发电厂配电室语音提示系统设计

(华能重庆珞璜发电有限责任公司，重庆 402283)

配电室作为发电厂的核心之一，具有给全厂供电的重要作用。在发电厂的运行中，电气设备的停送电不可避免，如何防止走错间隔进行正确的电气操作非常重要，这直接关系到操作人员的人身安全与设备的正常运行。在传统的发电厂，长期的经验及教训形成了一套行之有效的制度及措施，很大程度上避免了走错间隔，但根据近年来的事故来看，走错间隔导致的电气误操作仍时有发生。

在某360 MW发电厂，其3#、4#机相邻机组配电设备均放置于同一配电室，配电室的布置基本相同，甚至出现相邻机组的同一位置设备一致的情况，例如33102 A为 3#机3炉水泵，34102 A为4#机3炉水泵，同样的102 A位置都是3#炉水泵，很容易出现走错间隔误操作的情况。在发电厂配电室区域，现在区分间隔一般采用的是标示牌，例如3#机配电区域上方悬挂有3#机组，4#机配电区域上方悬挂有4#机组，相应的负荷开关也有唯一的标识，但这些都是从视觉这单一感官上的区分，不足以保证操作人员的安全。因此，基于听觉这一感官考虑，本文研究了配电室语音提示系统的设计，旨在将语音提示系统应用于现场生产，尽可能降低电气操作间隔误入率，保证电气操作的可靠进行。

1 系统工作原理

语音提示系统主要由控制器STC11F04E、语音芯片ISD4004、外设红外线对射传感器、外设功率放大器、外设扬声器等组成，如图1所示。

图1 系统工作原理

正常工作情况下，控制器处于扫描状态，持续扫描红外线对射传感器的动作情况。当传感器动作后，动作情况由I/O口输入控制器，控制器STC11F04E通过串行通信SPI接口向语音芯片ISD4004发出放音指令，发出放音指令后，控制器STC11F04E立即恢复传感器扫描模式。

语音芯片ISD4004接收到放音指令后，开始播放传感器对应的语音提示信息，该语音输出经过外设功率放大器进行功率放大后由扬声器进行声音播放。播放过程中，若新传感器动作，旧的语音播放停止，新的语音播放随即开始。播放完成后，语音电路ISD4004下电进入节能模式。

2 硬件系统设计

2.1 硬件设计概述

语音提示系统的硬件设计框图如图2所示。

图2 语音提示系统硬件框图

由图2可知：控制器通过SPI口与语音芯片ISD4004连接；控制器通过I/O口与外设探测器连接；控制器通过I/O口与按键连接；LED显示电路与按键电路连接；外设功放音箱通过2.5 mm音频接口与语音芯片ISD4004连接。

2.2 供电电路设计

本设计采取供电电压为5 V的USB供电方式，由于控制器STC11F04E采用的是5 V供电电压，语音芯片ISD4004采用的是3.3 V供电电压，虽然可以直接给控制器供电，但对于语音芯片ISD4004，就必须设置一个电压变换电路。采用LM1117MPX-3.3固定电压调节器实现变压功能，保证芯片供电的稳定性与可靠性，电路的连接方式如图3所示。

图3 供电电路

图3所示的电路为5 V转3.3 V的典型电路。选择了10 μF的钽电容作为输入端旁路电容，可以有效增强输入电压的稳定性。输出电容值的大小影响回路的稳定性和瞬态响应，电容越大，稳定性和瞬态响应越好，因此采用了22 μF的输出电容。

对于电源变换电路，为了直观反映其工作状态，添加了1个发光二极管。当电源变换电路正常工作时，发光二极管处于点亮状态。图3所示的电路中，在发光二极管上串联了1个220 Ω的电阻，该电阻起限流作用，使得发光二极管能在3.3 V的电压环境下工作[1]。

2.3 复位电路设计

控制器STC11F04E有5种复位方式，通过外部RST引脚复位、内部低电压检测复位、软件复位、掉电复位/上电复位、看门狗复位。

采用内部低电压检测复位与掉电复位/上电复位3种方式，低电压复位门槛电压选择4.1 V以下。外部RST引脚复位采用阻容复位的形式，根据芯片手册，由于晶振频率选择的是11.059 2 MHz，复位电压选择4.1 V以下，可以不用电容，直接将RST引脚连接1 K的下拉电阻[2]。

