智能防火系统设计

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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丛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。用户端自动报警模块与管理中心控制模块间利用profibus-DP现场总线通讯方式进行数据通讯，完成报警信息的可靠传输。管理中心主控计算机在查询到报警信号的同时能够及时显示，并能实现一定的报警信息查询、用户信息管理、操作员信息管理等功能。该系统同时还具有自诊断功能，出现故障能自动进行处理。系统从硬件和软件两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；数据通讯。

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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. Each module is controlled by a microcomputer and they communicate each other by profibus-DP in order to achieve credible transmission. The computer in surveillant center will display the information as soon as it inquires the alarm signal. Definite functions such as alarm information query, user-info management and operator's info management can be realized. The system is designed by considering the anti-interference in the side of the hardware and software. It can work with high reliability.

Key words: Intelligent alarm system；theft-proof and f i reproof；automatic

dial ；phonetic alarm； data traffic

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目录

中文摘要

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅱ

ABSTRACT

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．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1.4论文主要工作概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 2系统总体设计方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2.1智能报警系统的总体构成. ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2.2报警系统的功能及工作过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 3用户端探测器设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 3.1防盗探测器电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 3.2防火探测器电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 4用户端自动报警器设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 4.1用户端自动报警器总体设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 4.2自动拨号及语音报警电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18 4.3键盘与密码显示电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 4.4系统电源的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 4.5用户端自动报警器硬件电路的连接与调试．．．．．．．．．．．．32 4.6用户端自动报警器软件编制与调试．．．．．．．．．．．．．．．．33 5管理监控中心中央控制器设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40 5.1中央控制器硬件电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40 5.2中央控制器软件编制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40 6结束语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．43 6.1论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．43 6.2展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．44 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．45 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．46 附录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．47

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第1章 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。

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报警求救信号，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。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。

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，

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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。

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。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。

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。本文所介绍的安全报警系统，是用双绞线连接中央控制器和各用户端自动报警器，实现前端报警器的报警数据采集；利用电话线，采用单片控制的DTMF通信方式实现自动拨号报警，既可提高信息传递速度，又可解决前端报警器之间同时报警争信道问题。

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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:小区管理中心中央控制器对各用户端自动报警器完成数据的采集和信号的传输。

该智能报警系统主要包含用户端电子防盗防火系统及监控管理控制中心两大部分。用户端的电子防盗防火系统又包括探测器、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。课题重点设计了自动拨号报警部分，完成了防盗防火的自动拨号报警功能。

本课题内容属于硬件电路的设计与应用方面，实现过程包括电路原理设计、元器件(芯片)选择与特性测试、编制程序及软件调试、整体电路编程器调试。在设计实现过程中，仪器设备主要用到HP54620A逻辑分析仪，HP示波器，信号发生器，直流稳压电源，万用表等以及电脑和单片机相应开发设备。

另外，在满足各项性能指标的前提下，不仅要考虑到系统的易用性，还要努力降低成本，使其经济实用，在保证灵敏度的情况下，尽量降低误报率，确保在同类产品中的智能化住宅防盗防火报警系统竞争地位。

智能防盗防火报警系统是当前智能报警领域的技术热点，相关技术资料较多，但多为单纯只含防盗或防火功能。加上已经有气体传感器等成熟技术的基础，因此，在多种技术的基础上并加以融合和改进，完全可以设计出功能完善和结构合理的新型报警系统。

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第2章 系统总体设计方案

2.1智能报警系统的总体构成

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、管理监控中心中央控制器与通讯线路四个模块，系统组成框图如图2.1所示。

看门狗电路 模拟量及 传感器信号 用户端自动报警器AT98C51 密码控制电路 DTMF拨号电路 电话机 接口电路 电源电路 通信模块 电源电路 语音检测报警电路 通信模块 看门狗电路 打印接口 中心控制器 管理中心 图2.1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。用户端自动报警器还能接收来自管理中心中央控制器的各种查询命令。

