家庭语音报警系统的毕业设计

家庭语音报警系统 的 设计 摘 要 随着 现代化进程 的 快速发展，人们的经济消费水平普遍得到提高，但 经济的高度发展 离不开人口的急剧增加，尤其是流动人口的增加幅度日益攀升，无形之中就给居住在城市中的人们提出了安防的难题 。 在传统的家庭安防措施里，例如防盗门或者人防保安，并不能很好的起到防范作用，所以 家庭语音报警系统 的设计 对于 维护城市中居民家庭安全具有非常重要的意义 。家庭语音报警系统能够 准确的检测到不法分子入侵的信号，及时播报语音报警信号并且记录作案时间， 实现对住宅 的安全防控 。 本设计采用 单片机 分析处理数 据，将处理后的信号传输至语音 芯片 启播报警情语音等相应的其他功能。 关 键词 音报警 of of of s of of of in of a of In or be a as So of of of of in of a be to of to of by in a to of of on of to of a of to so on is . 1 言 . 1 内外发展现状 . 1 课题研究的主要内容 . 2 . 2 统相关芯片的简介 . 2 控制器模块 . 2 片机系统中所用其他芯片简介 . 6 统设计要求分析及总体设计框图 . 11 统设计要求分析 . 11 统总体设计框图 . 11 号采集放大与处理电路设计 . 12 体信号采集装置 . 12 号放大与处理电路 . 15 音 录放电路 设计 . 17 音录放电路 . 17 盘和 显示 电路设计 . 18 盘电路 . 18 示电路 . 19 路设计 . 21 . 22 件分析及设计流程框图 . 22 音播报软件的具体实现 . 23 4. 总结 . 29 1 言 随着科技的不断进步和 经济的 快速 发展， 在人均 收入水平提高 的同时 ，也给人们生活方式 带来 改变和提高 ，人们更加注重自己生活环境的安全性 。人们在购房的同时，也开始有意识的注重自己的家居安防性能，这和房屋装修一样，在购房者心里占据了重要的地位，不仅是对传统安防手段的提高，也是消费安全意识的提高。可以预见的是家庭安防类产品已经渐渐的深入人心，安防产品的消费也成为购房者一项必不可少的开销。由此可知，随着家庭安防产品普及率的提高，家庭安防开始逐渐占据一定的市场份额，而语音报警系统作为新型安防产品，具有低成本高回报的特点，并且能有效的提高家居安全程度，所以其未来的发展潜力和经济效益都是不可估量的。 内外发展现状 随着我国经济建设的大力发展， 城市中流动人口大量增加，给城市中的治安管理带来了不小的麻烦，据调查城市中的犯罪率呈涨幅趋势。而目前人们 生活水平日益 的 提高，对人身财产安全 就 更加的重视。过去的机械式防盗系统在实际应用时有许多不足之处，所以现代的家庭防盗要从“人防”和“技防”两个方面考虑，把这两种手段合理的结合在一起，才能更好的保证人身份财产安全。 随着 安防 产品市场的逐渐升温，许多新兴产品相继活跃在 安防 市 2 场上，但是我国 面临一个很严重的问题就是，安防市场中多数为国外进口产品，普通家庭由于国外产品价格的昂贵而难以接受，所以为了使家庭安防产品走进普通 家庭，必须自主研发价格合理，在普通家庭消费水平之内的安防产品就显得格外重要。 课题研究的主要内容 家庭语音报警系统的设计，对于人们的家居安全，特别是对于占多数的普通家庭，此设计在 改善和提高家庭安防，保证人身财产安全方面具有 重要的意义。 该 设计 采用 单片机作为 语音播报电路的主 控制系统 ,并配置语音芯片及热释电传感器共同实现安防功能 。当有 非法入室者 进入户主室内，传感器 会自动 检测出危险信号， 并将该信号传输到 主 控制 系统单片机 内 ， 经过单片机处理分析后的信号 将送至语音录放电路， 实现警情播报 和现场录音 目的等其他的功能 。本文设计的是基于 主控制系统，结合语音芯片 被动式红外报警探测器 于一体 ， 实现语音报警的功能和实时计时作用，起到很好的安防作用。 统相关芯片的简介 控制器模块 本文选用 为系统中的控制芯片，它是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ 128 字节的随机存 3 取数据存储器（ 低电压、高性能 位微处理器，俗称单片机 1。 前已成为实际应用市场上新的宠儿。