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防盗报警系统的设计防盗报警系统的设计毕业论文 第1章 绪 论随着社会经济的飞速发展，人们对其住宅的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适的住所，而且对安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。本文设计了一种新型盗报警系统，能可靠的进行日常安全防范工作，及时发现各种险情并通知户主，以便将险情消灭在萌芽状态。1.1 课题背景随着电子通讯技术的飞速发展，单片机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比高等突出优点已在工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。因此，利用单片机和一些简单的外围器件来开发种适合于家庭的低价位、运行可靠的智能型安全防盗报警系统，对室内出现入室盗窃等自动发出报警信息并通知户主进行及时处理已经势在必行。红外线作为一种不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。红外报警器大多数采用国外的先进技术,其功能也非常先进。其中包括被动式热释电型红外报警器,还有红外监控无线报警器、超声波防盗报警器、红外线防盗报警器、高灵敏红外报警器、触摸式延时防盗报警器、 触摸式防盗报警器、红外报警器、 红外线声光报警器等。为满足现代住宅防盗的需要而设计的基于单片机的家庭防盗报警系统，它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进，不但可以用于单一的住宅区，也可以规模用于比较大规模住宅区的防盗。它的工作性能好，不易出现不报和误报现象，安全可靠。不仅如此，它使用了单片机做信号处理器，这样非常有利于与计算机相连接，利用计算机统一管理，使整个小区的住户基本情况、资料等在计算机内存储起来，方便来访人的查询和保安人员的统一管理。1.2 防盗报警系统的介绍防盗报警系统是用物理方法或电子技术自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，便于迅速采取应急措施。防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。防盗报警系统由探测器、传感器、控制器、报警器、显示器几部分构成。控制器实现对热释电红外探测器和振动位移传感器的循环扫描，并控制报警信号处理电路作出相应状态处理，如果有报警信号的话，延时12秒对该端口进行一次扫描确保真的有险情时立即发出报警信号，控制报警电路报警，同时通过液晶显示器显示单元显示具体的事发位置。1.2.1 防盗报警器的分类报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。防盗探测器是否采用电源分类可分为无源和有源两种。从防盗探测器与报警主机的连接方式可分有线与无线。除了以上区分以外，还有其他方式的划分。在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范要求。报警探测器作为传感探测装置，用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。在各种各样的智能建筑和普通建筑物中需要安全防范的场所很多。因此，就需要各种各样的报警探测器，以满足不同的安全防范要求。1.2.3 防盗报警系统在国内外的发展在我国，家庭智能报警是一项重要内容，报警器应具有多个探测器接口，可接收红外及微波探测器、感烟探测器、温度探测器、煤气泄漏探测器等传来的报警信号，然后通过通讯网络将报警信息传送到相关人的通讯设备上，以使灾情得到及时处理，保护人们的生命财产安全。国内报警设备主要是在两方面发展较快，一方面是探测器技术和探测器的发展，一方面是远程报警系统的发展。探测器的发展主要表现在出现了被动红外、超声波和微波三种不同的探测技术。但前途的是复合式探技术，即在同一个封装盒里安装两种以上不同的探测器，两者组合后误报率将会大大降低。目前我国有关报警系统主要就是无线式系统。它具有安装方便、简单，一次性投资小的特点，但它存在覆盖面积小、误报率高等问题，使用场合受到一定限制。但由于此类产品具有体基于彩信的无线红外防盗报警系统的硬件设计.体积小、耗电低、成本低、功能单一等优点，适合住宅小区的防盗报警。在北美，从上世纪初报警呼救箱放置在街头巷尾，在呼救时发出声响提示，以寻求附近警察的帮助；同时，这种呼救箱直接连接到附近的警局，使得稍远一些的警察也能够收到呼救信息。随后，由于通信技术的发展，提供远程通信服务的电报公司加入到这个行业中，从而使得报警信息可以通达到更远的地方；不过，这种电报方式毕竟难以普及，所以稍后出现的电话理所当然地成为报警通讯的主要手段。而此后自动拨号系统的出现以及电话普及到千家万户，更使得通过电话线报警的方式得到了前所未有的发展。目前，对北美的安防产业来说，最成功的经营模式就是联网报警服务模式，联网报警将整个北美的安防产业从横向到纵向进行整合串并，形成了一个集中许多高科技手段和产业化管理水准的一体化综合性产业。比如世界排名第一，北美最大的安防跨国公司一美国棋诺亚公司，它在世纪年代开始搞简单的防盗报警，其当时的业务范围和技术水平跟中国现在很多安防企业是相当的。到70年代，它对其产业的整体发展方向做了很大的调整，变为联网报警服务商，建立了首家网管中心，尤其引用了大量的网管技术、系统集成技术和电子技术，现己成为十分先进的联网报警服务平台。