基于熱釋電紅外傳感器的無線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)旨在制作出一種功能強(qiáng)大的報(bào)警系統(tǒng)，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)能及時(shí)通知當(dāng)事人，即便其不在現(xiàn)場附近，并自動呼叫報(bào)警。相比普通的報(bào)警器，本設(shè)計(jì)將重點(diǎn)放在遠(yuǎn)程語音報(bào)警上，只要接上適當(dāng)?shù)膫鞲衅骶涂山M成防盜報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警、煤氣泄露報(bào)警等多功能報(bào)警系統(tǒng)，并附加實(shí)現(xiàn)一些智能控制功能，賦予報(bào)警系統(tǒng)更強(qiáng)大和完整的功能，以滿足人們對安全報(bào)警的需求。本系統(tǒng)基于電話網(wǎng)絡(luò)但是與電話互相獨(dú)立不會影響電話的正常使用，并通過語音提示操作，人機(jī)交互友好。

　　系統(tǒng)原理及系統(tǒng)框圖

　　本系統(tǒng)主要包括電話自動摘機(jī)和掛機(jī)電路，DTMF信號收發(fā)電路，語音提示電路，報(bào)警電路，鍵盤顯示電路，人體信號檢測電路，編碼電路，無線發(fā)射電路，以及作為主核心的單片機(jī)控制電路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。我們設(shè)定報(bào)警部分為本系統(tǒng)主體工作部分，即實(shí)時(shí)監(jiān)控房內(nèi)安全情況，在軟件上表現(xiàn)為主循環(huán)，當(dāng)有振鈴信號或設(shè)定信號時(shí)才中斷去執(zhí)行相應(yīng)操作。在此我們需要對人體的紅外輻射敏感并且抗干擾（如小動物等）的傳感器，為此我們選用被動式熱釋電紅外探測器，并在它的輻射照面覆蓋特殊的菲尼爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。設(shè)定部分的功能是存儲報(bào)警時(shí)需要撥打的號碼，并設(shè)定主人身份驗(yàn)證密碼。為了系統(tǒng)的簡潔采用液晶屏顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　當(dāng)紅外線人體檢測電路檢測到有人體入侵時(shí)，編碼電路將該檢測探頭的地址編碼，并且經(jīng)過無線發(fā)射電路將檢測到有人體入侵的探頭的地址發(fā)送給無線接收電路，經(jīng)CPU譯碼后，LED顯示報(bào)警地址，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警或者向主任撥打預(yù)先設(shè)定的電話進(jìn)行報(bào)警。 

　　信號檢測電路

　　信號檢測電路主要由熱釋電紅外檢測探頭SD02和BISS0001信號處理電路組成。

　　信號檢測電路如圖2所示。配以濾波鏡片和阻抗匹配用場效應(yīng)管組成的熱釋電紅外傳感器，以非接觸方式檢測出來自人體的紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)BISS0001中的運(yùn)放N1的前置放大、運(yùn)算放大器N2的第二級放大，將直流電位抬高為內(nèi)置電壓Um后送到由比較器N4、N5組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號Us。由于內(nèi)置電壓UH≈0.7UDD、UL≈0.3UDD，當(dāng)UDD=5V時(shí)，可有效地抑制±1V的噪聲干擾。N3作為條件比較器，當(dāng)輸入電壓Uc小于內(nèi)置電壓UR（≈0.2UDD）時(shí)，N3輸出為低電平封住了Us向下級遞送。而當(dāng)Uc>UR時(shí)，N3輸出為高電平，打開與門N7，此時(shí)若有觸發(fā)信號Us的上跳變前沿到來，則可啟動延時(shí)定時(shí)器，同時(shí)Uo輸出為高電平。比較器的域值選取很重要，域值太低易誤報(bào)，太高則靈敏度低。

