智能家居門禁系統(tǒng)的研制.doc

項目研究報告智能家居門禁系統(tǒng)的研制項 目 研 究 報 告項 目 批 準(zhǔn) 號 XZ0701 項 目 名 稱 智能家居門禁系統(tǒng)的研制 項 目 負(fù) 責(zé) 人 李 輝 所 在 單 位 石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院 目 錄一、研究的主要意義和目的 3二、研究的主要內(nèi)容、方法及過程 3第一節(jié) 研究主要內(nèi)容 3第二節(jié) 研究方法 3第三節(jié) 研究過程 3三、主要研究的成果介紹 4第一節(jié) 智能門禁系統(tǒng)概述 4第二節(jié) 語音提示模塊設(shè)計 4第三節(jié) 智能撥號報警 12第四節(jié) 自動照明模塊設(shè)計 21第五節(jié) 電子門鎖模塊設(shè)計 26第六節(jié) 設(shè)置無人狀態(tài)模塊設(shè)計 30第七節(jié) 單片機(jī)匯編程序設(shè)計 31四、學(xué)術(shù)價值的的自我評價 39五、成果的社會影響 39第一節(jié) 課題研究取得的主要業(yè)績 39第二節(jié) 課題研究的應(yīng)用前景和社會影響 39六、研究中尚存在的問題 41參考文獻(xiàn)41項目編號：XZ0701智能家居門禁系統(tǒng)的研制項 目 研 究 報 告項目組負(fù)責(zé)人：李 輝主要成員：張立亞摘要：為了給人們提供一個安全，舒適和諧的家居環(huán)境，本文采用單片機(jī)AT89C51、語音芯片ISD2560等，構(gòu)成一個具有語音留言、警告、笛聲報警、智能電子門鎖、人體紅外線感應(yīng)自動照明燈等功能的家居系統(tǒng)，用戶可根據(jù)家庭的實際需要方便地進(jìn)行擴(kuò)展，此系統(tǒng)的設(shè)計體現(xiàn)了人性化,個性化和趣味化三大特點，使用方便，快捷，穩(wěn)定，安全。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；語音芯片；門禁系統(tǒng)一、研究的主要意義和目的眾所周知，高科技帶給我們生活的不斷改善，更為我們提升需求層次，盡快達(dá)到馬斯洛人類需求理論的第四層次，體驗尊貴的價值提供了保障。如何把高科技盡快轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，是世界各國技術(shù)人才追求的目標(biāo)。隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，家居門禁的研制也已成規(guī)模。門禁系統(tǒng)又稱出入口控制系統(tǒng)，是一種高度智能化既可實時控制又可脫機(jī)使用的通道監(jiān)管、報警安全系統(tǒng)。它是安全防范系統(tǒng)中非常重要的組成部分。在家庭防盜和智能控制中起到非常重要的作用，受到現(xiàn)代家庭的親睞。如何使家居的門禁系統(tǒng)設(shè)計變的人性化、個性化、趣味化、實現(xiàn)智能性已經(jīng)成為家居門禁設(shè)計的一個值得研究拓展和有市場價值的方向，本文就是基于這樣的思想，以AT89C51單片機(jī)為核心結(jié)合一些傳感器、其它智能芯片，以模塊化、積木式的原則設(shè)計了一種家居門禁系統(tǒng)，其功能性，實用性，價值性都得到相當(dāng)完善的理論研究。二、研究的主要內(nèi)容、方法及過程第一節(jié) 研究主要內(nèi)容單片機(jī)是一個集成在一塊芯片上的完整計算機(jī)系統(tǒng)。它具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，而且價值不斷被擴(kuò)大，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域。我們結(jié)合目前所學(xué)知識和市場上應(yīng)用最普遍的AT89C51單片機(jī)，集合其他的接口芯片和輔助設(shè)備，組成了一個智能智能家居門禁系統(tǒng)。目前，我們已經(jīng)對該系統(tǒng)進(jìn)行了理論上的可行性分析和一些實驗驗證，得到了有關(guān)老師和專家的指導(dǎo)，并且于2008年四月份在科學(xué)技術(shù)與工程雜志社發(fā)表有關(guān)成果論文一篇。該門禁系統(tǒng)有五大功能模塊組成：語音提示設(shè)計模塊、計智能撥號報警設(shè)計模塊、自動照明設(shè)計模塊、電子門鎖設(shè)計模塊、設(shè)置無人狀態(tài)設(shè)計模塊。構(gòu)成了一個性能上良好，功能上齊全的家居門禁。第二節(jié) 研究方法我們采用理論、實驗相結(jié)合方法，對智能門禁系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行了認(rèn)真的研究。第三節(jié) 研究過程1、實驗準(zhǔn)備階段（2007年4月2007年4月）總結(jié)經(jīng)驗，調(diào)整方向。