家庭报警系统概要.doc

精品文档目录【摘要】.2前言.3第一章 系统总体设计要求及主要内容.311 系统总体设计要求.3 12 系统主要设计内容.413 系统可行及可扩展性分析.4第二章 系统基本工作原理.5第三章 系统硬件设计与调试部分.5 31 系统框图.5 32 系统硬件设计与调试.53.2.1 DTMF发送电路.53.2.2自动摘挂机电路.103.2.3忙音检测电路.113.2.4振铃电路.123.2.3单片机及控制电路.14第四章 系统软件设计与调试部分.15 41 软件设计方案.15 42 系统软件调试.1843系统可扩展方案.18 44 系统操作说明.18结束语.19参考文献.20 家庭智能报警系统 【摘要】 本文主要介绍了一种以单片机AT89S52和DTMF编码集成电路TCM5087为核心，基于单片机控制的电话自动拨号报警系统。平时线路处于待机检测状态，在检测到室内温度、水以及门窗破裂等异常情况发生后，调用存储在单片机里的电话号码，并由单片机控制电话拨号，实现自动报警功能。ISD1420语音芯片提供系统语音报警输出。本系统可以广泛的应用于家庭安防报警或者其它机要部门、仓库的各种保安监控。实验调试实现了设计的基本要求。文中详细介绍了系统软硬件的设计和调试过程。【关键词】双音多频、DTMF编码、电话报警、安全防范【abstract】 This paper mainly recommends a system about TCM5087, which is for DTMF signal coding and is based on AT89S52. Base on the brief of CPUs controlling the telephone to automated ring system. And the whole circuit is in the status of awaiting opportunity. Once the temperature or water in the room arise abnormal status, the CPU will immediately go to the software to make the phone ring the correspond number which has already been input in the CPU. And then the ISD1420 output the voice to notice the safe department .The system can also be widely used in household-safe-on-guard or other occasion such as confidential department ,storage place that for safety monitoring. Have realized the request designed basically through the experiment. Have introduced the design of the software and hardware and debugging course systematically in detail in the article.【Key World】DTMF, DTMF code ,Telephone altering ,safety-on-guard前 言随着人们生活水平的不断提高，特别是物质生活水平的提高，人们越来越重视自己的个人和财产安全,利用电话实现报警功能是智能小区的基本标准之一。智能住宅的概念起源于美国，美国的智能住宅发展是最为迅猛的。继美国之后，欧洲、日本、新加坡等国家住宅智能化也得到了飞速发展。在我国，智能住宅这一概念推广较晚，但其发展的速度也很快，全国已建立了一些具有一定智能化功能的住宅和住宅小区。家庭住宅报警系统由家庭报警主机和各种前端探测器组成。前端探测器可分为门磁、窗磁、煤气探测器、烟感探测器、红外探头、紧急按钮等,当有人非法入侵时将会触发相应的探测器，家庭报警主机会立即将报警信号传送至小区管理中心或用户指定的电话上，以便保安人员迅速处警。