小区监控管理中心中央控制器安装于住宅小区的值班室内，可以同时控制、管理多个用户端自动报警器，主要用于接收处理从用户端报警器传来的数据信息，一旦收到报警信息立即进行存储以备查询，主控计算机通过对中央控制器的查询可显示出各种报警信息，同时由高响度喇叭等设备告知值班人员，以便及时做出相应的处理。

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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)中央控制器可自动判别报警信号的来源，生成报警日志，如实纪录报警发生的地点、时间、日期，以备日后查询。

(6)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(60s定时器)去解除，另外用户端自动报警器还具备状态信息(如有智能化住宅防盗防火报警系统无交流电、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。

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与此同时，前端自动报警器通过通讯线路向小区监控中心发送报警信号，从小区监控中心的计算机屏幕上不但可以准确地区别显示出报警的类别(盗窃、火警、紧急呼救等)，还可以显示出报警的单位、地址、电话号码及联系人等信息，并由中央控制器打印出报警的有关信息，同时报警信息发送至主控计算机数据库，以备查询。

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第3章 用户端探测器设计

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

防盗探测器是由红外与微波探测器组成的双鉴探测器，较之以往的微波或红外单信号探测器，其误报率明显下降，原理示意图如图3.1所示。

热释电红外探测器 微波 探测器 74LS 与非门 用户端自动报警器AT89C51 图3.1双鉴探测器原理示意图 双鉴探测器工作时将探测到的红外和微波两种信号经过与非门处理后送单片机，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。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。

3.1.1热释电红外线探测器 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。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，只有达到报警阀值电平时，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3.4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

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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。

图3.4热释电红外线探测器原理框图

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CHOS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3.5和3.6所示。

图3.5 BISS0001管脚排列 图3.6不可重复触发工作方式下各点波形

当A端等于“0”时，为不可重复触发工作方式，即在T时间内，任何IC7的变化都被忽略，直至延迟时间T结束。当T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T的调节端，RR2，RC2触发封锁时间Ti的调节端。

图3.7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

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运算放大器ICl的同相输入端(14脚)，对信号进行放大预处理，然后由电容祸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号，当有移动物体进入探测范围以内时，输出端电平由高电平跳变至低电平，可实现检测并报警。

Q4R110kAR7C222u10kC8U1:AZTX5001324071R10210kQ1R210k1nFQ3Q2ZTX500C11nF123C7C51nFZTX5001nFR634ABCD10kR1110kR5R310kC31nFR410k10kC61nFZTX500U2C12SAND_31nFC422u5B6ABCDC101nFR810kC922uR1210kQ5D21N914U0C13C1122u1nFZTX500R910kD11N914图3.7红外探测器电路图 3.1.2微波探测器 微波探理测器原

微波探测器为空间探测器，用于探测在防范空间内的任何运动物体。微波探测器可靠性强，无光亮和热源的要求，探测环境要求低。在微波段，当以一种频率发送时，

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在微波能量覆盖的范围内，如果有物体移动，将会以另一种频率反射，这样发射频率和反射频率有一个频率差异产生。这种频率差异与很多因素有关，其中包括移动物体的速度，与探测器的径向角度等。

实际电路中，是由振荡器电路产生并发射近微波段电磁波形成微波场，天线把电信号转换为相应的电磁波辐射到周围空间，辐射半径可达10m以上(如果想继续增大辐射半径或提高灵敏度可以通过调整天线的大小和方向来完成)。当有人在场中运动时，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3.8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3.8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。 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3.9。

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图3.9微波探测器电路图

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(标准电压是32V，但实际可以工作在很宽的电压范围内)，输出数据见表2.1，当检测到异常信号时为高电平。

表3.1输出数据

1OUT(V)

2OUT(V)

3IN(V)

3OUT(V)

V0(V)

I0(mA)