从以上过程来看，报警行业的发展是以工业技术发展为基础的，只有具备良好的通信手段，才能够把各地的报警信息汇聚到相应的权威部门，然后由权威部门负责分配有限的警力来帮助到所有的社会个体。在现代计算机技术、自动控制技术和现代通信技术的支持下，安防系统也是一个很完善的计算机控制系统，防盗报警系统，电视监控系统，声音系统，门禁系统和巡更系统统一由一台计算机进行管理，标志我国的安防事业进入一个新阶段。1.2.4 防盗报警系统的发展前景与趋势传统的机械式家居防卫在实际使用中暴露出一些明显的问题，如：影响楼房美观，市容整洁；影响火灾救援通道；给犯罪分子提供了便利的翻越条件；时间久了会有高空坠物的危险等。因此，作为新一代的智能安全防盗报警器系统就应运而生，并日益受到广泛的重视和运用。数字化、无线化、集成化是防盗报警系统进一步发展的要求，所以我们不难发现防盗报警的技术发展趋势：更稳定可靠：如探测器可抗RFI/EMI（电磁干扰/射频干扰）、防雷电等，以适应恶劣气候；更多样的功能：如探测器可调频、防遮挡、防喷盖、防破坏等；更精美、小巧的外观：以符合品味日益提高的室内装潢需求；更智能化的设计：方便地设/撤防，人性化的操作界面；更强大的联网功能；更方便的扩展性。上述发展趋势，事实上都建立在数字化、无线化、集成化的三大核心技术基础上。1.3 设计要求与研究内容防盗报警系统是利用探测器装置对建筑物内外重要地点和区域进行布防、探测。当探测器探测到非法入侵，报警器工作状态变为报警状态，产生报警声。本论文的目的就是设计出一种符合上述要求的防盗报警系统。1.3.1 设计要求本文所研制的报警系统的功能要求如下:主控芯片：AT89C51,工作在12MHz时钟频率；检测信号：采用复合式传感器，热释电红外传感器和振动位移传感器并接使用，增加报警可靠性，下降沿触发，低电平保持宽度 1ms，监测负载 600；输入通道：监测信号，220V交流电源输入；报警方式：声光报警，自动拨号报警；显示方式：液晶显示，LED电源指示，LED报警显示；输入方式：4*4矩阵键盘和系统复位独立按键；系统电源：工作电源 220V交流输入，3.6V备用电源；相关功能：正常情况下显示当前时间，时间可调；实时对16路输入信号异常产生声光报警，并显示当前异常通道和产生异常时间并记录相应时间，报警时长可调（0198s，199不自动停止），每通道能够记录2次异常时间（最早和最新时间）； 具有记录查询和删除功能，能够查询每路历史异常记录，并能删除记录 系统对自身部分数据处理错误能产生提示。1.3.2 研究内容本课题需要研究的内容主要有以下几个方面：根据系统功能要求且考虑产品的性价比，进行系统的整体方案设计。该方案采用模块化设计方法，以方便系统的调试和用户的使用。系统硬件设计包括芯片的选型、所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设计。主要内容有单片机的选择、主机电路的设计、传感器的选择、报警电路的设计。下面分4章从系统总体的方案设计、系统的硬件设计、系统的软件设计、系统的抗扰对本设计做详细的介绍。第2章 系统总体设计方案 实现家庭防盗报警系统方法有多种，传统的报警方式采用声光报警，新型报警系统通过电话网络将警情及时通知主人。2.1 方案选择论证该系统设计方案有以下两种：方案一：报警方式只有传统的声光报警；显示方式采用数码显示，占用I/O较多，体积较大，采用扫描显示占用机时，采用静态显示则需要更多芯片；数据存储直接利用单片机内部RAM存储记录数据；按键方式采用中断矩阵键盘，相同按键占用I/O口较少，中断方式不占用多余机时，但多占用一位中断口；时间运行方式采用单片机内部定时中断计时，存在加大误差，而且完成日的处理程序复杂。如下图2.1所示。 单片机 AT89C51电 源内部RAM存储热释电传感器中断矩阵键盘LED报警蜂鸣器数码显示 图2.1 方案一设计框图方案二：报警方式在声光报警的基础上添加了自动拨号报警方式，更加安全可靠；显示方式采用1602液晶显示模块，仅需8位数据线和3位控制线，占用I/O口较少，而且能显示字符，显示位数更多，不需要其余外围芯片；按键方式采用扫描矩阵键盘，相同按键占用I/O口较少，扫描键盘占用机时。其设计框图如图2.2。通过比较，方案二能满足我们实时快捷的要求，更加简单有效，故本设计选择方案二。采用扫描式4*4扫矩阵遥控键盘，仅当需要输入时扫描键盘。2电源X25045存储复合式传感器4*4矩阵键盘蜂鸣器报警 LCD显示 单片机 AT89C51拨号报警电路 LED报警 图2.2 方案二系统框图本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、信号放大处理、人工键盘控制、报警执行、报警显示等子模块。系统电路结构可划分为：传感器检测、报警执行电路、单片机控制电路、LCD控制显示电路及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、数据处理、数据传送、功能设定、报警等功能。整个系统由AT89C51、键盘、LCD显示屏、X25045存储芯片、检测信号输入、声光报警电路和自动拨号电路组成。通过结构框图系统可看出：以AT89C51为系统中心，单片机与AT24C02交换存储号码记录信息，通过4*4矩阵遥控键盘扫描输入相关信息，通过LCD 显示屏显示相关信息，检测信号异常时对单片机申请中断，单片机通过相关处理产生异常信息，通过声光报警（蜂鸣器，报警指示灯）并进行自动拨号。本系统电源可采用220V交流电输入，也可直接提供5V电源，。系统的单片机时钟采用12MHz晶振；4*4键盘输入行线接入P1.0P1.3口，列线接入P1.4P1.7口；P3.4口接报警系统的蜂鸣器驱动，蜂鸣器采用三极管驱动，并联续流二极管防止三级管击穿；P3.7口接报警系统的报警指示灯。单片机的P0口做数据输入输出口；LCD的数据输入经过P0口，LCD三位控制线分别连接P2.5、P2.6、P2.7。