远程智能防盗报警系统的硬件设计.docx
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远程智能防盗报警系统的硬件设计
摘要
本文主要介绍了一种以单片机AT89C51和MT8888芯片及语音录放芯片APR9600为核心，通过普通电话线报警的防盗装置。
该系统主要用于当主人不在家，或晚上人们安全意识比较模糊的时候，性能稳定可靠，适用性强，且具有较高的灵活性和实用性。
系统首先通过信号检测电路检测有没有人闯入受监控区域，如果有则送一高电平到CPU，再由CPU检查铃流信号检测电路的输出情况，若输出为一高电平，则进行延时；若输出为一低电平,则系统模拟摘机，拨叫预先由DTMF编码发送电路设置在存储器AT24C02中的电话号码，拨通后，发送预先录制在APR9600中的语音信号,然后进行挂机,完成自动报警。
关键词：
远程通信；智能控制；防盗报警；单片机
1绪论
防盗报警系统是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并辅助提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。
防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。
1.1我国防盗报警技术的发展动态
防盗报警系统最初被应用于博物馆，二十世纪六十年代主要采用的手段是声音报警，通过罪犯行窃时发出的声音作为报警信号，值班人员听到声音后再采取相应的措施；随着科学技术的发展，1982年，公安部和公安部第一研究所，根据当时的防盗报警技术为故宫很多展厅安装了主动红外、被动红外、微波、超声波、声控等探测传感器，形成了多种探测手段的防盗报警系统，防盗报警技术提高到一个新水平。
1984年以后，安防事业在中国进入了普及我提高阶段，而且发展迅速。
特别是84年为了加强庆祝国庆35周年的安全保卫工作,在天安门建立了电视监控工程，为我国的安防工作起到了推波助澜的作用。
从此以后，电视监控技术便进入到防盗报警系统中和城市交通安全管制中，提高了系统的功能。
安防事业在我国的蓬勃发展，形成了一个规模宏大的行业，于是行业管理问题也随之出现了，行业管理机构也相继产生。
87年以后全国各省市成立了技术防范办公室，对安防工程进行审核和验收，并负责颁发安防工程施工许可证以及组织各工程公司进行技术培训。
为了确保安防产品的质量，87年成立了公安部安全与警用产品质量检测中心。
为了规范各行业安防工程的技术指标。
87年还成立了全国安全防范报警系统标准化技术委员会，于是相关标准得到了制定和执行。
这些都标志着我国安防事业走上了正轨。
从98年11月到2003年1月就发布和实施了安防报警专业的国家标准9项和行业标准21项。
这一系列标准使各行各业安全防范工程的实施和验收有了依据。
这对保证工程质量是至关重要的。
1.2我国防盗报警技术的发展趋势
目前全国的安全技术已经很先进了，基本和国际接上了轨。
在现代计算机技术、自动控制技术和现代通信技术的支持下，安防系统也是一个很完善的计算机控制系统，防盗报警系统，电视监控系统，声音系统，门禁系统和巡更系统统一由一台计算机进行管理，标志着我国的安防事业进入了一个新价段。
数字化、无线化、集成化是防盗报警系统的技术发展趋势——为了适应中国加入WTO／TBT（技术性贸易壁垒协议）的要求，目前防盗报警产品均需过过3C认证。
而由众多厂家今年推出的新产品观察，不难发现防盗报警产品的技术发展趋势：
1.更稳定／可靠：
如探测器需可抗RFI/EMI、防雷电等，以适应恶劣气候；
2.更多样的功能：
如探测器可调频、防遮挡、防喷盖、防破坏等；
3.更精美、小巧的外观：
以符合品味日益提高的室内装潢需求；
4.更智能化的设计：
方便地设／撤防，人性化的操作界面；
5.更强大的联网功能;
6.更方便的扩展性。
总体而言，2006年防盗报警产品的发展趋势，产品技术将在数字化、无线化、集成化前提下力求突破。
而在应用市场上，将朝更细化的方向前进──针对不同市场，推出不同产品。
以成长最快的住宅小区应用为例，有厂商表示，专为住宅小区设计的定向幕帘式＋防宠物探测器，成本低、安装简单、适合家庭用的无线联网报警系统，以及小区智能化安防＋报警集成系统产品都将是亮点。
而除了住宅小区、商办大楼的室内外应用，机场、码头、养殖场、矿场、油田等室外应用更是尚待厂家们大力拓展的空间。
1.3本课题的研究意义
随着社会的飞速发展和人民生活水平的不断提高，人们的安全意识也不断加强。
本论文主要介绍一种家庭用的、能与电话线连接并进行告警的防盗装置。
