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多功能家庭报警器的优化设计毕业论文目 录摘要英文摘要第一章绪论11.1 设计背景及目的11.2系统的特点及功能2第二章系统硬件设计52.1 防盗探测器电路设计52.1.1 放大电路的设计62.1.2 时钟电路的设计72.1.3 复位电路的设计82.2 防火探测器电路设计82.3 用户端自动报警器总体设计92.3.1 自动报警器电路设计102.3.2 串行EEPROM-X25045112.4 自动拨号及语音报警电路设计132.4.1 拨号电路132.4.2 语音电路172.5 键盘与密码显示电路设计182.5.1 键盘电路182.5.2 密码显示电路192.6 系统电源的设计202.6.1主电源202.6.2 备用电源21第三章系统软件设计233.1 控制模块程序设计233.2 拨号模块程序设计263.3 语音模块程序设计283.4 摘挂机模块程序设计293.5 密码及显示模块程序设计293.6 读写数据模块程序设计30第四章系统的抗干扰措施334.1 系统硬件抗干扰措施334.2系统软件抗干扰措施34参考文献36结束语37致谢38附录39附录45第一章 绪论1.1设计背景及目的自改革开放以来，在城市大发展的今天，外地人口大量的涌入城市，给一个城市的治安带来非常大压力。机关、工厂和居家遭受失盗、抢劫事件时有发生；个别地方更是严重非凡，损失惊人。因此引起社会各届人士的普遍关注和公安部门的高度重视。有的部门和小区居民开始派人白天守卫、夜间巡逻，纷纷购买铁栏杆、防护铁门等防范措施，将人类装在铁笼子中求以安全。当发生警性（如火警或煤气泄漏）事件时，才发现铁笼子将消防人员阻挡在事故现场之外，难以得到及时救助，存在很大的弊端。从整顿市容角度来看，也是很不雅观。为此，政府部门提倡采用高科技手段实现技术防范的措施。在政府部门的带动与社会治安的现实需求下，市场上国产和进口的防盗报警器应运而生。本文所要介绍的智能防盗防火报警系统，正是以智能居家蓬勃发展的背景为前提，在满足广大用户对居家安全的强烈要求的前提下，而设计并开发的。本系统其首要任务就是根据住宅小区的使用功能、类型及防护风险等要求，为了保障小区的人身财产安全，通过运用双音多频远程数据传输、传感器探测等技术综合形成的智能居家报警系统，从而达到保障住宅安全的目的1。双音多频（DTMF）信令的传输速度，满足于广泛应用于各种通信和控制系统中的要求。DTMF 信号收发芯片的发送部分采用、信号失真小的开关电容式A / D 变换器，可发出16 种多频双音DTMF 信号：接收部分用于完成DT信号的接收、译码和分离，并以4 位二进制码的方式输出。当遇到各种险情(如盗情、火情等)的时候，该系统可以通过电话网络自动向相关部门或用户发出语音求救信号或报警信息，达到保护用户生命财产安全的目的。1.2.系统的特点及功能智能住宅防盗防火报警系统的开发及设计是参照国内外相关技术领域的发展状况，根据我国现有住宅的实际情况，和相关方面的协调发展，为满足新时代居民的居家习惯，真正实现智能化报警的需求来设计的。 本防盗防火报警系统是基于传统的电子安全报警系统来进行优化的，该系统的设计是将电话通讯技术、智能控制和电子探测相结合，从而形成一个防盗、防火的报警系统2。与传统防盗报警器相比，它具有多种信号触发报警，多角度对报警源进行布防，更加符合人们要求及生活习惯，达到优化的效果。系统总体构成包括防火防盗探测器、通讯线路与用户端自动报警器三个主要模块，系统组成框图如图1-1 所示。图1.1 智能住宅防盗防火报警系统组成框图用户端自动报警器模块安装于居民住宅中，它的作用主要是对用户住宅各个不同位置和不同功能探测器进行监测与控制，同时对从各个探测器采集到的数据进行分析处理。当出现异常情况时，通过家中的电话线路实现自动拨号报警，同时与中央控制器建立联系。改系统不会另外占用电话线路，当有报警信号时，报警电话享有电话线路的优先使用权，无报警信号时电话线路处于开放状态。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。报警器能够快速、准确地采集到受控现场的安全状态，经确认后通报给中央控制器。并能够可靠准确地对盗情、火情进行报警，通过电话线路拔打预先设置的1-5 组电话手机号码（小区保安中心电话、个人用户电话、盗警电话110 、火警电话119 、紧急呼救电话120），进行语音报警。报警完毕自动回到警戒状态，等待下一次报警信号。2.用户端自动报警器可同时检测传输线路或探测器自身发生的故障（如探头断线或掉电等）, 并可向中央控制器报告故障情况，这一功能的设计可以更好的防止监控设备遭受不正常情况的破坏时，提醒用户实时核对情况。