智能家居门禁系统的研制41.docx
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智能家居门禁系统的研制41.docx
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智能家居门禁系统的研制41
项目研究报告
《智能家居门禁系统的研制》
项目研究报告
项目批准号XZ0701
项目名称智能家居门禁系统的研制
项目负责人李辉
所在单位XX经济学院
一、研究的主要意义和目的………………………………………………3
二、研究的主要内容、方法及过程………………………………………3
第一节研究主要内容…………………………………………………3
第二节研究方法………………………………………………………3
第三节研究过程………………………………………………………3
三、主要研究的成果介绍…………………………………………………4
第一节智能门禁系统概述………………………………………………4
第二节语音提示模块设计………………………………………………4
第三节智能拨号报警……………………………………………………12
第四节自动照明模块设计………………………………………………21
第五节电子门锁模块设计………………………………………………26
第六节设置无人状态模块设计…………………………………………30
第七节单片机汇编程序设计……………………………………………31
四、学术价值的的自我评价………………………………………………39
五、成果的社会影响…………………………………………………………39
第一节课题研究取得的主要业绩………………………………………39
第二节课题研究的应用前景和社会影响………………………………39
六、研究XX存在的问题…………………………………………………41
参考文献……………………………………………………………………………41
项目编号:
XZ0701
《智能家居门禁系统的研制》
项目研究报告
项目组负责人:
李辉
主要成员:
X立亚
摘要:
为了给人们提供一个安全,舒适和谐的家居环境,本文采用单片机AT89C51、语音芯片ISD2560等,构成一个具有语音留言、警告、笛声报警、智能电子门锁、人体红外线感应自动照明灯等功能的家居系统,用户可根据家庭的实际需要方便地进行扩展,此系统的设计体现了人性化,个性化和趣味化三大特点,使用方便,快捷,稳定,安全。
关键词:
单片机;语音芯片;门禁系统
一、研究的主要意义和目的
众所周知,高科技带给我们生活的不断改善,更为我们提升需求层次,尽快达到马斯洛人类需求理论的第四层次,体验尊贵的价值提供了保障。
如何把高科技尽快转化为产品,是世界各国技术人才追求的目标。
随着社会的发展进步,家居门禁的研制也已成规模。
门禁系统又称出入口控制系统,是一种高度智能化既可实时控制又可脱机使用的通道监管、报警安全系统。
它是安全防X系统中非常重要的组成部分。
在家庭防盗和智能控制中起到非常重要的作用,受到现代家庭的亲睐。
如何使家居的门禁系统设计变的人性化、个性化、趣味化、实现智能性已经成为家居门禁设计的一个值得研究拓展和有市场价值的方向,本文就是基于这样的思想,以AT89C51单片机为核心结合一些传感器、其它智能芯片,以模块化、积木式的原则设计了一种家居门禁系统,其功能性,实用性,价值性都得到相当完善的理论研究。
二、研究的主要内容、方法及过程
第一节研究主要内容
单片机是一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
它具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,而且价值不断被扩大,广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
我们结合目前所学知识和市场上应用最普遍的AT89C51单片机,集合其他的接口芯片和辅助设备,组成了一个智能智能家居门禁系统。
目前,我们已经对该系统进行了理论上的可行性分析和一些实验验证,得到了有关老师和专家的指导,并且于2008年四月份在《科学技术与工程》杂志社发表有关成果论文一篇。
该门禁系统有五大功能模块组成:
语音提示设计模块、计智能拨号报警设计模块、自动照明设计模块、电子门锁设计模块、设置无人状态设计模块。
构成了一个性能上良好,功能上齐全的家居门禁。
第二节研究方法
我们采用理论、实验相结合方法,对智能门禁系统各个模块进行了认真的研究。
第三节研究过程
1、实验准备阶段(2007年4月—2007年4月)——总结经验,调整方向。
我们结合自己的基本情况以及老师的建议,通过对该项目的内容和原理进行了系统的分析,初步形成了项目研究方案和明确的努力方向。
