智能型住宅安防报警系统改1

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1 绪论

1.1 智能报警系统的研究目的和意义

随着社会经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高,人们对其住宅的要求也越来越高,表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所,而且对安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。相反地,经济的快速增长也带来了相当大的负面社会效应,城乡、区域收入差距进一步拉大,流动人口也开始迅速增加,盗窃、入室抢劫等刑事案件也呈现出了增长趋势,人们越来越渴望有一个安全生活的空间,但是犯罪分子的作案手段越来越高明,他们甚至采用一些高科技的作案手段,使得以往那种依靠安装防盗门窗、或靠人防的防范方式越来越不能满足人们日常防范的要求；与此同时,随着生活水平的提高,液化石油气、管道煤气进入了大多数家庭,各种家用电器也得到了广泛的使用,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和有害气体中毒的危险。这时,传统的家庭住宅显然己经远远不能满足人们的需求。人们迫切需要一种智能型的家庭安全防范报警系统,能可靠的进行日常安全防范工作,及时发现各种险情并通知户主,以便将险情消灭在萌芽状态,这样人们便可安心工作,同时也保证了居民的生命财产不受损失。于是有关家庭、办公室和仓库等处的安全防范和自动报警系统的开发研制日益被科研单位和生产厂家所重视,现在市场上也出现了各种名目繁多的报警装置,但多由于可靠性较差、功能单一或造价高而难于普及。而随着电子通讯技术的飞速发展,单片微机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比高等突出优点己在工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。因此利用单片机和一些简单的外围器件来开发一种适合于家庭、仓库、银行等重要场所的低价位、运行可靠的多功能智能型安全防范报警系统安全防范系统,对室内出现的各种紧急意外事件如发生入室盗窃、火灾、煤气泄漏等自动发出报警信息并通知户主进行及时处理已经势在必行。

另外,国家建设部规定：目前新型住宅应能实现六项智能化要求,其中包括实行安全防范系统自动化监控管理；住宅的火灾、有害气体泄漏实现自动报警；火灾报警系统应是以烟、温及可燃气体探测器为主体；防盗报警系统应安装红外或门磁等各种类型报警探测器；系统应能与计算机安全综合管理系统联网；计算机系统能对

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防盗报警系统进行集中管理和控制。本课题就是基于上述原因而提出的。 1.2 报警系统发展历史

人类的居住环境经历过儿次革命性的变化。原始人居住在窑洞里,后来渐渐学会了用自己的双手,以泥土、石块、树木为材料,建造用以遮风避雨的土屋；第一次革命,是以应用烧制砖、瓦为标志(埋藏至今的秦砖汉瓦就是中国建筑典型标志),且至今仍在延用；第二次革命,是以钢筋混凝土作为建筑的构成主体,化学工业和建材工业的迅猛发展,为之奠定了良好的发展基础。二十世纪后期,以电子计算机为代表的电子通讯技术得到飞速发展,现代科技的发展又为人类改造自己的居住环境提供了强有力的技术支持,于是人们对住宅提出了更高的要求,智能型住宅便成为这一时期的代表产物。1984年1月,世界上第一座智能建筑CITY PLACE在美国康乃狄格洲建造完成。之后十儿年,智能型建筑在欧洲、北美及亚太地区迅速发展。目前国外一些发达国家己逐渐形成一个集安防、消防、医疗救护为一体的安全保障行业。我国在“七五”计划初期,确立了国家重点科技攻关项目“智能化建筑”可行性研究。经过十儿年的努力,智能住宅己从理论研究阶段进入开发实用阶段,离老百姓的生活也越来越近。

进入21世纪,人类步入了信息时代,智能化住宅应是信息化社会的产物,住宅智能化的内容一般包括：住宅安全自动化(SA),通信自动化(CA),保健自动化(HA)和管理自动化(MA),因此也称为A4系统。安全技术防范行业是智能住宅安全自动化(SA)的一个分支行业,其真正形成行业规模是在第二次产业革命中,即1950-1971年,首先在美国、英国等国家形成,像ADEMCO(安定宝)；EHUBO(集宝)；VICON(维康)；AMERICA DYNAMIC等。60年代视频图像技术,70年代计算机数字技术,80年代生物识别技术以及90年代国际互联网技术的发展,使安防行业得到快速发展。

西门子楼宇科技公司最新推出了Guar to Easy新型安全防范系统。Guar to Easy将视频监控、音频对讲监听、防盗报警、火灾探测、危险气体探测和多种警告方式(声光,无线,拨号)结合起来,对社区住宅及分散型小型建筑进行全方位的安全防范。

在我国,家庭安全防范报警系统己成为智能小区中实现安全管理的基础,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。家庭智能报警便是其中的一项内容,报警器应具有多个探测器接口,

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可接收红外及微波探测器、感烟探测器、温度探测器、煤气泄漏探测器等传来的报警信号,然后通过通讯网络将报警信息传送到相关人的通讯设备上,以使灾情得到及时处理,保护人们的生命财产安全。报警设备主要是在两方面发展较快,一方面是探测器技术和探测器的发展,一方面是远程报警系统的发展。探测器的发展主要表现在出现了被动红外、超声波和微波三种不同的探测技术,各种不同类型的探测器也纷纷涌现。这方面最有前途的是复合式探测器,即在同一个封装盒里安装两种以上不同的探测器,两者组合后误报率将会大大降低。复合式探测器一般有超声波/被动红外复合式探测器、微波/被动红外复合式探测器。远程报警系统的发展主要表现在出现了有线式报警系统、无线式报警系统,报警联防网络等。目前我国有关报警系统方面的产品也愈来愈丰富。

按照报警系统的规模可分为小规模、中规模和大规模报警系统。

小规模报警系统：例如无线式系统,它具有安装方便、简单、一次性投资较小的特点。但是它存在覆盖面小、误报率高等问题,使用场合受到一定的限制。但由于此类产品具有体积小、成本低等优点,对于一些简单的场合和合个人家庭,具有很大的市场潜力,目前此类产品在市场上非常活跃。

中规模报警系统：例如闭路电视监控系统、智能监控系统,无论从功能上还是丛结构上都介于小规模报警系统和大规模报警系统之间。其报警功能、各技术指标和系统性能与真正的报警系统相比还较差。而且此类产品缺乏人机界面、图形功能和管理功能。目前市场上有不少此类产品,例如美国C&K公司的2300系列,美国ADEMCO公司的4l10系列报警系统。国内此类产品如康比特电子技术研究所生产的CPT-302传呼报警系统,中国金辰安全技术公司研制的TW-A防盗报警系统等。

