基于GSM的家庭防盗警报系统的设计毕业论文.doc

基于 GSM 家庭防盗报警系统 的设计 随着超大规模集成电路 通信技术 单片机技术的迅猛发展和人们保安意识的日 渐增强 利用单片机及其它外围芯片实现自动报警已成为可能 而且是一种发展趋势 它不仅有体积小 安装方便 功能较齐全等优点 而且有很高的性价比 因此应用前 景广泛 但是现有市场上的家用报警器都有一些不足之处 所以在现行产品的基础之 上研制一种新型的家用智能防盗报警器 进一步完善报警器的功能 提高它的可靠性 具有实际意义 这对于保障居民的生命财产安全 提高公安 消防 医疗 保安等部 门的快速反应能力 有着重要的价值 本文在现有的家庭报警器基础之上 将无线通信模块引入报警系统 使系统可通 过固定电话线和无线通信模块向外界报警 这样就克服了报警器因电话线被恶意剪断 而失去报警功能的问题 采用模块化的设计思想 系统功能划分为三个部分 主模块 移动通信模块 警 情采集模块 用户可以根据自己的需要和经济承受能力 购买相应的模块组合成满意 的家庭报警器 主模块是系统的核心模块 其它部分作为功能模块 在主模块中预先 留有各个功能模块的接口 并且将它们相应的软件驱动程序存入主模块之中 可以实 现即插即用 本文对以上三个部分的软硬件设计作了详细的阐述 详细介绍了核心芯片的选择 外围电路的连接 芯片与芯片之间的连接电路 程序设计方法和相应的软件 并给出 了关键软件的程序源代码 根据项目的要求研制了一款家庭报警器 满足用户要求 本文在最后指出了家庭 报警器的发展方向 关键词关键词 报警器 双音多频 GSM Design Of Guard Against Theft And Alarm System Based On GSM With the dramatic development of very large scale integrated circuit the telecommunication technology and micro control unit and the improvement of people s awareness of security it is possible to set alarm automatically by micro controller and other chips which becomes a kind of trend Because it is small and convenient to install and the ratio of performance and cost is high it will have a bright future But the product of alarm for family has some disadvantages It is necessary to do some research on a new type of product based on the former product which is valuable for protecting people s possession and increasing the reaction of policeman fireman doctor and vigilance committee This dissertation improves the former alarm for family in which the mobile modem module is intzoduced So the alarm can be set by telephone and mobile phone which overcomes the shortcoming that the system will be out of work when the telephone line is cut off deliberately The alarm is designed by modular method The alarm is subdivided into three parts at include the main module mobile module collecting information on alarm module According to different requirement and expense the custom can purchase different modules combine the product that is suitable for them The main module is the key group of the alarm The others are the function components which are connected conveniently with the main module There are interfaces to connect with the function modules and software to drive the function modules in the main module which