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徐福成 本站语: 本作品荣获2010年全国第25届科技创新大赛辅导员组科技发明一等奖。徐老师多次获得河北省和全国比赛大奖。并在自制教具比赛中获得河北省自制教具能手和全国自制教具能手称号。作者将此作品公开供读者了解项目技术，让目前尚未使用音乐打铃或者尚未使用自动广播的学校了解升级广播系统的过程和升级后的功能，作为一名教育工作者，希望所有的学校通过自制等最低投入的前提下，使用上高性能的打铃广播系统。 内容摘要 学校的铃声经过了金属钟、电铃和音乐铃几个阶段。电铃虽可实现自动控制，但是其噪声使人反感，音乐铃是比较理想的铃声，但是设备价格较高。 任何一所学校，目前都具有普通的广播系统，如果能够充分发挥广播系统的作用，在原有的广播系统上增加一个“校园广播系统功能扩展器”，使校园中普通广播系统变成为一套数码音乐打铃系统和一套自动广播的广播系统。 打铃系统不但实现音乐打铃，且音乐铃声方便更换；不仅使用了优美的音乐铃，且实现了人性化的上课铃音量递减和下课铃音量从最小音量递增的自动音量功能，前者使学生的心情随铃声音量减小慢慢平静下来，后者防止对沉思中的学生带来惊吓；音乐打铃系统具有 4套打铃程序，一次输入后，根据季节或者学校不同的课表更换打铃信息时，仅仅一个按键即可完成切换；打铃系统在一周内可以设置多种（最多7种）打铃信息，满足一周内有多种作息时间的需要。普通广播系统增加“校园广播系统功能扩展器”后，广播系统具有定时自动广播功能，并且自动插播广播站名称和内容类别，实现了虽然无人职守，但胜似人工职守广播的效果。 “校园广播系统功能扩展器”具有无线遥控远程控制、双组数码显示、按键和遥控双重操作，以及操作过程中全程语音指导的功能。 低成本、高性价比，使所有学校的校园广播系统升级成为可能。 一、 校园普通广播系统的升级跃变： 1、 普通广播系统的信号框图： 普通广播系统，有功放机、喇叭和信号源组成，功放机的电源和信号源由人工管理。工作框图如图1所示。
图1 图中可见，人工为收音机和功放机供电，收音机中的信号送到功放机，功放机输出信号到音柱发出声音来。 2、 升级后的广播系统的信号框图 功能扩展后的广播系统中，仅仅在原来的普通广播系统中增加了一个“功能扩展器”，功放机的供电和信号源的信号管理通过“功能扩展器”来完成。 扩展后的广播系统的工作框图如图2所示。
图2 经过功能扩展后，收音机和功放机的电源由“功能扩展器”定时管理，或人工按键、人工无线遥控 “功能扩展器”间接管理；广播信号源（收音机）的信号源送到“功能扩展器”，功能扩展器根据需要自动切换打铃或广播信号。 二 、 校园广播系统功能扩展器的设计方案1、 原理框图与说明： 广播系统功能扩展器有一片单片机和周围的元器件组成，其原理框图如图 3所示。其中单片机是核心器件，读取专用时钟电路中的数据，将时间数据显示到数码管上。单片机管理语音电路完成录音和放音，且管理语音电路输出的音量大小，控制管理一个无源开关实现对功放机和信号源的供电。键盘按键和无线遥控接收，都属于人工操作输入，单片机接收到按键操作或者接收到无线遥控指令后，根据操作和指令执行人工操作功能。 功能扩展器上有一个监听喇叭，监听打铃或广播，同时完成全程语音指导的播放。
图3 2、 铃声渐变设计原理： 音乐铃声虽然优美，但是突然到来的音乐铃声会对上课中正在深思的学生一个惊吓，为了避免惊吓发生，让铃声从最小的声音开始，逐渐增大到正常的音量是一个很好的解决方案。利用单片机管理语音电路音量的功能，将信号输出从音量最小开始，在8秒钟内逐渐增大到正常的音量，实现了下课铃的音量渐增设计。其控制时序如图4所示。
图4
上课铃一般起始于比较嘈杂的环境中，而结束在教室内已经安静下来的情况下，上课铃的音量渐变设计与上面设计相反，开始于正常的音乐铃声，单片机根据音乐段的长短，计算最后的8秒钟时音量开始减小，音乐播放结束时音量最小。声音的减小使学生的心情随铃声渐渐平静下来。音量渐减的控制时序如图5所示。
图5
预备铃和上、下课铃有所区分区分，采用无音量渐变。其控制时序图如图6所示。
