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ISD4004的家庭語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)
現(xiàn)代家庭的防盜方式主要以安裝防盜門、防盜鎖為主，但是這類設(shè)備主要是以增加盜賊入室的難度來(lái)達(dá)到防盜目的的。
這種單純的機(jī)械裝置，在較長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人在場(chǎng)的情況下，防盜效果往往不盡如人意，所以人們需要有新的防盜系統(tǒng)作為補(bǔ)充。市場(chǎng)上的不少門禁系統(tǒng)雖說(shuō)性能優(yōu)良，保險(xiǎn)系數(shù)較高，但是由于其高昂的價(jià)格讓一般的家庭感到難以接受，不少系統(tǒng)是在門窗被破壞，非法人員入侵后才報(bào)警，且安裝這些防盜設(shè)備會(huì)對(duì)原有的門窗有較大破壞性。在有警情發(fā)生時(shí)這些報(bào)警系統(tǒng)會(huì)通知主人或報(bào)警中心，但是他們的響應(yīng)都需要一定的時(shí)間，很有可能在他們的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)不法分子已經(jīng)完成了偷盜行為。所以，安防的最好方法是在不法分子有入侵企圖時(shí)就通過(guò)給出語(yǔ)音警告，增加其心理壓力，使其主動(dòng)離開(kāi)。在這種方法失效的情況下，可以記錄入侵時(shí)間，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)錄音，然后通過(guò)電話或其他方式通知主人或報(bào)警中心。本設(shè)計(jì)正是基于這樣一種思想，同時(shí)在語(yǔ)音報(bào)警的基礎(chǔ)上還增加了個(gè)性化、方便實(shí)用的語(yǔ)音服務(wù)功能。該設(shè)計(jì)制作成本低，安裝方便，對(duì)門窗幾乎沒(méi)有破壞性，防盜可靠性好，播放的語(yǔ)音清晰，適于一般家庭使用。
1 系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)主要由報(bào)警子系統(tǒng)和語(yǔ)音服務(wù)子系統(tǒng)兩大部分組成，如圖1所示。其中報(bào)警子系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器作為報(bào)警信號(hào)采集裝置，AT89S51單片機(jī)作為主控制器，語(yǔ)音芯片ISD4004作為報(bào)警和語(yǔ)音服務(wù)執(zhí)行裝置，鍵盤和數(shù)碼管作為人機(jī)接口。
系統(tǒng)工作時(shí)，熱釋電紅外傳感器對(duì)警戒區(qū)的紅外信號(hào)不斷地進(jìn)行采集，當(dāng)在警戒范圍內(nèi)出現(xiàn)人體時(shí)，信號(hào)處理電路向單片機(jī)輸出高電平。由于不法分子一般在門外待的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此使用者結(jié)合自己家庭所處環(huán)境及人流情況，通過(guò)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)信號(hào)處理電路處理過(guò)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集處理，判斷是否啟動(dòng)報(bào)警。若啟動(dòng)報(bào)警，則通過(guò)控制已存有報(bào)警內(nèi)容的語(yǔ)音芯片對(duì)不法分子進(jìn)行語(yǔ)音警告，然后重復(fù)播放若干次語(yǔ)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)在數(shù)碼管上顯示報(bào)警次數(shù)，并可以通過(guò)相應(yīng)按鍵查詢報(bào)警時(shí)間，便于破案。
在語(yǔ)音服務(wù)方面，可以個(gè)性化地通過(guò)鍵盤預(yù)先設(shè)置不同的模式，如外出模式、暫時(shí)離開(kāi)模式、在家模式、免打擾模式等。當(dāng)有客來(lái)訪按下門鈴時(shí)，不同的模式下自動(dòng)播放不同的語(yǔ)音內(nèi)容，通過(guò)語(yǔ)音信息與客人進(jìn)行友好的交流，既方便了主人又方便了客人。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件部分主要由信號(hào)采集與處理模塊、語(yǔ)音錄放模塊和鍵盤顯示模塊3部分組成。控制部分選用AT89S51單片機(jī)作為主控制器。
2．1 信號(hào)采集與處理模塊設(shè)計(jì)
硬件電路如圖2所示。熱釋電紅外傳感器(PIR)RE200B對(duì)人體信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，紅外傳感信號(hào)專用處理芯片BISS0001對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行初步處理。RE200B的D、G、S端分別為電源端、地端和目標(biāo)輸出電壓端。輸出信號(hào)VO接單片機(jī)，供其讀取。
