基于ISD4004的家庭語音報警系統(tǒng)設計

引 言
    現(xiàn)代家庭的防盜方式主要以安裝防盜門、防盜鎖為主，但是這類設備主要是以增加盜賊入室的難度來達到防盜目的的。這種單純的機械裝置，在較長時間無人在場的情況下，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)作為補充。市場上的不少門禁系統(tǒng)雖說性能優(yōu)良，保險系數(shù)較高，但是由于其高昂的價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警，且安裝這些防盜設備會對原有的門窗有較大破壞性。在有警情發(fā)生時這些報警系統(tǒng)會通知主人或報警中心，但是他們的響應都需要一定的時間，很有可能在他們的響應時間內不法分子已經完成了偷盜行為。所以，安防的最好方法是在不法分子有入侵企圖時就通過給出語音警告，增加其心理壓力，使其主動離開。在這種方法失效的情況下，可以記錄入侵時間，進行現(xiàn)場錄音，然后通過電話或其他方式通知主人或報警中心。本設計正是基于這樣一種思想，同時在語音報警的基礎上還增加了個性化、方便實用的語音服務功能。該設計制作成本低，安裝方便，對門窗幾乎沒有破壞性，防盜可靠性好，播放的語音清晰，適于一般家庭使用。

1 系統(tǒng)工作原理
    本系統(tǒng)主要由報警子系統(tǒng)和語音服務子系統(tǒng)兩大部分組成，如圖1所示。其中報警子系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器作為報警信號采集裝置，AT89S51單片機作為主控制器，語音芯片ISD4004作為報警和語音服務執(zhí)行裝置，鍵盤和數(shù)碼管作為人機接口。

    系統(tǒng)工作時，熱釋電紅外傳感器對警戒區(qū)的紅外信號不斷地進行采集，當在警戒范圍內出現(xiàn)人體時，信號處理電路向單片機輸出高電平。由于不法分子一般在門外待的時間相對較長，因此使用者結合自己家庭所處環(huán)境及人流情況，通過鍵盤設置最佳的報警響應時間，以便對他們進行區(qū)分。設置完畢后，單片機將根據(jù)報警響應時間對經信號處理電路處理過的數(shù)字信號進行采集處理，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(xiàn)場進行錄音，記錄報警時間；同時在數(shù)碼管上顯示報警次數(shù)，并可以
通過相應按鍵查詢報警時間，便于破案。
    在語音服務方面，可以個性化地通過鍵盤預先設置不同的模式，如外出模式、暫時離開模式、在家模式、免打擾模式等。當有客來訪按下門鈴時，不同的模式下自動播放不同的語音內容，通過語音信息與客人進行友好的交流，既方便了主人又方便了客人。

2 系統(tǒng)硬件設計
    系統(tǒng)硬件部分主要由信號采集與處理模塊、語音錄放模塊和鍵盤顯示模塊3部分組成?？刂撇糠诌x用AT89S51單片機作為主控制器。
2．1 信號采集與處理模塊設計
    硬件電路如圖2所示。熱釋電紅外傳感器(PIR)RE200B對人體信號進行檢測，紅外傳感信號專用處理芯片BISS0001對所采集信號進行初步處理。RE200B的D、G、S端分別為電源端、地端和目標輸出電壓端。輸出信號VO接單片機，供其讀取。

    采用熱釋電傳感器的優(yōu)勢是：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，能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉變?yōu)殡妷盒盘?；同時，它還能鑒別出運動的生物與其他非生物。實際使用中，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元上，同時也產生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應熱釋電紅外探測元要求信號不斷變化的特性，這樣可大大提高接收靈敏度，增加檢測距離及范圍。實驗證明，熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡，則其檢測距離僅為2 m左右(檢測人體走過)；而配上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可增加到10 m以上，甚至可達20 m以上。
    由于PIR信號變化緩慢、幅值小，針對該特點，專用信號處理器一般分為3步處理：濾波放大、窗口比較、噪聲抑制及數(shù)字信號處理。BISS0001就是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。它采用CMOS工藝、數(shù)?；旌?，具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，內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，通過將引腳A置1或0可設置為可重復觸發(fā)方式和不可重復觸發(fā)方式。本系統(tǒng)選擇可重復觸發(fā)方式。在將傳感信號進行預處理后，通過雙向鑒幅器可檢測出有效觸發(fā)信號Vs。由于選擇的是可重復觸發(fā)方式，Vs可重復觸發(fā)VO為有效狀態(tài)，并可促使VO在延時周期Tx內一直保持有效狀態(tài)。延時周期的大小可通過R1和C1調節(jié)。在Tx時間內，只要Vs發(fā)生上跳變，VO就會從Vs上跳變時刻起繼續(xù)延長一個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
結束后VO恢復為無效狀態(tài)，并且在封鎖時間Ti時間內，任何Vs的變化都不能觸發(fā)VO為有效狀態(tài)。
2．2 語音錄放模塊設計
    語音錄放模塊的硬件電路如圖3所示。MK1為麥克風，用于錄入語音，可完成普通的現(xiàn)場錄音。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的典型應用電路作為揚聲器LS1的驅動電路。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，可以通過變壓電路將5V電壓轉變?yōu)? V，轉換
電路如圖4所示。