无信号 有信号

0 2.9

0 4.77

0 2.35

0 4.7

0.34 4.74

0 1.06

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Ti和触发封锁时间T来控制。

3.2防火探测器电路设计

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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3.10所示。由于单元探测技术所采用的单一参数火灾探测器(包括阀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单片机进行综合判断，在软件设计中加入了神经网络智能算法，仿真实现了多元同步智能探测。

图3.10复合型火灾探测器原理示意图

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。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。

神经网络算法处理己实现，本系统中只取用其处理后的报警信号进行自动拨号报警处理。下面分别介绍三种传感器的电路设计。 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，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。

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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

OPSOlSL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。 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。对子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。

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。 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3.11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。

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R7U11RGND10kRRVCCQ2ZTX1053A8R310kC11nF2TRIGGECompDischarging Transistor.DIS7R23OUTPUD2LEDR810kOUTPUTSTAGETHDLIPLOP610kCOMPR110k4RESETVref555MixMode Timer icCV5555_FMLY_FAIRCHILDD11N914Q1ZTX1053AC21nFR410kR510kVR1CU3225K11G2图3.11散光型光电感烟探测器电路图 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3.12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。

IRGB4B60KD1R110kR210kQ1123QDIS4VccRTRI0678R510k5GNDTHRCVQ2C11nFZTX1053AD11N914R610kC21nFR310kR410kC322u图3.12 CO探测器电路图 14

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第4章 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4.1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。报警器功能已在1.2节具体描写过，这里不再详述，本节着重介绍与自动拨号功能相关的硬件电路设计及其软件编制。

看门狗电路 热释电红外线 防盗探侧器 徽波防盗 探测器 温度探测器 通信接口 逻辑与非门 神经网络智能 用户端自动报警器CPU AT89C51 DTMF拨号电路 语音检测电路 输入输出 控制电路 电话接口电路 开关电路 光电感烟探测器 CO探测器 键盘密码 控制电路 备用电源 LCD显示电路 图4.1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。

4.1.1自动报警器电路设计

自动报警器电路见图4.2。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INTO, 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。

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C122uD11N914R210kC31nF1234HELP5A6789101112Alarm013Ararm114151617181920P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1GNDVccP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7EAALEPSENP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A84039383736353433323130292827262524232221R1SISOSCKCS10kBAC OFF-POWERDETECTOR OFFHPDE/REVOICEC222uC41nF图4.2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,

P1.2为接键盘电路的三根I/0口线，Pl.3接紧急呼救按键。P1.5接液晶显示器的串

行时钟输入端，Pl.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,Dl,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和初相连，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。 4.1.2串行EEPROM-X25045

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，

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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512X8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AB，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。

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($1FFH)时，地址计数器翻转至$OOH，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。

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, Pl. 4,P1.5

来模拟SPI接口。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

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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，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4.1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4.1看门狗延时设计

4.2自动拨号及语音报警电路设计

4.2.1拨号电路

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:

(1)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。 (3)用户对自动拨号报警系统可自行设定和修改密码。

(4)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。

(5)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。

(6)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。

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。

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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4.3所示

图4.3 MT8888引脚排列图

MT8888芯片特点:

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哥，“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。频率精度高，片内对双音群模式的占空时间精确定时。 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。 (1)接收部分:

前置输入电路可以有差分输入和单端输入两种形式，如图4.4所示。

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图4.4输入电路原理图

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fL,和高

频组fH信号。低频组中的陷波器把350HZ和440Hz的拨号音滤除，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3.5795 MHz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、开关电容式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fL和fH, fH和fLdB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2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。 (3)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。为了接收可靠，还应满足识别条件，即检测有效信号的持续时间，EST信号驱动外接R1, C1积分电路，如图4.5所示。C1放电，在有效时间t内EST维持高平，当VC=V，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。

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图4.5控制电路原理图

如选择中断模式，当延迟标志位置高时，IRQI 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。 芯片工作方式

