矿用本安型通讯声光信号器系统设计

摘要煤矿安全事故是影响煤炭生产的主要问题。任何事物的发展都离不开科学技术，煤矿生产在征服各种自然灾害的过程中，更需要依靠科学技术。在长期的防治过程中，人们认识到，当事故发生时，立即报警，通知井下工作人员及时撤离和避灾，尤为重要。因此，针对矿下常见的安全事故，我们设计开发了该矿用本安型通讯声光信号器系统。该系统采用单片机微控制器及调制解调技术，采用单片微控制器及调制解调技术，仅需一条五芯信号电缆（不要急停功能只需四芯电缆），即能实现发出声、光信号、单工对讲、自动区分多水平、二级传送、红绿灯转换及信号闭锁等功能。可以对井下环境出现险情进行监控报警，还能对井下设备运转情况进行监控报警，使地面调度人员及时掌握井下情况，及时处理险情，为井下工作人员及时避灾和撤离争取了时间。能有效避免安全事故的发生以及减除事故发生时对煤矿本身和工作人员造成的灾难性影响。对煤矿的发展具有重要意义。关键词： 单片机；调制解调；单工对讲ABSTRACTCoal mine safety accidents are the main problems of coal production.Development of anything can not do without science and technology, coal production in the conquest of the process of natural disasters, but also need to rely on science and technology. In the long-term prevention and treatment process, it is recognized that, when the accident occurs, call the police, informed and timely evacuation of mine personnel and disaster prevention, especially important. Therefore, under the common safety for mine accidents, we designed and developed the mine with the intrinsically safe communication system of sound and light signaling devices. The system uses a single chip microcontroller and modem technology, the use of single-chip micro-controller and modem technology, only a five-pin signal cable (not just a four-core cable emergency stop function), which is issued to achieve the sound optical signal, simplex intercom, auto-division multiple levels, secondary transmission, conversion and signal blocking traffic lights and other functions. Dangerous situation on the underground environment can be monitored alarm, but also on the downhole equipment to monitor the functioning of the alarm, grasp the ground dispatchers downhole conditions, the timely processing of danger, in time for the mine workers for disaster prevention and evacuation time. Can effectively avoid the occurrence of accidents, and less coal mine when the accident itself and the devastating effects of the staff. The development of the mine is important. Keywords: microcontroller; modulation and demodulation; Single Intercom目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 本课题的研究现状及发展前景11.2 本课题研究背景及意义31.3 研究的主要内容及要求42总体方案设计72.1.