当主人不在家，或在晚上安全意识比较模糊的时候，该装置通过探测器探测人体发出的特定的波长为10µm的红外线而自动拨通电话号码，进行报警,以使家中的财产免受损失。
该装置性能稳定可靠、操作简单、实用性、适用性强，且具有较高的灵活性。
2整体设计
2.1整体设计思想
本设计的原理框图如图2.1所示：
图2.1整机方框图
由上图我们可知:
远程智能防盗报警装置由信号检测电路、复位电路、电话号码输入电路、89C51单片机、语音电路、模拟摘机挂机电路、DTMF编码发送电路、铃流信号检测电路和忙音信号检测电路等构成。
2.2整机各个部分的功能与作用
信号检测电路主要用来检测有没有人闯入受监控的范围内,如果有,则发出触发信号作为报警信号,经放大送入CPU。
复位电路用来当信号检测电路检测到有人闯入后，如果是主人的话，则利用此电路使CPU初始化，否则准备报警。
DTMF编码发送电路主要是用来送出由用户经电话号码输入电路预先设定好并存储在AT24C02中的电话号码，该号码可以随意设置，可以是市内程控电话（如单位电话或110等）、手机或寻呼机等。
语音电路用于录制和播放用户所要报警的语音信号或其他报警信息，相应信息可由用户预先设定并可随时修改。
模拟摘机挂机电路主要是用来当检测到用户电话机没有铃流信号时，自动摘机，发送语音电路里的信息后，自动挂机。
铃流信号检测电路用来检测电话线路上有无25Hz/90V铃流信号。
如果输出为高电平送入CPU，则进行延时处理，等待铃流信号消失。
忙音检测电路主要用来检测受话方有没有占线。
摘机后，拨叫DTMF电话号码后，受话方若正在接听电话，线路上送回忙音信号（周期为0.7s，占空比为50%的450Hz音频信号），CPU根据这一信号发出模拟挂机和延时指令。
AT89C51单片机用于实时检测、数据处理和报警控制等，当单片机接收到来自被监控系统的故障信息时，可使摘挂机电路实现模拟摘机，双音频信号经放大器放大后，馈入电话电路，实现自动拨号，拨号后，在检测到对方应答信号后，发送语音信号，完成自动报警。
3硬件电路的设计
3.1单片机主控电路
本系统的硬件是以单片机作为控制核心的。
我们选择AT89C51作为主控制器。
AT89C51是INTEL公司继MCS-48之后发布的一种微控制器的MCS-51[1]系列，和MCS-48相比，它结合了传统8位CPU的诸多优点，并将必要的I/O嵌入CPU中，除此之外，增加了足够的ROM及存储空间，使得单片机的线路变得非常简洁，用户只要加上石英振荡晶体及电源后，单片机系统就可以正式运行。
MCS-51单片机都采用40引脚的双列直插封装方式,图3.1是它的引脚排列图[1]：
图3.189C51引脚排列
3.2信号检测电路
信号检测电路主要是利用传感器检测有没有人闯入，从而发出触发信号作为报警信号,经放大送入CPU。
3.2.1传感器的选择
我国在最先开始使用防盗报警技术时一般使用声音进行报警，但随着社会科学技术的发展，声音报警已经呈现出越来越弱的优势。
而人体红外线也在这一时期被发现了，于是被动热释电红外传感器也成为了这一时期最主要的一种防盗报警的传感器。
人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10微米左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
它本身不发任何类型的辐射，它功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。
图3.2是它的结构原理图[2]：
图3.2热释电传感器原理图
热释电红外线传感器主要部分是由一种高热电系数的材料制成尺寸2*1mm的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高面产生的干扰。
探测元件的作用是探测、接收红外辐射并将其转换成微弱的电压信号。
3.2.2信号检测电路原理图
由于我们使用的是热释电人体红外线传感器,所以当活动人体辐射的红外线被传感器检测到后，传感器将产生微弱的电信号，经滤波、放大，送给双向比较器进行比较,将高电平做为报警信号，送入CPU，准备报警。
因此，信号检测电路即是传感器的驱动电路[3]，如图3.3所示：
图3.3热释电红外线传感器驱动电路
当有人在其探测区域内以0.3-3HZ的频率活动时，传感器就能感生出微弱的电信号，经U-A，U-B两级放大后，从U-B的7脚输出强信号。
D1、D2、R11、R12、R13、R10及U-C组成双门限比较器，因传感器感生的信号电压可正可负，故U-B的7脚输出的电压亦可正可负（对中心电压3V而言）。
