基于ISD4004的家庭语音报警系统设计

引 言
    现代家庭的防盗方式主要以安装防盗门、防盗锁为主，但是这类设备主要是以增加盗贼入室的难度来达到防盗目的的。这种单纯的机械装置，在较长时间无人在场的情况下，防盗效果往往不尽如人意，所以人们需要有新的防盗系统作为补充。市场上的不少门禁系统虽说性能优良，保险系数较高，但是由于其高昂的价格让一般的家庭感到难以接受，不少系统是在门窗被破坏，非法人员入侵后才报警，且安装这些防盗设备会对原有的门窗有较大破坏性。在有警情发生时这些报警系统会通知主人或报警中心，但是他们的响应都需要一定的时间，很有可能在他们的响应时间内不法分子已经完成了偷盗行为。所以，安防的最好方法是在不法分子有入侵企图时就通过给出语音警告，增加其心理压力，使其主动离开。在这种方法失效的情况下，可以记录入侵时间，进行现场录音，然后通过电话或其他方式通知主人或报警中心。本设计正是基于这样一种思想，同时在语音报警的基础上还增加了个性化、方便实用的语音服务功能。该设计制作成本低，安装方便，对门窗几乎没有破坏性，防盗可靠性好，播放的语音清晰，适于一般家庭使用。

1 系统工作原理
    本系统主要由报警子系统和语音服务子系统两大部分组成，如图1所示。其中报警子系统采用热释电红外传感器作为报警信号采集装置，AT89S51单片机作为主控制器，语音芯片ISD4004作为报警和语音服务执行装置，键盘和数码管作为人机接口。

    系统工作时，热释电红外传感器对警戒区的红外信号不断地进行采集，当在警戒范围内出现人体时，信号处理电路向单片机输出高电平。由于不法分子一般在门外待的时间相对较长，因此使用者结合自己家庭所处环境及人流情况，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信号处理电路处理过的数字信号进行采集处理，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；同时在数码管上显示报警次数，并可以
通过相应按键查询报警时间，便于破案。
    在语音服务方面，可以个性化地通过键盘预先设置不同的模式，如外出模式、暂时离开模式、在家模式、免打扰模式等。当有客来访按下门铃时，不同的模式下自动播放不同的语音内容，通过语音信息与客人进行友好的交流，既方便了主人又方便了客人。

2 系统硬件设计
    系统硬件部分主要由信号采集与处理模块、语音录放模块和键盘显示模块3部分组成。控制部分选用AT89S51单片机作为主控制器。
2．1 信号采集与处理模块设计
    硬件电路如图2所示。热释电红外传感器(PIR)RE200B对人体信号进行检测，红外传感信号专用处理芯片BISS0001对所采集信号进行初步处理。RE200B的D、G、S端分别为电源端、地端和目标输出电压端。输出信号VO接单片机，供其读取。

    采用热释电传感器的优势是：成本低，不需要用红外线或电磁波等发射源，隐蔽性好，可流动安装，灵敏度高、控制范围大。热释电红外传感器利用热释电效应，能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号；同时，它还能鉴别出运动的生物与其他非生物。实际使用中，热释电传感器前面必须安装菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的作用是将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电红外探测元要求信号不断变化的特性，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。实验证明，热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜，则其检测距离仅为2 m左右(检测人体走过)；而配上菲涅尔透镜后，其检测距离可增加到10 m以上，甚至可达20 m以上。
    由于PIR信号变化缓慢、幅值小，针对该特点，专用信号处理器一般分为3步处理：滤波放大、窗口比较、噪声抑制及数字信号处理。BISS0001就是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。它采用CMOS工艺、数模混合，具有独立的高输入阻抗运算放大器，内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰。它有两种工作方式供选择，通过将引脚A置1或0可设置为可重复触发方式和不可重复触发方式。本系统选择可重复触发方式。在将传感信号进行预处理后，通过双向鉴幅器可检测出有效触发信号Vs。由于选择的是可重复触发方式，Vs可重复触发VO为有效状态，并可促使VO在延时周期Tx内一直保持有效状态。延时周期的大小可通过R1和C1调节。在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，VO就会从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则VO一直保持有效状态；若Vs保持为“O”状态，则在Tx周期
结束后VO恢复为无效状态，并且在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发VO为有效状态。
2．2 语音录放模块设计
    语音录放模块的硬件电路如图3所示。MK1为麦克风，用于录入语音，可完成普通的现场录音。在放音电路中，输出端选用低电压通用集成功率放大器LM386M-1的典型应用电路作为扬声器LS1的驱动电路。该典型电路中，LM386M-1的1脚和8脚间外接10μF的旁路电容，可以使电路的放大倍数提高200倍。ISD4004的工作电压是3V，可以通过变压电路将5V电压转变为3 V，转换
电路如图4所示。

