智能语音报警论文正文.docx
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智能语音报警论文正文
毕业设计论文
课题：
智能语音拨号报警系统
Intelligentanti-theftalarmsystem
学院：
物理与信息工程学院
专业：
电子信息工程（光电信息工程）
姓名：
程剑
学号：
200507303133
指导教师：
李建民
2009年5月
摘要
本文主要介绍了语音拨号报警系统的组成及其工作原理。
重点是如何实现在有危险情况，如火灾、非法入室、视频丢失等时实现语音拨号报警功能。
使用AT89C51单片机为核心，利用MT8880，模拟开关芯片CD4067，可编程并行接口芯片8255等芯片制作成了可广泛用于各种对安防要求较高的场合,如智能楼宇、商场、银行和工厂等的智能语音拨号报警系统。
系统自动化程度高、适用性强、功能灵活多样，可广泛应用于商店现代化。
关键词:
单片机自动拨号语音芯片信号音检测
Abstract
Thispapermainlyintroducesthevoicedial-upwarningsystemanditsworkingprinciple.Focusonhowtoachieveinahazardoussituation,suchasfires,illegalentry,videolossalarmwhenthevoicedialingfunction.AT89C51single-chip
microcomputerusedasthecore,theuseofMT8880,analogswitchchipCD4067,programmable8255parallelinterfacechipsuchaschipproductionhasbecomewidelyusedforavarietyofoccasions,highsecurityrequirements,suchasintelligentbuildings,shoppingmalls,banksandfactories,suchastheintelligentvoicedialingalarmsystem.Ahighdegreeofautomationsystems,theapplicationofstrong,flexibleanddiversefunctions,canbewidelyusedinmodernshops
Keywords：
Single-chip；automaticdial-upvoicesoundchip；signaldetection
目录
第一章：
绪论……………………………………………………………5
第二章：
系统总体设计方案……………………………………………
2.1系统框图………………………………………………………...5
2.2系统方案论证…………………………………………………...6
2.21方案一：
模拟电路实现方法……………………………….6
2.22方案二：
数字电路实现方法……………………………….7
2.23总结………………………………………………………….7
第三章：
系统硬件设计………………………………………………….
3.1光电隔离电路的设计………………………………….............8
3.2警情采集电路的设计………………………………………….9
3.3摘挂机电路设计……………………………………………...10
3.4语音录放电路………………………………………………...11
3.5声光报警电路………………………………………………….13
3.6DTMF发送接收电路，MT8880与AT89c51及语音电路接口…………………………………………………………15
第四章：
系统软件设计…………………………………………………..
4.1信号音的识别方法…………………………………………...17
4.2软件设置……………………………………………………...18
4.3编程中应注意的几点问题…………………………………...19
总结…………………………………………………………………20
致谢…………………………………………………………………21
参考文献……………………………………………………………22
第一章绪论
随着人们生活水平的提高和安防意识的增强,急需开发面向大众、价格低廉、运行可靠的自动报警系统。
鉴于住宅电话和移动通信设备的普及,以及电话语音报警的快捷、有效及价格低廉等优点,公共通信网成了报警系统的最佳传输媒介。
本文介绍的报警系统就是在此基础上发展起来的一种智能语音拨号报警系统,该系统可广泛用于各种对安防要求较高的场合,如智能楼宇、商场、银行和工厂等。
电话自动报警的主要功能为:
用户根据需要把自己的手机号码、办公室电话或报警监控中心的电话预存入报警主机。
报警主机不断地对所监控的设备（门禁、烟雾探测器、窗磁、摄像头等）状况进行巡检,当有不安全情况（如火灾、非法入室、视频丢失等）发生时,报警主机拨通预先存入的电话号码,播放相应的警情语音。
