家居安防系统设doc.docx
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家居安防系统设doc
家居安防系统设计
摘要：
本文介绍了一种由MCS51单片机与电话机构成的家居安防小系统，这种系统可检测家里是否安全，若出现故障则自动报警；主人在外面可拨打家里的电话进行查询。
这种系统给现代生活带来许多便利。
关键词：
MCS51单片机、电话机、语音芯片、自动拨号
Abstract：
ThispaperintroducedthepeacefuldefendingsmallsystemwhichconsistofMCS-51singlechipcomputerandtelephone.Thissystemcanexaminewhetherthehouseissafeornot,ifproblemappear,itwillreporttothepoliceautomatically;Hostcandialthehouse’stelephoneoutsideandproceedthesearch.Thiskindofsystembringsthemodernlifemanyconveniences.
Keywords:
MCS51singlechipcomputer,telephone,voicechipanddialingthenumberautomatically
一、前言
1.1家居安防系统概述
1.1.1家居安防系统问题的提出
为了更有效的保证居民的生命和财产安全，在住宅和住宅小区内引入了智能化的手段——家庭安随着我国国民经济和人民生活水平的不断提高，计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们已不满于传统的居住环境，对家庭提出了更高的要求，智能化被引入家庭，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便利、舒适而且更安全。
由于城市人口膨胀、外来人口的增加及煤气和大量家用电器设备使用中的不安全因素等，对小区居民的生命和财产造成了威胁。
给居民生命和财产带来最大的威胁包括两大方面，一方面是恶意侵害（如入室偷窃、抢劫、凶杀），另一方面是意外事故（如火灾、煤气泄露）。
因此，人们越来越迫切要求采用有效的措施，以满足日益增长的安全防范要求。
防系统来进行安全防范管理。
家庭安防系统是由安全对讲系统、防盗报警系统、防火灾报警系统和防煤气泄露系统等组成，该安全防范系统是家庭防范外来侵害和自然灾害的一种重要的、有效的手段，它大大提高了居民自身的安全感，业已成为社会治安的一个重要组成部分。
1.1.2研究家居安防系统的必要性
随着城市居民住宅小区的大量崛起和人们生活水平的不断提高，促使人们在家庭住宅的观念上逐步发生变化。
人们不仅需要宽敞、豪华的住宅，同时也希望有一个安全、便利的生活空间。
所谓安全,就是有一个快速、有效、连动的防火、防盗、防爆的治安体系；同时要求家庭、社区管理中心及其有关单位部门都能及时获得相关信息并采取相应措施。
这些都要求家庭不再是一个孤立的场所，而是一个能与外界进行信息交流的单元。
因此研究家居安防系统非常有必要，它可以优化组合社区资源，合理组织人力、物力、提供高效和多项增值服务，提升服务水平并且推动能源供给商、物业管理、通信网络商、房地产及其它相关行业的发展，为它们带来新的机遇和利润增长空间。
1.1.3家居安防系统的定义及功能
家居安防系统的大致框图为：
电话
电脑
图
（1）
家居安防系统通过安装在用户家中的家庭数据终端，采集火灾、煤气泄漏、门、窗、阳台磁控开关信号。
采集红外传感器采集到的数据信息，当遇到紧急情况时，可按动按钮进行紧急呼救，而当各个终端受到破坏时，系统会自动拨打主人设定的电话号码，通过语音提示主人所出的故障，让主人知道家里的情况，从而采取相应的措施。
家居安防系统的主要功能是：
①防盗窃（电子栅窗、磁控开关、双鉴探头、智能门锁）②防火灾，煤气泄漏（烟雾、煤气探头）③防破坏自动报警④紧急救助（紧急呼救按钮）⑤家庭安全状态远程监视、查询（与住户通信工具联网）
因此家居安防系统主要包括防盗报警系统、防火灾报警系统、防煤气泄漏系统和报警联动控制系统。
二、家居安防系统的硬件电路设计
此设计不包括传感器的设计，假定各传感器均正常工作，只设计电话机与单片机通讯的家居安防小系统。
