智能防火防盗报警系统设计方案.doc

智能防火防盗报警系统设计方案第1章 绪论1.1 序言 改革开放以来，在城市大发展的过程中，大量外地人口涌入城市，给社会治安带来很大压力。工厂、机关和居家失盗、失火、抢劫事件时有发生；个别地方尤为严重，损失惊人。由此引起公安部门的高度重视和社会各届人士的普遍关注。有些部门和居民小区开始派人白天守卫、夜间巡逻，并纷纷购置防护铁门、铁栏杆等被动防范措施，将主人装在铁笼子中以求安全【1】。一旦发生警性（如火警或煤气泄漏），才发现铁笼子将消防人员拦在事故现场之外，难以即时救助，实为弊端。从整顿市容角度来看，亦不雅观。为此，政府部门提倡采用高科技手段实现技术防范措施。在社会治安的现实需求和政府部门的推动下，市场上国产和进口的防盗报警应运而生。 本文所要介绍的智能防盗防火报警系统，正是在智能住宅蓬勃发展的背景下，为了满足用户对安全的强烈要求，而设计并开发的。系统的首要任务是根据住宅小区的类型、使用功能及防护风险等要求，为保障小区人身财产安全，通过运用传感器探测、双音多频远程数据传输等技术综合形成智能报警系统，从而达到保障住宅安全的目的3。双音多频（DTMF）信令的传输速度，使得它广泛应用于各种通信和控制系统中。DTMF 信号收发芯片的发送部分采用信号失真小、频率稳定性高的开关电容式D / A 变换器，可发出16 种双音多频DTMF 信号：接收部分用于完成DT信号的接收、分离和译码，并以4 位并行二进制码的方式输出。当遇到盗情、火情等各种险情的时候，该系统可以通过电话网络自动向相关部门发出语音求救信号，从而达到保护用户生命财产的目的。1.2 国内外研究概况智能小区是在智能化住宅的基本含义中扩展和延伸出来的，小区管理最为重要的内容之一是确保住宅、住户安全。现代居住的格局，邻里之间的来往越来越少，家庭生活隐密性、封闭性越来越强。所以说，小区的安防系统和智能管理系统是现代化小区管理不可缺少的有机组成部分。考虑设备成本与集中管理的需要，可将周界报警探测系统、住宅联网报警系统加以集成和综合，构成综合防范体系。由此，居民住宅应当设置安全防范报警系统，对火灾、盗窃、入室抢劫等做到早发现、早报警，通过社会力量和科技手段来提高家庭抵御各种意外情况的能力。现在世界各国都在致力于研究和开发能早期预报火灾的火灾探测方法和设备，如利用神经网络所具有的自学习和自适应等特点，就可组成智能火灾探测系统，提高火灾探测系统的检出率，增进系统的可靠性。在我国，小区安全防范报警系统已成为智能小区中实现安全管理的重要系统，根据我国建设部的规定，主要包括电视监控、防盗报警、求救求助、煤气泄漏报警、消防报警等内容。该系统是一种比较完善的安全防范系统，通过在可视对讲的基础上，不断扩展主机功能，增设室内分机用于接收室内各探测器的报警信号2。室内分机有多个探测器接口，可接收感烟探测器、温度探测器、红外及微波探测器、煤气泄漏探测器等传来的报警信号。我国智能住宅安防系统相对国外来讲，是有较大差距的。现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门，虽有一定的防盗作用，在灾害发生的情况下，使逃生更加困难。另外，小区安全措施不足；居民安全意识有待增强；安全防范系统也急需普及。 在我国，以北京、深圳、上海、广州等较发达的城市为龙头在近几年内也形成了一股智能化住宅热。目前，公安部、建设部均要求智能住宅小区必须具有安防系统。大连市华乐一环海花园全部住宅均设计有国内一流的家居安防系统。家居安防系统包括四部分功能：幕帘式电子栅窗、智能门禁管理、紧急呼救和误报自解除功能。该系统采用独立的不间断电源供电。报警控制器以MCU 为核心，可以检测两个报警头输入信号，可以设置新密码，可以接收遥控器输入信号，可以实现声、光报警或把报警信号通过电话线送到110 。系统中还配备了充电电池，以保证在断电或电源被破坏时系统正常工作。可以预见，智能住宅、智能小区将成为21 世纪建筑业的发展主流。特别是在我国，随着人们生活水平的日益提高，住宅小区是否智能化，安防系统是否完备、可靠将成为评价住宅小区的重要指标。1.3 我国住宅智能安全防范系统展望智能化住宅和智能小区近几年来在全球以及在中国的快速发展是信息技术发展寻找更广阔的市场结合点的必然结果，是IT 产业向传统住宅产业以及人们生活渗透的必然结果。智能化住宅和智能小区建设目标是向人们提供“方便快捷的信息通信、安全舒适的住宅环境、高效便利的物业管理”。发展智能住宅小区是住宅产业现代化的必然选择。按智能技术开发的功能和作用的不同，智能小区中报警系统应用一般体现在探测智能、监控智能和抗干扰智能三个主要方面。以火灾报警为例，探测智能是通过探测器中的微处理器进行的，它不但对火灾信号直接进行检测、分析和信号处理，而且对环境的变化可及时做出响应，并利用软件中建立的算法进行综合比较，自动调整运行参数，做出恰当的智能判断；监控智能则是由探测器中计算机自身的软件（程序块）来完成的，监控程序周期地运行，使系统始终保持良好的使用和维护状态。将来的火灾探测报警系统的发展方向是智能寻址式（也称模拟量）系统，目前欧美已有一些国家正在大力研究无线火灾探测报警系统，随着时间的推移，这种产品在我国也会发展成为主流。