3. 系统开关机采用密码控制同时允许用户自行修改密码，开关机可以防止系统监控时出现的误报，密码修改增加了用户端自动报警器的实用性、保密性。4.报警器的用户端提供备用电源，在没有电的情况下，交直流供电自动切换，确保系统在停电状态下能继续工作。系统的基本工作过程：用户端的现场防范，一旦有人入侵、或发生火灾等报警情况时，与之相应的探测器（防火、防盗及手动报警按钮等）采集信号，然后立即向用户端自动报警或者向相应模块发出报警信号。接到警情信号后，报警器会立即进行确认，若60s 后无人解除警报同时警情确认正确后，启动现场报警，同时启动警示灯，用户端智能报警器自行向相关部门拨打预先设置好的电话号码报警，实现语音报警。在用户端报警器的控制面板上设有LCD 显示器、键盘以及红绿黄三种颜色的警示灯（LED ) ，三色警示灯分别指示防火防盗报警、正常工作状态及系统出现故障状态，即报警灯（红）、工作灯（绿）和故障灯（黄）。用户端报警器的探头故障报警功能的设计，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），则声光报警启动。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无交流电、备用电池电量是否不足等状态信息的上报功能，可以对预设的办公电话、手机等实现报警。 第二章 系统硬件设计2.1 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3。实际电路中，由振荡器电路产生并发射接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。当有人在场中运动时，反射回去的微波频率就会发生改变，此时微波探测器输出一个与人体运动速度有关的低频电信号。根据这种电信号改变的特性，所以选择微波探测器用于盗情的检测比较实用。它的探测原理如下:图2.1 微波探测器原理框图环形天线和它周围的电阻、电容和MOS 场效应管组成了接近微波段高频自激励振荡电路（它的振荡频率在1GHz 左右），如图2.1所示，当电路接通电源以后，振荡器产生的单频、等幅信号通过外接天线发射到空间，产生一个立体空间的微波防护区，天线发射振荡信号的同时，也接收反射回来的信号。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，该频移信号经过放大器放大。放大后的信号经比较电路输入端，将一定强度的探测信号转换为宽度不同的等幅脉冲信号输出4。微波探测器电路使用的主要元件是环形天线、单电源通用四运算放大器、微波振荡管C3355 及一些外围元器件，外接5V 电源。其电路图如图2.2 。当有人在该微波防护区域内移动时，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。高频信号混频后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。实验过程中报警范围实测约为10 米，探测到有效信号时，有15 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）。图2.2 微波探测器电路图2.1.1 放大电路的设计图2.3所示为最基本的放大电路，Vi是输入电压信号，Vo是输出放大的电压信号图2.3 放大电路图2.1.2 时钟电路的设计XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器为片内振荡器。可采用石晶振荡和陶瓷振荡。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个时钟周期，而每个时钟周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，当外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us5。如图2.4所示为时钟电路。图2.4 时钟电路内部图2.1.3 复位电路的设计复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作6。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us7。本设计采用的是外部手动按键复位电路。如图2.5示为复位电路。图2.5 复位电路接线图2.2 防火探测器电路设计温度探测器使用的是数字温度传感器DS18B20 ,+5V 直流电压供电。温度传感器的测温原理是利用温敏振荡器的频率随温度升降的关系，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。