基于STC15單片機和SYN6288的機床語音報警系統(tǒng)設(shè)計*

常國權(quán)，彭云峰

(安陽工學院計算機科學與信息工程學院，河南安陽455000)

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基于STC15單片機和SYN6288的機床語音報警系統(tǒng)設(shè)計*

常國權(quán)*，彭云峰

(安陽工學院計算機科學與信息工程學院，河南安陽455000)

摘要:為了提高機床的易操作性，降低機床的損壞率，基于STC15F2K24S2高速單片機和SYN6288語音合成芯片設(shè)計出了一種具有較高性價比的機床語音報警系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計的具體方案，并論述了硬件和軟件設(shè)計中的要點。該系統(tǒng)可以實時地向操作人員報告機床當前的狀態(tài)信息或錯誤信息，系統(tǒng)的人機交互界面友好，操作方便靈活，可以有效地提高工作效率。

關(guān)鍵詞:STC15F2K24S2; SYN6288;機床;語音報警系統(tǒng); Android;藍牙串口模塊

項目來源:工信部科技重大專項［2012－036］

機床作為金屬加工最基礎(chǔ)的設(shè)備之一，已廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面［1］。目前，數(shù)控機床的各種狀態(tài)及錯誤信息都是以代碼的形式顯示在數(shù)字顯示屏上，需要操作人員實時地去觀察，非常不方便;而且操作人員需要牢記各種數(shù)控狀態(tài)及錯誤代碼，需要花費大量的經(jīng)費和時間對操作人員進行培訓，常常由于人為地判斷錯誤，致使機床的使用壽命縮短［2］?；谶@種現(xiàn)狀，該設(shè)計采用STC15F2K24S2單片機和SYN6288語音合成芯片設(shè)計出了一種機床語音報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用6路光電隔離器對機床輸出的63種數(shù)字信號進行采集、處理，單片機根據(jù)不同信號的類型從存儲器中讀取相應的語音文本信息，發(fā)送給SYN6288語音合成芯片進行語音合成，放大后驅(qū)動喇叭發(fā)出不同的語音提示及報警信息，實時向操作人員報告當前數(shù)控機床的狀態(tài)信息或錯誤信息，以提高機床的易操作性。系統(tǒng)還擴展了藍牙串口模塊，可以通過藍牙模塊和Android智能手機客戶端進行數(shù)據(jù)或命令的傳輸，大大提高了該系統(tǒng)使用的方便性、靈活性。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

數(shù)控機床使用6根信號線就可以向外部提供63種數(shù)字信號(具體信號的多少可以根據(jù)實際需要來定)，如:油壓壓力下降、換刀時間過長、軌道油油量不足、夾頭在夾住狀態(tài)量刀臂不能放下、必須將門先關(guān)上才能啟動主軸等，因為這些信號的電平一般是24 V，所以要把這些信號通過光電隔離器隔離以后再傳給STC單片機，單片機對數(shù)字信號分析，根據(jù)數(shù)字信號的類型從單片機EEPROM中讀取相應的語音文本信息，通過單片機的串口2發(fā)給SYN6288語音合成芯片進行語音合成，并通過音頻功率放大器PAM8403進行功率放大，最后推動喇叭發(fā)出報警提示信息。該語言報警系統(tǒng)所需的電源是由數(shù)控機床提供，并通過電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為5 V電壓，提供給單片機系統(tǒng)。語音信息以及報警系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)信息等是以文本的方式存儲在單片機EEPROM中的，這些文本信息是通過串口傳給單片機的，考慮到智能手機應用地越來越廣泛，可以通過智能手機的藍牙模塊和報警系統(tǒng)進行信息傳輸，因此，通過STC單片機的串口1擴展了藍牙模塊，并設(shè)計了基于Android系統(tǒng)的手機客戶端軟件，使得該報警系統(tǒng)設(shè)置更加方便、靈活。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2　語音報警系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1主控芯片選擇