总体设计思路72.2总体框图92.3主控模块93核心芯片AT89C2051及相关实现功能介绍113.1 AT89C2051单片机的结构113.2AT89C2051的管脚说明123.3 AT89C2051功能特性概述143.4振荡特性153.5AT89C2051单片机的时钟153.6 AT89C2051单片机的复位173.7芯片擦除184系统硬件设计204.1音频信号发送电路204.2音频信号放大电路234.3音频信号译码电路254.4音频信号接收单元294.5显示电路324.6复位及看门狗电路335系统电源模块设计375.1 稳压电源的性能指标375.2 线性稳压电源385.3线性直流稳压电路456 统软件模块设计516.1 软件实现的总框图516.2按键处理程序流程图526.3安全灯转换流程图536.4 中断服务程序流程图54参考文献55致谢56附录A 外文翻译57附录B 程序63附录C 主板电路图75附录D 电源板电路图76文档由本人精心搜集和整理，喜欢大家用得上，非常感谢你的浏览与下载。凡本厂职工应热爱电厂、热爱岗位、热爱本职工作，发扬“团结务实、争创一流，立足岗位，爱厂敬业，尽职尽责，不断提高工作质量和工作效率，圆满完成各项生产和工作任务，为华能的建设和发展作出贡献2019整理的各行业企管，经济，房产，策划，方案等工作范文，希望你用得上，不足之处请指正1 绪论1.1 本课题的研究现状及发展前景随着采煤技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患，每年由于瓦斯泄漏造成的特大事故依然很多。为了避免人为因素造成爆炸事故的发生，开发研究出了自动监控井下系统机械故障和瓦斯氧气浓度报警器。实现自动监控功能，该设备还具有强迫显示报警参数和动态显示节能功能，并能方便地观测井下情况，是一种新型的煤矿安全监控设备。煤矿安全检测仪器是随着煤炭工业发展而发展的，由于采矿工业一开始就伴随着与煤矿事故的斗争，因此很早就出现了煤矿安全检测的仪器。1815年，当时工业最发达的英国发明了第一项安全仪器安全灯：它是利用火焰的高度测量瓦斯的浓度，由于安全灯的构造简单，性能稳定，一百多年来一直被沿用下来，至今人在许多国家使用。据最早文献记载，1943年以前美国已制成VCC通讯声光信号器，后来日本经过改进制成最早的载体催化元件并利用这种原件制成北辰型瓦斯指示器。这应该就是矿用本安型通讯声光信号器的雏形。据文献介绍，美国安全仪器主要制造厂MSA公司研制了多参数检测系统并取得了成果。整个系统由计算机控制，可监测数百到数千个工作点的环境参数，井下有数字显示和报警装置，地面调度室有屏幕显示和记录。英国Sieger公司研制的CMC1型监控系统采用井上直接供电系统，保证切断井下电源后仪器仍能正常运作。波兰1988年以后主要发展的DRS4系统是一种新型的煤矿安全监控设备，可以是报警更准确，更及时，继而促进煤炭企业加大安全投入，有效遏制事故发生从而降低了整个行业的风险程度。相比较其他发达国家而言，我国对本安型通讯声光信号器的研究起步较晚。1961年由北京劳动保护研究所和抚顺煤矿安全仪器厂协作开展了研究工作。1964年研制出我国第一个达到实用水平的载体催化元件，接着制成了以这种原件喂传感器的AQR-1型瓦斯测量仪。在此以后，湖南、四川、上海、西安等地也相继开展了这类传感器的研究工作。1973年重庆煤矿安全仪器厂等五个单位协作研究，在前段工作的基础上改进配方和工艺，提高原件的稳定性，与1975年研制成长期连续监控瓦斯的AJY1型遥感报警仪，随后国内各个矿冶研究所相继研制出ABD1型断电报警仪，AQD1型采煤断电控制仪等。1974年3月到1975年1月，煤炭部曾组织大规模的技术攻关，大大推动了声光传感器的研究与发展。我国在1996年时，煤炭部组织进行了全国元件主要生产厂的元件性能检测，各单位送检的元件都是本单位测试合格的元件，但是由煤炭部规定的元件零点变化和灵敏度变化量的技术规范指标与英国Sieger公司SG11的元件进行比较后，反映出我国目前的元件生产仍然处于一般水品。此后国内一直在提高元件稳定性和进一步提高元件寿命方面深入研究。而近年，我国科研工作人员一直针对传感器元件长时间工作时存在零点漂移和灵命度变化，影响检测系统可靠性的现象，致力于改进和提高传感器的稳定性，并且取得了重大的跨越式进展。总体上看，国内外的智能报警系统都在不断进行着跟新。而由安全问题引起爆炸的事故一直居高不下，以至于煤矿对监控系统的需求也越来越大，据中国煤炭报统计，全国共有大小煤矿60000多个，从业矿工800多万。根据煤矿三班作业的实际情况，目前至少需要300万个报警器，可见其市场之广阔。但由于某些技术上的不足，导致一些关键问题没有能够解决。由于安全事故的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对安全事故的检测和报警是一项必要的工作。由于传感器是获取信息的工具，是信息技术的三大支柱之一，位于信息系统的最前端，其特性的好坏，输出信息的可靠性对整个系统稳定运行至关重要，因此我国一直把发展智能化传感器作为研究课题，通入大量人力物力精心研究，相继取得了许多重大成果。当前国内批量生产的报警仪有十几种，然而现场并不能满足目前原件已达到的性能指标，迫切需要提供更好的性能更稳定的声光信号传感器。1.2 本课题研究背景及意义煤矿安全事故是影响煤炭生产的主要问题。世界上大多数采煤国家都曾发生过一次死亡50人以上的特大煤矿安全事故，损失惨重。