大规模报警系统：例如微机监控系统,它利用微机软件灵活多变,人机界面友好,管理操作简单,图形丰富的特点而做成的监控软件,可监控数十个甚至上百个控制分机,性价比高,国外此方面的系统研究的较早,己经有了系列化的产品,如美国C&K公司的“MONITOR”监控软件。国内在此方面的系统较小,产品没有形成系列化和商品化,只有一些简单的微机监控软件系统。

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。以火灾报警为例,探测智能是通过探测器中的微处理器进行的,它不但对火灾信号直接进行检测、分析和信号处理,

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而且对环境的变化可及时做出响应,并利用软件中建立的算法进行综合比较,自动调整运行参数,做出恰当的智能判断；监控智能则是由探测器中计算机自身的软件(程序块)来完成的,监控程序周期地运行,使系统始终保持良好的使用和维护状态。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,目前欧美己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。

在我国,以北京、上海、深圳等较发达的城市为龙头,在近几年内也形成了一股智能化住宅热。目前,公安部、建设部均要求智能住宅小区必须具有安防系统。

大连市华乐一环海花园全部住宅均有国内一流的家居安防系统。家居安防系统包括四部分功能：幕帘式电子栅窗、智能门禁管理、紧急呼救和误报自解除功能。该系统采用独立的不间断电源供电。当住户家居安防系统断电时,自检系统会自动向保安中心报警。保安中心计算机还会始终记录每一户住宅的家居安防系统是否处于设防状态。室内装有震动报警头(可以检测破坏门时的震动)、红外微波双鉴式报警头(可以检测室内是否有人)及报警控制器。报警控制器以MCU为核心,可以检测两个报警头输入信号,可以设置新密码,可以接收遥控器输入信号,可以实现声、光报警或把报警信号通过电话线送到110。系统中还配备了8Ah的充电电池,以保证在断电或电源被破坏时系统正常工作。

但是,智能住宅的普及程度相对国外来讲,还有很大差距。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,但在灾害发生的情况下,会使逃生更加困难。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。

如今,人民生活已从温饱型向小康转变,大件耐用消费品己经进入寻常百姓家,因此人们会有更强的安全意识,逐渐接受在住宅内装设质优价廉、功能完善的安全防范系统。同时人类已经进入二十一世纪,智能住宅己开始引起人们的关注。作为智能住宅的一个组成部分,安全防范系统也必将向多功能、全方位、综合性、智能化方向发展。

可以预见,智能住宅将成为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,住宅是否智能化,安防系统是否完备、可靠将成为评价住宅的重要指标。

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1.3 智能报警系统的研究内容和方法

本课题所要设计的智能型住宅安防报警系统就是为了适应市场的需求,克服当前市场上大部分安防报警系统功能不够齐全、或造价过高而难以进行大面积推广,或者是可靠性不高,存在误报、漏报等缺点,开发出一种低价位的、可靠性较高的、功能齐全的主要面向家庭、办公室、银行等重要场所的智能型安全防范报警系统。所要实现的主要功能为：对家庭、办公室、银行等重要场所在无人留守的情况下即将发生的火灾、煤气泄露、非法入侵等进行监测,当出现异常情况(参数超限,即将发生灾情)时,系统会自动通过电话线拨打用户的手机或相关部门的电话(110或119),并根据不同的灾情做出相应的语音提示,简单说明灾情情况,通知相关人员进行及时处理；本系统还设置有紧急呼叫开关,适合于有老人或小孩等行动不便的人群的家庭,当家庭出现紧急情况时可通过手中的遥控器或按一下系统主机的紧急呼叫键直接拨打预先设定的电话号码进行紧急呼救,以避免意外发生。 本课题需要研究的内容主要有以下几个方面：

1.根据系统功能要求并且考虑产品的性价比,进行系统的整体方案设计。该方案采用模块化设计方法,以方便系统的调试和用户的使用。

2.系统硬件设计。包括芯片的选型、所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设计。主要内容有无线探测器的选择、无线发射接/收电路的设计、双音多频拨号电路的设计、语音电路的设计和电话接口电路的设计、键盘电路的设计。

3.系统软件设计。主要包括系统主程序、过程控制程序、外中断程序、电话拨号程序、语音程序、键盘扫描程序等。

根据本课题拟实现的功能和所要研究的内容,应采取以下研究步骤来实现：系统整体功能分析与可行性研究、划分功能模块、各功能模块的电路原理设计、元器件(芯片)选择与特性测试、各功能模块的软件调试、各功能模块的整体调试、系统整体电路调试、系统整体软件调试、最后进行联机调试。抗干扰设计应贯穿于整个设计过程之中。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竞争地位。

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2 智能报警系统总体设计方案

2.1 智能报警系统的总体构成

智能住宅安防报警系统开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况,根据我国住宅建设的实际情况,为满足新时期居民的居住要求,并充分考虑其经济性和可靠性,能真正实现智能化报警的要求来确定的。根据系统拟达到的总体功能,将其划分为以下功能模块：各前端探测器和传感器、自动报警主机、语音电路、电话接口电路、各输入输出设备等。系统组成框图如图2.1所示。

图2.1 智能住宅安防报警系统组成框图

单元模块的功能如下：

各前端探测器/传感器完成对住宅里不同探测区域内的各种灾情发生前的各种参数(如门的开关状态、人体热释电红外信号、火灾烟雾浓度、可燃性气体浓度、有害气体浓度等)的可靠监测工作,所谓无线式智能报警系统,就是采用高可靠性的,性价比较高的无线式智能传感器,它将数据采集、A\\D转换、比较判断等功能集成在一体,输出报警开关量,即只有实际参数达到用户设定的报警值时,才输出报警开关信号和探测器编号,然后通过无线传输的方式送给自动报警器主机。自动报警主机的核心器件是单片机,它是整个系统的“心脏”,由它来接收报警信号并控制、协

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调各功能模块的正常工作,考虑到系统的功能和经济性等因素,采用的是当今流行的性价比较高的AT89C51单片机。

输入输出设备包括键盘、报警蜂鸣器、按钮或开关、各类指示灯等。键盘用于用户密码的输入、修改、预存电话号码的输入等；报警蜂鸣器和各类指示灯用于声音报警和系统不同工作状态的指示；按钮或开关用于系统电路调试工作或一些用到手工触发的场合。

