基于单片机的智能报警系统设计.docx
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基于单片机的智能报警系统设计
1、绪论
1.1选题背景和意义
随着信息技术的迅速发展,各种监控设施的监控技术也在不断的提高。
电话联网报警技术是当今国际流行的报警技术,利用现在的电话线代替传统的专用双绞线作为传输介质,从而大大方便了安装,节约了生产成本,提高了使用可靠性。
利用电话线及时、自动传输报警信息,会给看管人员带来极大的方便。
起初的电路中包含有大量的三极管、电阻、电容等元件,结构较复杂,而且声光报警具有一定的局限性,常出现当犯罪人员已经逃离设施现场时看管人员还没有发现的情况。
因此,这种报警系统不仅结构复杂,而且还有一定的弊端,开发一种更高技术的报警系统是必须的,因此用单片机控制的智能自动报警系统就出现了。
这对仓库、监狱和实验室等的管理带来很大方便,更对保护人民的人身安全和财产安全产生了重大的作用。
1.2智能报警系统功能简介
本报警系统主要防止犯罪人员逃离监控设施的房间,当这个房间的门被打开时,就进行现场声光报警,同时进行远程语音报警,能有效的防止犯罪人员的逃跑,
1.3硬件和软件设计的特点
本设计主要包括硬件设计和软件设计两部分,硬件设计是基础,软件设计是在硬件设计的基础上进行的。
硬件部分主要用到几个芯片:
8051单片机、DTMF信号编/解码芯片MT8888和语音芯片APR9600,还有检测电路、摘挂机电路、自动拨号电路、语音播放电路等都是这个系统的核心电路,都将在第3章介绍。
2、智能报警系统概论
本设计主要包括硬件设计和软件设计两部分,硬件设计是基础,软件设计是在硬件设计的基础上进行的。
本报警器由单片机8051CPU、门电路及探测器、摘挂机电路、自动拨号电路,语音电路、自动复位电路,低功耗稳压电源组成。
系统框图见2-1:
图2-1系统框图
本设计由8051单片机作为主控制器,语音电路主要采用语音录放芯片APR9600,自动拨号电路采用DTMF信号编/解码芯片MT8888。
工作过程如下:
当被监控设施的门被打开时进行声光报警。
自动检测电路的发光二极管进行光报警和扬声器进行声报警,同时把信号传输给8051单片机,在单片机的控制下进行摘机,并驱动由双音多频信号编/解码芯片MT8888组成的自动拨号电路拨通预先设置好的电话号码,再把语音芯片APR9600已经录制好的语音通过电话线传输给看管人员的电话机,看管人员就可以听到持续15s的录音,语音芯片可以连续播放四次,从而完成远程报警。
3、单片机概述
3.1单片机的简介
单片微型计算机简称单片机。
它在一块芯片上集成了中央处理器(CPU),存储器(RAM,ROM),定时器/计时器和各种输入/输出(I/O)接口,(如并行I/O,串行I/O口和A/D转换器)等。
可见单片机就是一台计算机。
由于单片机原来就是为了实时控制应用而设计的,因此,又称为微控制器。
单片机的出现,并在各个技术领域中得到如此迅猛的发展,与单片机构成计算机应用系统所形成的下述特点有关:
(1)单片机构成的应用系统有较大的可靠性。
这些可靠性的获得除了依靠单片机芯片本身的高可靠性以及应用系统有较少的联接外,还可以方便地采用软件、硬件冗余技术。
(2)系统扩展、系统配置较典型、规范,容易构成各种规模的应用系统,应用系统有较高的软、硬件利用系统。
(3)由于构成的应用系统是一个计算机系统,相当多的测控功能由软件实现,故具有柔性特性,不需要改变硬件系统就能适当地改变系统功能。
(4)有优异的性价比。
单片机主要可用于以下几个方面:
①测控系统中的应用。
如炉子恒温控制、电镀生产线自动控制等。
②智能仪表中的应用。
如数字式RLC测量仪、智能转速表、计时器等。
③智能产品。
如数控车床、电脑空调机和通信设备等。
④在智能计算机外设中的应用。
如绘图控制器、磁带机、打印机的控制器。
MCS-51系列单片机有8051/8031/8751、8052/8032、8044/8744、80C51BH/87C51/80C31BH、83C252/87C252/80C252等品种。
它们的引脚及指令系统相互兼容,主要在内部结构和应用上有些区别。
其基本型有8051/8031/8751等。
它们的内核都一样,8031和8051只是第31脚有区别,8031因内部没有ROM,31脚需接地(GND),单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令;而8051因内部有程序存储器,31脚接高电平(VCC),单片机启动后直接在内部读取指令。
3.2单片机的特点