如今，人民生活已从温饱型向小康转变，大件耐用消费品己经进入寻常百姓家，因此人们会有更强的安全意识，逐渐接受在住宅内装设质优价廉、功能完善的安全防范系统。同时人类已经进入二十一世纪，智能住宅己开始引起人们的关注。作为智能住宅的一个组成部分，安全防范系统也必将向多功能、全方位、综合性、智能化方向发展。1.4 论文主要工作概述针对国内外的发展情况，可见住宅智能安全防范系统是我国未来智能住宅建设的重点发展方向1。本课题要设计的智能住宅防盗防火报警系统是依托公共电话网做传输媒体的电话报警系统，与传统的区域报警系统相比，它具有传输距离远、硬件简单、安装方便的优点，而对于实行物业管理的居民区以及机关、事业单位的办公区则采用分户对值班室的联网方案。本文所介绍的安全报警系统，是用双绞线连接中央控制器和各用户端自动报警器，实现前端报警器的报警数据采集；利用电话线，采用单片控制的DTMF 通信方式实现自动拨号报警，既可提高信息传递速度，又可解决前端报警器之间同时报警争信道问题。本课题所设计的防盗防火报警系统符合国家建设部对普及型住宅小区的要求，实现功能包括：能对住宅的火灾实行自动报警；还能对盗窃以及入室抢劫实行自动报警；住宅设置紧急呼叫系统；用户端自动报警器对各传感器的信号进行检测和控制；用户端自动报警装置对双音多频（DTMF）编、译码器控制，使住宅通过电话网实现与相关部门（小区管理中心或110 / 119 报警台）之间的数据交换，设置简洁，操作方便。该智能报警系统主要包含用户端电子防盗防火系统及监控管理控制中心两大部分。用户端的电子防盗防火系统又包括探测器、自动报警器及输出等组成部分，并将模块化思想引入此系统，从而使整个系统的功能更完善、灵活、可调。课题重点设计了前端探测器部分和自动拨号报警部分，最终完成了防盗防火的自动拨号报警功能。本课题内容属于硬件电路的设计与应用方面，实现过程包括电路原理设计、元器件（芯片）选择与特性测试、分立元件面包板模拟、编制程序及软件调试、整体电路编程器调试、设计外观及制版、产品抗干扰。在满足各项性能指标的前提下，不仅要考虑到系统的易用性，还要努力降低成本，使其经济实用，在保证灵敏度的情况下，尽量降低误报率，确保在同类产品中的竞争地位。 第2章 系统设计方案2.1智能报警系统的总体构成看门狗电路EPROM智能住宅防盗防火智能报警系统开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况，根据我国住宅建设的实际情况，以及各相关方面的协调发展状况，为满足新时期居民的居住要求，真正实现智能化报警的要求来确定的。 本防盗防火报警系统是一种新型的电子安全报警系统，该系统的设计是将电子探测、智能控制和电话通讯技术相结合，从而形成一个防盗、防火报警系统5。系统总体构成包括防盗防火探测器、用户端自动报警器与通讯线路三个模块，系统组成框图如图2.1 所示。防盗探测器 微波探测器密码控制电路防火探测器 温度探测器用户端自动报警器AT89C51电话机接口电路拨号电路报警开关紧急呼救开关语音检测与报警电路指示灯控制输出/输入电源电路图2.1 智能住宅防盗防火报警系统组成框图用户端自动报警器安装于居民住宅，用于对居民住宅各个不同部位的不同类型探测器进行监测与控制，并对从各个探测器采集来的数据进行处理。当出现异常情况时，通过家中的电话线路自动拨号报警，并与中央控制器建立联系。系统不需要另外占用电话线路，当有报警信号时，报警电话享有电话线路的优先权。2.2 报警系统的功能及工作过程智能住宅防盗防火报警系统具有以下特点和功能：1. 系统采用模块化设计。前端报警器能够快速、准确地检测到现场的异常状态，经确认后及时通报给中央控制器。并能够可靠地进行盗情、火情报警，通过电话线拔打预先设置的1-6 组电话手机号码（小区监控管理中心电话、用户个人电话、用户单位电话、盗警电话110 、火警电话119 、紧急呼救电话），进行语音报警。报警完毕自动回到警戒状态，等待下一次报警。2.用户端自动报警器可检测探测器或传输线路发生的故障（如探头断线或掉电等）, 并可向中央控制器报告故障情况。3. 系统开关机采用密码控制且允许修改密码，防止误报同时增加用户端自动报警器的保密性。4. 用户端自动报警器内提供备用电源，在没有市电的情况下，交直流供电自动切换，确保系统在停电时能继续工作。系统的基本工作过程：用户端的防范现场，一旦有人入侵、或发生火灾等紧急情况时，与之相应的报警探测器（各种防火、防盗及手动报警按钮等）则立即向用户端自动报警器发出报警信号。接到警情事件后，自动报警器立即进行确认（多次巡检中断信号），若50s 后无人解除警情同时警情确认无误后，进行事件的现场声（蜂鸣器）、光（LED ）报警，同时用户端自动报警器自动向相关部门拨打预先设置好的报警电话号码，进行语音报警24。在用户端自动报警器的面板上设有LCD 显示器、键盘以及三色警灯（LED ) ，三色警灯分别指示火灾或红外微波双鉴的防火防盗报警、正常工作及系统出现故障的状态，即报警灯（红）、工作灯（绿）和故障灯（黄）。正常时LCD 显示时间，事件发生时锁定显示当时的时间。