本系统是单片机与电话机通讯来完成自动报警功能以及主人打电话回家查询时告诉主人家里情况的功能。
这个系统工作的整个过程全部由单片机模拟人的动作来完成的，如摘机、打电话极其对各种电话音的识别。
此系统的功能为：
此系统设计的自动拨号电路是由单片机发出指令通过接口电路与电话机通讯来实现自动寻呼，对所指定的电话号码打电话，通知主人家里所出的故障，如果故障不能及时解决，自动寻呼三次后则人工处理，将报警系统设置为休眠状态，系统主要功能如下：
⑴循环查询功能：
通过软件编程使系统不停的查询8255A（2#）的A、B端口，确认家里是否发生故障（设定1为出故障，0为安全），一经查到某位为1，则系统打电话给主人。
⑵自动拨号功能：
可设定一个电话号码存入电话机中。
⑶用户对自动拨号系统可自行设定和修改密码。
⑷可自行录制语音：
语音播送，由使用者自行录制，存录“状况”
⑸自动探测通话状态：
报警时系统自动探测对方电话机的使用状态，若对方占线或响后无人接，则挂机延时一定的时间再次拨打，直到对方接电话为止。
整个系统的原理框图如图
（2）所示，系统由单片机、两片8255芯片、双音频解码电路、语音电路、电话机等组成。
单片机
语音芯片
图
（2）
下面对各部分电路分别进行分析：
2.1单片机与芯片之间的连接
D7A
|
D0B
CSC
A0A1
A0A1
图（3）
MCS51单片机的P2.2脚控制8255A的片选脚CS，低电平有效，8255A（1#）前接一反响器，8255A（1#和2#）的A0、A1与MCS51的P2.0和P2.1相连，P0.7-P0.0接8255的D7-D0，所以8255A（1#）的A口、B口、C口及控制口的地址分别为FE00H、FE01H、FE02H、FE03H；8255A（2#）的A口、B口、C口及控制口的地址分别为FF00H、FF01H、FF02H、FF03H。
8255A的RD、WR分别与8051的RD、WR相连，8255A的RESET与8031的RST相连，都接到8051的复位电路上。
输入、输出均采用8255串行I/O口芯片，由于8255驱动能力不够，因此8255输出时配合反响器来驱动电路，另外，每个输入输出端都采用光电隔离技术以确保系统的可靠性。
图中8255（2#）A、B、口都用作输入口，是用来检测家里是否安全，它与光电耦合器相连，接收传感器发来的信号；8255A（1#）A口输出，B口输入，C接语音芯片，
在此系统中，8255A均采用工作方式0，查询传送。
方式控制字分别为：
8255A（1#）：
8255A的方式控制字可为8BH
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
0
0
0
1
0
1
1
8255A（2#）：
C口未用，所以C口的选择为x，因此8255A的方式控制字可为92H
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
0
0
1
x
0
1
X
2.2电话的相关概念与原理
2.1.1电话机中的主要电路的介绍
（1）叉簧开关:
由常闭接点与常开接点组成。
叉簧在电话机中完成通话电路和振铃电路与外线的通断转接任务,实际上是一个自动开关。
它利用手柄的重力,有摘机和挂机两种状态。
摘机时接通通话回路,挂机时接通振铃回路。
（2）振铃电路:
主要由双音调电子振铃电路LHI240及相关电路组成。
振铃电路的作用是接收呼叫信号,即把交换机送来的25Ｈｚ铃流变成直流,再产生两种频率不同的交替信号,放大后驱动扬声器发声。
（3）极性保护电路:
由二极管桥电路组成,其作用是将交换机送来的直流和交流信号送入电话机的相关电路,同时将呼叫信号和送话信号馈至外线。
（4）拨号电路:
由发号专用集成块ＬＨ91215Ｃ以及发号控制电路、发号输出电路和键盘等组成,其作用是将键盘输入的电话号码变成相应的脉冲或双音多频信号送至外线,同时发出静噪音信号以消除拨号时在受话器中产生的噪音。
（5）通话电路:
手柄通话电路选用集成电路ＬＨ1062典型应用电路,由送话电路、受话电路和消侧音电路组成,其主要功能是2/4线转换,消除侧音、接收与发送信号的放大等。
免提通话电路由集成电路ＨＡ324及小功率集成电路ＴＢＡ820Ｍ及外围器件组成。
该电路利用ＨＡ324的两组运放,对发送、接收实行开关式控制,并利用ＨＡ324的一组运放对送话进行放大,其受话部分用ＴＢＡ820Ｍ放大后推动扬声器发音。