考虑到系统使用时的安全性和保密性,特设计了密码控制电路,只有主人才可以通过密码验证来控制系统的运行和停止。

看门狗电路完成对系统电源电压的监测工作,EEPROM中存储系统的一些原始参数、重要数据(预存电话号码、系统密码等)。

拨号电路主要采用MITEL公司的编/译码集成芯片MT8888来完成电话号码的发送、配合单片机完成电话线上各种信号音的监测等工作。

语音电路采用美国ISD公司的高保真录放一体化语音芯ISD1420来完成报警时进行语音提示的预存工作,根据警情的不同进行相应的提示语音录存。 2.2 智能报警系统的基本工作过程

各探测器安装在用户家里需要防范的部位,例如门窗、厨房、卧室等,报警主机放在家里比较隐蔽的区域,当系统设定为布防状态时,一旦有人入侵、或将要发生火灾等紧急情况时,与之相应的报警探测器(各种防盗、防火探测器等)立即向用户端自动报警主机发出报警信号,接到警情事件后,自动报警主机立即进行确认(多次巡检中断信号),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。用户端自动报警器的面板上的三色灯(LED)用来指示系统的工作状态,红色警灯指示系统处于布防状态、绿色等指示系统处于报警状态、白色灯来指示系统电源电池电量是否充足。与此同时,该自动报警器还预留有与上位机进行通讯的接口线。

3 用户端探测器设计

探测器电路部分包括防盗探测器电路、防火探测器电路、有害气体泄露三大部分,其中详细设计了无线门磁传感器、无线人体热释电红外传感器、无线火灾烟雾浓度传感器、无线式有害气体浓度传感器。由多种类型传感器实现多元信号综合检

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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灾情的实时监测任务,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

现在有关家庭防盗的传感器非常多,有无线人体热释电传感器、无线门磁传感器、振动位移传感器、红外线反射开关无线探头、门把手人体接近感应传感器、雷达波人体检测无线探头等等。本系统考虑到不仅要满足可靠探测的需要,而且还需经济实用和安装操作简便,所以选用了无线门磁传感器和无线人体热释电红外传感器来共同工作完成防盗监测。当盗贼企图从门窗进入室内时,为防止盗贼撬开门窗,特选择了无线门磁传感器,当门被打开时,门和门框必然有一定的相对位移,这时高灵敏的无线门磁传感器便可以监测到这个相对位移,并将报警信息送给自动报警主机进行自动报警,拨打用户手机并进行譬如“有人撬门,门将被打开”的语音提示,这样做会将入室盗窃消灭在“萌芽”状态。而无线人体热释电传感器能检测到人体移动的红外信号。这样,即使盗贼己经设法逃过门窗上安装的无线门磁传感器,也逃不出人体热释电传感器的监测,保证了系统的可靠性,不会出现漏报现象。在使用时,将无线门磁传感器安装在居室的门窗上,将无线人体热释电传感器安装在人进入房间后必须经过方位的墙壁上。 3.1.1 无线门磁传感器

无线门磁传感器是一种在保安监控、安全防范系统中非常常用的器件,它工作可靠、体积小巧,通过无线方式工作,安装和使用非常方便、灵活。

无线门磁传感器用来监控门的开关状态,当门不管何种原因被打开后,无线门磁传感器立即发射特定的无线电波,远距离向主机报警。无线门磁的无线报警信号在开阔地能传输200米,在一般住宅中能传输20米,和周围的环境密切相关。无线门磁一般采用省电设计,当门关闭时它不发射无线电信号,此时耗电只有几个微安,当门被打开的瞬间,立即发射无线报警信号,然后自行停止，这时就算门一直打开也不会再发射了,这是为了防止发射机连续发射造成内部电池电量耗尽而影响报警,无线门磁还设计有电池低电压检测电路,当电池的电压低于工作电压时,下方的LED发光二极管就会点亮,这时需要立即更换电池,否则会影响报警的可靠性。

无线门磁传感器一般安装在门内侧的上方,它由两部分组成：较小的部件为永

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磁体,用来产生恒定的磁场,较大的是无线门磁主体,它内部有一个常开型的干簧管。当永磁体和干簧管靠得很近时(小于5毫米),无线门磁传感器处于工作守候状态,当永磁体离开干簧管一定距离后,常开型干簧管立即吸合,内嵌的无线发射模块启动工作,发射内容包含地址编码和自身识别码(也就是数据码)的315MHZ的高频无线电信号,接收板就是通过识别这个无线电信号的地址码来判断是否是同一个报警系统的,然后根据自身识别码(也就是数据码),确定是哪一个无线类探测器报警。关于无线发射模块和无线接收模块的原理说明,将在3.4节一并详细介绍。应该注意的是,无线门磁传感器的地址码必需和报警器主机的地址码完全一致。 无线门磁传感器的外形图如图3.1所示。其参数如下： 外形尺寸：71×36×l5.4毫米 工作电流：10毫安 发射功率：30毫瓦 工作电压：7-10V 电池性号：9V锂电池

如图3.1所示,无线门磁内部左侧上方有一个8排3列的地址码跳线设置区,中间的跳线柱直接和PT2262的地址码1-8脚相连接,L和地相连,H和正电源相连,如果将第一排中间的跳线柱用跳线帽和L连同,那么就是将PT2262的第一个地址码设置成0,同理如果和H用跳线帽连同,那么就是将PT2262的第一个地址码设置成1。

图3.1右图右侧下方是数据码设置区,共有4组,它只有两个状态：如果将中间的跳线柱用跳线帽和L连同,那么就是设置成O,同理如果和H用跳线帽连同,那么就是设置成1。

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图3.1无线门磁传感器的外形图和内部结构图

3.1.2 无线人体热释电红外传感器

在电子防盗、人体探测器领域中,被动式热释电红外探测器的应用非常广泛,因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户的欢迎。

被动式热释电红外探头的工作原理：

在自然界,任何高一于绝对温度的物体都将产生红外光谱,不同温度的物体,其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。人体都有恒定的体温,一般在37℃,所以会发出特定波长10um左右的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的。人体发射的10um左右的红外线通过菲泥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一些热释电元件(强介电质材料如钦酸钡、钦错酸铅(PZT)等)作成,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,最终电荷变化将以电压或电流形式输出,后续电路经检测处理后就能产生报警信号。 被动式热释电红外探头的特性：

1.这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10um左右的红外辐射非常敏感。

2.为了仅仅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泥尔滤光片,使环境的干扰受到明显的抑制作用。

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3.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,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。