煤矿安全事故从本质上来说都是可以从科技的角度加以预防和避免的。近年来，随着煤矿现代化建设的快速发展，特别是综合采煤机械化程度的提高以及高新技术的应用，重大、特大瓦斯、煤尘爆炸事故得到有效控制，安全状况得到明显好转。但从全国煤矿各类事故分析中可以看出，煤矿安全事故仍然是制约煤矿发展的一个关键因素。任何事物的发展都离不开科学技术，煤矿生产在征服各种自然灾害的过程中，更需要依靠科学技术。在长期的防治过程中，人们认识到，当事故发生时，立即报警，通知井下工作人员及时撤离和避灾，尤为重要。因此，针对矿下常见的安全事故，我们设计开发了该系统。该系统可以对井下环境出现险情进行监控报警，还能对井下设备运转情况进行监控报警，当井下某处突发安全故障时，地面调度室监控电脑就能根据该信号器传递的信号显示危险地点报警信号。使地面调度人员及时掌握井下情况，及时处理险情，为井下工作人员及时避灾和撤离争取了时间。能有效避免安全事故的发生以及减除事故发生时对煤矿本身和工作人员造成的灾难性影响。对煤矿的发展具有重要意义1.3 研究的主要内容及要求矿用本安型通讯声光信号器是在皮带运输巷和提升机运输巷使用的信号装置。本设计要求采用单片微控制器及调制解调技术，仅需一条五芯信号电缆（不要急停功能只需四芯电缆），即能实现发出声、光信号、单工对讲、自动区分多水平、二级传送、红绿灯转换及信号闭锁等功能。1.3.1系统要求的工作环境温度环境：-5+40；平均相对湿度：不大于95（+25）；大气压力：80kPa106kPa；无显著振动和冲击的场合；煤矿井下有爆炸性混合物，但无破坏绝缘的腐蚀性气体的场合；污染等级：3级安装类别：类1.3.2系统要求的主要技术指标：电源电压：AC 127（36）V; 工作电流：200（400）mA;本安参数：本安最大开路电压 DC 9.2V；本安最大电流860mA；光可见度：警示器发出的光应在黑暗中20米可见；铃音声强：不低于85dB；1.3.3系统具体的功能要求：（1）.具有发出声光信号、数显打点数功能在待机状态下，按下信号装置的“工作按钮”，联线上的各装置，均发出声光信号，并数字显示打点数(二级传送除外)。(2).具有二级传送功能使用二级传送时，将井口信号装置电源板DJ开关拨到”2”侧，其他信号装置拨到“1”侧，这时只有井口信号直接发到车房内，其他信号只能发到井口（急停信号可以发到所有联机装置）。将井口房内的信号装置，设置为二级传送状态，井口发出打点信号时，车房及其它水平相应发出声光信号，并显示打点数；当其它水平打点时，车房内的信号装置，只有位置编号显示，而无声光指示，也无l27V电压输出。此功能可与信号闭锁功能、打点控制安全转换功能一起使用。(3).具有急停功能使用急停功能时，将每台信号装置的A1、A2端子独立连接，即使用4芯电缆将A、B、A1、A2端子分别顺序连接。在待机状态下，按下信号装置的“急停按钮”，联线上的各装置，均发出声光信号，并数字显示打点数及位置编号。(4).信号闭锁功能使用信号闭锁功能时，只要将车房内的H和I接线端子串入小绞车的停止回路（即H和I断开绞车无法启动，H和I闭合绞车才能启动），电源板得DJX1短接环去掉，主机板上DJX2短接环连接到2端即可。(使用此功能时，只改变车房内信号装置的设置，此功能可与急停功能、打点控制安全灯转换功能一起使用)将车房内信号装置电源板上DJX1短接环去掉，主机板上DJX2短接环连接到2端，就可实现信号闭锁，即信号不发或发1点信号时（工作信号或急停信号同样有效），绞车不允许启动，当发开车信号时（2、3、4、5、点），绞车允许启动。(5).安全灯转换功能a.接点和电压控制转换功能 在轨道运输中当绞车起动时，可对车房内信号装置输入36v电压信号或工作闸继电器常开接点信号，每个水平都可自动实现安全灯转换，而无需重新架设电缆。b.打点控制转换功能 将车房内信号装置电源板上DJX1短接环连接到2端，主机板上DJX2短接环连接到2端，就可实现安全灯自动转换同时实现信号闭锁（信号闭锁不用时H、I端子可不用接线），即信号不发或发1点信号时（工作信号或急停信号同样有效），绿灯亮红灯灭，当发开车信号时（2、3、4、5、点）绿灯灭红灯亮，根据打点信号来实现安全灯转换。(6).对讲呼叫功能在待机状态下，可实现单工对讲及呼叫功能。按下信号装置对讲按钮，联线的所有信号装置,均能听到讲话及呼叫，松开对讲按钮，信号装置均处于接收呼叫状态。(7).多水平数显功能将每台信号装置设置一个编码(如井口为“1”，一水平为“2”等)，按下信号装置“工作按钮”或“急停按钮”后，其它所有联机装置都数显打点位置的编码，无须增加任何电缆及设备，自动实现多水平的信号区分2总体方案设计2.1.总体设计思路此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学四年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的通讯声光信号器系统。AT89C2051单片机好比一个桥梁，联系着传感器和信号采集设备。当周围的环境达到我们设定的数值时，声光传感器把被测的物理量作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。