2.2.2电话机通讯信号的介绍
（1）双音多频信号
双音频信号的波形均为正弦波，在发号集成电路中是用频率合成的方法产生的。
电话机所发送的双音频信号必须符合我国现行的标准。
双音多频信号简称双音频信号。
“双音频”是指用两个特定的单音频信号来代表数字和功能。
多频是指0~9十个数字是用高频群的3个频率信号和低频群的4个频率信号组合后来表示，所以称作双音多频。
双音多频的组合表见一。
表中的1633Hz是备用频率，可以用它来扩展电话机的功能，只用来拨号的普通电话机可以不用这个频率。
键盘上的高频群
号码和标号（HZ）
低频
群（HZ）
1209
1336
1477
1633
679
1
2
3
A
770
4
5
6
B
852
7
8
9
C
941
*
0
#
D
表
（1）
（2）铃流信号
铃流信号是由交换机提供的。
它是一个频率为16~25Hz，电压为90v左右的正弦波交流信号。
电话机的振铃电路把它变换成具有音乐感的讯响信号。
提请主人接听电话。
按键电话机的振铃电路，只有在铃流信号驱动才能工作。
振铃电路必须通过电容器把铃流信号从线路上分离出来再将交流信号整流成直流信号，给振铃集成电路，由集成电路产生两个不同频率组成具有音乐感的音频信号，驱动发声器件发声。
（3）呼叫信号
呼叫信号是电话机送往外线的电流信号。
电话机中产生呼叫信号的电路称为电话机发号电路，简称“发号电路”。
由于不同交换机有不同要求，现在绝大多数电话机通常能够产生两种呼叫信号：
一种是脉冲信号；一种是双音频信号。
（4）话音信号
电话的主要的功能是通话。
通话信号是模拟信号，放大话音信号的电路是线性放大器。
（5）回铃音
当主叫用户拨完被叫的电话号码后，若听到“嘟—嘟—……”的断续音，这就是回铃音，表示电路已经接通并正在向被叫用户送铃流信号。
（6）忙音
当主叫用户在拨号过程中或拨完被叫用户的电话号码之后，若是听到“嘟，嘟，嘟……”短促音，这就是“忙音”，表示电路已经被占满或被叫的电话正在使用。
信号
类别
信号频率
构成
回铃音
450+/-25Hz
5s断续信号音，1s送，4s断
忙音
0.7s断续信号音，0.35s送，0.35s断
表
（2）
在硬件图中双音频解码电路识别回铃信号与忙音信号就是根据识别这两种不同的波形来识别不同的信号，各种信号都对应固定的波形。
2.3光电耦合器
→光电耦合器实际上是一种电量传感器，即把电流或电压的变化经过光电方式传给输出端。
由于输出回路和输入回路是电隔离（即电绝缘）的，在许多场合得到应用。
光电耦合器是一种把发光器件（多为红外发光二极管）和光敏器件封装在同一壳题内的光电转换器，即进行电信号→光信号→电信号的转换。
当给输入端加电信号，利用光将信号耦合到输出端，所以输入端与输出端之间实现了电隔离，输出信号对输入端无反馈，输入端和输入端之间有10的11次幂——10的12次幂的该绝缘电阻，分布电容小于1pF，所以器件的抗干扰能力和隔离性能都很强。
光电耦合器件的应用主要有两方面：
1.信号传输电器隔离；2.抑制和消除噪声干扰。
目前，常见的光电耦合器件有：
TIL111/114、TIL118、4N31、TLP521。
在本系统中，将选用TLP521-2，利用光电耦合器件实现的隔离电路如图（4）所示。
图（4）光电耦合电路
在图中，当输入回路为0时，光耦中的红外发光管不发光，光电三极管截止，因此三极管T导通，晶闸管SCR关断，桥式电路D2～D5不导通，所以负载（加热器）中无电流。
当输入贿赂中有一定电流时，红外发光管发光，光电三极管导通，三极管T截止，交流电220V不论正半周还是负半周，都会通过D2～D5桥路及晶闸管给负载加电流、电压。
2.4自动拨号电路
在此系统中，8255A如何与电话机通讯，我们采用的是芯片（MT8888）
此芯片可识别回铃音、忙音和电话键盘上的数字键、#键及*键
2.4.1MT8888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信号接受和发送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被广泛运用于信用卡系统、寻呼系统、中继系统、移动通讯、互连拨号以及个人电脑等领域。
MT8888引脚排列如图（5）所示
图（5）
MT8888芯片特点：
1.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+1ms符合DTMF信号解码标准。