若电话占线或者无人接听,可拨下一个预存的电话号码,如果所有预存的电话都占线或者无人接听,则会自动把所有的预存电话重拨一遍,保证了报警的有效性和可靠性
第二章系统整体设计方案
2.1系统框图：
系统组成框图如图1所示。
采用AT89C51单片机作为控制核心,外接EPROM用于存储电话号码、设置参数（定时布撤防、联动、视频等）以及警情信息等。
当/AT89C51单片机实时巡检到新的警情信号（防区故障、视频丢失主电断电或上位机死机）时,报警主机就会自动进行警情处理（声光报警、启动相应联动、记录警情以及拨号报警等）。
拨号报警的工作原理如下:
系统自动地控制摘/挂机电路模拟摘机,同时AT89C51单片机通过可编程并行接口8255将MT8880置为呼叫模式,检测是否有拨号音。
若有拨号音,则将MT8880设为突发方式,并按用户预设的电话号码自动拨号。
拨完电话号码以后立即检测对方是否摘机,一旦检测到对方摘机,就启动语音提示电路发送与警情相一致的语音信息,完成自动拨号报警。
图1系统框图
2.2系统方案论证
传统话机多采用脉冲拨号方式,但由于其拨号时间长,已逐渐被淘汰,现有话机一般采用双音多频（DTMF）拨号方式,特别是在多功能电话机中,必须使用DTMF拨号。
因此,如何利用单片机进行自动拨号,在话机的设计中,对简化硬件电路有着极为重要的实际工程意义。
DTMF拨号较为复杂。
根据CCITTQ.23号建议,DTMF选号方式选用8个频率,其中低音频组有4种频率:
697Hz,770Hz,852Hz和941Hz；高音频组也有4种频率:
1209Hz,1336Hz,1477Hz和1633Hz.每一个键号分别对应于一种低音频和一种高音频的正弦波之和。
表2.1列出了不同键号所对应的2种正弦波频率。
目前DTMF拨号已采用集成电路来产生双音频率,利用按键盘的选号信号控制分频器的分频因数,将振荡器频率分频到需要的高低2组频率,再加以混频、放大,得到所需的DTMF信号。
表2.1键值与双音频对照表
为实现DTMF自动拨号功能，在此提出两种设计方案。
通过比较两种方案的可行性，确定自动拨号的最佳方案，以便智能防盗报警系统能够准确无误的将盗情通知给系统设定的用户。
2.2.1方案一：
模拟电路的实现方法
实现话机自动拨号的电路原理如图2.2所示。
从图中可以看出,电路主要由电阻组成的D/A转换网络和滤波器组成。
这里采用600Ω1∶1变压器与电话线接口,是因为电路电源必须与电话线馈电隔离。
DTMF拨号采用软件模拟DTMF数字信号,通过单片机的输出口输出至7位D/A转换电路,产生DTMF模拟信号送至电话线。
图2.2自动拨号电路
根据每个键值所要求的低音频与高音频,CPU将低音频和高音频正弦波的采样值相加,得到7位输出值,并将该值送到R2口的低7位R2.0～R2.6,由电阻网络组成的D/A转换器进行D/A转换。
7位D/A转换器的电阻网络中的电阻需5%的精度。
由于该电路会产生一些谐波,因此,在电路中设置了低通滤波器（LPF）和高通滤波器（HPF）.理论计算和实验表明,低音频和高音频在该滤波器的频响曲线中间,能够满足系统性能要求。
此外,电话线的输出电平可通过电阻R1大小进行调节。
采用如图2所示的电阻网络会带来一定的误差。
但实验结果表明,DTMF信号对幅值的误差并不敏感。
故电阻网络造成的误差对DTMF信号并没有影响。
2.2.2方案二：
数字电路的实现方法
MT8880是MITEL公司推出的专门用于处理DTMF信号的专用集成电路芯片,不仅具有接收和发送DTMF信号的自动拨号功能,还可以检测电话干线上拨号音、回铃音和忙音等信号音。
适合与单片机接口,外围电路简单。
MT8880内部有五个寄存器,分别为接收数据寄存器、发送数据寄存器、收发控制寄存器CRA和CRB以及收发状态寄存器。
在本设计中,由于仅采用发送数据寄存器、收发控制寄存器CRA和CRB发送DTMF信号实现自动拨号功能,因此在此仅介绍这三个寄存器。
发送数据寄存器中的数据决定要发送的双音频信号的频率,因此只能向发送数据寄存器写入数据。
两个收发控制寄存器占用同一个地址,因此根据CRA中的寄存器选择位的值决定是否对CRB进行操作。
其接口电路如图2.3所示。
图2.3MT8880发送与接收电路
2.2.3总结
采用MT8880芯片制成自动拨号报警系统，能够准确地完成拨号功能。
不仅如此，它还能够检测拨号后话干线上的拨号音、回铃音和忙音等信号音，判断对方是否摘机。
如对方没有摘机，单片机将控制MT8880芯片自动拨下一个预存的电话号码，以保证盗情能够及时通知给对方；如对方摘机，单片机将控制语音电路将预先存储的录音播放给指定用户，通知对方发生盗情的具体位置。
而用方案一实现的自动拨号报警系统则不具备这些功能。
因此，为了能够准确判断是否发生盗窃事件，并能及时通知指定用户，防止造成巨大的损失，在此选择方案二来实现自动拨号报警功能。
第三章系统硬件设计
3.1光电隔离电路设计
