应用于中小型PLC系统的矿用语音报警系统设计.pdf

自 动 化 技 术与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第2 期 经 验 交 流 T ec h ni c a l Comm u n i c a t i on s 应用于中小型 P L C系统的矿用语音报警系统设计 权强强 ， 薛 婷 ， 贾存 良 ． 宋永宝 中国矿业大学信息与电气工程学院， 江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘 要 设计了应用于煤矿井下中小型P L C系统的语音报警系统 ， 并给出了系统的硬件组成和软件设计。系统采用了AVR单片机和 ．T I k AMP 3语音模块， 二者之间采用串口进行通讯 ， 输出的音频信号经过线性光耦隔离后， 由矿用扩播电话进行广播输出。 f t I [ -7 - P LC； 语音报警 ； A VR单片机 ； MP 3 模块 ； 中图分类号 T P 2 7 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 0 0 2 0 1 2 4 0 3 Th e De s i g n o f Mi n i n g Vo i c e Al a r m Sy s t e m Ap p l i n g t o Mi d d l e O r Sma l I PL C S y s t e ms QUAN Qi a n g q i a n g ， XUE T i n g ， J I A Cu n l i a n g ， S ONG Y o n g b a o Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n gT e c h n o l o g y , Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 Ch i n a Abs t r a c t Th e v o i c e a l a r m s ys t e m a p p l i n g t o mi d d l e a nd s ma l l P LC s y s t e m s u n d e r c o a l mi n e i s d e v e l o p e d ， a n d t h e ha r d wa r e c o mp o ne n t s ，t h e s o f t wa r e d e s i g n a r e g i v e n． Th e s y s t e m u s e s AVR mi c r o c o n t r o l l e r a n d i n d u s t r i a l g r a d e M P3 a u d i o mo d u l e ， c o mmu n i c a t e d wi t h s e r i a l p o r t ． Th e a u d i o s i g n a l i s o l a t e d b y t h e l i n e a r o p t i c a l c ou p l e r i s e x p o r t e d t h r o u g h t h e m i n i n g b r o a d c a s t i n g t e l e p h o n e ． Ke y wo r ds P LC； v o i c e a l a r m ； AVR M CU； M P3 mo d u l e 1 引言 在现有 的矿用语音报警系统中 ，大部分采用工控 PC机作为语音载体， 通过矿用多功能扩播电话 ， 对煤矿 矿井进行报警广播。这种方法的优点是因为工控 P C机 作为语音载体具有很大的容量 ， 对语音的存放几乎不存 在空间的限制 ， 缺点是必须通过极长的通讯 电缆对 P C 机、P LC控制系统和扩播 电话之间进行联系 ， 降低了语 音报警系统的可靠性和安全性。 因此我们需要设计一 种更加实用、经济 的语音报警系统 。 由于报警语音一般话长简短 ， 因此存储容量较小、 ， 因此我们可以采用现在较为成熟的工业级移动存储模 块对其进行存储， 用单片机作为语音模块控制设备 ， 通 过单片机和 P LC系统的通信， 就可以达到实时播放报警 语音的目的了。 2 系统的硬件设计 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 1 6 1 2 4 I T e 州 瞒d A l 触T 蹦o n A p p I Ii o n s 2 。 1 系统的总体结构 图 1所示为应用于中小型 PL C系统的矿用语音报 警系统 的总体框图。 