基于ISD4004的家庭語音報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)主要由報(bào)警子系統(tǒng)和語音服務(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，語音芯片ISD4004作為報(bào)警和語音服務(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，因此使用者結(jié)合自己家庭所處環(huán)境及人流情況，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)信號(hào)處理電路處理過的數(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
通過相應(yīng)按鍵查詢報(bào)警時(shí)間，便于破案。
在語音服務(wù)方面，可以個(gè)性化地通過鍵盤預(yù)先設(shè)置不同的模式，如外出模式、暫時(shí)離開模式、在家模式、免打擾模式等。當(dāng)有客來訪按下門鈴時(shí)，不同的模式下自動(dòng)播放不同的語音內(nèi)容，通過語音信息與客人進(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(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，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(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眉呻娐?。它采用CMOS工藝、數(shù)?；旌?，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，通過雙向鑒幅器可檢測出有效觸發(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 語音錄放模塊設(shè)計(jì)
語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(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(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語音芯片帶SPI接口，錄放音時(shí)間長，音質(zhì)好，不需A／D轉(zhuǎn)換，可重復(fù)記錄10萬次，斷電后仍可以保存數(shù)據(jù)100年。語音內(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(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44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(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，語音服務(wù)的軟件實(shí)現(xiàn)以及適時(shí)的語音錄放。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??；若為高電平，則開始計(jì)數(shù)。如果在接下來時(shí)間內(nèi)持續(xù)檢測到t／T個(gè)高電平，判定條件滿足，則說明這段時(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)沒有SPI接口，語音錄放時(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(diào)試后級(jí)放音電路，看是否是后級(jí)電路有問題。
語音服務(wù)功能是該系統(tǒng)的一個(gè)增強(qiáng)功能，具有較高的實(shí)用價(jià)值。根據(jù)圖6可以了解其實(shí)現(xiàn)步驟。采用中斷方式進(jìn)行模式設(shè)定。使用者先按下一個(gè)和單片機(jī)外部中斷口連接的按鍵，產(chǎn)生一個(gè)中斷，使單片機(jī)從檢測子程序中跳出，進(jìn)入模式設(shè)定子程序，通過鍵盤進(jìn)行模式設(shè)定，設(shè)置完畢，單片機(jī)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(shè)置為模式1，當(dāng)他人按門鈴時(shí)，語音芯片播放預(yù)置內(nèi)容，如“對(duì)不起，主人正在休息，請(qǐng)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(shè)定實(shí)現(xiàn)多種語音服務(wù)。

結(jié) 語
本系統(tǒng)集語音報(bào)警和語音服務(wù)為一體，經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用證明該系統(tǒng)操作簡單，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)上可以通過增加傳感器數(shù)目實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)檢測，通過與上位機(jī)的通信可以將報(bào)警信息傳給主人或小區(qū)管理人員。