光电耦合器由发光器及光探测器两部分组成,发光器由发光二极管构成,光探测器主要有三极管和可控硅（包括双向可控硅）2种。
它可构成高压驱动器和固态继电器,光电耦合器在信号隔离方面具有十分重要的意义。
现采用实用线性隔离放大器。
微机控制系统日益复杂,各功能模块之间干扰不可避免。
对于模块间数字信号的传输,可以使用光电耦合器进行彻底隔离,但是光电耦合器具有较大的非线性,直接用来传输模拟量时,精度较差,而传统的调制解调电路和非线性补偿电路既复杂又庞大,也很不适用。
现介绍一种精度较高、电路简单的隔离传输电路,可以较好地完成模拟信号传输。
该电路又称隔离放大器,如图3.11所示,电路的核心是2个光电耦合器V1和V2,V2和R3组成输出级;V1和V2的级串连,公用同一激励电流I1;V1和R2模仿输出形式,组成负反馈电路。
设V1和V2的电流非线性传输函数分别为g1（I1）和g2（I1）。
即
I2=g1（I1）…
（1）I3=g2（I1）…
（2）
A是单电源运算放大器,根据理想运放的概念,有下列关系:
Ui=UA=I2R2 UO=I3R3
则放大器电压增益为
G=UO/Ui=I3R3/（I2R2）（3）
将式
（1）、式
（2）代入式（3）得
G=R3R2·g2（I1）g1（I1）=Kg2（I1）g1（I1）
式中 K=R3/R2
图3.11线性隔离放大器
如果V1和V2是同型号光电耦合器或是同一封装的双光电耦合器,那么,可以认为它们的传输函数的温度特性和电流非线性是完全一致的,即
g1（I1）=g2（I1）,
则G=K。
常数K即为该隔离放大器的电压传输比。
由此可见,利用光电耦合器V1和V2电流传输系数的对称性,一个作输入,一个作反馈,可以巧妙补偿其非线性。
由于光电耦合器初、次级之间存在着传输时延,V1和R2组成的负反馈电路显得迟缓,容易引起自激振荡。
电容C1可以消除自激振荡,其容量可根据电路频率特性来选取。
实践证明,选用快速非达林顿型光电耦合器可以改善电路的整体性能。
为了提高该隔离放大器的输出能力,降低输出阻抗,可以在
输出级加一个电压跟随器作缓冲。
经多次实验表明,如果V1和V2采用夏普双光耦合器PC827,该电路的线性误差不超过0.2%。
又由于该电路的输入与输出之间仅有光的耦合,而没有电的联系,所以,能很好的隔断模拟干扰,解决了模块之间模拟信号传输干扰问题。
3.2警情采集电路的设计
信号采集电路由16路防区输入信号采集电路和16路视频丢失检测采集电路组成。
16路防区输入信号采集电路如图3.21所示。
采集电路通过一片可编程并行接口芯片8255与AT89C51单片机的P0口接口，而16路防区输入信号则通过光电隔离后与8255的PA口和PB口相接。
PA口和PB口均设为输入口，这16个输入口分别对应16路探测器的输入。
系统通过采集8255的PA、PB口的数据来判断是否有警情产生。
图3.21防区信号采集电路
图3.22视频信号采集电路
16路视频丢失检测采集电路如图3.22所示。
该电路首先通过一片16路模拟开关芯片CD4067进行视频通路选择，随后经过视频信号检测电路，最后再与AT89C5l单片机的P1．3口相接。
系统首先将视频通路号送给模拟开关CD4067．然后将采集的数据送给Pl.3口，来判断视频是否丢失。
3.3摘挂机电路设计
如图3.31所示，摘机、挂机电路其实就是一个电子开关，它的作用是完成摘机、挂机的动作。
电路版和电话线之间虽然是连接起来的，但是中间还必须要有一个电子开关存在，平时这个开关应该处于断开的状态，以免造成电话线占线，当你打电话到家里来，希望控制家中的电器时，如果出现了若干次铃响而且没人接听，这时候就需要让试验板和电话线路接通，即完成摘机动作，也就是将电路板和电话线之间的开关打开，这样电路版才能接收到线路上送来的各种控制指令，这个电子开关就是摘机挂机电路。
图3.31摘、挂机电路
摘机挂机电路位于电路板的最前端，是和电话线直接连接的。
该电路由QD1、V1、V2等元件组成，图3.31中的L1、L2两个点是和电话线连接的。
QD1是由4个分立的二极管组成的全波整流电路，其作用是将线路上不确定极性的电压转换成确定的极性，也就是说，L1和L2两条线的正负极是不确定的，因为电话线在接入电话机或者电路板的时候是不分正极和负极的，可以随便连接，但是到了电路板内部，就必须区分出来哪一个是正极、哪一个是负极，用全波整流电路QD1即可将正负极给定下来，因为无论L1和L2是如何连接的，从QD1出来以后，正极和负极总是固定的，因为TP4这一点始终是正极，这样线路上48V的直流电压经QD1出来以后，其正负极就明确了。
下面我们分析一下摘机、挂机电路的实现过程，即电路的工作原理。
在图3.31中，TP1和TP2后面的电路我们暂且不用管它，看图中TP3这个点，该点是和单片机的P1.4口相连接的。
首先分析一下当P1.4口的状态为低电平0时的情况。
当P1.4为低电平0时，TP3相当于对地短路，这样三极管V2由于没有基极偏置电压因此不能导通，即V2的集电极没有电流通过，相当于开路，由于V2的集电极是通过电阻R4和V1基极连接的，当V2集电极没有电流时，V1的基极也就没有偏置电压和电流，因此V1也不会导通，此时的V1也处于开路状态。