2．2．1 ISD4004语音芯片
    该模块的核心是ISD4004语音芯片，其引脚如图5所示。ISD4004语音芯片采用CMOS技术，内含晶体振荡器、防混叠滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储阵列等，因此只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统。ISD4004语音芯片带SPI接口，录放音时间长，音质好，不需A／D转换，可重复记录10万次，断电后仍可以保存数据100年。语音内容分段存储，程序可以选定任一段作为录音、放音的起始地址。

    ISD4004主要引脚说明如下：
    ①片选CS，此端为低电平时选中芯片。
    ②VCCA、VCCD，供电电源3 V。
    ③OUT，音频输出端，可驱动5 Ω负载。
    ④IN+、IN-，录音信号同相、反相输入端。
    ⑤MOSI，串行输入端。主控器件应在串行时钟上升沿前半个周期将数据放到此端，供ISD4004输入用。
    ⑥SCLK，时钟输入端，由主控制器产生，用于同步MOSI和MISO的数据传输。
    ⑦AMCAP，自动静噪音控制端。
    ⑧VSSA、VSSD，地线。
2．2．2 SPI接口
    SPI接口是Motorola公司推出的同步串行扩展接口。该接口共使用4条信号线：主机输出片选线CS，串行时钟线SCLK，主机输出／从机输入的信号线MOSI以及主机输入／从机输出的信号线MISO。SPI接口是串行扩展的全双工同步通信口，主机方式传送数据的最高速率达1．05 Mbps。由于AT89S51没有SPI接口，所以采用模拟SPI接口同ISD4004进行数据传输；同时因为无主机输人，所以不需要MISO线。将片选CS、主机输出／从机输入的信号线MOSI、串行时钟SCLK分别接在单片机P0．0、P0．1、P．2口。
    ISD4004通过SPI接口传输数据的步骤如下：
    ①串行数据传输开始于CS下降沿，在数据传输期间，CS必须保持为低电平；
    ②从控制器发出来并出现在引脚MOSI上的数据，在SCLK上升沿被锁存入ISD4004，在SCLK下降沿，将ISD4004中送出的数据放到引脚MISO，供控制器读取；
    ③ISD4004从控制器输入指令和地址后才能开始录／放操作；
    ④指令格式是8位控制码加16位地址码，或8位控制码(不带地址码)；
    ⑤ISD4004在进行任何操作时，如果遇到EOM或VOF，则产生一个中断，该中断状态在下一个SPI周期开始被清除；
    ⑥所有指令操作都在CS端为高时执行。
2．3 键盘显示模块
     该模块采用4×4行列矩阵式非编码键盘和4位数码管显示。另外语音服务中门铃按钮连接外部中断0(P3．2口)。由于该模块硬件连接相对简单，在此不作详细介绍。

3 系统软件设计
    基于上述硬件原理图和相关分析，软件部分的主要任务是完成对热释电红外传感模块传出的数字信号VO的处理，语音服务的软件实现以及适时的语音录放。软件流程如图6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VO。为了提高系统检测的可靠性，用单片机对VO进行处理。单片机每隔相同周期T不断地读取VO的状态。若VO为低电平，则继续读取；若为高电平，则开始计数。如果在接下来时间内持续检测到t／T个高电平，判定条件满足，则说明这段时间内一直有人(其中t为输入的报警响应时间)。这时开始执行报警的相关操作。使用者可以根据实际情况设置t，以达到最好的报警效果。
    由于单片机没有SPI接口，语音录放时必须采用软件模拟实现同ISD4004数据传输。根据图3所示的硬件连接电路，下面给出部分关键程序：

   
    单片机控制ISD4004放音时必须严格按照以下步骤操作：首先要调用上电指令，然后至少延时25 ms，接着设置放音起始地址(在ISD4004中，每段语音都对应一个起始地址)和调用放音指令。系统调试时可以首先测量ISD4004的工作电压是否是3 V，如果是则进入下级调试。再看是否可以送入放音地址，是否可以放音，对此可以测量OUT引脚的电压，若为1．2 V左右，则说明可以读入放音地址。如果没有昕到放音则调试后级放音电路，看是否是后级电路有问题。
    语音服务功能是该系统的一个增强功能，具有较高的实用价值。根据图6可以了解其实现步骤。采用中断方式进行模式设定。使用者先按下一个和单片机外部中断口连接的按键，产生一个中断，使单片机从检测子程序中跳出，进入模式设定子程序，通过键盘进行模式设定，设置完毕，单片机返回检测子程序。例如，主人正在休息不希望他人打扰，则可设置为模式1，当他人按门铃时，语音芯片播放预置内容，如“对不起，主人正在休息，请稍候再来。”根据使用需要，可以将自己的声音甚至音乐录入语音芯片之中，通过不同的模式设定实现多种语音服务。

结 语
    本系统集语音报警和语音服务为一体，经过一段时间的实际应用证明该系统操作简单，方便实用，工作稳定，可靠性好。对于普通家庭很实用，具有较高的推广价值。当然，在本系统的基础上可以通过增加传感器数目实现多目标检测，通过与上位机的通信可以将报警信息传给主人或小区管理人员。