【摘要】在现代检测和控制领域，单片机的应用非常重要和普遍，而且智能化、数字化检测是当前测量技术的发展趋势。本文以AT89S52单片机为主控芯片，ISD4004为语音录放控制芯片，RE200为人体热释红外传感器，BISS0001为热释电红外处理芯片，设计了一种具有自动报警功能的语音报警器。结果表明，该报警器能有效检测5米范围内的非法入侵信号，播放语音警告，并具有现场录音、自动记录报警时间及查询等功能。
【关键词】单片机；语音报警；红外传感
1.前言
传统的机械式防盗主要以安装防盗门、防盗锁、防盗网、防盗窗为主，这类设备是以增加盗贼入室难度来达到防盗的目的，常常会带来诸多问题，比如影响楼房美观、堵塞防火通道以及存在高空坠物的潜在危险等。这种单纯的机械装置在较长时间无人在场的情况下，防盗效果往往不尽人意[1]。
近年来，微处理器、单片机等大规模集成电路的成本和价格不断降低，功能和集成度不断提高，使得许多以单片机、微处理器或微型计算机为核心的现代检测仪器实现了数字化和智能化[2]。针对传统机械式防盗系统的诸多缺陷，本文设计了一种基于单片机的语音报警器，该报警器结构简单、成本低廉、功耗小、防盗效果好、安装方便，不仅能实时监测不法分子非法入侵，给出语音警告，还能进行现场录音，记录入侵时间，起到积极防御的效果。
2.工作原理
该语音报警器融合了电子探测、信号处理和单片机控制技术，系统由六大部分构成，包括AT89S52单片机最小系统、热释电红外传感模块、语音报警模塊、七段数码管显示模块、矩阵键盘和电源模块等，图1所示为系统结构框图。
当主人外出时，将电源开关合上，系统进入防盗状态，热释电红外传感器不断进行数据采集，当警戒范围出现人体时，信号处理电路就会产生一个高电平报警信号，通过三极管电路将该报警信号转换成低电平，向AT89S52单片机的中断0触发报警中断，单片机对信号处理后控制语音芯片播放语音报警，使不法分子产生恐惧心理，同时进行现场录音，并把报警时间记录显示在七段数码管上，通过键盘按键可以查询相关报警信息。
3.硬件设计
3.1 单片机最小系统
主控模块选择由AT89S52单片机[3]组成的最小系统，AT89S52单片机用的是51内核，内含8K bytes可反复擦写的程序存储器EPROM和五个中断源，兼容性好，可以很方便地用C51编程和调试，而且价格便宜，性能符合系统要求；振荡器的晶振频率选用11.0592MHz，负载电容选用两片30pF的瓷片电容；复位选用上电复位电路，通过电容的充放电实现。
3.2 热释电红外传感模块
热释电红外传感模块由热释电红外传感器RE200B、菲涅尔透镜、热释电红外处理芯片BISS0001和部分外围电路组成。
3.2.1 热释红外传感器和菲涅尔透镜
利用热释电效应，热释电红外传感器RE200B能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。菲涅尔透镜采用电镀模具工艺和聚乙烯材料压制而成的，表面布满微小的条纹，在它旋涡状条纹中包含许多凸透镜，使穿过它的光线弯曲产生衍射，从而形成放大的影像。菲涅尔透镜安装在热释电红外传感器前面，其作用是将控制空间的红外线聚焦到传感器上，同时产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电红外传感器要求信号不断变化的特性，提高接收灵敏度，增加检测距离及范围[4]。
3.2.2 热释电红外处理芯片
热释电红外处理芯片BISS0001是采用CMOS数模混合的专用集成电路，具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰，内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，工作电压范围是3～5V[5]。热释电红外处理芯片BISS0001对热释电红外传感器RE200B所采集的信号进行处理，RE200B的D、S、G端分别为电源端、目标输出电压端和地端，BISS0001的输出端V0接单片机。由于单片机最小系统需要的报警信号是低电平，而热释电红外传感模块输出的是高电平，所以要通过一个三极管电路来转换得到。
3.3 语音报警模块
语音报警模块由ISD4004录放语音芯片、LM386音频功率放大器和部分外围电路组成。