由以上分析可见：
当单片机通过P1.4口给TP3点施加一个低电平信号0时，开关管V1并不会导通，电话线路上也没有电流通过，相当于电话机的叉簧断开。
接下来再分析分析一下当P1.4口的状态为高电平1时的情况，如图18所示。
和上面的情况正好相反，当P1.4为高电平1时，TP3点有+5V的高电平直流电压，该电压就是三极管V2的基极偏置电压，由于有了基极偏置电压，因此V2导通了，V2的集电极也有了电流通过，由于V2的集电极是通过电阻R4和V1的基极连接的，当V2集电极有电流时，V1的基极也就有了偏置电流和电压，因此V1也就导通了，此时从QD1出来的正电压将通过V1的发射极和集电极后，再经过R5形成导通回路，并且将线路上的信号在R5两端产生电压降，此时R5相当于电话线路的负载电阻，电流的流向如图3.32中的红色线条所示。
图3.32
由以上分析可见：
当单片机通过P1.4口给TP3点施加一个高电平信号1时，开关管V1导通，试验板接通线路上的遥控信号，相当于电话机的叉簧接通，从而实现自动摘机。
平时P1.4为低电平0，因此V1断开，相当于试验板与电话线之间断开了，起到了挂机的效果。
以上的论述可以简单的归结为：
当单片机P1.4口为高电平时，V1导通；当单片机的P1.4口为低电平0时，V1不导通，因此V1就好像一个受P1.4口控制的开关一样。
如图3.33所示。
实际上V1就是一个电子开关，该开关的导通与否受到单片机P1.4口的控制。
因此摘机、挂机电路的原理可简化为图3.33所示。
图3.33摘、挂机简化电路
3.4语音录放电路
ISD系列语音录放芯片是美国半导体信息存储器件公司生产的新颖单片优质语音录放电路,它采用了先进的模拟数字语音存储专利技术,把语音信号以原始的模拟形式直接存储在片内的EEPROM存储器中,而无需象其它语音电路那样,要经过A/D、D/A转换,减少了失真,大大提高了录放音质量,在众多的语音录放电路中独领风骚，ISD1420为美国ISD公司出品的优质单片语音录放电路由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。
一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。
录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方法是借助于美国ISD公司的专利--直接模拟存储技术（DASTTM）实现的。
利用它，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入EEPROM存储器。
直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语音的再现。
不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。
（一）、ISD1420电特性：
◎工作电压：
5V
◎静态电流：
典型值0.5μA，最大值2μA
◎工作电流：
典型值15mA，最大值30mA（16欧姆）
（二）、ISD1420引角描述：
ISD1420芯片的引角如下图所示：
图3.41ISD1420引角脚
（三）有COB、DIP和SOIC三种封装形式
ISD1420芯片采用CMOS技术,内含振荡器、话筒前置放大、自动增益控制、抗混迭滤波器、平滑滤波器、音频放大器及高密度EEPROM存储阵列。
ISD1420的EEPROM的容量为128K,可存储160段语音信息,每段存储0.125s的语音信息,总共可存储20s的信息。
芯片在录放操作结束后,自动进入低功耗节电模式,功耗仅0.5μA芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存储在芯片内单个EEPROM单元中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。
（四）ISD1420与单片机的接口
图3.42 89C51与ISD1420硬件电路连接图
ISD1420采用总线技术,适宜与单片机接口如图3.42所示,89C51通过P1、P3口实现对ISD1420的各种控制与操作,P1口与ISD1420的地址线相连,用以设置语音段的起始地址P3.0用以控制录音状态,P3.1用以控制放音状态。
P3.0低电平,开始录音,P3.0高电平,录音结束,芯片自动写入一个信息结束标志（EOM）。
P3.1低电平,开始放,P3.1高电平,放音结束（或遇到EOM标志,或内存结束,放音都会结束）。
表1 语音信息录音地址
3.5声光报警电路
（一）报警电路功能介绍
报警电路具有两方面的功能.图3.51是故障发生时的电路方框图,当故障一旦发生时,报警装置便记忆故障内容,发出声响报警,同时故障指示屏发出闪光报警,以显示故障的内容.
