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能智报警电话系统论文大学论文
前言
随着电话不断地普及，单片机技术的不断提高，采用单片机技术开发电话报警器成为可能。
电子报警器是以电子元器件和线路构成的电子装置为依托，用来监测外界各种参量的变化。
当参量的变化超过规定的界限时，能精确、及时地发出特定的信号给人们以警示。
报警器能根据监控的对象进行设计，种类繁多，广泛地运用于各行各业及人们的日常生活。
一般而言，报警器的电路可分为单点式和多点式。
单点式报警器电路结构较为简单，只需把传感器监测到的信号进行放大，直接驱动声光报警器电路工作。
多点式报警器电路常采用单片机技术开发的电话报警系统，当有外人侵入、煤气泄漏、火灾等险情时，能及时地报警，可靠性大大提高。
与单点式相比，多点式运用的范围更多，比如说工农业生产、安全防灾、住灾区防盗等诸多领域。
常见的电子报警器有电子防盗报警器、可燃性气体报警器、火灾报警器等。
目前，报警器发展大致呈现出以下几种趋势：
第一，传感技术的发展带动着报警应用技术的发展：
传感器在检测范围、灵敏度、精度、响应速度及可靠性方面有了很大的提高，这无疑大大提高了报警器的可靠性；传感器的集成化为报警电路实现传感器与信息处理功能的一体化创造了条件；第二，单片机在报警电路终将得到更广泛的应用：
单片机具有功能齐全，体积小，成本低等特点，可以应用到任何电子系统，使得各类报警装置功能更加得完善。
第三，微电子系统的发展会使报警装置实现微型化、智能化和低成本化，拓宽了报警技术的范围；系统性能更趋于稳定、高效。
本系统是在电话网络基础上，利用单片机的基本汇编语言来进行软件设计，指令执行速度更快，存储空间更小。
只需接上适当的传感器就组成了防盗报警系统，就拥有了更强大和完整的功能，最终满足人们对安全报警的要求。
第一章智能家居电话报警器的相关理论分析
1．1双音频信号DTMF的原理
早期使用的拨号盘电话机，使用的是“脉冲信号”来完成拨号呼叫。
拨号时，转动拨号盘上相应的数字，拨号盘在回转的过程中控制电话机内电路节点“断”、“续”，从而使流过电话电路中的电流时有时无，发出代表对方电话号码的电脉冲：
拨号“1”时，电路“断”、“续”1次，代表数字“1”；
拨号“8”时，电路“断”、“续”8次，代表数字“8”；
拨号“0”时，电路“断”、“续”10次，代表数字“0”；
这种使用“脉冲信号”的拨号方式，每拨一位号码，电路“断”、“续”数次，你能听见发出的一系列电脉冲声。
但是，这种拨号速度太慢，并且所发出的直流脉冲容易导致交换机的识别错误。
随着半导体技术的发展，“双音频信号”已经逐步取代了“脉冲信号”。
我们现在普遍使用的电话机，在拨号时，按下数字按钮，电话机就发出一组频率不同的信号。
每个按钮所代表的数字均由两个频率的信号叠加组成，所以称之为“双音频信号”。
使用“双音频信号”的拨号方式，拨号速度快、误识别率低。
双音频信号DTMF，每一个号码由两个音频号组成，这两个频率分属于一个高频群和一个低频群。
高频群H1~H4和低频群L1~L4可组成16种双音频信号。
其中号盘上的1~0代表一位十进制的各个值，11（*）、12（#）供程控交换机新服务性能使用，13~16备用。
不过因为话机接用户线，DTMF以模拟信号发送，经用户电路送入，通过交换网络连接到数字按钮接受器。
DTMF信号的产生原理：
双音频信号是2个正弦波信号的叠加，选定2个频率f1和f2后可得到这种信号的数学表达式：
（1-1）
如果用合适的采样频率对这个信号进行A／D转换，则很容易计算出每一个采样点的A／D值，而如果将这些采样值形成一张表，在单片机里用同样的采样频率将这张表中的数值用D／A转换器输出，就是双音频信号。
在实际应用中常用1b的DM编码来实现A／D和D／A过程，其中A／D过程可以在PC机上完成，用程序生成对应每一个DTMF信号的DM编码表，D／A过程在单片机上完成。
与单音编码不同，DTMF信号是采用八中取二的方式来构成一个音频信号，由虚假信号的干扰，所以应用范围特别广泛。
DTMF信号由2个不同的频率信号合成，分为高频组和低频组，分别含有4个频率，可以构成16种不同的信号，依次对应着16个不同的BCD码。
1．2热释红外传感器原理
热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。
它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。
早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。
直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。