传感器将物理信号经过A/D转换器转化为可以利用识别的电信号给单片机，这里我们选择单片机的P1.0为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定会由P2.0作为单片机的输出直接启动报警电路。本设计包括电源、硬件和软件设计三个部分。模块划分为信号采集、信号转换、信号放大、数据显示等子模块。电路结构可划分为：音频信号发生单元、音频信号译码单元、音频信号接收单元、电源转换单元、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、信号显示等功能。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括电源设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：音频信号发生单元、音频信号译码单元、音频信号接收单元、电源转换单元、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图2.1所示。处理器采用51系列单片机AT89C51。整个系统是在系统软件控制下工作的。信号采集单元将采集到的信号经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL 电平至AT89C51单片机。音频信号发生单元音频信号译码单元音频信号接收单元元AT89C2051电源127V电源转换单元发声器件发光器件图2.1 系统构成框图 根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了声光报警系统的总体框图如图2.2所示。本系统使用AT89C2051单片机，选用声光传感器作为敏感元件，利用BL1101输出双音多频信号器、HT9170双音多频信号接收器、LM386N音频放大器和LM567CN音频信号译码器，开发了可用于煤矿的本安型通讯声光信号器。整个设计由音频信号发生单元、音频信号译码单元、音频信号接收单元、电源转换单元、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成。其中，声光传感器是将现场温度、声光等非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将声光传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。对讲控制主控制器CPU位置显示打点显示位置设置打点控制调制解调电路送话器扬声器（127V）电 源安全灯转 换打点电路安全灯控制安 全 灯 功能设置信号闭锁2.2总体框图图2.2 总体框图2.3主控模块硬件设计中最核心的器件是单片机AT89C2051，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比较。整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机AT89C2051实现其控制功能。 AT89C2051系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。多年来的应用实践已经证明，AT89C2051的系统结构合理，技术成熟，许多单片机芯片倾力于提高AT89C2051系列产品的综合功能，从而形成了AT89C2051的主流产品的地位，近年来推出的与AT89C2051兼容的主要产品有：ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机；Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机；华邦公司提出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机；ADI公司推出的AdC8系列高精度ADC单片机；LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机；Maxim公司推出的DS89420高速(50MIPS)单片机；Cygnal公司推出的C8051F系列高速单片机。由此可见，AT89C2051已经成为事实上的单片机主流系列，所以，本次设计选择AT89C2051单片机。3核心芯片AT89C2051及相关实现功能介绍AT89C2051单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash 存储单元，功能强大。3.1 AT89C2051单片机的结构见图3.1为AT89C2051单片机的基本组成功能方块图。由图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。下面介绍几个主要部分。振荡器和时序OSC程序存储器4 KB ROM数据存储器256 B RAM/SFR定时器/计数器 2 16 AT89C51CPU64 KB总线 扩展控制器可编程 I/O可编程全双工串行口内中断 外时钟源 外部事件计数图3.1 基本组成功能方块图（1）CPU系统 8位CPU，含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。