毕业设计（论文）基于gsm家庭防盗报警系统的设计

基于GSM家庭防盗报警系统的设计作者姓名刘强指导教师马学文副教授单位名称信息科学与工程学院专业名称通信工程东北大学2009年6月DESIGNOFGUARDAGAINSTTHEFTANDALARMSYSTEMBASEDONGSMBYLIUQIANGSUPERVISORPROFESSORMAXUEWENNORTHEASTERNUNIVERSITYJUNE2006基于GSM家庭防盗报警系统的设计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。关键词报警器，双音多频，GSMDESIGNOFGUARDAGAINSTTHEFTANDALARMSYSTEMBASEDONGSMWITHTHEDRAMATICDEVELOPMENTOFVERYLARGESCALEINTEGRATEDCIRCUIT,THETELECOMMUNICATIONTECHNOLOGYANDMICROCONTROLUNITANDTHEIMPROVEMENTOFPEOPLESAWARENESSOFSECURITYITISPOSSIBLETOSETALARMAUTOMATICALLYBYMICROCONTROLLERANDOTHERCHIPS,WHICHBECOMESAKINDOFTRENDBECAUSEITISSMALLANDCONVENIENTTOINSTALLANDTHERATIOOFPERFORMANCEANDCOSTISHIGH,ITWILLHAVEABRIGHTFUTUREBUTTHEPRODUCTOFALARMFORFAMILYHASSOMEDISADVANTAGESITISNECESSARYTODOSOMERESEARCHONANEWTYPEOFPRODUCTBASEDONTHEFORMERPRODUCT,WHICHISVALUABLEFORPROTECTINGPEOPLESPOSSESSIONANDINCREASINGTHEREACTIONOFPOLICEMAN,FIREMAN,DOCTORANDVIGILANCECOMMITTEETHISDISSERTATIONIMPROVESTHEFORMERALARMFORFAMILYINWHICHTHEMOBILEMODEMMODULEISINTZODUCEDSOTHEALARMCANBESETBYTELEPHONEANDMOBILEPHONE,WHICHOVERCOMESTHESHORTCOMINGTHATTHESYSTEMWILLBEOUTOFWORKWHENTHETELEPHONELINEISCUTOFFDELIBERATELYTHEALARMISDESIGNEDBYMODULARMETHODTHEALARMISSUBDIVIDEDINTOTHREEPARTSATINCLUDETHEMAINMODULE,MOBILEMODULE,COLLECTINGINFORMATIONONALARMMODULEACCORDINGTODIFFERENTREQUIREMENTANDEXPENSE,THECUSTOMCANPURCHASEDIFFERENTMODULESCOMBINETHEPRODUCTTHATISSUITABLEFORTHEMTHEMAINMODULEISTHEKEYGROUPOFTHEALARMTHEOTHERSARETHEFUNCTIONCOMPONENTS,WHICHARECONNECTEDCONVENIENTLYWITHTHEMAINMODULETHEREAREINTERFACESTOCONNECTWITHTHEFUNCTIONMODULESANDSOFTWARETODRIVETHEFUNCTIONMODULESINTHEMAINMODULE,WHICHENABLESTHEFUNCTIONMODULESTOPLUGANDPLAYTHISDISSERTATIONDESCRIBESTHEDESIGNOFHARDWAREANDSOFTWAREOFTHEALARMINDETAIL,INWHICHSELECTINGSUITABLECHIPS,PERIPHERYCIRCUIT,CHIPSINTERFACE,ANDTHEMETHODOLOGYOFPROGRAMAREDISCUSSEDMOREOVERTHEKEYPROGRAMISDESCRIBEDTHEALARMTHATISSATISFIEDFORTHECUSTOMISDEVELOPEDINTERMSOFTHEREQUIREMENTOFPROJECTTHEDEVELOPMENTTRENDOFALARMISDISCUSSEDINTHEENDKEYWORDSALARM,DTMF,GSM目录任务书I摘要IIABSTRACTIII第1章绪论111课题来源及研究意义112报警器发展历程和研究现状1第2章总体方案设计221报警器的功能要求222总体设计方案223双音多频收发电路324GSM数字移动通信系统425单片机的软件开发工具C51语言5第3章功能块设计831主机8311AT89C51特点8312主机硬件电路设计8313主机软件设计932双音多频收发电路10321MT8880特点10322MT8880与单片机接口电路设计13323双音多频收发电路的软件设计1433语音电路16331ISD1420特点16332ISD1420与单片机接口电路设计18333语音电路的软件设计1934看门狗电路19341X5045的特点20342X5045与单片机的接口电路设计22343看门狗电路的软件设计22第4章功能模块设计2341移动通信模块23411ZXGM18的特点23412ZXGM18与单片机接口电路26413移动通信模块的软件设计2742警情采集电路29421DS2450的特点29422DS2450与AT89C51的接口电路设计32423警情采集电路的软件设计32第5章模拟仿真与软件调试3451软件仿真3652硬件调试36521电源调试36522仿真器调试3653软件调试3654模拟运行37第6章总结3861设计总结3862存在的问题和展望39参考文献40致谢42附录1程序源代码4318255A的初始化程序432MT8880初始化程序433报警驱动程序434语音播放程序455写X5045字程序456与ZXGM18模块操作相关的核心子程序477有关DS2450的主要子程序48附录2接口电路图49第1章绪论11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。12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。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。21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231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。22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21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46。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。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21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。23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78。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09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21所示。表21双音多频组合功能高频群HZ低频群（HZ）1209133614771633697123A770456B852789C9410D24GSM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18GHZ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GSMMOU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”GLOBALSYSTEMFORMOBILECOMMUNICATIONS。