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