楊敏英, 陳輝煌, 楊阿弟, 佘明輝
(湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程系, 福建 莆田 351254)
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一種家庭智能門禁語(yǔ)音報(bào)警控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
楊敏英, 陳輝煌, 楊阿弟, 佘明輝
(湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程系, 福建 莆田 351254)
摘要:采用室內(nèi)智能綜合安防門禁語(yǔ)音報(bào)警控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)主要由中央處理器、液晶顯示電路、熱釋電紅外傳感器人體感應(yīng)模塊、“虛擬門禁”電路以及語(yǔ)音報(bào)警模塊組成。針對(duì)現(xiàn)有語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)的某些缺陷,設(shè)計(jì)了一套適合普通家庭使用的語(yǔ)音報(bào)警電路。采用具有Flash 的STC89C52單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心,具有密碼輸入識(shí)別、密碼修改、門禁控制、智能報(bào)警等功能的家庭安防控制系統(tǒng),具有實(shí)時(shí)性和可靠性。
關(guān)鍵詞:智能門禁;單片機(jī);語(yǔ)音報(bào)警;安防控制
隨著人們生活水平的提高,對(duì)門禁系統(tǒng)要求越來越高,越來越數(shù)字化。門禁控制系統(tǒng)在于利用電子技術(shù)為家庭和單位防盜報(bào)警系統(tǒng)提供更高的安全性和可靠性要求[1-4]。現(xiàn)代家庭的防盜方式主要以安裝防盜門、防盜鎖為主,本設(shè)計(jì)給出了一種既能防止三次試探密碼的密碼鎖設(shè)計(jì),又能對(duì)試探密碼的行為進(jìn)行防盜報(bào)警,這類設(shè)備是以增加盜賊入室的難度來達(dá)到防盜目的的[5-7]。在提供智能門禁系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增設(shè)了語(yǔ)音報(bào)警電路模塊,該設(shè)計(jì)制作成本低,安裝方便,對(duì)門窗幾乎沒有破壞性,防盜可靠性好,播放的語(yǔ)音清晰,廣泛使用于家庭。
1系統(tǒng)模型
家庭門禁語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)框圖如圖1所示,門禁控制系統(tǒng)主要由中央處理器STC89C52、LCD12864液晶顯示電路、矩陣鍵盤模塊、熱釋電紅外傳感器人體感應(yīng)模塊、繼電器“虛擬門禁”電路以及ISD1820語(yǔ)音報(bào)警模塊組成。各個(gè)電路模塊通過接收單片機(jī)發(fā)出的指令,以及用戶設(shè)置的信息,實(shí)現(xiàn)本課題要求的功能,為用戶提供可靠的服務(wù)。系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。
圖1 系統(tǒng)方框圖
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件部分主要由信號(hào)采集電路、語(yǔ)音報(bào)警模塊、“虛擬門禁”模塊、鍵盤顯示模塊四個(gè)部分組成??刂撇糠诌x用STC89C52單片機(jī)作為主控制器。內(nèi)置5V電源模塊,可以當(dāng)作儲(chǔ)蓄電池提供臨時(shí)的供電,對(duì)用戶的密碼具有儲(chǔ)存記憶功能。具有修改密碼功能,即通過鍵盤修改密碼;具有鎖定功能,即當(dāng)輸入三次密碼錯(cuò)誤時(shí)系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)。本系統(tǒng)還可以設(shè)置一串備用密碼,供主人忘記密碼的時(shí)候使用。
2.1中央處理器控制系統(tǒng)模塊
本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為中央控制器,通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件電路的控制,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的門禁語(yǔ)音報(bào)警控制系統(tǒng)。圖2所示是中央處理器控制系統(tǒng)圖。
圖2 中央處理器控制系統(tǒng)圖
時(shí)鐘電路由常用的兩個(gè)30pF電容、一個(gè)12MHZ晶振構(gòu)成。復(fù)位電路中,由于按鍵按下和松開時(shí),開關(guān)的機(jī)械觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng),一般抖動(dòng)時(shí)間是5~10ms左右,為了消除外界電平干擾產(chǎn)生誤操作,一般是在硬件中加消抖電路或軟件延時(shí)消抖。在本系統(tǒng)中,是采用硬件消抖的方法。在復(fù)位電路中,加入的電容和電阻的值由公式 RC=(5~10)ms決定。設(shè)電阻R=10KΩ,則 C=(5~10)ms/10KΩ =(5~10)uF。所以選用C=10uF的電解電容和10KΩ的電阻。
2.24*4矩陣鍵盤模塊
本系統(tǒng)中利用4*4矩陣中斷掃描,用戶可以通過矩陣鍵盤來設(shè)置參數(shù)。如圖3所示。
圖3 矩陣鍵盤電路模塊
由于按鍵是機(jī)械觸點(diǎn),在按下的按鍵釋放瞬間,按鍵的機(jī)械觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。按鍵抖動(dòng)波形如圖4所示。這種抖動(dòng)對(duì)于人來說是感覺不到的,但對(duì)計(jì)算機(jī)來說,則是完全可以感應(yīng)到的,因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的速度是在微秒級(jí),而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至少是毫秒級(jí),對(duì)計(jì)算機(jī)而言,這已是一個(gè)“漫長(zhǎng)”的時(shí)間了。
