一种电子音响报警器的设计

王俊现

（上海自动化仪表股份有限公司上海200092）

核电报警系统是核电厂控制室重要的人机接口之一[1]。电子音响报警器是核电报警系统的重要组成部分。传统的音响报警器一般采用专用音乐芯片来存储报警声音文件，电路构成复杂，且通用性不好，若想更改音乐文件很麻烦。本文中的报警音响器是一个具有4个输入通道的报警发声装置。它采用单片机控制，把4个输入通道分成不同的报警等级，每个通道经编码开关可选择十种不同的报警音调，以便区分不同的报警等级。当有两种或者以上的报警音时，遵循高报警级的报警音优先级高于低报警级音，报警音高于恢复报警音。如系统中，既有一级报警信息，也有二级报警信息，则此时报警音为一级报警音[2]。音乐文件存储在单片机内部存储器中，更改起来很方便，重新烧写程序即可。且电路实现起来非常简单。

一般说来，单片机演奏音乐基本都是单音频率，它不包含相应幅度的谐波频率，也就是说不能象电子琴那样能奏出多种音色的声音。因此单片机奏乐只需弄清楚两个概念即可，也就是“音调”和“节拍”。音调表示一个音符唱多高的频率，节拍表示一个音符唱多长的时间。音符决定该音调的高低，节拍则决定了该音调是多少拍。因此，一个音调是由两个字节组成的。根据音符字节产生该大小次数的延时，声音输出口取反，就可以得到该音调的高低音。根据设置单位节拍的延时大小，可以控制音乐演唱速度。因此算法很简单：定义单片机的一个I/O端脚为声音输出口，在规定的节拍内，根据音符字节的大小产生延时，将声音输出口不断的置高置低（即取反），就可以得到该音调。只要选取合适的单位节拍延时，就可以输出动听的音乐[3]。

1 硬件设计

1.1 硬件总体结构图

音频功放部分电路使用24 V直流电压供电。使用7805可以将24 V转换为5 V电压，给单片机电路供电。单片机使用STC公司的单时钟单片机STC12C5608AD，具有超强抗干扰能力，且速度很快。4路具有优先级的报警输入信号经光耦隔离后输入单片机。单片机使用8个IO口对编码开关电路进行定时扫描，获得各个编码开关的状态。单片机P3.7端口输出一个PWM波形，驱动功放芯片，使扬声器发出声音。结构示意图如图1所示。下面分别介绍电源电路，单片机电路，报警输入选择电路，报警音乐选择电路和功放电路。

1.2 电源电路

电源电路如图2所示。24 V直流电压通过接插件X6输入。V19为防反接二极管。24 V电压主要用于给音频功放部分供电。24 V通过7805后，转换为5 V电压，主要用于给单片机部分供电。X4为发光二极管，用作电源指示灯。24 V通过R25和V1后，也可以提供给外部供电，用于提供报警输入信号的正电压。

图1 报警音响器硬件结构示意图Fig.1 Hardware structure of the audio alarmer

图2 电源电路Fig.2 The power circuit

1.3 单片机电路

如图3所示，单片机采用宏晶公司的单时钟单片机STC 12C5608AD。具有超强抗干扰，超强抗静电能力。可以用ISP功能使用电脑串口下载程序，无需编程器，使用起来非常方便[4]。虽然单片机内部也有振荡器电路，但精度不高。因为输出音乐编码需要比较精确的定时，所以这里采用了外部6 M晶振。使用外部看门狗IMP813LCSA，程序跑飞时可以使单片机复位。单片机共有15个I/O口。这里用到了其中的14个，未用的P3.5端口接地。

图3 单片机电路Fig.3 The microcontroller circuit

1.4 报警输入选择电路

如图4所示，共有4路报警信号CH1～CH4，代表4路不同优先级的报警信号。COM为信号输入的公共端，接输入信号低电平。输入信号经光耦隔离后，输入单片机的IO口。4个输入通道的报警等级是通道1为最高优选等级，优选于其他通道，如4个通道都有信号时只发出通道1设定的报警音调；通道2优选于通道3和4；通道3优选于通道4。当接通电源后，在输入信号的触发下喇叭只发出报警等级高的报警声响。

1.5 报警音乐选择电路

图4 报警输入选择电路Fig.4 The alarminput selection circuit

如图5所示，每路报警输入信号播放的音乐，可以由一个十进制的编码开关来设定。每路报警信号对应一个十进制的编码开关。单片机对音乐选择电路进行定时扫描。每次P3.0，P3.1，P3.2，P3.44个信号只有一个为低电平，然后读取P1.0～P1.3的状态，可以得到对应的编码开关的编码。使用的编码开关有0～9 10种状态，如图6所示。因此，每个通道的报警信号最多可以有10种报警音乐可以选择。

图5 报警音乐选择电路Fig.5 Alarm music selection circuit

图6 编码开关内部连接状态Fig.6 The internal status of the rotary encoder switch

1.6 音频功放电路

音频功放主要有AB类和D类两大类。AB类音频功放比D类的音频性能更好，THD+N低，PSRR的绝对数值高。D类功放工作在非线性区，会产生某些高频谐波[5]。考虑到这里功率比较小，以及D类运放噪声比较大，所以这里选用了AB类的运放TDA1013B。

TDA1013B是带有直流音量控制的集成音频功率放大器。SIL9塑料封装。供电电压范围很宽（10～40 V）。直流音量控制端可调音量范围可达80 dB，控制电压2～6.5 V[6]。芯片外部只需要很少的元器件，性能和稳定性都很好。如图7所示。

图7 音频功放电路Fig.7 Audio amplifier circuit

1，9脚是地。24 V电压经LC滤波后输入3脚。单片机输出的音乐信号经R23，R24分压和C8隔直后输入芯片第8脚。芯片第7脚接可变电阻，音量可以调节。

2 软件结构

软件流程图如图8所示。程序开始后，先进行变量，寄存器，中断等的初始化。然后进入一个无限循环。在无限循环内部，先读取报警通道输入信号，看是否有报警信号输入，以及是哪路报警信号输入。如果同时有多个报警信号输入，则优先级高的输入得到响应。然后读取编码开关的状态，看需要播放哪首乐曲。然后进行乐曲的播放。播完，重新循环。

图8 软件流程图Fig.8 Software flowchart

3 测试波形

图9所示为扬声器的波形。波形的幅度代表了声音音量的大小，可以用可调电阻来调节。音量较小时，幅度会变小。可见，扬声器的波形是一个幅度可调的交流波形。

图9 扬声器波形Fig.9 Waveform of the speaker

4 结束语

使用PHILIPS公司的TDA1013B芯片，设计了一种电子音响报警器的解决方案，并给出了相应的硬件电路和软件流程图。该报警器，电路实现简单，各方面表现良好，音量可调，可靠性较高，现该报警器已在核电站的报警系统中得到应用。

[1] 郑明光，张琴舜，徐济鋆，等.核电站先进报警系统[J].核动力工程，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，刘伟，石桂连，等.核电站报警系统的设计[J].自动化博览，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] 单片机演奏音乐时音调和节拍的确定方法[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.便携电子设备中音频功放的发展[J].电子技术，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.