选择MCS-51系列单片机中的8051,从应用角度它有以下特点:
(1)集成度高
单片机8051内含有128kB的RAM,64kB的ROM,4个8位并行接口,1个全双工的串行口,2个16位的定时/计时器,片内的时钟振荡器,两种优先级的5个中断源的众多结构,64K的程序存储器地址空间和64K的数据存储器地址空间,并且由于集成度高,焊点少,可靠性也大大提高了。
(2)速度快,处理能力强
8051指令系统含有大量的算术运算,布尔运算和逻辑运算,转移指令,而且有丰富的位操作功能,它执行一条单字节的乘法指令仅需4us,这个速度足以满足系统的需求。
3.3单片机组成
单片机是在一块芯片上集成了CPU,RAM,ROM,定时器/计数器和多种功能的I/O口等一台计算机所需要的基本功能部件。
8051单片机包括下列几个部件:
一个8位CPU,
一个片内振荡器及时钟电路
256字节RAM数据存储器,4K字节ROM程序存储器,
两个16位定时器/计数器,
可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器的控制电路,
一个可编程全双工串行口,
32条可编程的I/O线(四个8位并行I/O端口),
具有五个中断源,两个优先级嵌套中断结构。
8051的内部结构图如3-1所示:
图3-18051内部结构图
(1)CPU
CPU是单片机的核心部件。
它由运算器和控制器部件组成。
(2)运算器
运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。
可以对半字节(4位)、单字节等数据进行操作。
操作结果的状态信息送至状态寄存器。
此运算器还包括由一个布尔处理器,用来位操作。
(3)程序计数器PC
程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址,共16位,可对64K程序存储器直接寻址执行指令时,PC内容的低8位经P1口输出,高8位经P2口输出。
(4)指令寄存器
指令寄存器存放指令代码。
CPU执行指令时,由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器,经译码器后由定时与控制电路发出相应的控制信号,完成指令功能。
(5)时钟电路
8051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路。
XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式或外部方式产生。
内部方式时钟电路如图3-2所示。
在XTAL1和XTAL2引脚外接定时元件,内部振荡电路就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
图3-2内部方式时钟电路
(6)存储器
MCS—51单片机的程序存储器和数据存储器空间是相互独立的,物理结构也不一样。
程序存储器为只读存储器(ROM)。
数据存储器为随机存储器(RAM)。
单片机的存储器编址方式采用与工作寄存器、I/O口锁存器统一编址的方式。
(7)I/O端口
MCS—51单片机设有四个8位双向I/O端口(P0,P1,P2,P3),每一条I/O都能独立地用作输入或输出。
P0口为三态双向口,能带8个LSTTL电路。
P1,P2,P3口准双向口(在用作输入口,口锁存器必须先写入“1”故称为准双向口),负载能力为4个LSTTL电路。
端口功能:
1)P0口—P0口可以作为输入输出口,但在实际应用中通常作为地址/数据总线口,即低8位地址与数据分时使用P0口。
低8位地址由ALE信号的负跳变使它锁存到外部地址锁存器中,而高8位地址由P2口输出。
2)P1口—P1口每一位都能作为可编程的输入或输出线。
3)P2口—P2口可以作为输入口或输出口使用,外接I/O设备时,又作为扩展系统的地址总线,输出高8位地址,与P0口一起组成16位地址总线。
4)P3口—不仅具有其它口的功能,还有它的特殊功能。
(8)总线
MCS—51单片机属总线型结构,通过地址/数据总线可以与RAM,EPROM,并行I/O接口芯片连接。
在访问外部存储器时,P2口输出高8位地址,P0口输出低8位地址,由ALE信号将P0口(地址/数据总线)上的低8位锁存到外部地址锁存器中,从而为P0口接受数据做准备。
在执行MOVC指令时,
信号有效。
在执行MOVX指令时,由P3口自动产生读/写信号,通过P0口对外部数据存储器单元进行读/写操作。
(9)复位和复位电路
MCS—51单片机的复位电路由上电+按钮电平复位和上电复位电路等,本系统采用上电+按钮电平复位电路。
