基于ISD4004的家庭語(yǔ)音報警系統設計

1 系統工作原理
本系統主要由報警子系統和語(yǔ)音服務(wù)子系統兩大部分組成，如圖1所示。其中報警子系統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(yǔ)音芯片ISD4004作為報警和語(yǔ)音服務(wù)執行裝置，鍵盤(pán)和數碼管作為人機接口。

系統工作時(shí)，熱釋電紅外傳感器對警戒區的紅外信號不斷地進(jìn)行采集，當在警戒范圍內出現人體時(shí)，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(mén)外待的時(shí)間相對較長(cháng)，因此使用者結合自己家庭所處環(huán)境及人流情況，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)信號處理電路處理過(guò)的數字信號進(jìn)行采集處理，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)在數碼管上顯示報警次數，并可以
通過(guò)相應按鍵查詢(xún)報警時(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(pán)預先設置不同的模式，如外出模式、暫時(shí)離開(kāi)模式、在家模式、免打擾模式等。當有客來(lái)訪(fǎng)按下門(mén)鈴時(shí)，不同的模式下自動(dòng)播放不同的語(yǔ)音內容，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 系統硬件設計
系統硬件部分主要由信號采集與處理模塊、語(yǔ)音錄放模塊和鍵盤(pán)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(jìn)行檢測，紅外傳感信號專(zhuān)用處理芯片BISS0001對所采集信號進(jìn)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(xiàn)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，能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線(xiàn)，并將其轉變?yōu)殡妷盒盘?；同時(shí)，它還能鑒別出運動(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(xiàn)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和盲區，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(shí)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(guò))；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(diǎn)，專(zhuān)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(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構成的數?；旌蠈?zhuān)用集成電路。它采用CMOS工藝、數?；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(guò)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。本系統選擇可重復觸發(fā)方式。在將傳感信號進(jìn)行預處理后，通過(guò)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(shí)周期Tx內一直保持有效狀態(tài)。延時(shí)周期的大小可通過(guò)R1和C1調節。在Tx時(shí)間內，只要Vs發(fā)生上跳變，VO就會(huì )從Vs上跳變時(shí)刻起繼續延長(cháng)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
結束后VO恢復為無(wú)效狀態(tài)，并且在封鎖時(shí)間Ti時(shí)間內，任何Vs的變化都不能觸發(fā)VO為有效狀態(tài)。
2．2 語(yǔ)音錄放模塊設計
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的典型應用電路作為揚聲器LS1的驅動(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電壓轉變?yōu)? V，轉換
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陣列等，因此只需很少的外圍器件就可構成一個(gè)完整的聲音錄放系統。ISD4004語(yǔ)音芯片帶SPI接口，錄放音時(shí)間長(cháng)，音質(zhì)好，不需A／D轉換，可重復記錄10萬(wàn)次，斷電后仍可以保存數據100年。語(yǔ)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(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，可驅動(dòng)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(shí)鐘上升沿前半個(gè)周期將數據放到此端，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的數據傳輸。
⑦AMCAP，自動(dòng)靜噪音控制端。
⑧VSSA、VSSD，地線(xiàn)。
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(xiàn)：主機輸出片選線(xiàn)CS，串行時(shí)鐘線(xiàn)SCLK，主機輸出／從機輸入的信號線(xiàn)MOSI以及主機輸入／從機輸出的信號線(xiàn)MISO。SPI接口是串行擴展的全雙工同步通信口，主機方式傳送數據的最高速率達1．05 Mbps。由于A(yíng)T89S51沒(méi)有SPI接口，所以采用模擬SPI接口同ISD4004進(jìn)行數據傳輸；同時(shí)因為無(wú)主機輸人，所以不需要MISO線(xiàn)。將片選CS、主機輸出／從機輸入的信號線(xiàn)MOSI、串行時(shí)鐘SCLK分別接在單片機P0．0、P0．1、P．2口。
ISD4004通過(guò)SPI接口傳輸數據的步驟如下：
①串行數據傳輸開(kāi)始于CS下降沿，在數據傳輸期間，CS必須保持為低電平；
②從控制器發(fā)出來(lái)并出現在引腳MOSI上的數據，在SCLK上升沿被鎖存入ISD4004，在SCLK下降沿，將ISD4004中送出的數據放到引腳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)執行。
2．3 鍵盤(pán)顯示模塊
該模塊采用44行列矩陣式非編碼鍵盤(pán)和4位數碼管顯示。另外語(yǔ)音服務(wù)中門(mén)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(jiǎn)單，在此不作詳細介紹。

3 系統軟件設計
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)是完成對熱釋電紅外傳感模塊傳出的數字信號VO的處理，語(yǔ)音服務(wù)的軟件實(shí)現以及適時(shí)的語(yǔ)音錄放。軟件流程如圖6所示。

BISS0001芯片已經(jīng)對傳感器傳出的信號進(jìn)行了抗干擾處理，得到了信號VO。為了提高系統檢測的可靠性，用單片機對VO進(jìn)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，則繼續讀??；若為高電平，則開(kāi)始計數。如果在接下來(lái)時(shí)間內持續檢測到t／T個(gè)高電平，判定條件滿(mǎn)足，則說(shuō)明這段時(shí)間內一直有人(其中t為輸入的報警響應時(shí)間)。這時(shí)開(kāi)始執行報警的相關(guān)操作。使用者可以根據實(shí)際情況設置t，以達到最好的報警效果。
由于單片機沒(méi)有SPI接口，語(yǔ)音錄放時(shí)必須采用軟件模擬實(shí)現同ISD4004數據傳輸。根據圖3所示的硬件連接電路，下面給出部分關(guān)鍵程序：

單片機控制ISD4004放音時(shí)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(shí)25 ms，接著(zhù)設置放音起始地址(在ISD4004中，每段語(yǔ)音都對應一個(gè)起始地址)和調用放音指令。系統調試時(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(shuō)明可以讀入放音地址。如果沒(méi)有昕到放音則調試后級放音電路，看是否是后級電路有問(wèn)題。
語(yǔ)音服務(wù)功能是該系統的一個(gè)增強功能，具有較高的實(shí)用價(jià)值。根據圖6可以了解其實(shí)現步驟。采用中斷方式進(jìn)行模式設定。使用者先按下一個(gè)和單片機外部中斷口連接的按鍵，產(chǎn)生一個(gè)中斷，使單片機從檢測子程序中跳出，進(jìn)入模式設定子程序，通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)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(mén)鈴時(shí)，語(yǔ)音芯片播放預置內容，如“對不起，主人正在休息，請稍候再來(lái)?！备鶕褂眯枰?，可以將自己的聲音甚至音樂(lè )錄入語(yǔ)音芯片之中，通過(guò)不同的模式設定實(shí)現多種語(yǔ)音服務(wù)。

結 語(yǔ)
本系統集語(yǔ)音報警和語(yǔ)音服務(wù)為一體，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)際應用證明該系統操作簡(jiǎn)單，方便實(shí)用，工作穩定，可靠性好。對于普通家庭很實(shí)用，具有較高的推廣價(jià)值。當然，在本系統的基礎上可以通過(guò)增加傳感器數目實(shí)現多目標檢測，通過(guò)與上位機的通信可以將報警信息傳給主人或小區管理人員。