基于AT89S51的新型家庭語音報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)
引言
現(xiàn)代化居住格局使家庭生活的安全問題顯得尤為重要。當(dāng)前，安全的防范及報(bào)警系統(tǒng)是確保住宅、住戶安全的重要保障。防盜的最好方法就是在不法分子有入侵企圖時(shí)就發(fā)出語音警告，增加其心理壓力，使其主動(dòng)離開。本系統(tǒng)就是基于這種思想，采用了Atmel公司的AT89S51單片機(jī)作為控制核心，以美國(guó)ISD公司的ISD1420作為語音芯片的一種新型家庭語音報(bào)警系統(tǒng)。
系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。不法分子在所防范區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)會(huì)引起紅外輻射變化。當(dāng)其所輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器PIS-209S的探測(cè)元上時(shí)，熱釋電紅外傳感器將輸出電壓信號(hào)，然后經(jīng)信號(hào)放大電路放大后送入信號(hào)采集與處理電路，經(jīng)處理后向單片機(jī)輸出高電平。
由于不法分子一般在門外的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此使用者可以結(jié)合自己家庭附近人流走動(dòng)情況，通過鍵盤設(shè)置最佳的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間，以便對(duì)他們進(jìn)行區(qū)分。設(shè)置完畢后，單片機(jī)將根據(jù)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間，對(duì)經(jīng)過信號(hào)采集與處理電路的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，判斷是否啟動(dòng)報(bào)警。若啟動(dòng)報(bào)警，則通過控制已存有報(bào)警內(nèi)容的語音芯片對(duì)不法分子進(jìn)行語音警告，然后重復(fù)播放若干次語音報(bào)警內(nèi)容以警醒主人或周圍的人，接著對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行錄音，記錄報(bào)警時(shí)間。同時(shí)可以通過鍵盤上的相應(yīng)按鍵查詢報(bào)警時(shí)間，報(bào)警時(shí)間會(huì)顯示在液晶屏上。
系統(tǒng)框圖各部分介紹
熱釋電紅外傳感裝置
人體具有約37℃的恒定體溫，所以會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)約10μm左右的紅外線。熱釋電紅外傳感器PIS-209S就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。熱釋電紅外傳感器是一種新型敏感元件。制造熱釋電紅外傳感器的高熱材料是一種廣譜材料，它的探測(cè)波長(zhǎng)范圍為0.2~20μm。為了對(duì)某一波長(zhǎng)范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。此濾波片只允許某些波長(zhǎng)范圍的紅外光通過，而阻止燈光、陽光和其它紅外光通過。實(shí)際使用中，熱釋電紅外人體感應(yīng)器前面必須安裝菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡是一種由塑料制成的特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡，它可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外傳感器上，從而提高傳感器的靈敏度，擴(kuò)大監(jiān)視范圍。它可以產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測(cè)元件要求信號(hào)不斷變化的特性。傳感器的兩個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電元件輪流感受到運(yùn)動(dòng)物體，所以人體的紅外輻射以紅外脈沖的形式不斷改變熱釋電元件的溫度，使之輸出一串脈沖信號(hào)，若人體在傳感器前不動(dòng)則不會(huì)有輸出。
信號(hào)放大電路