2.2 主控芯片AT89C51所谓单片机就是一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定时/计数器和多种I/O接口电路等而具有一定规模的微型计算机。单片机与通用微型计算机相比较，它在硬件结构、指令设置上均有其独到之处。单片机在控制应用领域中，有如下几方面的优点：体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电仪一体化；面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得更佳的性能价格比；抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其他机种无法比拟的；实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。AT89C51是一种带4KB FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。故此设计采用AT89C51，其引脚图如图2.3所示。3 图2.3 AT89C51引脚图2.3 传感器的选择 通过几种常见传感器的比较，最终选择热释电传感器和振动位移传感器相结合的复合式传感器。2.3.1 常见的几种红外传感器介绍 红外探测器 红外探测器按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。 红外测温产品 50多种红外测温仪和非接触红外测温系统可满足不同行业用户的特殊需求,提供最优非接触红外测温解决方案。在高性能和高品质的红外测温产品市场，来自德国的HEITRONICS以其在尖端领域应用中良好的品质纪录，被广泛公认为是世界一流的红外测温产品供应者而受到信任。 人体热释电红外传感器在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。 无线红外传感器无线红外传感器又名无线红外探测器，无线智能幕帘/广角红外探测器采用美国军用红外传感器进行信号采集探测与摩托罗拉芯片组合集成单片机智能技术控制，自动温度补偿、微电流省耗、无误报、无漏报、探测距离远、工作稳定、性能可靠、外形精巧、美观大方。机内设置电源外拨开关，外出设防可以接通电源，达到更加省电的效果。它是根据人体红外光谱而工作，当人体在其接收范围内活动时，探测器输出报警信号，广泛用于银行、仓库和家庭等场所的安全防范。它是目前可靠性较高的产品，红外探测部分采用报警器用传感器和红外专用处理IC。高频发射部分采用最新声表面（S）稳频技术，配合成熟的外围电路，使得产品具有红外探测灵敏度好、误报率低、高频发射频率稳定、发射功率大的特点。总而言之，不同类型的探测器用不同的手段探测各种入侵行为，如人体的移动、物体的震动、玻璃的破碎和门窗的开关等，系统将所得的信号进行逻辑判断，发出警报。常用的传感器有对射红外探测器、磁控管（门磁）、震动开关、被动红外探测器（PIR）、双鉴探测器、烟感、温感探测头等。这些传感器不仅可以对室内的门、窗、敞开的阳台、固定玻璃、保险箱等的异常情况进行监测，而且还能对家中的火警进行监测。在家中无人的情况下还具有探测有无物体移动的功能，以发现家中是否有偷窃等异常情况。这些器件有效地为控制单元传送现场的资料，提供报警控制。而本设计采用由热释电红外线传感器和振动位移传感器构成的复合式传感器，通过探测人体特有的红外线和人体的运动来检测盗情。42.3.2 热释电红外传感器的原理热释电红外(PIR)传感器5是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器。它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置，它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出，将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。其工作电路原理及设计电路如图2.4所示, 在VCC电源端利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过NPN的转化，输出OUT为低电平。 图2.4 热释电红外传感器原理图热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器。其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。2.3.3 热释电红外传感器的选择 目前常用的热释电红外传感器型号主要有P228、LHI958、LHI954、RE200B、等。热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端（内部开关管D极，DRAIN)、信号输出端（内部开关管S极，SOURCE）、接地端（GROUND)。本设计传感器采用双元热释电红外传感器RE200B，该传感器翻用热释电材料极化随温度变化的特殊探测红外辐射，并采用双灵敏元互补方法抑制干扰，以提高传感器的工作温度。传感器RE200B内部电路图如下：D脚接工作电压，其工作电压低且范围宽（2.2-15V）；S脚为输出源极电压；GND脚为接地。如图2.5所示，为热释电红外传感器RE200B的内部电路框图。 图2.5 热释电红外传感器RE200B的内部电路框图热释电红外传感器RE200B的主要工作参数：工作电压：常用工作电压范围为315V；工作波长：通常为7.514um；源极电压：通常为0.41.1V，R约为47k；输出信号电压：通常大于2.0V；检测距离：检测距离约为610m；工作温度范围：-1040。