基于单片机的智能语音拨号报警系统 - 浙江师范大学网络课程

基于单片机的智能语音拨号报警系统 - 浙江师范大学网络课程 基于单片机的智能语音拨号报警系统 电 子 信 息 工 程 电信061班 干 一 润 06220111 余 水 宝 ( 2008.12 ) ………………………………………………………………………3 1.1 智能语音拨号系统概述…………………………………………………3 1.2 本设计任务和主要…………………………………………………4 …………………………………………………5 2.1 单片机控制系统原理……………………………………………………5 2.2 单片机主机系统电路……………………………………………………5 2.2.1 时钟及复位电路……………………………………………………6 2.3 警情采集电路……………………………………………………………7 2.3.1 防区信号采集电路…………………………………………………7 2.3.2 视频信号采集电路…………………………………………………7 2.4 DTMF发送接收电路MT8880………………………………………………8 2.5 MT8880与语音电路的接口………………………………………………9 ……………………………………………………………11 3.1 信号音的识别方法………………………………………………………11 3.2 主程序流程………………………………………………………………12 3.3 自动拨号部分程序………………………………………………………13 ……………………………………………………………………15 ……………………………………………………………………………16 数理信息与工程学院 06电子信息工程 干一润 指导教师：余水宝 随着经济的日益发展，社会也一步步朝着多元化和多样化发展，当然，随之 也会产生一系列的问，其中一个就是安全问题。由单片机控制的智能语音报警 系统，该系统可对多路视频，声、光等传感器进行监控，并根据不同的具体情况， 采集各路敏感器件产生电路的变化，发出不同的报警信号，并能自动拨号到110， 119等相应的机构。其核心是由单片机构成的控制部分，主要对视频，声、光等 信号变化时信号的采集，和对采集到信号的分析和处理，通过设计硬件、软件编 程对各个部分进行操作和实现。 2智能语音报警系统的核心是AT89C51单片机，主要由EPROM，视频选通/ 检测电路，声光报警电路，联动报警电路，语音录/放音电路等部分组成。编程软件选用汇编语言。当AT89C51单片机实时巡检到新的警情信号，如：防区故障、 视频丢失、主电断电或上位机死机时, 报警主机就会自动进行警情处理( 声光报警、启动相应联动、记录警情以及拨号报警等等)。该系统快捷、有效，可靠性高，易于操作，发展前景比较广阔。 随着人们生活水平的提高，整个社会的发展也变得越来越复杂和多样化。随 着人们安全防范意识的增强，安全问题已经经常的被人们提起了。为此，我们急 需开发一种面向大众、价格低廉、运行可靠的自动报警系统。鉴于最近几年我们 国家的经济迅速崛起，人们生活逐渐富裕，住宅电话和移动通信设备已经十分普 及, 另外，由于电话语音报警有着快捷、有效、价格低廉等优点，公共通信网络 成了报警系统的最佳传输媒介。因为公共通信网络能覆盖最广大的人群，而且一 般来说公共通信网络的传输速度以及可靠性都是勿需质疑的。因此，在这里我们 选择公共通信网络作为我们智能语音报警系统的传输媒介。 智能语音报警系统是进行无人报警和智能报警的有效手段和工具，它可以大 大提高在无人情况下的安全系数，减少某些需要监控区域的人力资源。本智能系 统自动化程度比较高，可以降低对操作者本身素质的要求。除了能减少劳动资源 意外，在处理突发事件和意外上，它有着和人一样的能力，甚至比人更有优势。 比如智能系统的声、光传感器能检测到声、光的细微变化带来的不同，而如果是 人值班的话，可能值班人员的耳朵和眼睛等五官可能不够灵敏，察觉不到这一变 化；甚至，当有歹徒进入时，视频检测器又能轻易地捕获的样貌，并且发出警报， 这样一来，既不用人冒着危险发出警报并和歹徒搏斗，又可以为日后公安机关破 获案件提供线索，一举两得。因此，对于本系统的设计就是往这样一个集方便、 快捷，可靠性和安全性与一身的方面而进行考虑和设计的。 本论文主要研究单片机控制的智能语音报警系统，分别对视频，声、光等变 化是产生的电信号进行采集，并对采集信号进行分析和处理的一些研究。 