当其输出的电压达到4.1V以上时，通过D1施加于U-C的10脚的电压高于9脚的电压（3.3V），使U-C的8脚输出高电位；而当U-B的7脚输出的电位低于2V时，则U-C的9脚的电压将通过D2下降至2.7V以下，其8脚也输出高电位,送入CPU的P2.6,再由软件进行控制。
如果是主人进入，则可在充分长的时间内使电路复位；如果是闯入者，则CPU启动相关电路进行报警。
3.3语音电路
语音电路用来录制和播放用户所要报警的语音信号或其他报警信息，相应信息可由用户预先设定并可随时修改。
3.3.1语音芯片的选择
在本次设计中我们采用APR9600语音录放芯片，它是采用模拟存储技术的一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音芯片，单片电路可录放32-60秒。
在APR9600芯片的内部，录音时外部音频信号通过话筒输入和线路输入方式进入，话筒可采用普通的驻极体话筒，在芯片内话筒放大器（Pre-Amp）中自带自动增益调节（AGC），可由外接阻容件设定响应速度和增益范围。
如果信号幅度在100mV左右即可直接进入线路输入端，音频信号由内部滤波器、采样电路处理后以模拟量方式存入专用快闪存储器FLASHRAM中。
由于FLASHRAM是非易失器件，断电等因素不会使存储的语音丢失。
放音时芯片内读逻辑电路从FLASHRAM中取出信号，经过一个低通滤波器送到功率放大器中，然后直接推动外部的喇叭放音。
厂家要求外接喇叭为16欧姆，实际试验用8-16欧姆均可，一般音量下输出功率12.2mW（16欧）。
图3.4是语音录放芯片引脚图[4]：
图3.4语音录放芯片APR9600
3.3.2语音电路原理图
在语音电路的构成中,我们使用的是语音芯片APR9600，在上一节我们已经了解，这款芯片的功能很多，它采用模拟存储技术的一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音芯片，单片电路可录放32-60秒。
所以它的外围元件很简单[5]，如图3.5所示，就是它的全功能使用电路图[5]。
图3.5APR9600的全功能使用电路图
从图上看,我们知道APR9600“OSCR”端外接振荡电阻,所以APR9600可以通过“OSCR”端的电阻设置调节录放音的时间长度和音质效果，可以置功能开关来选择录/放音状态、选择分段控制方式，可以通过按键来实现开始、循环、停止等功能。
APR9600的录放音控制有多种操作模式，为普通用户使用提供了极大的方便。
总的来说分为串行控制和并行控制两种，由芯片MSEL1（24脚）、MSEL2（25脚）、/M8（9脚）的设置来实现，如表3.2所示：
表3.2APR9600录放音控制模式
MSEL1
MSEL2
/M8
有效键/M!
-/M8为段控制键,/CE多为停止复位键
功能
（以60秒计）
0
1
0/1
/M1、/M2、/CE
并行控制，分二段，每段最大30秒
1
0
0/1
/M1、/M2、/M3、/M4、/CE
并行控制，分四段，每段最大15秒
1
1
1
/M1-/M8、/CE
并行控制，分八段，每段最大7.5秒
1
1
0
/CE
单键控制，单段7.5秒循环。
/CE为启动/停止键
0
0
1
/M1、/CE
串行顺序控制，可分一至任意多段
0
0
0
/M1、/M2、/CE
串行选段控制，/M2系选段快进键。
注1：
RE=1为录音状态；RE=0为放音状态。
RE（22脚）。
注2：
/M1-/M8键在有效段控放音时，按一下键即开始放音一段，放音期间再按一下即停止；如按键不放即循环放音。
注3：
/M1-/M8键在有效段控录音时，按住不放为录音，松键即停止。
由上表我们可知，并行控制模式可分为二、四、八段，下面我们以需要四段为例[6]，按照上表所示，当MSEL1端置1（高电平）、MSEL2端置0（低电平）、/M8端任意电平时，我们开始录音。
置RE端为高电平，压住/M1，听到“嘀“一声BUSY指示灯敲亮起时开始录音第一段，松键时又听到“嘀”一声，BUSY指示灯熄灭，录音停止。
/M2、/M3、/M4分别录其它三段。
录音可以不按顺序，对哪段不满意可重新录音。
以全片60秒录音计，每段录音的最长时间为15秒，录满时指示灯熄灭并响“嘀”的一声，每段录音的长短可以不一样。
置RE为低电平时为放音状态，按一下/M1键即放音第一段，放音期间再按一下/M1键即停止放音。
如果压住/M1键不放，则循环放音第一段直到松键。
/M2、/M3、/M4分别控制第二、三、四段。
/CE键为停止键，放音期间按一下它也能停止放音。
其它并行二段、八段的控制使用方式相同。