MT8888通过微处理器接口由RSO, WR, RD, DO-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，它们分别为:

(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(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/CI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±lms；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。

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(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。

(5)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IRQ1 CP端下接至低电平。

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4.2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:1209Hz, 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4.2 DTMF拨号方式中16键组合表 低群/Hz 697 770 852 941 高群/Hz 1209 1 4 7 * 1336 2 5 8 0 1477 3 6 9 # 1633 A B C D 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。 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1611Hz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4.6。它的接收部分采用单端输入，由

8201,8202和C201组成，其输入电压增益为R202/R201=2。它的发送部分8205,

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8206, 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8203用上拉电阻8204，与单片机P3.C201构成。另外，由于IRQ1 CP端为开源输出5脚相连。C203为去藕电容。DTMF IN和DTMF OUT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。 C2DTMF/CP IN1nFR310kR5C3DTMF OUT1nF10k10kR4XTAL2C122uP3.6P2.012345678910IN+VDDIN-S/GTOSESVREFD3VSSD2OSC1D1OSC2D0TONEWPW/RRDCSRS0C42O19181716151413121110kP0.3P0.2P0.1P0.0C51nFR1R210k1nFP3.7P2.7C61nFR610k图4.6拨号电路 4.2.2语音电路 ISD420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。

图4.7 ISD1420引脚排列图。

ISD系列语音芯片特点:

(1)所需外围元件少，电路简单，操作方

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(2)便。采用直接模拟量存贮技术DAST(Direct Analog

StrorageTechnology)，再现优质原声。

(3)零功率信息存贮，省掉备用电源。

(4)信息可保存10年以上，可反复录放达10万次之多。

(5)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。 (6)较强的选址能力，可进行分段管理和分段存储多段信息。

(7)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0.5 5M的维持电流。

(8)自带时钟源，高抗干扰性能。

(9)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。

(10)采用总线技术，适于同单片机接口。 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20—200)。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 IN)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。

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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。

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。 芯片工作模式

ISDI420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AO—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PLAYS , 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PLAYS , 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。 语音芯片及外围电路

本系统的语音电路如图4.8所示。这是应用ISDI420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脚被拉成地电平，LED2发智能化住宅防盗防火报警系统亮。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藕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

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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8305为增益调整电路。

D5X4XTALLEDVCCR21C8R17R18R20R19100nF1234567891011121314AOVccdA1RECA2XCLKA3recLEDA4PLAYEA5PLAYLNCNCNCANA/OUTA6ANA/INA7AOCNCMIC REFVsseMICVssdVccaSP+SP-2827262524232221201918171615R22C10C9100nF100nFBUZZER100nFC11BUZ2SP+R25X5XTALX6XTALR23R24图4.8语音电路 4.2.3电话接口电路

电话接口电路参见图4.9。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—39V，通过外线a, b接入用户话机。为了确保拨号电路的DTHF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。

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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lOV左右。模拟摘挂机由继电器吸合配合实现，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，三极管由截止变为饱和，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。

TRANSFORMER1RL1RELAYG2R-24-AC24TR113R24.7k32ACV-4CA1V+2TRAN-2P2S41Q12N290710MQ100NTRD1R14.7k2H/P图4.9电话接口电路 4.3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。 4.3.1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

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极管，并采用了新的接法，键盘连接如图4.10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/01—I/03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/01—I/03轮流输出低电平，再读入，这样就可以根据另外两根I/0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。 I/O3I/O2I/O1D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12图4.10键盘电路 4.3.2按键去抖动

由于开关极其微小的触点面积、机械式设计、产品老化等原因，使开关在实际中不可能象数字系统所期望的那样产生干净的数字信号输出，而是在开关闭合或断开的过程中出现许多毫秒级的状态变化，即开关的“抖动(bounce) \。