主要内容如下： ? 根据人们日常对于安全的需求，对整个系统进行整体化的设计和研究。 ? 从人性化角度出发，使整个系统尽可能的减少操作，尽可能的达到智能 化，尽可能的达到全自动 ? 从快捷、有效入手，让报警系统可以适用于尽可能多的人群和范围。 ? 使检测手段多样化，覆盖面广，通过不同的现代化手段来避免和减少意 外和突发事件给人们带来的伤害。 声光报警 2联动报警电路 EPROM 电路 AT89C51单片机及I/O扩展 电话录/放防区检视频选通MT8880 音电路 测电路 检测电路 接口电路 16路探测器 16路视频 模拟摘/ 挂机电 电话网 路 图2-1 系统原理框图 AT89C51单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构 最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。而且通过I/O口的扩展，可以在外部有存储器，并行I/O口，时钟芯片，系统监控芯片，总线接口 等一系列的扩展。 图2-2 单片机主机系统图 单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通 常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡。MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使 用中常采用这种方式，如图2-2所示在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶 体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图2-2中外接晶体以及电容C2和C1构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作 用，其值均为30P左右，晶振频率选6MHz。 为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位 后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单 片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出(I/0)端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H, SBUF内置为不定值，其余的寄存器全部清0，内部 RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的。复位操作有两 种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位方式。图2-2中R9和Cl组成上电复位电路，其值R取为1k, C取为1pF。 信号采集电路由16 路防区输入信号采集电路和16路视频丢失检测采集电 路组成。这两部分电路共同作用，互不干扰，共同构成了警情信号采集电路。 16 路防区输入信号采集电路如图2-3所示。采集电路通过一片可编程并行 接口芯片8255 与AT89C51 单片机的P0 口接口, 而16 路防区输入信号则通过 光电隔离后与8255 的PA 口和PB 口相接。PA 口和PB 口均设为输入口, 这16 个输入口分别对应16 路探测器的输入。系统通过采集8255的PA、PB口的数据来判断是否有警情产生。 74HA0 P0.0~P0.7 C37A1 3 8255 PA0~PA7 16路 光电 D0~D7 探测隔离 AT89C51 器 PB0~PB7 CS 74H P2.5 C13 P2.6 P2.7 8 图2-3 防区信号采集电路 16 路视频丢失检测采集电路如图2-4所示。该电路首先通过一片16 路模拟开关芯片CD4067 进行视频通路选择, 随后经过视频信号检测电路, 最后再与AT89C51 单片机的P1.3 口相接。系统首先将视频通路号送给模拟开关CD4067, 然后将采集的数据送给P1.3口, 来判断视频是否丢失。 