作为市场占有率第一的单片机产品， 内置通用 8 位中央处理器（ 储单元 且 含 2 个外中断口和 2 个 16 位可编程定时计数器以及 2 个全双工穿行通信口，有 40 个引脚 及 2 个外部双向输入、输出（ i/o）端口 1。 它除了作为 典的延续， 还在原有的工艺上进一步改良，增加了在线编程功能，是一个强大易用的功能。 序存储器可在线编程（ 传统编程 方法 及通用 8 位微处理器 结合起来 ，同时将通用的微处理器 和 储器 组合在一起 ， 其中 可反复擦写的 储器能够有效地降低开发成本，目前该款低功耗高性能的单片机 以其灵活的适用性广泛 的应用于各个控制领域 。 供以下标准功能： 4k 字节的 速存储器， 32个 I/O 口线， 128 字节内部 门狗（ 两个数据指针，两个 16 位定时 /计数器，一个全双工串行通信口， 三级 程序存储器 保密锁定 ， 片内含振荡器及时钟电路 ，它 还 可降至 0静态逻辑操作， 具备 低功耗的闲置和掉电模式 2。 主要引脚具体介绍如下： ： 由一个输出锁存器、一个转换开关 个三态输入缓冲器、输出驱动电路和一个与门及一个反相器组成。 C=0 时，用作通用 I/0 口； C=1 时， 用作地址 /数据总线。 ： 由一个输出锁存器、一个转换开关 个三 4 态输入缓冲器、输出驱动电路和反相器组成。 C=0 时， 用作通用 I/0 口； C=1 时， 用作地址 总线。 的第二功能如表 示。 表 3 口第二功能表 ： 口是一个具有第二功能、且可位操作的端口。当作为普通 I/O 端口时， 可以进行位操作，是准双向端口。当系统需要扩展外部器件时， 可以作为第二功能使用。 示。 表 3 口第二功能表 脚号 第二功能 行输入） 行输出） 部中断 0 输入 ) 5 部中断 1 输入 ) 0（定时器 0 的 外部输入） 1（定时器 1 的 外部输入） R(片 外数据存储器 “ 写 ” 选通 控制输出 ) D(片 外数据存储器 “读” 选通 控制输出 ) 复位 信号 输入 引脚 。 当 晶振 在 工作 的时候 ， 脚 能够保持 2 个机器周期 的 高电平 ，因此能够把 单片机复位。看门狗计时完成后， 脚 可以 输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器址 8的 能够 使此功能无效。 默认状态下 ， 复位高电平有效。 部程序存储器选通信号（ 外部程序存储器选通信号。当 片机 从外部程序存储器执行外部代码时，每个机器周期 内 激活两次， 但是在 访问外部数据存储器时， 会 被激活。 外储存器选择引脚 /片内 程电压输入引脚 。为 了保证能够 从 0000H 到 外部程序存储器 中 读取指令， 要 接 了 能够 执行内部程序指令， 程 的时候 ， 接收 12 伏 压。 图 图 示 分别为 引脚图和实物图。 6 图 图 片机系统中所用其他芯片简介 美国 司生产的一款高性能语音芯片，与 它系列语音产品有所区别的是， 于微控制器“从”设备，使 用 I/O 口 仿真 信协议 或者 内 设 容接口的微控制器 均可作为其“主”设备 。 列 具有低功耗的特点，工作电压仅为 3V， 单片录放时间最高可达 16 分钟，不耗电信息 可 保存 100 年， 含有 10 万次 录音周期 ， 具备自动静噪功能且 操作命令经串行通信接口（ 入。 该款语音芯片采用新型模拟存储技术 ,声音 可 直接存储 进去 ,避免了由于 A/D 转换和压缩 而产生的 A/D 转换误差 。该芯片 在一个记录位 (的 存储声音信号 量是 一般 A/D 技术记录量的8 倍 ,能有效的提高声音信号，从而 避免了像普通固体录音电路 产生的量化噪声 而影响语音品质， 能 高质量的、自然的 再现当时的声音。 主要引脚具体介绍如下： 7 N+： 同相模拟输入这是录音信号的同相输入端 ， 输入放大器可用单端或差分驱动 3。 反相模拟输入 ， 差分驱动时 ,这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入 ,最大幅度为峰 峰值 16音频输出 ， 提供音频输出 ,可驱动 5 选， 此端为低 ,即向该 片发送指令，两条指令之间为高电平。 行 树 入 ， 此为 穿杭 输端，主控制器 因才 串行 始终 上升研 之 钱 半个周期将 书局 放到本端 ,工 入。 航书橱， 串行输出端。 旋种 时 ,本端呈高租太 。 串行时钟 ， 时钟输入端 ,由主控制器产生 ,用于同步 数据传输。