圖4 按鍵抖動(dòng)波圖
為了確保鍵盤的可靠性,必須要考慮怎樣消除抖動(dòng)的問題。常用的消抖動(dòng)的方式有兩種:硬件方法和軟件方法。在本系統(tǒng)對(duì)矩陣鍵盤的控制中,使用軟件消抖的方法,即通過軟件延時(shí),消除按鍵抖動(dòng)。
2.3LCD顯示模塊電路
本系統(tǒng)采用帶中文字庫(kù)的128*64 LCD液晶顯示屏,其顯示分辨率為128*64。從圖5所示的顯示電路接線圖可知,在本系統(tǒng)中,12864液晶顯示屏經(jīng)過上拉電阻連接在單片機(jī)的P0口,然后由單片機(jī)STC89C52載入程序來顯示相應(yīng)的文字信息。為了線路的簡(jiǎn)明,本系統(tǒng)顯示模塊只用到一塊LCD(128*64)的液晶顯示器,這樣既減少了設(shè)計(jì)的時(shí)間,又不會(huì)使電路變得復(fù)雜。
LCD(128*64)液晶顯示器具體接線圖如圖5所示。
圖5 LCD(128*64)液晶顯示器具體接線圖
2.4信號(hào)采集與處理模塊
信號(hào)采集與處理電路的硬件電路如圖6所示。該模塊主要由熱釋電紅外傳感器RE200B對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和專用處理芯片BISS0001對(duì)信號(hào)處理兩大部分組成。其中,熱釋電紅外傳感器(PIR)RE200B對(duì)人體信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),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端分別為圖6中所示的3端、1端、2端,它們分別為電源端、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。為了方便電路調(diào)試,本設(shè)計(jì)直接購(gòu)買熱釋電紅外傳感器模塊并用到系統(tǒng)中,采用熱釋電傳感器的優(yōu)勢(shì)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。實(shí)際使用中,熱釋電傳感器前面必須安裝菲涅爾透鏡,這樣可大大提高接收靈敏度,增加檢測(cè)距離及范圍。熱釋電傳感器的外接分接口共分為3個(gè)端口,一個(gè)端口接+5V電源,一個(gè)接地,中間的端口為信號(hào)輸入端口,將Vo口接到單片機(jī)的P2.7端口。將熱釋電傳感器的輸出電平Vo傳送給單片機(jī),具體的外接電路圖如圖6所示。
圖6 信號(hào)采集與處理電路圖
2.5語(yǔ)音報(bào)警電路模塊
本系統(tǒng)的語(yǔ)音報(bào)警子系統(tǒng)主要由熱釋電紅外傳感器和語(yǔ)音報(bào)警電路組成。STC89C52單片機(jī)作為主控制器,語(yǔ)音芯片ISD1820作為報(bào)警執(zhí)行裝置。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。單片機(jī)將對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并且啟動(dòng)報(bào)警。在語(yǔ)音報(bào)警的設(shè)置方面,可以根據(jù)具體需要,個(gè)性化地通過鍵盤預(yù)先設(shè)置不同的模式,即在家模式和防盜模式。當(dāng)主人設(shè)置了在家模式的時(shí)候,語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)處于休眠狀態(tài);當(dāng)主人設(shè)置防盜模式時(shí),語(yǔ)音報(bào)警子系統(tǒng)啟動(dòng),熱釋電傳感器處于監(jiān)控狀態(tài),語(yǔ)音報(bào)警電路處于待命狀態(tài)。另外,為了防止試探密碼的行為,在系統(tǒng)檢測(cè)到有人試圖試探密碼的時(shí)候,語(yǔ)音報(bào)警電路啟動(dòng)報(bào)警。
ISD1820是一種8~20秒單段語(yǔ)音錄放芯片。它的基本結(jié)構(gòu)與ISD1110、ISD1420完全相同,采用CMOS技術(shù),內(nèi)含振蕩器、話筒前置放大、自動(dòng)增益控制、防混淆濾波器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)及FLASH陣列。ISD1820標(biāo)準(zhǔn)電路原理圖如圖7所示。
圖7 ISD1820標(biāo)準(zhǔn)電路原理圖
為了放大報(bào)警的聲音,本設(shè)計(jì)采用功率放大電路。這里可以選用LM386、D2283、D2822、TA7368、MC34119等功率放大器。在這里,選擇LM386功放芯片。信號(hào)由SP+或SP-通過電容耦合輸入,SP+或 SP-不用的一端必須懸空,不能接地。使用LM386作為功率放大器的連線圖如圖8所示。
圖8 LM386功率放大器連線圖
圖9 語(yǔ)音報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)總電路圖
在本系統(tǒng)中,采用單端輸入的連線方式將功放電路接入電路中。為了本系統(tǒng)的硬件能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的要求,采用先錄好一段警報(bào)的聲音,在芯片錄好音測(cè)試無誤后,將芯片的REC端長(zhǎng)期接低電平的設(shè)計(jì)方法,取消REC端可以防止意外抹音。另外,由于PLAYL放音鍵只能播放一次報(bào)警音,而PLAYE端可以用于循環(huán)放音,取消PLAYL鍵,與此同時(shí),在設(shè)計(jì)硬件的時(shí)候,留出一個(gè)端口,讓PLAYE端和單片機(jī)的I/O口相連,這樣,只要單片機(jī)給PLAYE端一個(gè)高電平,報(bào)警電路就能自動(dòng)報(bào)警了。具體的語(yǔ)音報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)總電路圖如圖9所示。
2.6“虛擬門禁”電路
