基于A(yíng)T89S51的新型家庭語(yǔ)音報警系統設計
引言
現代化居住格局使家庭生活的安全問(wèn)題顯得尤為重要。當前，安全的防范及報警系統是確保住宅、住戶(hù)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(yǔ)音警告，增加其心理壓力，使其主動(dòng)離開(kāi)。本系統就是基于這種思想，采用了Atmel公司的AT89S51單片機作為控制核心，以美國ISD公司的ISD1420作為語(yǔ)音芯片的一種新型家庭語(yǔ)音報警系統。
系統工作原理
本系統的工作原理框圖如圖1所示。不法分子在所防范區域內移動(dòng)時(shí)會(huì )引起紅外輻射變化。當其所輻射的紅外線(xiàn)通過(guò)菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器PIS-209S的探測元上時(shí)，熱釋電紅外傳感器將輸出電壓信號，然后經(jīng)信號放大電路放大后送入信號采集與處理電路，經(jīng)處理后向單片機輸出高電平。
由于不法分子一般在門(mén)外的時(shí)間相對較長(cháng)，因此使用者可以結合自己家庭附近人流走動(dòng)情況，通過(guò)鍵盤(pán)設置最佳的報警響應時(shí)間，以便對他們進(jìn)行區分。設置完畢后，單片機將根據報警響應時(shí)間，對經(jīng)過(guò)信號采集與處理電路的數字信號進(jìn)行識別，判斷是否啟動(dòng)報警。若啟動(dòng)報警，則通過(guò)控制已存有報警內容的語(yǔ)音芯片對不法分子進(jìn)行語(yǔ)音警告，然后重復播放若干次語(yǔ)音報警內容以警醒主人或周?chē)娜�，接�?zhù)對現場(chǎng)進(jìn)行錄音，記錄報警時(shí)間。同時(shí)可以通過(guò)鍵盤(pán)上的相應按鍵查詢(xún)報警時(shí)間，報警時(shí)間會(huì )顯示在液晶屏上。
系統框圖各部分介紹
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(cháng)約10μm左右的紅外線(xiàn)。熱釋電紅外傳感器PIS-209S就是靠探測人體發(fā)射的10μm左右的紅外線(xiàn)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，它的探測波長(cháng)范圍為0.2~20μm。為了對某一波長(cháng)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(cháng)范圍的紅外光通過(guò)，而阻止燈光、陽(yáng)光和其它紅外光通過(guò)。實(shí)際使用中，熱釋電紅外人體感應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計的光學(xué)透鏡，它可以將人體輻射的紅外線(xiàn)聚焦到熱釋電紅外傳感器上，從而提高傳感器的靈敏度，擴大監視范圍。它可以產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區和盲區，以適應熱釋電探測元件要求信號不斷變化的特性。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，若人體在傳感器前不動(dòng)則不會(huì )有輸出。
信號放大電路
信號放大電路如圖2所示。熱釋電紅外傳感器PIS-209S將輸出電壓信號，然后使該信號先通過(guò)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信號電壓十分微弱（通常僅有1mV左右），而且是一個(gè)變化的信號，同時(shí)菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測物體的移動(dòng)速度決定，通常為0.1~10Hz左右），所以應對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號進(jìn)行放大。經(jīng)過(guò)通用集成運算放大器LM324兩級放大后獲得足夠的增益，輸出VO1信號給信號采集與處理單元電路。
信號采集與處理單元電路
硬件電路如圖3所示。信號放大器傳出的信號VO1經(jīng)紅外傳感信號處理器BISS0001中的運算放大器OP1前置放大后，由電容耦合給運算放大器OP2進(jìn)行二級放大，再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器。輸出信號經(jīng)晶體管VT1后接單片機，輸出信號VO2供其讀取。
BISS0001是由運算放大器、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成的CMOS數�；旌蠈�(zhuān)用集成電路。它廣泛應用于多種傳感器和延時(shí)控制器，具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，可與多種傳感器匹配，進(jìn)行信號預處理。它內部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾，同時(shí)內設時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器，結構新穎，穩定可靠，調節范圍寬。它有可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)兩種工作方式供選擇。本電路引腳A與電源相連，使電路處于重復觸發(fā)工作方式。在定時(shí)周期TX內，BISS0001的輸出為高電位，則晶體管VT1飽和導通，其集電極為低電位，將這一信號送到單片機；在Tx結束時(shí)BISS0001進(jìn)入封鎖周期Ti，其輸出端變?yōu)榈碗娖�，晶體管截止，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(lái)確定。