图 1 矿用语音报警系统的总体框图 矿用设备是 P L C系统控制和监测的控制对象 ， P L C 控制系统是以P LC为控制核心的工业控制系统 ， 单片机 语音系统是我们所研发的系统 ， 由单片机作为主控器件 ， 通 过与 PL C之间的通信 ， 控制报警语音 的播放。多功能 扩播电话是语音的播放设备。由于井下设备都必须有防 爆特性 ， 因此 P LC控制系统和单片机语音系统共同安装 于防爆壳内， 经过一定的隔离手段 ， 通过本质安全型信号 出防爆箱 ， 控制多功能扩播电话播放报警语音。 2 ． 2 单片机语音系统硬件设计 单片机语音系统有三部分组成 第一部分是单片机 与 P LC之间的通讯部分 ； 第二部分是单片机控制工业级 经 验 交 流 自 动 化 技术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第2 期 Te c hn i c al COmm u nica t ion s 移动存储设备部分； 第三部分是移动存储设备与多功能 矿用扩播 电话之间的隔离部分 。 单片机与PL C之间的通讯 ， 一般而言， 我们较多采 用 4 8 5接 I；3 进行通讯， 但是在外设资源较少的中小型 P LC中， 接 13比较少， 因此显得尤为珍贵 ， 我们放弃这种 通讯方式， 而采用端 13 直接控制的通讯方式I 。例如我 们设计的系统中， 控制 1 2 8 段 以内的报警语音的播放 ， 我 们需要 7 根输出I ／ O H 2 7 1 2 8 作为输入单片机语音控 制信号的地址线， 为了获得报警语音的放音状态 ， 我们 还需要一根 PLC输入 I ／ O 口作为播放状态反馈线。由 于 P L C系统中采用 2 4 V作为供 电电源， 与单片机多采 用的5 V电源系统不兼容， 因此我们需要采用光耦对两 者之间的通讯信号进行隔离【 2 】 。原理图如图 2所示。 图 2 单片机与 P L C之间的通讯原理图 单片机控制工业级移动存储设备部分 ， 单片机采用 抗干扰较强的 AVR系列单片机 ， 因为其具有出色的控 制功能和丰富的外设资源 ， 具体型号是 ATME G8 L单片 机【 引。工业级移动存储模块采用的是工业级 MP 3模块 ， 这种模块具有较大的存储空 间 1 2 8 M 到 1 G之 间 ， 可 以 为语音文件提供足够的存储空间 ， 支持 US B 2 ． 0接 口， 可 以采用计算机很方便的更换报警语音文件 ， 支持 串口 TTL电平 通讯控制功能， 支持多音效和立体语音播放 ， 模块还具有丰富的指令系统， 方便单片机控制。此系统 中采用的具体型号是Mi n i C- A1 0 1 F模块， 外观尺寸较 小 ， 贴片封装 ， 具有较强的抗干扰能力。如图 3所示。 M 8 M ∞l F 潺瓒旗搬 _ 。 。 日 卜 ＼ l。 ． 。 “ - 眦 。 。 i I 片 串心 毒 堰 ll 0 图 3 单片机和 MP 3模块通讯框图 MP3模块与多功能矿用扩播电话之间的隔离 ， 如图 4所示。MP3模块输出的音频信号较弱 ， 通常只有几十 毫伏左右， 只能驱动如耳机之类的电子设备 ， 要想驱动 大功率的扩播 电话必须加功放系统。功放输出的音频 信号不是本质安全信号 ， 不能够出防爆箱 ， 同时为了防 止扩播电话的串入的高压尖峰影响 ， 对 PL C系统和单片 机系统造成干扰或是毁灭性的损坏 ， 功放模块和扩播电 话之间要采取隔离措施。 图 4 MP 3模块与多功能矿用扩播电话之间 ’ 通 信框 图 由于音频信号是一种模拟信号 ， 不能够采用普通的光 耦进行隔离， 原因在于普通的光耦具有严重的非线性， 对 音频信号造成严重的非缵陛失真[ 4 】 。模拟信号隔离的一个 比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与 普通光耦没有差别， 只是将普通光耦的单发单收模式稍加 改变， 增加一个用于反馈的光接受 电路用于反馈。这样， 虽然两个光接受电路都是非线性的 ， 但两个光接受 电路的 非线性特性都是一样的， 这样， 就可以通过反馈通路的非 线性来抵消直通通路的非线性 ， 从而达到实现线性隔离的 目的【 5 ] 。市场上的线性光耦有几中可选择的芯片 ， 如 A g i l e n t 公司的 HC 0 0 ／ 2 0 l ， T I 子公司 T O A S的 T I L 3 0 0 ， C L A R E的L OC I 1 1 等。我们采用A g e n t 公司的HC N R 2 0 1 作为隔离器件。线性度 0 ． 0 5 ％， 温度系数 一 6 5 p p m／C， 隔 离电压 1 4 1 4 V， 信号带宽 直流到大于 1 MHz． 图 5 线性光耦隔离电路 2 ． 