信號(hào)放大電路如圖2所示。熱釋電紅外傳感器PIS-209S將輸出電壓信號(hào)，然后使該信號(hào)先通過一個(gè)由電阻電容組成的帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為16Hz，下限截止頻率為0.16Hz。由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測(cè)信號(hào)電壓十分微弱（通常僅有1mV左右），而且是一個(gè)變化的信號(hào)，同時(shí)菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號(hào)電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測(cè)物體的移動(dòng)速度決定，通常為0.1~10Hz左右），所以應(yīng)對(duì)熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。經(jīng)過通用集成運(yùn)算放大器LM324兩級(jí)放大后獲得足夠的增益，輸出VO1信號(hào)給信號(hào)采集與處理單元電路。
信號(hào)采集與處理單元電路
硬件電路如圖3所示。信號(hào)放大器傳出的信號(hào)VO1經(jīng)紅外傳感信號(hào)處理器BISS0001中的運(yùn)算放大器OP1前置放大后，由電容耦合給運(yùn)算放大器OP2進(jìn)行二級(jí)放大，再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器。輸出信號(hào)經(jīng)晶體管VT1后接單片機(jī)，輸出信號(hào)VO2供其讀取。
BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器及參考電壓源等構(gòu)成的CMOS數(shù)模混合專用集成電路。它廣泛應(yīng)用于多種傳感器和延時(shí)控制器，具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，可與多種傳感器匹配，進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理。它內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾，同時(shí)內(nèi)設(shè)時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器，結(jié)構(gòu)新穎，穩(wěn)定可靠，調(diào)節(jié)范圍寬。它有可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)兩種工作方式供選擇。本電路引腳A與電源相連，使電路處于重復(fù)觸發(fā)工作方式。在定時(shí)周期TX內(nèi)，BISS0001的輸出為高電位，則晶體管VT1飽和導(dǎo)通，其集電極為低電位，將這一信號(hào)送到單片機(jī)；在Tx結(jié)束時(shí)BISS0001進(jìn)入封鎖周期Ti，其輸出端變?yōu)榈碗娖剑w管截止，其集電極為高電平。TX定時(shí)間隔可由BISS0001的3腳和4腳上所接的電阻和電容來確定。
語音錄放電路
系統(tǒng)的語音錄放電路如圖4所示。電路中采用AT89S51作為CPU，用它的P0.0~P0.5與ISD1420相接。在設(shè)計(jì)電路時(shí)ISD1420的所有地址端、控制端必須可靠接高電平或低電平而不能懸空，否則可能出現(xiàn)停止播放的情況。話筒信號(hào)耦合電容與連接MICREF端到模擬地的電容要相同。要特別注意的是ISD1420芯片的SP+、SP-端一定不要直接接地，只能接揚(yáng)聲器或者懸空。外接功放器時(shí)，采用單端輸出，另一端接10μF到地或懸空，否則ISD器件會(huì)損壞。
AT89S51單片機(jī)是一款低功耗，高性能CMOS的8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB在線可編程（ISP）的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器。ISD1420芯片待機(jī)時(shí)低功耗（0.5W），放音電流15mA；放音時(shí)間20s，可擴(kuò)充級(jí)聯(lián)；可持續(xù)放音，也可分段錄放，最小分段：20s/160段=0.125s，可分段160段；錄、放次數(shù)達(dá)10萬次；斷電信息存儲(chǔ)，無需后備電池，信息可存儲(chǔ)100年；不需要專用的編程器及語音開發(fā)器；高優(yōu)先級(jí)錄音，低電平或負(fù)邊沿放音。其引腳中SP+、SP-為音頻信號(hào)輸出端，可以驅(qū)動(dòng)8~16Ω揚(yáng)聲器；MIC為話筒輸入端，可用駐極體話筒，通過電容耦合；MICREF為話筒輸入?yún)⒖级耍舨挥脩?yīng)懸空。