也可扩充为102ms+1ms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（callprogress）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。
2.4.2芯片工作原理
MT8888硬件电路由接受、发送和控制三个主要部分组成。
接受电路包括信号放大、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信号的接受、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、并行计数、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。
1.接受部分
前置输入电路可以有差分输入和单端输入两种形式，如图6所示。
差分输入电压增益：
Avdiff=R5/R1
差分输入阻抗：
单端输入电压增益：
Av=-RF/RIN
元件典型值c1=c2=10nF、R1=R4=R5=100K
、R2=60K
、R3=37.5K
、R3=（R2×R5）/（R2+R5）
图（6）
DTMF信号经运放输出到两组6阶开关电容式带通滤波器，分离出低频组flow组和fhigh信号。
低频组中的陷波器把350HZ和440HZ的拨号滤除，每组滤波器连接一阶开关电容式滤波器以提高分离信号的信噪比，由高增益比较器组成的限幅器去除低于检测门限的弱信号或噪声。
解码器采用数字计数方式检测DTMF信号频率，利用复杂的平均算法防止外来的各种的干扰，当检测器识别到有效的DTMF信号时，预控端EST输出高电平。
2.发送部分：
DTMF产生器是发送部分的主体，它产生全部16种失真小、精度高的标准双音信号，这些频率均由3.5795MHz晶体振荡器产生。
电路由数字频率合成器、行/列可编程分频器、开关电容器D/A变换器组成。
行和列单音正弦波经混合、滤波后产生双音信号。
DTMF编解码表把编码数据写入MT8888的发送寄存器产生单独的flow和fhigh，fhigh和flowdB输出的幅度之比为2dB，目的在于补偿高频组信号经通信线路的衰减，即经过预加重处理。
写操作时，总线上的4位数据被锁存，可编程分频器进行8中取的编码变换，定时长度确定该信号的频率，当分频器达到由输入编码确定的计数值时，产生复位脉冲，计数器重新计数，改变定时长度可变频率。
编码电路由开关电容式D/A变换器组成，得到高精度的量化电平。
低噪声加法放大器完成行和列单音信号的混合。
输出级有带通滤波器，用来衰减大于8kHz的谐波。
2.控制部分
前两部分为模拟信号处理系统，当满足信号条件时系统有输出。
为了接受可靠，还应该满足识别条件，即检测有信号的持续时间，EST信号驱动外接R1、C1积分电路，如图（7）所示。
C1放电，在有效时间Tgtp内EST维持高电平，当VC=VTSt时（控制逻辑的门限电平），GT输出信号驱动VC至电源电压VDD，经延时后，控制逻辑把片内状态寄存器的延迟输出标志位置提高。
图（7）
如选择中断模式，当延迟标志位置高时，IRQ/CP引脚由高电平变为低电平，为CPU提供中断请求信号，延迟控制电压的跳变沿把数据锁存至输出端。
2.4.3芯片工作方式
MT8888通过微处理器接口由RS0、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有多种工作方式，他们分别为：
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、分离出带通滤波器、监频与确认，译成相应的4比特码，经RDR输至数据总线。
2.呼叫处理模式：
电路可以检测电话呼叫过程的各种信号音，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CP模式下，工作于突发状态，信号突发和暂停时间各为102+/-2ms，此时电路可只发送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CRBKZHI），用于测试和监测。
5.测试（TEST）模式：
使电路从DTMF接收部分得到延时监测信号，并从IRQ/CP端输出。
6.中断模式：