enables the function modules to plug and play This dissertation describes the design of hardware and software of the alarm in detail in which selecting suitable chips periphery circuit chips interface and the methodology of program are discussed Moreover the key program is described The alarm that is satisfied for the custom is developed in terms of the requirement of project The development trend of alarm is discussed in the end Keywords alarm DTMF GSM 目 录 任务书 i 摘要 ii ABSTRACT iii 第 1 章 绪论 1 1 1 课题来源及研究意义 1 1 2 报警器发展历程和研究现状 1 第 2 章 总体方案设计 2 2 1 报警器的功能要求 2 2 2 总体设计方案 2 2 3 双音多频收发电路 3 2 4 GSM 数字移动通信系统 4 2 5 单片机的软件开发工具 C51 语言 5 第 3 章 功能块设计 8 3 1 主机 8 3 1 1 AT89C51 特点 8 3 1 2 主机硬件电路设计 8 3 1 3 主机软件设计 9 3 2 双音多频收发电路 10 3 2 1 MT8880 特点 10 3 2 2 MT8880 与单片机接口电路设计 13 3 2 3 双音多频收发电路的软件设计 14 3 3 语音电路 16 3 3 1 ISD1420 特点 16 3 3 2 ISD 1420 与单片机接口电路设计 18 3 3 3 语音电路的软件设计 19 3 4 看门狗电路 19 3 4 1 X5045 的特点 20 3 4 2 X5045 与单片机的接口电路设计 22 3 4 3 看门狗电路的软件设计 22 第 4 章 功能模块设计 23 4 1 移动通信模块 23 4 1 1 ZXGM 18 的特点 23 4 1 2 ZXGM 18 与单片机接口电路 26 4 1 3 移动通信模块的软件设计 27 4 2 警情采集电路 29 4 2 1 DS2450 的特点 29 4 2 2 DS2450 与 AT89C51 的接口电路设计 32 4 2 3 警情采集电路的软件设计 32 第 5 章 模拟仿真与软件调试 34 5 1 软件仿真 36 5 2 硬件调试 36 5 2 1 电源调试 36 5 2 2 仿真器调试 36 5 3 软件调试 36 5 4 模拟运行 37 第 6 章 总结 38 6 1 设计总结 38 6 2 存在的问题和展望 39 参考文献 40 致 谢 42 附录 1 程序源代码 43 1 8255A 的初始化程序 43 2 MT8880 初始化程序 43 3 报警驱动程序 43 4 语音播放程序 45 5 写 X5045 字程序 45 6 与 ZXGM 18 模块操作相关的核心子程序 47 7 有关 DS2450 的主要子程序 48 附录 2 接口电路图 49 第 1 章 绪论 1 1 课题来源及研究意义 随着超大规模集成电路 通信技术 单片机技术的迅猛发展和人们保安意识的日 渐增强 利用单片机及其它外围芯片实现自动报警已成为可能 且是一种发展趋势 它不仅有体积小 安装方便 功能较齐全等优点 而且有很高的性价比 因此应用前 景广泛 但是现在市场上的家用报警器都有明显的不足之处 所以在现行产品的基础 之上研制一种新型的家用防盗报警器 进一步完善报警器的功能 提高它的可靠性 具有实际意义 这对于保障居民的生命财产安全 提高公安 消防 医疗 保安等部 门的快速反应能力 有着重要的价值 1 2 报警器发展历程和研究现状 报警器的发展与微电子技术的发展息息相关 它大致可分为三个发展阶段 对应 着三代产品 1 第一代是利用纯分离元件组成的产品 其特点是电路组成复杂 功能单一 可靠 性较差 体积较大 第二代是利用集成芯片 IC 和分离元件组成的产品 其特点是电路组成较复杂 但 是可以实现多种功能 可靠性比第一代产品高 第三代是以单片机为核心 外加其它集成芯片和分离元件组成的产品 其特点是 功能齐全 可靠性高 具备一定的智能化功能 但电路组成较复杂 现在市场上主要以第三代产品为主 前两代产品由于功能单一的原因基本己经被 淘汰 第三代报警产品又可分为两类 一类是适合单个家庭应用的独立报警器 另一 类是适合小区联防报警的联网报警系统 作为单个家庭用的报警器 产品己经比较成熟 而且功能也比较齐全 多数产品 采用单片机作为控制核心部分 通过电话线实现向外界报警功能 但是这种报警器有 着自身的不足之处 作为一个独立的系统 它缺乏与外界联系的有效手段 虽然它可 以通过固定电话与外界联系 但是一旦电话线被恶意剪断 则将失去电话报警功能 第 2 章 总体方案设计 现行家用报警器的功能虽然己经比较齐全 但是并不完善 一个明显的不足之处 是 因为它们是通过电话线实现向外界报警功能 所以当电话线被恶意剪断时则失去 