探测器中的温度传感器采用寄生电源供电方式，保证在有效的时钟周期内能提供足够的电流，图2.6中采用一个MOSFET 管和MCU 的I/O 口来完成对DS18B2O 的总线上位，然后通过另一I/O 对DS18B2O 进行控制并取得温度值。图2.6 温度探测器电路2.3 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2.7 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。图2.7 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。2.3.1 自动报警器电路设计自动报警器电路如图2.8 。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8。图2.8 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功能。P2.4 接探头掉线检测端，单片机对这个端口定时查询，情况正常时为高电平，当检测到低电平时发出掉线警报。P2.5口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自动向报警器发出直流断电预警信号。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口接液晶显示器的串行时钟输入端，Pl.6口接液晶显示器的数据输入端。Pl.7口接多路开关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 、D3 相连，用作数据总线。P2.0 与MT8888 的RSO端相连，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，主要控制MT8888 的读写。P0.4 、P0.5 接EEPROM 的串行输入端和串行输出端，P0.6 、PO.7 分别接EEPROM 的串行时钟输入端和片选输入端。2.3.2 串行EEPROM-X25045本文中采用了具有可编程的串行EEPROM-X25045。它是一种低功耗的CMOS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同一个封装内，增大了电路密度，减少了体积，提高了系统的可靠性。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9。VCC监控功能是指只要VCC电平降到低于看门狗定时器达到其编程的超时极限值或者最小转换电压，RESET的输出为高电平。 X25045包括一个8位指令的寄存器，它可以通过SI (P0.4）的输入进行访问，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10。如图2.9所示：图2.9 状态寄存器格式本系统中对X25045 的读数据、写数据、置位的操作过程简述如下： 1. 从X25045 中读数据的操作为：把CS 拉低于选择芯片：发送8 位的读指令；送8 位的字节地址；将所选定地址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。可连续写多达4 个字节的数据，但必须这4 个字节驻留在同一页上。否则计数器将翻转到页首地址并重新写可能已有数据写入的任何单元。 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2.10 X25045 接口电路图2.4拨号电路及语音报警电路2.4.1 拨号电路本系统设计的拨号电路可以通过电话网络实现自动寻呼，对所存储的机构或用户发出求救信号，简述事故性质及地点，使救援人员能及时采取相应措施来制止事故，本系统主要功能如下：1. 报警优先功能：主机与用户电话机共同接在一条电话线上，没有报警时，不影响电话机的正常使用，电话机的正常使用也不干扰主机报警。主机报警时，优先拨打报警电话。2. 自动拨号功能：可设定1-5 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. 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。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。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11。