如图3-3所示:
图3-3A上电+按钮电平复位电路图B上电复位电路
上电复位
电路:
当VCC接通后,Cr两端突加电压,相当于短路。
RESET端变为高电平,然后由于Cr的阻值作用,直到最后RESET端电压降为0。
上电+按钮电平复位电路:
开时,由于Cr的阻值作用,RESET端的电压为0。
当按下开关时,Cr通过R1和R2放电,形成电压降。
选择合适的R阻值,则开始放电时,然后随着放电电流的减小,R2上电压逐渐减低。
在RESET输入端出现高电平时实现复位和初始化。
CPU在第二个及其周期内执行内部操作。
复位期间不产生ALE和PSEN信号。
内部复位操作使堆栈指示器SP为07H,各端口都为1,特殊功寄存器都复位为0,但不影响RAM的状态。
当RST引脚返回低电平后,CPU从0地址开始执行程序。
3.2单片机的引脚及功能
单片机8051的引脚如下3-4图:
图3-48051单片机引脚图
各个引脚按功能说明如下:
(1)电源引脚
Vcc(40脚):
供电电源+5V。
Vss(20脚):
接地线。
(2)时钟电路引脚
XTAL2和XTAL1
利用内部时钟电路时,于XTAL1与XTAT2之间接一个晶体振荡器,XTAL1为内部放大电路端,XTAL2为输出端。
采用外部时钟时,对于HMOS型单片机,XTAL1接地,XATL2端接外部输入时钟脉冲。
而对于CHMOS型单片机XTAL1为驱动端,XTAL2悬浮。
(3)控制信号引脚
RST/
VPD(9脚):
接复位电路可实现复位;接+5V备用电源,当断电时RAM中数据不丢失。
ALE/
(30脚):
访问片外时,ALE作低位地址锁存允许控制;在对8751片内EPROM编程(固化时),此脚用于输入编程脉冲(
)。
(29脚):
访问片外程序存储器时,此脚输出负脉冲作为读选通信号。
/Vpp(31):
该脚具有双功能。
EA控制CPU执行程序,当EA端接高电平时,程序地址小于4KB访问片内程序存储器存储区;若超出4KB地址则自动执行片外程序存储器程序。
当EA端接低电平时,CPU直接访问片外存储器。
因为,8031无ROM区,EA端应接低电平。
在对8751EPROM编程时,此引脚用于施加编程电压Vpp。
(4)输入/输出口引脚
8051共四个8位I/O口,占32个引脚。
P0口(P0.0~P0.7)占39~32脚;
P1口(P1.0~P1.7)占1~8脚;
P2口(P2.0~P2.7)占21~28脚;
P3口(P2.0~P3.7)占10~17脚。
这四个I/O接口的主要用途及使用注意事项如下:
1)P0口是一个8位不带内部上拉电阻的漏极开路型准双向I/O接口。
2)内部带程序存储器的芯片,往EPROM输入程序(编程)时P0、P1、P2都作输入口,P2输入高八位地址,P1输入低八位地址,P0输入指令代码。
验证程序时,P1、P2仍作地址口而P0输出指令代码。
注意:
P1、P2作输入口时,必先使每位置“1”,才能读入外部数据。
3)P3口除作I/O接口外还兼有专用功能,P3口专用功能如下表3-2:
表3-2P3口专用功能
P3口个位线与第二功能表
端口线(引脚)
第二功能
P3.0(10)
RXD(串行口输入端)
P3.1(11)
TXD(串行口输出端)
P3.2(12)
INT0(外部中断0输入)
P3.3(13)
INT1(外部中断1输出)
P3.4(14)
T0(定时器0的外部输入)
P3.5(15)
T1(定时器0的外部输出)
P3.6(16)
WR(片外数据存储器写选通)
P3.7(17)
RD(片外数据存储器读选通)
3.5单片机存储器结构及其用途
8051单片机的存储器,在物理结构上分为四个空间:
片内程序存储器和数据存储器及片外扩展的程序和数据存储器,其结构如图3-5所示。
图3-5存储器空间分布图
(1)程序存储器
8051单片机内有4KBROM(8031无内部ROM),片外还可以扩展到64KB的程序存储区,片内外统一编址。
地址用16位,其范围是0000H~FFFFH,用
引脚(31脚)控制内外寻址。
当
=1(引脚高电平)时,片内外统一编址。
片内ROM地址范围0000H~FFFFH共4KB;片外ROM地址从1000H~FFFFH,内外共64KB。
当程序计数器PC〈=0FFFH时执行片内程序,当PC〉=1000H时执行片外ROM中程序。
当
=0(引脚低电平)时,只能片外寻址,即只能执行片外ROM的程序。
因此,片外ROM地址从0000H~FFFFH共64KB。
在使用片内ROM时,其中有六个地址单元具有特殊专用功能:
0000H单元是程序起始单元。