近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。
1．2．1热释电效应
当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。
通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。
当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图1-1表示了热释电效应形成的原理。
图1-1热释电效应的形成原理
能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶（LiTaO3等）、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。
它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。
由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。
热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。
当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。
热释电红外传感器的结构及内部电路见图1-2所示。
图1-2热释电红外传感器的结构及内部电路
传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。
其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。
滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。
热释电元件PZT将波长在8mm~12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
1．2．2被动式热释电红外的工作原理与特性
在自然界，任何高于绝对温度（-273K）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体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，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。
人体都有恒定的体温，一般在37°C左右，会发出10mm左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。
红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理后就能产生报警信号。
被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正好相反（如图1-2侧视图C），环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
第二章智能家居电话报警器的总体设计及方案论证
2.1智能家居电话报警器的总体设计分析
智能电话报警器的功能以确定设计具体要求如下：
（1）报警器能通过热释红外探头检测出有非法侵入者。
（2）报警器可以实现自动模拟摘机，以实现双方通信。
（3）报警器用户可通过键盘进行电话号码设置及修改。
（4）报警器有语音录放功能，可实现现场报警。
2.2智能家居电话报警器的总体方案及方案论证
系统总功能概述为：
当用户外出，家里无人时，热释红外传感器采集到异常信号,信号经放大器放大后，送入比较器比较输出一个高电平信号并输入到单片机的I/O口,并由单片机控制置摘机端相应的I/O口为高或低电平（具体电路具体设置）以驱动摘机电路工作，模拟摘机。
然后从E2PROM中读出预先输入的电话号码，并通过单片机送到DTMF发送芯片MT5087变成双音多频信号，再经电话接口电路送入电话线路，实现自动拨号，同时由语音芯片播放预先录制好的语音进行现场报警。
为实现智能电话报警系统的功能，本系统用模块化结构，主要由外部存储电路、检测电路、单片机主控电路、语音录放电路、键盘显示电路、拨号电路和电话接口电路组成。
智能电话报警器系统构成方框图如图2-1所示。
图2-1智能电话报警器系统组成方框图
下面对个别电路模块进行方案论证：
1．DTMF拨号部分
方案一：
MT8880拨号电路。
MT8880芯片是MITEL公司采用CMOS工艺生产的一种低功耗、高集成度的DTMF信号收、发芯片，其与微机接口如图2-2：
