智能化住宅防盗防火报警系统毕业设计
五年级 记叙文 32767字 1199人浏览 kuguaba

摘 要

随着信息技术的飞速发展以及人们生活水平的大幅度提高,人们对住宅的需求已从追求简单的生存空间向着追求质量、功能、服务等多重需求过渡。

本文介绍了住宅智能化中的防盗防火报警系统。智能化住宅防盗防火报警系统集防盗防火功能于一体,可实现自动检测与自动电话拨号报警。自动检测是指由红外探测与微波探测器构成的双鉴探测器实现盗情检测,同时由温度探测器、光电感烟探测器和一氧化碳探测器集为一体的复合式火灾探测器完成火情检测。多传感器的应用实现了低误报率,增强了系统可靠性。自动电话拨号报警是指通过电话网络自动向相关部门发出语音求救信号。当防盗、防火探测器检测到险情的时候,向单片机发出中断申请,再由单片机控制电话接口电路,实现模拟摘机,根据险情类别,自动拨打相关部门的电话号码如小区管理中心电话。本系统通过密码来识别主人身份,系统开启后只有输入正确的密码才能关闭系统。系统从硬件方面进行了抗干扰设计,使其具有较好的抗干扰能力,完成系统可靠工作。

关键词:智能报警系统;防盗防火;自动拨号;语音报警

Abstract

II Abstract

With the rapid development of communication technique and great improvement of standard of people's living, the need of house has been changed from only the living space to multiform needs of quality, function, service, and so on. A kind of intelligent alarm system for residential area is introduced. It includes the functions of theft-proof and fireproof, performing automatic detection and automatic dial. Pyroelectric infrared sensor and Microwave sensor combined are used for theft-proof so as to realize automatic detection. Temperature sensor, Photoelectric smoke sensor and CO sensor are integrated to a compound detector for fireproof. Multi-sensors make the least false alarm and enhance the reliability of system. Automatic dial means that it can send help voice through public telephone switch network to the bureau. When the sensor of fireproofing or burglarproof detects any off normal signal, an interrupt request is sent to the MCU. Next the MCU control the interface module of telephone to accomplish off hook. According the kind of dangerous, the dialing module will automatically dial the right phone number such as the phone number of surveillant center.The system discerns the master by the secret code. Only imputed correct secret code, could system be closed. The system is designed by considering the anti-interference in the side of the hardware. It can work with high reliability.

Key Words :intelligent alarm system; theft-proof and fireproof; automatic dial; phonetic alarm

目 录

III 目 录

摘 要 ........................................................................................................................ I Abstract . .........................................................................................................................II

1 前言 ........................................................................................................................... 1

1.1 序言 ................................................................................................................. 1

1.2 国内外研究概况 ............................................................................................. 1

1.3我国住宅智能安全防范系统展望 .................................................................. 4

1.4论文主要工作概述 .......................................................................................... 5

2 系统总体方案设计 ................................................................................................. 6

2.1 智能报警系统的总体构成 ............................................................................. 6

2.2报警系统的功能及工作过程 .......................................................................... 7

3 用户端探测器设计 ................................................................................................. 8

3.1防盗探测器电路设计 ...................................................................................... 8

3.1.1热释电红外线探测器 ............................................................................ 9

3.1.2微波探测器 .......................................................................................... 12

3.2防火探测器电路设计 .................................................................................... 14

3.2.1温度探测器 .......................................................................................... 16

3.2.2光电感烟探测器 .................................................................................. 16

3.2.3 CO气体探测器 . ................................................................................... 18

4 用户端自动报警器设计 ....................................................................................... 19

4.1 用户端自动报警器总体设计 ....................................................................... 19

4.2自动报警器电路设计 .................................................................................... 20

4.2.1 AT89C51单片机简介 ......................................................................... 20

4.2.2自动报警器电路设计 .......................................................................... 22

4.3串行EEPROM-X25045 . ................................................................................ 24

4.3.1 X25045简介 ........................................................................................ 24

4.3.2 X25045的工作原理: ........................................................................ 25

5 自动拨号及语音报警电路设计 ........................................................................... 28

目 录

IV 5.1 拨号电路 ....................................................................................................... 28

5.1.1拨号电路的主要功能 .......................................................................... 28

5.1.2 MT8888芯片简述 ............................................................................... 28

5.1.3 MT8888外围电路 ............................................................................ 32

5.2语音电路 ........................................................................................................ 33

5.2.1 ISD1420芯片简述 . .............................................................................. 33

5.2.2芯片工作原理 ...................................................................................... 35

5.2.3芯片工作模式 ...................................................................................... 36

5.2.4语音芯片及外围电路 .......................................................................... 36

5.3电话接口电路 ................................................................................................ 37

6 键盘与密码显示电路设计 ................................................................................... 39

6.1 键盘电路 ....................................................................................................... 39

6.2密码显示电路 ................................................................................................ 40

7 控制字和各芯片工作模式设定 ........................................................................... 42

7.1 控制字设定 ................................................................................................... 42

7.2 芯片工作模式设定 ....................................................................................... 42

结 论 ......................................................................................................................... 43

参考文献 ..................................................................................................................... 44

致 谢 ......................................................................................................................... 47 附录A 用户端自动报警器电路图 ..................................................................... 48