8051复位后,程序则从0000H单元开始执行。
0003H单元是外部中断0入口地址。
000BH单元是定时器T0溢出中断入口地址。
0013H单元是外部中断1入口地址。
001BH单元是定时器T1溢出中断入口地址。
0023H单元是串行口中断入口地址。
(2)数据存储器
数据存储器用以存放数据或中间运行结果。
8051单片机片内RAM只有256B,而片外可扩展64KB的RAM。
可以通过指令区别内外RAM不同寻址。
用MOV类指令可以寻址片内RAM,用MOVX类指令寻址片外RAM。
片内RAM虽然只有256B,但功能很强,必须弄清其结构才能正确使用。
片内RAM可分四部分:
通用工作寄存器区,位寻址区,用户堆栈区和专用寄存区。
1)通用工作寄存器区(00H~1FH单元)
工作寄存器共四组(0组、1组、2组、3组),每组8个寄存器(R0~R7),所以共32个寄存器,占32个地址单元00H~1FH。
组号由程序状态字PSW中的RS1、RS0两位决定,该两位状态通过程序设置。
工作寄存器地址及组号分布如下3-3表:
表3-3工作寄存器地址及组号分
RS1RS0
选种工作寄存器
对应地址
00
第0组R0~R7
00H~07H
01
第1组R0~R7
08H~0FH
10
第2组R0~R7
10H~17H
11
第3组R0~R7
18H~1FH
2)位寻址区(20H~2FH单元)
位寻址区共16个单元,单元地址占用20H~2FH。
每个单元又分成8个位地址,共有128个位地址,它们中每一位均可单独寻址。
3)专用寄存器(80H~FFH单元)
8051单片机共有21个专用寄存器(SFR),它们分布在RAM的80H~FFH地址范围中。
PSW的格式如下3-6图:
图3-6PSW的格式
DPTR—数据指针寄存器,它是有效16位地址指针。
它可以分成高8位DPH和低8位DPL两个寄存器。
DPTR常作间址寄存器,它即做外部数据寄存器地址指针,也兼做程序区地址指针;
SP—堆栈地址指针。
SP用以存放栈顶地址,它始终指向堆栈顶地址;
堆栈是使用者在内部RAM区(08H~7FH)之间任意指定的一部分特殊暂用存储区,用于存放需保存的程序断点和数据。
系统复位时,SP=07H,存入数据时,SP先加1,再压入数据,所以堆栈最小地址为08H。
考虑工作寄存器和位寻址区使用频繁,堆栈最好设在RAM的30H地址之后。
堆栈是使用者在内部RAM区(08H~7FH)之间任意指定的一部分特殊暂存取原则:
先进后出,存入一个字节SP自动加1,取出一个字节SP自动减1。
P1~P3—I/O口寄存器;
TMOD—定时/计数器方式寄存器;
TCON—定时/计数器控制和中断标志寄存器;
TH0,TL0—定时器T0初始值寄存器,TH0为高8位,TL0为低8位;
TH1,TL1—定时器T1初始值寄存器,功能同TH0和TL0;
IP—中断优先级控制寄存器;
SBUF—串行口数据缓冲寄存器。
本系统采用单片机AT89C51作为系统的控制中心。
AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机,片内有一个4kBFlashPEROM(可编程可擦除的读存储器)。
单片机接收到由FM接收机发送来的信号,通过固化在内部ROM中的应用软件来判断是什么地方发生了情况,然后转到相应的中断处理过程。
系统中,89C51要控制语音芯片的开启、结束以及地址信息,实现芯片中存放的语音可以有选择地送到电话线上。
它还要控制拨号芯片产生正确的DTMF信号,完成对远处电话机的呼叫。
另外,还要能有效地判断当前线路的状态,如果遇到线路忙等情况时可以有相应的等待机制。
在长时间不通的情况下可以更换不同的号码多次尝试,直到有人获得报警信息为止。
如果是火警、匪警,在此呼叫期问,本地的警笛可以发出连续、刺耳的声音,起到提示或者威慑的作用。
4、系统设计
4.1系统各模块电路设计
4.1.1门电路及报警器
该电路由检测电路,自锁电路,解锁电路,振荡电路及扬声器组成。
其框图如下3-7图:
电路图如3-8所示:
图3-8自动检测电路
门禁检测传感器S10和N1,N2组成检测电路部分。
R15、R23、R24为分压电阻,为运算放大器N1、N2提供两个基准电压;D4,D5组成或门电路,D8组成报警自锁电路;C12,R13组成定时电路,SP2组成解锁电路;U3,R25,C13组成低频间歇振荡器,U4,R17,C7组成音频振荡器;当报警时,振荡器驱动扬声器发出报警。
(1)检测电路
本报警器的接口检测电路采用的是电压触发报警接口,并设有防破坏功能。
门电路闭着时不发生报警,当门打开时则报警。
