基于GSM家庭防盗报警系统的设计

东北大学毕业设计 论文 第 1 章 绪论 0 基于 GSM 家庭防盗报警系统的设计 摘要摘要 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 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 东北大学毕业设计 论文 第 1 章 绪论 1 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 东北大学毕业设计 论文 第 2 章 总体方案设计 2 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 东北大学毕业设计 论文 第 2 章 总体方案设计 3 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 低频群高频群 Hz 东北大学毕业设计 论文 第 2 章 总体方案设计 4 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 东北大学毕业设计 论文 第 2 章 总体方案设计 5 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 东北大学毕业设计 论文 第 2 章 总体方案设计 6 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 东北大学毕业设计 论文 第 2 章 总体方案设计 7 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 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 8 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 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 9 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 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 10 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 D3WCS 等信号选择内部寄存器 并控制电路的工作状态或工作模式 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 MHz 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 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 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 11 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 是读写控制信号输入 与 TTL 电平兼容 是片选信号输入 若WCS 为 TTL 低电平 则此电路被选中 RSO 是寄存器选择输入 与 TTL 电平兼容 CLK2 是系统时钟CS 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 对微处理器的中断请求信号 CSIRQ 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 的不同时序组合将数据写入W 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 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 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 12 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 所得到不同的工作模式 此时 W 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 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 13 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 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 14 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 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 15 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 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 16 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 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 17 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 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 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 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 18 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 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 B 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 B 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 B 用于存储有关煤气泄漏的报警信息 由这 3 段地址可以看出 A7 A2 A1 和 A0 均为 0 因此可以将它们接地 只用 AT89C51 的 4 根口线进行控制即可 ISD1420 在 14 15 将语音输出 它可以直接驱动 8 的喇叭 设计系统要求将语音信号通过 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 19 电话线传送 因为 ISD1420 的输出信号与电话线上传送的信号不匹配 所以先要经过放大电路才能 与电话线连接 电路如图 3 11 所示 将 SP 输出的信号放大 而 SP 引脚悬空 语音信号放大后通 过电话线接口电路与电话线相连即可实现语音信号的传送 R2 R3 R1 R4 C1 C2 2 3 1 411 1 LM324AD SP OUT1 图 3 11 ISD1420 的语音信号放大电路 3 3 3 语音电路的软件设计 ISD1420 的编程相对较简单 主要考虑不同警情的录音寻址和语音信息的播放 具体程序如附 录源程序 4 3 4 看门狗电路 在系统的软件运行过程中 由于外界干扰等意外的因素很可能使程序指针指向非程序区域 使 系统程序陷入死循环 系统不能正常工作 称之为程序跑飞 出于系统稳定性的考虑 本文采用硬 件看门狗电路 以解决因程序跑飞而使系统不能正常工作的问题 以提高系统的可靠性 系统选用 X5045 作为看门狗电路的核心芯片 X5045 除了具有看门狗作用外 还有 512 字节 的电可擦除只读存储器 EEPROM 本文将其用来存储预制电话号码 3 4 1 X5045 的特点 X5045 是 XICOR 公司生产的看门狗芯片 它有三种常见的功能 看门狗定时器 电压监控 EEPROM 以下对这三种功能加以简单介绍 14 15 1 看门狗定时器看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统 他提供了三种定时时间 可用编程选择 200ms 600ms 6 4s 在设定时间内如果没有对 X5045 进行访问 则看门狗以 RESET 信号做输出响应 即变为高电平 延时约 200ms 以后 RESET 由高电平变为低电平 2 电压监控上电时 电源电压超过 4 5V 后 经过约 200ms 的稳定时间后 RESET 信号由高电 平变为低电平 掉电时 电源电压低于 4 5V 时 RESET 信号立刻变为高电平并一直保持到电源恢 复到稳定为止 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 20 3 EEPROM 存储器 X5045 的存储部分是 CMOS 的 40 位串行 EEPROM 他在内部按 512 8 来组织 采用三总线工作的串行接口一次最多可写四个字节 X5045 的引脚排列如图 3 12 所示 图中 SO 是串行输出 数据由此引脚移出 串 行时钟 SCK 的下降沿同步输出数据 SI 是串行输入 所有操作码 字节地址及写入的数据在此引脚上输入 数据在串行时钟的上升沿锁存 SCK 是串行时钟 面是片选 当 CS 为低电平时 X5045 能工作 CS 电 平变化将复位看门狗定时器 WP 是写保护 当 WP 为低电平时向 X5045 的非易失性写操作被禁止 但 是器件的其它功能仍正常 WP 为高电平时所有功能 正常 RESET 是复位 WP 是写保护 当 WP 为低电平时向 X5045 的非易失性写操作被禁 止 但是器件的其它功能仍正常 WP 为高电平时所 有功能正常 RESET 是复位 高电平有效 漏极开路输出方式 用于电源的监测和看门狗超时输出 VSS 是地 VCC 是电源电压 有两种电压规格的芯片 一种是 4 5 5 5V 另一种是 2 7 5 5 V 以下介绍 X5045 的工作原理 X504S 共有 6 条操作指令如表 3 5 X5045 由这 6 条指令指挥工 作 因为 X5045 遵循 SPI 串行总线标准 所以 AT89C51 由 X5045 的 SI 引脚将命令字或数据从高 到低逐位传入 X5045 并从 X5045 的 SO 逐位读出 X5045 的数据或状态 具体的实现过程将在软 件编程中详细阐述 表 3 5 X25045 的指令集 指令名 指令格式 操作 WREN 0000 0100 设置写时能锁存器允许写 WRDI 0000 0100 设置写使能锁存器禁止写 RDSR 0000 0101 读状态寄存器 WRSR 0000 0001 写状态寄存器 READ 0000 A8011 读 WRITE 0000 A8010 写 X5045 内部有一个 8 位状态寄存器 其每一位的定义如表 3 6 所示 CS 1 SO 2 WP 3 VSS 4 VCC 8 RESET 7 SCK 6 SI 5 图 3 12 X5045 管脚图 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 21 表 3 6 状态寄存器的定义 WD1WD0BL1BL0WELWIP WIP 位由 WREN 指令设为 1 在下列情况之一可使 WIP 复位为 0 1 执行 WRDI 2 上电时 3 字节 页或状态寄存器写周期完成后 4 WP 脚变为低电平 BL0 BL1 是对 EEPROM 块进行保护 对被保护的段只能写 保护地址与 BL0 BL 1 的关系 见表 3 8 表 3 8 状态寄存器被保护的阵列地址 状态寄存器 BL1 BL0 被保护的阵列地址 0 0 无写保护 0 1 180 1FF 1 0 100 1FF 1 1 00 1FF 3 4 2 X5045 与单片机的接口电路设计 X5045 遵循串行总线 与单片机的连接简单 只占用单片的 4 根 I O 口线 具体连接如图 3 13 所示 东北大学毕业设计 论文 第 3 章 主模块设计 22 图 3 13 X5045 与单片机的接口电路 3 4 3 看门狗电路的软件设计 在本系统中 X5045 主要完成硬件看门狗和存储预制电话号码的功能 看门狗功能较容易实现 只需要隔一段时间将引脚取反一次 具体实现就是在主程序和每个子程序中加一条CS X5045 S X5045 S 语句 存取电话则相对复杂 它要规定 X5045 的工作方式 另外还涉及数据 的串并行转化 核心部分的程序代码见附录源程序 5 东北大学毕业设计 论文 第 4 章 功能模块设计 23 第 4 章 功能模块设计 功能模块包括移动通信模块