3 单片机软件程序设计 图 6 单片机控制程序流程图 自 动 化 技 术与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第2 期 经 验 交 流 “ r ec h ni c a J Co m m u n i c at J on s 单片机在此系统中的作用有两点 一是接收 P LC输 出的报警语音文件的地址； 而是通过串口控制MP 3语音 模块的语音播放 引。因此， 单片机的程序一方面要不断 监视地址信号的变化 ， 另一方面通过串口对 MP3 语音模 块发送命令信号。程序流程图如图6所示。单片机串口 给 MP 3模块发送命令程序如下。 v o i d s e n d _ c md { UC S RB 0 x 0 8 I ／ ／串口使能 s e n d c h a r 0 x 2 4 ； ／ ／发送起始位 s e n d c h a r 0 x 0 4 l ／ ／发送字节长度 s e n d c h a r 0 x 0 3 ； ／ ／发送命令字 s e n d c h a r 0 x 0 0 ； ／ ／是否需要反馈 s e n d c h a r 0 x 0 0 ； ／ ／发送曲号高8 位 s e n d c h a r 0 x O 8 ； ／ ／发送曲号低 8 位 s e n d c h a r 0 x 0 4 0 x 0 3 0 x 0 0 0 x 0 0 0 x 0 8 ； ／ ／ 发送命 令校验和 UC S RB 0 x 0 0 ； ／ ／串口禁止 } v o i d S e n d c h a r u c h a r i ／ ／串口发送一个字节程序 { wh i l e UC S RA ＆ I UD R E ； ／ 等待发 送缓冲器为空 ／ UD R i l ／ }发送数据 ／ 3 结束语 本系统 经过矿井实 际应 用 ， 上位 P L C采 用的是西 门 子的 S 7 2 0 0 P L C或是 7 - 3 0 0 P L C， 扩播电话采用的是 常州联力 自动化科技有限公司的 K TT 3型多功能扩播 电话 ， 效果十分好 ， 故障率低， 完全能够取代 以工控机为 存储单元的中小型语音报警系统。 参考文献 [ 1 】 康华光 ． 电子技术基础 数字部分 [ M】 ． 北京 高等教育出 版社 ． 1 9 9 6 ． 6 [ 2 ]杨竹青， 李勇， 胡德文． 独立成分分析方法综述[ J ] ． 自 动 化学报， 2 0 0 2 ， 2 8 5 7 6 3 -7 7 2 ． [ 3 ]孙丽明． T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 原理及 C语言程序开发[ M】 ． 北 京 清华大学 出版社 ． 2 0 0 8 ． 1 2 ． [ 4 】匠人手 M】 ． 北京 北京航空航天大学出版社． 2 0 0 8 ． 4 【 5 】范风强． 单片机语言应用实战集锦【 M】 ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 6 】阳宪惠．现场总线技术及其应用[ M】 ． 北京 清华大学出 版社 ， 1 9 9 9 ． 作者简介 权强强 1 9 8 5 一 ， 男， 硕士研究生， 研究方向 计算 机控制，故障诊断。 上接第 1 2 3页 4 结束语 本文介绍了基于 AT8 9 S 5 2单片机和触摸屏的温度 控制系统， 并且利用 P I D控制方法得到一个较理想的温 度变化曲线， 达到控制要求。该系统成本低廉 ， 器件均 为常规器件 ， 有很高的工程应用价值 ， 对类似应用场合 具有 一 定的参 考 和借 鉴作 用 。 参考文献 [ 1 ]崔世林． 电阻炉温度控制系统[ J ] ． 电气时代 ， 2 0 0 3 ， 5 9 9 -1 0 0． [ 2 】刘汉敏． 积分分离P I D控制算法在炉温控制系统中的应 用[ J 】 ． 工程技术， 2 0 o 6 ， 6 3 0 3 2 ． [ 3 ]龙辉． 可控硅的特性、检测和典型应用[ J ] ． 益阳职业技 术学院学报， 2 0 0 6 ， 3 5 2 -5 5 ． [ 4 ]刘绿山， 刘建群， 李仕勇等． 基于A T8 9 S 5 2 单片机的温度 控制系统[ J ] ． 单片机开发与应用． 2 0 0 7 ， 6 9 8 1 0 0 ． [ 5 J求是科技编著． 单片机典型模块设计实例导航【 M】 ． 北京 人民邮电出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 6 】李志宇， 肖前贵． 基于L M3 5 温度传感器的温控系统设计 [ J ] ． 中国自控网， 2 0 0 4 ， 3 5 1 - 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