采用熱釋電傳感器的優(yōu)勢(shì)是：成本低，不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源，隱蔽性好，可流動(dòng)安裝，靈敏度高、控制范圍大。熱釋電紅外傳感器利用熱釋電效應(yīng)，能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)；同時(shí)，它還能鑒別出運(yùn)動(dòng)的生物與其他非生物。實(shí)際使用中，熱釋電傳感器前面必須安裝菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡的作用是將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測(cè)元上，同時(shí)也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電紅外探測(cè)元要求信號(hào)不斷變化的特性，這樣可大大提高接收靈敏度，增加檢測(cè)距離及范圍。實(shí)驗(yàn)證明，熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡，則其檢測(cè)距離僅為2 m左右(檢測(cè)人體走過(guò))；而配上菲涅爾透鏡后，其檢測(cè)距離可增加到10 m以上，甚至可達(dá)20 m以上。
由于PIR信號(hào)變化緩慢、幅值小，針對(duì)該特點(diǎn)，專用信號(hào)處理器一般分為3步處理：濾波放大、窗口比較、噪聲抑制及數(shù)字信號(hào)處理。BISS0001就是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ?a target="_blank">集成電路。它采用CMOS工藝、數(shù)模混合，具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾。它有兩種工作方式供選擇，通過(guò)將引腳A置1或0可設(shè)置為可重復(fù)觸發(fā)方式和不可重復(fù)觸發(fā)方式。本系統(tǒng)選擇可重復(fù)觸發(fā)方式。在將傳感信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，通過(guò)雙向鑒幅器可檢測(cè)出有效觸發(fā)信號(hào)Vs。由于選擇的是可重復(fù)觸發(fā)方式，Vs可重復(fù)觸發(fā)VO為有效狀態(tài)，并可促使VO在延時(shí)周期Tx內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。延時(shí)周期的大小可通過(guò)R1和C1調(diào)節(jié)。在Tx時(shí)間內(nèi)，只要Vs發(fā)生上跳變，VO就會(huì)從Vs上跳變時(shí)刻起繼續(xù)延長(zhǎng)一個(gè)Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則VO一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“O”狀態(tài)，則在Tx周期結(jié)束后VO恢復(fù)為無(wú)效狀態(tài)，并且在封鎖時(shí)間Ti時(shí)間內(nèi)，任何Vs的變化都不能觸發(fā)VO為有效狀態(tài)。
2．2 語(yǔ)音錄放模塊設(shè)計(jì)
語(yǔ)音錄放模塊的硬件電路如圖3所示。MK1為麥克風(fēng)，用于錄入語(yǔ)音，可完成普通的現(xiàn)場(chǎng)錄音。在放音電路中，輸出端選用低電壓通用集成功率放大器LM386M-1的典型應(yīng)用電路作為揚(yáng)聲器LS1的驅(qū)動(dòng)電路。該典型電路中，LM386M-1的1腳和8腳間外接10μF的旁路電容，可以使電路的放大倍數(shù)提高200倍。ISD4004的工作電壓是3V，可以通過(guò)變壓電路將5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)? V，轉(zhuǎn)換
電路如圖4所示。
2．2．1 ISD4004語(yǔ)音芯片
該模塊的核心是ISD4004語(yǔ)音芯片，其引腳如圖5所示。ISD4004語(yǔ)音芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含晶體振蕩器、防混疊濾波器、平滑濾波器、自動(dòng)靜噪、音頻功率放大器及高密度多電平閃爍存儲(chǔ)陣列等，因此只需很少的外圍器件就可構(gòu)成一個(gè)完整的聲音錄放系統(tǒng)。ISD4004語(yǔ)音芯片帶SPI接口，錄放音時(shí)間長(zhǎng)，音質(zhì)好，不需A／D轉(zhuǎn)換，可重復(fù)記錄10萬(wàn)次，斷電后仍可以保存數(shù)據(jù)100年。語(yǔ)音內(nèi)容分段存儲(chǔ)，程序可以選定任一段作為錄音、放音的起始地址。
ISD4004主要引腳說(shuō)明如下：
①片選CS，此端為低電平時(shí)選中芯片。
②VCCA、VCCD，供電電源3 V。
③OUT，音頻輸出端，可驅(qū)動(dòng)5 Ω負(fù)載。
④IN+、IN-，錄音信號(hào)同相、反相輸入端。
⑤MOSI，串行輸入端。主控器件應(yīng)在串行時(shí)鐘上升沿前半個(gè)周期將數(shù)據(jù)放到此端，供ISD4004輸入用。
⑥SCLK，時(shí)鐘輸入端，由主控制器產(chǎn)生，用于同步MOSI和MISO的數(shù)據(jù)傳輸。
⑦AMCAP，自動(dòng)靜噪音控制端。
⑧VSSA、VSSD，地線。
2．2．2 SPI接口