1 前言

1 1 前言

1.1 序言

随着计算机的普及和信息技术的迅猛发展,人们己不满足于传统的居住环境,对家庭及住宅小区提出了更高的要求,智能化被引入家庭及住宅小区,并迅速在世界各地发展起来。人们对居住环境要求的日见增高,体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。家庭及住宅小区智能化的定义,在国际上至今尚无一致的定义,一般认为,在现代化的城乡住宅小区内综合采用微型计算机、自动控制、通信与网络及智能卡等技术,建立一个由住宅小区综合物业管理中心与安防系统、信息通信服务与管理系统和家庭智能化系统组成的“三合一”住宅小区服务与管理集成系统,最终目的是使每一住户得到满足其要求的最佳方案。国家建设部规定,目前住宅小区应实现六项智能化要求,其中包括实行安全防范系统自动化监控管理;住宅的火灾、有害气体泄漏实行自动报警;火灾报警系统应是以烟、温及可燃气体等探测器为主体;防盗报警系统应安装红外或微波等各种类型报警探测器;系统应能与计算机安全综合管理系统联网;计算机系统能对防盗报警系统进行集中管理和控制。基于此项规定,住宅防盗防火系统实现智能化势在必行。

本文所要介绍的智能防盗防火报警系统,正是在智能住宅蓬勃发展的背景下,为了满足用户对安全的强烈要求,而设计并开发的。系统的首要任务是根据住宅小区的类型、使用功能及防护风险等要求,为保障小区人身财产安全,通过运用多传感器探测、双音多频远程数据传输(DTMF)及计算机通信等技术综合形成智能报警系统,从而达到保障小区安全的目的。双音多频(DTMF)信令的传输速度,使得它广泛应用于各种通信和控制系统中。DTMF 信号收发芯片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:接收部分用于完成DTMF 信号的接收、分离和译码,并以4位并行二进制码的方式输出。当遇到盗情、火情等各种险情的时候,该系统可以通过电话网络自动向相关部门发出语音求救信号,从而达到保护用户生命财产的目的。

1.2 国内外研究概况

在社会信息化进程日益发展的今天,信息技术应用己渗透到人类生存、活动的各个领域,在建筑领域,人们的现代生活、工作对居住和办公的建筑环境不仅要求

1 前言

2 舒适健康、安全可靠、高效便利,同时还要适应信息化社会运用科技手段和设备的要求。但是经济的发展也带来了相当大的负面影响。城乡收入差距、区域收入差距进一步拉大,以及流动人口的迅速增加,社会保障制度的不健全,盗窃、抢劫等刑事案件也呈现出了增加趋势。人们越来越渴望有一个安全生活的空间。犯罪分子的作案手段越来越高明,甚至采用一些高科技的作案手段,使得以往那种以人防为主的防范方式越来越不能满足人们日常防范的要求。因此,人们的日常安防工作中,引入了很多高科技手段,我们称之为技术防范。因为技术防范能够及时发现各种案情,并为案件的破获提供有力的证据,所以,越来越受到人们的重视。与此同时,随着生活水平的提高,液化石油气、管道煤气进入了更多人的住宅里,各种家用电器也得到了广泛的使用,但是,人们在享受这些现代化设施带来的便利的时候,却也增加了火灾隐患。如果一个小区实现了智能化管理,管理人员就可以快速有效地完成对小区的智能管理,诸如各种盗情、火灾等报警数据的采集,管理中心对各种警情的及时处理等。

智能化住宅是信息化社会的产物,住宅智能化的内容一般包括:住宅安全自动化(SA),通信自动化(CA),保健自动化(HA)和管理自动化(MA),因此也称为4A 系统。所谓智能化小区,即是通过一个高度集成的通信和计算机网络,把住宅小区安全防范系统、物业管理系统、公共服务系统、信息系统连接起来,建立集成平台与信息处理控制中心,各个系统独立运行又共享网络硬软件资源,实施智能化与最优化,为住户营造一个安全、自由、舒适的现代居家生活环境。

智能小区是在智能化住宅的基本含义中扩展和延伸出来的,小区管理最为重要的内容之一是确保住宅、住户安全。现代居住的格局,邻里之间的来往越来越少,家庭生活隐密性、封闭性越来越强。所以说,小区的安防系统和智能管理系统是现代化小区管理不可缺少的有机组成部分。考虑设备成本与集中管理的需要,可将周界报警探测系统、住宅联网报警系统加以集成和综合,构成综合防范体系。由此,居民住宅应当设置安全防范报警系统,对火灾、盗窃、入室抢劫等做到早发现、早报警,通过社会力量和科技手段来提高家庭抵御各种意外情况的能力。

现代安防监控系统己有了新的概念,通常称为安全自动化SAS(Security Automation System) ,并与防火自动化系统FAS.(Fire Automation System) 共同构成智能建筑系统最底层的系统。目前国外发达国家己逐渐形成一个集安防、消防、医疗救护为一体的安全保障行业。安全技术防范行业真正形成行业规模是在第二次产业革命中即1950年一1971年,首先在美国、英国等国家形成,像ADEMCO(安定

1 前言

3 宝) ;VICON(维康) ;CHUBO(集宝) ;AMERICA DYNAMIC (A.D)等。60年代视频图像技术,70年代计算机数字技术。80年代生物识别技术以及90年代国际互联网技术的应用,使安防行业得到快速发展。

西门子楼宇科技公司针对社区住宅及分散型小型建筑安全防范的实际情况,充分结合社区住户本身,最新推出一了Guarto Easy 新型安全防范系统。西门子楼宇科技公司的最新产品Guarto Easy 将视频监控、音频对讲监听、防盗报警(有线或无线连接方式) 、火灾探测、危险气体探测等多种警告方式(声光,无线,拨号) 结合起来,对社区住宅及分散型小型建筑进行全方位的安全防范。Guarto Easy 采用总线式结构,符合安防系统的暴露线路最短的原则。通过适配器可以接入各种信号(电压,触点等) ,可以连接防盗探测器,震动探测器,气体探测器,火灾探测器,紧急按钮,门禁触点等各种探测器,能够适应各种情况。在线路上,可以接入中继器实现探测线路的延长,从而更好的适应环境。