通常ISD1420的驅(qū)動(dòng)能力有限（0.5W），直接接到揚(yáng)聲器上效果不太理想，若接1W以上的揚(yáng)聲器將發(fā)生失真。通常1W以下的揚(yáng)聲器可用LM386、D2283、D2822、MC34119及TA7368等芯片驅(qū)動(dòng)。本電路選用1W以下的揚(yáng)聲器，用低電壓通用集成功率放大器LM386作為揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)芯片，其電路如圖5所示。1W~10W的揚(yáng)聲器用TDA2003、LA4440芯片驅(qū)動(dòng)。選用TDA2003作為揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)芯片的電路如圖6所示。
鍵盤和顯示電路
鍵盤采用4×4行列式；顯示采用HT1621液晶顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該驅(qū)動(dòng)芯片是帶32×4顯存的多功能LCD驅(qū)動(dòng)器，只需4條接口與控制器相連并可提供看門狗時(shí)鐘。液晶顯示屏除4位數(shù)字外，還有報(bào)警、火警、未準(zhǔn)備、旁路、布防等多達(dá)16個(gè)漢字的內(nèi)容，以構(gòu)成直觀的漢字顯示。在設(shè)置設(shè)防點(diǎn)時(shí)顯示監(jiān)視點(diǎn)號(hào)、時(shí)間、設(shè)防標(biāo)志等，在查詢事故報(bào)警記錄時(shí)顯示日期、時(shí)分、事故點(diǎn)。同時(shí)利用HT1621液晶顯示驅(qū)動(dòng)芯片提供的看門狗時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤系統(tǒng)崩潰時(shí)的自動(dòng)復(fù)位，使鍵盤系統(tǒng)恢復(fù)工作。
本系統(tǒng)的電源由市電和備用蓄電池兩部分組成。在正常情況下，市電通過整流、濾波、穩(wěn)壓后向報(bào)警系統(tǒng)提供直流電源，并且向蓄電池自動(dòng)穩(wěn)流充電。當(dāng)市電出現(xiàn)故障，蓄電池自動(dòng)投入使用，以保證報(bào)警系統(tǒng)能正常工作，同時(shí)向外界發(fā)送電源故障預(yù)警信息。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)用戶保安功能的可編程，對(duì)警戒防區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警。本軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法。軟件設(shè)計(jì)中的主要工作是完成單片機(jī)對(duì)紅外傳感信號(hào)處理器BISS0001輸出的數(shù)字信號(hào)VO2的處理，語音服務(wù)的軟件實(shí)現(xiàn)和適時(shí)的語音錄放。軟件設(shè)計(jì)流程框圖如圖7所示。
BISS0001芯片已經(jīng)對(duì)傳感器傳出的信號(hào)進(jìn)行了抗干擾處理，得到了信號(hào)VO2。為了提高系統(tǒng)檢測(cè)的可靠性，用單片機(jī)對(duì)VO2進(jìn)一步處理。對(duì)語音芯片1420編程時(shí)按照其工作過程進(jìn)行編寫。錄音時(shí)按住“REC”鍵不放，指示燈亮，即可對(duì)著板上話筒講話錄音，松鍵時(shí)錄音停止并形成一段。放音時(shí)按一下“PE”鍵將一段錄音全部播放出來，一段結(jié)束后自動(dòng)停止放音。按住“PL”鍵即放音，松鍵即停止。ISD1420的地址線有8位，有6位接到了AT89S51的I/O口。最小每段語音長(zhǎng)度為125ms，每段語音都可由地址線控制輸出，每125ms為一個(gè)地址，由A2~A7六根地址線控制。用戶錄制的語音每一段結(jié)束后芯片自動(dòng)設(shè)有段結(jié)束標(biāo)志（EOM），芯片錄滿后設(shè)有溢出標(biāo)志（OVF），單片機(jī)控制電路按某一段的起始地址進(jìn)行放音操作，遇到段結(jié)束標(biāo)志（EOM）即自動(dòng)停止放音，單片機(jī)收到段結(jié)束標(biāo)志（EOM）就開始觸發(fā)下一段語音的起始地址。如此控制，可以達(dá)到將很多不同段的語音組合在一起成一句話放音出來，實(shí)現(xiàn)語音的自動(dòng)組合。
結(jié)束語
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了家庭語音報(bào)警功能，經(jīng)過多次測(cè)試，該系統(tǒng)工作情況穩(wěn)定。用戶可以個(gè)性化地通過鍵盤設(shè)置外出、免打擾等不同的模式，實(shí)現(xiàn)語音服務(wù)功能。該報(bào)警系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、新穎等優(yōu)點(diǎn)，適用于家庭使用。