SPI接口是Motorola公司推出的同步串行擴(kuò)展接口。該接口共使用4條信號(hào)線：主機(jī)輸出片選線CS，串行時(shí)鐘線SCLK，主機(jī)輸出／從機(jī)輸入的信號(hào)線MOSI以及主機(jī)輸入／從機(jī)輸出的信號(hào)線MISO。SPI接口是串行擴(kuò)展的全雙工同步通信口，主機(jī)方式傳送數(shù)據(jù)的最高速率達(dá)1．05 Mbps。由于AT89S51沒(méi)有SPI接口，所以采用模擬SPI接口同ISD4004進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)因?yàn)闊o(wú)主機(jī)輸人，所以不需要MISO線。將片選CS、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入的信號(hào)線MOSI、串行時(shí)鐘SCLK分別接在單片機(jī)P0．0、P0．1、P．2口。
ISD4004通過(guò)SPI接口傳輸數(shù)據(jù)的步驟如下：
①串行數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始于CS下降沿，在數(shù)據(jù)傳輸期間，CS必須保持為低電平；
②從控制器發(fā)出來(lái)并出現(xiàn)在引腳MOSI上的數(shù)據(jù)，在SCLK上升沿被鎖存入ISD4004，在SCLK下降沿，將ISD4004中送出的數(shù)據(jù)放到引腳MISO，供控制器讀??；
③ISD4004從控制器輸入指令和地址后才能開(kāi)始錄／放操作；
④指令格式是8位控制碼加16位地址碼，或8位控制碼(不帶地址碼)；
⑤ISD4004在進(jìn)行任何操作時(shí)，如果遇到EOM或VOF，則產(chǎn)生一個(gè)中斷，該中斷狀態(tài)在下一個(gè)SPI周期開(kāi)始被清除；
⑥所有指令操作都在CS端為高時(shí)執(zhí)行。
2．3 鍵盤顯示模塊
該模塊采用4×4行列矩陣式非編碼鍵盤和4位數(shù)碼管顯示。另外語(yǔ)音服務(wù)中門鈴按鈕連接外部中斷0(P3．2口)。由于該模塊硬件連接相對(duì)簡(jiǎn)單，在此不作詳細(xì)介紹。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
基于上述硬件原理圖和相關(guān)分析，軟件部分的主要任務(wù)是完成對(duì)熱釋電紅外傳感模塊傳出的數(shù)字信號(hào)VO的處理，語(yǔ)音服務(wù)的軟件實(shí)現(xiàn)以及適時(shí)的語(yǔ)音錄放。軟件流程如圖6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)VO。為了提高系統(tǒng)檢測(cè)的可靠性，用單片機(jī)對(duì)VO進(jìn)行處理。單片機(jī)每隔相同周期T不斷地讀取VO的狀態(tài)。若VO為低電平，則繼續(xù)讀?。蝗魹楦唠娖?，則開(kāi)始計(jì)數(shù)。如果在接下來(lái)時(shí)間內(nèi)持續(xù)檢測(cè)到t／T個(gè)高電平，判定條件滿足，則說(shuō)明這段時(shí)間內(nèi)一直有人(其中t為輸入的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間)。這時(shí)開(kāi)始執(zhí)行報(bào)警的相關(guān)操作。使用者可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置t，以達(dá)到最好的報(bào)警效果。
由于單片機(jī)沒(méi)有SPI接口，語(yǔ)音錄放時(shí)必須采用軟件模擬實(shí)現(xiàn)同ISD4004數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)圖3所示的硬件連接電路，下面給出部分關(guān)鍵程序：
單片機(jī)控制ISD4004放音時(shí)必須嚴(yán)格按照以下步驟操作：首先要調(diào)用上電指令，然后至少延時(shí)25 ms，接著設(shè)置放音起始地址(在ISD4004中，每段語(yǔ)音都對(duì)應(yīng)一個(gè)起始地址)和調(diào)用放音指令。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)可以首先測(cè)量ISD4004的工作電壓是否是3 V，如果是則進(jìn)入下級(jí)調(diào)試。再看是否可以送入放音地址，是否可以放音，對(duì)此可以測(cè)量OUT引腳的電壓，若為1．2 V左右，則說(shuō)明可以讀入放音地址。
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如果沒(méi)有昕到放音則調(diào)試后級(jí)放音電路，看是否是后級(jí)電路有問(wèn)題。 結(jié) 語(yǔ) 本系統(tǒng)集語(yǔ)音報(bào)警和語(yǔ)音服務(wù)為一體，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用證明該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，方便實(shí)用，工作穩(wěn)定，可靠性好。對(duì)于普通家庭很實(shí)用，具有較高的推廣價(jià)值。當(dāng)然，在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可以通過(guò)增加傳感器數(shù)目實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)檢測(cè)，通過(guò)與上位機(jī)的通信可以將報(bào)警信息傳給主人或小區(qū)管理人員。 |
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