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，它发送任意个数的双音信号，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、输入信号的高低频带通滤波、拨号音抑制滤波、译码及锁存功能等。发送电路包括数据锁存、行列计数、D / A 转换和混频功能等。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，有利于进行编程控制。控制部分: 当然，为了接收可靠，还应满足一个条件，即检测有效信号的持续时间，EST型号驱动外接分电路，如图2.11所示。C1放电，在有效时间内EST维持高电平，当VC=Vest时（控制逻辑的门限电平）, GT 输出信号驱动VC 至电源电压VDD ，经延时控制后，把片内状态寄存器的延迟输出标志位置提高12。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。图2.11控制电路原理图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13。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. 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。4 DTMF 拨号原理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组合来表示数字及功能。两个单音频的频率不同，它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，对应就有8种不同的单音信号，因采用的频率有8种，所以称为多频，如表2.12 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。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2.12 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。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，无需插入等待周期14。本系统中，MT8888 及外围电路参见图2.13 。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2.13 拨号电路2.4.2 电话接口电路电话接口电路参见图2.14 。此电路起着很重要的作用，拨号电路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15。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2.14 电话接口电路2.5 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、紧急呼叫等功能。2.5.1 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，如图2.15，,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。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。图2.15 键盘的结构图2.5.2 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16。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。2.6 系统电源的设计2.6.1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2.16 所示。电源电路为典型的7805 / 7806 应用电路，具有两路电源输出。该电路有短路保护功能，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 / 5V 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2.16 主电源原理图2.6.2 备用电源火灾探测器为了实现24 小时不间断监控，避免出现停电情况，所以需要使用备用电源。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，不因电网突然断电，使计算机系统RAM 中的数据丢失而中断工作，更重要的是它可以避免电源中断时对整个计算机系统造成的瘫痪。