2、初步实验阶段(2007年5月—2007年7月)——重点学习,努力提高
完成课题实验的各项准备后,我们对处于核心地位的单片机的有关知识进行了系统学习,努力提高自己的综合能力,为项目的开展和研究做充分的准备。
在此期间我们了解了单片机的硬件结构如定时器/计数器、中断系统、存储器、并行和串行I/O口等,然后是指令和软件编程,对于单片机的一些简单控制和编程有了一定的掌握。
对于实验所用到的各中芯片资料进行大量收集,提取我们所需要的技术性资料。
3、全面研究阶段(2007年8月—2007年10月)——理论实验,全面推进
具备一定的研究基本条件,我们进行了有关元器件的购买,进入实验和理论结合的阶段。
完成了单片机的焊接和测试,并利用其进行语音控制的实验等。
4、项目总结阶段(2007年10月—2008年3月)——提炼精华,成果展示
根据项目研究方案和结题要求,本项目组认真开展了结题工作,对实验过程和主要内容进行了总结提炼,对该智能门禁系统进行深度的理论分析,以便形成有价值的研究成果。
我们把一些模块的实验验证和理论分析的结果进行了汇总,然后进行了论文的撰写。
于2008年年初在《科学技术与工程》杂志社发表有关成果论文一篇。
三、主要研究的成果介绍
第一节智能门禁系统概述
智能家居门禁系统把自动照明、语音提示录音、设置无人状态、智能电子门锁和智能语音拨号报警系统通过AT89C51单片机连接在一起,构成一个智能化、智能的家庭实用型门禁系统。
其系统框图见图1.1。
以单片机AT89C51为核心,把语音芯片ISD2560接口所构成的外设电路以及其他智能设备电路与单片机的数据存储器(RAM)和程序存储器(EPROM)统一编制址的方式把两片器件挂入数据地址总线中,构成了一个智能家居门禁系统。
图1.2给出的是智能门禁系统模块原理。
第二节语音提示模块设计
2.1简述
过去,数码语音的开发设计不但结构设计复杂、编程录制麻烦、开发生产成本高,而且音质欠佳,难以实用。
现在,一切都发生了彻底的改变:
单芯片设计、任意语言音乐随录随放、断电语音不丢失、音质接近磁带效果、控制功能强大、价格低廉……等等,这一切就是ISD数码语音电路给我们带来的变革。
在多媒体技术广泛应用、市场竞争日益激烈的今天,几乎所有的产品都更注重人机界面的友好性、易用性和安全性,人性化的语音提示是最自然、最廉价、最有效的手段,它可以为您设计的产品升级换代,让您的新产品“开口说话”,使它更具说服力、竞争力。
ISD系列语音电路是美国ISD(InformationStorageDevice)公司的专利新产品,它打破了传统的先A/D再D/A的模式,而采用独特的直接存储模拟信号技术,从而大大提高了存储密度,且使模拟信号得到永久保存。
ISD系列电路以其音质自然、使用方便、单片存储、反复录放、低功耗、抗断电等众多优点立即在语音应用领域确立了其不可争辩的霸主地位,它在通讯设备、智能仪表、治安报警、语音报站、报数报价、语音讲解、语音记录、语音复读、教学仪器、智能玩具、电子礼品等场合获得了广泛的应用。
2.2电路特点与性能
ISD语音电路主要有1200、1400、2500、3300、4000五大系列产品,它们的主要存贮时间及性能如下表2.1所示:
表2.1ISD语音电路主要存贮时间及性能
器件型号
存储时间
采样频率
最大段数
控制方式
电压
ISD1210
10秒
6.4
80
地址并行
5V
ISD1420
20秒
6.4
160
地址并行
5V
ISD2560/90/120
60/90/120秒
8.0/5.3/4.0
600/600/600
地址并行
5V
ISD33060/120/240
60/120/240秒
8.0/8.0/4.0
400/800/800
SPI串行
3V
ISD4002-2/3/4
2/3/4分钟
8.0/5.3/4.0
600
SPI串行
3V
ISD4003-4/6/8
4/6/8分钟
8.0/5.3/4.0
1200
SPI串行
3V
ISD4004-8/12/16
8/12/16分钟
8.0/5.3/4.0
2400
SPI串行
3V
表2.2DIP各引线端功能
(1)DIP封装图及各引线端功能
引线端
名称
功能
1~7
AO/MO~A6/M6
地址
8~10
A7~A9
地址
11
AUXIN
辅助输入
12、13
VSSD、VSSA
数字和模拟地
14、15
SP+、SP-
扬声器输出
16、28
VCCA、VCCD
模拟、数字信号电源正极
17、18
MIC、MICREF
麦克风输入与输入参考端
19
AGC
自动增益控制
20、21
ANAIN、OUT
模拟信号输入和输出
22
溢出
23
片选(低电平允许芯片工作)
24
PD
芯片低功耗状态控制
25
录放音结束信号输出
26
XCLK