图3.5-1故障方框图
图3.52是消音后的电路方框图,值班人员知道故障发生和故障内容后,按下消音按钮,声响报警解除,故障指示屏由闪光变为常亮显示,若此时故障已经消失,则报警装置已经切断电源,故障指示屏自然熄灭.
图3.5-2消音方框图
（二）报警电路组成及原理
报警电路原理如图3.53所示,本装置由故障检测单元、故障内容记忆单元、故障内容显示单元、闪光振荡源单元、消音按钮、自检试验按钮及声响元件等组成.当故障出现时,开关K闭合,光电耦合器PC817原方二极管发光,副边光敏三极管导通,P24伏电源经三极管BG1加到三端稳压器7815输入端,7815输出P15伏,为振荡源电路提供电源,电源指示灯HL2发光.同时P24伏经电容器C1微分后,继电器K1吸合,记忆故障内容,并通过K1-2触点自锁,P24伏电源经二极管D1和K1-1触点给故障指示灯HL1,继电器K1的触点K1-1转换至闪光报警源的输出端U0.7815输出端P15伏电源通过K1-3闭合后,电子报警器因通电而发出声响报警,闪光振荡源在U0端输出方波脉冲信号,驱动故障报警指示灯HL1闪光报警.振荡源由5G555时基集成元件及R7、R8、C2、R9、R10、BG2、BG3等元件组成,R7、R8、C2决定了振荡源的振荡频率F的快慢.SB1为自检试验按钮,按下SB1按钮后,报警通道的光耦PC817导通,以检验报警检测通路是否处于良好状态.SB2为消音按钮,在故障出现后,按下SB2按钮后,K1继电器因失去自锁而释放,故障记忆复位,触点K1-3断开,音响报警及闪光振荡源因失电而停止工作,同时K1-1触点恢复.此时,若故障信号仍旧存在时,P24伏电源通过二极管D1使故障指示灯HL1由闪光转为常亮;若故障已经消失,则光电耦合器PC817截止,三极管BG1截止,电源指示灯HL2熄灭,故障指示灯由闪光转为熄灭.
图3.5-3报警电路原理图
（三）报警电路的特点
（1）该报警电路在没有故障出现时,由于光电耦合器PC817及三极管BG1截止,故整
个电路无电源,这样无故障即无电源,无静态功耗.
（2）性能稳定,可靠性高,抗干扰能力强.由于故障输入信号采用光电耦合器输入和采
用小型密封继电器K1作为记忆元件,使电路抗干扰能力增强.
（3）该报警电路使用元件少,线路简单实用.
（4）本装置工作电压为DC24伏,操作安全.
3.6DTMF发送接收电路，MT8880与AT89c51及语音电路接口
MT8880是MITEL公司推出的专门用于处理DTNF信号的专用集成电路芯片，不仅具有接收和发送DTMF信号的自动拨号功能，还可以检测电话干线上拨号音、回铃音和忙音等信号音。
适合与单片机接口，外围电路简单。
MT8880内部有五个寄存器，分别为接收数据寄存器、发送数据寄存器、收发控制寄存器CRA和CRB以及收发状态寄存器。
在本设计中，由于仅采用发送数据寄存器、收发控制寄存器CRA和CRB发送DTMF信号实现自动拨号功能，因此在此仅介绍这三个寄存器。
发送数据寄存器中的数据决定要发送的双音频信号的频率，因
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