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。

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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：

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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

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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：

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。

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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。

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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：

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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

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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.

脉冲拨号

脉冲拨号是一种时域处理方法，它用脉冲的个数来表示号码数字。脉冲拨号方式对脉冲的宽度、大小、间距、形状都有着严格的要求，如果由于线路的干扰或其他原因而使得这些参数发生了变化，则可能引起号码接收的错误。另一方面，由于每个脉冲都占有一定的时间（一般每个脉冲占用的时间为100ms），而使得这种拨号方式比较慢。当拨号时，用户通常会听到一串拨号音，老式的转盘电话就使用脉冲拨号。

脉冲按键式电话机（ha-p）这是一种以电子电路加导电橡胶按键号盘替代机械旋转号盘的自动电话机，属于第三代电话机。其振铃电路、发号电路、通话电路有分立元件和集成电路两种；振铃信号输出有极化式电磁铃和音乐式电子铃两种。它的特点是按键号盘所发脉冲比较方便，还附着重拨键＃”和暂停键”，它以电子开关形式取代机械脉冲接点来发号，其速率是每秒10个脉冲（10pps）。脉冲按键发号同样具有三个脉冲参数，已在发号集成电路中作了固定，一般不易发生错误。这种话机对通信电压有一定要求。在无线电干扰严重的环境下，有时会发生错号现象。该机种适用于步进制和纵横制式交换机。音频按键式电话机（ha-p）它以双音多频拨号信号（dtmf）代替了传统的脉冲拨号。按键上的每一个数字键（0－9）和符号键（＃、）均分别用高、低两个为正弦波的单音频信号来代表。高音频信号有4个＞1000hz的频率、低音频信号有4个＜1000hz的频率。如采用4×4的矩阵编码，则共有16种组合，叫作8中取2；但一般只用3×4排列共12种组合，叫作7中取2。这种话机的最大特点是缩短了发号时间。例如拨（0796）8390234”，若用脉冲发号时，每个脉冲为100ms，位间隔时间为800ms，则所占时间是100×（10+7+9+6+8+3+9+10+2+3+4）+800×10=15100（ms）=15．1s；改用音频发号时，每个号持续时间都相同，均为120ms，位间隔时间为108ms，则所占时间是120×11＋108×10=2400（ms）＝2．4s。显然，音频发号速度比脉冲发号快得多。脉冲／音频兼容按键式电话机（ha－p／t）这种按键式话机除采用脉冲发号外，还可用双音多频（dtmf）方式发号。它在话机侧面设有一个转换开关（p／t）作为选择。一旦将电话机安装好之后，使用者就不要随意拨弄这一开关，以免造成失误。

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