2.3.4 振动位移传感器的选定本系统采用ND1型振动位移传感器6，它是一种集振动和位移于一体的全方位传感器。它的技术指标及参数见表2.1。其内部采用先进的固态加速度检测器件，对外来振动十分敏感。图2.6是ND1型振动位移传感器的内部组成框图，它由振动和位移传感元件、灵敏度限制电路、检测控制电路、延时电路和输出级等构成。由于器件内部集成度很高,外围电路相当简单，图中的C是延时控制电容，取值越大，延时就越长，反之则越短，一般取值0.1uF10uF，这里取值为4.7uF。当人体在不断运动时，输出为高电平，并通过内部电路延时，当人体停止运动时，输出转为低电平。R是外接灵敏度设定电阻，取值在51K100K之间，阻值越大，灵敏度就越高，此电阻可以不接，这时传感器灵敏度最高。 图2.6 ND1型振动位移传感器的内部 表2.1 振动位移传感器技术指标及参数工作电压静态电流灵敏度检测方向位移检测依据工作温度体积3V12V3V时500毫安0.1g全向加速度3065122232mm2.4 12864显示器工作原理及其选择LED数码管在单片机系统中应用非常普遍，其由发光二极管组成。LED数码管有静态和动态两种方法。所谓静态显示就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二级管恒定地导通或截止。这种显示方式每一位都需要有一个8位输出口控制，静态显示时，较小的电流就可以得到较高的亮度且字符不闪烁，所以可以采用8255A的输出口直接驱动。当显示器位数较少时采用静态显示的方法是适合的。当位数较多是，用静态显示所需I/O口太多，一般采用动态显示方法。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器各个位（扫描），对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示的位数不大于8位，则控制显示器公共位只需要一个I/O口（称为扫描口），控制显示器的各位所显示的字型也需一个8位口（称为段数据口），为了防止闪烁，显示的时间在12ms。带中文字库的128X64 是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192 个16*16 点汉字，和128 个16*8 点ASCII 字符 集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84 行1616 点 阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶 显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。其具有如下特性（1）低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）（2）显示分辨率:12864 点（3）内置汉字字库，提供8192 个1616 点阵汉字(简繁体可选)（4）内置128 个168 点阵字符（5）2MHZ 时钟频率（6）显示方式：STN、半透、正显（7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS（8）视角方向：6 点（9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED 的1/51/10（10）通讯方式：串行、并口可选（11）内置DC-DC 转换电路，无需外加负压（12）无需片选信号，简化软件设计（13）工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +60 图2.5 12864引脚图2.5 可编程EEPROM-X25045的介绍本设计中采用了具有可编程的串行EEPROM-X250457实现记忆储存功能，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。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 。其引脚图如图2.6所示。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。 其引脚功能如下。 图2.6 X25045引脚图CS：片选择输入；SO：串行输出，数据由此引脚逐位输出；SI：串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X25045； SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；WP：写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止；Vss：地；Vcc：电源电压；RESET：复位输出。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。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2.7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2.7 状态寄存器格式2.6 MT8888芯片的介绍 MT8888芯片在本系统中用作拨号电路。加拿大Mitel 公司生产的DTMF 信号编解码芯片MT8888 芯片，不仅具有双音多频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。另外，MT8888 可以方便与MCS51 系列单片机接口，外围电路简单。