一种家庭智能门禁语音报警控制设计与实现

杨敏英, 陈辉煌, 杨阿弟, 佘明辉

(湄洲湾职业技术学院 自动化工程系， 福建 莆田 351254)



一种家庭智能门禁语音报警控制设计与实现

杨敏英, 陈辉煌, 杨阿弟, 佘明辉

(湄洲湾职业技术学院 自动化工程系， 福建 莆田 351254)

摘要：采用室内智能综合安防门禁语音报警控制系统进行设计。本系统主要由中央处理器、液晶显示电路、热释电红外传感器人体感应模块、“虚拟门禁”电路以及语音报警模块组成。针对现有语音报警系统的某些缺陷，设计了一套适合普通家庭使用的语音报警电路。采用具有Flash 的STC89C52单片机为系统控制核心，具有密码输入识别、密码修改、门禁控制、智能报警等功能的家庭安防控制系统，具有实时性和可靠性。

关键词：智能门禁；单片机；语音报警；安防控制

随着人们生活水平的提高，对门禁系统要求越来越高，越来越数字化。门禁控制系统在于利用电子技术为家庭和单位防盗报警系统提供更高的安全性和可靠性要求[1-4]。现代家庭的防盗方式主要以安装防盗门、防盗锁为主，本设计给出了一种既能防止三次试探密码的密码锁设计，又能对试探密码的行为进行防盗报警，这类设备是以增加盗贼入室的难度来达到防盗目的的[5-7]。在提供智能门禁系统的基础上，增设了语音报警电路模块，该设计制作成本低，安装方便，对门窗几乎没有破坏性，防盗可靠性好，播放的语音清晰，广泛使用于家庭。

1系统模型

家庭门禁语音报警系统框图如图1所示，门禁控制系统主要由中央处理器STC89C52、LCD12864液晶显示电路、矩阵键盘模块、热释电红外传感器人体感应模块、继电器“虚拟门禁”电路以及ISD1820语音报警模块组成。各个电路模块通过接收单片机发出的指令，以及用户设置的信息，实现本课题要求的功能，为用户提供可靠的服务。系统包括硬件和软件两部分。

图1　系统方框图

2系统硬件设计

系统硬件部分主要由信号采集电路、语音报警模块、“虚拟门禁”模块、键盘显示模块四个部分组成。控制部分选用STC89C52单片机作为主控制器。内置5V电源模块，可以当作储蓄电池提供临时的供电，对用户的密码具有储存记忆功能。具有修改密码功能，即通过键盘修改密码；具有锁定功能，即当输入三次密码错误时系统处于锁定状态。本系统还可以设置一串备用密码，供主人忘记密码的时候使用。

2.1中央处理器控制系统模块

本系统采用STC89C52单片机作为中央控制器，通过编程实现对硬件电路的控制，实现系统要求的门禁语音报警控制系统。图2所示是中央处理器控制系统图。

图2　中央处理器控制系统图

时钟电路由常用的两个30pF电容、一个12MHZ晶振构成。复位电路中，由于按键按下和松开时，开关的机械触点会产生抖动，一般抖动时间是5～10ms左右，为了消除外界电平干扰产生误操作，一般是在硬件中加消抖电路或软件延时消抖。在本系统中，是采用硬件消抖的方法。在复位电路中，加入的电容和电阻的值由公式 RC=(5～10)ms决定。设电阻R=10KΩ，则 C=(5～10)ms/10KΩ =(5～10)uF。所以选用C=10uF的电解电容和10KΩ的电阻。

2.24*4矩阵键盘模块

本系统中利用4*4矩阵中断扫描，用户可以通过矩阵键盘来设置参数。如图3所示。

图3　矩阵键盘电路模块

由于按键是机械触点，在按下的按键释放瞬间，按键的机械触点会产生抖动。按键抖动波形如图4所示。这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对计算机来说，则是完全可以感应到的，因为计算机处理的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级，对计算机而言，这已是一个“漫长”的时间了。

图4　按键抖动波图

为了确保键盘的可靠性，必须要考虑怎样消除抖动的问题。常用的消抖动的方式有两种：硬件方法和软件方法。在本系统对矩阵键盘的控制中，使用软件消抖的方法，即通过软件延时，消除按键抖动。

2.3LCD显示模块电路

本系统采用带中文字库的128*64 LCD液晶显示屏，其显示分辨率为128*64。从图5所示的显示电路接线图可知，在本系统中，12864液晶显示屏经过上拉电阻连接在单片机的P0口，然后由单片机STC89C52载入程序来显示相应的文字信息。为了线路的简明，本系统显示模块只用到一块LCD(128*64)的液晶显示器，这样既减少了设计的时间，又不会使电路变得复杂。

LCD(128*64)液晶显示器具体接线图如图5所示。

图5　LCD(128*64)液晶显示器具体接线图

2.4信号采集与处理模块

信号采集与处理电路的硬件电路如图6所示。该模块主要由热释电红外传感器RE200B对信号进行采集和专用处理芯片BISS0001对信号处理两大部分组成。其中，热释电红外传感器(PIR)RE200B对人体信号进行检测，红外传感信号专用处理芯片BISS0001对所采集信号进行初步处理。RE200B的D、G、S端分别为图6中所示的3端、1端、2端，它们分别为电源端、地端和目标输出电压端。输出信号VO接单片机，供其读取。为了方便电路调试，本设计直接购买热释电红外传感器模块并用到系统中，采用热释电传感器的优势是成本低，不需要用红外线或电磁波等发射源，隐蔽性好，可流动安装，灵敏度高、控制范围大。实际使用中，热释电传感器前面必须安装菲涅尔透镜，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。热释电传感器的外接分接口共分为3个端口，一个端口接+5V电源，一个接地，中间的端口为信号输入端口，将Vo口接到单片机的P2.7端口。将热释电传感器的输出电平Vo传送给单片机，具体的外接电路图如图6所示。