图2-2MT8880的应用电路
如图2-2所示，MT8880与单片机接口较为复杂，需四根数据传输线，四根控制线，其单片机占用接口较多，且与电话接口需通过复杂的放大电路后才能输出。
方案二：
MT5087拨号电路。
MT5087是双音多频信号产生集成电路，也适用于各类遥控发射电路。
内部电路由时钟振荡电路、键盘控制逻辑电路、可编程分频器、低音组D/A电路、高音组D/A电路、计数电路和静音电路等组成。
功能说明：
1、集成电路的时钟由外接3.58MHZ晶振提供，要求其频率误差小于0.2%。
2、键盘控制逻辑电路与标准的8中取2键盘相连，也可使用单触点按钮开关。
3、每按下一个数字键或功能键，便对应地选中了某一行和某一列，也就确定了是哪两种音调的组合，经过高、低两个音组的D/A转换，合成的正弦波经加法器相加后输出。
虽然输出的正弦波是阶梯状的，但阶梯逼近已使单音失真小于7%。
其典型应用电路如图2-3：
图2-3MT5087拨号电路
在图2-3电路中，键盘控制逻辑电路的行线和列线对应1-0中的一位数字，及（*）、（#）供程控交换机新服务性能使用，还有多余四个键备用。
当按下一键时，就确定了是哪两种音调的组合，经过高、低两个音组的D/A转换，合成的正弦波经加法器相加后由MT5087的16端输出。
MT5087键值与音频关系如表2-1所示。
表2-1MT5087键值与音频关系对照表
列线
行线
C1
C2
C3
C4
1209HZ
1336HZ
1477HZ
1633HZ
R1
697HZ
1
2
3
A
R2
770HZ
4
5
6
B
R3
852HZ
7
8
9
C
R4
941HZ
11（*）
0
12（#）
D
经比较，方案二既可满足题目要求，电路又非常简单，硬件成本又很低，通过软件编程，使得数字编码非常灵活，同时与单片机接口较少，控制方便，所以采用该方案。
2．键盘及显示电路部分
方案一：
用高度集成的串行接口的8位LED数码管及64键键盘智能控制芯片HD7279解决。
HD7279是一块键盘及显示的智能芯片，具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成数码管显示、键盘接口的全部功能。
HD7279与单片机的连接仅需4跟线：
片选线CS、串行时钟线CLK、串行数据线DATA、键盘申请线KEY。
方案二：
用串行接口方式显示，矩阵式键盘进行输入。
该方案采用了共阴数码管，用串行输入并行输出的移位寄存器74LS164驱动数码管静态显示，与单片机接口为串行口RXD、TXD。
键盘采用3*4矩阵式，其识别方法如下：
通过让所有列线均为低电平，检查行电平是否均为高电平的方法来判断是否有键按下；若有键按下，在逐列让列线为低电平，通过读入行线的电平状态来识别哪个按键按下。
由于本系统仅使用了12个键盘和1个数码管，经比较，方案二既可满足题目要求，电路又非常简单，硬件成本又很低，而且减轻了软件的编程负担，所以采用该方案。
第三章智能家居电话报警器的硬件设计方案
3.1电源电路的设计
该电路将家用220V交流电经降压、整流、稳压后得到稳定的5V直流电。
其电路设计如图3-1所示。
如图3-1，变压器T1将交流220V电压变成12V交流低压，再经桥堆整流、滤波后转换成不稳定的直流电压（16.968V）,然后加在三端集成稳压器7805输入端，经稳压器后输出稳定的直流电压。
同时,为减小电网电压波动对电路的影响,分别在三端集成稳压器7805输入端及输出端接上470uF电解电容C20、0.01uF电容C22及100uF电解电容C19、0.01uFC21电容。
其中，C19和C20主要起减小纹波的作用，同时C19还可改善负载的瞬态响应；C22可旁路高频干扰脉冲，C21起减小高频输出阻抗的作用。
3.2键盘及显示电路的设计
根据方案论证2，键盘及显示电路设计如图3-2所示。
图3-2键盘及显示电路
如图3-2，键盘电路采用3×4矩阵式接口方式，由STC89C52单片机P0.0-P0.6七个口控制。
根据按键识别原理，行线接5V高电平及10K上拉电阻，处于高电平状态，可将列线置低，检查行线状态，若为高则无键按下，为低则有键按下；然后让列线逐列为低，再检查行线状态，判断出哪个键按下。
显示电路通过单片机串行口RXD、TXD输出，采用串行输入芯片MC74HC164接收，通过QA-QH八个口经300欧姆限流电阻送至八段数码管显示。
3.3STC89C52单片机的振荡电路及复位电路的设计
在单片机应用系统中，若要使单片机工作，就必须给单片机加上一时钟频率控制单片机的工作节奏，还需要一个系统的同步复位信号，以保证CPU有效地对外部电路进行初始化编程。
其设计电路如图3-3所示。
如图3-3所示，该电路为单片机的最小配置。