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18GHZ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。25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FRANKLINSOFTWARE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C51V405A，另一个是FRANKLINSOFTWARE公司的C51V320。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FRANKLINSOFTWAREC51V320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。FRANKLINC51V320有以下5个特点101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22所示。表22C51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）MOVXR0访问XDATA片外数据存储区（64K）MOVXDPTR访问CODE代码存储区（64K）MOVCDPTR访问3数据类型。FRANKLINC51支持的数据类型为BIT，SIGNEDCHAR，UNSIGNEDCHAR，SIGNEDINT，UNSIGNEDINT，LONG，UNSIGNEDLONG，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23所示。表23C51的特殊数据类型数据类型长度范围SBIT1位1OR0SFR1字节0255SFR162字节0655354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24所示。表24C51的指针类型指针说明长度指向FLOATP33字节所有89C51存储空间的“FLOAT”CHARDATADP1字节“DATA”存储区中的“CHAR”LONGPDATAPP1字节“PDATA”存储区中的“LONG”CHARXDATAXP2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INTERRUPTVECTORUSINGBANKINTERRUPT后的数值VECTOR为89C51控制器的多中断。中断及入口地址如表25所示。表25C51的中断向量表中断类型中断向量0外部中断0003H1定时器/计数器0中断000BH2外部中断10013H3定时器/计数器1中断001BH4串行端口中断0023H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。31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。311AT89C51特点AT89C51是ATMEL公司采用CMOS工艺生产的低功耗、单片机，与MCS51单片机兼容，其功能特点为14K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0HZ24MHZ晶振。3三层程序存储器。4128字节内部数据存储器RAM。532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。312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31所示。图31主机电路图图31中，电容C130PF，C230PF，C322F，晶振F12MHZ，电阻R11K。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。313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32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。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YNYNYN开始图32主程序流程图在图31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。32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1213。321MT8880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/，D0D3等信号选择内部寄存器，并控制电路的工作WCS状态或工作模式。MT8880的管脚如图33所示。图33中，OSC1，OSC2是时钟或振荡器输入和输出端。通常两端外接3579545MHZ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W读写控制信号输入，与TTL电平兼容。是片选信CS号输入，若为TTL低电平，则此电路被选中。RSOCS是寄存器选择输入，与TTL电平兼容。CLK2是系统时钟输入，与TTL电平兼容。DOD3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，DOD3呈高阻。/CALL对微处理器的中CSIRQ断请求信号，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W同时序组合将数据写入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。1DTMF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。IRQ3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N1O90LKG3VEF7T8PDM图33MT8880管脚图/CALL端输出。IRQ6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。I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31和表32。表31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32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33所得到不同的工作W模式。此时，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34。表33RSI与R/时序控制WRSIR/W功能00数据写入TDR01数据从RDR读出10数据写入控制寄存器A，B11数据从SR读出表34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B2RDR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322MT8880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34所示12。图34MT8880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35。R1243CLMAOUTVEFIN图35信号放大电路图35中，电阻R1100K，R224M，R382K，R4300，电容C11F，C247F，A1为LM324。电话线与信号音接口如图36所示。0KUAPDQ567RNSJG图36电话线与信号接口323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1S1000S，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37给出了单片机AT89C51写内部寄存器CRA，CRB的时序图。图37MT8880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33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38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450HZ25HZ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50S，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LS，所以T1的计数初值计算见公式31。