数据在 升沿锁存到 下降沿移出 如图 图 示 分别为 引脚图和实物图。 图 脚图 图 物图 8 红外热释电处理芯片 ，作为 一款 高性能微功耗 的传感信号处理集成电路， 它 静态电流 50 微安，特别适合干电池供电的电器产品 3。它具有全自动感应功能， 当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平 ， 输出低电平 。同时它含有两种触发方式，重复触发和不可重复触发模式可供选择，可以跳线选择默认为重复触发方式 3。 此外，该芯片 可以 控制 各类 照明装置以及报警装置 的开启 ，适用于企业和家庭对于安全区域的监控，特别是自动照明和报警系统。 如 图 图 示 分别为 引脚图和实物图。 图 脚图 图 物图 一款由美国国家半导体公司制造的音频功率放大器，具有自身功耗低、电压增益可调整 等优点，是专为低损耗 电源 而 设计的 功率 放大 器集成电路 ，目前已 广泛 的 应用于录音机和收音机之中4。 如图 图 示分别 为 引脚图和实物图 。 9 图 脚图 图 物图 一款 具有 56 字节非失性 有 两线制串行读写接口 ，并且 日历和时钟数据按 存取的时钟 /日历 的 IC 总线接口 实时时钟芯片。 芯片可以 提供秒、分、小时、星期、日期、月和年等 信息 5。此外，它还有如下特点： （ 1） 56 字节非失性的 （ 2） 掉电 时自动 检测切换电 池供电模式 。 （ 3） 可编程的方波信号输出 4。 8 个寄存器和 56 字节的 行了统一编址，具体地址 、寄存器 数据组织格式 和 IC 总线的数据传送格式 如 表 示。 表 间寄存器 0H 0 01H 0 10 010 02H 0 12 24 10 M 10 M 003H 0 0 0 0 0 14H 0 0 10 75H 0 0 0 10 16H 10 07H 0 0 086*8 00 C 总线 的数据传送格式 如图 图 示分别 为 引脚图和实物图。 11 图 脚图 图 物图 统设计要求分析及总体设计框图 统设计要求分析 自动报警设计思想为：用户根据需要把自己的警情语音输入至报警主机 ,报警主机不断地对所监控的设备 (探测器 )状况进行巡检 5，当有不正常的情况发生时，报警主机会启动语音电路，通过控制预先录制语音报警内容的语音芯片对非法入室分子进行语音警告，并记录当时的报警时间，同时 可以通过键盘上的相应按键查询报警时间，报警时间将显示在液晶屏上。 统总体设计框图 根据以上分析，系统工作原理框图的设计 如图 示 。 12 图 统总体设计框图 号采集放大与处理电路设计 体信号采集装置 在自然界中，当物体温度高于绝对温度（ 时都会产生红外光谱，不同物体的温度不同，其释放的红外能量的波长也不相同，因此红外波长与物体温度有着密切的联系 6。人体的正常情况下体温为 36C，即 309物体发射出的红外线辐射能，最大 波长和温度的关系满足 m*T=2989（ 其中 m 为最大波长，T 为绝对温度） 6。其辐射能力最强的红外线的波长为 m=2989/（ 309=中心波长为 以会产生波长大约 10 m 左右的红外线（人体辐射的红外线中心波长为910本文设计中，采用热释电红外传感器 测波长范围为 0 m)就是靠探测人体发射的 10 m 左右的红外线而进行工作的。 13 热释电红外传感器是依据热释电效应而制作的一种可以检测人或动物发射的红外线，并输 出电信号的传感器（热释电效应指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象） 7。热释电传感器 的 元件两个表面构成电极，在传感器监测范围之内，若温度有 T 的变化时，热释电效应会促使两个电极上产生电荷 Q，即在两电极之间形成一个很小的电压 V。因为它的输出阻抗极高，所以需要有一个场效应管在传感器中进行阻抗变换，同时热释电效应产生的电荷 Q 容易被空气中的离子所结合而消失，即当温度保持稳定时 T=0，此时传感器无输出 7。当人体进入检测区，由于人体温度与当前环境温度不同，将会产生温差 T，进而产生电荷 Q，形成的微弱 电压促使传感器有输出；若人体进入检测区后保持不动，则不会形成温差，传感器也将没有输出。为了对某一波长范围的红外辐射有较强的灵敏度，还在传感器的窗口上加装了一块干涉滤波片。该滤波片只允许某些波长范围的红外辐射通过，从而排除了灯光、阳光和其它红外辐射的干扰。 