空軍預(yù)警學(xué)院 彭安隆

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基于AT89C51單片機(jī)的語音報(bào)警系統(tǒng)

空軍預(yù)警學(xué)院 彭安隆

【摘要】本文設(shè)計(jì)了由單片機(jī)AT89C51及數(shù)碼語音芯片ISD2560組成的智能語音報(bào)警系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)的硬件電路，編輯了錄、放音實(shí)用的源程序，實(shí)現(xiàn)不同訊號的聲光報(bào)警，并通過proteus仿真驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性和優(yōu)越性。仿真中用按鍵來替代不同的觸發(fā)信號，并將信號傳輸進(jìn)C51單片機(jī)，通過數(shù)碼管指示出報(bào)警和方式。通過程序控制語音芯片ISD2560實(shí)現(xiàn)了語音的分段錄取，通過軟件的修改還可以實(shí)現(xiàn)整段錄取，循環(huán)播放，后續(xù)并可加鎖存器74HC573控制信號的輸出，這樣在遇到不同情況時(shí)就可以發(fā)出不同的報(bào)警聲音。

【關(guān)鍵詞】語音報(bào)警；AT89C51單片機(jī)；語音芯片；proteus仿真

1　前言

隨著單片機(jī)的技術(shù)的日益發(fā)展，人們已經(jīng)不再滿足于鍵盤輸入，“屏顯輸出”這樣傳統(tǒng)的輸入/輸出方式，希望擁有更友好的人機(jī)界面，更便捷的操作方式。具有語音功能的單片機(jī)多方位報(bào)警系統(tǒng)于是應(yīng)運(yùn)而生，并廣泛用于各種需要語音響應(yīng)的場合。智能生產(chǎn)、國防軍工、儀表監(jiān)測、監(jiān)控設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)等都有這種需求。所以研究語音報(bào)警器對生產(chǎn)，生活都有極其重要的意義。但是目前市面上的報(bào)警裝置仍然十分昂貴又不夠人性化，本文擬在盡量控制成本的情況下，設(shè)計(jì)出一種十分人性化的語音報(bào)警系統(tǒng)，摒棄傳統(tǒng)的報(bào)警模式，一不同的人聲來處理不同的警情，十分實(shí)用而且簡單易用。

2　語音報(bào)警系統(tǒng)硬件選擇

2.1主控芯片的選擇

STC89C51作為普通51單片機(jī)已與廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品中，其接口簡單，方便使用，且功能強(qiáng)大，因此本系統(tǒng)采用STC89C51單片機(jī)作為主控制芯片。

2.2傳感器的選擇

要實(shí)現(xiàn)防盜、防火、防燃?xì)庑孤┑雀鞣N報(bào)警功能，相應(yīng)的傳感器是必不可少的，而無論是哪種傳感器，其最終輸出的都是開關(guān)量。

2.2.1熱釋電紅外傳感器HC-SR501

HC-SR501 基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用德國原裝進(jìn)口LHI778探頭設(shè)計(jì)，感應(yīng)部分應(yīng)用菲涅爾透鏡對感應(yīng)范圍進(jìn)行放大，具有本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)所用的是人體紅外感應(yīng)模塊HC-SR501，模塊里面包含了信號的放大電路和比較電路。

2.2.2離子式煙霧傳感器NIS-09C

該煙霧報(bào)警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠的傳感器。它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場的作用下各自向正負(fù)電極移動(dòng)。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運(yùn)動(dòng)，電流，電壓就會(huì)有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，于是無線發(fā)射器發(fā)出無線報(bào)警信號，通知遠(yuǎn)方的接收主機(jī)，將報(bào)警信息傳遞出去。

2.2.3震動(dòng)傳感器SW-18020P

用于各種震動(dòng)觸發(fā)作用，報(bào)盜報(bào)警，智能小車，電子積木等。模塊特色：（1）采用SW-18020P震動(dòng)傳感器；（2）比較器輸出，信號干凈，波形好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，超過15mA（3）工作電壓3.3V-5V；（4）輸出形式：數(shù)字開關(guān)量輸出（0和1）；（5）設(shè)有固定螺栓孔，方便安裝；（6）小板PCB尺寸：3.2cm x 1.4cm；（7）使用寬電壓LM393比較器；（8）不震動(dòng)時(shí)，震動(dòng)開關(guān)呈斷開狀態(tài)，輸出端輸出高電平，綠色指示燈不亮；；（9）震動(dòng)時(shí)，震動(dòng)開關(guān)瞬間導(dǎo)通，輸出端輸出低電平，綠色指示燈亮；（10）輸出端可以與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境是否有震動(dòng)，起到報(bào)警作用。

3　語音報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序及流程圖

本設(shè)計(jì)主要通過給定不同信號送入單片機(jī)，在單片機(jī)對ISD2560的控制實(shí)現(xiàn)不同指定地址入口的錄音和循環(huán)播放。程序流程如圖1所示。