向外界报警的功能 因此 本文将提出一种整体设计方案 以求解决原有家用报警器 的不足 完善其功能 提高其可靠性 根据产品功能要求和产品的性价比 决定采用单片机技术与移动通信技术进行总 体方案设计 2 1 报警器的功能要求 根据用户提出的实际要求 本文所研制的报警器的功能要求如下 2 3 1 可实现非法侵入 火灾 煤气和家庭紧急情况多种报警 2 可通过固定电话与电话网络联接 报警时能迅速拨打存储的号码 3 可通过移动电话与移动电话网络连接 实现向外界报警 4 可预先存储 10 组号码 且掉电不丢失 5 可录下 20s 报警资料 可以更改 且掉电不丢失 6 传感器采用无线数据通信 7 有报警记忆功能 8 可实现异常情况的自动复位 2 2 总体设计方案 根据系统功能的要求和系统构成的需要来设计报警器 其总体设计方案如图 2 1 所 示 采用单片机作为控制中心 配有双音多频 DTMF 收发电路 移动通信模块 语 音录放电路 警情采集电路 看门狗电路 声光报警电路 4 6 当警情采集电路采集到警情信号时 单片机立即接通报警驱动电路实现声光报警 与此同时单片机测试双音多频收发电路 如果该电路正常 则通过该电路拨打预先设 置好的电话号码 向外界报警 如果该电路不正常 例如电话线被恶意剪断 则单片机 接通移动通信模块 通过无线调制解调器接入数字移动通信系统 GSM 向外界报警 通过以上任何一种方式 当检测到呼叫方摘机后 单片机接通语音电路 告知呼叫方 与警情相关的信息 完成自动报警 单 片 机 警 情 采 集 看 门 狗 报 警 驱 动 双音多频 收发电路 语 音 电 路 移动通信模块 电 话 网 络 图 2 1 报警器总体设计方案框图 看门狗电路用来实现三种功能 第一是低压报警 第二是防止系统的程序跑飞 第三是存储电话号码 2 3 双音多频收发电路 双音多频收发电路采用双音多频 DTMF 传输技术 DTMF 可实现电话号码快速可 靠地传输 具有很强的抗干扰能力和较高的传输速度 在电话通信系统得以可广泛的 应用 但绝大部分是用作电话的音频拨号 也可以在数据通信系统中用来实现各种数 据流和语音等信息的远程传输 7 8 DTMF 是用两个特定的单音频组合信号来代表数字信号以实现其功能的一种编码 技术 两个单音频的频率不同 代表的数字或实现的功能也不同 这种电话机中通常 有 16 个按键 其中有 10 个数字键 0 9 和 6 个功能键 A B C D 由于按照 组合原理 一般应有 8 种不同的单音频信号 因此可采用的频率也有 8 种 故称之为 多频 又因它采用从 8 种频率中任意抽出 2 种进行组合来进行编码 所以又称之为 8 中取 2 的编码技术 根据 CCITT 的建议 国际上采用的多种频率为 697Hz 770Hz 852Hz 941Hz 1209Hz 1336Hz 1477Hz 和 1633Hz 等 8 种 用这 8 种频率可形成 16 种不同的组合 从而代表 16 种不同的数字键和功能键 具体组合如 表 2 1 所示 表 2 1 双音多频组合功能 高频群 Hz 低频群 Hz 1209 1336 1477 1633 697 1 2 3 A 770 4 5 6 B 852 7 8 9 C 941 0 D 2 4 GSM 数字移动通信系统 移动通信模块采用的是基于 GSM 数字移动通信系统的通信模块 9 通信就是信息交流 随着社会的发展 人们对通信的要求越来越高 希望无论何 时何地都能及时可靠地实现与任何人之间的通信 因此 传统的固定通信手段已不能 满足人们的需要 移动通信就是在这种要求下发展起来的 移动通信就是指通信的双 方 至少有一方是在移动中进行的通信 例如 固定点与移动体 车辆 船舶 飞机 之 间 移动体之间 活动的人与人之间以及人与移动体之间的通信都属于移动通信的范 畴 要使通信的一方或双方在移动中实现通信 就必须采用无线方式 当前所使用的 无线频段主要为 VHF 频段的 150MHz 和 UHP 频段的 450MHz 800MHz 900MHz 最近已经出现使用 1 8GHz 频段的 GSM 数字蜂窝移动电话系统 GSM 数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会 设计出来 并在蜂窝系统的基础上发展而成 GSM 系统是 1982 年欧洲电信主管部门 会议为开发第二代数字蜂窝移动系统而成立的机构 后来 欧洲的专家们将 GSM 有关 的技术职能交给了欧洲电信标准协会 同时 为维护 GSM 网络运营者 设备制造商和 用户的共同利益 各国的运营者和制造商共同发起并成立了 GSM MOU 谅解备忘录 组 织 MOU 组织 1991 年在欧洲开通了第一个系统 同时为该系统设计和注册了市场商 标 将 GSM 更名为 全球移动通信系统 Global System for Mobile Communications 从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统 同年 移动特别小组还制定了 1 8GHz 频段的公共欧洲电信业务的规范 名为 DCSI800 系统 该系统与 GSM900 具有同样的 基本功能特性 它只占 GSM 协议的很小一部分 仅将 GSM900 和 DCSI800 之间的差 别加以描述 二者绝大部分是通用的 均可通称为 GSM 系统 