圖2 信號檢測電路

　　在定時(shí)周期Tx內(nèi)，BISS0001的輸出端2為高電位，則晶體管VT1飽和導(dǎo)通，其集電極為低電位，將這一信號送到由單片機(jī)及無線發(fā)射電路組成的編碼及無線發(fā)射電路，接到編碼用的單片機(jī)的 P0.0口，單片機(jī)將該探頭編碼后通過無線發(fā)射；在Tx結(jié)束時(shí)，BISS0001進(jìn)入封鎖周期Ti，其輸出端變?yōu)榈碗娖?，晶體管截止，其集電極為高電平。BISS0001的1腳（A端）與電源相連，使信號檢測電路處于重復(fù)觸發(fā)。Tx定時(shí)間隔可由BISS0001的3腳和4腳上所接的電阻和電容來確定。信號檢測探頭仰角可在120°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并通過改變仰角來進(jìn)行實(shí)際探測距離的調(diào)節(jié)，我們可通過實(shí)際測試來調(diào)整，也可以調(diào)整信號檢測電路中的可調(diào)電阻RP來調(diào)整探頭的檢測距離，本設(shè)計(jì)電路可探測距離為30m。 

　　編碼電路與無線收發(fā)射模塊

　　編碼電路和無線發(fā)射電路由單片機(jī)和收發(fā)一體芯片nRF401組成，其電路外圍元件少，電路簡單。

　　本設(shè)計(jì)中采用挪威Nordic公司新推出的集發(fā)射接收為一體的nRF401無線數(shù)傳芯片，它是一個(gè)為433MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的真正單片機(jī)UHF無線收發(fā)芯片，采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)。采用高增益天線的情況下傳輸距離可達(dá)3000m。

　　編碼及無線收發(fā)射電路如圖3所示。通過AT89C51的P2.0口控制射頻芯片的PWR_UP，使其為“1”時(shí)表示進(jìn)入正常工作模式，為“0”時(shí)表示進(jìn)入待機(jī)模式；P2.2接射頻芯片的CS,控制發(fā)送接收頻率，為“1”表示工作頻率為434.32MHz。為“0”表示工作頻率為433.92MHz。P2.1控制射頻芯片的TXEN端，使其為“1”表示進(jìn)入發(fā)送模式，為“0”表示進(jìn)入接收模式。

圖3 無線收發(fā)射電路

　　MT8880與AT89C51及語音電路的接口

　　DTMF信號發(fā)送/接收電路采用MITEL公司推出的專門用于處理DTNF信號的專用集成電路MT8880芯片，不僅具有接收和發(fā)送DTMF信號的自動撥號功能，還可以檢測電話干線上撥號音、回鈴音和忙音等信號音。適合與單片機(jī)接口，外圍電路簡單。

　　MT8880內(nèi)部有5個(gè)寄存器，分別為接收數(shù)據(jù)寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器、收發(fā)控制寄存器CRA和CRB以及收發(fā)狀態(tài)寄存器。在本設(shè)計(jì)中，僅采用發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器、收發(fā)控制寄存器CRA和CRB發(fā)送DTMF信號實(shí)現(xiàn)自動撥號功能。發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)決定要發(fā)送的雙音頻信號的頻率，因此只能向發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)。兩個(gè)收發(fā)控制寄存器占用同一個(gè)地址，因此根據(jù)CRA中的寄存器選擇位的值決定是否對CRB進(jìn)行操作。

　　ISDl420語音芯片采用直接模擬存儲技術(shù)，且錄放音質(zhì)極好，并有一定的混響效果；它的外圍元件簡單，僅需簡單的阻、容器件即可組成簡單的錄、放音電路；無須后備電源，信息存儲時(shí)間長，不需要專用的編程器及語音開發(fā)器；具有較強(qiáng)的選址能力，可把存儲器分成160段來管理，形成最小的錄放時(shí)間為125ms。在本設(shè)計(jì)中，因需要四段報(bào)警提示語音，因此在語音分段方法設(shè)計(jì)時(shí)均將每段語音設(shè)為5s，其起始地址分別為00000000B、00101000B、01010000B、01111000B。