我們結(jié)合自己的基本情況以及老師的建議，通過對該項目的內(nèi)容和原理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，初步形成了項目研究方案和明確的努力方向。2、初步實驗階段（2007年5月2007年7月）重點學(xué)習(xí)，努力提高完成課題實驗的各項準(zhǔn)備后，我們對處于核心地位的單片機(jī)的有關(guān)知識進(jìn)行了系統(tǒng)學(xué)習(xí)，努力提高自己的綜合能力，為項目的開展和研究做充分的準(zhǔn)備。在此期間我們了解了單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、存儲器、并行和串行I/O口等，然后是指令和軟件編程，對于單片機(jī)的一些簡單控制和編程有了一定的掌握。對于實驗所用到的各中芯片資料進(jìn)行大量收集，提取我們所需要的技術(shù)性資料。3、全面研究階段（2007年8月2007年10月）理論實驗，全面推進(jìn)具備一定的研究基本條件，我們進(jìn)行了有關(guān)元器件的購買，進(jìn)入實驗和理論結(jié)合的階段。完成了單片機(jī)的焊接和測試，并利用其進(jìn)行語音控制的實驗等。4、項目總結(jié)階段（2007年10月2008年3月）提煉精華，成果展示根據(jù)項目研究方案和結(jié)題要求，本項目組認(rèn)真開展了結(jié)題工作，對實驗過程和主要內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)提煉，對該智能門禁系統(tǒng)進(jìn)行深度的理論分析，以便形成有價值的研究成果。我們把一些模塊的實驗驗證和理論分析的結(jié)果進(jìn)行了匯總，然后進(jìn)行了論文的撰寫。于2008年年初在科學(xué)技術(shù)與工程雜志社發(fā)表有關(guān)成果論文一篇。三、主要研究的成果介紹第一節(jié) 智能門禁系統(tǒng)概述智能家居門禁系統(tǒng)把自動照明、語音提示錄音、設(shè)置無人狀態(tài)、智能電子門鎖和智能語音撥號報警系統(tǒng)通過AT89C51單片機(jī)連接在一起，構(gòu)成一個智能化、智能的家庭實用型門禁系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖見圖1.1。圖1.1: 多功能門禁系統(tǒng) 智能門禁系統(tǒng)自動照明系統(tǒng)智能電子門鎖無人狀態(tài)功能語音撥號系統(tǒng)語音提示錄音以單片機(jī)AT89C51為核心，把語音芯片ISD2560接口所構(gòu)成的外設(shè)電路以及其他智能設(shè)備電路與單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)和程序存儲器(EPROM)統(tǒng)一編制址的方式把兩片器件掛入數(shù)據(jù)地址總線中，構(gòu)成了一個智能家居門禁系統(tǒng)。圖1.2給出的是智能門禁系統(tǒng)模塊原理。圖1.2: 智能門禁系統(tǒng)模塊原理電路結(jié)構(gòu)簡圖AT89C51語音模塊報警模塊 照明模塊輔助模塊第二節(jié) 語音提示模塊設(shè)計2.1簡述過去，數(shù)碼語音的開發(fā)設(shè)計不但結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、編程錄制麻煩、開發(fā)生產(chǎn)成本高，而且音質(zhì)欠佳，難以實用?，F(xiàn)在，一切都發(fā)生了徹底的改變：單芯片設(shè)計、任意語言音樂隨錄隨放、斷電語音不丟失、音質(zhì)接近磁帶效果、控制功能強(qiáng)大、價格低廉等等，這一切就是ISD數(shù)碼語音電路給我們帶來的變革。在多媒體技術(shù)廣泛應(yīng)用、市場競爭日益激烈的今天，幾乎所有的產(chǎn)品都更注重人機(jī)界面的友好性、易用性和安全性，人性化的語音提示是最自然、最廉價、最有效的手段，它可以為您設(shè)計的產(chǎn)品升級換代，讓您的新產(chǎn)品“開口說話”，使它更具說服力、競爭力。ISD系列語音電路是美國ISD（Information Storage Device）公司的專利新產(chǎn)品，它打破了傳統(tǒng)的先A/D再D/A的模式，而采用獨特的直接存儲模擬信號技術(shù)，從而大大提高了存儲密度，且使模擬信號得到永久保存。ISD系列電路以其音質(zhì)自然、使用方便、單片存儲、反復(fù)錄放、低功耗、抗斷電等眾多優(yōu)點立即在語音應(yīng)用領(lǐng)域確立了其不可爭辯的霸主地位，它在通訊設(shè)備、智能儀表、治安報警、語音報站、報數(shù)報價、語音講解、語音記錄、語音復(fù)讀、教學(xué)儀器、智能玩具、電子禮品等場合獲得了廣泛的應(yīng)用。