结合本设计的实际条件限制，开发了以单片机为主控机器的报警系统。采用DTMF信号实现远距离微机通信，具有传输距离长、数据准确以及抗干扰强等特点，因而可广泛应用于通讯、遥控等领域。DTMF信号实现远距离微机通信，具有传输距离长、数据准确以及抗干扰强等特点，因而可广泛应用于通讯、遥控等领域。安防系统中采用专用机器报警是一种性价比比较高的装置，涉及的机器的功能、可靠性以及在使用过程中是否方便、便于编程等一系列的问题，经过综合考虑，采用电话报警不但节约成本，而且不易被窃匪识破，专业的盗贼经验丰富，进入现场就切断电源，考虑这种不利因素，系统在掉电后自动转入后备电池电源供电，可靠性比较高。采用公用电话线作为信息传输媒体，这样系统受干扰小，误报率低，使用范围更加宽广。凡是有公共电话线的地方，报警信息都可以到达，距离不受限制。本设计利用电话网传输数字和语音信息，可靠性比较高，操作方便。采用高品质的ISD1420录音芯片，可以事先录入10秒左右的报警语音，例如：财务室有贼入侵！请立即来人。可以使接到报警电话的主人一目了然，立即明白情况。采取单片机智能控制，节约成本，使产品达到交互式与智能化。而且本作品的调试都是在线调试，已经在宿舍连接电话经过真正的交换机实验并且成功。电话设计、元器件筛选及接插件各项都严格遵循国家(GB12663-90)的有关标准。第一章 系统总体设计及主要内容1.1 系统总体设计要求 一、要求该系统不影响电话的正常使用，仅在无人留守时启动; 二、系统要求在险情出现时,自动拨通正确的电话号码,检测到拨通对方电话后,系统继续调用存储的语音信息,送出报警信息; 三、要求友好的人机界面,方便操作;1.2 系统主要设计内容 一、按照初步方案画出硬件框图、电路图及制PCB板。 二、根据系统设计要求及硬件框图确定软件流程图并编写相应软件。 三、焊接电路以及功能电路的软硬件调试。 四、系统软硬件联调。1.3 系统可行及可扩展性分析 现代电话网络是由交换机和电话传输线共同组成，它的性能已经有了很大的改善，而且可靠性非常高。并且，程控交换机有自己的电气规范，通过检测电话线路上的电流变化识别话机当前的操作，进而送出相应的电压信号或接通某两部话机之间的物理通路。整个过程是从模拟信号到数字信号再到模拟信号的识别与转换，因此，必然存在某种方法识别电话线路的状态，将线路上的双音多频信号转换成CPU可识别的数字信号。电话专用拨号芯片正是提供了这种功能，将数字信号直接转换为可在电话网上传输的模拟信号。 智能报警系统是通过一定的手段对被控场合的环境进行看管，异常情况一旦发生，自动报警。它是监测系统于报警系统的紧密结合，在一个智能小区里，安全防范有着非常重要的意义，直接决定该小区的智能水平。我们系统就是本着一种简洁，适用的目的开发的。通常在一个智能小区里，我们的系统可以安装在楼层内的各个门户，保证每家都在安全监测范围以内。还可与家庭智能远控系统结合，实现遥控家用设备的功能。电话属双工通信手段。因此，这可以大大体现出利用电话进行监控和遥控的更大优越性。操作者可以通过各种提示音即时了解受控对象的有关信息。电话报警这一课题目前已有涉足者，但是只是还只限于实验室阶段，因而距离实际应用，尤其是对于日常生活尚有一定的差距，并不能完全体现出电话报警方式迅捷的特点。本作品正是针对这一点进行了较大改进，采取单片机智能控制，利用语音技术对不同环境改变及时通知相关人员。从而使被呼叫方能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与智能化。 综上，基于家庭智能报警系统是一种廉价的，可靠的安防报警方式。系统的操作指令在控制端可以用数字信号表示，在发送端通过双音多频编码器转换成相应的DTMF信号，通过电话网传输，完成整个报警过程。所以，本系统的初步设计方案理论上可行，而且设计的可扩展性前景可观。第二章 系统基本工作原理 本系统可并联于任意一部普通电话，当监测范围内有情况发生时，系统自动摘机，电话接口电路利用单片机送来的信号转变成相应的双音多频信号并送出，即拨打固定的电话报警，并送出存储在语音芯片里的语音报警信息，提示对方所出现的状况，保证险情及时得到解决，而且系统不影响电话机的正常使用。