振荡电路采用6兆晶振产生时钟主频，电容C1、C2取典型值30PF，其作用有两个：
一是使振荡器起振，二是对振荡器的频率起微调作用。
复位电路产生的复位信号经施密特电路整形后作为系统复位信号加到单片机的RST复位端口。
复位电路由二极管D5，电阻R8、R9，电容C3、C4和按键S14组成，VCC为系统电源。
R8、R9组成分压电路，产生一个约0.65V的电压经SN74LS14反向整流后输出高电平，送入到单片机STC89C52的复位端口，使CPU处于一个初始状态。
开关闭合时C3充电，稳定管脚1处低电平。
为保证复位电路可靠工作须在开关断开时有给电容C3的放电回路，故加一IN4148做泄放二极管。
C4主要是抑制开关闭合瞬间的尖峰脉冲对系统的冲击，有减少干扰的作用。
3.4外部数据存储电路的设计
由于用户可能经常修改电话号码，不能将号码固化到程序存储器中。
为了缩小体积，本设计采用了串行E2PROMAT24C02。
用户可将电话号码存放在24C02中，当需要更改用户名电话号码时，只需对24C02里的数据进行更改即可。
电路原理图如图3-4所示。
图3-4外部数据存储电路
单片机STC89C52的P3.5接24C02的SCL口作为它的串行移位时钟，P3.4接24C02的SDA口作为它的串行数据或地址输入输出。
该电路要注意的是SCL、SDA必须加上一上拉电阻，阻值为1K。
AT24C系列芯片介绍：
AT24C系列芯片是美国ATMEL公司生产的I2C串行E2PROM。
它为可用电擦除、可编程只读存储器，自定时写周期，包括自动擦除时间不超过10ms，典型时间为5ms。
芯片2.7V至6V的工作电压，可擦写100万次，数据保存可长达100年，提供8脚DIP和SOIC封装。
AT24C系列串行E2PROM具有I2C总线接口功能,功耗小,宽电源电压（根据不同型号2.5V～6.0V）,工作电流约为3mA,静态电流随电源电压不同为30μA～110μA。
1.管脚介绍：
WP：
写保护。
将该管脚接VCC，E2PROM就实现写保护（只读）。
将该管脚接地或悬空，可以对器件进行读写操作。
SCL：
串行时钟脚串行输入输出数据时，该脚用于输入时钟。
SDA：
串行数据/地址输入脚双向串行数据/地址脚，用来输入输出数据。
该脚为射（漏）极开路输出，需接上拉电阻。
A0A1A2：
片选或页选地址输入。
用于芯片寻址。
AT24C02内部无连接。
2.器件地址的约定：
主器件在发送启动命令后开始传送，主器件发送相应的从器件的地址，8位从器件地址的高4位固定为1010。
接下来的3位（见图3-5）用来定义存储器的地址。
最后一位为读写控制位。
“1”表示读操作，“0”表示写操作。
1
0
1
0
A2
A1
A0
R/W
图3-5AT24C02从器件寻址
3.5热释红外检测电路的设计
目前市场上专用热释红外管理芯片种类很多，如BISS0003、HD-03C、CS19508等，此类芯片一般采用CMOS工艺制造,具有探测灵敏度高、外界元件少、电路简单、控制方便、功能新颖等特点，可广泛应用于防盗报警、自动开关等电路中。
但是，专用芯片的价格比较贵，会大大增加设计成本，所以该电路采用集成电路，其电路结构非常简单，硬件成本又很低，如图3-6所示。
图3-6热释红外检测电路
工作原理如下：
在上图中，热释红外探头由系统5V电源供电，R1为限流电阻，取值10K，C1、C2、C3、C4、C5均为滤波电容。
信号处理电路由LM324的四个运放及电阻电容组成，具体为：
U1B与R7、R11、C7、C13组成一级交流放大电路；U1C与R3、R4、R6、R9、C10、C15组成减法运算器，该部分具有二级交流放大功能，C11、C12为滤波电容；U1A、U1D与R2、R5、R10、D1、D2、C14组成比较器，将交流转换为电平输出至单片机P1.0口。
当防区有非法分子活动时，热释红外探头源极输出约0.8mV（实际测量值）的交流信号，送入U1B正端进行一级放大，一级放大倍数计算如下：
（3-1）
一级放大输出电压：
（3-2）
在减法运算电路中，R3、R9构成分压电路，使得LM324的10端输入电压V02。
输入电压：
（3-3）
放大后的V01经电容C6隔直后，送入减法运算器，进行二级放大，其放大倍数计算如下：
（3-4）
由于该减法运算器为交流放大，所以V02不放大，只放大V01，放大后的电压：
（3-5）
故此时LM324的8端输出为直流电V02与交流电V03的叠加电压V04，其范围是[0.81V，3.19V]。
在比较器电路中，R2、R5和R10组成分压电路，LM324的3端和13端的输入电压计算如下：
（3-6）
（3-7）
（3-8）
