如何利用AT89S51单片机实现家庭语音报警系统设计

引 言

现代化居住格局使家庭生活的安全问题显得尤为重要。当前，安全的防范及报警系统是确保住宅、住户安全的重要保障。防盗的最好方法就是在不法分子有入侵企图时就发出语音警告，增加其心理压力，使其主动离开。本系统就是基于这种思想，采用了Atmel公司的AT89S51单片机作为控制核心，以美国ISD公司的ISD1420作为语音芯片的一种新型家庭语音报警系统。

系统工作原理

本系统的工作原理框图如图1所示。不法分子在所防范区域内移动时会引起红外辐射变化。当其所辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器PIS-209S的探测元上时，热释电红外传感器将输出电压信号，然后经信号放大电路放大后送入信号采集与处理电路，经处理后向单片机输出高电平。

由于不法分子一般在门外的时间相对较长，因此使用者可以结合自己家庭附近人流走动情况，通过键盘设置最佳的报警响应时间，以便对他们进行区分。设置完毕后，单片机将根据报警响应时间，对经过信号采集与处理电路的数字信号进行识别，判断是否启动报警。若启动报警，则通过控制已存有报警内容的语音芯片对不法分子进行语音警告，然后重复播放若干次语音报警内容以警醒主人或周围的人，接着对现场进行录音，记录报警时间。同时可以通过键盘上的相应按键查询报警时间，报警时间会显示在液晶屏上。

系统框图各部分介绍

热释电红外传感装置

人体具有约37℃的恒定体温，所以会发出波长约10μm左右的红外线。热释电红外传感器PIS-209S就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。热释电红外传感器是一种新型敏感元件。制造热释电红外传感器的高热材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2~20μm.为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。此滤波片只允许某些波长范围的红外光通过，而阻止灯光、阳光和其它红外光通过。实际使用中，热释电红外人体感应器前面必须安装菲涅尔透镜。菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外传感器上，从而提高传感器的灵敏度，扩大监视范围。它可以产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元件要求信号不断变化的特性。传感器的两个反向串联的热释电元件轮流感受到运动物体，所以人体的红外辐射以红外脉冲的形式不断改变热释电元件的温度，使之输出一串脉冲信号，若人体在传感器前不动则不会有输出。

信号放大电路

信号放大电路如图2所示。热释电红外传感器PIS-209S将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由电阻电容组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz,下限截止频率为0.16Hz.由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1~10Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。经过通用集成运算放大器LM324两级放大后获得足够的增益，输出VO1信号给信号采集与处理单元电路。

信号采集与处理单元电路

硬件电路如图3所示。信号放大器传出的信号VO1经红外传感信号处理器BISS0001中的运算放大器OP1前置放大后，由电容耦合给运算放大器OP2进行二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器。输出信号经晶体管VT1后接单片机，输出信号VO2供其读取。

BISS0001是由运算放大器、电压比较器和状态控制器、延迟时间定时器、封锁时间定时器及参考电压源等构成的CMOS数模混合专用集成电路。它广泛应用于多种传感器和延时控制器，具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号预处理。它内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰，同时内设时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调节范围宽。它有可重复触发和不可重复触发两种工作方式供选择。本电路引脚A与电源相连，使电路处于重复触发工作方式。在定时周期TX内，BISS0001的输出为高电位，则晶体管VT1饱和导通，其集电极为低电位，将这一信号送到单片机；在Tx结束时BISS0001进入封锁周期Ti,其输出端变为低电平，晶体管截止，其集电极为高电平。TX定时间隔可由BISS0001的3脚和4脚上所接的电阻和电容来确定。

语音录放电路

系统的语音录放电路如图4所示。电路中采用AT89S51作为CPU,用它的P0.0~P0.5与ISD1420相接。在设计电路时ISD1420的所有地址端、控制端必须可靠接高电平或低电平而不能悬空，否则可能出现停止播放的情况。话筒信号耦合电容与连接MICREF端到模拟地的电容要相同。要特别注意的是ISD1420芯片的SP+、SP-端一定不要直接接地，只能接扬声器或者悬空。外接功放器时，采用单端输出，另一端接10μF到地或悬空，否则ISD器件会损坏。