图6 3、 无线遥控打铃广播和数据输入： 无线遥控是根据“功能扩展器”与学校管理人员分离的实际情况而增加的一种新功能。功能扩展器一般安装在广播室内，学校管理人员在自己的办公室内，无线遥控器解决了人不出屋完成临时性打铃的需要。而且无线遥控器在功能扩展器设置输入时，使用数据按键直接输入操作更方便。 遥控器有12个可以用来操作“上课铃”、“下课铃”、“快速广播”、“正常广播”等等，其第二功能完成各种设置输入、程序切换、音量调整等等，详细操作见使用说明书。 本电路中，单片机直接接收无线接收模块的脉冲数据，译码工作由单片机完成，可节省一片译码电路。 4、 2X4套程序（软件）工作原理： 本电路使用的单片机内部有内部储存器 RAM（256字节），其中00-7FH为用户使用的低端通用RAM，80H-FFH为用户使用的高端RAM，低端RAM数据直接读写，高段数据使用间接方式读写。特殊寄存器占用80-FFH，虽然地址编号与高端RAM相同，但是物理区域不同，两者在使用过程中不会冲突。ERAM （1024字节），称为扩展的RAM区。该部分区域使用间接方式进行读写，由于数据大于256个，所以使用双字节数据指针DPTR配合读写。EEPROM （64K字节）称为外部储存器，因为是电擦写，又称为 EEPROM。虽然叫做外部储存器，实际上是放在单片机内部的数据区。EEPROM每个扇区为512个字节，本机使用的STC89C54RD+有128个外部数据扇区。4 套程序的工作原理是，将4套程序的作息时间信息数据分别储存到4个不同的EEPROM区域内，需要那一套程序，则将该套程序的信息数据调回到ERAM中来。只事先将4套程序的作息信息输入后，使用时只要将不同的信息从EEPROM调回到ERAM中即可。 单片机内部数据区的分布示意图如图7所示。RAM用于常用数据的寄存，上电时根据当前的程序使用状态，将存放在EEPROM中的信息数据传送到ERAM中，单片机在每分钟进位的时候，将当前时间数据与ERAM中的时间信息数据比较后，作出打铃或广播的操作。
图7 5、 周分段工作的设计原理： 周分段工作原理是，是在设置输入时间信息的时候，不但输入了时间（消失和分钟）而且在每个信息中包含了星期数据，单片机在计算过程中，将时间数据和星期数据求“与”，，如果条件成立，则进行打铃或广播。 信息中的星期数据决定了打铃或广播在一周内的分段，最多可以将一周的打铃广播时间分为7段，输入信息时，星期数据是按范围输入的，从星期X到星期Y，X和Y的数据可以相等，两数据相等时表示为当天。例如：星期1～星期5的正常教学，星期六的科技活动，星期日文体活动。三个时段的星期输入则为：星期1～星期5；星期6～星期6；星期7～星期7。 这种通过星期段与时间进行“与”的信息输入方案，输入的信息虽然复杂一点，但是满足了学校多时段作息时间的需要。 6、 广播开启的工作过程： 无人职职守的广播过程是根据设定的广播站名称和广播内容提示语的内容长度，提前开始广播。广播起始于一段音乐，之后是广播站名称，接着是广播的内容。自动广播的工作过程如图8所示。广播机需要再提前5秒钟开机预热。
图8 7、 广播关闭的工作过程： 无人职守的广播时间到，正文广播内容音量递减。之后广播本次广播结束语，再将音量开关关闭到最小，再关闭广播系统电源。结束广播工作的过程如图9所示。
图9 8、 电路原理图与印板图： 校园广播系统功能扩展器电路原理图如图10所示。
 图10 9、 电路工作原理： 单片机（IC2）读取专用时钟电路（IC1）中的日期和时间数据，并将当前的时间数据显示到第一组数码管（LED_1/LED_2）上，IC1的脉冲输出端口控制LED1和LED3按秒钟周期闪烁，数码管（LED_3/LED_4）显示打铃、广播时间以及其它的信息，数码管采用动态扫描方式驱动。8位数码管使用三极管（V2～V9）通过扫描方式供电，数码管的笔画端口单片机直接控制。 单片机检测按键（K1～K4）的低电平状态，按键按下后对应端口的电位被拉低。无线接收模块（WX1）接收无线遥控指令，收到的数据传送到单片机，单片机执行相应操作。 执行打铃功能时，单片机控制继电器（J2）吸合，广播功放机通电预热，单片机向语音电路（IC3）发送指令，语音电路按指定音乐段播放语音。 执行广播功能时，单片机向语音电路发送指令，将音频信号切换外部信号源，外部信号通过语音电路的9脚输入，经过内部的放大后送出。 打铃或广播期间，信号一路送监听喇叭，一路通过插座（J4）与广播功放机连接，送到功放机被放大后广播出去。打铃或广播结束，单片机控制语音电路复位，同时释放继电器断电，广播功放机关机。 10、 功能扩展器的面板说明： 功能扩展器的面板如图11所示。