1992 年 大多数欧洲 GSM 运营者开始商用业务 到 1994 年 5 月已有 50 个 GSM 网在世界上运营 10 月总 客户数已超过 400 万 国际漫游客户每月呼叫次数超过 500 万 客户平均增长超过 50 l993 年 欧洲第一个 DCSI800 系统投入运营 到 1994 年已有 6 个运营者采用了该 系统 GSM 系统技术规范中只对功能和接口制定了详细规范 而未对硬件做出规定 这样做的目的是尽可能减少对设计者的限制 并使各运营者有可能购买不同厂家的设 备 1991 年中国在嘉兴市建立和开通了我国第一个 GSM 引示系统 并于 1993 年 9 月 正式开放业务 目前 我国 GSM 用户数量已超过 1 亿 成为世界上 GSM 手机量最多 的国家 GSM 系统的主要技术有以下 6 个特点 1 由于采用了高效调制器 信道编码 交织 均衡等技术 使系统的频谱效率高 2 具有灵活和方便的组网结构 频率重复利用率高 容量加大 3 除开放话音业务外 还可开放承载业务 补充业务和与 ISDN 相关的业务 4 提供开放性接口 可与各种公用通信网互连互通 任何厂家提供的 GSM 系统 都能互连 5 通过鉴权 加密和临时移动用户识别号码 TMSI 可以达到安全的目的 6 在 SIM 卡基础上实现自动漫游功能 全部 GSM 移动用户都进入 GSM 系统而与 国别无关 2 5 单片机的软件开发工具 C51 语言 本报警器的主机采用 AT89C51 单片机来实现 采用高级语言工具 C51 来进行软件 设计 美国 Archimedes 公司和 Franklin Software 公司在 20 世纪 90 年代初专门为基于 51 系列单片机开发了高级语言工具 C51 利用该工具编写的代码简单高效 结构清晰 尤其是后来不同类型的微处理器及其更新产品的开发工具基本上都支持 C 语言 因此 用 C 语言编写的程序容易移植和维护 现在 C51 主要有两个版本 一个是 Archimedes 公司的 C51 V4 05A 另一个是 Franklin Software 公司的 C51 V3 20 两个版本都支持 ANSI 标准 同时为满足 MCS51 单片机的特殊需要又扩展了一些关键字 如 bit code data idata sfr reentrant 等 但是对于单片机 89C51 的应用 只有 Franklin Software C51 V3 20 编译器提供 C 语言编程的方法 该编译器对局部变量及传 递参数使用 RAM 覆盖技术 使其内部 RAM 的利用效率提高 因此 C51 完全可以和汇 编语言相比拟 同时 该编译器还可以产生 Intel 格式的目标文件 FranklinC51 V3 20 有以下 5 个特点 10 1 存储模式上 FranklinC51 支持 SMALL COMPACT LARGE 模式 当缺省存 储类型时 存储模式将自动决定变量的默认存储类型 不能位于 RAM 中的参数 传递 变量和无明确存储类型说明的局部过程变量也将保存在默认的 RAM 区域 2 存储类型 FranklinC51 支持 89C51 微处理器及结构 可完全访问其硬件系统的 所有部分 每个变量可准确地赋予不同的存储类型 如表 2 2 所示 表 2 2 C51 存储类型与 89C51 存储空间的对应关系 存储类型 对应存储空间 data 直接寻址片内数据存储区 访问速度快 128 字节 pdata 分页寻址片外数据区 256 字节 MOVX R0 访问 xdata 片外数据存储区 64k MOVX DPTR 访问 code 代码存储区 64k MOVC DPTR 访问 3 数据类型 FranklinC51 支持的数据类型为 bit signed char unsigned char signed int unsigned int long unsigned long float 指针等 变量可以组合为结构和联 合 也可定义为多维数组 同时还可以通过指针访问变量 另外 FranklinC51 还有两 个特殊的数据类型 sbit 和 sfr 用来简化对 89C51 微处理器的特殊功能寄存器 SFR 的 访问 如表 2 3 所示 表 2 3 C51 的特殊数据类型 数据类型 长度 范围 sbit 1 位 1 or 0 sfr 1 字节 0 255 sfr16 2 字节 0 65535 4 指针 FranklinC51 支持一般三字节指针和基于存储器的指针 其中基于存储器 的指针由 C 源代码中存储类型决定并在编译时确定 用这种指针可以高效访问对象并 且只需一至二字节 例如 用于访问内部 RAM 或外部 PRAM 的字节指针和用于访问 外部 RAM 或 ROM 的二字节指针 指针之间可以相互转换 从而实现对存储器的高效 访问 如表 2 4 所示 表 2 4 C51 的指针类型 指针说明 长度 指向 float p3 3 字节 所有 89C51 存储空间的 float chardata dp 1 字节 data 存储区中的 char longpdata pp 1 字节 pdata 存储区中的 long charxdata xp 2 字节 xdata 存储区中的 char 5 中断和重入 FranklinC51 支持对中断的所有方面的控制和存储器组的使用 从 而创建高效的中断服务程序 