经过许多实验证明，传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，加上后其检测距离可超过 7m。 菲涅尔透镜： 菲涅尔透镜 (大部分是由聚烯烃材料注压形成的薄片，也有玻璃材质的，其中镜片表面一面为光面，另一面刻录了从小到大的同 心圆，它的纹理是利用光的干涉、扰射及相对灵敏度和接收角度要求来设计的 8。它的结构原理图和实物图分别如图 示。 14 菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在热释电红外传感器上；二是将探测区域内分为若干个明暗区（透镜被分为若干个透镜单元，其中每一个透镜单元仅有一个很小的视角，视角内称为可见区，视角外称为盲区 ，其中 任意两个相邻透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔，它们既不重叠也不交叉，而是保持断续，所以形成了明区和暗区），使输出的电压信号呈脉冲形式，从而使进入 探测区域的移动物体能以温度变化的形式在传感器上产生变化的热释红外信号 8。 双元热释电红外传感器，使用时 D 端 和 G 端分别 接电源 正 负 极， S 端为信号输出。 该传感器 利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部 可以互相抵消 的原理 ， 将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起 ，起到消除环境和自身变化引起的干扰，达到补偿的作用。 两个探测元上 和起来的红外辐射量即有 输出电压信号9。 它的 结构 示意图如图 合人体移动检测 、菲涅尔透镜 及 热释电红外传感器 于一体时 的工作原理示 意图 如图 示。 图 构 示意图 图 作原理示图 15 号放大与处理电路 一、 信号 放大 电路 因为 热释电红外传感器输出的 电压信号 十分微弱（通常仅有 1而且是一个 时 变的信号，同时 通过 菲涅尔透镜的作用 形成的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右），所以 必须 对热释 电 红外传感器输出的电压信号进行放大 10。 热释电红外传感器 出电压信号 为模拟脉冲信号，它首先 通过一个由电阻电容组成的带通滤波器，该滤波 器的上下限截止频率 分别 为 16 过滤波后的电压信号经过 通用集成运算放大器 级放大后 可以 获得足够的增益， 再将 输出 的 出给后续的信号 处理电路 进行放大与处理，能够得到有效地数字信号 。信号 放大 电路 图如图 示。 图 号 放大 电路 16 二、 信号 处理 电路 便灵活的 应用于 各类 传感器和延时控制器， 它 具有独立的高输入阻抗运算放大器， 能够和 多种传感器匹配，进行信号 的预处理 10。它内部的双向鉴幅器 能 有效抑制干扰， 而且 内 置 时间定时器和封锁时间定时器，结构稳定， 可靠性高， 调节范围宽。 本设计采用可重复触发工作方式，将芯片 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 ， 输出为高电位，使 晶体管 持 饱和导通，其集电极为低电位，将这一信号送到单片机；在 周期 束时 入封锁周期 输出端变为低电平， 此时 晶体管截止，集电极 变为 高电平。 其中利用 脚和 4 脚上所接的电阻和电容 可以确定 时间隔 。 信号放大器 输出 的信号 过 红外传感信号处理器 算放大器 置放大后， 再通过 电容耦合给运算放大器 最后 经由电压比较器 成的双向鉴幅器处理后， 令检出的 有效触发信号去启动延迟时间定时器。信号经晶体管 ， 最后输出信号经 单片机 脚读取 。信号 处理 电路 电路图如图 示。 17 图 号 处理 电路 音 录放电路 设计 音录放电路 在设计电路时 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 11。按下图中的，即可进入录音状态进行录音（录音过程中需保持 处于按下的状态，否则录音自动停止，录音过程中 示灯处于发光状态，录音时长为 20S）。 而由于 驱动能力有限， 会影响声音的大小，所以要加设扬声器，此时需要配备一个放大器。 本电路选用低电压通用集成功率放大器 为扬声器的驱动芯片，语音录放主电路如图 示。 