T_COUNTER501000/150000（31）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50S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。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YYYYYNNNNN初始化图38报警子系统的流程图33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。331ISD1420特点ISD1420语音芯片是美国ISD（INFROMATIONSTORAGE）公司的新型产品，ISD1420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05S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816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。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0125S，其管脚排列如图39所示。图中，A0A7是地址输入端，当A6和A7不全为高电平时，A0A7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，A0A5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1524DB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；MICREF是话筒参考输入端，MICREF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。ANAIN是模拟信号输入端，对于话筒输入，ANAIN引脚应通过外部电容与ANAOUT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。ANAOUT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100F的交流祸合电容，录音期间该输出端保持高阻状态。XCLK是外SP15VCA6MI7REF8G9N20OUTLY34DXK图39ISD1420管脚图接时钟输入端，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。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。332ISD1420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A0A7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310所示。图310ISD1420与单片机的接口电路ISD1420可以实现分段录音，分段录音时A0A7用作地址输入线，A6，A7不可同时为高电平，所以地址范围为00000000100111111，即为十进制码0159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A0A7决定T0125128A764A632A516A48A34KA22A11A0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A0A7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00000000B，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00111000B，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01110000B，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311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。R2314CLMADSPOUT图311ISD1420的语音信号放大电路333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。34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。341X5045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1415。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，64S。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45V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45V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。3EEPROM存储器X5045的存储部分是CMOS的40位串行EEPROM，他在内部按5128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312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4555V，另一种是2755V。以下介绍X5045的工作原理。X504S共有6条操作指令如表35。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35X25045的指令集指令名指令格式操作/CS1O2WP348RET7KI5图312X5045管脚图WREN00000100设置写时能锁存器允许写WRDI00000100设置写使能锁存器禁止写RDSR00000101读状态寄存器WRSR00000001写状态寄存器READ0000A8011读WRITE0000A8010写X5045内部有一个8位状态寄存器，其每一位的定义如表36所示。表36状态寄存器的定义WD1WD0BL1BL0WELWIPWIP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。4WP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，BL1的关系见表38。表38状态寄存器被保护的阵列地址状态寄存器BL1BL0被保护的阵列地址00无写保护011801FF101001FF11001FF342X5045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313所示。图313X5045与单片机的接口电路343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CS子程序中加一条X5045_SX5045_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。第4章功能模块设计功能模块包括移动通信模块、警情采集模块。41移动通信模块为了解决因电话线被恶意剪断而使系统失去报警功能的问题，本系统除了采用固定电话向外界报警外，还通过移动通信模块报警。现在国内外多家公司生产出基于GSM数据移动通信网的调制解调器模块MODEM，例如MOTOROLA公司MC35，SIEMENS公司的T25，中兴公司的ZXGM18等，以方便与GSM数字移动通信网络的接入，在此选用中兴公司的ZXGM18模块。411ZXGM18的特点ZXGM18是中兴通讯公司最新推出的GSM无线调制解调器，主要为语言传输、短消息发送提供无线接口，并可软件升级提供数据业务。ZXGM18集成了完整的射频电路和GSM基带处理器，特别适合于开发一些GSM的无线应用产品，如监控、调度、车载和遥控等系统，也可以直接作为终端产品进行语音和短消息的传输，应用范围十分广泛