用户端报警器同时具有探头故障报警功能，避免由于探头掉电而漏报，出现故障时点亮故障灯；如果判断探头掉线（被剪断），则声光报警。如果出现误触发而报警时可以通过触发延迟时间（505 定时器）去解除，另外用户端自动报警器还具备状态信息（如有无交流电、备用电池电量是否不足等）上报的功能，可以对预设的普通电话、手提电话实现报警。 本章节主要介绍了系统总体设计方案，确定了原理框图，对报警系统的运行做了分析，并设计了防火和防盗探测器，为后续章节研究防火防盗报警系统的模块化设计打下了理论基础。第3章 系统硬件设计3.1 防盗探测器电路设计微波探测器为空间探测器，用于探测在防范空间内的任何运动物体。微波探测器可靠性强，无光亮和热源的要求，探测环境要求低。在微波段，当以一种频率发送时，在微波能量覆盖的范围内，如果有物体移动，将会以另一种频率反射，这样发射频率和反射频率有一个频率差异产生。这种频率差异与很多因素有关，其中包括移动物体的速度，与探测器的径向角度等。 实际电路中，是由振荡器电路产生并发射近微波段电磁波形成微波场，天线把电信号转换为相应的电磁波辐射到周围空间，辐射半径可达10m 以上（如果想继续增大辐射半径或提高灵敏度可以通过调整天线的大小和方向来完成）。当有人在场中运动时，反射回去的微波将发生频率变化，从而使微波探测器输出一个与人体运动速度有关的低频电信号。根据该特性，也选择微波探测器用于盗情的检测。天线比较电路微波振荡电路前级放大两级放大滤波电路LED电源图3.1 微波探测器原理框图环形天线和它周围的电阻、电容和MOS 场效应管组成了近微波段高频自激振荡电路（它的振荡频率在1GHz 左右），微波探测器原理如图3.1所示，当电路接通电源以后，振荡产生的单频、等幅信号通过外接天线发射到空间，产生一个立体空间微波防护区，天线既发射振荡信号，也接收回波。反射回来的微波信号与原信号之间混频后产生微弱的频移信号，该信号送放大器进行放大14。放大后的信号送窗口式鉴幅比较输入端，经比较将一定强度的探测信号转换为宽度不同的等幅脉冲输出。微波探测器电路使用的主要元件是单电源通用四运算放大器KIA324P 、环形天线、微波振荡管C3355 及一些外围元器件，外接6V 电源。其电路图如图3.2 。当有人在该微波防护区内移动时，振荡频率和幅度发生相应的变化。根据多普勒效应，该波动的频率与物体运动的快慢有关，而幅度与距离有关。混频后高频信号因为过高而失去作用，剩下微弱的低频信号经U1 作前级放大，10 pF 电容与7.5K 电阻构成充电电路，充电电压作为第一级比较器U4 的基准电压，同时实现延时功能，即只有前级放大电压高于该参考电压时，输出才为高电平，此时，C9O15 导通，最后信号经U2 、U3 构成的窗口比较器比较后输出探测到的信号12。实验过程中报警范围实测约为7-8 米，探测到有效信号时，有20 秒的报警信号输出，LED 发光做出预警指示，可有效的进行实时探测。该电路可以工作在较宽的电压范围内（标准电压是32V ，但实际可以工作在很宽的电压范围内），当检测到异常信号时为高电平。图3.2 微波探测器电路图3.2 防火探测器电路设计温度探测器使用数字温度传感器DS18B20 , 5V 直流电压供电。DS18BZO 的测温原理是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，把温度信号直接转换为串行数字信号，通过内部计数器对受温度影响的振荡器周期的计数可实现温度测量。探测器中DS18B20 采用寄生电源供电方式，保证在有效的DS18B2O 时钟周期内能提供足够的电流，图3.3 中采用一个MOSFET 管和MCU 的I/O 口来完成对DS18B2O 的总线上拉，然后通过另一I/O 对DS18B2O 进行控制并取得温度值。图3.3 温度探测器电路3.3 用户端自动报警器总体设计用户端自动报警器是本课题的设计重点，自动报警器组成框图如图3.4 所示，主要包括拨号模块、语音模块、电话接口模块、键盘密码显示模块以及电源模块7。报警器功能已在1.2 节具体描写过，这里不再详述，本节着重介绍与自动拨号功能相关的硬件电路设计。微波防盗探测器温度探测器用户端自动报警器CPUAT89C51看门狗电路EEPROMDTMF拨号电路语音检测电路电话接口电路开关电路输入输出控制电路备用电源图3.4 用户端自动报警器组成框图系统微处理器采用美国ATMEL 公司生产的AT89C51 单片机。AT89C51 采用COMS 工艺，是一种低功耗、高性能的，与INTEL 8051 系列单片机完全兼容的8 位微控制器。AT89C51 内部具有4K 字节的Flash （闪速）存储器，可反复擦写，在设计程序时可反复修改原程序、编译、并烧写到单片机，适合单片机最小系统的开发与研制。3.3.1 自动报警器电路设计自动报警器电路见图3.5 。时钟电路由两个30P 的电容和12MHz 的晶振构成。复位电路由电阻、电容、二极管和按键开关构成，具有上电复位和手动复位的功能。单片机的INTO 、INT1 分别与盗警、火警传感器相连，实现各种警情的采集。