就智能住宅中的火灾报警而言,目前出现的大型组合火灾报警系统或智能火灾报警系统,一般是根据灾前检知的光、热、烟、气、味等个别异常或是否达到某种阈值来做出判断的多阈值系统,多传感元件火灾探测器是智能型的装置,使用三种不同类型传感元件的探测器记录模拟量的火灾参数,并将这些模拟量转换成数字信号,然后,探测器利用数值算法判定是否存在火灾危险。现在世界各国都在致力于研究和开发能早期预报火灾的火灾探测方法和设备,如利用神经网络所具有的自学习和自适应等特点,就可组成智能火灾探测系统,提高火灾探测系统的检出率,增进系统的可靠性。

在我国,小区安全防范报警系统已成为智能小区中实现安全管理的重要系统,根据我国建设部的规定,主要包括电视监控、防盗报警、求救求助、煤气泄漏报警、消防报警等内容。该系统是一种比较完善的安全防范系统,通过在可视对讲的基础上,不断扩展主机功能,增设室内分机用于接收室内各探测器的报警信号。室内分机有多个探测器接口,可接收感烟探测器、温度探测器、红外及微波探测器、煤气泄漏探测器等传来的报警信号。

我国智能住宅安防系统相对国外来讲,是有较大差距的。现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门,虽有一定的防盗作用,在灾害发生的情况下,使逃生更加困难。另外,小区安全措施不足;居民安全意识有待增强;安全防范系统也急需普及。

1 前言

4 在我国,以北京、深圳、上海、广州等较发达的城市为龙头在近几年内也形成了一股智能化住宅热。目前,公安部、建设部均要求智能住宅小区必须具有安防系统。大连市华乐一环海花园全部住宅均设计有国内一流的家居安防系统。家居安防系统包括四部分功能:幕帘式电子栅窗、智能门禁管理、紧急呼救和误报自解除功能。该系统采用独立的不间断电源供电。当住户家居安防系统断电时,自检系统会自动向保安中心报警。保安中心计算机还会始终记录每一户住宅的家居安防系统是否处于设防状态。室内装有震动报警头(可以检测破坏门时的震动) 、红外微波双鉴式报警头(可以检测室内是否有人) 及报警控制器。报警控制器以MCU 为核心,可以检测两个报警头输入信号,可以设置新密码,可以接收遥控器输入信号,可以实现声、光报警或把报警信号通过电话线送到110。系统中还配备了8Ah 的充电电池,以保证在断电或电源被破坏时系统正常工作。

可以预见,智能住宅、智能小区将成为21世纪建筑业的发展主流。特别是在我国,随着人们生活水平的日益提高,住宅小区是否智能化,安防系统是否完备、可靠将成为评价住宅小区的重要指标。

1.3我国住宅智能安全防范系统展望

智能化住宅和智能小区近几年来在全球以及在中国的快速发展是信息技术发展寻找更广阔的市场结合点的必然结果,是IT 产业向传统住宅产业以及人们生活渗透的必然结果。智能化住宅和智能小区建设目标是向人们提供“方便快捷的信息通信、安全舒适的住宅环境、高效便利的物业管理”。发展智能住宅小区是住宅产业现代化的必然选择。按智能技术开发的功能和作用的不同,智能小区中报警系统应用一般体现在探测智能、监控智能和抗干扰智能三个主要方面。以火灾报警为例,探测智能是通过探测器中的微处理器进行的,它不但对火灾信号直接进行检测、分析和信号处理,而且对环境的变化可及时做出响应,并利用软件中建立的算法进行综合比较,自动调整运行参数,做出恰当的智能判断;监控智能则是由探测器中计算机自身的软件(程序块) 来完成的,监控程序周期地运行,使系统始终保持良好的使用和维护状态。将来的火灾探测报警系统的发展方向是智能寻址式(也称模拟量) 系统,目前欧美已有一些国家正在大力研究无线火灾探测报警系统,随着时间的推移,这种产品在我国也会发展成为主流。

如今,随着我国经济的不断腾飞,人民生活从小康向全面小康转变,大件耐用消费品己大量进入寻常百姓家,因此人们会有更强的安全意识,逐渐接受在住宅内

1 前言

5 装设质优价廉、功能完善的安全防范系统。同时人类已经进入二十一世纪,智能住宅己开始引起人们的关注。作为智能住宅的一个组成部分,安全防范系统也必将向多功能、全方位、综合性、智能化方向发展。

1.4论文主要工作概述

针对国内外的发展情况,可见住宅智能安全防范系统是我国未来智能住宅建设的重点发展方向。本课题要设计的智能住宅防盗防火报警系统是依托公共电话网做传输媒体的电话报警系统,与传统的区域报警系统相比,它具有传输距离远、硬件简单、安装方便的优点,而对于实行物业管理的居民区以及机关、事业单位的办公区则采用分户对值班室的联网方案。

本课题所设计的防盗防火报警系统符合国家建设部对普及型住宅小区的要求,实现功能包括:能对住宅的火灾、有害气体泄露等实行自动报警;还能对盗窃以及入室抢劫实行自动报警;住宅设置紧急呼叫系统;用户端自动报警器对各传感器的信号进行检测和控制;用户端自动报警装置对双音多频(DTMF)编、译码器控制,使住宅通过电话网实现与相关部门(小区管理中心或110/119报警台) 之间的数据交换。用户端的智能防盗防火系统包括探测器、自动报警器及输出等组成部分,并将模块化思想引入此系统,从而使整个系统的功能更完善、灵活、可调。课题重点设计了前端探测器部分和自动拨号报警部分,详细分析了红外防盗探测器的工作原理,最终完成了防盗防火的自动拨号报警功能。