P1.3 Q 74LS123 A CMPSYNC AT89C51 LM1881 C CMPVID IN/OUT A CD S0 IN1 16路 P2.0 ： B 40 ： P2.1 ： 视频 C 67 ： P2.2 D S15 IN16 P2.3 图2-4 视频信号采集电路 MT8880 是MITEL 公司推出的专门用于处理DTMF 信号的专用集成电路芯片, 不仅具有接收和发送DTMF信号的自动拨号功能, 还可以检测电话干线上拨号 音、回铃音和忙音等信号音。适合与单片机接口, 外围电路简单。如图2-5所示，图中开关S1由一个继电器控制，J1接口与电话线相连。 MT8880 内部有五个寄存器, 分别为接收数据寄存器、发送数据寄存器、收 发控制寄存器CRA 和CRB 以及收发状态寄存器。在本设计中, 由于仅采用发送数据寄存器、收发控制寄存器CRA 和CRB 发送DTMF 信号实现自动拨号功能, 因此在此仅需要这三个寄存器。发送数据寄存器中的数据决定要发送的双音频信号 的频率, 因此只能向发送数据寄存器写入数据。两个收发控制寄存器占用同一个 地址, 因此根据CRA 中的寄存器选择位的值决定是否对CRB 进行操作。其接口电路如图2-5 所示。 图2-5 MT8880与8255接口电路 ISD1420 语音芯片采用直接模拟存储技术, 且录放音质极好, 并有一定的混响效果; 它的外围元件简单, 仅需简单的阻、容器件即可组成简单的录、放音 电路; 无需后备电源, 信息存储时间长, 不需要专用的编程器及语音开发器; 具有较强的选址能力, 可把存储器分成160段来管理, 形成最小的录放时间为 125ms。其接口电路图如图2-6所示。 图2-6MT8880与语音部分接口电路 语音分段方法: 地址输入端A0～A7 由低位向高位排列, 每位地址代125ms 的寻址, 160 个地址覆盖20s 的语音范围( 160×0.125s=20s ) , 录音 及放音功能均从设定的起始地址开始, 录音结束由停止操作决定, 芯片内部在该段的结束位置自动插入结束标志( EOM) ; 而放音时遇到EOM 标志即自动停止放音。在本设计中, 因需要四段报警提示语音, 因此在设计时均将每段语音设为 5s,其起始地址分别为00000000B、00101000B、01010000B、01111000B, 由这四段起始地址可以看出A7、A2、A1 和A0 均为0, 因此将其接地。 系统在巡检到警情信号后就模拟摘机。为了识别模拟摘机后电话系统是否处 于可拨号的状态、电话拨完号码后电话是否接通以及对方是否摘机接听电话等几 种状态, 系统必须进行信号音的识别。为了识别信号音, 必须知道各种信号音的 特性。各种信号音特性如下: ?拨号音: 450?25Hz 连续蜂音; ?忙音: 0.35s 断0.35s 通的450?25Hz 蜂音, 音断周期为0.7s ; ?回铃音: 4s 断1s 通的450?25Hz 蜂音, 音断周期为5s。 这些电话信号均是模拟信号, 然而单片机是无法识别模拟信号的, 故必须先将模拟信号转换为脉冲信号,然后再根据脉冲信号的脉冲个数进行识别。这些 电话音频信号的脉冲个数可用下式计算: 式中, N 为每音段周期的脉冲个数; T 为电话音频信号的音频周期, 单位为s ; tm 为信号音断周期的通时间, 单位为s。 在实际使用中, 主要需要识别拨号音、忙音和回铃音。分析这三种信号的特 性可以看出, 在一定的计数时间内, 其脉冲个数是不一样的。在设计之初, 考虑采用5s 为一个计数单位来判断这三种信号音, 但通过实际的调试发现: 当对方摘机时, 要等待一段时间才能听到报警语音。通过反复研究及调试, 最终采用2s 计数判断拨号音, 采用2.8s ( 即4 个忙音周期) 判断是否为忙音, 若否则代表电话拨通了。随后采用1s 为一个计数单元, 采用计五次后的累加脉冲数来 判断对方是否接听电话。若有, 则放相应的报警提示语音; 否则再计1s , 然后计算最后5s 内的脉冲数, 再次判断对方是否摘机。如此反复, 直到超过等待时间仍没有人接听电话就挂机。由于干扰和一些其他因素的存在, 难免会有误判的现象而导致漏报警情。因此采取在所有预先设定的电话至少有一个拨通就只拨一 遍, 如果全部没拨通或者没人接听则把所有预存电话重拨一边, 这样漏报报警的概率就非常低以致可忽略不计。 