2.2電路特點與性能ISD語音電路主要有1200、1400、2500、3300、4000五大系列產(chǎn)品，它們的主要存貯時間及性能如下表2.1所示：表2.1 ISD語音電路主要存貯時間及性能器件型號存儲時間采樣頻率最大段數(shù)控制方式電壓ISD121010秒6.480地址并行5VISD142020秒6.4160 地址并行5VISD2560/90/12060/90/120秒8.0/5.3/4.0600/600/600地址并行5VISD33060/120/24060/120/240秒8.0/8.0/4.0400/800/800SPI串行3VISD4002-2/3/42/3/4分鐘8.0/5.3/4.0600SPI串行3VISD4003-4/6/84/6/8分鐘8.0/5.3/4.01200SPI串行3VISD4004-8/12/168/12/16分鐘8.0/5.3/4.02400SPI串行3V表2.2 DIP各引線端功能(1)DIP封裝圖及各引線端功能引線端名稱功能17AO/MOA6/M6地址810A7A9地址11AUX IN輔助輸入12、13VSSD、VSSA數(shù)字和模擬地14、15SP+、SP-揚聲器輸出16、28VCCA、VCCD模擬、數(shù)字信號電源正極17、18MIC、MIC REF麥克風(fēng)輸入與輸入?yún)⒖级?9AGC自動增益控制20、21ANA IN、OUT模擬信號輸入和輸出22溢出23片選（低電平允許芯片工作）24PD芯片低功耗狀態(tài)控制25錄放音結(jié)束信號輸出26XCLK外部時鐘27P/錄/放控制選擇如圖2.1及表2.2所示。圖2.1 DIP封裝圖下圖2.2為ISD系列芯片的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖,由圖可知,在這種CMOS器件內(nèi)部,MIC前置放大器、自動增益控制電路、抗干擾濾波器、平滑濾波器、揚聲器、放大器和振蕩器、模擬量存儲器等全部集成在該單片內(nèi),只要外接MIC、揚聲器和幾個電阻、電容、開關(guān),再加上電源(電池),這就構(gòu)成了一個完整的語音錄/放系統(tǒng)。而與此有明顯不同的是,前述的T6668等系列語音芯片則需外接揚聲器、放大器、石英晶振、動態(tài)存儲器等電路。圖2.2 ISD2500系列結(jié)構(gòu)圖圖2.2中,管腳MIC(17腳)為麥克風(fēng)輸入端。MICREF(18腳)為麥克風(fēng)參考輸入端。ANAOUT(21腳)為模擬輸出端,ANAIN(20腳)為模擬輸入端。AGC(19腳)為自動增益控制輸入端,SP+、SP-(14、15腳)為揚聲器輸出端,可接816的揚聲器。PD(24腳)為低功耗輸入端。CE(23腳)為片選輸入端,低電平有效。P/R(27腳)為錄/放音選端,接高電平時芯片放音,低電平時芯片錄音。XCLK(26腳)為外部時鐘輸入端。EOM(25腳)為信息錄/放結(jié)束輸出端,放音結(jié)束時自動輸出一個負(fù)脈沖。OVF(22腳)為溢出輸出端,本管腳可被用來進(jìn)行器件的串聯(lián),以加長錄/放音的時限。AUXIN(11腳)為輔助輸入端。Vcca、Vccd(16、18腳)為電源輸入端。Vssa、Vssd(12、13腳)為地輸入端。A0至A9為地址輸入端。ISD錄/放技術(shù)與80年代的T6668等語音芯片最大差別在于ISD芯片內(nèi)不存在A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。其工作原理是采用直接模擬存儲技術(shù),把模擬量成功的存入半導(dǎo)體存儲器中。即在對輸入的音頻模擬量每作一次取樣時,電壓數(shù)據(jù)被暫存在芯片內(nèi)的取樣保持電路中并最后被存儲在片內(nèi)的EEPROM存儲單元中。該EEPROM存儲單元構(gòu)成模擬量存儲陣列(如圖1所示)。在將模擬量信息寫入模擬存儲單元EEPROM時,ISD線路采用閉環(huán)方式。取樣保持電路將保持的取樣電壓值提供給比較器的一個輸入端,而模擬量存儲單元則將其電壓輸入至比較器的另一端。在多次寫入中,電子被“泵入”存儲單元,并使存儲電平反饋到比較器,當(dāng)模擬存儲單元的輸出電壓等于取樣保持電平時,則停止寫入。(2)操作模式表2.3當(dāng)最高位地址(MSB)A8、A9都為高電平時，地址端 就作為操作模式選擇端 （高電平有效）如下表2.3所示。模式控制功能典型應(yīng)用A0/M0信息檢索快速檢索信息A1/M1刪除EOM標(biāo)志在全部語音錄放結(jié)束時，給出EOM標(biāo)志A2/M2未用當(dāng)工作模式 操作時，此端應(yīng)接低電平A3/M3循環(huán)放音從0地址開始連續(xù)重復(fù)放音A4/M4連續(xù)尋址可錄放連續(xù)的多段信息A5/M5CE電平觸發(fā)允許信號中止A6/M6按鈕控制簡化器件接口使用操作模式時需要注意兩點：1、所有操作模式下的操作都是從0地址開始，以后的操作根據(jù)模式的不同，而從相應(yīng)的地址開始工作。當(dāng)電路中錄音轉(zhuǎn)放音或進(jìn)入省電狀態(tài)時，地址計數(shù)器復(fù)位為0。2、操作模式位不加鎖定，可以在MSB（A8、A9）地址位為高電平時，CE電平變低的任何時間執(zhí)行操作模式操作。如果下一片選周期MSB（A8、A9）地址位中有一個(或兩個)變?yōu)榈碗娖剑瑒t執(zhí)行信息地址，即從該地址錄音或放音，原來設(shè)定的操作模式狀態(tài)丟失。