2 系统总体方案设计

6

2 系统总体方案设计

2.1 智能报警系统的总体构成

智能住宅防盗防火智能报警系统开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况,根据我国住宅建设的实际情况,以及各相关方面的协调发展状况,为满足新时期居民的居住要求,真正实现智能化报警的要求来确定的。

本防盗防火报警系统是一种新型的电子安全报警系统,该系统的设计是将电子探测、智能控制和电话通讯技术相结合,从而形成一个两级联网通讯的防盗、防火报警系统。系统总体构成包括防盗防火探测器、用户端自动报警器、自动拨号和语音电路,系统组成框图如图1所示。

图1智能住宅防盗防火报警系统组成框图

用户端自动报警器安装于居民住宅,用于对居民住宅各个不同部位的不同类型探测器(红外、微波、光电感烟、温度、一氧化碳) 进行监测与控制,并对从各个探测器采集来的数据进行处理。当出现异常情况时,通过家中的电话线路自动拨号报

2 系统总体方案设计

7 警,并与中央控制器建立联系,将相关信息传送至中央控制器中。系统不需要另外占用电话线路,当有报警信号时,报警电话享有电话线路的优先权。

2.2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。

2)前端报警器能够快速、准确地检测到现场的异常状态,经确认后及时通报给中央控制器。并能够可靠地进行盗情、火情报警,通过电话线拔打预先设置的1-6组电话/手机号码(小区监控管理中心电话、用户个人电话、用户单位电话、盗警电话110、火警电话119、紧急呼救电话) ,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。

3)用户端自动报警器可检测探测器或传输线路发生的故障(如探头断线或掉电等) ,并可向中央控制器报告故障情况。

4)系统开关机采用密码控制且允许修改密码,防止误报同时增加用户端自动报警器的保密性。

5)用户端自动报警器内提供备用电源,在没有市电的情况下,交直流供电自动切换,确保系统在停电时能继续工作。

系统的基本工作过程:

用户端的防范现场,一旦有人入侵或发生火灾等紧急情况时,与之相应的报警探测器(各种防火、防盗及手动报警按钮等) 则立即向用户端自动报警器发出报警信号。接到警情事件后,自动报警器立即进行确认(多次巡检中断信号) ,若50s 后无人解除警情同时警情确认无误后,进行事件的现场声(蜂鸣器) 、光(LED)报警,同时用户端自动报警器自动向相关部门拨打预先设置好的报警电话号码,进行语音报警。在用户端自动报警器的面板上设有LCD 显示器、键盘以及三色警灯(LED),三色警灯分别指示火灾或红外/微波双鉴的防火防盗报警、正常工作及系统出现故障的状态,即报警灯(红) 、工作灯(绿) 和故障灯(黄) 。正常时LCD 显示时间,事件发生时锁定显示当时的时间。用户端报警器同时具有探头故障报警功能,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。如果出现误触发而报警时可以通过触发延迟时间(50s定时器) 去解除,另外用户端自动报警器还具备状态信息(如有无交流电、备用电池电量是否不足等) 上报的功能,可以对预设的普通电话、手提电话实现报警。

3 用户端探测器设计

8 3 用户端探测器设计

探测器电路设计是本课题电路设计的重点之一,探测器电路部分包括防盗探测器电路与防火探测器电路两大部分,其中详细设计了红外、微波及光电感烟探测电路。由多种类型传感器实现多元信号综合检测是本系统中探测电路部分的基本设计思想,多元信号检测一方面完成盗情与火情的实时监测任务,另一方面大大降低了探测器部分的误报率,提高了整个系统的可靠性和抗干扰性。

3.1防盗探测器电路设计

机,即只有同时检测到两个探测器输出端口为高电平信号时,自动报警器才会响应盗情报警信号,否则不报警。实验发现,在红外探测器中,通过菲涅尔透镜的分割方式的改变可以降低由于小宠物引起的误报,从而弥补了微波探测器监视面积较大的弱点,但红外探测器对环境温度的变化比较敏感,而微波探测器所检测的只是活动的目标,所以对于如果只是温度变化引起的干扰并不会被自动报警器响应。通过这样双重的检测就进一步减小了外界干扰,降低了报警信号误报的发生率,下面详细介绍本系统中红外与微波探测器电路的设计原理、特点以及实际的工作过程。

3 用户端探测器设计

9 3.1.1热释电红外线探测器

在自然界,任何高于绝对温度(-273°) 的物体都将产生红外光谱,不同温度的物

体,其释放的红外能量的波长是不一样的,因此红外波长与温度的高低是相关的。

1. 热释电效应

热释电效应是指如果使某些强介电质材料(如钦酸钡、钛锆酸铅(PZT)等) 的表面

温度发生变化,则随着温度的上升或下降,材料表面发生极化,即表面上就会产生电荷的变化,从而使物质表面电荷失去平衡,最终电荷变化将以电压或电流形式输出。

在热释电红外探测器中有两个关键性的元件,一个是热释电红外传感器

(PTR) ,PTR 能将红外信号变化转变为电信号,并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。另一个是菲涅尔透镜,菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜,它用来配合热释电红外线传感器,以达到提高接收灵敏度。用菲涅尔透镜配合放大电路将信号放大60 -70db,就可以检测10-20m 处人的活动。

2. 热释电红外探测器基本原理

热释电红外传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线,可以将其转

化为与人体运动速度,距离,方向等有关的低频电信号。由于传感器的电压响应度与入射光辐射变化的频率成反比,因此,当恒定的红外辐射照射在探测器上时,探测器没有电信号输出,所以恒定的红外辐射不能被检测到;而物体移动速度越快,同样的入射功率下,输出电压就会越小,只有达到报警阈值电平时,探测器才会有电压信号输出。根据该特性,选择热释电红外探测器适用于盗情信号的检测。