語(yǔ)音錄放電路
系統的語(yǔ)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。在設計電路時(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，否則可能出現停止播放的情況。話(huà)筒信號耦合電容與連接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單片機是一款低功耗，高性能CMOS的8位單片機，片內含4KB在線(xiàn)可編程（ISP）的可反復擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲器。ISD1420芯片待機時(shí)低功耗（0.5W），放音電流15mA；放音時(shí)間20s，可擴充級聯(lián)；可持續放音，也可分段錄放，最小分段：20s/160段=0.125s，可分段160段；錄、放次數達10萬(wàn)次；斷電信息存儲，無(wú)需后備電池，信息可存儲100年；不需要專(zhuān)用的編程器及語(yǔ)音開(kāi)發(fā)器；高優(yōu)先級錄音，低電平或負邊沿放音。其引腳中SP+、SP-為音頻信號輸出端，可以驅動(dòng)8~16Ω揚聲器；MIC為話(huà)筒輸入端，可用駐極體話(huà)筒，通過(guò)電容耦合；MICREF為話(huà)筒輸入參考端，若不用應懸空。
通常ISD1420的驅動(dòng)能力有限（0.5W），直接接到揚聲器上效果不太理想，若接1W以上的揚聲器將發(fā)生失真。通常1W以下的揚聲器可用LM386、D2283、D2822、MC34119及TA7368等芯片驅動(dòng)。本電路選用1W以下的揚聲器，用低電壓通用集成功率放大器LM386作為揚聲器的驅動(dòng)芯片，其電路如圖5所示。1W~10W的揚聲器用TDA2003、LA4440芯片驅動(dòng)。選用TDA2003作為揚聲器驅動(dòng)芯片的電路如圖6所示。
鍵盤(pán)和顯示電路
鍵盤(pán)采用4×4行列式；顯示采用HT1621液晶顯示驅動(dòng)芯片，該驅動(dòng)芯片是帶32×4顯存的多功能LCD驅動(dòng)器，只需4條接口與控制器相連并可提供看門(mén)狗時(shí)鐘。液晶顯示屏除4位數字外，還有報警、火警、未準備、旁路、布防等多達16個(gè)漢字的內容，以構成直觀(guān)的漢字顯示。在設置設防點(diǎn)時(shí)顯示監視點(diǎn)號、時(shí)間、設防標志等，在查詢(xún)事故報警記錄時(shí)顯示日期、時(shí)分、事故點(diǎn)。同時(shí)利用HT1621液晶顯示驅動(dòng)芯片提供的看門(mén)狗時(shí)鐘，實(shí)現對鍵盤(pán)系統崩潰時(shí)的自動(dòng)復位，使鍵盤(pán)系統恢復工作。
本系統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(guò)整流、濾波、穩壓后向報警系統提供直流電源，并且向蓄電池自動(dòng)穩流充電。當市電出現故障，蓄電池自動(dòng)投入使用，以保證報警系統能正常工作，同時(shí)向外界發(fā)送電源故障預警信息。
系統軟件設計
軟件設計的基本任務(wù)是實(shí)現用戶(hù)保安功能的可編程，對警戒防區實(shí)時(shí)監控報警。本軟件設計采用結構化程序設計方法。軟件設計中的主要工作是完成單片機對紅外傳感信號處理器BISS0001輸出的數字信號VO2的處理，語(yǔ)音服務(wù)的軟件實(shí)現和適時(shí)的語(yǔ)音錄放。軟件設計流程框圖如圖7所示。
BISS0001芯片已經(jīng)對傳感器傳出的信號進(jìn)行了抗干擾處理，得到了信號VO2。為了提高系統檢測的可靠性，用單片機對VO2進(jìn)一步處理。對語(yǔ)音芯片1420編程時(shí)按照其工作過(guò)程進(jìn)行編寫(xiě)。錄音時(shí)按住“REC”鍵不放，指示燈亮，即可對著(zhù)板上話(huà)筒講話(huà)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(lái)，一段結束后自動(dòng)停止放音。按住“PL”鍵即放音，松鍵即停止。ISD1420的地址線(xiàn)有8位，有6位接到了AT89S51的I/O口。最小每段語(yǔ)音長(cháng)度為125ms，每段語(yǔ)音都可由地址線(xiàn)控制輸出，每125ms為一個(gè)地址，由A2~A7六根地址線(xiàn)控制。用戶(hù)錄制的語(yǔ)音每一段結束后芯片自動(dòng)設有段結束標志（EOM），芯片錄滿(mǎn)后設有溢出標志（OVF），單片機控制電路按某一段的起始地址進(jìn)行放音操作，遇到段結束標志（EOM）即自動(dòng)停止放音，單片機收到段結束標志（EOM）就開(kāi)始觸發(fā)下一段語(yǔ)音的起始地址。如此控制，可以達到將很多不同段的語(yǔ)音組合在一起成一句話(huà)放音出來(lái)，實(shí)現語(yǔ)音的自動(dòng)組合。
結束語(yǔ)
本系統實(shí)現了家庭語(yǔ)音報警功能，經(jīng)過(guò)多次測試，該系統工作情況穩定。用戶(hù)可以個(gè)性化地通過(guò)鍵盤(pán)設置外出、免打擾等不同的模式，實(shí)現語(yǔ)音服務(wù)功能。該報警系統具有結構簡(jiǎn)單、成本低、新穎等優(yōu)點(diǎn)，適用于家庭使用。