系统总体框图如下： 报 警 信号处理电路市公共电话线双 音 多 频发 送 电 路单片机红外传感器玻璃破碎传感器振铃电 路语音录放电 路语音控 制门磁传感器烟雾报警探测器微波防盗传感器忙音检测电路紧急防盗传感器煤气泄漏传感器 图（一）智能电话报警总框图从系统整体框图可以看出，单片机的前端电路完成基本监测功能，包括室内各种情况的检测（漏水、温度过高、玻璃破碎声音等等），以及一些信号的识别和转换，而CPU后部分电路承担了系统中核心报警部分的工作，也是本设计的重点。一旦检测到上述情况的发生就启动报警电路，采取报警措施。第三章 系统硬件设计与调试3.1 系统框图系统总体框图见图（一）。3.2 系统硬件设计与调试3.2.1 DTMF发送电路DTMF(Dual Tone Multi Frequency)双音多频信号解码电路是目前在按键电话(固定电话、移动电话)、程控交换机及无线通信设备中广泛应用的集成电路。它包括DTMF发送器与DTMF接受器,前者主要应用于按键式电话作双音频信号发送器,发送一组双音多频信号,从而实现音频拨号。双音多频信号是一组由高频信号与低频信号叠加而成的组合信号,电话键盘按键与双音多频信号的对应关系表一所示：频率1209HZ1336HZ1477HZ1633HZ697HZ 1 2 3 A770HZ 4 5 6 B652HZ 7 8 9 C941HZ * 0 # D此部分是整个系统的关键，它的工作情况直接决定了系统的可靠性。使用集成电路不但外围电路简单，而且可靠性强。经过专用集成电路的编码，可靠性高在此，我们选用双音频编码集成片ATM5087来完成此功能模块。ATM5087是双音多频电话拨号器，通过该芯片可完成4*4矩阵编码。 VDD、VSS（1，6脚）：电源端； XMTF(1脚)：发送开关；是集电极接于VDD的双极性晶体管发射极输出，在没有信号输出时，保持低电平；有信号输出显示高阻态。与15脚状态无关 C1C4（3、4、5、9脚）：内部具有下拉电阻的键盘比值向输入端； R1R4（1411脚）：内部具有上拉电阻的键盘横向输入端； OSC1、OSC0（7，8脚）：振荡器输入、输出端； TONE1（15脚）：单音抑制输入端，为“0”时禁止单音输出； TONE0（16脚）：双音频信号输出端，此端接内部NPN晶体管的发射极，外加接地电阻可构成射极输出器。无信号输出时为低电平，有信号时显高电平，与15脚状态无关。ATM5087内含震荡器，外接3.579545MHz的晶振可以产生基准时钟频率，经四分频后加到行，列计数器，行列计数器实际上是可变分频比的分频器它由多级移位寄存器和反馈逻辑电路组成，按不同的键控制反馈逻辑和移位寄存器的循环长度改变分频器的分频比和正弦波产生的输入时钟频率再经正弦波编码和D-A转换，合成行，列阶梯形正弦单音信号具有电源工作范围宽,在2.7510V范围内，输出电平可调，谐波失真小等特点，性价比高等优点，所以设计决定采用该芯片。本电路中仅传输DTMF信号，所以将TONE1（15脚）接地。 DTMF信号与二进制编码的对应关系如表二所示：ATM5087编码表C4C3C2C1R4R3R2R1十六进制键号C4C3C2C1R4R3R2R1十六进制键号000111101EH 1 0010 1101 2DH50010 1110 2EH2 0100 1101 4DH 6 0100 1110 3EH 3 0100 1101 1BH 7 0001 1101 1DH 4 0010 1011 2BH 8 01001011 4BH 9 1000 1110 8EHA0100 0111 27H 0 1000 1101 8DH B 0001 0111 17H * 1000 1011 8BH C 0100 0111 47H # 1000 1000 87H D该部分电路如图（一）：由于市内电话线上的电压是4060V，在电话挂机时约有48V的电压，电话振铃时，铃流信号经过D1D4整流形成约100V电压当向外拨打电话或接听电话时，电话线上的电压降至812V，ATM5087在遇到报警情况，接收从单片机送来的数据，经编码电路，由ATM5087的16脚（IO）送出标准的DTMF信号，符合CCITT标准，在示波器上观察，应为两个正弦波，经整形电路送至耦合变压器，再连到电话线上。