探测器原理框图如图3所示,当人体进入警戒区,人体温度会引起环境温度辐

射场的变化,通过菲涅尔透镜,热释电红外探头感应到的是人体温度与背景温度的差异信号,则在负载电阻上产生一个电信号,电信号的大小,决定于敏感元件温度变化的快慢。经过后级比较器与状态控制器产生相应输出信号Uo 。

3 用户端探测器设计

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图3热释电红外探测器原理框图

3.热释电红外探测器电路设计

热释电红外探测器电路采用的器件包括红外探测器专用芯片——红外传感信号处理器BISS0001、热释电红外探头RE200B(传感器) 及一些外围元件(电阻电容) 。它的正常工作电压是+4. 5V(工作范围可在3V 到5V 之间) 。

检测元件BISS0001是CMOS 数模混合专用集成电路,具有独立的高输入阻抗运算放大器,可与多种传感器匹配,进行信号预处理。另外它还具有双向鉴幅器,可有效抑制干扰,其内部设有延迟时间定时器和封锁时间定时器。管脚排列及各点波形如图4和图5所示。

当A 端等于“0”时,为不可重复触发工作方式,即在Tx 时间内,任何IC7的变化都被忽略,直至延迟时间Tx 结束。当Tx 时间结束时,Uo 下跳回低电平,同时启动封锁时间定时器进入封锁周期Ti 。在Ti 周期内,任何IC7的变化都不能使Uo 为有效状态。本电路中由于BISS0001的1脚接的是低电平,即此时芯片设置为不可重复触发状态,所以在延时周期内,电路不会被重复触发,直到延时周期结束。这一功能的设置,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。RR1、RC1为输出延迟时间Tx 的调节端,RR2、RC2为触发封锁时间Ti 的调节端。

3 用户端探测器设计

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图4 BISS0001管脚排列图

图5 不可重复触发工作方式下各点波形

图6所示为红外探测器分立元件电路图。当热释电红外探头接收到人体发出的红外线后,经过内部转换,输出一个微弱的低频电信号到BISS0001芯片的第一级运算放大器ICl 的同相输入端(14脚) ,对信号进行放大预处理,然后由电容耦合给第二级运算放大器IC2,对信号再次放大,同时将直流电位抬高到VM 。再经内部的两个电压比较器(IC3, IC4) 构成的双向鉴幅器,检出有效触发信号VS 去启动延迟时间定时器(只要有触发信号VS 的上跳沿则可启动延迟时间定时器) 。由于VH ≈3.15V, VL ≈1.35V ,所以当VCC 为+4.5V电压时,可有效地抑制±0. 9V (VH-VL)的噪声干扰,提高系统的可靠性。IC6是一个条件比较器,当输入电压VC < VR 时,IC6输出为低电平,封锁了与门IC7,禁止触发信号向下级传递;当VC > VR 时,IC6输出为高电平,则打开与门IC7,此时,如果有触发信号VS 的上跳变沿到来,将启动延迟时间定时器,同时Uo 脚(2脚) 输出高电平信号,经与门后送单片机进行报警处理,此时探测器进入延时周期,延迟与封锁时间为几秒钟。该设计输出为脉冲信

3 用户端探测器设计

13 动时,反射回去的微波将发生频率变化,从而使微波探测器输出一个与人体运动速度有关的低频电信号。根据该特性,也选择微波探测器用于盗情的检测。

图7 微波探测器原理框图

环形天线和它周围的电阻、电容和MOS 场效应管组成了近微波段高频自激振荡电路(它的振荡频率在1GHz 左右) ,微波探测器原理如图7所示,当电路接通电源以后,振荡产生的单频、等幅信号通过外接天线发射到空间,产生一个立体空间微波防护区,天线既发射振荡信号,也接收回波。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,该信号送放大器进行放大。放大后的信号送窗口式鉴幅比较输入端,经比较将一定强度的探测信号转换为宽度不同的等幅脉冲输出。

2.微波探测器电路设计

微波探测器电路使用的主要元件是单电源通用四运算放大器KIA324P 、环形天线、微波振荡管C3355及一些外围元器件,外接+6V电源。其电路图如图8。

当有人在该微波防护区内移动时,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。混频后高频信号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,10uF 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,C9015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7——8米,探测到有效信号时,有20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

3 用户端探测器设计

14 准电压是32V ,但实际可以工作在很宽的电压范围内) ,当检测到异常信号时为高电平。

图8 微波探测器电路图

微波灵敏度和红外灵敏度通过步测的方法要分别调整,过高或过低的灵敏度都将影响防范效果。微波探测器灵敏度通过调节比较器参考电压端电压来控制,红外探测器灵敏度通过调节输出延迟时间Tx 和触发封锁时间Ti 来控制。

3.2防火探测器电路设计

防火探测器是由温度探测、光电感烟探测和一氧化碳探测构成的复合型火灾探测器。多传感器设计思想解决了传统防火探测器一直存在的误报率高的问题,增强了火灾探测的可靠性。其中光电感烟探测器为本课题中传感器电路的设计重点。复合型火灾探测器原理如图9所示。由于单元探测技术所采用的单一参数火灾探测器(包括阈值触发式和模拟量式) 对火灾特征信号响应灵敏度的不均匀性,导致它对实际火灾的探测能力受到了限制,尤其是用于对家庭住宅火情的准确探知更是尤为重要。因此,报警系统中对火灾信号的检测采用多传感器/多判据的火灾探测技术,将探测器探测到的多元火灾探测信息经逻辑或非门送给单片机进行综合判断,然后经确认后发出报警信号。