备用电源在输入回路断电时，将电池的电能供给负载，当电源恢复正常后，回路电路既要负责向负载提供电源又要负责向电池充电。图2.17 为在线式备用电源工作原理图，它可以实现及时、可靠、正确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，在整个供电电压范围内也不受供电电压变化的影响。当输入到3 脚THRE （预置门限输入）端的被检测电压高于1.15V 时，ICL8212 为一饱和晶体管输出，即3 脚OUT 端输出低电平；而当3 脚低于1.15V 时，4 脚输出高电平，而且这一高电平直到供电电源降到0V 时仍有效，2 脚HYST 端为磁滞电压设置端，磁滞电压的设置可防止THRE 端的被检测电压在1.15V 附近时，使OUT 输出端处于不稳定态。IC1 、IC2 两片ICL8212 构成窗口电压检测器，正常工作时，即交流电压在正常的工作范围时，合理设置上、下两个检测闽值，由IC1 、IC2 构成的窗口电压检测器IC2 的4 端输出高电平，三极管Ql 导通，K1 继电器吸合，稳压电源正常工作，未经稳压的直流一路经D3 、R9 给可充电电池浮充电，另一路经稳压后给系统提供稳定的直流电压。一旦交流掉电，窗口电压检测器的输出IC2 的4 端输出为低电平，它一路将掉电信息存储在自动报警器EEPROM 中，另一路控制三极管Ql ，经继电器Kl 使交流回路与稳压器断开，改由可充电电池继续维持向系统供电一定时间（时间的长短由选择的可充电电池的容量定），实现了直流在线式不间断供电。此后，当可充电电池供电到一定时间，电压降到一定值（不得放电至很低）时，由IC3 构成的直流欠压/掉电检测器，通过三极管Q2 、继电器K2 使可充电电池停止向系统供电。S1 为手动开关，自动报警器运行时关上，平时处于打开状态。图2.17在线式备用电源工作原理图本章节重点介绍了报警系统的硬件设计，对探测器电路、单片机模块、EEPROM模块及拨号电路、语音电路和电话接口电路进行了详细的说明，给出了各模块连接方法，及分析了各模块的功能和原理进行了详细说明，最后设计了主电源和备用电源电路，防止因为停电造成的系统瘫痪。与上一章节的探测器端进行连接，便是整个智能化防火防盗报警系统。第三章 系统软件设计自动报警器软件部分采用模块化设计，分为主控模块、摘挂机模块、拨号模块、语音模块、显示模块及读写数据模块。应用汇编语言编程，在Proteus 环境里，编程语言的软件设计采用MCS-51 汇编语言编写自动报警器中相关程序（如拨号、读写X25045 等）。3.1 控制模块程序设计由于单片机的P3.2 和P3.3 两个管脚分别和防盗、防火传感器相连，因此，一旦发生险情，驱动密码子程序，若解码正确则取消报警，否则将产生中断，在中断服务子程序里，位地址7FH 被置1 ，证明发生险情，然后根据险情类别，将7EH 或7DH 置1 ，其中，7EH 为盗警标志位，7DH 为火警标志位17。主程序在运行期间先自行检测探头与电源状态，一切正常后等待中断的发生。当检测到7FH （中断标志）被置1 后，调密码显示子程序，密码正确系统重新检测中断信号，密码错误则主程序首先判断7EH 的情况，如果被置1 ，调用控制模块完成后续处理，处理完成后记录报警信息，再检测是否同时发生了火险，即7DH 是否被置1 ，如果被置1 ，则同样调用控制模块PROCESS 完成后续处理。如果没有发生盗警，即7EH 没有被置1 ，则不用检测7DH ，认为发生了火警，则直接调用PROCESS 完成后续处理。 图3.1 为主程序流程图，3.2为控制模块PROCESS 流程图，它是整个系统软件的核心，控制整个系统完成摘机，信号音判断、拨号，发出语音求救信号，最后挂机。由于考虑到拨号音、忙音、回铃音的存在，因此这个模块较主程序复杂一些。具体流程如下：图3-1 主程序流程图图3-2 控制模块PROCESS 流程图 首先，在调用摘机子程序模拟摘机时，调用检测和判断子程序判别是否有拨号音，如果没有，则跳转到ERROR ，调用挂机子程序，延时后重新调用摘机子程序；如果检测到拨号音，则接下来调用拨号子程序，在拨号子程序里，根据7EH 、7DH 被置位情况拨相关部门的电话，如管理中心电话或户主电话等。拨号完毕后，重新调用检测和判断子程序，判别此时是忙音还是回铃音，如果有忙音，则跳转到ERROR ，调用挂机子程序，延时后重新调用摘机子程序：如果有回铃音，则重新调用检测与判断子程序，判别此时对方是否处于摘机状态，如果仍然有回铃音，则继续调用检测、判断子程序，直到505 计时时间到，则调用挂机子程序，延时后，再重新调用摘机子程序；如果没有回铃音，则调用语音程序，将事先录制好的报警语音回放出来，最后调用挂机子程序，结束process 模块的执行，返回主程序，等待再次被调用。