從成本和性能綜合考慮，主控芯片選用的是宏晶科技公司設(shè)計生產(chǎn)的STC15F2K24S2，它是單機器周期(1T)的單片機，它具有高速、高可靠、超低功耗、超級抗干擾等優(yōu)點，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。內(nèi)部集成高可靠復位電路，可用在高速通信、智能控制、強干擾等場合［3］。該單片機并具有雙串口，內(nèi)部具有2K的RAM、24K的Flash以及37K的EEPROM，利用該單片機內(nèi)部的EEPROM足夠存儲系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)和語音文本信息，無需再外擴存儲器，參數(shù)信息可以實現(xiàn)用戶的個性化配置，如音量、語速、靜音等功能。它也支持串口ISP下載調(diào)試功能，具有使用方便、設(shè)計成本低等優(yōu)點。

2.2信號采集電路設(shè)計

由于機床的提供的數(shù)字電平信號一般是24 V，因此，單片機在處理機床信號前必須要進行光電隔離，信號采集電路共使用6路光耦進行隔離，輸入信號通過共地形成回路［4］。平時，當IN1～IN6沒有輸入信號時，單片機的P2.2～P2.7各通過一個10 kΩ的下拉電阻接到電源地，因此，查詢P2.2～P2.7為低電平，表示沒有報警信號;當IN1～IN6輸入信號為高電平時，光電二極管發(fā)光工作，P2.2～P2.7被拉高到高電平，此時，表示有報警信號到來，根據(jù)P2.2～P2.7接口輸入的高低電平組合，查找內(nèi)部EEPROM存儲的語音文本信息進行語音合成報警。系統(tǒng)信號采集電路設(shè)計原理圖如圖2所示。

圖2　信號采集電路設(shè)計原理圖

2.3SYN6288語音合成電路設(shè)計

SYN6288中文語音合成芯片是北京宇音天下科技有限公司推出的一款性價比更高，效果更自然的一款中高端語音合成芯片。SYN6288通過異步串口(UART)通訊方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實現(xiàn)文本到語音的轉(zhuǎn)換。SYN6288支持GB2312、GBK等內(nèi)碼格式的文本，支持16級音量調(diào)整、6級詞語語速調(diào)整等多種功能［5］。

由于STC15F2K24S2單片機具有2個獨立串口，因此，在設(shè)計中使用單片機的串口2和SYN6288通信，SYN6288雙聲道音頻信號分別從BP0和BN0輸出，并送入到音頻功率放大器PAM8403進行功率放大［6］，放大后的音頻報警信息分別從喇叭S1和 S2輸出。SYN6288芯片的引腳4(Busy)和單片機的P1.2相連接，單片機通過查詢的方式來確定SYN6288是否處于忙狀態(tài)。當SYN6288的引腳4為低電平表示可接收上位機發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，高電平表示正在進行語音合成并播音。SYN6288的引腳19為芯片復位，低電平觸發(fā)有效［7］。SYN6288電路設(shè)計原理圖如圖3所示。

圖3　SYN6288電路設(shè)計原理圖

2.4藍牙通訊電路設(shè)計

為了方便對報警系統(tǒng)設(shè)置和更新EEPROM里面存儲的語音文本信息，系統(tǒng)在單片機的串口1擴展了藍牙串口模塊FBT－06，F(xiàn)BT－06是小尺寸藍牙模塊，專為智能無線數(shù)據(jù)傳輸而打造，采用英國CSR公司BlueCore4－Ext芯片，支持Bluetooth2.1協(xié)議，內(nèi)置PCB天線，具有成本低、體積小、收發(fā)靈敏度高等優(yōu)點，只需配備少許的外圍元件就能實現(xiàn)其強大功能［8］。

藍牙模塊的EN使能端和單片機的P1.3相連接，高電平有效; VCC范圍為3.3 V～6.0 V，此處5 V供電即可;使用單片機的串口1和藍牙模塊通信，通過單片機的串口1把AT指令發(fā)給藍牙模塊，實現(xiàn)藍牙串行數(shù)據(jù)無線透傳;藍牙模塊的STATE端口和單片機的P3.2相連接，若STATE端口不停跳變，表示藍牙未連接，STATE端口拉高表示已連接，若拉低，則表示藍牙模塊處于緊急救援模式或關(guān)機，單片機通過檢測該端口可以了解藍牙模塊的工作狀態(tài)，只有STATE端口處于高電平時藍牙模塊才可以收發(fā)數(shù)據(jù)。藍牙模塊通訊電路設(shè)計原理圖如圖4所示。