产生最合适的代码 它使用关键字 interrupt 声明中断过 程 用 using 声明使用的存储器区 函数的重入需要使用关键字 reentrant 重入函数的 使用效率要低得多 使用 C 源程序直接开发中断过程的函数语法如下 返回值 函数名 参数 模式 再入 Interruptvector usingbank interrupt 后的数值 vector 为 89C51 控制器的多中断 中 断及入口地址如表 2 5 所示 表 2 5 C51 的中断向量表 中断类型 中断向量 0 外部中断 0003H 1 定时器 计数器 0 中断 000BH 2 外部中断 1 0013H 3 定时器 计数器 1 中断 001BH 4 串行端口中断 0023H 第 3 章 主模块设计 本章详细介绍主模块的硬件和软件设计 主模块包括主机 双音多频 DTMF 收发 电路 语音电路 看门狗电路和声光报警驱动电路 详细阐明芯片选择的比较 所选 用芯片的内部组成 功能特点 外围电路及其接口电路 并设计出具体的硬件电路 根据硬件连接和模块的功能要求 提出软件的设计方法并编程 3 1 主机 报警器的主机采用 AT89C51 单片机来实现 单片机是将中央处理器 CPU 随机 存取存储器 RAM 只读存储器 ROM 定时 计数器及输入输出接口电路等计算机主 要部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机 现在世界上已经有很多大公司能够生产单片机 随着超大规模集成电路的迅猛发 展 单片机的功能也日渐强大 运算速度日益提高 相继出现了 32 位和 64 位单片机 但根据实际系统的需要和产品的性价比 本文选用 ATMEL 公司生产的 8 位单片机 AT89C51 作为系统的主机 3 1 1 AT89C51 特点 AT89C51 是 ATMEL 公司采用 CMOS 工艺生产的低功耗 单片机 与 MCS 51 单 片机兼容 其功能特点为 1 4k 字节闪烁存储器 FLASH 可进行 1000 次写 擦除操作 2 静态操作 外接 0Hz 24MHz 晶振 3 三层程序存储器 4 128 字节内部数据存储器 RAM 5 32 根可编程输入 输出线 6 两个 6 位定时 计数器 7 六个中断源 8 一个可编程串口 9 支持低功耗模式和掉电模式 3 1 2 主机硬件电路设计 根据系统设计的需要 本报警器的主机由一片 AT89C51 单片机和一片 U0 扩展芯 片 8255A 组成 11 主机电路如图 3 1 所示 图 3 1 主机电路图 图 3 1 中 电容 C1 30pF C2 30pF C3 22 F 晶振 F 12MHz 电阻 R1 1k 这里只给出了 AT89C51 单片机的主要外围电路和输入输出口的扩展电路 有关单 片机其他引脚的连接 将在以后的相应章节中给出 3 1 3 主机软件设计 对于单片机编程语言主要有 汇编语言 PL M 语言 BASIC 语言和 C5l 语言 本 文的软件设计采用 C51 语言 C51 语言的兼顾了 C 语言的特点 很适合程序的模块化 设计 本文充分利用这一特点 将软件划分为功能相对独立的模块 与相应的硬件电 路一起设计 这一节介绍主程序和 8255A 初始化程序 所谓主程序就是 C 语言中的 main 函数 根据系统实现的功能 本文的主程序其流程图如图 3 2 所示 其主要完成以下功能 1 程序初始化 包括 AT89C51 两个内部定时 计数器 双音多频电路和移动通讯 模块的初始化 2 循环检测警情 3 警情处理包括警情纪录 声光报警 固定电话报警或移动电话报警 8255A 是 INTEL 公司生产的单片机输入 输出 I 0 扩展芯片 8255A 内部有一个控 制寄存器和三个数据寄存器即 PA PB PC 口 本系统将 PA PB PC 都规定为一 般的输入输出方式 其中 PC 接键盘输入 PA 接警情采集电路 系统初始化 检测警情 有警情 延迟 还有警情 警情记录 声光报警 调固定电话子系统 报警成功 调移动电话报警子程序 Y N Y N Y N 开始 图 3 2 主程序流程图 在图 3 1 所示的主机硬件电路设计中 8255A 的控制寄存器 PA 口 PB 口 PC 口的基地址分别为 0003H 0000H 0001H 0002H 因为三个数据寄存器都工作在 方式 0 且 PC 的高四位用于输出 低四位用于输入 PA PB 口用于输出 所以控制 命令字为 81H 8255A 的初始化程序见附录源程序 1 3 2 双音多频收发电路 双音多频是一种电话的拨号方式 它用 8 种频率组成电话的 16 个键 现在市场上 己经有多种芯片可以完成双音多频信号的收发功能 例如 WE9188 UM91215 MT8880 其中 MT8880 以其功能齐全 外围电路简单 与单片机接口方便而受到了用 户的青睐 本文研制的报警器选用 MT8880 芯片来设计双音多频收发电路 12 13 3 2 1 MT8880 特点 MT8880 是 MITEL 公司生产的 DTMF 发送与接收芯片 它是一种功能较强的 DTMF 发送与接收器 它的内部寄存器和控制接口 数据总线器 便于实现与微处理 器的直接接口和对电路进行工作模式控制 获得更多的功能和灵活性 通过微机接口 可以由 2 RSO R D0 D3 等信号选择内部寄存器 并控制电路的工作WCS 