4.一旦人侵入探测区域内,人体红外辐射通过部分镜面聚焦,并被热释电元件接收,但是两片热释电元件接收到的热量不同,热释电也不同,不能抵消,经信号处理而报警。 抗干扰性能：

1.防小动物干扰：探测器安装在推荐的使用高度,对探测范围内地面上地小动物,一般不产生报警。

2.抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合GB1O408的要求,一般手机电磁干扰不会引起误报。 正确的安装应满足下列条件：

3.红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。

4.红外线热释电传感器远离空调、冰箱、火炉等空气温度变化敏感的地方。 5.红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。 6.红外线热释电传感器不要直对窗口,否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报,有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。

图3.2红外线热释电传感器安装方向图

红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大,如图3.2所示。它对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动

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则最为敏感。在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。 性能指标：

1、发射频率：315MHZ

2、发射电流：35毫安 工作电压9V 3、发射功率：200毫瓦

4、无线报警距离：600米/900米(空旷地) 5、探测距离：6-8米(探测器正前方,室温25度) 6、探测角度：水平120°,垂直60°

无线人体热释电传感器的跳线设置和无线门磁传感器的设置类同,这里不再赘述。

图3.3无线人体热释电红外传感器内部结构

3.2 防火探测器电路设计

无线火灾探测器是一种在消防管理、安全防范系统中常用的报警器材,它工作可靠、体积小巧,安装使用非常方便、灵活。

由于传统的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,本报警系统

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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综合判断,利用神经网络智能算法,实现了多元同步智能探测,然后将报警信息经无线发射模块送回报警主机。本系统选用了一种工作可靠的复合型智能火灾探测器。它由温度探测、光电感烟探测和可燃气体浓度探测构成。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。

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,比较实验结果如表3.1中所示。其中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,在设计中增加了可燃气体浓度探测部分,可以探知早期火灾烟雾中的可燃气体浓度浓度,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。

表3.1探测器比较实验对照表

3.2.1 温度探测器的结构和工作原理

差温火灾探测器由两个温度传感器组成：一个温度传感器安装在金属板上(利用金属板来监测异常温度)；另一温度传感器安装在塑料壳体的内部,它监测正常室温。在无火情时,两温度传感器的温度相同,输出与温度成比例的电压基本相等,无报警信号输出；当有火情时,安装在金属板上的温度传感器受热而温度升高较快,而安装在塑料壳体内部的温度传感器上升较慢,则输出一个温度差的电压信号。这温度差的电压信号达到一定值时发出报警。

差温火灾探测器的结构示意图如3.4所示。

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图3.4差温探测器结构示意图

集成温度差传感器LM35用胶粘在金属板和塑料盒内,分别输出V1及V2。集成温度差传感器电路和处理电路如图3.5所示,由A1组成差动放大器,在无火情时,V1与V2几乎相等,放大器输出几乎为零。A2组成电压比较器,由W设置 比较电压,在无火情时比较器输出低电平,LED 不被点亮。若发生火情,V1>V2,经A1 放大后使输出电压大于 W设置的电压,比较器翻转,输出为高电平,同时LED被点亮。采用两个温度传感器是可以消除冬天或夏天的温度差影响,使工作更为可靠。

图3.5差温火灾传感器电路图

3.2.2 光电感烟探测器

光电感烟探测器中的发光器件,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,

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本电路所用的探测头采用的是OPTEK公司的OP231和OP801SL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。 3.2.2.1 散射光式光电感烟火灾探测器

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。对于由烟雾引起的光散射的测量,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。

0P231系列器件是一种密封封装的铝砷化稼(GaAlAs)红外发光二极管,它的特性是具有更强的温度适应范围(工作温度范围-65℃～+l25℃),TO-46型密封封装、变化的能量范围。

0P231系列前端封装有透镜,可以提供极窄的受光角度(仅为18度)。和OP800或OP598系列的光电三极管作为对管匹配使用时,狭窄的发射角度以及特殊的射线强度使得0P231系列能够轻松自如的应用于光干扰等的设计中。若发射二极管两端正向电压为VF,流过二极管的正向电流(直流)为IF,则电流随电压变化成线性关系,所以电路设计时,可适当增大发射管两端工作电压,以增加发射管的发射功率,但工作电流不能过大否则会导致发射管电路的功耗增大,测试结果如图3.6所示。

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图3.6正向电流与电压特性曲 图3.7光电三极管等效电路 OP801SL是使用密封封装的NPN型硅光电三极管,集电极最小电流0.5mA,它既有光敏二极管的感光性能又具有三极管的放大功能,特性：狭窄的接受角度、变化的灵敏度范围、更强的温度适应范围、TO-18封装。其中狭窄的接收角度提供了与发射管在轴线方向的耦合。

从图3.7的等效电路清楚地看到,基极和集电极的PN结完成了光电二极管承担的任务。也就是说,入射光在PN结附近被吸收,形成电子和空穴,电子向集电极方向移动,空穴向基极方向移动,形成了基极电流Ico,图3.7虚线部分示出了实际三极管的基极和集电极的PN结。这时Ico变成放大了β倍的集电极电流。 3.2.2.2 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3.8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,具体参数如下：

TH=0.693×RA×C=0.693×10×103×1×10-6=6.9ms TL=0.693×RB×C=0.693×20O×103×l×10-6=138.6ms

F=l.44/((RA+RB)×C)=l.44/((10+200)×l03×1×10-6)=6.86Hz

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

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变电阻用于调节输出为合适的电压信号以备采样用。

图3.8散光型光电感烟探测器电路图

3.2.2.3 光电感烟探测器输出特性

用木头、树叶、碎布、塑料、泡沫、报纸、毡子作为燃烧物,取同一温度(35.5度)点做参考阀值电压点,得到图3.9所示测量输出结果。结论：光电感烟探测器对阴燃火(木头、碎布)响应明显；对燃烧时产生烟量较少的物质(塑料、毡子)输出响应无明显变化；对明火(报纸)因温升较快,烟量较少,因此不适合探测明火。

图3.9光电感烟探测器测量输出数据

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3.3 防煤气中毒探测器

因为家用煤气的主要成分是CO，若CO浓度过高,一方面存在火灾隐患；另一方面,对人身安全也带来威胁(煤气中毒),所以,我们重点设计CO气体探测器,在这里我们采用MQ-7一氧化碳气体传感器作为CO敏感元件,这种气敏传感器对CO响应的选择性好,并具有灵敏度高,稳定性好等特点。基本工作电路图如图3.10所示。负载电阻R串联在传感器中,其两端加工作电压,在加热丝两端加热电压。在洁净空气中,传感器的电阻较大,在负载R上输出电压较小；当气体浓度增加时,传感器的电阻变得较小,则R上的输出电压较大,1,3两点电压输出增大,经放大后与比较器的输入电压比较,当达到报警浓度时,比较器输出高电平。

