远程语音控制报警系统

远程语音控制报警系统

 

远程语音控制报警系统

摘 要：本文系统地介绍了基于电话网络的远程语音控制报警系统的基本原理、组成框图，对电话网络的接入方法进行了详细的描述，对电话模拟摘挂机、自动拨号、DTMF收发、热释电红外传感器、语音电路等进行了论述，并给出了部分基本电路和软件流程。

关键字：单片机；DTMF；语音芯片

1．引言

随着人们安全防范意识的提高，自动报警越来越受到重视。各种自动报警装置的研究和制作也引起人们很大的兴趣。本课题研究旨在制作出一种功能强大的报警系统，在出现紧急情况时能及时通知当事人，即便其不在现场附近，并自动呼叫报警。相比普通的报警器，本课题研究将重点放在远程语音报警上，只要接上适当的传感器就可组成防盗报警、火灾报警、煤气泄露报警等多功能报警系统，并附加实现一些智能控制功能，赋予报警系统更强大和完整的功能实现科技创新的目的以满足人们对安全报警的需求是本课题研究的目的及意义所在。本系统基于电话网络但是与电话互相独立不会影响电话的正常使用，并通过语音提示操作，人机交互友好。

2．技术要求和技术特点

2.1技术要求

1.可以通过拨打电话开、关家中电器。主人外出时，可以通过任意一部固定电话或移动电话（主叫电话）拨打家中的电话（被叫电话，该电话与本系统相并联），当电话接通后可通过操作主叫电话的相应按键，对用户家中的家用电器进行控制。

2.可以对屋内是否有陌生人闯入等事件进行实时监测，根据监测结果拨打用户预先设定的号码向主人报警。如当系统检测到非正常闯入时给系统主机发射一个信号，主机接收到信号以后自动摘机接通电话线。

2.2技术特点

⑴ 采用单片机系统，模块化、小型化，性能价格比高；

⑵ 系统的可扩展性和可维护性好，便于升级和检修；

⑶ 人机交互界面完善，通过触摸键盘、液晶显示器和语音操作提示可以实现参数设置。

3．系统设计

本系统主要包括电话振铃检测电路，电话自动摘机和挂机电路，DTMF信号收发电路，语音提示电路，预警检测电路，键盘显示电路，继电器驱动电路，以及核心的CPU电路，系统结构框图如图所示：

我们设定报警部分为本系统主体工作部分，即实时监控房内安全情况，在软件上表现为主循环，当有振铃信号或设定信号时才中断去执行相应操作。在此我们需要对人体的红外辐射敏感并且抗干扰（如小动物等）的传感器，为此我们选用被动式热释电红外探测器，并在它的辐射照面覆盖特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

设定部分的功用是存储报警时需要拨打的号码，并设定主人身份验证密码。为了设定方便直观，设计键盘和显示器。为了系统的简洁采用LED数码管显示。

控制部分，当有电话打入时，电话振铃检测电路检测到有振铃并等待系统默认的振铃次数后，控制器自动摘机，并在语音电路的提示下依次输入用户的操作密码和操作指令。DTMF收发电路将接收到的DTMF信号解码后的数字信号送入CPU，若密码有误，系统自动挂断电话；当密码正确时，则按语音提示依次完成一系列操作。当操作完成时，单片机根据返回的确认信息去控制继电器的通断，操作过程得以实现。此处我们选用DTMF双音多频芯片MT8888C。

3.1 硬件设计

3.1.1 电话模拟摘挂机电路、振铃检测电路

作为一个基于电话网络的远程报警系统，能够与电话网络进行正常的连接和通讯是系统成功的前提。本电路模块的功能为实现系统与电话网络的连接和断开：当系统需要与外界进行远程通信时，电路能实现系统与电话网络的接通；当外界有电话进入时，系统能接通电话接收远程控制信息。

具体实现原理如下：

自动摘机：自动摘机是远程报警和接收电话的前提。程控电话交换机判断电话线路是否摘机的根据是回路电流突然增大到30A左右则认为电话已经摘机，本电路就是据此而设计的。当有报警信号或者外界有电话打入，需要系统摘机接通电话时，单片机P1.7口变高电平，使NPN三极管5551导通，继而5041接通，从而电话回路被接通，实现了自动摘机。当P1.7口变低电平时系统实现挂机。

振铃检测电路：为了实现系统与普通的电话通信互不干扰，我们设计了振铃检测电路。当有电话打入时，系统判断振铃的次数，达到预定的次数而电话仍没有摘机则系统将自动摘机。将电话振铃信号通过光电耦合器TP521输入到AT89C52的T0脚，进行计数，接到振铃信号时，若连续振铃10次后，用户还没有摘机，则自动转到家庭智能报警器，CPU置“1”P1.7脚实现自动摘机功能。若在这10次振铃过程中，主人接通了电话，则控制器不响应，这样，使得控制器与电话不互相干扰。摘机后，检测MT8888输出的双音多频信号，以读出用户发来的远程信息，实现远程通信与控制功能。