外部时钟
27
P/
录/放控制选择
如图2.1及表2.2所示。
图2.1DIP封装图
下图2.2为ISD系列芯片的内部基本结构框图,由图可知,在这种CMOS器件内部,MIC前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、平滑滤波器、扬声器、放大器和振荡器、模拟量存储器等全部集成在该单片内,只要外接MIC、扬声器和几个电阻、电容、开关,再加上电源(电池),这就构成了一个完整的语音录/放系统。
而与此有明显不同的是,前述的T6668等系列语音芯片则需外接扬声器、放大器、石英晶振、动态存储器等电路。
图2.2ISD2500系列结构图
图2.2中,管脚MIC(17脚)为麦克风输入端。
MICREF(18脚)为麦克风参考输入端。
ANAOUT(21脚)为模拟输出端,ANAIN(20脚)为模拟输入端。
AGC(19脚)为自动增益控制输入端,SP+、SP-(14、15脚)为扬声器输出端,可接8—16Ω的扬声器。
PD(24脚)为低功耗输入端。
CE(23脚)为片选输入端,低电平有效。
P/R(27脚)为录/放音选端,接高电平时芯片放音,低电平时芯片录音。
XCLK(26脚)为外部时钟输入端。
EOM(25脚)为信息录/放结束输出端,放音结束时自动输出一个负脉冲。
OVF(22脚)为溢出输出端,本管脚可被用来进行器件的串联,以加长录/放音的时限。
AUXIN(11脚)为辅助输入端。
Vcca、Vccd(16、18脚)为电源输入端。
Vssa、Vssd(12、13脚)为地输入端。
A0至A9为地址输入端。
ISD录/放技术与80年代的T6668等语音芯片最大差别在于ISD芯片内不存在A/D和D/A转换器。
其工作原理是采用直接模拟存储技术,把模拟量成功的存入半导体存储器中。
即在对输入的音频模拟量每作一次取样时,电压数据被暂存在芯片内的取样保持电路中并最后被存储在片内的EEPROM存储单元中。
该EEPROM存储单元构成模拟量存储阵列(如图1所示)。
在将模拟量信息写入模拟存储单元EEPROM时,ISD线路采用闭环方式。
取样保持电路将保持的取样电压值提供给比较器的一个输入端,而模拟量存储单元则将其电压输入至比较器的另一端。
在多次写入中,电子被“泵入”存储单元,并使存储电平反馈到比较器,当模拟存储单元的输出电压等于取样保持电平时,则停止写入。
(2)操作模式
表2.3
当最高位地址(MSB)A8、A9都为高电平时,地址端就作为操作模式选择端(高电平有效)如下表2.3所示。
模式控制
功能
典型应用
A0/M0
信息检索
快速检索信息
A1/M1
删除EOM标志
在全部语音录放结束时,给出EOM标志
A2/M2
未用
当工作模式操作时,
此端应接低电平
A3/M3
循环放音
从0地址开始连续重复放音
A4/M4
连续寻址
可录放连续的多段信息
A5/M5
CE电平触发
允许信号中止
A6/M6
按钮控制
简化器件接口
使用操作模式时需要注意两点:
1、所有操作模式下的操作都是从0地址开始,以后的操作根据模式的不同,而从相应的地址开始工作。
当电路中录音转放音或进入省电状态时,地址计数器复位为0。
2、操作模式位不加锁定,可以在MSB(A8、A9)地址位为高电平时,CE电平变低的任何时间执行操作模式操作。
如果下一片选周期MSB(A8、A9)地址位中有一个(或两个)变为低电平,则执行信息地址,即从该地址录音或放音,原来设定的操作模式状态丢失。
3)分段录放音
2500系列最多可分为600段,只要在分段录/放音操作前(不少于300纳秒),给地址A0~A9赋值,录音及放音功能均从设定的起始地址开始,录音结束由停止键操作决定,芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志(EOM);而放音时芯片遇到EOM标志即自动停止放音。
2500系列地址空间是这样分配的:
地址0~599作为分段用((见下表2.4)),地址600~767未使用,地址768~1023为工作模式选择。
表2.42500系列地址空间分配
十进制
二进制
信息时间(秒)
A9
A8
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
2560
2575
2590
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
50
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
5.0
6.25
7.50
100
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
10.0
12.5
15.0
250
0
0
1
1
1