AT89S51单片机是一款低功耗，高性能CMOS的8位单片机，片内含4KB在线可编程（ISP）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。ISD1420芯片待机时低功耗（0.5W），放音电流15mA;放音时间20s,可扩充级联；可持续放音，也可分段录放，最小分段：20s/160段=0.125s,可分段160段；录、放次数达10万次；断电信息存储，无需后备电池，信息可存储100年；不需要专用的编程器及语音开发器；高优先级录音，低电平或负边沿放音。其引脚中SP+、SP-为音频信号输出端，可以驱动8~16Ω扬声器；MIC为话筒输入端，可用驻极体话筒，通过电容耦合；MICREF为话筒输入参考端，若不用应悬空。

通常ISD1420的驱动能力有限（0.5W），直接接到扬声器上效果不太理想，若接1W以上的扬声器将发生失真。通常1W以下的扬声器可用LM386、D2283、D2822、MC34119及TA7368等芯片驱动。本电路选用1W以下的扬声器，用低电压通用集成功率放大器LM386作为扬声器的驱动芯片，其电路如图5所示。1W~10W的扬声器用TDA2003、LA4440芯片驱动。选用TDA2003作为扬声器驱动芯片的电路如图6所示。

键盘和显示电路

键盘采用4×4行列式；显示采用HT1621液晶显示驱动芯片，该驱动芯片是带32×4显存的多功能LCD驱动器，只需4条接口与控制器相连并可提供看门狗时钟。液晶显示屏除4位数字外，还有报警、火警、未准备、旁路、布防等多达16个汉字的内容，以构成直观的汉字显示。在设置设防点时显示监视点号、时间、设防标志等，在查询事故报警记录时显示日期、时分、事故点。同时利用HT1621液晶显示驱动芯片提供的看门狗时钟，实现对键盘系统崩溃时的自动复位，使键盘系统恢复工作。

本系统的电源由市电和备用蓄电池两部分组成。在正常情况下，市电通过整流、滤波、稳压后向报警系统提供直流电源，并且向蓄电池自动稳流充电。当市电出现故障，蓄电池自动投入使用，以保证报警系统能正常工作，同时向外界发送电源故障预警信息。

系统软件设计

软件设计的基本任务是实现用户保安功能的可编程，对警戒防区实时监控报警。本软件设计采用结构化程序设计方法。软件设计中的主要工作是完成单片机对红外传感信号处理器BISS0001输出的数字信号VO2的处理，语音服务的软件实现和适时的语音录放。软件设计流程框图如图7所示。

BISS0001芯片已经对传感器传出的信号进行了抗干扰处理，得到了信号VO2.为了提高系统检测的可靠性，用单片机对VO2进一步处理。对语音芯片1420编程时按照其工作过程进行编写。录音时按住“REC”键不放，指示灯亮，即可对着板上话筒讲话录音，松键时录音停止并形成一段。放音时按一下“PE”键将一段录音全部播放出来，一段结束后自动停止放音。按住“PL”键即放音，松键即停止。ISD1420的地址线有8位，有6位接到了AT89S51的I/O口。最小每段语音长度为125ms,每段语音都可由地址线控制输出，每125ms为一个地址，由A2~A7六根地址线控制。用户录制的语音每一段结束后芯片自动设有段结束标志（EOM），芯片录满后设有溢出标志（OVF），单片机控制电路按某一段的起始地址进行放音操作，遇到段结束标志（EOM）即自动停止放音，单片机收到段结束标志（EOM）就开始触发下一段语音的起始地址。如此控制，可以达到将很多不同段的语音组合在一起成一句话放音出来，实现语音的自动组合。

结 语

本系统实现了家庭语音报警功能，经过多次测试，该系统工作情况稳定。用户可以个性化地通过键盘设置外出、免打扰等不同的模式，实现语音服务功能。该报警系统具有结构简单、成本低、新颖等优点，适用于家庭使用。