图3.10 CO浓度探测器电路图

3.4 无线发射接收模块

前面介绍的无线类传感器的输出量均为开关量,为将这些报警开关信息传送到报警主机微处理器,各无线探测器中都包含无线发射模块,主机报警器内含有无线接收主模块,这样当各种灾情参数达到报警阀值时,输出的开关量信号经无线发射模块发送给主机接收模块实现报警。无线发射接收模块包括LFK-51无线发射模块和LFK-52无线接收模块,它们分别采用专用编译码芯片PT2260和PT2270作为电路的核心,电路简洁,抗干扰能力强。 3.4.1 编/译码器PT2260及PT2270

PT2260及PT2270是台湾普诚公司1996及1997年生产的一种编译码器(PT2260是编码器,TP2270是译码器)。PT2260编码器的主要特点：采用高性能CMOS工艺制造；功耗极低；备用模式耗电仅0.5μA(典型值)；很宽的工作电压范围(l.8V-10V)；工作温度范围宽(-30℃-70℃)；有8个三态地址码及4个数据码；振荡器仅外接1

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个电阻；外围元件极少,电路简单,尺寸可做得较小。与PT2260配套的译码器PT2270具有与PT2260相同的特点,仅工作电压范围稍有不同(2V-10V),备用摸式耗电仅0.lμA(典型值)。

3.4.1.1 TP2260编码器简介

TP2260编码器的结构框图见图3.11,A0-A7为地址码,D0-D3为数据码,其中A8/D3及A9/D2是可以做地址码或数据码。该编码器有PT2260-R4及PT226O-R2两种型号。前者有8个地址码(A0-A7)及4个数据码(D0-D3),而后者有10个地址码及2个数据码(D0及D1),OSC端为外接一个振荡电阻到VCC,DOUT为输出端,输出地址码及数据码(由不同的脉宽组成的脉冲串),一般经射频电路调制后由天线发送出去。

图3.11 PT2260的结构框图

AO-A7地址码是三态的,可置“0”置“1”或“悬空”相应输出的信号是两个不同宽度的脉冲。因为地址码是8位的,相应地可以编成38个不同的地址码。

PT2260编码器上电后处于备用模式,如果数据码没有置1,则一直保持备用模式。数据码仅有“0”及“1”,一旦数据码中有1个置“1”时,则DOUT脚就有编码信号输出。如果数据码一直置“1”时,则编码信号连续输出。发送出去的编码信号有地址码、数据码及同步码,这三部分组成一个码字。在备用模式时DOUT输出低电

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平。

3.4.1.2 PT2270译码器简介

PT2270是与PT2260配套的译码器,其结构框图如图3.12所示。AO-A5是地址码,可三态编码。

A6/D5-A11/D0是6位地址码或用作数据码,用作地址码时可三态编码；作为数据码时它是输出脚：若译码器的地址码与编码器的地址码完全相对应,编码器有数据位置“1”时,则相应的数据脚输出为1,DIN是脉冲信号串行输入脚；OSC1与OSC2这两端外接一个振荡电阻；VT是当接收到的信号中地址码完全符合时,此端输出高电平；VCC为正电源(2V-10V),VSS为地。PT2270的外接振荡电阻所产生的频率要与PT2260配合,采用的电阻值对应关系为PT2260用820KΩ,1MΩ,2MΩ,则PT2270对应的电阻分别为1MΩ,1.2MΩ,2.2MΩ。

图3.12 PT2270的结构框图

PT2270有锁存型(后缀为L)及瞬时型,主要表现在数据输出脚上的电平保持时间不同,瞬时型的输出经过一段时间后自动变低,而锁存型的要等到另一个数据接收到后才变。

PT2270上电后处于备用模式,当接收到信号时,其地址码经两次比较而完全相

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符时,VT脚才输出高电平,与此同时响应的数据脚也输出高电平。 3.4.2 LFK无线发射接收模块 3.4.2.1 LFK-51无线发射摸块

LFK-51无线发射模块采用PT2260作为编码器,图3.13为它的电路方框图。

图3.13 LFK-51的电路方框图

LFK-51的信号发射距离可达几百米,它由主振级、放大级、输出级、天线和调制电路组成。

主振级是发射电路的基础,发射模块的载波是由它产生,如果主振级频率不稳或停振,发射模块就不能工作。按频率划分,振荡器可分为高频振荡器和低频振荡器,主振级的振荡器属于高频振荡器。高频振荡器又分为LC自激振荡器与晶体稳频振荡器,前者成本低,后者振荡频率稳定度高。在无线遥控电路中频率稳定度要求不是很高,所以系统选择了LC振荡发射电路。主振级产生最初的载波信号,中间放大级把载波放大,去推动输出级。通常这两级都是高频功率放大器,把载波放大到具有一定的功率,再由天线发送到空间。

图3.14是发射模块振荡、发射部分的电路原理图,由VT1,L3,C2等元件组成高频振荡电路,C2,L3为谐振基本单元。C2为稳频电容器。VT1为振荡管兼高放管,振荡频率约为315MHz。

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图3.14 发射模块振荡、发射部分 图3.15 发射模块调频电路原理图

图3.15为发射模块调频电路图,图中编码芯片选用PT2260-R4,它有8个地址位(A0-A7)和4个数据位(D0-D4)。地址可采用“0”、“1”、“悬空”三进制编码,可产生38=6561个不重复的地址码,在本系统中,各个前端探测器和主机报警器采用同一地址编码,均事先设定为00H。数据编码允许有“0”、“1”两种状态,若将数据位编为“悬空”,则译码器件将自动译为“1”。PT2260-R4可产生24=16个数据码,数据码数可对应于房间的防火、防盗,防煤气中毒探测器的数量,在本系统中各前端探测器的数据编码依次为：防盗探测器,01H；防火探测器,02H；防煤气中毒探测器,03H。这样,在无线报警系统中,如果有报警,只要各个前端探测器和主机报警器采用同一地址编码,主机报警器通过认证发射模块的数据码,就可找到这块发射模块对应的探测器。从而就可以确认警报的性质,也就可以采取相应的措施。