为防止环境干扰信号对触发中断的影响，当响应中断后，对中断信号多次（如5 次）巡检，确认是中断信号时，才去执行中断处理子程序，否则认为是外界干扰信号不执行报警处理，有效降低误报几率。图3.5 自动报警器电路P2.1 与语音电路相连，实现语音的回放控制。P2.2 接通讯接口转换芯片的数据发送、接收片选端RE (DE）。P2.3 与电话接口电路相连，实现模拟摘挂机的控制。P2.4 接探头掉线检测端，单片机对该口定时查询，正常时为高电平，当检测到低电平即发出掉线警报10。P2.5 接交流电源掉电报警信号（交流断电后由直流电源继续供电，直流电源放电低于预警值后向自动报警器发直流断电预警信号。P1.0 、P1.1 、Pl.2 为接键盘电路的三根I/0 口线，Pl.3 接紧急呼救按键。Pl.5 接液晶显示器的串行时钟输入端，Pl.6 接液晶显示器的数据输入端。Pl.7 接多路开关CD4O51 的片选端INH , PI.4 、P2.6 分别接多路开关的输入端A 、B 。多路开关输出分别接报警LED 、蜂鸣器，有警报发生时开关的输出I/O 口给出高电平信号。PO.O 、P0.1 、P0.2 和P0.3 分别与MT8888 的DO 、Dl 、D2 和D3 相连，用作数据总线。P2.0 与MT8888 的RSO 相连，控制MT8888 内部寄存器的选择。P2.7 与MT8888 的CS 相连，控制MT8888 的选通。P3.6 、P3.7 分别与MT8888 的WR和RD相连，控制MT8888 的读写。P0.4 、P0.5 接EEPROM 的串行输入和串行输出端，P0.6 、PO.7 分别接EEPROM 的串行时钟输入和片选输入端。3.3.2 串行EEPROM-X25045 本设计中采用了具有可编程的串行EEPROM-X25045。X25045 是美国公司XlCOR 低功耗CMOS 的产品（备用电流10uA 、工作电流3mA) ，它把看门狗定时器、VCC 监控电路和EEPROM 三种常用功能组合在单个封装内，增大了电路密度，减少了体积，提高了系统的可靠性，是设计成直接与许多通用的微控制器系列的同步串行外设接口（SPI）相接的512X8 位EEPROM 。本系统中X25045 依次存储了标志字段、用户编号、话机号码、报警器编号、警情代号、系统设置等数据信息。VCC 监控功能是指只要VCC 电平降至低于最小转换电压或者看门狗定时器达到其编程的超时极限值，RESET 的输出为高电平。 X25045 包括一个8 位指令寄存器，它可以通过SI (P0.4）输入来访问，数据在SCK (P0.6）的上升沿由时钟同步输入。在整个工作周期内，/CS (P0.7）必须为低电平，/WP 必须为高电平。X25045 监视总线，如果在预置时间内没有总线活动，那么它将提供RESET 信号输出19。在S1 线上输入的数据在/CS 变为低电平后的SCK 的第一个上升沿被采样，由SCK 的下降沿输出到50 (P0.5）线上。SCK 是静态的，允许用户停止时钟并在其后恢复操作。所有的指令、地址和数据都以MSB （最高有效位）在前的方式传送，读和写指令的指令格式中均包含有地址高位A8 ，此位用于选择器件的上半部或下半部。在上电和字节、页或状态寄存器写周期完成以后及WP 变为低电平时，写使能锁存器被复位（即禁止写操作），因此写操作前必须设置写使能锁存器。如图3.6所示：D7D6D5D4D3D2D1D01-正在写，0-没有写操作1-锁存器置位，0-锁存器复位块保护位看门狗定时器位图3.6 状态寄存器格式本系统中对X25045 的读数据、写数据、置位写使能的操作过程简述如下： 1. 从X25045 中读数据的操作为：把CS 拉低以选择芯片：发送8 位的读（READ ）指令；送8 位的字节地址；将所选定地址的存储器中的数据移到S0 线上。继续提供时钟脉冲可连续读出接下的地址空间中的数据。每移出一个字节数据之后，字节地址自动增加到下一个较高地址。达到最高地址（$1FFH）时，地址计数器翻转至$OOH ，无限循环下去。把CS 置为高电平，可以中止操作。2. 置位写使能锁存器操作为：/CS 先被拉到低电平；由时钟同步送入写使能指令；将/ CS 变为高电平，否则写操作忽略。3. 写数据到X25045 的操作为：拉低/CS 并保持在低电平；发送写指令；写数据。可以连续写多达4 个字节的数据，但必须是这4 个字节驻留在同一页上。否则计数器将翻转到页的首地址并重新写可能已有数据写入的任何单元20。X25045 具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口（Serial Peripheral Interface , SPI) ，最高可达1MHz 串行时钟频率。这里用单片机的三根口线Pl.3 、Pl.4 、Pl.5 来模拟SPI 接口。X25045 接口电路如图3.7 所示，P0.4 与X25045 的串行输入脚SI 相连，用于输出操作码、字节地址以及写入数据；P0.5 与X25045 的串行输出引脚SO 相连，用于读出数据；P0.6 与X25045 串行时钟输入脚SCK 相连，作为串行数据输入和输出的时钟信号。