3.1.2 DTMF收发电路

这里先介绍DTMF收发芯片MT8888。MT8888芯片是MITEL公司采用CMOS工艺生产的一种低功耗、高集成度的DTMF信号收、发芯片，它可以方便地与微机接口。MT8888是采用CMOS工艺生产的DTMF信号收发一体集成电路，它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。接收部分用于完成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。

内部寄存器包括控制寄存器A（CRA）、控制寄存器B（CRB）、状态寄存器SR、数据寄存器DR。通过对它们的读写操作，可以实现MT8888的初始化和各种工作模式的设置。

发送DTMF信号的时候，单片机把电话号码的每一位发送给MT8888，转变成对应得DTMF信号发送到电话线上，实现自动拨号。各数字对应得双音多频信号如下：

1	2	3	A	697 Hz
4	5	6	B	770 Hz
7	8	9	C	852 Hz
*	0	#	D	941 Hz
1209 Hz	1336 Hz	1477 Hz	1633 Hz

在选择突发模式的情况下，每发送一个电话号码MT8888都可以给单片机产生一个中断信号。选择呼叫模式发送电话号码之后，MT8888可以根据电话线上的信号对信号音进行识别，以判断对方是否摘机电话是否接通。其判断方法如下：电话信号音格式为：忙音: 450Hz,350ms有,350ms无；拨号音: 450Hz,持续；回铃音: 450Hz,1s有,4s无。
信号音的判断方法：将MT8888的IRQ/CP脚连到AT89C52的T0脚，电话呼叫过程中的各种信号音经MT8888滤波限幅后得到方波，由MT8888的IRQ输出到AT89C52的T0脚。 对T0脚信号记数5秒，若计数值位于2175－2357范围内，则为拨号音；若计数值位于1041－1212范围内，则为忙音；若计数值位于425－475范围内，则为回铃音。在实际编程中，考虑到记数的误差以及程序的简化可将范围适当放宽，但不能重叠。

3.1.3 键盘、液晶显示电路

为了使我们的系统人机交互更加友好，键盘与液晶显示电路时非常有必要的。该部分电路的设计主要是为了方便用户录入电话号码，当出现警情时系统将拨打录入的电话号码进行远程报警。由于一般的电话机的键盘都是4行3列（从0到9、*、#），包括确认键、取消键等我们设计了4行4列的键盘。考虑到软件设计的方便，这里通过两片74HC245连接16个键，通过简单的查询程序即可录入键盘输入值。相比4×4的矩阵式键盘，设计更加简单方便。由于本系统包含的组成模块太多（语音、电话接口、DTMF收发、键盘、液晶等），单片机I/O口资源不足，因此液晶的接口也是通过一片74HC245与单片机P0口相接。当片选接通该芯片时，单片机即可对液晶实现读写等操作。考虑到液晶的显示只需要能显示简单的8位或11位电话号码以及一些提示信息，我们使用的液晶是16×1的字符点阵式液晶，可以显示1行16列数字或字母。当录入电话时，液晶上将有电话号码显示。

该部分电路图如下：（键盘电路略）

3.1.4 语音电路

语音部分使本系统更加人性化，通过语音提示，操作者可以清楚的操作，通过语音报警，使人听起来有种亲切感。这部分电路采用了语音芯片ISD-4004，与普通的录音/重放芯片相比，ISD4004具有如下特点：首先是记录声音没有段长度限制，并且声音记录不需要A/D转换和压缩。其次，快速闪存作为存储介质，无需电源可保存数据长达100年，重复记录10000次以上。此外，ISD4004具有记录时间长（可达16分钟，本文采用的为8分钟的ISD4004语音芯片）的优点。最后，ISD4004开发应用具有所需外围电路简单的优点。其中的语音以事先制作电路，录入其中，所以，在电路板上，只有放音电路。语音输出通过音频放大电路，接到扬声器。从而，实现语音功能。

ISD4004的供电电源为3伏，其与单片机的接口为SPI（串行外设接口）4条线：MISO、MOSI、SCLK、SS。它与89C52的普通I/O口连接后，在程序设计中我们可以软件模拟串行时钟来对其进行读写操作。该部分电路如下：

3.1.5 传感器（电路略）

这是远程报警的第一步骤，我们选用红外人体感应装置，当无人时，输出为低电平，一旦有人进入其有效范围，则输出信号变成高电平。CPU 判断是否发出报警信号。

3.1.6 继电器驱动电路（电路略）

进行家用电器远程控制时，需要通过继电器控制其开关状态。我们选用了5V 继电器，但单片机I/O 口不足以提供足够大的电流，所以继电器驱动电路，由于有成型的继电器驱动芯片，我们简单采用。