“虛擬門禁”電路的設(shè)計(jì)是用于驗(yàn)證本系統(tǒng)的門禁系統(tǒng)是否可以準(zhǔn)確無誤運(yùn)行的關(guān)鍵部分。本設(shè)計(jì)采用繼電器來代替真實(shí)的門禁系統(tǒng)。并把設(shè)計(jì)好的“門禁系統(tǒng)”與單片機(jī)的P3.6口相連接。當(dāng)單片機(jī)的P3.6口給繼電器一個(gè)高電平的時(shí)候,繼電器動(dòng)作,相應(yīng)的LED指示燈亮,這樣,通過對(duì)單片機(jī)的編程,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)“虛擬門禁”的控制。具體的設(shè)計(jì)方案如圖10所示。
圖10 “虛擬門禁”設(shè)計(jì)電路圖
3軟件設(shè)計(jì)
圖11 主程序流程圖
通過讀回EEPROM來判斷是否設(shè)置好密碼,如果已經(jīng)設(shè)置好密碼就進(jìn)入輸入密碼界面,如果判斷出沒有設(shè)置密碼,則進(jìn)入密碼設(shè)置界面。設(shè)置完后在進(jìn)入設(shè)置密碼界面設(shè)置密保,密保設(shè)置完后就設(shè)置好的密碼和密保存入EEPROM。返回輸入密碼界面。通過解析矩陣鍵盤的鍵值來判斷密碼是否輸入正確。如果正確就進(jìn)入系統(tǒng)功能的選擇,如不正確則記錄錯(cuò)誤的次數(shù),超出3次錯(cuò)誤后報(bào)警。在系統(tǒng)功能界面時(shí)通過按鍵的鍵值來選擇相應(yīng)的功能。如判斷KEY=11則開啟門禁功能,如判斷KEY=12則開啟防盜模式。在通過按鍵鍵值開啟在家模式(關(guān)閉門禁)和防盜模式(開啟熱釋電人體傳感器,檢測(cè)到信號(hào)后語(yǔ)音報(bào)警)
從軟件的功能來看可分為兩大類:一是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的編程設(shè)計(jì),由它來完成各種實(shí)質(zhì)性功能;二是監(jiān)控程序的軟件設(shè)計(jì),它用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)與操作命令的關(guān)系。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要流程圖11所示。
4結(jié)論
本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),系統(tǒng)考慮到門禁控制系統(tǒng)成本及體積因素,在設(shè)計(jì)電子密碼門禁、語(yǔ)音報(bào)警控制系統(tǒng)時(shí),以STC89C52單片機(jī)為核心,以12864液晶顯示電路、矩陣鍵盤電路、語(yǔ)音報(bào)警電路等構(gòu)成外圍電路,電子門禁控制部分具有密碼識(shí)別、密碼修改功能,即通過矩陣鍵盤可以修改密碼;具有鎖定功能,即當(dāng)輸入三次密碼錯(cuò)誤時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)形成鎖定狀態(tài),并發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警。在語(yǔ)音報(bào)警控制部分,采用了ISD1820芯片制作而成。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是以單片機(jī)為控制核心,采用C語(yǔ)言編程來實(shí)現(xiàn)密碼鎖的功能,該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)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。
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責(zé)任編輯:程艷艷
Design and Implementation of a Family Intelligent Access Control System
YANG Minying, CHEN Huihuang, YANG Adi, SHE Minghui
(Department of Automation Engineering, Meizhouwan Vocational College, Putian 351254, China)
Abstract:This paper designs an intelligent voice alarm system for indoor entrance guard, which is composed of central processor, liquid crystal display circuit, heat-released infrared sensor body induction module, “virtual entrance guard” circuit and sound alarm module. In view of the defects in existing sound alarm system, it designs a set of sound alarm circuit suitable for ordinary family usage. This family safety control system, with real-time performance and reliability, takes STC89C52 MCU with Flash as the core, having functions of cipher input identification, cipher modification and entrance guard control and intelligent alarm.
Keywords:intelligent entrance guard; MCU; sound alarm; safety control
中圖分類號(hào):TP277
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1009-3907(2016)04-0004-06
作者簡(jiǎn)介:楊敏英(1970-),女,福建莆田人,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,主要從事電子學(xué)與通信工程方面的研究;佘明輝(1965- ),男,福建莆田人,教授,主要從事隨機(jī)多址、網(wǎng)絡(luò)通信工程方面的研究。
基金項(xiàng)目:福建省教育廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(JA12456)
收稿日期:2015-10-28