圖4　藍牙模塊通訊電路設(shè)計原理圖

3　語音報警系統(tǒng)軟件設(shè)計

語音報警系統(tǒng)的下位機軟件是采用基于Keil C集成開發(fā)環(huán)境的C語言進行設(shè)計的，基于Android系統(tǒng)的手機客戶端軟件是采用Java編寫的，軟件設(shè)計采用模塊化的思想，軟件設(shè)計主要分為系統(tǒng)下位機軟件設(shè)計和基于Java的Android系統(tǒng)的客戶端軟件設(shè)計。

3.1系統(tǒng)下位機軟件設(shè)計

STC15F2K24S2的EEPROM共有74個扇區(qū)，每個扇區(qū)512 byte，第0扇區(qū)作為存儲系統(tǒng)的參數(shù)信息，如語音播報的音量、語速等功能。63種語音文本信息分別存儲在1～63扇區(qū)，根據(jù)給定機床輸入信號在相應的扇區(qū)存入語音文本信息，一個扇區(qū)512 byte最多可以存儲256個漢字，數(shù)字、字母與漢字可以混合存儲，之所以按扇區(qū)存儲語音文本信息，是因為STC15F2K24S2的EEPROM擦除操作是按扇區(qū)進行的，需要更新的語音信息按照一定的協(xié)議從串口發(fā)送給單片機，單片機按照協(xié)議從數(shù)據(jù)流中解析出語音文本的地址和數(shù)據(jù)，按地址先對扇區(qū)擦除操作，然后把語音文本數(shù)據(jù)依次寫入EEPROM對應的扇區(qū)，完成語音文本信息的寫入操作。

為了保證數(shù)據(jù)通過串口傳輸過程中的可靠性，需要按照一定的協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，默認采用異步串行通信方式，RS232電平，波特率9 600 bit/s、無校驗位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無數(shù)據(jù)流控制。數(shù)據(jù)的接收是在中斷方式下進行的，串口1接收中斷服務子程序邊接收數(shù)據(jù)邊進行數(shù)據(jù)校驗，并同時解析出地址碼和數(shù)據(jù)，校驗碼正確，則證明接收到了一幀合法的數(shù)據(jù)，把合法數(shù)據(jù)標志位CMDflag置1，在主函數(shù)中進行數(shù)據(jù)處理。通信數(shù)據(jù)幀格式如下所示。

字段識別碼長度(N+3)地址碼數(shù)據(jù)段(可選)校驗碼字節(jié)2　1　1　N　1

識別碼用于識別幀頭，如果收到的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)0xAB和0xBA，則認為這是一個新的數(shù)據(jù)幀。長度字段指明數(shù)據(jù)幀長度，包括地址碼、數(shù)據(jù)段和校驗碼字段。地址碼代表EEPROM對應的扇區(qū)。校驗碼用來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，接收到數(shù)據(jù)后，首先判斷校驗是否正確，正確則處理這一幀數(shù)據(jù)，不正確則丟棄。校驗碼是地址碼和所有數(shù)據(jù)的異或值。

考慮到STC15F2K24S2單片機有足夠的處理速度，這里的機床信號采集是采用的軟件查詢的方法進行的，由圖2可知，當機床的IN1～IN6輸入端有輸入信號時，單片機的P2.2～P2.7端口會跟著做相應的變化，因此，程序只需要查詢P2.2～P2.7的值Val，當其為非零時即表明機床有報警信號輸入。若有信號輸入則以Val×512作為首地址讀取語音文本信息，并發(fā)送給SYN6288語音合成輸出即可。程序流程圖如圖5所示。