图6　信号采集与处理电路图

2.5语音报警电路模块

本系统的语音报警子系统主要由热释电红外传感器和语音报警电路组成。STC89C52单片机作为主控制器，语音芯片ISD1820作为报警执行装置。系统工作时，热释电红外传感器对警戒区的红外信号不断地进行采集，当在警戒范围内出现人体时，信号处理电路向单片机输出高电平。单片机将对信号进行处理并且启动报警。在语音报警的设置方面，可以根据具体需要，个性化地通过键盘预先设置不同的模式，即在家模式和防盗模式。当主人设置了在家模式的时候，语音报警系统处于休眠状态；当主人设置防盗模式时，语音报警子系统启动，热释电传感器处于监控状态，语音报警电路处于待命状态。另外，为了防止试探密码的行为，在系统检测到有人试图试探密码的时候，语音报警电路启动报警。

ISD1820是一种8～20秒单段语音录放芯片。它的基本结构与ISD1110、ISD1420完全相同，采用CMOS技术，内含振荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、扬声器驱动及FLASH阵列。ISD1820标准电路原理图如图7所示。

图7　ISD1820标准电路原理图

为了放大报警的声音，本设计采用功率放大电路。这里可以选用LM386、D2283、D2822、TA7368、MC34119等功率放大器。在这里，选择LM386功放芯片。信号由SP+或SP-通过电容耦合输入，SP+或 SP-不用的一端必须悬空，不能接地。使用LM386作为功率放大器的连线图如图8所示。

图8　LM386功率放大器连线图

图9　语音报警电路模块设计总电路图

在本系统中，采用单端输入的连线方式将功放电路接入电路中。为了本系统的硬件能够实现设计的要求，采用先录好一段警报的声音，在芯片录好音测试无误后，将芯片的REC端长期接低电平的设计方法，取消REC端可以防止意外抹音。另外，由于PLAYL放音键只能播放一次报警音，而PLAYE端可以用于循环放音，取消PLAYL键，与此同时，在设计硬件的时候，留出一个端口，让PLAYE端和单片机的I/O口相连，这样，只要单片机给PLAYE端一个高电平，报警电路就能自动报警了。具体的语音报警电路模块设计总电路图如图9所示。

2.6“虚拟门禁”电路

“虚拟门禁”电路的设计是用于验证本系统的门禁系统是否可以准确无误运行的关键部分。本设计采用继电器来代替真实的门禁系统。并把设计好的“门禁系统”与单片机的P3.6口相连接。当单片机的P3.6口给继电器一个高电平的时候，继电器动作，相应的LED指示灯亮，这样，通过对单片机的编程，就可以实现对“虚拟门禁”的控制。具体的设计方案如图10所示。

图10　“虚拟门禁”设计电路图

3软件设计

图11　主程序流程图

通过读回EEPROM来判断是否设置好密码，如果已经设置好密码就进入输入密码界面，如果判断出没有设置密码，则进入密码设置界面。设置完后在进入设置密码界面设置密保，密保设置完后就设置好的密码和密保存入EEPROM。返回输入密码界面。通过解析矩阵键盘的键值来判断密码是否输入正确。如果正确就进入系统功能的选择，如不正确则记录错误的次数，超出3次错误后报警。在系统功能界面时通过按键的键值来选择相应的功能。如判断KEY=11则开启门禁功能，如判断KEY=12则开启防盗模式。在通过按键键值开启在家模式(关闭门禁)和防盗模式(开启热释电人体传感器，检测到信号后语音报警)

从软件的功能来看可分为两大类：一是执行机构的编程设计，由它来完成各种实质性功能；二是监控程序的软件设计，它用来协调各执行机构与操作命令的关系。系统程序设计主要流程图11所示。

4结论

本系统采用模块化设计，系统考虑到门禁控制系统成本及体积因素，在设计电子密码门禁、语音报警控制系统时，以STC89C52单片机为核心，以12864液晶显示电路、矩阵键盘电路、语音报警电路等构成外围电路，电子门禁控制部分具有密码识别、密码修改功能，即通过矩阵键盘可以修改密码；具有锁定功能，即当输入三次密码错误时，系统会自动形成锁定状态，并发出语音报警。在语音报警控制部分，采用了ISD1820芯片制作而成。本系统的优点是以单片机为控制核心，采用C语言编程来实现密码锁的功能，该系统操作简单，方便实用，工作稳定，可靠性好。对于普通家庭很实用，具有较高的推广价值。

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责任编辑：程艳艳

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

中图分类号：TP277

文献标志码：A

文章编号：1009-3907(2016)04-0004-06

作者简介：杨敏英(1970-)，女，福建莆田人，高级实验师，主要从事电子学与通信工程方面的研究;佘明辉(1965- ),男，福建莆田人，教授，主要从事随机多址、网络通信工程方面的研究。

基金项目：福建省教育厅自然科学基金资助项目(JA12456)

收稿日期：2015-10-28