此模式下若选择状态，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端下换至低电平
2.4.4DTMF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，所代表的识字和功能也不同。
双音频拨号方式中有16个按键，对应有8中不同的打单音信号，因其采用的频率有8中，所以称为多频，如表
（1）所示，从中任意抽处组进行组合，又称其为8中取的编码方法。
从高频群和低频群中任意各抽出一种批率进行组合，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。
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。
2.4.5拨号芯片及外围电路
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。
图（8）为MT8888的读写控制时序图。
图（8）
在本系统中，MT8888及外围电路参见图（9）。
它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为3.5795MHz的晶振荡器，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IRQ/CP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。
DTMFIN和DTMFOUT与电话接口电路相连。
MT8888与微机接口非常很方便，通过改变R2可调节输入信号的增益。
图（9）
电话机与外围电路的连接图为如图（10）所示：
图中A6接拨号键，A7接免提键，B0—B3用来控制电话键盘上的数字和符号，B4检测铃流信号，B5和B6分别检测回铃信号和忙音信号
带电话号码储存功能的电话机
振铃电路
50V
10uf/
1K25V
图（10）
2.5语音芯片
VccaVssaVssdVccdA0A1A2A3A4A5A6A7TESTPDP/RCE
SR9F26单片永久记忆型语音录放集成电路
ANAIN
ANAOUP
Mic
MicRE
AGC
该电路有多种应用方式和接口电路，应用中只需要少量控制开关和阻容元件。
它之中的E2PROM列阵分为160段，通过地址线A0~A7可录得每段信息。
它还可以与微处理器接口相接，为更复杂的信息寻址和控制方式提供数字地址码。
2.4.1该芯片的特性
（1）由于内部采用了存储器，所以既可以随录，随放，又不怕掉电；
（2）静态电流〈10微安；
（3）工作电流约为25毫安；
（4）5v电源供电，Vcca和Vccd为两个相互独立的正电源端，Vssa和Vssd也为彼此独立端子；
（5）信噪比为S/N为43dB；
（6）录音或播放时间最大为20秒。
（7）可分达160段录音
2.4.2因脚功能介绍
（1）作为分段信息时的地址线用，A0~A7均接地；
（2）作为操作方式选择时，A6和A7置高电平，可通过调置A0~A5的状态来选择不同的操作方式（高电平有效），HY-20所选择的操作可根据A0~A7的输入，从任何地址开始执行。
它将20秒存储空间最多可以分为160段。
如果采用微处理器对HT-20进行分段控制，则电路更为简单实用。
例如分为64段，每段录一个单字或者是词组，通过CPU控制进行排列组合可以实现很多的语句
AUXIN（备用输入端）
（3）内部输出功率放大器可接受来自存储器或备用输入端的信号。
当CE为高电平，放音结束或CE溢出为低电平时，该端有效。
这种工作方式可以禁止其他信号进入系统。
Vssd，Vssa，Vccd，Vcca（功能电源端）
该电路为单5v供电，使用两个彼此独立封装的正电源端Vcca，Vccd和两个彼此独立封装的地端Vssa，Vssd。
SP+，AP-（扬声器输出端）
该端可以直接驱动阻抗为16欧的扬声器，可以用单端输出驱动扬声器，也可以用双端输出驱动扬声器，双端输入信号的功率为单端出入的4倍。
单端输出时，需串接交流耦合电容；双端输出时，则不需要串接耦合电容。
当电路处于录音和低功耗状态时，扬声器输出电压维持在Vss电平上。
P/R（录音状态选择端）
CE端下降沿来临时，IC处于放音状态；当P/R端为低电平时，IC处于录音状态。
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