楊敏英, 陳輝煌, 楊阿弟, 佘明輝
(湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化工程系, 福建 莆田 351254)
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一種家庭智能門禁語音報警控制設(shè)計與實現(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音報警控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。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”電路以及語音報警模塊組成。針對現(xiàn)有語音報警系統(tǒng)的某些缺陷,設(shè)計了一套適合普通家庭使用的語音報警電路。采用具有Flash 的STC89C52單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心,具有密碼輸入識別、密碼修改、門禁控制、智能報警等功能的家庭安防控制系統(tǒng),具有實時性和可靠性。
關(guān)鍵詞:智能門禁;單片機(jī);語音報警;安防控制
隨著人們生活水平的提高,對門禁系統(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)計給出了一種既能防止三次試探密碼的密碼鎖設(shè)計,又能對試探密碼的行為進(jìn)行防盜報警,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)了語音報警電路模塊,該設(shè)計制作成本低,安裝方便,對門窗幾乎沒有破壞性,防盜可靠性好,播放的語音清晰,廣泛使用于家庭。
1系統(tǒng)模型
家庭門禁語音報警系統(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語音報警模塊組成。各個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
系統(tǒng)硬件部分主要由信號采集電路、語音報警模塊、“虛擬門禁”模塊、鍵盤顯示模塊四個部分組成??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)作儲蓄電池提供臨時的供電,對用戶的密碼具有儲存記憶功能。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)輸入三次密碼錯誤時系統(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,通過編程實現(xiàn)對硬件電路的控制,實現(xiàn)系統(tǒng)要求的門禁語音報警控制系統(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
時鐘電路由常用的兩個30pF電容、一個12MHZ晶振構(gòu)成。復(fù)位電路中,由于按鍵按下和松開時,開關(guān)的機(jī)械觸點會產(chǎn)生抖動,一般抖動時間是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,在按下的按鍵釋放瞬間,按鍵的機(jī)械觸點會產(chǎn)生抖動。按鍵抖動波形如圖4所示。這種抖動對于人來說是感覺不到的,但對計算機(jī)來說,則是完全可以感應(yīng)到的,因為計算機(jī)處理的速度是在微秒級,而機(jī)械抖動的時間至少是毫秒級,對計算機(jī)而言,這已是一個“漫長”的時間了。
圖4 按鍵抖動波圖
為了確保鍵盤的可靠性,必須要考慮怎樣消除抖動的問題。常用的消抖動的方式有兩種:硬件方法和軟件方法。在本系統(tǒng)對矩陣鍵盤的控制中,使用軟件消抖的方法,即通過軟件延時,消除按鍵抖動。
2.3LCD顯示模塊電路
本系統(tǒng)采用帶中文字庫的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)計的時間,又不會使電路變得復(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信號采集與處理模塊
信號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對信號進(jìn)行采集和專用處理芯片BISS0001對信號處理兩大部分組成。其中,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VO接單片機(jī),供其讀取。為了方便電路調(diào)試,本設(shè)計直接購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,可流動安裝,靈敏度高、控制范圍大。實際使用中,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,增加檢測距離及范圍。熱釋電傳感器的外接分接口共分為3個端口,一個端口接+5V電源,一個接地,中間的端口為信號輸入端口,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 信號采集與處理電路圖
2.5語音報警電路模塊
本系統(tǒng)的語音報警子系統(tǒng)主要由熱釋電紅外傳感器和語音報警電路組成。STC89C52單片機(jī)作為主控制器,語音芯片ISD1820作為報警執(zhí)行裝置。系統(tǒng)工作時,熱釋電紅外傳感器對警戒區(qū)的紅外信號不斷地進(jìn)行采集,當(dāng)在警戒范圍內(nèi)出現(xiàn)人體時,信號處理電路向單片機(jī)輸出高電平。單片機(jī)將對信號進(jìn)行處理并且啟動報警。在語音報警的設(shè)置方面,可以根據(jù)具體需要,個性化地通過鍵盤預(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)置了在家模式的時候,語音報警系統(tǒng)處于休眠狀態(tài);當(dāng)主人設(shè)置防盜模式時,語音報警子系統(tǒng)啟動,熱釋電傳感器處于監(jiān)控狀態(tài),語音報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)檢測到有人試圖試探密碼的時候,語音報警電路啟動報警。
ISD1820是一種8~20秒單段語音錄放芯片。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、自動增益控制、防混淆濾波器、揚(yáng)聲器驅(qū)動及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
為了放大報警的聲音,本設(shè)計采用功率放大電路。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 語音報警電路模塊設(shè)計總電路圖
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)計的要求,采用先錄好一段警報的聲音,在芯片錄好音測試無誤后,將芯片的REC端長期接低電平的設(shè)計方法,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警音,而PLAYE端可以用于循環(huán)放音,取消PLAYL鍵,與此同時,在設(shè)計硬件的時候,留出一個端口,讓PLAYE端和單片機(jī)的I/O口相連,這樣,只要單片機(jī)給PLAYE端一個高電平,報警電路就能自動報警了。具體的語音報警電路模塊設(shè)計總電路圖如圖9所示。
2.6“虛擬門禁”電路
“虛擬門禁”電路的設(shè)計是用于驗證本系統(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)計采用繼電器來代替真實的門禁系統(tǒng)。并把設(shè)計好的“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口給繼電器一個高電平的時候,繼電器動作,相應(yīng)的LED指示燈亮,這樣,通過對單片機(jī)的編程,就可以實現(xiàn)對“虛擬門禁”的控制。具體的設(shè)計方案如圖10所示。
圖10 “虛擬門禁”設(shè)計電路圖
3軟件設(shè)計
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,如不正確則記錄錯誤的次數(shù),超出3次錯誤后報警。在系統(tǒng)功能界面時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,檢測到信號后語音報警)
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,由它來完成各種實質(zhì)性功能;二是監(jiān)控程序的軟件設(shè)計,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)計主要流程圖11所示。
4結(jié)論
本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,系統(tǒng)考慮到門禁控制系統(tǒng)成本及體積因素,在設(shè)計電子密碼門禁、語音報警控制系統(tǒng)時,以STC89C52單片機(jī)為核心,以12864液晶顯示電路、矩陣鍵盤電路、語音報警電路等構(gòu)成外圍電路,電子門禁控制部分具有密碼識別、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)輸入三次密碼錯誤時,系統(tǒng)會自動形成鎖定狀態(tài),并發(fā)出語音報警。在語音報警控制部分,采用了ISD1820芯片制作而成。本系統(tǒng)的優(yōu)點是以單片機(jī)為控制核心,采用C語言編程來實現(xiàn)密碼鎖的功能,該系統(tǒng)操作簡單,方便實用,工作穩(wěn)定,可靠性好。對于普通家庭很實用,具有較高的推廣價值。
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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:TP277
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號:1009-3907(2016)04-0004-06
作者簡介:楊敏英(1970-),女,福建莆田人,高級實驗師,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。
基金項目:福建省教育廳自然科學(xué)基金資助項目(JA12456)
收稿日期:2015-10-28