1
1
0
1
0
25.0
31.25
37.5
300
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
30.0
37.5
45.0
400
0
1
1
0
0
1
0
0
0
0
40.0
50.0
60.0
500
0
1
1
1
1
1
0
1
0
0
50.0
62.5
75.0
599
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
59.9
74.87
89.85
2.3电路的应用开发
ISD系列单片语音录放电路中,目前使用最广泛的是ISD1420、ISD2560/90/120、ISD4002/4003/4004三大类芯片,大多数的应用系统或OEM都是由它们构成的,这里对ISD2500常用电路的应用开发进行说明。
ISD2500系列芯片按录放时间60秒、75秒、90秒和120秒分成ISD2560、2575、2590和25120四个品种。
ISD2500系列和1400系列语音电路一样,具有抗断电、音质好,使用方便,无需专用的语音开发系统等相同优点。
它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K(1400系列为128K),所以录放时间长;有10个地址输入端(1400系列仅为8个),寻址能力可达1024位;最多能分600段;设有OVF(溢出)端,便于多个器件级联。
1、典型应用电路:
图2.3典型应用电路
图2.4按键模式应用电路
3、和微处理器配合使用电路
图2.5和微处理器配合使用电路
ISD2560/90/120P地址功能表如下表2.5所示。
地址状态
功能状态
DIP开关
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
(ON=0,OFF=1)
地址位
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
P/R
CE
(1为高电平,0为低电平,*为高或低电平)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
一段式最长60秒录放音,从首地址开始。
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
以十位二进制表示地址,每个地址代表100毫秒。
地址模式
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
一段从A6地址开始的12秒录放音。
*
*
*
*
*
*
*
*
*
0
只要A8、A9有一位是0,就处于地址模式。
*
*
*
*
*
*
*
*
0
*
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
循环放音操作,按住CE键不放循环放音第一段。
操作模式
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
按顺序连续分段录放音,录音时压住CE键不放,放音时每触发一次CE键即放音一段,按PD键复位。
每段语音长度不限。
按钮模式
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
表2.5ISD2560/90/120P地址功能表
以上给出的只是ISD的基本电路,因ISD的功能较强,如果需要应用ISD的更多功能,可在此基础上加以改进。
例如,在对单独ISD芯片使用时,还可选择ISD所特有的工作模式来实现信息提示、循环或连续放音控制、按键模式等多项功能。
总之,ISD系列芯片是功能强,很有实用价值的语音芯片。
由该芯片组成的语音电路系统保真、可靠、简易。
适合在智能测控系统中应用推广。
2.4本系统中的应用
在对ISD的开发应用中,可分两类电路。
一类是只单独应用ISD芯片进行语音录/放。
另一类是ISD与微机相接合电路,用微机控制ISD进行录/放。
我们现提出三种单独应用ISD的基本电路。
当然,根据需要也可以在该三种电路的基础上设计出更完美的电路。
(1)单放电路
该电路仅有放音功能。
电路很简单,只要将图2.2中的A0至A9及PD、CE等相连一起接地,再在SP+、SP-接扬声器,即可进行放音,当电源接通时,即放音。
当电源关断时,即停止放音,使用者可根据需要,预先将该芯片放入图2.6所示的电路中进行录音储存,然后取出,再进行单放。
图2.6最简单的录/放电路
(2)录/放电路
图2.6为最基本的录/放电路,在这种电路中,只是执行录音和放音功能,没有地址的分段应用。
芯片工作时,CE信号开始为高电平,在录音时,将P/R-脚通过开关S时接高电平,将CE开关瞬时接地再放开,则已录制的内容将回放。
