基于AT89S51的新型家庭語音報警系統設計
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就發出語音警告，增加其心理壓力，使其主動離開。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作為語音芯片的一種新型家庭語音報警系統。
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時會引起紅外輻射變化。當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的探測元上時，熱釋電紅外傳感器將輸出電壓信號，然后經信號放大電路放大后送入信號采集與處理電路，經處理后向單片機輸出高電平。
由于不法分子一般在門外的時間相對較長，因此使用者可以結合自己家庭附近人流走動情況，通過鍵盤設置最佳的報警響應時間，以便對他們進行區分。設置完畢后，單片機將根據報警響應時間，對經過信號采集與處理電路的數字信號進行識別，判斷是否啟動報警。若啟動報警，則通過控制已存有報警內容的語音芯片對不法分子進行語音警告，然后重復播放若干次語音報警內容以警醒主人或周圍的人，接著對現場進行錄音，記錄報警時間。同時可以通過鍵盤上的相應按鍵查詢報警時間，報警時間會顯示在液晶屏上。
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，所以會發出波長約10μm左右的紅外線。熱釋電紅外傳感器PIS-209S就是靠探測人體發射的10μm左右的紅外線而進行工作的。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，它的探測波長范圍為0.2~20μm。為了對某一波長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范圍的紅外光通過，而阻止燈光、陽光和其它紅外光通過。實際使用中，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，擴大監視范圍。它可以產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。傳感器的兩個反向串聯的熱釋電元件輪流感受到運動物體，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則不會有輸出。
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一個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），而且是一個變化的信號，同時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行放大。經過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進行二級放大，再經由電壓比較器COP1和COP2構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發信號去啟動延遲時間定時器。輸出信號經晶體管VT1后接單片機，輸出信號VO2供其讀取。
BISS0001是由運算放大器、電壓比較器和狀態控制器、延遲時間定時器、封鎖時間定時器及參考電壓源等構成的CMOS數�；旌蠈Ｓ眉呻娐贰Ｋ鼜V泛應用于多種傳感器和延時控制器，具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，可與多種傳感器匹配，進行信號預處理。它內部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾，同時內設時間定時器和封鎖時間定時器，結構新穎，穩定可靠，調節范圍寬。它有可重復觸發和不可重復觸發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工作方式。在定時周期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BISS0001進入封鎖周期Ti，其輸出端變為低電平，晶體管截止，其集電極為高電平。TX定時間隔可由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。在設計電路時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，采用單端輸出，另一端接10μF到地或懸空，否則ISD器件會損壞。
AT89S51單片機是一款低功耗，高性能CMOS的8位單片機，片內含4KB在線可編程（ISP）的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器。ISD1420芯片待機時低功耗（0.5W），放音電流15mA；放音時間20s，可擴充級聯；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10萬次；斷電信息存儲，無需后備電池，信息可存儲100年；不需要專用的編程器及語音開發器；高優先級錄音，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8~16Ω揚聲器；MIC為話筒輸入端，可用駐極體話筒，通過電容耦合；MICREF為話筒輸入參考端，若不用應懸空。
通常ISD1420的驅動能力有限（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。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作為揚聲器的驅動芯片，其電路如圖5所示。1W~10W的揚聲器用TDA2003、LA4440芯片驅動。選用TDA2003作為揚聲器驅動芯片的電路如圖6所示。
鍵盤和顯示電路
鍵盤采用4×4行列式；顯示采用HT1621液晶顯示驅動芯片，該驅動芯片是帶32×4顯存的多功能LCD驅動器，只需4條接口與控制器相連并可提供看門狗時鐘。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個漢字的內容，以構成直觀的漢字顯示。在設置設防點時顯示監視點號、時間、設防標志等，在查詢事故報警記錄時顯示日期、時分、事故點。同時利用HT1621液晶顯示驅動芯片提供的看門狗時鐘，實現對鍵盤系統崩潰時的自動復位，使鍵盤系統恢復工作。
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，并且向蓄電池自動穩流充電。當市電出現故障，蓄電池自動投入使用，以保證報警系統能正常工作，同時向外界發送電源故障預警信息。
系統軟件設計
軟件設計的基本任務是實現用戶保安功能的可編程，對警戒防區實時監控報警。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，語音服務的軟件實現和適時的語音錄放。軟件設計流程框圖如圖7所示。
BISS0001芯片已經對傳感器傳出的信號進行了抗干擾處理，得到了信號VO2。為了提高系統檢測的可靠性，用單片機對VO2進一步處理。對語音芯片1420編程時按照其工作過程進行編寫。錄音時按住“REC”鍵不放，指示燈亮，即可對著板上話筒講話錄音，松鍵時錄音停止并形成一段。放音時按一下“PE”鍵將一段錄音全部播放出來，一段結束后自動停止放音。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。最小每段語音長度為125ms，每段語音都可由地址線控制輸出，每125ms為一個地址，由A2~A7六根地址線控制。用戶錄制的語音每一段結束后芯片自動設有段結束標志（EOM），芯片錄滿后設有溢出標志（OVF），單片機控制電路按某一段的起始地址進行放音操作，遇到段結束標志（EOM）即自動停止放音，單片機收到段結束標志（EOM）就開始觸發下一段語音的起始地址。如此控制，可以達到將很多不同段的語音組合在一起成一句話放音出來，實現語音的自動組合。
結束語
本系統實現了家庭語音報警功能，經過多次測試，該系統工作情況穩定。用戶可以個性化地通過鍵盤設置外出、免打擾等不同的模式，實現語音服務功能。該報警系統具有結構簡單、成本低、新穎等優點，適用于家庭使用。