图3-1 主程序流程图 自动拨号部分子程序如下： AUTOCALL: CLR P1.2 ;模拟摘机 MOV A,#5DH ;允许信号音输出, 下一次为写控制寄存器CRB MOVX @DPTR,A ;写控制寄存器CRA MOV A,#51H ;MT8880 置为突发模式 MOVX @DPTR,A ;写控制寄存器CRB MOV A,#56H ;MT8880 置为呼叫模式 MOVX @DPTR,A ;写控制寄存器CRA LCALL DELAY LCALL AUTOY ;调用信号音判别子程序, 看是否有拨号音 MOV A,#5DH ;允许信号音输出, 下一次为写控制寄存器CRB MOVX @DPTR,A ;写控制寄存器CRA MOV A,#50H ;MT8880 置为突发模式 MOVX @DPTR,A ;写控制寄存器CRB …… ;拨电话号码 MOV A,#56H ;MT8880 置为呼叫模式 MOVX @DPTR,A ;写控制寄存器CRA LCALL AUTOY ;调用信号音判别子程序, 看是否有回铃音 LCALL AUTOY ;调用信号音判别子程序, 看对方是否摘机 SETB P1.2 ;模拟挂机 另外在编程过程中也有几个需要注意地方。首先, MT8880 的DTMF 产生器 是发送部分的主体,它产生全部十六种失真小、精度高的标准双音频信号,这些频 率均由3.579545MHz 晶体振荡器分频产生。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 双音频信号。通过DTMF 编解码表把编码数据写入MT8880 发送寄存器产生单独的fLOW 和fHIGH, 一旦编码错误就会导致拨号失败, 故在编程过程中要十分小心。 其次, 在摘机后应延时一段时间再去判断摘机音,因为本系统采用机械继电器实现自动摘机, 故应考虑继电器的响应时间。 最后, 一个电话号码拨完后不能立即拨下一个电话号码, 应保证挂机的最 短有效时间以确保前一电话号码确实已挂机, 否则拨下一个电话号码时会没有 拨号音。 首先，通过这次应用系统设计，在很大程度上提高了自己的独立思考能力和 单片机的专业知识，也是个人第一次认真深刻地去学着写一篇关于单片机系统方 面的设计报告。虽然这个题目的灵感并非完全是自己的，在关于这个题目的许多 方面的了解也还不够，甚至可以说没有正真完全掌握这一智能系统，但通过这样 一次的尝试和努力，我依然有了很大的收获。这一过程如同是看了一本史蒂芬?霍 金的《时间简史》，所谓懂与不懂都有收获。在余水宝老师的指导和督促下，通 过自己的努力终于完成了这一份设计报告，有了这样一次过程和经验，相信在以 后的工作生活中再遇到类似的设计报告，一定会更加的得心应手，如鱼得水。这 次设计报告是对自己一次实实在在的提高，的确收益良多。 我这次设计的是一个基于单片机的智能语音报警系统，它能够适应广大人群 和整个社会的需要，在提高社会安全方面有着重要的作用。 该系统以单片机AT89C51为核心部件，通过视频以及声、光等传感器对信号 进行采集，并由单片机完成对信号的分析和处理，随后作出报警。系统用Protel软件绘制电路原理图和PCB电路印刷板图，利用MCS51汇编语言编制,运行程序该系统的主要特点是: ?本系统配置灵活, 可以有效、快速地应用于对安防要求比较高的场合。比如: 对不需要监视视频丢失的场合, 可以不配置视频监测盒; 而对智能小区、医院等, 可以通过RS485总线将一台DVR ( Digital Video Recorder )主机、一套报警监控软件和多台报警主机组合到一起,构成一个网络型智能监控系统。 ?本报警系统价格低廉、操作简便，使用人群广泛，对于操作人员本身的素 质要求并不高。而且由于系统自动化程度高，一般只需要一人即可操作整个系统， 有时甚至不需要人员操作，这大大节省了劳动力。 ?本系统通信速度极快。由于系统连接的是公共通信网络，所以能在第一时 间将报警信号送出，大大提高了安全系数。 ?本系统可靠性高，误报率低。 当然本系统也有许多方面存在不足。比如整个系统比较依赖于声、光传感器 部分，一旦信号采集部分出现问题或遭到人为破坏，系统就无法发出正常的报警， 存在一定的漏洞。在这些方面还有待于进一步的改进，例如加入防破坏的系统。 ? 张友德，赵志英，涂时亮. 单片微型机原理、应用与实验.上海：复旦大学出版社，1993 ? 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京:北京航空航天大学出版社, 1990 ? 薛均义，张彦斌.MCS-51/96系列单片微型计算机及其应用.西安:西安交通大学出版社，1990 ? 张鑫，陈书谦. 单片机原理及应用.北京：电子工业出版社，2005.8