由于X25045 的复位输出信号为高电平有效，故和89C51 复位方式一致。本系统中自动报警器也将处理过的数据存入X25045。 看门狗定时器（WDO 和WDI）位用于设置延时时间。这些非易失性的位通过WRSR 指令来设置。本系统中采用0.6s 的超时周期。图3.7 X25045 接口电路图3.4 自动拨号及语音报警电路设计3.4.1 拨号电路本系统设计的自动拨号电路可通过电话网络实现自动寻呼，对所指定的机构或人员发出求救信号，简述事故性质及地点，使救援人员采取相应措施来制止事故，系统主要功能如下：1. 报警优先功能：主机与用户电话机共用一条电话线，非报警时，不影响电话的正常使用，电话机的正常使用不影响也不干扰主机报警。主机报警时，优先拨打报警电话。2. 自动拨号功能：可设定1-6 组电话或手机号码，每组不超过15 位数。3. 用户对自动拨号报警系统可自行设定和修改密码。4. 可自行录制语音：语音播送，由使用者自行录制，存录“状况”（如有人闯入，失火，等），使用者的姓名，地址，电话等。自动探测通话状态：报警时自动探测对方电话机的使用状态，若对方为占线或响铃后无人接，则保留跳过，等下一轮续拨17。5. 记忆储存功能：本系统采用X25045 为记忆元件，电话号码，报警信息存录等所有输入都不会因为电源失去而变动。3.4.1.1 MT8888 芯片简述加拿大Mitel 公司生产的DTMF 信号编解码芯片MT8888 芯片，不仅具有DTMF 信号收发功能，而且具有电话信号音检测功能。由于是采用CMOS 制造工艺，芯片集成度高，功耗低（只有57.8mW) ，工作稳定可靠，因此在必须同时具备DTMF 信号接收和发送的功能的系统中倍受人们的青睐18。另外，MT8888 可以方便与MCS51 系列单片机接口，外围电路简单。因此，MT8888 被广泛应用于信用卡系统、寻呼系统、中继系统、移动通信、互连拨号以及个人电脑等领域。MT8888 芯片特点：1. 具有多种工作模式，可由内部控制寄存器选择，所以功能很强。如编程选择双音群 ( BURST）发送模式时，它间歇发送任意个数的双音信号，双音信号持续时间精确控制在51ms ，符合DTMF 信号解码标准。也可扩充为1O2ms 双音群模式，符合电话自动拨号标准。编程选择呼叫进程检测（call programs）模式时，能检测电话信号音。2. 频率精度高，片内对双音群模式的占空时间精确定时。3.4.1.2 芯片工作原理MT8888 硬件电路由接收、发送和控制三个主要部分组成。接收电路包括信号放大、拨号音抑制滤波、输入信号的高低频带通滤波、译码及锁存等功能，用于完成DTMF 信号的接收、分离和译码，并以4 位（16个数字）并行二进制码的方式输出。发送电路包括数据锁存、行列计数、D / A 转换和混频等功能。MT8888 的发送部分采用信号失真小、频率稳定性高的开关电容式D/A 变换器，可发出16 种双音多频DTMF 信号。MT8888 芯片可调整双音频模式的占空比，能自动抑制拨号音和调整信号增益，还带有标准的数据总线，可与TTL 电平兼容，并可方便地进行编程控制。接收部分：前置输入电路可以有差分输入和单端输入两种形式，如图3.6 所示。差分输入电压增益：Avdiff=R5/Rl 差分输入阻抗： 单端输入电压增益：Av -Rf/Rin 。元件典型值C1= C2 = IOnF 、Rl = R4 = R5 = IOOk、R2 = 60k、R3 = 37.5k、R3=（R2 X R5) / (R2 + R5) DTMF信号经运放输出到两组6 阶开关电容式带通滤波器，分离出低频组Flow 和高频组Fhigh信号。低频组中的陷波器把35OHz 和440Hz 的拨号音滤除，每组滤波器连接一阶开关电容式滤波器以提高分离信号的信噪比，由高增益比较器组成的限幅器去除低于检测门限的弱信号或噪声6。解码器采用数字计数方式检测DTMF 信号频率，利用复杂的平均算法防止外来的各种干扰，当检测器识别到有效的DTMF 信号时，预控端EST 输出高电平。发送部分：DTMF 产生器是发送部分的主体，它产生全部16 种失真小、精度高的标准双音信号，这些频率均由3.5795MHz 晶体振荡器产生。电路由数字频率合成器、行列可编程分频器、开关电容式D/A 变换器组成。行和列单音正弦波经混合、滤波后产生双音信号。DTMF 编解码表把编码数据写入MT8888 的发送寄存器产生单独的Flow和Fhigh，Fhigh和Flow dB输出的幅度之比为2dB ，目的在于补偿高频组信号经通信线路的衰减，即经过预加重处理。写操作时，总线上的4 位数据被锁存，可编程分频器进行8 中取2 的编码变换，定时长度确定该信号的频率，当分频器达到由输入编码确定的计数值时，产生复位脉冲，计数器重新计数，改变定时长度可变频率。编码电路由开关电容式D/A 变换器组成，得到高精度的量化电平。低噪声加法放大器完成行和列单音信号的混合。输出级有带通滤波器，用来衰减大于8kHz 的谐波。控制部分: 前两部分为模拟信号处理系统，当满足信号条件时系统有输出。为了接收可靠，还应满足识别条件，即检测有效信号的持续时间，EST型号驱动外接R1,C1积分电路，如图3.8所示。