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。2.6.1 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。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。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2.8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2.8 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。2.6.2 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。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。2.6.3 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2.2 所示。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。表2.2 DTMF拨号方式中16键组合表1029MHz 1366MHz 1477MHz 1633MHz679MHz 1 2 3 A770MHz 4 5 6 B862MHz 7 8 9 C941MHz * 0 # D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。2.7 ISD1420语音芯片 ISD14209语音芯片在本系统中用作报警电路中语音信号输出模块,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。2.7.1 芯片介绍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。 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。2.7.2 芯片工作原理录音过程中，ISD1420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。2.7.3 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。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。 第3章 系统硬件设计本章着重介绍了系统的各模块设计，包括电源电路设计、报警模块设计、检测信号设计、LCD显示电路设计、4*4键盘电路设计，其中报警模块分为自动拨号报警和声光报警两个部分。3.1 电源电路设计本系统电源电路原理图如图3.1所示，系统的电源采用220V交流供电。电网的220V交流电经桥路整流，电容滤波，送入7805、7809和7812的输入端，最后输出5V、9V和12V的直流电。在电源的两端并联的大电容和小电容起滤波作用。大电容是滤除低频，小电容是滤除高频。在其两端再并入同系列的大小电容可获得很宽频率范围的滤波特性。下面对三端集成稳压器的作简单的介绍。输出电压固定的三端集成稳压器7800系列组成的电源,CW7800/CW78M00/CW78L00系列的最后两位数字表示该集成稳压器的输出电压值。这类集成稳压器的输出电压有5V、6V、9V和24V等几种。其输出电压的偏差在2%以内。若考虑输出电流的要求，则在1.5A以内的,应选用CW7800系列的;在0.5A以内的,选用CWM00系列的;小于100MA的,选用CW78L00系列10。有正电压输出的78LXX系列的基本电路有：启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路和调整电路、保护电路这些部分组成。12 图3.1 电源的电路设计3.2 单片机最小系统单片机电路见图3.2 14。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 与盗警相连接，实现警情的采集。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3.2 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。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。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 自动拨号报警设计用户端自动拨号报警器是本课题的设计重点，自动报警器组成框图如图3.3 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。报警器功能已在绪论中具体描写过，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。热释电红外传感器振动位移传感器用户端自动报警器CPUAT89C51看门狗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3.3 用户端自动拨号报警组成框图3.3.1 自动拨号电路设计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），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。5. 记忆储存功能：本系统采用X250