ISD4004是一种采用ChipCorder专利技术的语音芯片[6]。该芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，无须A/D转换和压缩，因而没有A/D转换误差，能够非常真实、自然、清晰地再现语音。ISD4004片内集成了晶体振荡器、麦克前置放大器、自动增益控制等，只要很少的外围器件，就可以构成一个完整的声音录放系统。
ISD4004的外围电路主要是录音、放音电路，在放音电路中，输出端选用低电压通用集成功率放大器LM386的典型应用电路作为扬声器LS1的驱动电路，并通过变阻器R29来调节低压功放，控制音量大小。ISD4004的工作电压是3V，设计采用LM317可调三端稳压集成块为ISD4004语音芯片提供3V电源。
3.4 显示模块
显示模块选用六位共阴极的七段数码管，为节省I/O口，数码管显示采用动态显示方式。
3.5 矩阵键盘
本设计按键较多，为节省I/O口，利用单片机P1口实现3*3的行列式矩阵键盘，由于P1口内部已经有上拉电阻，可以直接利用两个端口相连，再通过扫描判断端口的状态来实现按键功能。
3.6 电源模块
系统电源由交流电源经过整流、滤波和稳压组成；为保证系统可靠运行，还设计了备用电池组，即使在停电的时候，也能保证系统正常运行。
3.7 系统电路
通过上述总体设计方案和硬件选型，在Altium Designer Summer9 Build9.3.1.19182环境下设计出图2所示的系统电路图。
4.系统软件设计
系统主程序流程图如图3所示。系统初始化后，输入报警响应时间，然后检测判断是否报警，如果在报警响应时间内，检测到热释电红外传感模块输出的数字信号V0一直为低电平，单片机就控制语音报警模块播放语音报警内容，同时记录报警的时间，并进行现场录音，通过按键可以查询相关报警信息。
5.结果与分析
5.1 系统仿真
本设计采用Protues仿真软件对系统进行仿真，Protues软件是英国Labcenter ele-ctronics公司推出的EDA工具软件，它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具[7]。由于Protues软件元件库中没有BISS0001传感器和ISD4004语音芯片，故用手动开关模拟报警信号，用LED灯显示单片机向语音模块传输数据，图4所示为系统仿真图。
通过对该语音报警器进行仿真，不仅可以清晰地看到信号输入、输出、矩阵键盘、显示、电源等各个模块的功能，还可以看到系统的整体运行情况；通過仿真，也可以获得比较准确形象的检测效果。
5.2 实物制作
在制作实物前，首先根据图2所示的系统电路图，由Altium Designer软件生成PCB图，如图5所示。
根据PCB图，制作PCB板，购买元件，制作图6所示的系统实物图。系统调试完成后，能正确显示日期、时间和报警次数，也可以通过按键实现语音的录放，还可以通过传感模块感应报警信号实现语音报警。
6.结束语
本文设计了一种基于AT89S52单片机的具有自动报警功能的语音报警器，绘制了系统硬件原理图及软件流程图，使用C语言编程并在Proteus环境下进行了系统仿真，制作实物并进行了实验验证。结果表明，该报警器能有效检测5米范围内的非法入侵信号，语音播放清晰，并具有自动录放音、查询、录放音指示、报警指示等功能。本设计所用到的外部元件并不多，主要包括RE200B、BISS0001、ISD4004、LM317、LM386等几款通用的集成芯片，设计制作成本低，安装方便。
参考文献
[1]谢卫华，宋蛰存.家庭智能防火防盗系统[J].自动化仪表，2010，31（6）：70-72.
[2]唐露新，骆德汉，徐今强.传感与检测技术[M].北京：科学出版社，2011.
[3]周美娟.肖来胜.单片机技术及系统设计[M].北京：清华大学出版社，2007.
[4]裘有斌，张国忠，陈丰伟，等.基于ISD4004的家庭语音报警系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2008，（4）：47-50.
[5]http：///ot0001.htm.红外热释电处理芯片BISS0001.
[6]吴杰，张保平.ISD4004芯片在现场录放音系统中的应用[J].微处理机，2004（8）：60-62.
[7]刘娟.单片机C语言与PROTUES仿真技能实训[M].北京：中国电力出版社，2008.