2.4 时钟电路设计

时钟是控制器运行的基础，本次设计采用的STC11F04E具有内部IRC时钟和外部时钟两个时钟源。芯片内部的IRC时钟常温下频率是4～8 MHz，因为随着温度的变化，内部IRC时钟的频率会发生温漂[2]。考虑到配电室的环境温度较高，加上控制器运行发热会影响内部IRC时钟，因此时钟电路通过外部晶体振荡器驱动，如图4所示。根据需要，选择的晶体振荡器频率为11.059 2 MHz，为了保证晶体振荡器正常起振，晶振两端各接1个20 pF的电容。图4中的EXTAL与控制器STC11F04E外部晶体振高器输入引脚4脚连接，XTAL与控制器晶体振高器输出引脚5脚连接。

图4 时钟电路

2.5 开关电路设计

为了满足现场机组运行、停运、检修3种状态下不同语音提示，采用开关来设置机组状态。

开关在硬件系统中，通过开通/闭合来模拟高/低电平，从而实现控制信号的键入。采用的开关为三档双控，有两组独立输出，电路图如图5所示。通过开关的位置设置，可以使控制器得到高/低电平两种信号。

图5 开关电路

根据控制器芯片资料，控制器内部具有3种上拉电阻，因此未设置接地限流电阻与外部上拉电阻[2]。图5中开关电路输出信号S1、S2、S3、S4与控制器通用I/O口6、7、8、9相连。开关工作原理以K1为例，当K1开关置上位时，K1开关6脚与8脚导通接地、7脚悬空，控制器得到S1的低电平信号与S2的高电平信号；当K1置中位时，K1开关6脚悬空、7脚接地，控制器得到S1高电平信号与S2低电平信号；当K1置下位时，K1开关6、7脚均悬空，控制器得到S1、S2高电平信号。

2.6 LED显示模块设计

LED显示电路直接与开关电路中的三档双控开关相连接，如图5所示。以开关K1为例，当开关置上位时，开关的1、3脚导通接地，红色LED灯亮；当开关置中位时，开关的2、4脚导通接地，绿色LED灯亮；当开关置下位时，开关的3、5脚接地，黄色LED灯亮。根据灯的颜色可以直观地观察到系统设置的机组状态。

2.7 其他部分

系统除上述设计的硬件主机外，还具有部分外设。本次设计将4组外置红外线对射探测器分别连接到控制器16～19脚4个I/O接口，红外探测器正常运行时输出高电平信号至控制器，动作时输出低电平信号至控制器。此外主机语音芯片的2.5 mm音频接口通过音频线连接到外置功放，功放外接两组扬声器,实现声音放大输出。为简化电路，未设计编程器，仅提供了接口供外部编程器使用。

3 软件系统设计

3.1 编程软件介绍

软件系统的设计采用编程软件Keil uVision4来完成，Keil uVision4是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件研发系统。该研发系统引入灵活的窗口管理系统，使开发人员能够使用多台监视器，并提供视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何地方，同时采用的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口，提供一个整洁、高效的环境来开发应用程序[4]。

3.2 语言芯片ISD4004初始化程序

ISD4004在硬件系统搭建后处于空白状态，需要将所需的语音信息录入ISD4004的片内存储器，也就是对其进行初始化，对ISD4004的初始化采用录音程序来实现，程序流程如图6所示。

图6 ISD4004初始化程序

1)定义12个地址，用于存储12段所需的语音提示信息，程序开始后控制器STC11F04E开始检测录音键是否按下。当录音键按下后，控制器将录音起始地址1发送至语音芯片ISD4004，同时下达录音开始指令，语音芯片ISD4004从地址1开始录音。录音开始后控制器开始检测录音键状态，如果录音键松开，控制器将停止录音指令发送至语音芯片ISD4004，ISD4004结束录音并保存。地址1录音完成后，主程序开始检测录音键是否按下以开始第2段录音，当录音键按下后控制器将录音起始地址2发送至语音芯片ISD4004，同时将录音开始指令下达，语音芯片ISD4004就从地址2开始录音。录音开始后控制器开始检测录音键状态，如果录音键松开，控制器将停止录音指令发送至语音芯片ISD4004，ISD4004结束录音并保存。地址2录音完成后，主程序开始检测录音键是否按下以开始第3段录音，根据相同的步骤，主程序依次将12段语音信息录入到语音芯片ISD4004，完成ISD4004的初始化。

2)本程序在录音过程中没有检测语音芯片ISD4004的中断OVF标志，OVF标志是指示ISD的录放操作已到达存储器的末尾[5]。因为本程序定义的12个地址，每两个地址间录音时长均设置为15 s，而录音文件的时长仅为8 s，因此忽略了中断OVF标志检测，也省去了硬件方面的考虑。

3.3 系统控制程序

对ISD4004进行初始化后，语音信息被永久保存在ISD4004语音芯片里。正常运行时，如需输出某条语音信息，仅需将存储该语音信息的存储首地址发送至ISD4004，然后发送放音指令，即可实现对应语音信息的播放。因此，在主程序中，根据机组的运行情况以及相应探测器的动作情况，有选择地将录音首地址通过控制器送入语音芯片ISD4004，实现配电室语音提示的功能，整个程序流程如图7所示。