3)分段錄放音 2500系列最多可分為600段，只要在分段錄/放音操作前(不少于300納秒)，給地址A0A9賦值，錄音及放音功能均從設(shè)定的起始地址開始，錄音結(jié)束由停止鍵操作決定，芯片內(nèi)部自動在該段的結(jié)束位置插入結(jié)束標(biāo)志（EOM）；而放音時芯片遇到EOM標(biāo)志即自動停止放音。2500系列地址空間是這樣分配的：地址0599作為分段用(見下表2.4)，地址600767未使用，地址7681023為工作模式選擇。表2.4 2500系列地址空間分配十進(jìn)制二進(jìn)制信息時間(秒)A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0256025752590000000000000005000001100105.06.257.50100000110010010.012.515.0250001111101025.031.2537.5300010010110030.037.545.0400011001000040.050.060.0500011111010050.062.575.0599100101011159.974.8789.852.3電路的應(yīng)用開發(fā)ISD系列單片語音錄放電路中，目前使用最廣泛的是ISD1420、ISD2560/90/120、ISD4002/4003/4004三大類芯片，大多數(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)或OEM都是由它們構(gòu)成的，這里對ISD2500常用電路的應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行說明。ISD2500系列芯片按錄放時間60秒、75秒、90秒和120秒分成ISD2560、2575、2590和25120四個品種。ISD2500系列和1400系列語音電路一樣，具有抗斷電、音質(zhì)好，使用方便，無需專用的語音開發(fā)系統(tǒng)等相同優(yōu)點。它的最大特點在于片內(nèi)E2PROM容量為480K(1400系列為128K)，所以錄放時間長；有10個地址輸入端(1400系列僅為8個)，尋址能力可達(dá)1024位；最多能分600段；設(shè)有OVF（溢出）端，便于多個器件級聯(lián)。1、典型應(yīng)用電路:圖2.3 典型應(yīng)用電路圖2.4 按鍵模式應(yīng)用電路3、和微處理器配合使用電路圖2.5 和微處理器配合使用電路ISD2560/90/120P地址功能表如下表2.5所示。地址狀態(tài)功能狀態(tài)DIP開關(guān)123456789101112（ON=0，OFF=1）地址位A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9P/RCE（1為高電平，0為低電平，*為高或低電平）0000000000一段式最長60秒錄放音，從首地址開始。1000000000以十位二進(jìn)制表示地址，每個地址代表100毫秒。地址模式0000000010一段從A6地址開始的12秒錄放音。*0只要A8、A9有一位是0，就處于地址模式。*0*0001000011循環(huán)放音操作，按住CE鍵不放循環(huán)放音第一段。操作模式0000100011按順序連續(xù)分段錄放音，錄音時壓住CE鍵不放，放音時每觸發(fā)一次CE鍵即放音一段，按PD鍵復(fù)位。每段語音長度不限。按鈕模式0000001011表2.5 ISD2560/90/120P地址功能表以上給出的只是ISD的基本電路,因ISD的功能較強(qiáng),如果需要應(yīng)用ISD的更多功能,可在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。例如,在對單獨ISD芯片使用時,還可選擇ISD所特有的工作模式來實現(xiàn)信息提示、循環(huán)或連續(xù)放音控制、按鍵模式等多項功能?？傊?ISD系列芯片是功能強(qiáng),很有實用價值的語音芯片。由該芯片組成的語音電路系統(tǒng)保真、可靠、簡易。適合在智能測控系統(tǒng)中應(yīng)用推廣。2.4本系統(tǒng)中的應(yīng)用在對ISD的開發(fā)應(yīng)用中,可分兩類電路。一類是只單獨應(yīng)用ISD芯片進(jìn)行語音錄/放。另一類是ISD與微機(jī)相接合電路,用微機(jī)控制ISD進(jìn)行錄/放。 我們現(xiàn)提出三種單獨應(yīng)用ISD的基本電路。當(dāng)然,根據(jù)需要也可以在該三種電路的基礎(chǔ)上設(shè)計出更完美的電路。(1)單放電路 該電路僅有放音功能。電路很簡單,只要將圖2.2中的A0至A9及PD、CE等相連一起接地,再在SP+、SP-接揚聲器,即可進(jìn)行放音,當(dāng)電源接通時,即放音。當(dāng)電源關(guān)斷時,即停止放音,使用者可根據(jù)需要,預(yù)先將該芯片放入圖2.6所示的電路中進(jìn)行錄音儲存,然后取出,再進(jìn)行單放。圖2.6 最簡單的錄/放電路(2)錄/放電路 圖2.6為最基本的錄/放電路,在這種電路中,只是執(zhí)行錄音和放音功能,沒有地址的分段應(yīng)用。芯片工作時,CE信號開始為高電平,在錄音時,將P/R-腳通過開關(guān)S時接高電平,將CE開關(guān)瞬時接地再放開,則已錄制的內(nèi)容將回放。