设计过程中，最初采用16脚（IO）送出的信号通过一电阻R2接地，然后再经一隔直电容C4直接送至耦合变压器，如下图（二）: 采用图二这种电路更简洁一点，用示波器观察有波形输出，但是又一点失真，幅度在1.2V左右，开始由于实验条件有限，只好回到寝室里接上电话线调试，但由于没有经过整形放大，幅度过小，交换机检测不到信号，拨打的隔壁寝室电话，对方电话一点都没有反应。又搬回实验室修改电路，这样的搬运工作重复多次后，实验室增添了一部电话机检测仪，这样调试起来就方便了。图书馆里电话方面的资料比较缺，然后就跑各大书店翻阅，查找相关资料，综合找到的可用资料，在16脚输出端加上一个小功率放大整形电路（如图一所示），在示波器上观察信号幅度放大了，幅度在3.5V左右，调试电路时，由于手头没有专用的2N5551， 三极管T1最初选用9013代替，但经调试发现,在电话机检测仪上显示有输出的电话号码，但一接上市电话线，然后并上一台普通电话机，拨打事前程序中设定的电话号码，总共有8位，但由于变压器后端至电话线接头部分的电路没有正确的模式，在自动拨打电话时，拨3或4位号码后，电话机听筒里就提示你所拨打的电话号码为空号，发现这个问题后，估计是信号从ATM5087的16脚（IO）出来后，幅度不够大或者失真造成的，于是就去买了2N5551将9013换掉，上电后，用示波器观察输出的波形，波形的质量跟以前相比不但没有变好，上下均出现平顶失真，忽略这个变化，又去隔壁实验室连上电话线拨电话，结果噪声很大，同样提示所拨打电话号码为空号。这样又将2N5551重新换回9013。仔细检测变压器前端的电路，将5087的各个引脚的连接电路全部测试，防止虚焊，没有虚焊的问题。考虑到变压器后端的输出接电话线部分，应该是问题的关键，市话线上，在接听电话或向外拨打电话时，线上电压为812V ，信号经耦合变压器耦合到电话线上。如下图三所示：图中K2使用的是HRS1H-S 5VDC继电器，功能是代替叉簧控制电话的摘挂机，当P10脚输出高电平时，三极管T2导通，变压器端有信号输入，继电器吸合，相当于电话摘机，可以进行拨号。由于电话线上的电压比较大，拨号时约为12V，电阻R6的选择是问题的关键，选择R6=600时，这样导致电组非常烫手，电压过大，而且此时电话机听筒里的声音特别刺耳，然后换上R6=10K的，这样听起来声音就很微弱了，在电话检测仪上输出的数字于听筒里听到的拨号音不同步，信号不稳定，有几次检测仪仅能显示前几位数字，看来这部分的负载也很重要经分析，选用2K的电阻时，电流是8V/2K=4mA,理论上可行，检查电路中多余的部件，将没用的线全部拔掉，最后搬到隔壁去调试，最终成功的拨通了程序中设置的电话。分析当初导致不能拨号的原因，应该大体归纳为几点：(1)信号幅度太小，市内公共交换机不认识所拨的号码,就默认为不存在的电话号码,当作空号处理所以输出的DTMF信号幅度太小就造成交换机识别不出所拨的数对应那个按键；(2)同样经过放大后，容易造成波形失真，同样不会识别出来；问题就在于找出一种适合的放大电路，在交换机可以识别地范围之内的信号；(3)耦合变压器的输出端同样重要，电子负载选择要合理；3.2.2 自动摘挂机电路电路摘挂机是交换机通过线路上的直流电流来判断用户的摘挂机状态。在挂机状态下，电路上的直流电流为0;在摘机状态下，线路上的直流电流为18mA55mA，如果电流超出此范围，则认为用户环路出了故障。从挂机到摘机,程控交换机如果检测小于30mA的电流,则认为电话用户已摘机。 方案(一) 交换机通过线路上的直流电流来判断用户的摘挂机状态，所以可以通过控制一个电流源的通断来实现。单片机通过端口/WR控制三极管T1的通断来控制电路中的电流，模拟摘挂机的动作。当/WR为低电平时，T1截止，电流比较小，处于挂机状态；当/WR为高电平，T1导通，此时T1和T2组成的电流源将提供30mA左右的电流，相当于电话摘机，交换机会接通话路。另外，恒流源可以保证电路具有较小的直流阻抗（600）。