18 图 音录放主电路 盘和 显示 电路设计 盘电路 键盘 使用独立式非编码的键盘，它由五个按键构成，用于当前时间、“ 报警响应时间 ”的设定和相应报 警时间的查询，其中 功能键，根据连续按 的次数的不同来实现的每个功能选择，其余的四个键是用作时间调节。 键盘电路 如图 示。 19 图 键盘 电路 示电路 显示 电路中采用 晶显示芯片 ，它 是 一款带中文字库的点阵图形液晶显示模块 12。 示屏由两片控制器控制，每个控制器内部都带有 64*64 位的 冲区。它在并行工作时具有 8 位数据总线 R/W、 E 三个控制端口， 串行工作时只有 个通信口，为节省单片机 的使 用，本次设计采用串行通信 (地 )。该芯片 工作电压为 5V， 而 且带有字符对比度调节 及 背光 设置 。 引脚功能和 显示电路 分别如表 图 示。 表 引脚 名称 功能说明 1 0V 2 可调电阻，中间抽头接至 20 4 S 并行模式： ，指令寄存器； ，数据寄存器 串行模式：片选 5 R/W 行模式： R/W=0，写； R/W=1，读； 串行模式 ：数据 6 E 行模式：允许信号；串行模式： 脉冲 同步时钟 7 行模式：数据 0； 串行模式：不连接 8 行模式：数据 1； 串行模式：不连接 9 行模式：数据 2； 串行模式：不连接 10 行模式：数据 3； 串行模式：不连接 11 行模式：数据 4； 串行模式：不连接 12 行模式：数据 5； 串行模式：不连接 13 行模式：数据 6； 串行模式：不连接 14 行模式：数据 7； 串行模式：不连接 15 行模式： ； 串行模式： 16 需连接 17 /位 18 需连接 19 背光正极，接 5V 20 光负极，接 0V 21 图 示 电路 路设计 用与 行通信，该电路结构简单 ,其中在芯片内部连接两个电容，目的是令晶振起振，则在电路设计中就不需要再另外添加电容了，电路图如图 示，其中晶振采用的是 内部电路分频之后可以得到一个标准的秒 脉冲信号；电阻 线的上拉电阻。 图 路 22 件分析及设计流程框图 软件设计中的主要 内容 是完成单片机对红外传感信号处理器出的数字信号 处理 、 适时的 警情播报和报警时间的查询 。 由于查询的是报警时间，所以显示出 秒、分、小时、星期 就能使报警时间有意义，而没有必要显示年、月、日， 这样 就简化了设计 ，从而 提高了系统性能。 如 图 示为软件设计流程框图。 23 图 件设计流程框图 音播报 软件的具体实现 /定义放音命令 ,定义常量 / 020H /电 010H /电 030H /止当前操作 0 /指定地址开始放音 0 /当前地址开始开 始系 统 初 始 化设 置 报 警 响 应 时 间红 外 信 号 监 测判 断 是 否 报 警按 键 查 询报 警 时 间液 晶 显 示语 音 报 警记 录 报 警 时 间结 束否是 24 放音 0 /指定地址开始录音 0 /当前地址开始录音 /S 000H 030H 30h ,#00, A 2,A 1,A 25 1,1,$ 0005H 2,1,$ 0005H 3,3,$ 26 */ ; 录音 /*/ S ,27 ,#10100000B S S ,#10110000B S 1,#8 28 1, /*/ ; 放音 /*/ S ,#11100000B S 29 S ,#11110000B S ,#00100000B S S */ 本课题的设计，从家居安防的实际需求出发，在设计方案上基本能满足大众对于家庭防盗的 要求。 该设计以单片机作为主控制系统，并在硬件检测电路上采用了热释电红外线传感器，同时采用语音芯片及键盘显示电路进行警情提示和记录时间的功能。系统在工作时，热释电传感器将监测用户室内的温度变化，通过入侵分子的体温信号，产生预警提示，并通过单片机处理分析之后的信号，启动警情语音播报功能，同时记录发生时的时 30 间和声音。 通过本次设计的检验，该系统具有低成本、体积小、结构简单，但是功能强大的特点，可以起到很好的防盗作用。同时由于其成本低廉，使得普通家庭的消费水平也可以装设此设备，因此该安防产品一旦投入市场，其发展潜 力和经济效益都是不可估量的。 31 参考文献 1 宋浩，田丰单片机原理及应用 M北京：清华大学出版社；北京交通 大学出版社， 2005. 2 何立民单片机高级教程 应用与设计（第 2 版） M北京：北京航 空航天大学出版社， 2007. 3 刘迎春，叶湘滨 . 现代新型传感器原理与应用 M. 北京：国防工