C1放电，在有效时间内EDT维持高电平，当VC=Vtst时（控制逻辑的门限电平）, GT 输出信号驱动VC 至电源电压VDD ，经延时后，控制逻辑把片内状态寄存器的延迟输出标志位置提高。图3.8 控制电路原理图如选择中断模式，当延迟标志位置高时，IRQ/CP 引脚由高电平变为低电平，为CPU 提供中断请求信号，延迟控制电压的跳变沿把数据锁存至输出端。3.4.1.3 芯片工作方式MT8888 通过微处理器接口由RSO 、WR、RD 、D0-D3 选择内部寄存器，以控制电路的工作模式。它有5 个寄存器：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 (CRA）和控制寄存器B (CRB）。其中CRA 和CRB 占用同一地址，先写CRA ，后写CRB ，是否写CRB 由CRA 的最高位控制11。MT8888 有多种工作方式，它们分别为：1. DTMF 模式：发送与接收DTMF 信号。输入数据经TDR 控制可编程行、列计数器、D/A 变换器，合成需要发送的DTMF 信号。或DTMF 信号经拨号音抑制、分离带通滤波器、监频与确认，译成相应的4 比特码，经RDR 输至数据总线。2. 呼叫处理（CALL）模式：电路可以检测电话呼叫过程中的各种信号音，只要信号的频率落在32OHz-51OHz 范围内，片内呼叫处理滤波器便可滤出。经限幅得到的方波信号，由IRQ/CP 端输出，以用于微处理器对呼叫性质和类别进行判断。若无信号滤出，则IRQ/CP 端始终保持低电平。3. 突发（BURST）模式：在DTMF 模式下，工作于突发状态，信号突发和暂停时间各为51ms ；在CP 模式下，工作于突发状态，信号突发和暂停时间各为102ms ，此时电路只可发送DTMF 信号，但不能接收。4. 单/双音（S/D）产生模式：电路可产生单音或DTMF 信号（由CRB控制），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IRQ/CP 端输出。6. 中断模式：此模式下若选择状态，当DTMF 信号被接收或出现在监测时间内，或准备发送更多数据（突发模式下）时，则IRQ/CP 端下接至低电平。3.4.1.4 DTMF 拨号原理现在的电话机多数是双音频电话，下面就以双音频为例介绍电话拨号的原理。双音多频（DTMF）是指用两个特定的单音信号的组合来代表数字或功能。两个单音频的频率不同，所代表的数字和功能也不同。双音多频拨号方式中有16个按键，对应有8种不同的单音信号，因其采用的频率有8种，所以称为多频，如表3.2 所示14。从中任意抽出2 中进行组合，又称其为8中取2的编码方法。根据国际电话电报咨询委员会（CCITT) Q.23 号建议，DTMF 选号方式选用8个频率，把这8种频率分成两个群，即高频群和低频群，其中低频群有4种频率：679MHz,770MHz,852MHz,941MHz，高频群也有4种频率：1209MHz,1336MHz,1477MHz,1633MHz。从高频群和低频群中任意各抽出一种频率进行组合，共有16种不同的组合，每一个键号分别对应于一种低音频和高音频的正弦波之和，代表16种不同的数字或功能。1029MHz 1366MHz 1477MHz 1633MHz679MHz 1 2 3 A770MHz 4 5 6 B862MHz 7 8 9 C941MHz * 0 # D表3.2 DTMF 拨号方式中16键组合表用双音多频拨号方式传递音频信号，其传播速度快，不发生畸变，传输方便，抗干扰能力强，可以减少交换机的差错。3.4.1.5 拨号芯片及外围电路MT8888 提供了与微处理器相连的接口，以对其发送、接收和工作模式进行控制。MT8888 可与Intel 微处理器直接接口，即使使用单片机89C51 ，也无需插入等待周期。本系统中，MT8888 及外围电路参见图3.9 。它的接收部分采用单端输入，由R201 、R202 和C201 组成，其输入电压增益为R202/R201 = 2 。它的发送部分R205 、R206 、C2O4 、C2O5 和XTAL2 构成，其中XTAL2 为3.5795MHz 的晶体振荡器，负责产生全部16种标准双音信号。它的控制部分由R2O3用上拉电阻R204 ，与单片机P3.5脚相连。C2O3 为去藕电容。DTMF IN 和DTMF OUT与电话接口电路相连。MT8888 与微机接口非常很方便，通过改变R2可调节输入信号的增益。图3.9 拨号电路3.4.2 语音电路3.4.2.1 ISDI420 芯片简述ISD1420 语音芯片是由美国ISD ( Information Storage Device ）公司开发的高保真、不怕断电、录放一体化的单片固态语音集成电路。其片内设有时钟振荡器、128K 字节EEPROM （电可编程可擦除只读存贮器）、低噪前置放大器、自动增益控制电路、反混叠滤波器、平滑滤波器、模拟转发器、差动功率放大器等高品质语音录放系统所需的全部基本功能电路12。 ISD 系列语音芯片特点：1.所需外围元件少，电路简单，操作方便。2.