状态或工作模式 MT8880 的管脚如图 3 3 所示 图 3 3 中 OSC1 OSC2 是时钟或振荡器输入和输 出端 通常两端外接 3 579545MHz 晶振 与片内振荡 器产生基准时钟信号 IN IN 是运放的同相和反相 输入 GS 是增益选择端 VREF 是基准电压输出端 它由 VDD VSS 产生 通常为 VDD 2 作为运放输 入的偏置 TONE 是发送 DTMF 信号的输出 R 是W 读写控制信号输入 与 TTL 电平兼容 是片选信CS 号输入 若为 TTL 低电平 则此电路被选中 RSOCS 是寄存器选择输入 与 TTL 电平兼容 CLK2 是系统时钟输入 与 TTL 电平兼容 DO D3 是控制 DTMF 信号发送和 DTMF 译码的 4 位数据输 入 输出 与 TTL 电平兼容 当 0H 时 DO D3 呈高阻 CALL 对微处理器的中CSIRQ 断请求信号 为开漏输出 若控制寄存器数据设定电路处于 CALL 模式和中断使能状态 则该端输出代表运放输入的方波信号音 EST 是初始控制输出 ST GT 是控制输入 时 间监测输出 VCC 是电源正极 MT8880 的工作电压为 5V VDD 是地 MT8880 内部包含 5 个工作寄存器 它们是发送数据寄存器 TDR 接收数据寄存 器 RDR 状态寄存器 SR 控制寄存器 A 和 B 用户可以分别通过 RSO R 的不W 同时序组合将数据写入 TDR 或 A B 来控制选择 MT8880 的不同工作模式和数据读 写 MT8880 共有 6 种工作模式 1 DTMF 模式 电路发送或接收 DTMF 信号 数据通过 TDR RDR 以及状态寄 存器 SR 可以完成 DTMF 信号的发送与接收 2 呼叫处理 CALL 模式 电路可以从输入信号中检测电话呼叫过程中的各种信号 音 并由 CALL 端方波输出 IRQ 3 突发 BURST 模式 该模式下只能发送 DTMF 信号而不能接收 4 单 双 S D 音产生模式 电路可产生单音或 DTMF 信号 用于测试和监测 5 测试 TEST 模式 使电路从 DTMF 接收部分得到延迟监测信号 并从 IN 1 IN 2 OSC1 6 R W 9 CS 10 RS0 11 CLK2 12 GS 3 VREF 4 OSC2 7 TONE 8 EST 18 ST GT 19 IRQ CP 13 VSS 5 D0 14 D1 15 D2 16 D3 17 VDD 20 MT8880 图 3 3 MT8880 管脚图 CALL 端输出 IRQ 6 中断模式 该模式可工作在 DTMF 状态条件下或 BURST 模式条件下 一旦有 信号出现 则 CALL 端输出低电平 IRQ 六种工作模式的选择 主要通过两个控制寄存器 A B 的不同赋值来得到 具体 见表 3 1 和表 3 2 表 3 1 控制寄存器 A 的功能 比特位置 名称 符号 功能 B0 信号音输出 TOUT 低电平有效 突发与非突发模式均可 B1 模式输出 MC 低电平时为 DTMF 方式 高电平时为 CALL 模式 B2 中断允许 IRQ 高电平有效 使电路工作于中断模式 B3 控制寄存器选择 RS 高电平时 下一个写周期选控制寄存器 B 继而写周期 返回选 A 表 3 2 控制寄存器 B 的功能 比特位置 名称 符号 功能 B0 突发模式 BURST 低电平有效 B1 测试模式 TEST 高电平有效 B2 单 双音产生 S D 低电平设定电路产生 DTMF 信号 高电平设定行或 列 由 b3 决定 单音信号输出 B3 列 行单音产生 C R 在 b2 为高电平的情况下 若 b3 为高则选择列单音 频率 为低则选择行单音频率 有关 RSI R 的时序组合来选择不通的内部寄存器如表 3 3 所得到不同的工作W 模式 此时 状态寄存器 SR 的作用尤为重要 因为有关数据读写的状态标志要从 SR 中得到 SR 每一位的定义见表 3 4 表 3 3 RSI 与 R 时序控制W RSI R W 功能 0 0 数据写入 TDR 0 1 数据从 RDR 读出 1 0 数据写入控制寄存器 A B 1 1 数据从 SR 读出 表 3 4 状态寄存器 SR 的功能 比特位置 名称 状态标志设定 状态标志清除 B0 中断模式 中断发生 b1 b2 被 中断禁止 SR 读出数据后 设定 清除 B1 突发模式下 暂停时间已完 准备发 SR 读完数据后或当非突发 TDR 为空 生新的数据 模式下进行清除 B2 RDR 满 RDR 中已有有效数据 SR 读完数据后清除清除 B3 延迟控制 设定无 DTMF 信号进行 有效 DTMF 信号检测功能 有效检测功能 3 2 2 MT8880 与单片机接口电路设计 MT8880 与 AT89C51 的接口电路相对比较简单 并且加上相应外围电路就可以实 现 DTMF 信号的收发功能 但是 MT8880 是专门为 MOTOROLA 公司的 68 系列单片 机设计的 所以 它们的时序配合能通过硬件完成 而 AT89C51 没有硬件电路来满足 MT8880 的工作时序 需要通过软件实现 实现过程将在软件设计中介绍 其接口电路 和外围电路如图 3 4 所示 12 图 3 4 MT8880 与单片机的接口 MT8880 的 CP 引脚和 AT89C51 的 T0 连接 用以完成对电话线上各种信号引得判 