（2）存储器系统 4KB的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可扩至64KB）；128KB数据存储器（RAM，可再扩64KB）；特殊功能寄存器SFR。（3）I/O口和其他动能单元4个并行I/O口；2个16位定时/计数器；1个全双工异步串行口；中断系统（5个中断源，2个优先级）3.2AT89C2051的管脚说明图3.2 AT89C2051的管脚图见图3.2，ATMEL公司的AT89C2051是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装形式。AT89C2051单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流。P3口也可作为AT89C2051的一些特殊功能口：P3口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INT0（外部中断0）P3.3 INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 （外部数据存储器写选通）P3.7 （外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/：当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。PSEN：外部程序存储器的选通信号端。在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/VP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。3.3 AT89C2051功能特性概述AT89C2051提供以下标准功能：2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选 的软件节电工作方式。空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。AT89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。AT89C2051可以采用下面两种方法开发应用系统。 1、由于89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的MCS-51程序员来说，这种调试方法并不十分困难。但是做这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息。 2、将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0P1.7和P3.0P3.6引出来仿真2051,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。3.4振荡特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.5 AT89C2051单片机的时钟3.5.1时钟电路AT89C2051内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。AT89C2051的时钟产生方法有以下两种。（1） 内部时钟方式利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTALl和XTAL2两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，Cl和C2的值通常选择为30pF左右；Cl、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl和XTAL2靠近。见图3.3。（2）外部时钟方式图3.3 AT89C2051时钟电路接线方法芯片类型接线方法XTAL1XTAL2HMOS接地接片外时钟脉输入端（引脚需接上拉电阻）CHMOS接片外时钟脉冲输入端悬空 表3.1 AT89C2051单片机外部时钟接入方法如表3.1所示，此方式是利用外部振荡脉冲接入XTALl或XTAL2。HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同。3.6 AT89C2051单片机的复位 在整个声光报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。我们在设计单片机复位时，选用上电复位。上电复位利用电容器的充电实现。见图3.4是AT89C2051单片机的上电复位电路。图中给出了复位电路参数。见图3.5是AT89C2051单片机的上电和按键复位电路。上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电阻值和我电容参数为：晶振为12MHZ，电容值为10uF，电阻值为8.2K。 图3.4 上电复位电路 图3.5上电+按键复位电路复位状态：初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0R7）的状态，复位后80C51片内各特殊功能寄存器的状态如表所示，表中“x”为不定数。