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本系统中采用了MAXIM公司的MAX6816去抖芯片。MAX6816能够无差错、无需软件参与地去抖动且具有ESD和过压保护功能，可静化机械开关与数字电路的嘈杂信号。MAX6816的输入特性图如图4.11所示。当收到一个或多个由按键操作产生的抖动信号时，经过短暂的预定延迟后，产生无干扰的数字信号输出。

图4.11 MAX6816的输入特性图

MAX6818为八路开关去抖器，适用于数据总线接口，具有可控制的三态输出，

状态改变输出(三万)有利于节省CPU资源，每次在使能端有效时，对MAX6818进行读操作后，CH引脚被重置；一旦某个输入的状态改变，CH引脚将变低。数据总线的三态受控于使能引脚(EN)开关断开或闭合所造成的抖动均可得到抑制，其坚固的输入结构能够去除±5V的信号抖动，去抖动延时典型值为40ms，最小为20ms，最大为60ms，能够适应性能较差的开关。本设计通过查询方式读取开关状态，EN为输出使能端，接“GND”时，脚OUT1-OUT8总是能输出，因而电路EN端接地。

4.3.3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。

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显示模块选用EOM-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。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

4.4系统电源的设计

4.4.1主电源

本系统主电源采用直流电源5V和6V供电，原理图如图4.12所示。电源部分电路为典型的7805/7806应用电路，具有两路电源输出。该电路具有短路保护功能，变压器输出7V交流电，经桥路整流，电容滤波，送入7805/7806输入端，最后输出5V/6V直流电。电阻与红色LED构成电源工作指示电路，绿色LED和蜂鸣器用于短路报警指示。

桥式整流 滤波电 路 比较器 LM393 短路保护 报警LED 三端稳压块 AN7806 三端稳压块 AN7805 +6V +5V 蜂鸣器 图4.12主电源原理图

4.4.2备用电源

火灾探测器应实现24小时不间断监控，不允许出现停电故障，这就需要使用备用电源。用备用电源作为主电源对单片机系统供电的补充，可以使单片机系统在工作期间，不致因电网突然断电，导致计算机系统RAM中的数据丢失而中断工作，更主要的是它可以避免因电源中断造成整个计算机系统的瘫痪。

备用电源的主要作用是在输入回路断电时，将电池的电能供给负载，当电源恢复正常后，输入回路既负责向负载提供电源还要负责向电池充电。图4.13为在线式备用电源工作原理图，是可以实现及时、正确、可靠地产生交/直流掉电预警信号的直流在线式备用电源。

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ICL8212是一种高性能可编程的电压检测器，它能在供电电压低(1.8v)、宽范

围(1.8-30V)条件下正常工作，其性能受环境温度的影响极小，在整个供电电压范围内也不受供电电压变化的影响。当输入到3脚THRE(预置门限输入)端的被检测电压高于1.15V时，ICL8212为二饱和晶体管输出，即4脚OUT端输出低电平；而当3脚低于1.15V时，4脚输出高电平，而且这一高电平直到供电电源降到OV时仍有效，2脚HYST端为磁滞电压设置端，磁滞电压的设置可防止THRE端的被检测电压在1.15V附近时，使OUT输出端处于不稳定态。

AC OFF POWERD110MQ100NTRR14.7kR84.7kR11R74.7k4.7kBR1U11234CSVIN(+)VIN(-)GNDADC0831VCCVREFCLKDO8576R34.7k4321X1XTALBRIDGE100nFADC0831RV1X2XTAL1k1kDOCLKVREFVCCU3GNDVIN(-)VIN(+)CSC1RV2Q1X3XTAL6758R24.7kR94.7kD5RL14.7kR10D210MQ100NTRR44.7k10MQ100NTRTR1TRAN-2P2S3U27806VOVI1D3R64.7kR12U4R54.7k1234CSVIN(+)VIN(-)GNDADC0831VCCVREFCLKDO85764.7kC2100nFGNDRV3B1BATTERIEQ22N2907D4R134.7k1k10MQ100NTRX4RL22直流掉电预警信号 图4.13备用电源工作原理图