串行控制方式用到的键要少得多，它仅需要一、二个键来控制所有的语音段录放，而且段数可以足够多，每段也没有时间限制。
只是在选段上没有并行控制模式方便。
置MSEL1、MSEL2均为0，在录音时/M8置1。
置/RE端为0为录音状态，按住/M1即开始录第一段，松键即停止。
再按住/M1即录第二段，如此一直分段录音，直到芯片溢出。
在放音时（/RE=1）有两种状态，/M8置1为串行顺序控制方式，按一下/M1即放音第一段，再按一下即放第二段，如此顺序逐段放音，到最后一段结束时即停止放音，必须按一下CE键复位，然后再按/M1键就可以又从第一段放音。
这种方式下的段不可选择只能按录音的顺序播放，适合走马灯、流程控制等电路使用；/M8置0为串行选段控制方式，按一下/M1只能放音第一段，再按还是放音第一段。
这时的/M2有效成为快进选段键，每按一下/M2即向后移动一段，例如现在按了三下/M2，再按/M1就放音第四段。
因此可以实现选段放音。
按/CE键复位为第一段。
在本次设计中我们采用串行控制方式。
APR9600的电性能参数：
电源电压4.5-6.5V，静态电流1uA，工作电流25mA。
其外接振荡电阻与采样率、语音频带、录放时间的关系见表3.3，该电阻可以根据用户需要的时间和音质效果无级调节。
表3.3APR9600的性电能参数
振荡电阻（7脚OSCR）
采样频率
录放音频带
录放音时间
44KΩ
4.2KHZ
2.1KHZ
60s
38KΩ
6.4KHZ
3.2KHZ
40s
24KΩ
8.0KHZ
4.0KHZ
32s
3.4电话号码输入电路与DTMF编码发送电路
DTMF编码发送电路主要是用来送出由用户经电话号码输入电路预先设定好并存储在AT24C02中的电话号码，该号码可以随意设置，可以是市内程控电话（如单位电话或110等）、手机或寻呼机[8]等。
3.4.1DTMF器件的选择
双音多频（DTMF）信令的传输速度，使它广泛应用于各种通信和控制系统中，加拿大MITEL公司生产的DTMF信号收/发芯片MT8888是该系列产品中最新的一种，该芯片功能强，功耗低，工作稳定可靠。
MT8888引脚排列如图3.6所示[7]。
各引脚功能如下：
图3.6MT8888引脚图
MT8888内部由收发电路、振荡器和电源偏置电路组成。
它有两个数据寄存器，一个是只执行读操作的接收数据寄存器RDR，另一个是只执行写操作的发送数据寄存器TDR。
另外，MT8888是还有两个4位的收、发控制寄存器CRA和CRB。
对CRB的操作就是对CRA中的一个特定位进行操作的。
而MT8888中的4位状态寄存器SR则用来反映收、发信号的工作状态。
这五个寄存器通过I/O控制电路受微处理器控制。
微处理器通过RS0、/WR、/RD、命令将数据总线D3-D0上的数据写入CRA、CRB以控制电路的工作模式。
寄存器的选择与操作由RS0，/WR，/RD来控制，控制功能表如表3.4所列:
表3.4寄存器控制功能表
RS0
功 能
0
0
1
数据写入TDR
0
1
0
数据从RDR读出
1
0
1
数据写入SR
1
1
0
数据从SR读出
DTMF在发送信号时可提供六种工作模式，即DTMF模式，呼叫处理（CALL）模式，突发（BURST）模式，单/双音产生模式，测试（TEST）模式和中断模式，这六种工作模式都可通过寄存器进行设置，各寄存器的功能表见表3.5和表3.6:
表3.5控制寄存器功能表
控制寄存器
控制位
名 称
功能
说 明
CRA
b0
Tout
信号音输出控制
逻辑“1”使能信号音输出
b1
CP/DTMF
模式控制
逻辑“1”为CP模式，逻辑“0”为DTMF模式
b2
IRQ
中断使能
逻辑“1”使能中断模式，当b0=1时，接收到DTMF信号或发送完一DTMF双音信号，DTMF/CP引脚电平由高变低
b3
RSEL
寄存器选择
逻辑“1”下一次访问寄存器CRB，访问结构转回寄存器CRA
CRB
b0
BURST
双音突发模式
逻辑“0”使能双音频突发模式
b1
TEST
测试模式
逻辑“1”使能测试模式，以在IRQ/CP引脚输出延迟控制信号
b2
S/D
单双音产生
逻辑“0”允许产生DTMF信号，否则输出单音频
b3
C/R
列/行音选择
b2=1时，逻辑“0”使能产生行单音信号逻辑，逻辑“1”使能产生列单音信号
表3.6状态控制器功能表
状态位
名 称
状态标志置位
状态标志清零
B0
IRQ
发生中断;b1或b2=0
读状态寄存器清除
B1
发送寄存器空（突发模式）
暂停结束：
准备发送表数据
读状态寄存器清除
B2
接收寄存器满
接收寄存器的数据有效
读状态寄存器清除
B3
DTMF信号标志位
检测不到DTMF信号时置位
检测DTMF信号已清除