图3.15中R2选用820KΩ电阻,则PT2260中的振荡器产生振荡频率为315MHz的正弦信号,即PT2260会输出315MHz的调制信号。SBI为连接到本系统各前端探测器上的开关。

发射模块的工作原理：在使用前首先由用户设置好地址位和数据位,即管脚1-8可以根据需要各自接0,1或悬空(在同一报警系统中,所有发射模块的地址位设置相同,在本系统中设置为00H),数据位10-13只有0或1两种状态,(在本系统中分别设置为01H-06H)。在系统使用前,首先闭合探测器上的手动开关SBI,当探测器探测到异常情况时输出高电平,启动无线发射模块LFK-51,PT2260将本身的地址码和数据码进行复合编码,然后经PT2260的15脚(DOUT端)输出,控制VT2的导通截止,对高频电路产生的高频振荡信号进行调制,己调高频信号经C3,L2放大,由天线发射出去。

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3.4.2.2 LFK-52无线接收模块

图3.16 接收电路方框图

接收模块采用与PT2260对应的PT2270作为译码器。图3.16为它的电路方框图,接收电路的作用是将接收天线上感应到的载波信号放大,并还原为控制信号。具体地说,接收电路要完成以下三项任务：(1)选择信号。由于空间除了有遥控发射模块发出的电磁波外,还有许多其他电磁波,接收电路就要具有选择信号的作用,把我们所需要的信号选进来。(2)放大信号。电磁波经空间传播,到达接收天线时就很弱了,接收电路必须把微弱的信号放大,输出的信号才能具有足够的幅度,推动译码电路工作。(3)解调信号。在接收电路中,必须将控制信号从载波上“卸”下来,还原为控制信号。

接收电路的原理图如图3.17所示。由Ll,C4,VT1等元件组成的接收、放大电路,对发射模块发射的高频信号进行接收及放大,由R5,C10送入VT2组成的放大电路,放大后的调制信号送入LM358放大器,它可将微弱的调制信号再放大、整形,向PT2270译码器送入规整的调制信号。

图3.17 接收电路的原理图

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图3.18是接收模块的译码电路部分,译码器选用PT2270-M4。PT2270的地址位AO-A7的设置与对应的发射模块中PT2260的地址位完全一致。当PT2270的14脚接收到LM358送来的调制信号后,译码器就将信号中的地址码和自身的地址码进行对比,若完全吻合,DO-D3就输出相应的数据码,VT输出高电平。

图3.18 译码电路原理图

在每一个无线探测器内嵌入一个LFK-51无线发射摸块,其核心元件是PT2260编码器,在系统工作前,应事先设定好PT2260的地址码和数据码,地址码和主机报警器的地址码相同,只要是同一系统,地址码都相同；数据码用来区分各个探测器,本系统中是按以下设定的：地址码都一设定为00H,数据编码依次为：防盗探测器,01H；防火探测器,02H；防煤气中毒探测器,03H。当有警情发生时,探测器输出的开关量信号使发射模块开始工作,将地址编码和数据编码一起发送给报警主机。报警主机中含有LFK-52无线接收模块,它的核心元件是PT2270译码器,它与PT226O配对,完成数据的编译码工作,当接收数据有效时,VT脚输出高电平,然后通过反相器与主机单片机的中断脚INT0相连,数据线DO-D3与单片机的P0口高四位PO.4-P0.7相连,这样当有警情发生时,引起主机中断,在中断程序里,完成对探测器编号(也即报警性质)的识别和一系列报警工作。 3.5 遥控模块

本系统的遥控模块主要完成以下功能：

1.报警状态的切换功能,即当用户在家时可以将报警器设为撤防状态,以免误

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操作；当用户离开家时将报警器设为设防状态,实现无人时的报警。

2.急呼叫功能,即当用户有紧急情况(生重病等)时,可直接按下紧急呼救键,直接报警。

系统采用PT2262/PT2272编码/解码芯片组实现对系统的遥控功能。遥控模块面板上设置有布防键、撤防键、紧急呼叫键。发射和接受电路仍采用3.4节图3.14到图3.18的电路,只是使用前的设置稍有不同,具体如下：地址码仍和系统地址码一致为00H；数据码为：布防为04H；撤防为05H；紧急呼救为06H。

工作过程：当按下遥控模块面板上的按键时,对应的开关闭合,启动发射芯片工作,将预先设定的数据码发送给接收板,解码正确时,单片机根据接收到的数据来判断是那个按键被按下,当接收到04H时,主机处于布防状态,单片机Pl.5输出高电平点亮布防灯,系统正常检测报警；当接收到05H时,系统处于撤防状态,系统复位,直到再接收到布防信号时才恢复工作。接收数据为06H时,直接调用拨号程序。当接收板接收到有效的信号时,将按照处理程序执行。处理程序流程图如图3.19所示。

图3.19 中断服务程序流程

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4 用户端自动报警器设计

本章详细介绍报警主机的硬件和软件设计。主要包括微处理器主机、双音多频(DTMF)收发电路、语音电路、看门狗电路、电话接口电路、键盘/显示电路。详细阐明芯片的选型比较,所选用芯片的内部组成、功能特点,设计出具体的硬件电路。 4.1 报警主机

报警器的主机采用AT89C51单片机来实现。单片机是将中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、定时/计数器及输入输出接口电路等计算机主要部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

现在世界上己经有很多大公司能够生产单片机,随着超大规模集成电路的迅猛发展,单片机的功能也日渐强大,运算速度日益提高,相继出现了32位和64位单片机,但根据实际系统的需要和产品的性价比,本系统选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89C51,构成系统的主机。 4.1.1 AT89C51特点

AT89C51是ATMEL公司采用CMOS工艺生产的低功耗、高性能8位单片机,与MCS-51单片机兼容,其功能特点为：

(1)4K字节闪烁存储器(FLASH),可进行1000次写、擦除操作。 (2)静态操作,外接0Hz-24MHz晶振。 (3)128字节内部数据存储器(RAM)。 (4)32位可编程输入/输出线。 (5)两个16位定时/计数器。 (6)六个中断源。 (7)一个可编程串口。

(8)支持低功耗模式和掉电模式。 4.1.2 主机硬件电路设计

根据系统设计的需要,本报警器的主机由一片AT89C51单片机和一片IO扩展芯片8255A组成,主机电路如图4.1所示。时钟电路由两个3OpF的电容和12MHz的晶振构成。复位电路由电阻、电容和按键开关构成,具有上电复位和手动复位的功能。单片机的INT0与无线接收板的接收信号有效端VT经非门相连。为防止环境干扰信