ICl, IC2两片ICL8212构成窗口电压检测器，正常工作时，即交流电压在正

常的工作范围时，合理设置上、下两个检测阀值，由IC1、IC2构成的窗口电压检测器IC2的4端输出高电平，三极管Ql导通，K1继电器吸合，稳压电源正常工作，未经稳压的直流一路经D3, R9给可充电电池浮充电，另一路经稳压后给系统提供稳定的直流电压。一旦交流掉电，窗口电压检测器的输出IC2的4端输出为低电平，它一路将掉电信息存储在自动报警器EEPROM中，另一路控制三极管Q1，经继电器Kl使交流回路与稳压器断开，改由可充电电池继续维持向系统供电一定时间(时间的长短由选择的可充电电池的容量定)，实现了直流在线式不间断供电。

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此后，当可充电电池供电到一定时间，电压降到一定值(不得放电至很低)时，由

IC3构成的直流欠压/掉电检测器，通过三极管Q2、继电器K2使可充电电池停止

向系统供电。Si为手动开关，自动报警器运行时关上，平时处于打开状态。

4.5用户端自动报警器硬件电路的连接与调试

4.5.1探测器电路调试

防盗探测器电路设计中以红外探测器部分为主，设计的重点在红外专用芯片

BISS0001的应用。首先是热释电红外传感器的特性测试。热释电红外传探测器的优

点是仅对人体运动敏感，对其他运动不敏感。缺点是易受冷热气流的影响，尤其是当环境温度接近人体的温度时，误报率极高。因此，合理调节输出延迟时间Tx和触发封锁时间T，非常重要，适当改变Tx与T，即调整R1,C1,R2, C2，使探测器有充分的时间区分变化的温差，从而达到准确测量的目的。

防火探测器电路设计中以光电感烟部分为主，在熟悉光电对管特性的基础上，按照低功耗的设计目标对电路做了充分考虑与改进。发射部分在采用脉冲驱动的前提下，将发射光调制为7ms高电平、140ms低电平的脉冲信号，其中利用了二极管的单向导电性。因为接收管只在发射管为高电平时才导通，因此降低了功耗，保证了探测器的长时间的正常工作。 4.5.2自动报警器电路调试

测试突发拨号方式时，通过示波器能够观察到MT8888送出的双音频信号。接下来是对信号音的检测，首先用函数发生器模拟电话拨号音，利用编程器设置

MT8888为CP模式，相应代码执行后，通过示波器可以观察到在MT8888的CP

脚出现了方波，此时便可以通过单片机计数判断出信号音的类型。

因为现在交换机使用的电源都比较大，最少的也有48V，另外，如何模拟电话摘机，就是如何设计电话接口的问题了。通过查阅资料和反复实验，最后在电话接口电路里加入了极性保护电路，提机电阻用300Ω，考虑到常用电阻的功率不够大，还采用了用电阻网络分流、分压，用1: 1隔离变压器将MT8888的DTMF OUT,

DTMF IN与电话接口电路相连，有效解决了电话模拟摘机的问题。

手动触发中断，继电器吸合，然后拿起并联的话机听筒，不久就听到了MT8888发出的双音频拨号音，但由于DTMF信号幅度不够大，此时没有切断交换机送来的拨号音，也就是说MT8888发出的DTMF信号没有被交换机检测到，因此，为了提高信号幅度，将智能化住宅防盗防火报警系统DTMF OUT脚端的电阻去掉，最

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终切断了拨号音。另外用于拨号的16个DTMF的编码在MT8888的DATASHEET中有详细规定，和常用的8421BCD码不完全相同，这一点很容易被忽略。

语音电路为ISD1420的典型应用电路，在与电话接口连接时，如果用电容直接藕合，将对DTMF IN影响很大，以至无法检测到信号音，因此，二者之间加入了开关电路，当只有准备送出语音的时候，才将语音芯片接通并送出。密码、显示及存储电路调试硬件电路相对简单，主要是软件的编制与调试。