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实际上,响应各种不同类型的火灾,通常使用不同类型的火灾传感器,比较实验结果如表1中所示。光电感烟探测器不仅可探测一般火情,对阴燃火尤其有极好的探测效果,主要用于火情早期各种燃烧的烟雾颗粒进行探测,这一点就弥补了感温探测器对阴燃火不敏感,响应速度慢以及不能区分是火灾的热还是空调或烹饪蒸气的热等缺点;但温度与光电感烟探测器都不能区分有些烟雾究竟是火灾的烟还是烹饪蒸汽或香烟的烟雾,由此,在设计中增加了CO 探测部分,可以探知早期火灾烟雾中的CO 成分,这样就大大降低了各种环境因素的干扰,提高了报警的可信度。下面分别介绍三种传感器的电路设计。

3 用户端探测器设计

16 3.2.1温度探测器

温度探测器使用数字温度传感器DS18B20,5V 直流电压供电。

DS18B20的测温原理是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系,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DS18B20采用寄生电源供电方式,保证在有效的DS18B20时钟周期内能提供足够的电流,图10中采用一个MOSFET 管和MCU 的I/0口来完成对DS18B20的总线上拉,然后通过另一I/0对DS18B20进行控制并取得温度值。

图10 温度探测器电路图

3.2.2光电感烟探测器

本节着重探讨光电感烟探测器电路设计。作为发光器件,目前多采用大电流发光效率高的红外发光管,受光器件多采用半导体硅光电管,受光器件的阻抗是随烟雾浓度的增加而降低的,本电路所用的探测头采用的是OPTEK 公司的OP231和OP801SL 光电组合套件作为发射管和接收管,其中,发射管典型供电电压为1.5V ,接收管使用5V 的直流电压供电。

1.散射光式光电感烟火灾探测器的工作原理

利用烟雾微粒对光的散射作用,在一定的烟雾浓度范围内,散射光的强度与烟雾的浓度成比例,因而可以利用光散射检测到烟雾浓度的变化。对于由烟雾引起光散射的测量,特别是对于近距离产生的光散射测量,因为烟雾的测量限于小的范围,对那些影响测量的干扰可以比较容易的消除,因此,利用光散射测量烟雾微粒是一种较理想的方法。

3 用户端探测器设计

17 正常情况下,在发射与接收管之间有光隔离板,用以消除无烟时红外发射管发出的光被光电三极管接收,因而无烟时接收管不会产生光电流。集烟盒内壁为黑色粗糙面,可将盒内的光反射减至最小。集烟盒外侧开有气、烟对流孔,烟雾进口处敷以不锈钢网,以防止杂物进入集烟盒造成误报。在火灾发生时,当有烟雾进入检测室时,由于烟粒子的作用,发光器件发射的光产生漫散射,这种漫散射的光被光电三极管接收,使光电三极管的阻抗发生变化,产生光电流,从而实现了将烟雾信号转变为电信号的功能,探测器给出报警信号电平。

2.光电感烟探测器电路设计

红外发射电路中的555电路用于产生频率可调的脉冲波形,使用555电路的一个主要优点是输出脉冲的占空比可调,便于设计不同要求的驱动输出。同时,较之用直流电源供电可以达到减小功耗的目的。电路原理如图11所示。上电后,555振荡输出信号经过8050放大并反相,使红外发射管OP231上获得调制后的方波电压信号,电路设计中,振荡电路输出的方波信号为7ms 的高电平和139ms 的低电平输出,频率约为7Hz ,设计时以发射管高电平供电时间满足单片机采样时间为准,同时满足低功耗要求。

接收电路部分中的光电三极管接收到烟雾粒子散射的光信号后,以变化电流的形式送给三极管9014,放大后的射极电流变换成电压信号作为输出,其中输出端可变电阻用于调节输出为合适的电压信号以备计算机采样用。

图11 散光型光电感烟探测器电路图

3 用户端探测器设计

18 3.2.3 CO气体探测器

CO 气体探测器是采用MQ-7一氧化碳气体传感器作为CO 敏感元件,对CO 响应的选择性好,并具有灵敏度高,稳定性好等特点。电路图如图12所示。555振荡输出Q 端驱动C9013给CO 敏感元件的加热丝间断供电,节省功耗。由CO 引起的敏感元件电阻的变化最终反应在输出电阻R5上。

图12 CO 气体探测器电路图

4 用户端自动报警器设计

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4 用户端自动报警器设计

4.1 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13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。本节着重介绍与自动拨号功能相关的硬件电路设计。

图13 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。

4 用户端自动报警器设计

20 4.2自动报警器电路设计

4.2.1 AT89C51单片机简介

1.主要性能参数

1)与MCS-51产品指令系统完成兼容

2)4K 字节可重擦写Flash 闪速存储器

3)1000次擦写周期

4)全静态操作:0Hz —24MHz

5)三级加密程序存储器

6)128³8字节内部RAM

7)32个可编程I/O口线

8)2个16位定时/计数器

9)6个中断源

10)可编程串行UART 通道

11)低功耗空闲和掉电模式

2.功能特性概述:

AT89C51提供一下标准功能:4k 字节Flash 闪速存储器,128字节内部RAM ,32个I/O口线,两个16位定时计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工行串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同事,AT89C51可降至0Hz 的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 的工作,但允许RAM 、定时计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

3.引脚功能说明

²Vcc :电源电压;

²GND :接地;

²P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL 逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位) 和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。

4 用户端自动报警器设计

21 在Flash 编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。

²P1口:P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,囚为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL )

Flash 编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。

²P2口:P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”;通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL )

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR指令) 时,P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX @RI指令) 时,P2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR) 区中R2寄存器的内容) ,在整个访问期间不改变。

Flash 编程或校验时,P2亦接收高位地址和其它控制信号。

²P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL ) 。

P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,如表所示:

P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

²RST :复位输入。当振荡器工作时,RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位

4 用户端自动报警器设计

22 ²PROG ALE/:当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许) 输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器,ALE 仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号,囚此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。

对Flash 存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG ) 。

如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR) 区中的8EH 单元的D0位置位,可禁止ALE 操作。该位置位后,只有一条MOVX 和MOVC 指令ALE 才会被激活。此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE 无效。 ²PSEN :程序储存允许(PSEN )输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据) 时,每个机器周期两次PSEN 有效,即输出两个脉冲。在此期间,当访问外部数据存储器,这两次有效的PSEN 信号不出现。

²EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器(地址为OOOOH ——FFFFH ) ,EA 端必须保持低电平(接地) 。需注意的是:如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA 端状态。

如EA 端为高电平(接Vcc 端) ,CPU 则执行内部程序存储器中的指令。

Flash 存储器编程时,该引脚加上+12 V 的编程允许电源Vpp ,当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp 。

²XTAL1::振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

²XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。

4.2.2自动报警器电路设计

自动报警器电路见图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INT 0,INTl 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。

4 用户端自动报警器设计

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图14 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 DE/RE 。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,P1.3接紧急呼救按键。P1.5接液晶显示器的串行时钟输入端,P1.6接液晶显示器的数据输入端。Pl.7接多路开关CD4051的片选端INH ,P1.4、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/0口给出高电平信号。P0.0、P0.1、P0.2和P0.3分别与MT8888的D0、D1、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、P0.7分别接EEPROM 的串行时钟输入和片选输入端。

4 用户端自动报警器设计

24 4.3串行EEPROM-X25045

4.3.1 X25045简介

本设计中采用了具有可编程的串行EEPROM-X25045。X25045是美国公司XICOR 低功耗CMOS 的产品(备用电流l0uA 、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512×8位EEPROM 。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。

X25045引脚图如图15 其引脚功能如下。

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;

RST :复位输出,其是一个开漏型输出引脚;

Vss :地;

Vcc :电源电压; RESET :复位输出。

4 用户端自动报警器设计

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图15 X25045引脚图

4.3.2 X25045的工作原理:

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ST 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SO(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。状态寄存器格式如图16所示:

4 用户端自动报警器设计

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图16 状态寄存器格式

1.本系统中对X25045的读数据、写数据、置位写使能的操作过程简述如下:

1)从X25045中读数据的操作为:把CS 拉低以选择芯片;发送8位的读(READ)指令;送8位的字节地址;将所选定地址的存储器中的数据移到SO 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$00H,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。可以连续写多达4个字节的数据,但必须是这4个字节驻留在同一页上。否则计数器将翻转到页的首地址并重新写可能已有数据写入的任何单元。

2.X25045接口电路

X25045具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口(Serial Peripheral Interface ,SPI) ,最高可达1MHz 串行时钟频率。这里用单片机的三根口线P1.3、P1.4、Pl.5来模拟SPI 接口。X25045接口电路如图17所示,P0.4与X25045的串行输入脚SI 相连,用于输出操作码、字节地址以及写入数据;P0.5与X25045的串行输出引脚SO 相连,用于读出数据;P0.6与X25045串行时钟输入脚SCK 相连,作为串行数据输入和输出的时钟信号。由于X25045的复位输出信号为高电平有效,

4 用户端自动报警器设计

27 故和89C51复位方式一致。本系统中自动报警器也将处理过的数据存入X25045,以备管理中心中央控制器快速查询。

看门狗定时器(WD0和WD1) 位用于设置延时时间,具体设置如表3所列。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。

表3 看门狗延时时间设置

图17 X25045接口电路

5 自动拨号及语音报警电路设计

28 5 自动拨号及语音报警电路设计

5.1 拨号电路

5.1.1拨号电路的主要功能

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:

²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。

²用户对自动拨号报警系统可自行设定和修改密码。

²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,失火,等) ,使用者的姓名,地址,电话等。

²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。

²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。

5.1.2 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。MT8888引脚排列如图18所示

5 自动拨号及语音报警电路设计

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图18 MT8888引脚排列图

1.MT8888芯片特点:

²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 ±lms ,符合DTMF 信号解码标准。也可扩充为102ms ±2ms 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 progress)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、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。

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

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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的6种工作模式分别为:

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。DTMF 编译码对应关系如表3所示。

表4 DTMF 编译码对应关系

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320Hz--510Hz 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51±1ms ;在CALL 模式下,工作于突发状态,信号突发和暂停时间各为102±2ms ,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DTMF 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。

各种模式的选择由控制寄存器(CRA 和CRB )的相应位完成,如表5和表6所示。状态寄存器SR 各位所表示的关系如表7所示。

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31 表5 控制寄存器A (CRA )的功能表

表6 控制寄存器B (CRB )的功能表

表7 状态寄存器(SR )的功能

4.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8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

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32 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8 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。

5.1.3 MT8888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,即使使用16MHz 的单片机80C51,也无需插入等待周期。

在本系统中,MT8888及外围电路参见图19。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、C204、C205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R203、C201构成。另外,由于CP IRQ /端为开源输出,故要用上拉电阻R204,与单片机P3.5脚相连。C203为去耦电容。DTMF IN和DTMF OUT与电话接口电路相连。

MT8888与微机接口常很方便,通过改变R202可调节输入信号的增益。

5 自动拨号及语音报警电路设计

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图19 拨号电路

5.2语音电路

5.2.1 ISD1420芯片简述

ISD1420语音芯片是由美国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。其片内设有时钟振荡器、128K 字节E2PROM(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。