(3)分段錄/放電路 可將ISD劃分為幾段,錄進(jìn)不同的內(nèi)容,然后根據(jù)需要播放某段內(nèi)容。圖2.7 分段錄/放電路圖2.7即為分段錄/放電路,該電路的功能是用一片錄/放時間為20S的ISD1020A芯片存儲4段(每段5S長)的語音信息。每一段用一個按鈕控制。用該芯片的8位地址線確定每段錄/放的起始位置。該芯片共有160個有效地址(即:A0A7的有效分段范圍為0000000010011111)。由于該芯片錄放時間為20S,每個地址語音分辨率為0.125S。這就是說,每8個地址計數(shù)等于1S的錄/放時間。由于8個計數(shù)等于1S,8又是二進(jìn)制的偶次倍率,小于8的數(shù)可忽略不計,這樣就可把A0、A1和A2都接地,用剩余的A3A7來編程。用按鈕和二極管,我們可以在第1S和第19S之間選擇任一間隔啟動語音錄/放。在圖3電路中,4個啟動信息的位置是第0S(存儲列陣的起點)、5S、10S和15S,每個信息長度為5S。表2給出了上述時間間隔的二進(jìn)制起始地址。例如當(dāng)按下第二段的按鈕時,該段語音信息的起始地址為00101000。顯然,可以用改變二極管的連線來選擇不同的地址。二、ISD與微機(jī)接口電路 當(dāng)今,以語音芯片為核心的語音系統(tǒng)正為計算機(jī)所采用,逐漸形成計算機(jī)的一個功能接口系統(tǒng),如同計算機(jī)的常用外圍設(shè)備如鍵盤、打印機(jī)等一樣,正成為計算機(jī)的一個重要外圍設(shè)備,實現(xiàn)真正的“人機(jī)”語音對話。特別是以微電腦為核心的智能測控儀表,如配接上ISD等語音系統(tǒng),可實現(xiàn)測控參數(shù)的“視聽”效果一體化,即儀器可視、聽并用,效果十分美妙。下面我們提出ISD1020A與單片微機(jī)8031的連接電路。單片微機(jī)與ISD芯片的電路連接十分簡單而且調(diào)試方便。其優(yōu)點是:(1)可很方便的用單片機(jī)的I/O口線對ISD地址線編程分段,省略了如圖3所示的機(jī)械開關(guān)S1S4和眾多的分段二極管。(2)可很方便地用軟件實現(xiàn)一次、多次、循環(huán)和定時放音,代替了人工對ISD工作模式的選擇。(3)ISD的分段編碼電平及控制信號與微機(jī)總線的TTL電平完全兼容,而且兩者均使用同一電源。將ISD1020A的A0A2接地,A3A7和CE端分別與8031的I/O接口P1.0-P1.5相接。于是,ISD1020A被分為20個語音段,每段時間長度為1S。由單片機(jī)控制ISD的錄/放,可用同一個錄放子程序?qū)崿F(xiàn),將錄/放開關(guān)S撥至相應(yīng)位置,然后運行錄/放子程序,就可將分段或全程段隨意錄/放。我們正是采用ISD2560芯片，通過程序?qū)SD2560分成5段每段8秒,分別錄入三段代表不同狀態(tài)的話。正常工作時，單片機(jī)根據(jù)各個傳感器和內(nèi)部定時的狀態(tài)，操作ISD2560調(diào)出不同的聲音段播放。其它語音地址留給來訪者按鍵錄音，單片機(jī)采用自動加一方式，最多可有2段留言。當(dāng)沒有按下“無人”時，單片機(jī)根據(jù)紅外傳感器判斷是否有人。自動調(diào)用不同的語音、提示、警告或致歡迎辭。原理圖見圖2.8。圖2.8 錄/放原理圖第三節(jié) 智能撥號報警3.1簡述隨著人們生活水平的提高和安防意識的增強(qiáng)，急需開發(fā)面向大眾、價格低廉、運行可靠的自動報警系統(tǒng)。鑒于住宅電話和移動通信設(shè)備的普及，以及電話語音報警的快捷、有效及價格低廉等優(yōu)點，公共通信網(wǎng)成了報警系統(tǒng)的最佳傳輸媒介。本文介紹的報警系統(tǒng)就是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種智能語音撥號報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可廣泛用于各種對安防要求較高的場合，如智能樓宇、商場、銀行和工廠等。電話自動報警的主要功能為：用戶根據(jù)需要把自己的手機(jī)號碼、辦公室電話或報警監(jiān)控中心的電話預(yù)存入報警主機(jī)。報警主機(jī)不斷地對所監(jiān)控的設(shè)備(門禁、煙霧探測器、窗磁、攝像頭等)狀況進(jìn)行巡檢，當(dāng)有不安全情況(如火災(zāi)、非法入室、視頻丟失等)發(fā)生時，報警主機(jī)撥通預(yù)先存入的電話號碼，播放相應(yīng)的警情語音。若電話占線或者無人接聽，可撥下一個預(yù)存的電話號碼，如果所有預(yù)存的電話都占線或者無人接聽，則會自動把所有的預(yù)存電話重?fù)芤槐?，保證了報警的有效性和可靠性。3.2 系統(tǒng)組成和工作原理系統(tǒng)組成框圖如圖3.l所示。采用AT89C51單片機(jī)作為控制核心，外接E2PROM用于存儲電話號碼、設(shè)置參數(shù)(定時布/撤防、聯(lián)動、視頻等)以及警情信息等。當(dāng)AT89C51單片機(jī)實時巡檢到新的警情信號(防區(qū)故障、視頻丟失、主電斷電或上位機(jī)死機(jī))時，報警主機(jī)就會自動進(jìn)行警情處理(聲光報警、啟動相應(yīng)聯(lián)動、記錄警情以及撥號報警等)。