在电压比较器中，当输出电压为[0.81V，1.1V]时，U1A的3端电压为3V，大于此时2端的输入电压，故1端输出约3.4V的高电平，二极管D1导通,输出约2.7V高电平至单片机的P1.0口,同时U1D的12端电压小于13端,14端输出低电平,二极管D2截止,无输出；同理可以得出输出电压分别为[1.1V，3V]和[3V，3.19V]时，U1A和U1D均有一输出高电平，一输出低电平，即D1和D2均有一导通，一截止。
由上述讨论可得出：
只要当防区有非法分子活动，热释红外检测电路均可输出约2.7V的高电平至单片机的P1.0口,启动拨号及现场报警。
3.6拨号电路与电话接口电路（即摘机电路）的设计
由方案论证1，该部分电路采用DTMF发送芯片MT5087作为拨号电路的核心，其具体电路如图3-7所示。
图3-7拨号电路
上图所示电路中，由两片4051开关电路代替图2-3中的键盘控制逻辑电路（即用4051的低四位代替键盘的行线和列线），当两片4051分别选中一路打开时，则对应键盘上某一按键按下，选中对应得1-0中的一位数字。
MT5087采用3.58兆的晶振Y2，C1、C2取20pF.当开关电路选中一位数字时，也就确定了是哪两种音调的组合，经过5087内部高、低两个音组的D/A转换，合成的正弦波经加法器相加后从5087的16端口输出。
交流信号经R2后，通过三极管Q1放大后将信号输出。
当5087的16端输出拨号正弦波时，须通过电话接口电路将号码拨出去，其电路设计如图3-7所示。
拨号时，由单片机P2.5口输出高电平控制信号，通过R6后，使得Q2处于饱和导通状态，从而控制继电器的吸合，实现模拟摘机。
摘机后，电话线上电压由46V降为13.4V（实际测量值），拨号时，电话线上电压最低降到8.9V（实际测量值）。
拨号完毕，再由单片机P2.5口控制继电器断开，报警器停止拨号。
3.7语音录放电路的设计
ISD1420为单片语音记录、回放一体化芯片，记录时长为20s；可被划分为160小段，每段125ms。
当REC脚为低电平时，进行录音，PLAYE或PLAYL为低时进行放音，ISD1420可进行连续录音，也可进行分段录音。
该电路采用了语音芯片，外围由麦克风、喇叭、按钮、电源及少数电阻电容组成，可通过按下S15进行语音录制，由单片机P1.4口输出低电平，通过喇叭进行现场报警。
图3-8为语音电路原理。
图3-8语音录放电路
电路设计说明：
1、电源
由于芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并且分别引到外封装上，这样可使噪声最小。
模拟和数字电源端最好分别走线，尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容应量靠近芯片。
芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线，这两个脚最好在引脚焊盘上相连。
2、录音
只要REC变低，芯片即开始录音。
录音期间，REC必须保持为低。
REC变高或内存录满后，录音周期结束，芯片自动写入一个信息结束标志（EOM）。
录音时，RECLED端为低，可驱动LED。
此外，放音遇到EOM标志时，此端输出低电平脉冲，LED闪烁一下。
3、边沿触发放音及电平触发放音
这两端出现下降沿时，芯片开始放音。
放音持续至端回到高电平，遇到EOM标志，或内存结束。
对于该电路，可任意控制一端放音即可。
4、话筒输入（MIC）话筒参考（MICREF）
这两端是片内前置放大器正向、反向输入。
片内自动增益控制电路（AGC）将前置增益控制在-15至24dB。
外接话筒应通过串联电容耦合到此端。
耦合电容值和此端的10K输入阻抗决定了芯片频带的低频截止点。
因为最低截止频率大概在10HZ左右，根据公式
（3-9）
可以确定C12、C13取0.1UF就可以了。
5、自动增益控制
该端动态调节器整前置境益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量时失真都能保持最小。
响应时间取决于此端的5K输入阻抗和外接的对地电容（即线路图中的C6）的时间常数。
释放时间取决于此端外接的并联对地电容和电阻（即线路图中R5和C6）的时间常数。
470K和4.7uF的标称值在绝对大多数场合下可获得满意的效果。
6、模拟输出（ANAOUT）及模拟输入（ANAIN）
模拟输出前置放大器输出。
前置电压增益取决于AGC端的电平。
模拟输入端即芯片录音的输入信号。
对话筒输入来说，ANAOUT端应通过外接电容连至本端。
该电容和本端的3K输入阻抗给出了芯片频带的附加低端截止频率。
其它音源可通过交流耦合直接连至本端。
7、喇叭输出（SP+、SP-）
能驱动16Ω以上的喇叭。
单端使用时必须在输出端和喇叭间接耦合电容，而双端输出既不用电容又能将功率提高4倍。
录音时，
升级会员 