4.6用户端自动报警器软件编制与调试

自动报警器软件部分采用模块化设计，分为主控模块、摘挂机模块、拨号模块、语音模块、显示模块及读写数据模块。应用汇编语言编程，在Keil uVision2环境里，使用Top 2000-B型编程器将程序写入单片机。编程语言的软件设计采用MCS-51汇编语言编写自动报警器中相关程序(如拨号、语音、读写X25045等)。 4.6.1控制模块程序设计

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开始 开始 调用摘机子程序 延迟100S 调用检测子程序 拨号初始化 调用判断子程序 探头掉检测 N电源状态检测 有拨号Y调用拨号子程序 N 有险情 Y Y 密码及显示 N 盗警 调用检测子程序 调用判断子程序 Y 调用process 记录盗警信息 Y 有忙音 N 有回铃声 定时50S Y N N N 调用语言子程序 调用挂机子程序 调用延时子程序 返回 火警 Y 调用process 记录火警信息 Y 调用挂机子程序 延时5S 图4.14主程序流程图 图4.15控制模块PROCESS流程图 由于单片机的P3.2和P3.3脚分别和防盗、防火传感器相连，因此，一旦发生

险情，转密码子程序，若解码正确则取消报警，否则将产生中断，在中断服务子程序里，位地址7FH被置1，证明发生险情，然后根据险情类别，将7EH或7DH置1，其中，7EH为盗警标志位，7DH为火警标志位。主程序在运行期间首先检测探头与电源状态，一切正常后等待中断的发生。当检测到7FH(中断标志)被置1后，调密码显示子程序，密码正确系统重新检测中断信号，密码有误则主程序首先判断7EH的情况，如果被置1，则调用控制模块PROCESS完成后续处理，处理完成后记录报警信息，再检测是否同时发生了火险，即7DH是否被置1，如果被置1，则同样调用控制模块PROCESS完成后续处理。如果没有发生盗警，即7EH没有被置1，

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则不用检测7DH，认为发生了火警，则直接调智能化住宅防盗防火报警系统用

PROCESS完成后续处理。

图4.15为控制模块PROCESS流程图，它是整个系统软件的核心，控制整个系统完成摘机，信号音判断、拨号，发出语音求救信号，最后挂机。由于考虑到拨号音、忙音、回铃音的存在，因此这个模块较主程序复杂一些。

首先，调用摘机子程序模拟摘机，再调用检测和判断子程序判别是否有拨号音，如果没有，则跳转到ERROR，调用挂机子程序，延时后重新调用摘机子程序；如果检测到拨号音，则接下来调用拨号子程序，在拨号子程序里，将根据7EH, 7DH被置位情况拨相关部门的电话，如管理中心电话或户主电话等。拨号完毕后，重新调用检测和判断子程序，判别此时是忙音还是回铃音，如果是忙音，则跳转到ERROR，调用挂机子程序，延时后重新调用摘机子程序:如果是回铃音，则重新调用检测和判断子程序，判别此时对方是否摘机，如果仍然是回铃音，则继续调用检测、判断子程序，直到50s计时时间到，则调用挂机子程序，延时后，再重新调用摘机子程序；如果不是回铃音，则调用语音程序，将事先录制好的报警语音回放出来，最后调用挂机子程序，结束PROCESS模块的执行，返回主程序，等待再次被调用。 4.6.2拨号模块程序设计 (1)信号音检测与判断

开始 R2R3=1600 开始 调用MINUS子程序 置MT8888为CP模式 置T0定时，T1计数 T0，T1初始化 定时，计数开始 R2=100 C置位 N Y R2R3=1600 调用MINUS子程序 C置位 N Y R2R3=160 调用MINUS子程序 5秒定时 Y 返回 N C置位 Y 置拨号音标志位 返回 置忙音标志位 返回 N 置回铃音标志位 返回