图7 系统控制程序

1)正常上电后，程序初始化，开始检测3#、4#机运行状态。3#、4#机运行状态由控制器的4个I/O口状态进行判定，4个I/O口接有开关，可以独立分合得到1、0两个信号。3#机运行时，对应3#机的两个I/O口为1、0；3#机停运时，对应3#机的两个I/O口为0、1；3#机检修时，对应3#机的两个I/O口为1、1；4#机运行时，对应4#机的两个I/O口为1、0；4#机停运时，对应4#机的两个I/O口为0、1；4#机检修时，对应4#机的两个I/O口为1、1。通过设置开关，可以将机组的运行状态转化为I/O口信号，从而使控制器检测到机组运行状态。程序首先检测3#机运行状态，确定后检测4#机运行状态，机组状态检测完毕后开始检测探测器的动作情况。

2)本次设计将3#机380 V区域探头设置为探测器1，4#机380 V区域探头设置为探测器2，3#机6 kV区域探头设置为探测器3，4#机6 kV区域探头设置为探测器4。机组状态检测完毕后，程序开始循环检测4个探测器，首先检测探测器1，若探测器1动作，则将探测器对应的语音地址送入ISD4004进行播放，如图7所示，指令发送完毕后，控制器又返回检测模式。若探测器1未动作，控制器开始检测探测器2，以此类推，一直不断地检测探测器动作情况，以及时将探测器动作情况通过语音输出。

3)本程序在放音过程中检测了语音芯片ISD4004的EOM标志，EOM标志是指示ISD4004的放音已经到达该条存储语音信息的末尾[6]。控制器发出放音指令后，语音芯片ISD4004开始放音，当放音到达该条语音信息的末尾时，将播放状态反馈给控制器，控制器及时发出停止播放指令，避免了持续播放后续存储地址的录音。同时，通过检测EOM可以在完成停止播放后及时将语音芯片ISD4004下电，降低了硬件的功耗。

4)在生产现场实际情况中，常常可能出现操作人员短时间内从一个区域转移到另外一个区域，对应图7而言，就是两个探测器先后动作，动作的间隔时间很短，以至于少于录音播放时间，出现新探测器动作，老探测器动作还未播放完成的情况。针对这种情况，本程序采取新探测器优先的原则，若新探测器动作，则老探测器播放终止，立即开始新探测器对应语音信息的播放，保证提示信息的及时性。

放音程序示例：

voidPLAY_now(ucharadd_sect)

{

ISD_PowerUp();//ISD 上电

Delay1Ms(50);//延时

switch(add_sect)//选择所需的语音地址

case 1:ISD_SetPlay(ISD_ADDS1);break;//发送播放地址

case 2:ISD_SetPlay(ISD_ADDS2);break;

case 3:ISD_SetPlay(ISD_ADDS3);break;

case 4:ISD_SetPlay(ISD_ADDS4);break;

case 5:ISD_SetPlay(ISD_ADDS5);break;

case 6:ISD_SetPlay(ISD_ADDS6);break;

case 7:ISD_SetPlay(ISD_ADDS7);break;

case 8:ISD_SetPlay(ISD_ADDS8);break;

case 9:ISD_SetPlay(ISD_ADDS9);break;

case 10:ISD_SetPlay(ISD_ADDS10);break;

case 11:ISD_SetPlay(ISD_ADDS11);break;

case 12:ISD_SetPlay(ISD_ADDS12);break;

}

ISD_Play(); //发送放音指令

while(ISD_INT==1);//检测放音完成

ISD_Stop();//发送停止播放指令

ISD_PowerDown();//发送下电指令

4 结语

配电室是发电厂的血液命脉，配电安全事关人身安全与设备安全。为了减少走错间隔导致的误操作，本文从声音这一感官出发，提出了配电室语音提示系统的设计方案，并根据需求完成了系统的硬件设计与程序设计。主要工作有两个方面：一是研究了语音提示系统的硬件实现过程，重点研究了各电路的设计过程，并对各个电路的工作原理进行了详尽的阐述；二是研究了语音提示系统程序的设计，重点研究了语音芯片ISD4004的初始化程序及控制系统正常运行程序，并给出了放音部分的程序示例。软硬件功能调试正常后，在配电室进行了现场安装，现场运行人员进行电气操作时，能及时给出准确有效的语音提示，并能根据机组运行情况设置不同的语音提示信息。系统投运以来，长时间运行稳定，现场未出现误入操作间隔等异常情况，运行人员反馈很大程度上降低了电气操作间隔的误入率，能有效保证电气的操作安全，系统运行效果好。