否Vo2是否中断o2是语音报警延时10s结束图11系统软件流程图

5．系统的抗干扰措施

本系统运用在矿用电机车上，井下工作环境较恶劣，易受到各种干扰的侵犯。根据其来源不同，主要有空间干扰（通过电磁辐射进入）、过程通道干扰（通过与自动报警器相连的前向和后向通道进入）、供电系统干扰以及印制板与电路间产生的相互干扰。所以在设计上，应该采取必要的措施，免除和减小各种不良因素对系统的影响和损害，从而提高系统的稳定性和可靠性。

本系统在硬件设计过程中，主要考虑采取以下几个硬件方面的措施来提高系统的抗干扰能力：

(1)对于空间辐射干扰的抑制，主要解决办法是屏蔽。静电屏蔽使用导体材料即可。为达到电磁屏蔽的目的，可以把控制系统安装在用铁板做成的封闭机箱内，来屏蔽外部静电和电磁场的干扰。

(2)设计印制电路板时，合理布线，力求将系统中各元件之间、电路之间可能产生的不利影响限制在最低程度：

●元件排列及信号走线尽量有序，短直，简洁，避免相邻电路相互影响。●尽量避免过长的平行走线，减少布线的分布电容。●接地线尽量加宽以减少接地电阻，并解决好接地点问题。●避免印制电路形成环路接受噪声形成干扰。

(3)电源的设计将强弱电严格分开，不把它们设计在一块电路板上，电源线的走向尽量与数据传递的方向一致。在印制电路板的各个关键部位配置去藕电容，电源输入端跨接10pF

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的电解电容。每片集成电路电源的引脚上并接0.01pF高频电容。对于抗噪声能力弱、关断时电流变化大的器件或集成块，应在芯片的电源线（VCC）和地线（GND）间直接接入0.01pF去耦电容。(4)电路中不使用的输入端不允许悬空，否则会引起逻辑电平不正常。根据实际情况，将多余的输入端与正电源或地相接。实践表明，元器件的质量对系统影响很大。应选择正品元器件。使用前还要进行必要的筛选。对于接插件，应选择抗震性能好，接合可靠，防松的接插件。另外，因为本系统中用到开关电源，故要考虑到开关电源的电磁兼容性问题。电磁兼容性的解决方法：从电磁兼容的三要素讲，要解决开关电源的电磁兼容性问题，可从三个方面入手：第一，减小骚扰源产生的骚扰信号；第二，切断骚扰信号的传播途径；第三，增强受骚扰体的抗骚扰能力。在解决开关电源内部的兼容性时，可以综合利用上述三个方法，以成本效益比及实施的难易性为前提。因而，开关电源产生的对外骚扰，如电源线谐波电流、电源线传导骚扰、电磁场辐射骚扰等只能用减小骚扰源的方法来解决。一方面，可以增强输入/输出滤波电路的设计，改善APFC电路的性能，减小开关管及整流、续流二极管的电压、电流变化率，采用各种软开关电路拓扑及控制方式等；另一方面，加强机壳的屏蔽效果，改善机壳的缝隙泄漏，并进行良好的接地处理。而对外部的抗骚扰能力（如浪涌、雷击）应优化交流电输入及直流输出端口的防雷能力。通常，对1.2/50开路电压及8/20短路电流的组合雷击波形，因能量较小，通常采用氧化锌压敏电阻与气体方电管等的组合方法来解决。对于静电放电，通常在通信端口及控制端口的小信号电路中，采用TVS管及相应的接地保护、加大小信号电路与机壳等的电距离来解决或选用具有抗静电骚扰的器件。快速瞬变信号含有很宽的频谱，很容易以共模的方式传入控制电路内，采用与防静电相同的方法并减小共模电感的分布电容、加强输入电路的共模信号滤波（加共模电容或插入损耗型的铁氧体磁环等）来提高系统的抗扰性能。减小开关电源的内部骚扰，实现其自身的电磁兼容性，提高开关电源的稳定性及可靠性，应从以下几个方面入手：①注意数字电路与模块电路PCB布线的正确分区；②数字电路与模拟电路电源的去耦；③数字电路与模拟电路单点接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻骚扰，减小地环地影响，布线时注意相邻线间的间距及信号性质，避免产生串扰，减小输出整流回路及续流二极管回路与支流滤波电路所包围的面积，减小变压器的漏电、滤波电感的分布电容，运用谐振频率高的滤波电容器等。6．总结

基于AT89S51单片机的红外语音报警系统基本上完成了预期的功能。本系统具有可行性与现实研究意义。参考文献[1]杨波，陈忧先.热释电红外传感器的原理和应用.仪表技术.2008，(6)：66-68[2]孟祥忠，宋宝业，许琳.热释电红外传感器及其典型应用.仪器仪表用户.2007，(4)：42-43[3]余勇权.ATMEL89系列单片机应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，2002[4]贺忠海，倪勇等．语音芯片ISD及其应用[J]．电子与自动化．2000，(2)：38-40．中国科技论文在线

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[5]王学智．开关电源的原理和发展趋势[J]．科技信息，2007，(11)：18-21InfraredVoiceAlarmSystemBasedonAT89C2051

MCU

ChenMing,QiaoYing

SchoolofInformationandElectricalEngineering,CUMT,Xuzhou,(221008)AbstractAtpresent,electricallocomotive’sstartingandbrakingintherunningisdeterminedbythemotorman’seyes.Inthiscaseofpurelyeyes,therewillbesomeunavoidablefailure.Thispaperistosolvethesecurityissueofelectricallocomotive’srunningundertheground.Inthispaper,wehaveresearchedanddesignedakindofintelligentalarmsystemwhichcanplayphoneticinformationautomaticly.Pyroelectricinfraredsensorisusedfordectectingwhethersomeoneisclosetotheroadoftheelectricallocomotive.WhenPyroelectricinfraredsensorhasdetectedanyabnormalitysignalsthatsomeoneiscomingtothecarroad,aninterruptrequestwillbesenttotheMCU.NexttheMCUcontrolphoneticcircuittoplaythephoneticinformationwhichhasbeenrecordedbeforehand,totellthemotormanandpasserbyesoftheemergencywhichhasoccurred,sothattheycantakecorrespondingstepontimetoabatementaccident.Asthesignalfromtheinfraredsensoristooweak,soweintroducethesignalmagnifiedcircuitanddisposeitwithspecialCMOSchip,thenthesignalissenttotheinterfaceofMCU.ThepowerofthissystemissuppliedbyDC/DCwithswitchingpowersupply.Keywords:electricallocomotive;pyroelectricinfraredsensor;MCU;phoneticcircuit;

switchingpowersupply