R15、R23、(放大器提供两个基准电压,N1的反相输入端C点电位约为6.6V,N2的同相输入端D点电位约为5.6V,在正常情况下,A点的电位约6V。
当门闭着时及S10合上时,A点电压不变,运算放大器N1、N2输出点E为低电平,使G点也为低电平,发光二极管D7截止不亮;而由于与非门的控制端G点为低电平,输出端J点也为低电平,振荡电路不工作,故扬声器不发出声音,此时电路处于“待报警状态”。
当门打开时及S10被打开时,A点电压变为8V,运算放大器N1输出点E为高电平,使G点变为高电平,这时与非门输出J点为高电平,电路处于报警自锁状态,二极管D8为自锁电路。
在这种情况下,发光二极管D7导通发光,进行声报警,U3,R25,C13组成的低频间歇振荡器,U4,R17,C7组成的音频振荡器开始工作,低频间歇振荡器产生1秒的间歇振荡;音频振荡器产生频率1K的音频震荡,产生交流信号,电流通过U5增强驱动之后,C14驱动扬声器发出鸣叫声,此时电路处于“报警状态”。
若报警接口被人为短接,则运算放大器N2输出点E仍为高电平,电路仍然报警。
(2)定时电路和报警解除
本报警电路设有定时电路,可使电路报警状态只能维持一定时间。
定时电路采用阻容定时电路,由C12,R13组成。
工作过程如下:
电路报警时,E点处于高电位,此时E点通过R13对进行充电。
若要解除报警,则可通过按钮SP2进行人工解除。
当SP2接通时,C12通过R12,D6放电,使电路变为正常状态。
电路中2只运算放大器采用1只LM358运算放大器集成电路,普通二极管均采用1N4148,D7采用Q5的红色发光二极管,电容器C7、C14、C17采用瓷片电容器,其余电解电容器耐压为16V,所有电阻采用1/4W碳膜电阻器,扬声器采用直径为10mm的微型小扬声器,SP2为按钮开关。
4.1.2自动拨号电路及其工作原理
自动拨号电路图如3-9所示:
图3-9自动拨号电路
在本电路中主要用到Mitel公司生产的DTMF收发集成新芯片MT8888
(1)MT8888芯片引脚及各引脚功能,如图3-10
图3-10MT8888芯片引脚
1)IN+:
运算放大器同相输入端
2)IN-:
运算放大器反相输入端
3)GS:
运算放大器输出端
4)VREF:
基准电压输出端,电压值为VDD/2
5)VSS:
接地端
6)OSC1:
振荡器输入端
7)OSC2:
振荡器输出端
8)TONE:
DTMF信号输出端
9)
:
写控制端,低电平有效,与TTL电平兼容
10)
:
片选端,低电平有效
11)RS0:
存储器选择输入端,与TTL电平兼容
12)
:
读控制端,低电平有效,与TTL电平兼容
13)
/CP:
中断信号请求端
14~17)D0~D3:
数据总线,在CS=1或RD=1时处于高阻状态
18)EST:
初始控制输出端
19)ST/GT:
控制输入/时间检测输出
20)VDD:
+5V电源端
(2)MT8888内部结构
MT8888是CMOS大规模集成电路功耗低(52mW),并且将发送和接收电路集成在一个芯片内,所以集成度高。
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。
MT-8888的内部结构如图3-11所示:
图3-11MT-8888内部结构图
1)接收部分
DTMF信号经运算放大器输出到两组6阶开关电容式滤波器,分离出低频组fLPW和高频组fHIGH信号。
低频组中的陷波器把350MHZ和440MHZ的拨号音除掉,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音。
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,精度高的标准双音频信号,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、列单音频正弦波经混合,滤波后产生双音频信号。
DTMF编解码表把编码数据写入MT8888的发送寄存器,产生单独的fLPW和fHIGH,fLPW和fHIGH输出的幅度之比为2dB。
写操作时,总线上的4位数据被锁存,可编程分频进行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,改变定时长度可改频率。
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,还应有满足识别条件,即检测有效信号的持续时间。
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