ISD1420引脚排列和功能如图20和表9所示。

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图20 ISD1420引脚排列 表9 ISD1420引脚功能

ISD 系列语音芯片特点:

²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 Analog Strorage Technology) ,再现优质原声。

²零功率信息存贮,省掉备用电源。

²信息可保存10年以上,可反复录放达10万次之多。

²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。 ²较强的选址能力,可进行分段管理和分段存储多段信息。

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35 ²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0.5uA 的维持电流。

²自带时钟源,高抗干扰性能。

²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120mW 左右。

²采用总线技术,适于同单片机接口。

5.2.2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、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2mV —20mV) 。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工M 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8kHz 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,同时补偿与Fowler-Nordheim 隧道效应相关的一些实际因素。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。

5 自动拨号及语音报警电路设计

36 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。

5.2.3芯片工作模式

ISD1420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A0—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0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。

5.2.4语音芯片及外围电路

本系统的语音电路如图21所示。这是应用ISD1420作为基本录放音的电路,所有的地址线均设置为“0”,所以放音的起始地址是0。当按下REC 键后,录音开始,数据从0地址开始存储,直到存储器满或者松开按键为止。当按下PLAY 键后,则开始放音,直到PLAY 松开或者存储器用完为止。

LED2为录音指示灯,当处于录音状态时,ISD1420的25脚被拉成低电平,LED2发亮。语音信号由驻极体话筒拾取,从MIC 和MIC REF两端输入芯片内部的放大器放大,该放大器的输出信号从ANA OUT 端引出,外部使用C302耦合至另一个放大器的输入端ANA IN ,做进一步放大,经功放后的音频信号从SP+和SP-两端输出并推动扬声器发音。扬声器的接法也可以一端接地,另一端任意接SP+或SP-,因此,在此电路里,SP+被用来与电话接口电路相连,以送出语音信号。C305和R305为增益调整电路。

5 自动拨号及语音报警电路设计

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图21 语音电路

5.3电话接口电路

电话接口电路参见图22。此电路起着很重要的作用,拨号电路、语音电路均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

5 自动拨号及语音报警电路设计

38 者120mA ,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1N4004、1N4007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300Ω,因此,在极性保护电路后直接接一个200Ω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。模拟摘挂机由继电器KM1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,300Ω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22 电话接口电路

6 键盘与密码显示电路设计

39 6 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、录音、放音等功能。

6.1 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,只用到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,键盘连接如图23所示。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/O1—I/O3写高电平,然后读入。如果非全1,说明K0—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/Ol—I/O3轮流输出低电平,再读入,这样就可以根据另外两根I/O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P1.0、P1.1、P1.2口。K0—K9分别代表十个数字键,K10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。

6 键盘与密码显示电路设计

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图23 键盘电路

6.2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。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。密码电路中设有50秒定时中断输出控制信号,防止长时间无效操作。当有超过50秒的无效操作时,中断开启,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-C002八位串行输入段码式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,原理图如图24所示。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。

6 键盘与密码显示电路设计

41 图24 密码显示电路原理图

7 控制字和各芯片工作模式设定

42 7 控制字和各芯片工作模式设定

7.1 控制字设定

1.控制模块:

险情控制字:7FH 置1证明有险情发生 主程序

7EH 盗警标志

险情类别

7DH 火警标志

2.拨号模块:

拨号音标志 7CH

检测子程序 忙音标志 7BH

回铃音标志 7AH

7.2 芯片工作模式设定

MT8888和ISD1420芯片的工作模式设定

图25 芯片工作过程图框

结 论

43 结 论

经过几个月的学习和研究基本完成了本课题的设计任务。作为四年大学中最后的也是最重要的一项实践活动,使我受益匪浅。通过对课题的分析和思考,以及怎样运用已有知识解决问题,不仅提高了理论知识运用与实践的能力,更锻炼了自己独立思考解决问题的能力,培养了如何自学和获得有用信息的能力。本设计完成的是单片机控制的智能防盗防火报警系统,通过对多元探测器与自动拨号报警系统的分析和检测,可以得到如下一些结论:

1)智能住宅防盗防火报警系统的总体方案设计基本正确、可行,其主要功能基本得以实现。盗警、火警检测有效。

2)采用单片机控制MT8888和ISD1420芯片构成的自动拨号电路和语音电路,能够准确、及时发送报警信息。

3)采用了多元探测技术,弥补了单信号探测误差较大的不足,尤其对于火灾信号的探测,由于单元探测技术所采用的单一参数火灾探测器对火灾特征信号响应灵敏度不均匀,导致它对实际火灾的探测能力受到很大限制,多传感/多判据的设计方法有效的解决了这一问题。

4)防火防盗报警系统所有探测器的输出信号都是开关量,有无警情很容易识别。但由于信号线上受到空间电磁波的干扰,例如附近手机、电焊机等的工作,会导致误报。因此实际电路中考虑到了对信号进行特殊的处理:如在硬件上设置滤波电路、信号的上拉或下拉处理电路,或采用比较器进行处理。以确保既不误报,也不漏报,以提高系统的可靠性。

5)采用典型电话接口电路,并设计开关电路,很方便的实现了拨号电路和语音电路与电话线的连接。

6)系统结构简单,可靠性高,成本低,实用效果良好。

在设计的过程中,由于以前对AT89C51、MT8888、ISD1420等芯片没有接触过,只能通过网络查找资料来一边学习一边设计。而且没有实践条件,不能根据实际的情况来做出适当的、客观的修正。在加上自己这方面也没有经验,做出来的设计难免有不足之处,希望老师能给与谅解。

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