在本次设计中,我们采用DTMF模式,它发送与接收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3.7所示[12]。
表3.7DTMF编译码对应关系
双音频键
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
*
#
A
B
C
D
十时制数
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
11
12
13
14
15
0
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89C51，也无需插入等待周期。
与其它微处理器接口时，则必须通过转换构造MT8888所需的时序。
图3.7为MT8888
的控制时序图[7]。
图3.7MT8888控制时序
下面介绍MT8888的四种工作模式[8],图3.8是它的功能框图:
图3.8MT8888内部功能框图
（1）DTMF收发模式
A.接收模式
在该模式下,DTMF信号从IN+、IN-输入,经过拨号音滤波器滤掉拨号音,再通过两组六阶开关电容式带通滤波器分离出低频组和高频组信号,这两组信号经过数字计数方式检测出DTMF信号频率,并转变成四位二进制码存入接收数据寄存器（RDR）。
B.发送模式
当发送DTMF信号时,总线上数据D3～D0被锁存于发送寄存器（TDR）中,发送的DTMF信号频率来源于3.5795MHZ晶振,由数字频率合成器、行列可编程分频器和D/A变换器合成。
可编程分频器根据TDR中的数据进行八中取二编码变换,分离出一个高频信号和一个低频信号,经过D/A变换和加法器合成DTMF信号从TONE端输出。
如附录3所示。
（2）突发模式
在某些特殊应用中,产生的DTMF信号需具有特定的周期[9]。
当选择突发模式后,MT8888发送对称的突发/暂停周期为51ms±1ms,这是自动拨号和中心站应用的标准间隔。
在不需要特定的突发/暂停时间时,不用突发模式发码和暂停,而用软件控制。
（3）中断模式
该模式下选择DTMF模式时,当在检测时间内收到一个有效的DTMF对,或发送完一个DTMF信号时,IRQ/CP端输出一个低电平。
（4）呼叫模式
该模式下MT8888可检测各种信号音[10],如拨号音、忙音、回铃音。
只要位于中心频率450HZ、带宽250HZ左右的信号音就可以经滤波器选择、高增益比较器限幅、从施密特触发器得到代表信号音的方波信号,并从IRQ/CP端输出,微处理器可通过IRQ/CP端分析呼叫过程。
信号音和DTMF信号共用一个输入端,故在CP模式下,只能发送而不能接收DTMF信号。
3.4.2存储芯片的选择
I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线[11]。
它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。
1.I2C总线的基本结构,如图3.9所示,
图3.9I2C总线基本结构
如上图所示,I2C总线内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。
2.双向传输的接口特性I2C总线则根据器件的功能通过软件程序使其可工作于发送或接收方式。
3．I2C总线上的时钟信号
在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL时钟线上的所有器件的逻辑“与”完成的。
4.数据的传送 在数据传送过程中，必须确认数据传送的开始和结束。
如图3.10所示:
图3.10I2C数据的开始与结束
当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由高电平跳变为低电平定义为“开始”信号；当SCL线为高电平时，数据线SDA线发生低电平到高电平的跳变为“结束”信号。
I2C总线的数据传送格式是：
在I2C总线开始信号后，送出的第一个字节数据是用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第8位为方向位（R/W）。
方向位为“0”表示发送，即主器件把信息写到所选择的从器件；方向位为“1”表示主器件将从从器件读信息。
5.总线竞争的仲裁 总线上可能挂接有多个器件，有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况
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