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号对触发中断的影响,当响应中断后,对中断信号多次巡检,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。

图4.1 自动报警器主机电路图

PO口复用为地址/数据总线,分别和地址锁存器74LS373的输入线、8255A的数据总线、MT8888的数据线、无线接收芯片PT2270的数据线连接。Pl.0,P1.1接X25045的串行数据输入和串行数据输出端,P1.2接X25045的串行时钟输入端CLK；P1.3接X25045的片选端CS；Pl.4连接拨号/语音转换电路的三极管基极,用于DTMF音频信号和语音信号的切换；Pl.5接系统布防指示灯,用于指示系统的工作状态；PI.6接ISD1420语音芯片的放音脚PLAYL,低电平有效；Pl.7用于模拟摘挂机控制,实现系统和用户话机的工作切换；P2.0与MT8888的RSO相连,控制MT8888内部寄存器的选择。P2.1-P2.4分别接ISD1420语音录放芯片的A3-A6地址线,用于选择不同的语音提示；P2.5连接系统的声光报警电路,当报警时,报警灯点亮,警铃响；P2.6连接8255A芯片的选通端CS,用于控制8255A的选通；P2.7与MT8888的CS相连,控制MT8888的选通。RXD，TXD预留为主控计算机串行通讯口；Tl口连接MT8888的IRQ/CP端,用于计数监测电话音方波信号的个数；INT0口经非门接无线接收板的VT引脚,用于接收报警信号,引发中断；WR,RD分别与MT8888以及8255A的WR和RD相连,控制MT8888和8255A的读写。

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4.2 串行EEPROM-X25045

为增强系统的可靠性和安全性,本系统采用X25045为记忆存储元件,系统参数、电话号码、用户信息、探测器信息、报警信息等所有信息都不会因为电源失去而变动。X25045是美国XICOR公司低功耗内含可编程的串行512×8位EEPROM的CM0S产品(备用电流10μA、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,减少了体积,提高了系统的可靠性。

4.2.1 X25045介绍 4.2.1.1 X25045引脚

X25045的引脚如图4.2所示。

图4.2 X25045引脚图

SO为串行数据输出引脚。在读周期内,数据在SO上由串行时钟SCK的下降沿同步移出。

SI为串行数据输入引脚。指令码、字节地址和写入EEPROM的数据在SI上输入,并由SCK的上升沿锁存到X25045。

SCK为串行时钟输入引脚。SCK控制串行数据(包括指令码、字节地址)的输入输出。

CS为芯片选择输入引脚。当CS为“1”时,SO输出引脚处于高阻状态即不选中X25045；CS为“0”选中X25045。应当注意,在对X25045的读写操作之前需要CS从“1”至“0”的跳变,在读写期间保持CS为“0”，读写结束置CS为“1”。另外,CS的下降沿可复位看门狗定时器,即RESET输出低电平。

WP为写保护输入引脚。当WP为“0”时,禁止写操作,但其它功能正常；当WP为“1”时,所有的功能(含写操作)都正常。

RESET为复位信号输出引脚(漏极开路的输出端)。当Vcc检测电路检测到Vcc

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降到最小工作电压以下时,RESET变为高电平,直到Vcc返回到正常值为止。因此,若把RESET接到单片机的复位端,则可把单片机系统复位,从而使系统免受低电压的影响。如果允许看门狗定时器工作,当CS保持“1”或“0”的时间长于看门狗超时周期时,RESET也变为高电平,同样能使系统复位,这为单片机提供了独立的保护系统。如,当单片机因受干扰信号而不能执行工作程序(含复位看门狗程序)时,CS将保持不变,RESET就会变高电平从而把单片机系统复位,待干扰消失后系统重新开始工作。 4.2.1.2 寄存器

X25045包含一个写使能锁存器,在对状态寄存器、EEPROM写操作之前必须用WREN指令设置写使能锁存器,否则不允许写操作。WRDI指令能复位写使能锁存器。另外,若WP变为“0”,,写使能锁存器也被复位。一旦写使能锁存器被复位,就禁止写操作。这些都是保护EEPROM内数据的措施。

X25045还包含一个8位状态寄存器。位0为只读位,称为WIP位,它表示芯片是否忙于写操作。若WIT为“1”,表示写操作正在进行。位1为只读位,称为WEL位,它表示写使能锁存器的状态。若该位为“1”,则说明写使能锁存器被置位,否则说明写使能锁存器被复位。位3、位2为可写位,称为块保护位BL1、BL0,表示EEPROM被保护的地址范围。当位3位2为00时,表示无块保护(可读可写)；当位3位2为01时,表示被保护的范围为180H-1FFH(可读不可写)；当位3位2为10时,表示被保护的范围为100H-1FFH；当位3位2为11时,表示被保护的范围为000H-1FFH。这是对EEPROM内的数据采取的另一个保护方法。位5、位4为可写位,称为看门狗定时器位WD1、WD0,用于设置看门狗的超时周期。当位5位4为11时,禁止看门狗工作；当位5位4分别为00、01、10时,看门狗超时周期分别为1.4s、600ms、200ms。 4.2.1.3 指令介绍

对X25045的操作是通过执行6条指令(表4.1)实现的。指令码通过SI引脚送入X25045的8位指令寄存器,指令码由SCK的上升沿锁存到指令寄存器,此时CS必须为“0”且WP为“1”。指令码、地址、数据都以最高位在前的方式传送,读写指令的位3包含了高地址位A8。

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表4.1 X25045的指令表

4.2.2 X25045与单片机的接口电路和软件编程 4.2.2.1 接口电路

本系统中X25045应至少依次存储2组话机号码、用户编号、探测器编号等数据信息。X25045与单片机的接口电路如图4.3所示。单片机的Pl.0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；Pl.1与X25045的串行输出引脚SO相连,用于读出数据；Pl.2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；Pl.3与X25045的CS端相连,用于片选。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,故可将它的复位端直接和单片机的同名引脚相连。X25045的RESET为漏极开路的输出端,应接上拉电阻R。

图4.3 X25045与单片机的接口电路

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4.2.2.2 软件编程

从X25045中读数据的操作为：把CS拉低以选择芯片；发送8位读(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000H,无限循环下去。