撥號報警的工作原理如下：系統(tǒng)自動地控制摘掛機(jī)電路模擬摘機(jī)，同時AT89C51單片機(jī)通過可編程并行接口8255將MT8880置為呼叫模式，檢測是否有撥號音。若有撥號音，則將MT8880設(shè)為突發(fā)方式，并按用戶預(yù)設(shè)的電話號碼自動撥號。撥完電話號碼以后立即檢測對方是否摘機(jī)，一旦檢測到對方摘機(jī)，就啟動語音提示電路發(fā)送與警情相一致的語音信息，完成自動撥號報警。圖3.1 系統(tǒng)原理框圖AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。(1)主要特性：與MCS-51 兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定1288位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 (2)管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表3.1所示：P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。表3.1 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。(3)振蕩器特性: XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。(4)芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。串口通訊：單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和特殊寄存器，這是你編寫軟件的關(guān)鍵。至于串口通信需要用到那些特殊功能寄存器呢，它們是SCON，TCON，TMOD，SCON等，各代表什么含義呢？SBUF 數(shù)據(jù)緩沖寄存器這是一個可以直接尋址的串行口專用寄存器。有朋友這樣問起過“為何在串行口收發(fā)中，都只是使用到同一個寄存器SBUF？而不是收發(fā)各用一個寄存器?！睂嶋H上SBUF 包含了兩個獨立的寄存器，一個是發(fā)送寄存，另一個是接收寄存器，但它們都共同使用同一個尋址地址99H。CPU 在讀SBUF 時會指到接收寄存器，在寫時會指到發(fā)送寄存器，而且接收寄存器是雙緩沖寄存器，這樣可以避免接收中斷沒有及時的被響應(yīng)，數(shù)據(jù)沒有被取走，下一幀數(shù)據(jù)已到來，而造成的數(shù)據(jù)重疊問題。發(fā)送器則不需要用到雙緩沖，一般情況下我們在寫發(fā)送程序時也不必用到發(fā)送中斷去外理發(fā)送數(shù)據(jù)。操作SBUF寄存器的方法則很簡單，只要把這個99H 地址用關(guān)鍵字sfr定義為一個變量就可以對其進(jìn)行讀寫操作了，如sfr SBUF = 0x99;當(dāng)然你也可以用其它的名稱。通常在標(biāo)準(zhǔn)的reg51.h 或at89x51.h 等頭文件中已對其做了定義，只要用#include 引用就可以了。SCON 串行口控制寄存器通常在芯片或設(shè)備中為了監(jiān)視或控制接口狀態(tài)，都會引用到接口控制寄存器。SCON 就是51 芯片的串行口控制寄存器。它的尋址地址是98H，是一個可以位尋址的寄存器，作用就是監(jiān)視和控制51 芯片串行口的工作狀態(tài)。51 芯片的串口可以工作在幾個不同的工作模式下，其工作模式的設(shè)置就是使用SCON 寄存器。它的各個位的具體定義如下： SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RISM0、SM1 為串行口工作模式設(shè)置位，這樣兩位可以對應(yīng)進(jìn)行四種模式的設(shè)置。串行口工作模式設(shè)置。 SM0 SM1 模式功能 波特率 0 0 0 同步移位寄存器 fosc/12 0 1 1 8位UART 可變 1 0 2 9位UART fosc/32 或fosc/64 1 1 3 9位UART 可變在這里只說明最常用的模式1，其它的模式也就一一略過，有興趣的朋友可以找相關(guān)的硬件資料查看。表中的fosc 代表振蕩器的頻率，也就是晶振的頻率。UART 為(Universal Asynchronous Receiver）的英文縮寫。SM2 在模式2、模式3 中為多處理機(jī)通信使能位。在模式0 中要求該位為0。REM 為允許接收位，REM 置1 時串口允許接收，置0 時禁止接收。REM 是由軟件置位或清零。如果在一個電路中接收和發(fā)送引腳P3.0,P3.1 都和上位機(jī)相連，在軟件上有串口中斷處理程序，當(dāng)要求在處理某個子程序時不允許串口被上位機(jī)來的控制字符產(chǎn)生中斷，那么可以在這個子程序的開始處加入REM=0 來禁止接收，在子程序結(jié)束處加入REM=1 再次打開串口接收。大家也可以用上面的實際源碼加入REM=0 來進(jìn)行實驗。