2．2．1 ISD4004語音芯片
    該模塊的核心是ISD4004語音芯片，其引腳如圖5所示。ISD4004語音芯片采用CMOS技術，內含晶體振蕩器、防混疊濾波器、平滑濾波器、自動靜噪、音頻功率放大器及高密度多電平閃爍存儲陣列等，因此只需很少的外圍器件就可構成一個完整的聲音錄放系統(tǒng)。ISD4004語音芯片帶SPI接口，錄放音時間長，音質好，不需A／D轉換，可重復記錄10萬次，斷電后仍可以保存數(shù)據(jù)100年。語音內容分段存儲，程序可以選定任一段作為錄音、放音的起始地址。

    ISD4004主要引腳說明如下：
    ①片選CS，此端為低電平時選中芯片。
    ②VCCA、VCCD，供電電源3 V。
    ③OUT，音頻輸出端，可驅動5 Ω負載。
    ④IN+、IN-，錄音信號同相、反相輸入端。
    ⑤MOSI，串行輸入端。主控器件應在串行時鐘上升沿前半個周期將數(shù)據(jù)放到此端，供ISD4004輸入用。
    ⑥SCLK，時鐘輸入端，由主控制器產生，用于同步MOSI和MISO的數(shù)據(jù)傳輸。
    ⑦AMCAP，自動靜噪音控制端。
    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展接口。該接口共使用4條信號線：主機輸出片選線CS，串行時鐘線SCLK，主機輸出／從機輸入的信號線MOSI以及主機輸入／從機輸出的信號線MISO。SPI接口是串行擴展的全雙工同步通信口，主機方式傳送數(shù)據(jù)的最高速率達1．05 Mbps。由于AT89S51沒有SPI接口，所以采用模擬SPI接口同ISD4004進行數(shù)據(jù)傳輸；同時因為無主機輸人，所以不需要MISO線。將片選CS、主機輸出／從機輸入的信號線MOSI、串行時鐘SCLK分別接在單片機P0．0、P0．1、P．2口。
    ISD4004通過SPI接口傳輸數(shù)據(jù)的步驟如下：
    ①串行數(shù)據(jù)傳輸開始于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在進行任何操作時，如果遇到EOM或VOF，則產生一個中斷，該中斷狀態(tài)在下一個SPI周期開始被清除；
    ⑥所有指令操作都在CS端為高時執(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。另外語音服務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簡單，在此不作詳細介紹。

3 系統(tǒng)軟件設計
    基于上述硬件原理圖和相關分析，軟件部分的主要任務是完成對熱釋電紅外傳感模塊傳出的數(shù)字信號VO的處理，語音服務的軟件實現(xiàn)以及適時的語音錄放。軟件流程如圖6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VO。為了提高系統(tǒng)檢測的可靠性，用單片機對VO進行處理。單片機每隔相同周期T不斷地讀取VO的狀態(tài)。若VO為低電平，則繼續(xù)讀??；若為高電平，則開始計數(shù)。如果在接下來時間內持續(xù)檢測到t／T個高電平，判定條件滿足，則說明這段時間內一直有人(其中t為輸入的報警響應時間)。這時開始執(zhí)行報警的相關操作。使用者可以根據(jù)實際情況設置t，以達到最好的報警效果。
    由于單片機沒有SPI接口，語音錄放時必須采用軟件模擬實現(xiàn)同ISD4004數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)圖3所示的硬件連接電路，下面給出部分關鍵程序：

   
    單片機控制ISD4004放音時必須嚴格按照以下步驟操作：首先要調用上電指令，然后至少延時25 ms，接著設置放音起始地址(在ISD4004中，每段語音都對應一個起始地址)和調用放音指令。系統(tǒng)調試時可以首先測量ISD4004的工作電壓是否是3 V，如果是則進入下級調試。再看是否可以送入放音地址，是否可以放音，對此可以測量OUT引腳的電壓，若為1．2 V左右，則說明可以讀入放音地址。如果沒有昕到放音則調試后級放音電路，看是否是后級電路有問題。
    語音服務功能是該系統(tǒng)的一個增強功能，具有較高的實用價值。根據(jù)圖6可以了解其實現(xiàn)步驟。采用中斷方式進行模式設定。使用者先按下一個和單片機外部中斷口連接的按鍵，產生一個中斷，使單片機從檢測子程序中跳出，進入模式設定子程序，通過鍵盤進行模式設定，設置完畢，單片機返回檢測子程序。例如，主人正在休息不希望他人打擾，則可設置為模式1，當他人按門鈴時，語音芯片播放預置內容，如“對不起，主人正在休息，請稍候再來?！备鶕?jù)使用需要，可以將自己的聲音甚至音樂錄入語音芯片之中，通過不同的模式設定實現(xiàn)多種語音服務。

結 語
    本系統(tǒng)集語音報警和語音服務為一體，經過一段時間的實際應用證明該系統(tǒng)操作簡單，方便實用，工作穩(wěn)定，可靠性好。對于普通家庭很實用，具有較高的推廣價值。當然，在本系統(tǒng)的基礎上可以通過增加傳感器數(shù)目實現(xiàn)多目標檢測，通過與上位機的通信可以將報警信息傳給主人或小區(qū)管理人員。