(3)分段录/放电路可将ISD划分为几段,录进不同的内容,然后根据需要播放某段内容。
图2.7分段录/放电路
图2.7即为分段录/放电路,该电路的功能是用一片录/放时间为20S的ISD1020A芯片存储4段(每段5S长)的语音信息。
每一段用一个按钮控制。
用该芯片的8位地址线确定每段录/放的起始位置。
该芯片共有160个有效地址(即:
A0—A7的有效分段X围为00000000—10011111)。
由于该芯片录放时间为20S,每个地址语音分辨率为0.125S。
这就是说,每8个地址计数等于1S的录/放时间。
由于8个计数等于1S,8又是二进制的偶次倍率,小于8的数可忽略不计,这样就可把A0、A1和A2都接地,用剩余的A3—A7来编程。
用按钮和二极管,我们可以在第1S和第19S之间选择任一间隔启动语音录/放。
在图3电路中,4个启动信息的位置是第0S(存储列阵的起点)、5S、10S和15S,每个信息长度为5S。
表2给出了上述时间间隔的二进制起始地址。
例如当按下第二段的按钮时,该段语音信息的起始地址为00101000。
显然,可以用改变二极管的连线来选择不同的地址。
二、ISD与微机接口电路当今,以语音芯片为核心的语音系统正为计算机所采用,逐渐形成计算机的一个功能接口系统,如同计算机的常用外围设备如键盘、打印机等一样,正成为计算机的一个重要外围设备,实现真正的“人—机”语音对话。
特别是以微电脑为核心的智能测控仪表,如配接上ISD等语音系统,可实现测控参数的“视—听”效果一体化,即仪器可视、听并用,效果十分美妙。
下面我们提出ISD1020A与单片微机8031的连接电路。
单片微机与ISD芯片的电路连接十分简单而且调试方便。
其优点是:
(1)可很方便的用单片机的I/O口线对ISD地址线编程分段,省略了如图3所示的机械开关S1—S4和众多的分段二极管。
(2)可很方便地用软件实现一次、多次、循环和定时放音,代替了人工对ISD工作模式的选择。
(3)ISD的分段编码电平及控制信号与微机总线的TTL电平完全兼容,而且两者均使用同一电源。
将ISD1020A的A0—A2接地,A3—A7和CE端分别与8031的I/O接口P1.0-P1.5相接。
于是,ISD1020A被分为20个语音段,每段时间长度为1S。
由单片机控制ISD的录/放,可用同一个录放子程序实现,将录/放开关S拨至相应位置,然后运行录/放子程序,就可将分段或全程段随意录/放。
我们正是采用ISD2560芯片,通过程序将ISD2560分成5段每段8秒,分别录入三段代表不同状态的话。
正常工作时,单片机根据各个传感器和内部定时的状态,操作ISD2560调出不同的声音段播放。
其它语音地址留给来访者按键录音,单片机采用自动加一方式,最多可有2段留言。
当没有按下“无人”时,单片机根据红外传感器判断是否有人。
自动调用不同的语音、提示、警告或致欢迎辞。
原理图见图2.8。
图2.8录/放原理图
第三节智能拨号报警
3.1简述
随着人们生活水平的提高和安防意识的增强,急需开发面向大众、价格低廉、运行可靠的自动报警系统。
鉴于住宅和移动通信设备的普及,以及语音报警的快捷、有效及价格低廉等优点,公共通信网成了报警系统的最佳传输媒介。
本文介绍的报警系统就是在此基础上发展起来的一种智能语音拨号报警系统,该系统可广泛用于各种对安防要求较高的场合,如智能楼宇、商场、银行和工厂等。
自动报警的主要功能为:
用户根据需要把自己的手机、办公室或报警监控中心的预存入报警主机。
报警主机不断地对所监控的设备(门禁、烟雾探测器、窗磁、摄像头等)状况进行巡检,当有不安全情况(如火灾、非法入室、视频丢失等)发生时,报警主机拨通预先存入的,播放相应的警情语音。
若占线或者无人接听,可拨下一个预存的,如果所有预存的都占线或者无人接听,则会自动把所有的预存重拨一遍,保证了报警的有效性和可靠性。
3.2系统组成和工作原理
系统组成框图如图3.l所示。
采用AT89C51单片机作为控制核心,外接E2PROM用于存储、设置参数(定时布/撤防、联动、视频等)以及警情信息等。
当AT89C51单片机实时巡检到新的警情信号(防区故障、视频丢失、主电断电或上位机死机)时,报警主机就会自动进行警情处理(声光报警、启动相应联动、记录警情以及拨号报警等)。
拨号报警的工作原理如下:
系统自动地控制摘/挂机电路模拟摘机,同时AT89C51单片机通过可编程并行接口8255将MT8880置为呼叫模式,检测是否有拨号音。
若有拨号音,则将MT8880设为突发方式,并按用户预设的自动拨号。
拨完以后立即检测对方是否摘机,一旦检测到对方摘机,
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