“開始”鍵按下后，即系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，然后判斷開始鍵是否按下，如果按下則單片機(jī)控制PD，P/R引腳低電平，并指向錄音地址，啟動(dòng)錄音過程。調(diào)用錄音函數(shù)，錄音函數(shù)為：

/*錄音函數(shù)*/

void record（void）

｛

CE = 0； //片選有效

PD = 0； //非節(jié)電模式

PR = 0 ； //錄音

｝

當(dāng)CE=0 時(shí)芯片使能輸入引腳，使能所有的的錄音操作。

當(dāng)PD=0 時(shí)使芯片開始工作，而進(jìn)入非節(jié)電模式。

當(dāng)PR=0 時(shí)開始錄音，錄音時(shí)，由地址線提供起始地址，直到錄音持續(xù)到CE或PD變高，或自動(dòng)溢出。

圖1　主程序流程圖

3.2ISD2560 錄放音軟件設(shè)計(jì)

錄音時(shí)，按下錄音鍵，單片機(jī)通過口線設(shè)置語音段的起始地址，再使PD端、P /R端和CE端為低電平啟動(dòng)錄音；結(jié)束時(shí)，松開按鍵，單片機(jī)又讓CE端回到高電平，完成一段語音的錄制。同樣的方法可錄取第二段、第三段...。特別值得注意的是，錄音時(shí)間不能超過預(yù)先設(shè)定的每段語音的時(shí)間。放音時(shí)，根據(jù)需播放的語音內(nèi)容，找到相應(yīng)的語音段起始地址，并通過口線送出。再將P /R端設(shè)為高電平， PD端設(shè)為低電平，并讓CE端產(chǎn)生一負(fù)脈沖啟動(dòng)放音，這時(shí)單片機(jī)只需等待ISD2560的信息結(jié)束信號，即EOM的產(chǎn)生。信號為一負(fù)脈沖，在負(fù)脈沖的上升沿，該段語音才播放結(jié)束，所以單片機(jī)必須要檢測到EOM的上升沿才能播放第二段，否則播放的語音就不連續(xù)，而且會(huì)產(chǎn)生啪啪聲，這一點(diǎn)在編制軟件時(shí)一定要注意。

3.2.1ISD2560操作模式

由于ISD2560內(nèi)置了若干操作模式，因而可用最少的外圍器件實(shí)現(xiàn)最多的功能。具體的操作模式見表1。

表1　ISD2560語音芯片操作模式圖

操作模式可有微控制也可由硬件實(shí)現(xiàn)。使用操作模式要注意兩點(diǎn)：

（1）所有的操作最初都是從0地址（即存儲(chǔ)空間的起始端）開始。后續(xù)的操作根據(jù)選用的模式可從其它地址開始。但是，電路由錄音或放音轉(zhuǎn)錄音（M6模式除外），或都執(zhí)行了掉電周期后，地址計(jì)數(shù)器將復(fù)位為0。

（2）當(dāng)CE變低且最高兩地址為同位高時(shí)，執(zhí)行操作模式。這種操作模式將一直有效，知道CE再次由高變低，芯片重新鎖存當(dāng)前的地址/模式引腳電平并執(zhí)行相應(yīng)的操作為止

3.2.2分段錄放音

2500系列最多可分為600段，只要在分段錄/放操作前（不少于300納秒），給地址A0-A9賦值，錄音及放音功能均從設(shè)定的起始地址開始，錄音結(jié)束由停止鍵操作決定，芯片內(nèi)部自動(dòng)在該段的結(jié)束位置插入結(jié)束標(biāo)志（EOM）；而放音芯片遇到EOM標(biāo)志即自動(dòng)停止放音。

2500系列地址空間是這樣分配的：地址0-599作為分段用，地址600-767來使用，地址768-1023為工作模式選擇。如表2所示：

表2　ISD2560　地址空間分配圖

3.3軟件的抗干擾設(shè)計(jì)

按照可靠性理論，軟件設(shè)計(jì)最主要的任務(wù)是確保應(yīng)用程序按照給定的順序有秩序地運(yùn)行。有序運(yùn)行的基礎(chǔ)是硬件的可靠性，可靠性高的硬件基礎(chǔ)可以保證不會(huì)出現(xiàn)硬件故障，但是，在工業(yè)現(xiàn)場使用時(shí)，大量的干擾源雖然不會(huì)造成系統(tǒng)硬件系統(tǒng)破壞，卻常常會(huì)破壞數(shù)字信號的時(shí)序，更改微控制器內(nèi)部寄存器內(nèi)容，導(dǎo)致程序“跑飛”或進(jìn)入死循環(huán)。因此，在提高硬件可靠性的基礎(chǔ)上，必須在程序設(shè)計(jì)中采取措施，提高軟件的可靠性，減小軟件錯(cuò)誤的發(fā)生以及發(fā)生軟件錯(cuò)誤的情況下仍能使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