采用直接模拟量存贮技术DAST ( Direct Analogs Srorage Technology ) ，再现优质原声。3.零功率信息存贮，省掉备用电源。淤信息可保存10 年以上，可反复录放达10 万次之多。4.易于使用，语音固化无需专用编程或开发装置，可随意改变录音内容。5.较强的选址能力，可进行分段管理和分段存储多段信息。6.具有自动省电模式，录音和回放后即刻进入等待模式，此时仅需0.5 uA的维持电流。7.自带时钟源，高抗干扰性能。8.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1/4 ，约为12OmW 左右。 9.采用总线技术，适于同单片机接口。3.4.2.2 芯片工作原理录音过程中，ISD142O 在进行存储操作之前，要分几个阶段对信号进行调整。首先要输入信号放大到存储电路动态范围的最佳电平，这个阶段由前置放大器、放大器和自动增益控制部分来完成。前置放大器通过隔直流电容与麦克风连接，隔直流电容用来去掉交流小信号中的直流成份（大约2mA ）。信号的放大分两步完成，先经过输入前置放大器，然后经过固定增益放大器。完成信号的通路要在模拟输出端（ANA OUT）和模拟输入端（ANA IN）两个管脚之间连接一个电容器。自动增益控制电路动态地监控放大器输出的信号电平并发送增益控制电压到前置放大器。前置放大器增益自动调节以便维持进入滤波器的信号为最佳电平，这样录音的信号能得到最高电平又使削波减至最小。我们可以通过选择连接到AGC 管脚的电阻和电容值来调节描述自动增益电路特性的两个时间常量，即响应时间和释放时间。下一个阶段的信号调整是由输入滤波器完成的。由于模拟信号的存储仍然是采用取样技术，因此还需要一个抗混淆滤波器以去掉（或至少减到可忽略不计的程度）取样频率1/2 以上的输入频率分量。这样就满足了所有数据采集系统都遵循的奈奎斯特取样定律。语音的质量要想优于电话的音质，取样频率要用8kHz 。低通滤波器的高频频限选在3.4kHz ，可满足奈奎斯特取样定律，而且仍有足够宽的频带以得到高音质的语音。滤波器是一个连续时间五极点低通滤波器，在3.4kHz 每个倍频程衰减40dB 。信号的调整完成后，将输入波形通过模拟收发器写入模拟存储阵列中。由skHz 取样时钟取样，并且经过电平移位而产生不挥发写入过程所需要的高电压，取样时钟也用于存储阵列的地址译码，以便输入信号顺序的写入存储阵列。 放音时，录入的模拟电压在取样时钟的控制下顺序地从存储阵列中读出，恢复成原来的取样波形。输出通道上的平滑滤波器去掉取样频率分量并恢复原始波形，平滑滤波器的输出通过一个模拟多路开关连接到输出功率放大器，两个输出管脚直接驱动扬声器。3.4.2.3 芯片工作模式ISD142O 具有多种工作模式，其地址输入端具有双重功能。它可以根据地址中的A6,A7 的电平状态决定AO-A7 的功能。如果A6,A7 有一个低电平，A0-A7 输入全解释为地址位，即作为起始地址用，此时地址线仅作为输入端，在操作过程中不能输出内部地址信息。根据PLAYE 、PLAYL 或REC 的下降沿信号，地址输入被锁定。如果A6、A7 同为高电平时，它们即为模式位。操作模式可以方便的与微控制器一起使用，也可通过硬件连线得到所需系统操作。 地址0是ISD1420 存储空间的起始端，所有初始操作都是从O 地址开始，后面的操作可根据模拟模式的不同，而从不同的地址开始工作。当电路中的录、放音转换将进入省电状态时，地址计数器复位为0 3。当PLAYE 、PLAYL 或REC 变为低电平，同时A6 、A7为高电平时，执行地址线所对应的操作模式。这种操作模式一直执行到下一个低电平控制输入信号出现为止。3.4.2.4 语音芯片及外围电路本系统的语音电路如图3.11 所示。这是应用ISD1420 作为基本录放音的电路，所有的地址线均设置为“O” ，所以放音的起始地址是O 。当按下REC 键后，录音开始，数据从O 地址开始存储，直到存储器满或者松开按键为止。当按下PLAY 键后，则开始放音，直到PLAY 松开或者存储器用完为止。 LED2 为录音指示灯，当处于录音状态时，ISD1420 的25 脚被拉成地电平，LED2 发亮。语音信号由驻极体话筒拾取，从MIC 和MIC REF 两端输入芯片内部的放大器放大，该放大器的输出信号从ANA OUT 端引出，外部使用C3O2 藕合至另一个放大器的输入端ANA IN ，做进一步放大，经功放后的音频信号从SP和SP-两端输出并推动扬声器发音。扬声器的接法也可以一端接地，另一端任意接SP或SP-，因此，在此电路里，SP 被用来与电话接口电路相连，以送出语音信号。C3O5 和R3O5 为增益调整电路。图3.11 语音电路3.4.3 电话接口电路电话接口电路参见图3.12 。此电路起着很重要的作用，拨号电路、语音电路均需要通过它与外界相连，它完成电话线在系统与电话机之间的转换。平时电话机连在电话线上，系统与电话线断开，不会干扰电话通信。若需报警时，系统控制继电器转换，系统接上电话线，电话机与电话线隔离，不会影响系统的工作。为了降低系统功耗，继电器选择了高灵敏型，工作电压为5V 。