如图1-2.1单片机 图1.2.1方案(二) 因为程控电话交换机对电话摘机的响应是电话线回路电流突然变大约为18mA55mA的电流，交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机。自动摘挂机电路可以通过单片机控制一个继电器的开关实现。本设计采用第二种方案，如下图所示： 3.2.3 忙音检测电路当被呼叫电话处于通话状态或者电话机没有挂好时，线路中会出现忙音信号，此信号是450的音频信号，在周期0.7、占空比为1:1的方波上调制而成。方案（1）： 检测回铃音1200ms，当连续脉冲个数大于100小于300个时就判断是占线；若连续的脉冲个数超过450个，就判断是拨号音；若小于450大于400个判断为电话接通的回铃音，继续判到没有回铃音，则认为是对方接通电话。这个方法比用LM567更能抗干扰，关键的问题程序中必须测试的是连续的脉冲串，若仅仅是计单个脉冲个数就没法谈什么抗干扰了。不可能有连续的100个干扰脉冲,8880可是用了6级滤波器的。但是MT8880是CMOS大规模集成电路功耗低（52mW），并且将发送和接收电路集成在一个芯片内，所以集成度高。价格也比较昂贵一点。另外可以检测反极信号, 挂机时假如线路为a +, b-, 接通后，交换机会让线路变成b+, a-, 对方摘机后,会有16KHZ或12KHZ或反极信号,可用一带通滤波电路检测。 反极信号最可靠，但要申请，还要另交费, 电信局不向普通电话提供反极信号的。所以这种检测反极信号的方法也不可行。方案（2）：电话拨号后，若未接通不会有回铃音，或者只有忙音；若接通会有回铃音，对方摘机回铃音即消失。因此，可在拨号后检测是否有回铃音，若没有回铃音或是忙音则重拨；若是回铃音则继续检测，直到检测不到回铃音则表示对方已摘机。有的地方交换机发出的不是准确的450HZ信号，有的相差很大，最大相差可达50HZ, 所以必须要在线调试。在我国的电话标准中，忙音是0.35s0.05s断续的450Hz音频信号。采用美国国家半导体公司生产的LM567可以识别一定频率的音频信号。LM567是一个高稳定性的低频集成锁相环路解码器，内部包含有电压控制振荡器（VCO）、鉴相器和放大器（AMP）等单元电路，LM567能检测的中心频率由VCO决定，VCO的频率由外接的定时元件（可调电阻R3和电容C4）决定，调整R3的阻值（电容的值固定），可以识别0.01Hz-500Hz之间的音频信号，如图三所示：中心频率F0和定时元件RC的关系是： F01/(1.1*R3*C4) 例如：C4=0.1F,F0=455Hz,则R320k。若由用户线路来的信号频率落在锁相环路的捕获带宽内，则被环路锁定，并由LM567的OUT 端（8脚）输出低电平，LM567结合单片机，可以实现忙音识别功能。由电位器R1调整，使LM567译码中心频率为450 Hz。信号经LM567译码后解调出方波脉冲，输入到单片机接口，完成忙音检测。3.2.4 振铃电路振荡电路整流电路传统的拨号盘电话机采用的是极化电磁铃，即交流铃电子铃就是仿照交流铃的工作原理，用电路实现的振铃电压是25 Hz的交流电压，而电子器件需要极性确定的直流电压才能正常工作因此必须首先把交流电变成直流电，供给可产生不同频率的振荡器使用综上所述：振铃电路必须有两部分组成：整流电路和震荡电路（如附图一）C振铃电路方框图线路送来得25HZ的交流振铃电压送到整流电路，经整流，滤波后，变成比较平滑的直流电压直流电压加到振荡电路上，振荡器起震，由功率输出级输出交替的两种不同频率的电压，驱动动圈式扬声器或压电陶瓷式扬声器发出悦耳的声音。电容C是隔直电容，把线路上的直流电压同振铃电路隔开，只允许交流振铃电压通过。振铃专用集成电路分两类：一类是整流电路及稳压管（26V28V）需要外接的，如：CSC8204、LS8240等。这些电路的电路原理和性能指标以及封装引脚都基本相同，所不同的只是脚的用法。另一类是内部具有整流电路和稳压二极管，有的还具有可控硅保护电路，这类集成电路有: LS1240A、TCM1512A等。这种集成电路外围元件少，使用起来方便，因此得到广泛应用。