图11 功能扩展器上面的4位数码管显示当前的小时和分钟，下面的4位数码管根据设定，独立显示打铃时间、广播时间、星期数据，或者上面的三种数据循环交替显示。面板下面的有4个按键，这4个按键便是功能扩展器的手动按键。通过按键长按、点击，以及通电前按下，以及通电前同时按下两个按键等，实现不同的功能操作。 扩展器面板的右侧有一个供电插座，是一个无源开关，用来管理广播系统的供电。左侧上部有音频信号的输入、输出插座，信号源的信号送到输入端，输出端与广播功放机连接，提供广播或者打铃信号。则侧下部是功能扩展器的电源输入插座和电源开关。 8 个数码管上的数点指示灯用于功能指示灯，上面的指示灯用于功能指示，下面的指示灯用于指示当前使用的程序，从左至右分别代表第1套～第4套程序，打铃程序和广播程序同时进行切换。11、功能扩展器的实物图： 功能扩展器的实物图如图12所示。
图12 12、无线遥控器功能说明： 无线遥控器用于人工间接操作和设置输入操作。遥控器远程人工间接操作有上课铃、下课铃，广播开和广播关，音量调整和显示状态切换等。设置操作是在设置状态下，通过数字按键快速输入信息数据，比使用面板按键输入的速度要方便、快速，遥控器上面有专用的功能设置进入按键。详情使用见使用说明书。 13、全程语音指导的说明： 不论是面板上的人工按键操作，还是无线遥控器远程操作，不论是打铃操作还是广播操作，不论是设置输入操作，还是状态切换管理，任何一个操作均对当前的操作做出的语音提示说明和指导，避免盲目操作而出错。 全程语音指导通过监听喇叭发出提示语，指导语不在广播喇叭出现。 三、程序设计 程序分为若干个模块，模块组合后便是一个使用的程序。本程序组合成两个独立的模块提供下载。（文后 有下载链接）。 四、创新点： 1、 通过一个小小功能扩展器，将普通的广播系统升级为高性能的音乐打铃、自动广播的系统。 2、 人性化的音乐铃声给学生们一份关爱。下课铃声从最小音量递增，避免对沉思中学生的惊吓，上课铃声最后8秒钟音量递减是学生们的心情随铃声逐渐平静下来。 3、 模拟有人职守的广播管理，自动加播“校园广播站名称”和“广播内容说明”，使学生感到广播的亲切、内容的明确；实现了学生踏着音乐进入校园，听着歌曲离开学校的美好愿望。 4、 4套打铃程序+4套广播程序，不但实现了一个按键完成冬、夏季作息时间更换，而且可以将适用于学校的月考打铃、高考打铃等不同类别的打铃存入程序，更换和恢复不同规律的打铃更方便。 5、 独立的星期数据控制，使周内的打铃时间可以分为多节段使用，一个打铃系统相当于多个打铃器使用。 6、 所有操作的“全程语音指导”，解决了使用者对电器设备不会使用的尴尬局面，全程语音指导使操作者“有的放矢”，保证操作的准确性。 7、 无线遥控远程操作，解决按键式人机分离状态下的正常操作问题。也使设置输入信息变得轻松而快捷。 8、 低成本，高性能，极高的性价比，便于推广使用。 五、参考文献： 1、 〖单片机基础〗 李光弟编著 北京航空航天大学出版社出版。2、 〖语音录放电路设计应用手册〗 王南阳编著。3、 〖LPC系列flashi单片机应用技术〗 周立功编著 北京航空航天大学出版社出版。4、 〖C语言设计〗 潭浩强编著 清华大学出版社出版。六、资料下载： 打铃模块程序下载 广播模块程序下载 元器件列表下载 使用说明书下载 七、推广服务： 1、零售价格：580元/台。含邮费 2、批发价（5~10台）:400元/台;(11~50台):380元/台;(50台以上):360元/台。含邮费 3、学校限一台价（凭学校证明）：268元/台。快递费20元。 4、套件价格（不含外壳，仅线路板+元器件）：180元/套。快递费18元。 5、线路板价（双面板）：25元/块。（自购元件参数见上述列表）。快递费15元。
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