3.2 拨号模块程序设计信号音检测与判断MT888O 在工作之前要进行初始化，它的初始化过程要经过下面的步骤：读状态寄存器、写CRA =000OB 、写CRA=000OB 、写CRA = IOOOB 、写CRB =OOB 、读SR 、写CRA =11OIB 、写CRB = D000OB18 。为了检测信号音，应将MT8888 设置为呼叫处理模式，即CP 模式。该模式下MT8888 可检测各种信号音，如拨号音、忙音、回铃音。只要位于中心频率45OHz 、带宽25OHz 左右的信号音就可以经滤波器选择、高增益比较器限幅、从施密特触发器得到代表信号音的方波信号，并从IRQ/CP 端输出，微处理器可通过IRQ/CP 端分析呼叫过程。根据程控交换机的标准，拨号音为45OHz 的连续正弦波，正负误差25Hz ，忙音为45OHz 的正弦波，0.35s通，0.35s断，回铃音为450Hz 的正弦波，1s 通，4s 断。因此，依据MT8888 的CP 检测模式，可对IRQ 脚输出的方波计数5s ，根据结果判断是哪种信号音。拨号音计数上限：( 450 + 25 ) * 5 =2375 ，计数下限：( 450 -25 ) * 5 = 2125 ：同理，忙音的计数范围是1041-1212 ，回铃音的计数范围是425-475 ，无信号音的计数为O 。考虑到计数误差，我选择了2000 作为拨号音和忙音的分界线，900 作为忙音和回铃音的分界线，400 作为回铃音和无信号音的分界线。检测子程序流程图如图3.3 。首先将MT8888 设置为呼叫处理模式，接着将单片机的TO 设置成定时方式，T1 设置成计数方式，由于需要定时5s ，而选择定时方式1 ，晶体振荡器选择12MHz ，则最大定时时长为65.53ms ，所以，需要用软件扩展定时。计时开始后，计数也即开始19。在定时中断服务子程序里，判断5s 定时时间是否到，如果时间到，则从检测子程序里跳出，否则，继续计数。最后，计数值高八位存储到THI 中，低八位存储到TL1 中，供判断子程序进行判断。判断子程序流程图见图3.4 。在此子程序里，将计数值分别与2000 、900 、250 这三个数进行比较，即调用MINUS子程序，将计数值与上述比较值做双字节的无符号减法，然后根据寄存器C 被置位情况，对拨号音标志位7CH 、忙音标志位7BH 、回铃音标志位7AH 进行置位或清零，然后返回。DTMF 拨号程序设计：MT8888 在自动拨号应用里，应将工作方式设置为突发方式，在此种情况下，双音频信号持续和暂停时间为5lms ，符合自动拨号要求。在将MT8888 设置为突发模式的时候，需要进行如下步骤：写控制寄存器A、写控制寄存器B、写发送数据寄存器、等待中断或读状态寄存器。 拨号子程序流程图见图3.5。首先将MT8888 设置为突发方式，然后判断是否为盗情，即7EH 是否被置位，如果没有，则跳转到拨管理中心电话号码部分；如果被置位，则拨打用户电话号码，最后，该程序返回。图3.3 检测子程序流程图图3.4 判断子程序流程图3.3 语音模块程序设计语音子程序流程图参见图3-25 。单片机P2.1 口由高电平变为低电平，触动ISD142O 的放音脚，放音开始，因为ISD1420 最长录音时间为20 秒，所以，延时23 秒后，单片机P2.1 脚由低电平变为高电平，放音结束，然后进入下一次放音状态，直至三次放音结束，清除警情标志位7EH 后，程序返回。图3.5 拨号子程序流程图 图3.6 语音子程序流程图3.4 摘挂机模块程序设计单片机P2.3 口为高电平时，三极管处于截止状态，继电器没有动作，系统挂机。当单片机P2.3 口为低电平时，三极管处于饱和状态，继电器动作，系统摘机。3.5 密码及显示模块程序设计密码及显示子程序流程图如图3.7 所示，用于控制报警器外部输入。当报警信号输入时，启动密码及显示子程序，用户可以在此时确定报警情况，通过密码输入解除报警，若50秒内输入密码错误或者无人操作密码输入，系统通过这一条件判断警情，进入下一流程，这一模块的设计主要用于解决系统误报，或者错报，密码输入可用设置允许6次错误，当大于6次系统直接进入下一环节，确定报警。密码修改功能增强系统可用性和保密性，具体流程如下：开始N=0解码输入密码正确错误输入告警N=N+1N6？50秒定时中断返回修改密码输入新密码探头掉线检测图3.7 密码及显示子程序流程图3.6 读写数据模块程序设计本系统中对X25045 的编程包括上电初始化、系统工作时对X25045 的读写以及看门狗的访问。上电初始化包含看门狗定时器的启动设置、X25045 中数据的有效性检查、以及必要的数据块保护设置等。