结合实验室提供的赛德HCD1218(20)P/TSDL型电话（供了解电话和拆卸用）的基本外形电路，以及电话原理书上的关于振铃电路的部分介绍，拆卸一个振铃芯片L2410需外接整流电路及稳压管一类的，振铃器最初选用小口径的扬声器，但由于扬声器阻抗较低，必须配用音频变压器，电路连接好调试时，按下电话机检测仪的振铃按钮，扬声器发出低钝的振铃声，后来又找到一个电陶瓷振铃器，不需要变压器直接将脚外接的输出端连至振铃器即可，而且振铃声音清脆。所以振铃器选用压电陶瓷振铃器。该部分电路如图四：需要注意的是在将电路接上电话机检测仪测试时，按下振铃键要小心，此时检修仪内部有约100V的高压，平常仪器不用时最好不要将按键停留在振铃键上，以确保安全。3.2.5 单片机及控制电路本电路是该系统的核心部分，目前微控制器种类很多，但用得较多的还是51系列单片机。考虑到在本系统中，单片机的主要任务是检测环境，分析用户指令，并执行相应的控制操作，涉及监测和报警两部分，两组一起调试不方便，加上前端需要接的传感器类型过多，商量决定使用两个单片机，分成主、从两部分:一个负责前端监测，一个负责遇险报警。两部分最后连接起来构成整个系统。前端监测部分由另外两个同学共同负责，我负责主要的报警部分。报警主要是用单片机控制ATM5087拨号到电话网，平时单片机处于待机检测状态，被检测物发生变化，单片机就调用相应的报警程序，拨打指定的电话号码，发送报警信息。该部分电路如图五：此部分电路的原理：(1)、复位电路：采用的是按键电平复位电路，其电路如下图所示。按键电平复位是通过复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功。(2)、片内振荡器及时钟信号的产生：单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，反相放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2，分别是89S52的19脚和18脚。在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器，见下图，电容器的选择通常取30pF左右时， 对振荡频率有微调作用。振荡频率范围是1.2Mhz-12Mhz。附图： (3)、控制部分：假定报警信号发生，使得p10的电平由低变为高,这样继电器吸合，电话线路接通。根据不同的险情调用相应的程序，使ATM5087拨通电话，发出报警信号，并调用语音芯片里存储的语音信息实现报警功能。P0口送数给ATM5087发送芯片。从P07P00高低位与C4R1的一对一关系。 第四章 系统软件设计及调试部分 4.1.软件设计方案本设计要实现的功能是能够在得到报警信息后，准确识别报警信号，通过单片机控制电话自动执行拨号指令，在电话摘机拨号后，检测对方电话是否处于忙态，调用忙音检测程序，如对方电话拨通，则本系统启动，同时提示对方报警信息。系统程序流程图如下：根据系统要实现的功能，结合系统硬件电路，利用模块化编程思想，将程序划分为程序划分为以下几个模块：主程序模块、数据发送模块和忙音检测模块；以下给出部分模块的流程图及说明：一、主程序模块： 二、数据发送模块：该部分是系统软件的核心部分，主程序在调用本程序时，应将kg=P11置高，实现电话自动摘机；本模块用一个条件语句实现，程序结构如下if(kg) for(m=0;m9;m+) Delay50us(200); Delay50us(200); P0=tabm; Delay50us(200); Delay50us(200); P0=0xFF; kg=0; P0=0xFF; 三、忙音检测模块：4.2. 系统软件调试在设计软件时，我遵从模块化的设计思路，将软件划分为几个独立功能模块。这样，在软件编写和调试时都很方便。在调试发送数据模块时，由于延时不好计算，发送数据跟正常的电话人工拨号声音不同，又在这句程序P0=tabm; 前后各多调用一次延时，下载后接上电话检测仪听拨号音，听声音应该是按键以后没有放开，继续按第二个键号，于是在循环一次后加一句置P0为全1, P0=0xFF; 由于十六进制的全1没有对应的按键号,则不发送DTMF信号,这样就实现了按键期间的停顿。 for(m=0;m9;m+) Delay50us(200);