见表3.2。 寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HBSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL000HP0P3FFHSCON00HIPxxBSBUFxxxxxxxxBIE0xBPCON0xxx0000B表3-2复位后的内部特殊功能寄存器状态复位时，ALE和成输入状态，即ALE= 1，片内RAM不受复位影响。复位后，P0P3口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态，并将07H写入堆栈指针SP，同时将PC和其余专用寄存器清0。此时，单片机从起始地址0000H开始重新执行程序。所以，单片机运行出错或进入死循环时，可使其复位后重新运行。3.7芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C2051设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 4系统硬件设计4.1音频信号发送电路音频信号发送电路主要选用上海贝岭微电子制造有限公司生产的BL1101芯片，它是其公司最近开发成功的单片硅栅CMOS拨号集成电路，可根据需要通过键盘输入，送出双音多频(DTMF)或脉冲(PULSE)二种形式的拨号信号。双音多频信号是指在音频工作状态按数字键时，该数字键对应的行和列分别发出俩组不同频率的正弦波信号，这俩组信号叠加后组成的信号即为双音多频信号。音频信号发送电路如图4.1所示。图4.1 音频信号发送电路4.1.1 BL1101的特点工作电压2.0到5.5V可由开关选择双音频/脉冲拨号具有重拨、闪断、暂停等功能，且易于操作芯片通电复位可用44矩阵式键盘最小音频输出宽度为100ms最小音频间隔为100ms使用3.MHz石英晶体或陶瓷振荡器能锁住首位“0”或“9”的拨号输出采用双列直播20塑封4.1.2电路特点（1）使用3.MHZ 石英晶体或陶瓷振荡器；（2）.使用标准的8位拨码开关；（3）.芯片通电复位；（4）.既可用开关选择音频或脉冲拨号，也可在脉冲输出状态下按*/T转换成音频输出；（5）.具有重拨、闪断、暂停和免提等功能，易于操作；（6）.暂停、脉冲转音频可作为一个数码存入记忆存储器；（7）.脉冲断/续比有3/2和2/1二种选择；（8）.脉冲拨号速率为10pps；（9）.最小音频输出宽度：100ms，最小音频间隔：100ms；（10）.BL1101采用双列直插18脚封装。 图4.2 BL1101的管脚4.1.3 BL1101的管脚如图4.2是BL1101的管脚4.1.4基本功能BL1101音频/脉冲拨号电路主要包括系统时钟产生、键盘接口、数码译码、随机存储、读/写计数、地址锁存、系统控制逻辑、脉冲发生、数/模转换和双音多频发生电路。摘机时，/HKS=0，系统各部分通电并置初态。一旦拨号开始，晶振起振，频率为3.MHz，经过三个4分频，一个3分频和一个31分频，得到大约为600Hz的系统工作频率。这时，家盘输入译码器将键入信号译码，产生输出信号。其中一部分用来控制RAM的读/写、计数和特殊功能；另一部分反馈输入断，用来决定系统的工作状态。在脉冲工作状态，有脉冲控制逻辑控制，将键入数字信号译成二进制码后反码，送入计数器，每发一个脉冲，计数器加一，直到计数器输出变成全1，此时发出的脉冲数恰为键入数字。在音频工作状态，按下一个数字，系统产生相对应的行和列俩个不同频率的正弦波，通过混频放大得到组合的双音多频信号。在拨号中间按R/P键，输出信号会暂停3.6s同时将这一信息存入RAM中，这一功能可以用在长途拨号中。因为长途通话操作中要求区号与用户电话号码间隔至少保持3.1s，所以拨完区号后接着按R/P键，再按对方号码。此时如果遇到忙音，只要在重新摘机后按一个R/P重播键就可以了。摘机前模式选择设定于音频方式的情况下，脉冲输出端/DP为高电平，摘机后按*/T键，不会有脉冲输出，挂机后仍为音频模式。而在债几千模式选择设定于脉冲模式的情况下，摘机后在俩串数字间按*/T键，输出先是脉冲信号，暂停3.6s后转为双音多频信号，实现了脉冲转音频的功能，但挂机后仍然回到脉冲模式。摘机后按F1和F2键，是闪断功能，它相当于快速摘挂机，但人为拍击叉簧时间难以控制，而按闪断键，闪断时间准确，有98ms和600ms俩种，可根据程控交换机的要求选择。4.2音频信号放大电路见图4.3是音频信号放大电路4.2.1LM386N-1简介LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。 LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。 特性：静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。 工作电压范围宽，4-12V or 5-18V。 外围元件少。 电压增益可调，20-200。 低失真度。4.2.2内部电路图及引脚排列LM386的内建增益为20，透过pin 1 和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V12V，无作动时仅消耗4mA电流，且失真低。