3.2软件设计

本系统程序使用模块化的程序设计思想，主程序通过调用子程序以实现各部分功能。先进行软件的总体设计，将软件分为多个功能模块，然后进行各功能模块设计，各功能模块都调试通过后，将它们根据总体设计的主函数流程组合起来成为最终的应用软件。根据流程要求、总体设计方案的要求和硬件电路功能，将软件设计划分为液晶显示子模块、键盘扫描模块、自动拨号模块、DTMF收发模块、语音模块、传感器中断子模块等。

3.2.1主流程

主程序的任务包括上电之后初始化各种变量、初始化各种芯片、显示等。然后对键盘进行扫描。根据人手按键的时间长度，我们每隔0.2S对键盘扫描一次。如果录号键按下，说明用户要录入新的电话号码。如果读号码键按下，表示用户要读取原来录入的号码。其流程图如下：

3.2.2 各子模块说明

报警处理子程序、自动拨号子程序、振铃检测子程序都是作为外部中断或外部计数器中断子程序来完成的。各子程序模块说明如下：

报警处理子程序：当有警情发生时，传感器给单片机外部中断信号，系统进入报警中断子程序。首先电话模拟摘机，系统与电话线接通。调用MT8888拨号子程序发送电话号码，同时监听电话线上信号，判断对方是否摘机，如果第一个电话号码没有拨通则发送第2个电话号码，循环拨号，直到拨通号码或者定时溢出。该子程序还调用语音子程序现场报警，对进入的人产生威吓作用。从而实现了现场报警和远程报警两种功能。

自动拨号子程序：该子程序的功能为进行自动拨号。有警情发生后，系统自动摘机，然后该子程序被调用。从单片机中读取录入的电话号码写入MT8888并发送该号码。（流程图略）

振铃检测子程序：当有电话打入时，系统判断振铃的次数，达到预定的次数而电话仍没有摘机则系统将自动摘机。将电话振铃信号通过光电耦合器TP521输入到AT89C52的T0脚，进行计数，接到振铃信号时，若连续振铃10次后，用户还没有摘机，则自动转到家庭智能报警器，CPU置“1”P1.7脚实现自动摘机功能。若在这10次振铃过程中，主人接通了电话，则控制器不响应，这样，使得控制器与电话不互相干扰。

其他子程序模块这里不再详细描述。

自动报警子程序流程

4．心得体会及总结

经过一个学期的努力奋斗，我们小组终于按期完成了这个课题。回想这期间的各种经历，真是感受颇多。

在这次科技制作中，从方案论证、硬件电路设计到软件设计，工作量非常大。而我们只有课余时间可以利用，如果我们不能很好的分工合作，是不能完成的。我们集中时间在一起讨论，商定最终方案，确定硬件电路、软件编程。由于在此之前我们都没有工程实际经验，在调试过程中设计中的一些不合理因素就表现出来了。调试过程更是对我们耐力的考验，许多问题莫名其妙地发生了。我们曾经沮丧过，懊恼过，但我们没有被失败吓倒，我们继续保持着高度的热情，共同奋斗，认真地找出错误、不足之处，一一进行改正，不断提高。就这样，各项功能一点点地被实现，我们也一步步地向前进，最终迎来了胜利的曙光。

通过这次科技创新制作活动，我们拓宽了思路，开阔了视野，从中学到了很多课本上学不到的东西。在完成课题的过程中，我们有更多的机会和博士生、研究生接触，使我们学到了很多解决实际问题的方法。这次活动巩固了我们的基础知识，培养了我们的实践动手能力，这其中更大的收获就是将书本死的知识和实践活动结合起来，并在实践中有的放矢的深入学习，提高了学习效率。而最重要的是锻炼了我们团队合作的能力，培养了我们团队合作的精神，锻炼了我们乐观、敬业、坚持不懈的优秀品质，这是我们收获的一笔无形财富。在这期间，由于对一些问题的看法和观点不同，我们不免会有争论，会有抱怨，但更多的是信任和喜悦。我们逐渐形成了一个团结、高效的团队，在一起经历了风风雨雨，在讨论中相互学习，在失意中相互鼓励，在协作中增强友谊。有这样的机会、这样的成功，得益于学校的大力支持和老师对我们的不倦指导。十分感谢教务处组织这样的活动，让我们有了锻炼的机会。

5．参考文献

[1] MITEL Corporation. MT8888C Integrated DTMF Transceiver with Intel Micro Interface, 1999

[2] 孙余凯，项绮明等. 新型电话机基本原理与维修.电子工业出版社，2004，5

[3] 张毅刚等. 新编MCS-51单片机应用设计. 哈尔滨工业大学出版社. 2003,7

[4] ISD4004原理及应用. 国外电子元器件.