目前，交换机的工作电压为直流60V 或者48V，通过外线a 、b 接入用户话机。为了确保拨号电路的DTMF信号正常发送和语音电路语音信号的正常播出，须设置极性保护电路，由二极管桥路构成，不论用户如何将外线接入LINE IN 口，都能确保电路内部的2 线为正电压。另外，有的交换机可提供的工作电流为50mA 或者12OmA ，因此，极性保护电路中的二极管反向耐压必须大于180V ，允许的正相电流必须大于180mA 。可以选用IN4004 、IN4007 等。 根据邮电部关于电话入网的标准，摘机状态下的直流电阻应该小于等于300 欧，因此，在极性保护电路后直接接一个200欧的大功率电阻，以模拟摘机挂机。当模拟摘机时，用户外线电压降至10V 左右14。模拟摘挂机由继电器吸合配合实现，V501 与单片机P2.3 口相连，模拟挂机时，工作于截止状态，当单片机发出模拟摘机命令时，P2.3 变为低电平，三机管由截止变为饱和，继电器工作，触点闭合，300欧电阻接入电话网，实现模拟摘机操作。拨号电路、语音电路可通过1 : 1 隔离变压器与电话接口电路相连。图3.12 电话接口电路3.5 键盘与密码显示电路设计键盘与密码显示电路负责系统与外界的联系，数据或命令的显示，包括：密码输入、修改密码输入、电话号码设置、紧急呼叫、录音、放音等功能。3.5.1 键盘电路按键在单片机应用系统中是一个关键部件，它用来实现向单片机输入数据，传送命令等功能，是属于人机通道电路。这里采用节省单片机I/0 端口的键盘电路，只用到3 根I/0 口线，普通接法只能接3 个键，我们在常规接法的基础上增加了3 个二极管，并采用了新的接法。其软件处理使用了端口访问和扫描检测两种方法，从而使按键数可达到16个，同时由于采用了组合逻辑来直接对端口进行读取，因此极大的简化了程序的处理过程，也节省了宝贵的存储器和CPU 资源。该电路在程序处理时，由AT89C51 首先向I/01-I/03 写高电平，然后读入17。如果非全1 ，说明KO-K6 中有键按下，此时可根据读入的端口状态来判断键的状态：如果读入的结果为全1 ，则I/01-I/03 轮流输出低电平，再读入，这样就可以根据另外两根I/0 线的状态来判别是K7-K15 中的哪一个键被按下。重复调用键盘处理子程序可将读取的键值与上次的值进行比较，直至两次读数相同为止，这样即可消除按键抖动所造成的误读。IO1、IO2 、IO3 分别接AT89C51 的P1.O 、Pl.1 、Pl.2 口。K0-K9 分别代表十个数字键，K1O 为清屏键，K11 为密码确认键，K12 密码修改键，K13 为录音键、K14 为放音键，K15 为紧急呼救键。3.5.2 密码显示电路当探测器检测到异常信号传给自动报警器时，只有解码正确时才会有开锁电平输出给单片机，控制关闭中断，解除用户端自动报警器的监测报警状态。此时，自动报警器对这个异常信号不做出任何响应，直到被复位后，自动报警器才重新开始工作。如果六次误码输入，则产生报警信号电平，触发报警器中断响应，此时报警器进入报警状态，自动拨号发出报警信号。密码电路中设有50 秒定时中断输出控制信号，防止长时间无效操作。当有超过50 秒的无效操作时，中断开启，发出报警信号21。密码由用户端自动报警器设定，并可随时更改，由键盘可输入用户新密码。用户不小心输入错误时，在规定时间内更正密码即可解除报警，有效的预防了误报。输入密码时的按键有效提示由绿色发光二极管来实现，即密码输入正确时发光二极管被点亮；密码输入错误警告由红色发光二极管来实现，当输入密码错误时红色发光二极管被点亮。 显示模块选用EDM-CO02 八位串行输入段码式LCD 模块，是由八位的七段型液晶显示器件与显示驱动器HD44100 构成，可实现数据实时显示功能。HD44100 接收来自显示控制器的时序信号和串行数据，并把它们转换成相应的液晶驱动波形输出。3.6 系统电源的设计3.6.1主电源本系统主电源采用直流电源5V 和6V 供电，原理图如图3.13 所示。电源部分电路为典型的7805 / 7806 应用电路，具有两路电源输出。该电路具有短路保护功能，变压器输出7V 交流电，经桥路整流，电容滤波，送入7805 / 7806 输入端，最后输出SV / 6V 直流电。电阻与红色LED 构成电源工作指示电路，绿色LED 和蜂鸣器用于短路报警指示。图3.13 主电源原理图3.6.2 备用电源火灾探测器应实现24 小时不间断监控，不允许出现停电故障，这就需要使用备用电源。用备用电源作为主电源对单片机系统供电的补充，可以使单片机系统在工作期间，不致因电网突然断电，导致计算机系统RAM 中的数据丢失而中断工作，更主要的是它可以避免因电源中断造成整个计算机系统的瘫痪9。备用电源的主要作用是在输入回路断电时，将电池的电能供给负载，当电源恢复正常后，输入回路既负责向负载提供电源还要负责向电池充电。图3.14 为在线式备用电源工作原理图，是可以实现及时、正确、可靠地产生交/直流掉电预警信号的直流在线式备用电源。ICL8212 是一种高性能可编程的电压检测器，它能在供电电压低（l.8V ）、宽范围( 1.8-30V）条件下正常工作，其性能受环境温度的影响极小，在整个供