断 因为本系统采取循环检测的方式 所以 MT8880 的中断引脚不需要与 AT89C51 的 中断引脚相连 由 MT8880 产生的 DTMF 信号不能直接与电话线相连 因为该信号与 电话线所传输的信号不匹配 我国电话线上所传输的信号遵守 GB7732 标准 按照该 标准规定 MT8880 产生的 DTMF 信号先要经过放大 然后才能与电话线连接 放大 电路如图 3 5 R1 R2 R4 R3 C1 C2 2 3 1 411 1 LM324AMOUT VEF IN 图 3 5 信号放大电路 图 3 5 中 电阻 R1 100k R2 2 4M R3 82k R4 300 电容 C1 1 F C2 4 7 F A1 为 LM324 电话线与信号音接口如图 3 6 所示 30K R1 2K R2 1uF C1 Cap 0 1pF C2 Cap D1 1N4004 D3 1N4004 D2 1N4004 D4 1N4004 Q1 2N5401 D6 1N4736A D5 1N4736A T Trans CT JI G 0UT 图 3 6 电话线与信号接口 3 2 3 双音多频收发电路的软件设计 对 MT8880 的操作无论是写控制寄存器 A 或 B 还是读状态寄存器 都有着严格 的时序要求 MT8880 的 CLK2 脚本应和 68 系列单片机中的 E 信号相连 当芯片 MT8880 的内部寄存器 CRA CRH SR TDR 和 RDR 被访问时 CLK2 脚应出现一 次带上升沿的高电平 其周期应为 1 s 1000 s 这是关键信号 其它信号均以此信号 作为依据 而单片机 AT89C51 无此信号线 因此 我们采用 I 0 口 P2 模拟产生 CLK2 及其它信号的时序 图 3 7 给出了单片机 AT89C51 写内部寄存器 CRA CRB 的时序 图 图 3 7 MT8880 写控制寄存器时序 根据时序图可以通过软件编程来满足 MT8880 的读写时序 即在一定的时刻将 P2 口的相应口线置 1 或清 0 对 MT8880 的操作主要有 初始化 判断信号音 拨打电话号码 初始化包括 读状态寄存器 0 写入控制寄存器 A 0 写入控制寄存器 B 据表 3 3 和硬件连接图 具体初始化子程序如附录程序 2 报警子程序流程图如图 3 8 所示 其主要完成以下功能 判别信号音 自动拨号 启动语音提示 信号音识别实现的原理是 首先将 MT8880 设置为呼叫处理 CP 模式 由于 MT8880 的 IN 一端经过多路模拟开关与电话线相连 因此呼叫过程中的各种信号音经 MT8880 滤波限幅后得到方波 从 MT888 的 IRQ CP 端输出 电话系统的拨号音 回 铃音和忙音的音频频率均为 450Hz 25Hz 的正弦波 只是断续比不同 拨号音为连续 信号 回铃音为 1s 通 4s 断 忙音为 3s 通 3s 断 AT89C51 的内部定时器 T1 设置为定 时器方式 T0 设置为计数器方式 在 T1 的定时时间内 T0 对 MT8880 的 IRQ CP 端 输出的信号音计数 根据计数值的不同就可以将各种信号音识别出来 本文将 T1 定时时间设为 50 s T0 在 4S 内计数 因为 89C51 晶振频率是 12MHz 又定时器的计数周期是单片机晶振频率的 1 12 即 l s 所以 T1 的计数初值计 算见公式 3 1 T COUNTER 50 1000 1 50000 3 1 T0 的 4s 定时通过 T1 实现 在 T1 的中断服务程序中设置计数标志 t flag 在每次 执行 T1 中断服务程序时 t flag 加 1 因为 T1 中断服务程序每 50 s 执行一次 所以 当 t flag 等于 80 时 正好就是 4s 的时间 详细程序如附录源程序 3 模拟摘机 调用信号音判别子程序 有拨号音 调用自动拨号子程序 调用信号音判别子程序 模拟挂机 有回铃音 对方摘机 调用语音提示子程序 拨完预制号码 返回 取下一个电话号码 等待时间到 Y Y Y Y Y N N N NN 初始化 图 3 8 报警子系统的流程图 3 3 语音电路 语音电路的作用是警情提示 即当系统通过固定电话网或移动电话网 接通呼叫 用户时 语音电路将告知呼叫方有关警情的具体信息 如发生何种警情 报警者所处 位置等 8 因此 语音电路所选用的芯片必须具备三种功能 分段录音 放音 可寻址 根据这些功能要求 本系统选用 ISD1420 作为语音电路的核心芯片 3 3 1 ISD1420 特点 ISD1420 语音芯片是美国 ISD INFROMATION STORAGE 公司的新型产品 ISD 1420 是 ISD1400 系列中录音时间为 20s 的语音芯片 ISD1400 系列语音芯片采用直 接存储模拟信号 自动待机省电 可编程电擦除只读存储和总线技术 是一种具有高 保真 录音数据永久保存 省电 适用于单片机接口特点的新一代语音芯片系列 ISD1420 语音芯片具有以下特点 采用直接模拟量存储技术 DAST 重现优质原音 零功率信息存储 无需备用电池 存储的信息可保留 10 年以上 易于使用 无需编程 可随意改变录音内容 录放次数达 10 万次以上 具有自动省电功能 录音和回放后即 刻进入等待模式 仅需 0 5 s 维持电流 可分段存储多段信息 自带时钟源 高抗干扰 性能 