对于自动报警器，因为X25045 中只保存报警及探测器正常与否等关键信息，因此可将即固定在所希望的电平上20。写数据子程序流程图如图3.8 所示。使用X25045 时需要注意的几点问题： 1. 上电以后，在任何操作开始以前，需要在CS引脚上有一个从高电平至低电平的跳变。2. 要向EEPROM写数据，引脚WP必须为高电平，并先要用WREN 指令将写使能锁存器置位。执行WREN 指令后，引脚/ CS 必须置为高电平，否则WREN 指令被忽略。当WREN 指令的所有8 位发送之后，必须将CS 变为高电平。如果这时CS 仍然为低电平，随后的写操作将会被忽略。3. 向EEPROM写入数据前，需要判断WIP 位是否为“0”。WIP 位为“1”表示上一批数据写入过程尚未结束，必须等到该位为“O”时才能写新数据，每一批可写入1- 4 字节数据。4. 为了结束写操作（写字节或页），只能在第24 、第32 、第40 或第48 个时钟之后把/CS 变为高电平。在其它时钟时间使CS 变为高电平，不能结束写操作。本章节分析了智能防火防盗报警系统的软件设计，对单片机的工作流程做了详细的说明，并分析了MT8888、ISD1420、X25045芯片的工作流程，采用汇编语言编程，以及模块化设计，使得程序便于差错，系统设计侧重了实用性，使用户可自行设置电话号码和系统密码并有探头掉线检测，充分体现了系统的实用性。图3.8 写数据子程序流程图第四章 系统的抗干扰措施4.1 系统硬件抗干扰措施用户端自动报警器工作环境较恶劣，易受到各种干扰的侵犯。根据其来源不同，主要有空间干扰（通过电磁辐射进入）、过程通道干扰（通过与自动报警器及中央控制器相连的前向和后向通道进入）、供电系统干扰以及印制板与电路间产生的相互干扰。所以在设计上，应该采取必要的软硬件措施，免除和减小各种不良因素对系统的影响和损害，从而提高系统的稳定性和可靠性21。本系统在硬件设计过程中，主要采取以下几个方面的措施来提高系统的抗干扰能力：1. 对于空间辐射干扰的抑制，主要解决办法是屏蔽。静电屏蔽使用导体材料即可。为达到电磁屏蔽的目的，可以把控制系统安装在用铁板做成的封闭机箱内，来屏蔽外部静电和电磁场的干扰。2. 电阻系统本身对静电的防护也是至关重要的。静电产生的原因主要有两种模式：人体带电和电场感应带电。考虑人体带电模式，鉴于人主要接触开关机控制CPU 模块，且主要是键盘。为防止静电危害，在键盘的3 个引线上对地分别串上3 个防静电电容，本系统采用0.01uF 的电容。3. CMOS 芯片的阻抗很高，易受外界的干扰，故电路中不使用的输入端不允许悬空，否则会引起逻辑电平不正常。根据实际情况，将多余的输入端与正电源或地相接。实践表明，元器件的质量对系统影响很大。应选择正品元器件。使用前还要进行必要的筛选。对于接插件，应选择抗震性能好，接合可靠，防松的接插件。传输电缆应具有良好的屏蔽层，耐老化，抗损伤，不易断线。4. 电源的设计将强弱电严格分开，不把它们设计在一块电路板上，电源线的走向尽量与数据传递的方向一致。在印制电路板的各个关键部位配置去藕电容，电源输入端跨接10 协F 的电解电容。每片集成电路电源的引脚上并接0 . 01 协F 高频电容。对于抗噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM 、RAM 存储器件（集成块），应在芯片的电源线（VCC ）和地线（GND ）间直接接入0.01 UF 去耦电容。5. 设计印制电路板时，合理布线，力求将系统中个元件之间、电路之间可能产生的不利影响限制在最低程度。元件排列及信号走线尽量有序，短直，简洁，避免相邻电路相互影响了尽量避免过长的平行走线，减少布线的分布电容。接地线尽量加宽以减少接地电阻，并解决好接地点问题。避免印制电路形成环路接受噪声形成干扰。按钮等在操作时会产生火花，必须利用RC 电路加以吸收。6. 无论系统采取什么样的抗干扰措施，系统总会受到一些干扰使系统中的单片机的程序跑飞。为了使程序跑飞后，系统能恢复正常运行，本系统采用硬件看门狗X25045 。4.2 系统软件抗干扰措施在单片机应用系统中，由于程序及一些重要常数都存储在ROM 中，这就为软件的抗干扰创造了良好的前提条件。控制系统受干扰后反应在单片机上就是所谓的“冲程序” , 即程序指针乱跳，出现程序跑飞和非法死循环，导致程序失控22。因此，需对单片机系统采取一些有效措施，这里主要采取了以下几种措施。1. 数据传输的差错控制本系统采用检错重发。首先对所发送的数据进行异或操作，把最后的结果也发送出去。接收端对接收到的所有数据进行异或操作。若结果为零，则传输正确，否则传输错误，通知发送端重发。2. 对重要数据进行程序复核在程序的执行中对重要数据进行