TB8 發(fā)送數(shù)據(jù)位8，在模式2 和3 是要發(fā)送的第9 位。該位可以用軟件根據(jù)需要置位或清除，通常這位在通信協(xié)議中做奇偶位，在多處理機(jī)通信中這一位則用于表示是地址幀還是數(shù)據(jù)幀。RB8 接收數(shù)據(jù)位8，在模式2 和3 是已接收數(shù)據(jù)的第9 位。該位可能是奇偶位，地址/數(shù)據(jù)標(biāo)識位。在模式0 中，RB8 為保留位沒有被使用。在模式1 中，當(dāng)SM2=0，RB8 是已接收數(shù)據(jù)的停止位。TI 發(fā)送中斷標(biāo)識位。在模式0，發(fā)送完第8 位數(shù)據(jù)時，由硬件置位。其它模式中則是在發(fā)送停止位之初，由硬件置位。TI 置位后，申請中斷，CPU 響應(yīng)中斷后，發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。在任何模式下，TI 都必須由軟件來清除，也就是說在數(shù)據(jù)寫入到SBUF 后，硬件發(fā)送數(shù)據(jù)，中斷響應(yīng)（如中斷打開），這時TI=1，表明發(fā)送已完成，TI 不會由硬件清除，所以這時必須用軟件對其清零。RI 接收中斷標(biāo)識位。在模式0，接收第8 位結(jié)束時，由硬件置位。其它模式中則是在接收停止位的半中間，由硬件置位。RI=1，申請中斷，要求CPU 取走數(shù)據(jù)。但在模式1 中，SM2=1時，當(dāng)未收到有效的停止位，則不會對RI 置位。同樣RI 也必須要靠軟件清除。常用的串口模式1 是傳輸10 個位的，1 位起始位為0,8 位數(shù)據(jù)位，低位在先，1 位停止位為1。它的波特率是可變的，其速率是取決于定時器1 或定時器2 的定時值（溢出速率）。AT89C51 和AT89C2051 等51 系列芯片只有兩個定時器，定時器0 和定時器1，而定時器2是89C52 系列芯片才有的。波特率在使用串口做通訊時，一個很重要的參數(shù)就是波特率，只有上下位機(jī)的波特率一樣時才可以進(jìn)行正常通訊。波特率是指串行端口每秒內(nèi)可以傳輸?shù)牟ㄌ匚粩?shù)。有一些初學(xué)的朋友認(rèn)為波特率是指每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)9600 會被誤認(rèn)為每秒種可以傳送9600個字節(jié)，而實際上它是指每秒可以傳送9600 個二進(jìn)位，而一個字節(jié)要8 個二進(jìn)位，如用串口模式1 來傳輸那么加上起始位和停止位，每個數(shù)據(jù)字節(jié)就要占用10 個二進(jìn)位，9600 波特率用模式1 傳輸時，每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)是960010960 字節(jié)。51 芯片的串口工作模式0的波特率是固定的，為fosc/12，以一個12M 的晶振來計算，那么它的波特率可以達(dá)到1M。模式2 的波特率是固定在fosc/64 或fosc/32，具體用那一種就取決于PCON 寄存器中的SMOD位，如SMOD 為0，波特率為focs/64,SMOD 為1，波特率為focs/32。模式1 和模式3 的波特率是可變的，取決于定時器1 或2（52 芯片）的溢出速率。那么我們怎么去計算這兩個模式的波特率設(shè)置時相關(guān)的寄存器的值呢？可以用以下的公式去計算。 波特率（2SMOD32）定時器1 溢出速率上式中如設(shè)置了PCON 寄存器中的SMOD 位為1 時就可以把波特率提升2 倍。通常會使用定時器1 工作在定時器工作模式2 下，這時定時值中的TL1 做為計數(shù)，TH1 做為自動重裝值 ，這個定時模式下，定時器溢出后，TH1 的值會自動裝載到TL1，再次開始計數(shù)，這樣可以不用軟件去干預(yù)，使得定時更準(zhǔn)確。在這個定時模式2 下定時器1 溢出速率的計算公式如下： 溢出速率（計數(shù)速率）/(256TH1)上式中的“計數(shù)速率”與所使用的晶體振蕩器頻率有關(guān)，在51 芯片中定時器啟動后會在每一個機(jī)器周期使定時寄存器TH 的值增加一，一個機(jī)器周期等于十二個振蕩周期，所以可以得知51 芯片的計數(shù)速率為晶體振蕩器頻率的1/12，一個12M 的晶振用在51 芯片上，那么51 的計數(shù)速率就為1M。通常用11.0592M 晶體是為了得到標(biāo)準(zhǔn)的無誤差的波特率，那么為何呢？計算一下就知道了。如我們要得到9600 的波特率，晶振為11.0592M 和12M，定時器1 為模式2，SMOD 設(shè)為1，分別看看那所要求的TH1 為何值。代入公式： 11.0592M 9600(232)(11.0592M/12)/(256-TH1) TH1250 12M 9600(232)(12M/12)/(256-TH1) TH1249.49 上面的計算可以看出使用12M 晶體的時候計算出來的TH1 不為整數(shù)，而TH1 的值只能取整數(shù)，這樣它就會有一定的誤差存在不能產(chǎn)生精確的9600 波特率。