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图4.16检测子程序流程图 图4.17判断子程序流程图

MT8880在工作之前要进行初始化，它的初始化过程要经过下面的步骤:读状

态寄存器、写CRA=0000B、写CRA=OOOOB、写CRA=1000B、写CRB=OOB、读SR、写CRA=1101B,写CRB=DOOOB。为了检测信号音，应将MT8888设置为呼叫处理模式，即CP模式。该模式下MT8888可检测各种信号音，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。

根据程控交换机的标准，拨号音为450Hz的连续正弦波，正负误差25Hz，忙音为450Hz的正弦波，0.35s通，0.35s断，回铃音为450Hz的正弦波，1s通，

4s断。因此，依据MT8888的CP检测模式，可对IRQ脚输出的方波计数5s，根

据结果判断是哪种信号音。拨号音计数上限:(450+25)*5=2375，计数下

限:(450-25)*5=2125:同理，忙音的计数范围是1041-1212，回铃音的计数范围是

425-475，无信号音的计数为0。考虑到计数误差，选择2000作为拨号音和忙音的

分界线，900作为忙音和回铃音的分界线，400作为回铃音和无信号音的分界线。

检测子程序流程图如图4.16。首先将MT8888设置为呼叫处理模式，接着将单片机的T0设置成定时方式，Tl设置成计数方式，由于需要定时5s，而选择定时方式1，晶体振荡器选择12MHz，则最大定时时长为65.53ms，所以，需要用软件扩展定时。计时开始后，计数也即开始。在定时中断服务子程序里，判断5s定时时间是否到，如果时间到，则从检测子程序里跳出，否则，继续计数。最后，计数值高八位存储到THl中，低八位存储到TLl中，供判断子程序进行判断。

判断子程序流程图见图4.17。在此子程序里，将计数值分别与2000, 900, 250这三个数进行比较，即调用MINUS子程序，将计数值与上述比较值做双字节的无符号减法，然后根据寄存器C被置位情况，对拨号音标志位7CH、忙音标志位7BH、回铃音标志位7AH进行置位或清零，然后返回。 (2)DTMF拨号程序设计

MT8888在自动拨号应用里，应将工作方式设置为突发方式，在此种情况下，

双音频信号持续和暂停时间为51ms，符合自动拨号要求。在将MT8888设置为突发模式的时候，需要进行如下步骤:写控制寄存器A、写控制寄存器B、写发送数据寄存器、等待中断或读状态寄存器。

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拨号子程序流程图见图4.18。首先将MT8888设置为突发方式，然后判断是否为盗情，即7EH是否被置位，如果没有，则跳转到拨管理中心电话号码部分；如果被置位，则拨打用户电话号码，最后，该程序返回。 4.6.3语音模块程序设计

语音子程序流程图参见图4.19。单片机P2.1口由高电平变为低电平，触动ISD1420的放音脚，放音开始，因为ISD1420最长录音时间为20秒，所以，延时

23秒后，单片机P2.1脚由低电平变为高电平，放音结束，然后进入下一次放音状态，

直至三次放音结束，清除警情标志位7EH后，程序返回。

开始 置MT8888为 BURST模式 开始 回放开始 延时23秒 N 读X25045 防火电话 盗情 Y 读X25045 防盗电话 回放结束 回放 拨号 返回 拨号 返回

Y 返回 N 图4.18拨号子程序流程图 图4.19语音子程序流程图

4.6.4摘挂机模块程序设计

单片机P2.3口为高电平时，三极管处于截止状态，继电器没有动作系统挂机。 当单片机P2.3口为低电平时，三极管处于饱和状态，继电器动作，系统摘机。 4.6.5密码及显示模块程序设计

密码及显示子程序流程图如图4.20所示，用于控制报警器外部输入。工作流 程介绍见4.2.2节。

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