5V 标准电源供电 可直接驱动 8 16 喇叭工作 输出不失真功率大于 50mW 也可作激励信号单端输出 外接功率放大器 输出功率为额定输出功率的 l 4 约为 12mW 左右 采用总线技术 适于不同单片机接口 ISD1420 录音时间为 20s 它最多可录 160 个语 音段 语音段最短时间可达到 0 125s 其管脚排列 如图 3 9 所示 图中 A0 A7 是地址输入端 当 A6 和 A7 不全 为高电平时 A0 A7 为分段录音信息地址线 不同 的地址对应不同的录音片断 A6 和 A7 全为高平时 A0 A5 用于选择操作模式 MIC 是话筒输入端 话筒 输入信号通过电容交流祸合至此引脚并传给片上预 放大器 片上自动增益控制 AGC 电路控制预放大器 的增益在 15 24DB 之间 祸合电容值和该端内阻决 定语音信号通频带下限频率 MIC REF 是话筒参考输入端 MIC REF 是预放大器的反相输入端 配合外电路可使片上预 放大器具有较高的噪声抑制比和共模抑制比 ANA IN 是模拟信号输入端 对于话筒输 入 ANA IN 引脚应通过外部电容与 ANA OUT 引脚连接 若为外部输入信号 则要直接 通过电容祸合到此端 偶合电容决定片上控制预放大器通频带的下限频率 ANA OUT 是 预放大器的输出端 预放大器的电压增益取决于 AGC 电平 对于小信号输入电平 其 增益最大为 24DB 对于强信号 增益较低 AGC 是自动增益控制端 AGC 动态地调整预 放大器增益 使加至 MIC 输入端的非失真信号的范围扩展 内阻抗 5k 和外部电容 决定 AGC 的响应时间 外部电容和外部电阻的 RC 时间常数决定 AGC 的释放时间 SP SP 是喇叭输出端 该端可直接驱动 16 喇叭 可采用双端输出驱动喇叭 也可 采用单端输出驱动喇叭 不过双端输出信号的功率是单端的四倍 单端输出需要该脚 与喇叭之间串接 100 F 的交流祸合电容 录音期间该输出端保持高阻状态 XCLK 是外 SP 15 VCCA 16 MIC 17 MICREF 18 AGC 19 ANAIN 20 ANAOUT 21 NC 22 PLAYL 23 PLAYE 24 RECLED 25 XCLK 26 REC 27 VCCD 28 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 NC 7 NC 8 A6 9 A7 12 NC 11 VSSD 12 VSSA 13 SP 14 图 3 9 ISD1420 管脚图 接时钟输入端 ISD1420 具有内部时钟 一旦接入外部时钟 内部时钟会自动失去作用 如果不用外部时钟该引脚应当接地 一般不推荐使用外部时钟 除非要求时钟信号特 别精确 RECLED 是工作状态指示端 在录音或放音时该端输出低电平 可驱动一个 LED 来指示状态 PLAYE 是边沿触发放音控制端 该端输入一低脉冲 芯片即进入放音 状态 直至遇到信息结束标记 EOM 或到存储空间的末尾时回放过程结束 电路自动进 入准备状态 回放过程中 PLAYE 变化不会影响回放过程 PLAYL 是电平触发放音控制端 该端电平变为低电平并保持 芯片进入放音状态 放音过程持续到该端电平由低变高 或遇到信息结束标记 EOM 结束后电路进入准备状态 REC 是录音触发端 REC 一旦 变为低电平 芯片就进入录音状态 REC 的权限优先于 PLAYE 和 PLAYL 在放音期间若 遇 REC 接低电平时 放音就会立即停止并转入录音状态开始录音 录音期间 REC 应始 终保持低电平 REC 变高或存储空间变满时录音过程结束 这时在录音截止的地方会记 录一个信息结束标记 CEOM VCCD VCCA 是数字电源正端和模拟电源正端 为了减小 片内噪声 芯片中模拟电路和数字电路在内部是分开的 应用时两个电源引脚应离电 源尽可能的近 而且电源的去藕电容应离引脚越近越好 VSSD VSS 是数字地和模拟地 3 3 2 ISD1420 与单片机接口电路设计 ISD1420 与 AT89C51 的接口电路主要考虑地址线 A0 A7 以及 REC 和 PLAYE 的 连接 本系统中采用 AT89C51 的 P1 口的五根 I O 线与其相连 具体接口电路如图 3 10 所示 图 3 10 ISD1420 与单片机的接口电路 ISD1420 可以实现分段录音 分段录音时 A0 A7 用作地址输入线 A6 A7 不可 同时为高电平 所以地址范围为 00000000 100111111 即为十进制码 0 159 共 160 个 数值 这表明 ISD1420 的 EEPROM 最多可被划分为 160 个存贮单元 可录放多达 160 段语音信息 由 A0 A7 决定 T 0 125 128 A7 64 A6 32 A5 16 A4 8 A3 4k A2 2 A1 1 A0 例如选择从 5s 处开始录音 则所需的地址为 00l0l000B 因此只要将上述地址配 置给 A0 A7 即可 在本报警器的设计中将 20s 的存储时间分为 3 段 第一段为 7s 录 放起始地址为 00000000B 用于存储有关非法入室的报警信息 第二段为 7s 录放起 始地址为 00111000B 用于存储有关火灾的报警信息 第三段为 6s 录放起始地址为 01110000B 用于存储有关煤气泄漏