當(dāng)然一定的誤差是可以在使用中被接受的，就算使用11.0592M 的晶體振蕩器也會因晶體本身所存在的誤差使波特率產(chǎn)生誤差，但晶體本身的誤差對波特率的影響是十分之小的，可以忽略不計。3.3硬件設(shè)計(1)警情采集電路 信號采集電路由16路防區(qū)輸入信號采集電路和16路視頻丟失檢測采集電路組成。16路防區(qū)輸入信號采集電路如圖3.2所示。采集電路通過一片可編程并行接口芯片8255與AT89C51單片機(jī)的P0口接口，而16路防區(qū)輸入信號則通過光電隔離后與8255的PA口和PB口相接。PA口和PB口均設(shè)為輸入口，這16個輸入口分別對應(yīng)16路探測器的輸入。系統(tǒng)通過采集8255的PA、PB口的數(shù)據(jù)來判斷是否有警情產(chǎn)生。圖3.2 防區(qū)信號采集電路16路視頻丟失檢測采集電路如圖3.3所示。該電路首先通過一片16路模擬開關(guān)芯片CD4067進(jìn)行視頻通路選擇，隨后經(jīng)過視頻信號檢測電路，最后再與AT89C51單片機(jī)的P13口相接。系統(tǒng)首先將視頻通路號送給模擬開關(guān)CD4067然后將采集的數(shù)據(jù)送給Pl.3口，來判斷視頻是否丟失。圖3.3 視頻信號采集電路(2)DTMF發(fā)送接收電路MT8880與AT89C51及語音電路的接口MT8880是MITEL公司推出的專門用于處理DTNF信號的專用集成電路芯片，不僅具有接收和發(fā)送DTMF信號的自動撥號功能，還可以檢測電話干線上撥號音、回鈴音和忙音等信號音。適合與單片機(jī)接口，外圍電路簡單。MT8880內(nèi)部有五個寄存器，分別為接收數(shù)據(jù)寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器、收發(fā)控制寄存器CRA和CRB以及收發(fā)狀態(tài)寄存器。在本設(shè)計中，由于僅采用發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器、收發(fā)控制寄存器CRA和CRB發(fā)送DTMF信號實現(xiàn)自動撥號功能，因此在此僅介紹這三個寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)決定要發(fā)送的雙音頻信號的頻率，因此只能向發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)。兩個收發(fā)控制寄存器占用同一個地址，因此根據(jù)CRA中的寄存器選擇位的值決定是否對CRB進(jìn)行操作。其接口電路如圖3.4所示。圖3.4 MT8880與AT89C51及語音電路的接口電路ISDl420語音芯片采用直接模擬存儲技術(shù)，且錄放音質(zhì)極好，并有一定的混響效果；它的外圍元件簡單，僅需簡單的阻、容器件即可組成簡單的錄、放音電路；無需后備電源，信息存儲時間長，不需要專用的編程器及語音開發(fā)器；具有較強(qiáng)的選址能力，可把存儲器分成160段來管理，形成最小的錄放時間為125ms。語音分段方法：地址輸入端AOA7由低位向高位排列，每位地址代表125ms的尋址，160個地址覆蓋20s的語音范圍(1600.125s=20s)，錄音及放音功能均從設(shè)定的起始地址開始，錄音結(jié)束由停止操作決定芯片內(nèi)部在該段的結(jié)束位置自動插入結(jié)束標(biāo)志(EOM)；而放音時遇到EOM標(biāo)志即自動停止放音。在本設(shè)計中，因需要四段報警提示語音，因此在設(shè)計時均將每段語音設(shè)為5s，其起始地址分別為00000000B、00101000B、01010000B、01111000B，由這四段起始地址可以看出A7、A2、Al和AO均為0，因此將其接地。3.4軟件設(shè)計1)信號音的識別方法系統(tǒng)在巡檢到警情信號后就模擬摘機(jī)。為了識別模擬摘機(jī)后電話系統(tǒng)是否處于可撥號的狀態(tài)、電話撥完號碼后電話是否接通以及對方是否摘機(jī)接聽電話等幾種狀態(tài)，系統(tǒng)必須進(jìn)行信號音的識別。為了識別信號音，必須知道各種信號音的特性。各種信號音特性如下：撥號音：45025Hz連續(xù)蜂音；忙音：O35s斷035s通的45025Hz蜂音，音斷周期為O7s；回鈴音：4s斷l(xiāng)s通的45025Hz蜂音，音斷周期為5s。這些電話信號均是模擬信號，然而單片機(jī)是無法識別模擬信號的，故必須先將模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，然后再根據(jù)脈沖信號的脈沖個數(shù)進(jìn)行識別。這些電話音頻信號的脈沖個數(shù)可用下式計算： N=tm/T式中，N為每音段周期的脈沖個數(shù)；T為電話音頻信號的音頻周期，單位為s；tm為信號音斷周期的通時間，單位為s。在實際使用中，主要需要識別撥號音、忙音和回鈴音。分析這三種信號的特性可以看出，在一定的計數(shù)時間內(nèi)，其脈沖個數(shù)是不一樣的。在設(shè)計之初，考慮采用5s為一個計數(shù)單位來判斷這三種信號音，但通過實際的調(diào)試發(fā)現(xiàn)：當(dāng)對方摘機(jī)時，要