圖5　程序流程圖

3.2基于Android系統(tǒng)客戶端軟件設(shè)計

系統(tǒng)語音信息的更新既可以采用串口進行也可以采用基于Android手機客戶端進行。基于Android系統(tǒng)客戶端軟件設(shè)計主要是采用Android系統(tǒng)提供的藍牙API實現(xiàn)的。Android系統(tǒng)提供的藍牙API可以實現(xiàn)藍牙設(shè)備之間的通信，兩個藍牙設(shè)備的通信主要包括了4個步驟:設(shè)置藍牙設(shè)備、尋找局域網(wǎng)內(nèi)可能或者匹配的設(shè)備、連接設(shè)備和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸［9］。

根據(jù)實際需要，這里只允許Android手機客戶端連接一個固定的藍牙設(shè)備，而藍牙設(shè)備的唯一標識就是藍牙設(shè)備的MAC地址，Android手機客戶端首先給FBT－06藍牙串口模塊發(fā)送AT+laddr指令，獲取到藍牙模塊的MAC地址，在程序中給該地址定義為:

private String blueAddress="81: F2: 6E: F9: C4: 1D"; / /FBT－06藍牙串口模塊的MAC地址

此外連接藍牙設(shè)備還需要一個UUID標識，這個標識是個128位的隨機數(shù)，可以用個Java里的UUID類的fromString函數(shù)得到: private static final UUID MY _ UUID _ SECURE = UUID.fromString (" 00001101－0000－1000－8000－00805F9B34FB") ;［10］

這兩個變量就相當于Socket編程中的IP地址和端口號，得到這兩個數(shù)據(jù)后，只要獲取藍牙的默認數(shù)據(jù)適配器就可以開始連接兩個藍牙了［11］。

private BluetoothAdapter btadapter = BluetoothA-dapter.getDefaultAdapter() ;

在客戶端輸入語音文本信息時，程序必須按照前面設(shè)計的通信協(xié)議進行打包和封裝，然后通過藍牙模塊一對一的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)BT－06藍牙串口模塊接收到數(shù)據(jù)之后直接從串口輸出，傳給STC15F2K24S2進行校驗和數(shù)據(jù)解析，最后完成數(shù)據(jù)或參數(shù)的寫入。

4　結(jié)論

該設(shè)計敘述了機床語音報警系統(tǒng)的基本原理和設(shè)計方法，并分析了硬件和軟件設(shè)計的具體方案。系統(tǒng)可以對機床數(shù)字信號進行采集、處理，并給出語音報警信息，語音文本信息的更新既可以采用串口通信也可以采用基于Android手機客戶端進行，操作靈活、使用方便。經(jīng)過在安陽鑫盛機床廠實踐證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，取得了較好效果，推廣使用將會獲得較好的經(jīng)濟效益。

參考文獻:

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［11］張碩.基于Android的藍牙多點文件傳輸系統(tǒng)［D］.內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古大學，2013.

常國權(quán)(1973－)，男，漢族，河南省清豐縣人，安陽工學院計算機科學與信息工程學院講師，畢業(yè)于東北電力大學信息工程學院，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)應用與開發(fā)，changguoquan@ 126.com。

Design of a Heated Twin Temperature Sensor Used in Meteorology Observation*

HAN Xiaodan2，3，LIU Qingquan1，2，3*，YANG Jie4，5
(1.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing 210044，China; 2.School of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 3.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Signal Processing，Nanjing 210044，China; 4.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing 210044，China; 5.School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China)

Abstract:In order to compromise the measurement error caused by the deposition of water on the temperature sensors in high-altitude meteorological observation，a heated twin temperature sensor is proposed.The changes of the measurement error and time constant under different wind velocities and precipitation intensities are measured by alternately heating the two temperature sensing devices.By fitting the corresponding function，the error correction and precipitation intensity measurement are achieved.The test results show that under certain wind velocities and precipitation intensities，this design can reduce the error caused by water evaporation from±0.3℃to below±0.1℃.The precipitation intensity measurement error is±0.2 mm/min.Compared with traditional radiosonde temperature sensors，the heated twin temperature sensor features high precision and has the capability of error elimination.The measurement of precipitation intensity is also realized in this design.

Key words:temperature sensor; precipitation intensities; L-M algorithm; time constant

中圖分類號:TP368.2

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0616－05

收稿日期:2014－07－31修改日期: 2014－08－20

doi:EEACC: 7230; 7320R10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.029