LM386的内部电路图如图1所示。图4.4. 内部电路图4.3音频信号译码电路4.3.1 电路特点图4.5音频信号译码电路如上图所示是音频信号译码电路音调译码单元采用LM 567锁相环电路，锁相环内侧包含一个电流控制振荡器（CC0）、一个鉴相器和一个反馈滤波器。此音调解码块包含一个稳定的锁相环路和一个晶体管开关，当在此集成块的输入端加上所选定的音频时，即可产生一个接地方波。当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。LM 567主要用于震荡、调制、解调、和遥控编码、译码电路。 如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。LM 567的基本工作状况有如一个低压电源开关，当其接收到一个位于所选定的窄频带内的输入音调时，其开关就接通。而且通用的LM567还可以用做可变形发生器或通用锁相环电路。当其用作音调控制开关时，所检测的中心频率可以设定于0.1至500KHZ之间的任意值，检测带宽可以设定在中心频率14%内的任意值。而且，输出开关延迟可以通过选择外电阻和电容在一个宽时间范围内任意改变。4.3.2 LM567的管脚LM567的管脚功能是：1脚为输出滤波，2脚为回路滤波，3脚为输入端，4脚为正电源端（电压值需最小为4.75V，最大为9V），5脚为定时电阻端，6脚为定时电容端，7脚为接地端，8脚为输出端。LM567的引脚图如图4.6所示。图4.6 LM567的引脚图LM567的内部原理图如4.7所示。管脚功能描述:、脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。脚所接电容的容量应至少是脚电容的2倍。脚是输入端，要求输入信号25mV。、脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，且 f211.1RC脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。+12V图4.7 LM567的内部原理图4.3.3 LM567的特点LM567电气参数:LM567的工作电压为4.759V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。LM567芯片使用:LM567为通用音调译码器，主要用于外界接电阻20比1范围，逻辑兼容输出具有吸收100mA电流能力。它的技术指标：1.可调宽带从0%至14%；2.宽信号输出与噪声的高抑制；3.对假信号抗干扰；4.高稳定的中心频率；5.中心频率调节从0.01HZ到500KHZ；6.电源电压5V至15V，推荐使用8V。应用举例：输入端接104电容，输出端接上拉电阻10K，C1、C2为0.1uF。R1、C1决定振荡频率，一般C1为104电容，R1为10K至200K。电源电压为8V。4.4音频信号接收单元 音频信号接收单元主要选用HT9170B芯片，它是由HOLTEK公司生产的18脚DIPSOP封装的DTMF信号接收解码芯片，它具有工作电压低，静态工作电流小，外围电路简单，使用元件少且无需外部滤波等优点。它可对接收到的16种DTMF信号进行检测和解码，从而形成代表不同数字的4位BCD码输出。HT9170B管脚如图4.8所示：图4.8 HT9170B管脚4.4.1管脚功能 1 VP 输入运放的正输入端 2 VH 输入运放的负输入端 3 GS 输入运放的输出端 4 VREF 参考电压输出端，其值为VDD/25 INH 当此端为高电平时，禁止对代表功能键A、B、C、D音频信号检测 6 PWDN 低电平有效。此端可使芯片进入睡眠工作状态 7，8 X1，X2 3.58MHz晶振连接端 9 VSS 负电源端 10 OE 数据输出使能端。高电平有效 1114 D0D3 数据输出端。当OE为高电平时，输出为高阻状态 15 DV 数据输出端。当OE为高电平时，输出有效数据；当OE为低电平时，输出为高阻状态 16 EST 有效输出指示端。当接收到有效DTMF信号并完成其解码时，此端为高电平，输出数据有效；否则为低电平 17 RT/GT DTMF信号获得时间和释放时间调整端。可通过外部RC电路对其进行调整 18 VDD 正电源端，电压范围：2.5V5.5V4.4.2 HT9170B工作原理工作时，HT9170将接收到的DTMF信号先经输入运算放大器放大送到前置滤波器（实际上是一个带阻滤波器），以滤除DTMF信号中350400Hz的低频干扰和噪声，从而使输出信号基本上只包含高低两个频率。该输出信号在分别经过低频群滤波器和高频群滤波器两个带通滤波器滤波后输出高低频两路正弦波信号，并经施密特电路整形后变为同频率的矩形脉冲。而后，两路脉冲分别送入DTMF数字频率检测电路，再经编码检测电路及输出锁存器和缓冲器进行处理，从而将不同的DTMF输入信号转换成相应的4位BCD码数字信号输出。DTMF输出表如表4.1所示HT9170中的操作控制电路用来测量有效信号的持续时间，以确保有效信号。EST端通常为低电平。它通过外部RC电路的放电使能端RT/GT保持在低电平。当检测