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。

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。注意事项：X25045内的EEPROM每4个字节地址为1页,每页的首地址为XXXXXXXOO,末地址为XXXXXXX11。所谓页写就是每次把1至4字节的数据写在同一页上。应当注意,虽然不一定从每页的首地址开始写第一个字节数据,但是必须根据每次所写字节数(不多于4个)来确定从页的哪个地址开始写,否则发生写错误。例如,每次每页写4个字节,应该从页的首地址开始写,但若从XXXXXXX01地址开始写第一个字节,则会把第4个字节写到该页的首地址,导致该页首地址内容改变。

本系统中设置看门狗超时周期1.4s,无块保护；将单片机中两组用户电话号码2×11位、以及用户编号01H,报警器编号01H等信息(24字节,存在单片机RAM区中30H-47H存储单元中)写入X25045中去,以便在需要的时候方便地调出。写X25045程序流程图如图4.4所示。

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图4.4 写X25045程序流程图

4.3 自动拨号电路设计

本系统设计的自动拨号电路可根据不同的灾情,通过电话网实现自动拨打用户事先设定的电话号码(手机、固话等),对所指定的机构或人员发出求救信号,使救援人员采取相应措施来制止事故,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：当主机接收到报警信号后,可自动拨打预存的1-6组电话或手机号码,每组11位数。

3.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,等待下一轮续拨。 4.3.1 DTMF信号编/解码芯片MT8888芯片介绍

为满足自动拨号的要求,系统选择了DTMF信号编/解码芯片MT8888芯片。

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MT8888芯片是加拿大MITEL公司生产的DTMF信号编码/解码芯片,具有DTMF信号收发功能和电话信号音检测功能。它采用CMOS制造工艺,功耗低(只有57.8mW),芯片集成度高,工作稳定可靠。另外,它可以方便地与MCS-51系列单片机接口,外围电路简单。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。

4.3.1.1 引脚介绍

图4.5 MT8888引脚排列图

MT8888引脚排列如图4.5所示,各引脚的功能如下： IN+：运放同相输入端； IN-：运放反相输入端； GS：运放输出端；

VREF：基准电压输出端,电压值为VDD/2； VSS：接地端；

OSC1：振荡器输入端,此引脚也可用外部时钟直接驱动；

OSC2：振荡器输出端,OSC1引脚和OSC2引脚之间连一个3.579545MHz的晶振完成芯片内部的时钟回路；当OSC1引脚用外部时钟驱动时,OSC2引脚可开路； TONE：DTMF信号输出端；

WR：写控制端,低电平有效,与TTL兼容； CS：片选端,低电平有效；

RSO：存储器选择输入端,与TTL兼容；

RD：读控制端,低电平有效,与竹L兼容；

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IRQ/CP：中断信号请求端,在中断模式下,当发送完一个有效的DTMF信号或接收到一个有效的DTMF信号时,此端输出低电平；在呼叫进程检测模式下,根据在运放输入端所加的信号,此端会输出一个相应的方波信号；输入信号必须限定在呼叫处理滤波器所允许的带宽范围内；

D0-D3：数据总线,在CS=1或RD=1时,处于高阻状态,与TTL电平兼容； Est：初始控制输出端,当检测到一个有效的双音信号时输出高电平(在信号方式时)当无信号时恢复为低电平；

St/GT控制输入/时间检测输出端(双向),在St端检测到高于门限电压VTSt时,MT8888将会锁存双音信号并更新输出；低于门限电压VTSt可以使MT8888接收新的双音信号,GT输出端使外部检测时间复位为一常量,此端的状态受Est端和St端上所加的电压所决定； VDD：+5V电源端。

4.3.1.2 MT8888的组成及工作原理

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。

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图4.6 差分输入方式输入电路

图4.7 单端输入方式

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,分别如图4.6和图4.7所示。 差分输入电压增益：AVdiff=R5/R1 差分输入阻抗：ZINdiff=2

R12+

ω2C21

单端输入电压增益：AV=-RF/RIN

元件典型值：C1=C2=10nF，R1≈R4=R5=100kΩ，R2=60kΩ，R3=37.5kΩ， R3=(R2×R5)/(R2+R5)

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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和高频组fHIGH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3.5795MHz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fLOW和fHIGH,fLOW和fHIGH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RC积分电路,控制电路如图4.8所示。当VC=VTst(控制逻辑的门限电平)时,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。

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。

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图4.8 控制电路原理图

4.3.1.3 芯片内部寄存器控制与工作模式

MT8888内部有两个4位的数据寄存器：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中还有两个4位的收、发控制寄存器CRA和CRB。写CRB前应先设置CRA中的一个特定位(b3位),因此,编程中应对其进行初始化；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。寄存器的选择与操作由RSO及WR和RD口线来控制,控制功能如表4.2所示。

表4.2 寄存器控制功能表

MT8888可提供6种工作模式,分别为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。

1.DTMF模式：发送与接收DTMF信号。发送时,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；接收时,DTMF信号经拨号音抑

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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4.3所示。

表4.3 DTMF编译码对应关系表

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/CP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±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：电路可产生单音或双音信号,可用于测试和监测。 5.中断模式：此模式下若选择DTMF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端下接至低电平。工作模式均可通过寄存器进行设置,控制寄存器的功能见表4.4和表4.5所示,状态寄存器SR各位所表示的功能如表4.6所示。

表4.4 控制寄存器A(CRA)的功能

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表4.5 控制寄存器B(CRB)的功能

表4.6 状态寄存器SR的功能

4.3.2 MT8888与AT89C51的接口电路和软件编程 4.3.2.1 DTMF拨号原理

现在的电话机多数是双音频电话,在本文中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

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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4.7所示。从中任意抽出2种进行组合,又称为8中取2的编码方法,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：1209MHz,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。用双音多频拨号方式传递音频信号,传播速度快,抗干扰能力强。

表4.7 DTMF拨号方式中16键组合表

4.3.2.2 拨号电路

MT8888提供了与Intel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。

在电话自动报警系统中,MT8888与微处理器AT89C51的接口电路参见图4.9,它的接收部分采用单端输入,由R201,R202和C1组成,其输入电压增益为R202/R201=1,通过改变R202可调节输入信号的增益。它的发送部分由C205,R206,C204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R203,C203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(T0)脚相连,用于监测计数电话回路中信号音的方波个数。C203为去耦电容。DTMFIN和DTMFOUT与电话接口电路相连。DO-D3与单片机的数据线P0.0-P0.3相连,完成数据的传输和控制命令的输入,状态的读出等。WR、RD引脚分别与单片机的同名引脚相连,以对该信芯片的读写进行控制。CS为片选线,与单片机的P2.7相连。RS0引脚完成对该芯片内部寄存器的选择,与P2.0相连。

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