在本設(shè)計(jì)中.我們同時(shí)采用丁硬件“看門狗”與軟件“看門狗”，實(shí)踐證明，將兩者結(jié)合起來后，程序的可靠性得到了大幅度的提高。

4　proteus仿真

由于的功能限制，proteus無法仿真ISD2560語音芯片等，所以仿真演示只能演示部分功能，傳感器等用其他開關(guān)量信號代替，仿真演示只能演示本設(shè)計(jì)的部分功能，但是做演示功能理論上和本設(shè)計(jì)是相通的。

4.1仿真電路

如2所述，proteus功能限制，和本設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，仿真演示只能演示本設(shè)計(jì)的部分功能，但是做演示功能理論上和本設(shè)計(jì)是相通的，所以下面的仿真將極大接近的反映出本設(shè)計(jì)的成果。

4.1.1按鍵代替不同的傳感器

由于本設(shè)計(jì)所需傳感器輸出均是開關(guān)量，所以在仿真模擬是是完全可以用按鍵開關(guān)代替的，如圖2所示。

圖2　用按鍵代替?zhèn)鞲衅鞯拈_關(guān)量輸出

4.1.2聲光報(bào)警

如前所述，proteus無法模擬ISD2560語音模塊，鑒于其原理的相同性，本設(shè)計(jì)擬用聲光報(bào)警電路代替語音模塊進(jìn)行發(fā)出報(bào)警訊號，仿真電路圖如圖3所示。

圖3　聲光報(bào)警電路

如圖3所示，仿真中聲光報(bào)警在原理上可完全代替語音模塊，它同樣可以在單片機(jī)發(fā)出報(bào)警指令時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。并且，在敬請接觸式可以通過“解除報(bào)警”按鍵來解除報(bào)警狀態(tài)，整個(gè)報(bào)警裝置恢復(fù)到伺服狀態(tài)，仿真十分的真實(shí)。

4.1.3報(bào)警地點(diǎn)（或觸發(fā)方式）指示

在仿真中，為了明確地指示出是那種“傳感器”激發(fā)了報(bào)警裝置，或者是在現(xiàn)實(shí)中得知觸發(fā)報(bào)警器的地點(diǎn)，例如“1”代表臥室，“2”代表客廳等?；蛘摺?”代表熱釋電紅外傳感激發(fā)，“2”代表振動(dòng)傳感器激發(fā)等。這可以方便地讓“警衛(wèi)”得知報(bào)警地點(diǎn)，在最短的時(shí)間內(nèi)趕到準(zhǔn)確的現(xiàn)場。

圖4　指示器只是報(bào)警地點(diǎn)（方式）“1”

圖5　指示器只是報(bào)警地點(diǎn)（方式）“2”

4.2仿真分析

通過本次仿真，在原理上基本得達(dá)了所預(yù)期的效果。仿真完美的實(shí)現(xiàn)了即時(shí)報(bào)警，和不同報(bào)警觸發(fā)的準(zhǔn)確指示，這可以方便地讓“警衛(wèi)”得知報(bào)警地點(diǎn)，在最短的時(shí)間內(nèi)趕到準(zhǔn)確的現(xiàn)場。并且，仿真設(shè)計(jì)了“解除報(bào)警”的功能，在警情消除時(shí)，“警衛(wèi)”可以方便地解除報(bào)警狀態(tài)，并將報(bào)警裝置恢復(fù)到伺服狀態(tài)，這和本設(shè)計(jì)的思想是十分切合的。

并且通過仿真，再次感受到了proteus在電子電路仿真方面強(qiáng)大的實(shí)用性，同時(shí)也感受到了其在仿真方面的種種局限性。

同時(shí)，仿真由于其本身的局限性，不能夠完完全全地反映出本設(shè)計(jì)的所有思想，在此表示遺憾，但是，本仿真已經(jīng)在最大程度上模擬了本設(shè)計(jì)的精妙設(shè)計(jì)思路，在最大程度上呈現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的大部分功能。

5　結(jié)論

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的語音報(bào)警系統(tǒng)，是利用單片機(jī)AT89C51和錄放時(shí)間達(dá)60s的數(shù)碼語音芯片ISD2560設(shè)計(jì)了一套智能語音報(bào)警系統(tǒng)。用不同的傳感器采集報(bào)警訊號，并將信號傳輸進(jìn)C51單片機(jī)。通過程序控制語音芯片ISD2560實(shí)現(xiàn)了語音的分段錄取，通過軟件的修改還可以實(shí)現(xiàn)整段錄取，循環(huán)播放。雖然最終沒有采用鎖存器74HC573控制信號的輸出，仿真設(shè)計(jì)限于仿真軟件proteus功能有限，仿真采用代替仿真。

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作者簡介：

彭安?。?993-），男，海南澄邁人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于空軍預(yù)警學(xué)院，研究方向：預(yù)警探測指揮。