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 本设计任务和主要内容…………………………………………………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题,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、
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
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
。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