　　ISD1402的數(shù)據(jù)口A3、A4、A5、A6分別接單片機(jī)端口擴(kuò)展芯片8255的PB0、PB1、PB2、PB3口，A0、A1、A2、A7接地，PLAYL接8255的PB5腳，SP經(jīng)電容C14將語音信號偶合后送去電話接口電路。當(dāng)按下開關(guān)SB1，錄音指示LED發(fā)光并同時(shí)開始錄音。當(dāng)有警情時(shí)，單片機(jī)控制DTMF信號發(fā)送/接收電路自動撥打電話，電話接通后單片機(jī)根據(jù)不同的探測器送來的信號向ISD1420發(fā)送要放哪一段錄音的指令和放音指令。ISD1420則將語音信號送到電話接口電路，等待放音完畢以后，單片機(jī)發(fā)送掛機(jī)命令，報(bào)警完畢。

　　MT8880的D0～D3口分別接8255的PA0～PA3口，CLK2接PA4口，R/W接PA5口，RSO接PA6口，CS接PA7口，IRQ接主控電路處理器89C51的T0口，用來記錄各種脈沖的個(gè)數(shù)。來自語音電路的信號經(jīng)過R44送到電話線上去。繼電器K用來控制摘掛機(jī)，晶體管的B極接主控電路處理器89C51的  P1.2口，當(dāng)P1.2為“1”時(shí)，V2導(dǎo)通，繼電器K閉合，電話接通，當(dāng)P1.2為“0”時(shí)，V2截止，電話掛機(jī)。

　　主控電路處理器89C51的P0口分別接8255的D0～D7口和74HC373的D0～D7口,74HC373的Q0和Q1分別接8255的A0和A1,89C51的P2.5、P2.6、P2.7分別接74HC138的A、B、C口，74HC138的YO接8255的CS端。 

　　軟件設(shè)計(jì)

　　1 信號音的識別方法

　　系統(tǒng)在巡檢到警情信號后就模擬摘機(jī)。為了識別模擬摘機(jī)后電話系統(tǒng)是否處于可撥號的狀態(tài)、電話撥完號碼后電話是否接通以及對方是否摘機(jī)接聽電話等幾種狀態(tài)，系統(tǒng)必須進(jìn)行信號音的識別。為了識別信號音，必須知道各種信號音的特性。各種信號音特性如下。

　　● 撥號音：450±25Hz連續(xù)蜂音。
　　● 忙音：0.35s斷0.35s通的450  ±25Hz蜂音，音段周期為0.7s。
　　● 回鈴音：4s斷l(xiāng)s通的450±25Hz蜂音，音段周期為5s。

　　這些電話信號均是模擬信號，然而單片機(jī)是無法識別模擬信號的，故必須先將模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，然后再根據(jù)脈沖信號的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行識別。這些電話音頻信號的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算公式為N=tm/T。其中，N為每音段周期的脈沖個(gè)數(shù)；T為電話音頻信號的音頻周期，單位為s；tm為信號音段周期的導(dǎo)通時(shí)間，單位為s。

　　在實(shí)際使用中，主要需要識別撥號音、忙音和回鈴音。分析這3種信號的特性可以看出，在一定的計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)，其脈沖個(gè)數(shù)是不一樣的。在本設(shè)計(jì)中采用2s計(jì)數(shù)判斷撥號音，采用2.8s(即4個(gè)忙音周期)判斷是否為忙音。隨后采用ls為一個(gè)計(jì)數(shù)單元，采用計(jì)五次后的累加脈沖數(shù)來判斷對方是否接聽電話。若有，則放相應(yīng)的報(bào)警提示語音；否則再計(jì)ls，然后計(jì)算最后5s內(nèi)的脈沖數(shù)，再次判斷對方是否摘機(jī)。如此反復(fù)。直到超過等待時(shí)間仍沒有人接聽電話就掛機(jī)。由于干擾和一些其他因素的存在，難免會有誤判的現(xiàn)象而導(dǎo)致漏報(bào)警情。因此采取在所有預(yù)先設(shè)定的電話至少有一個(gè)撥通就只撥一遍。如果全部投撥通或者沒人接聽則把所有預(yù)存電話重?fù)芤槐?，這樣漏報(bào)報(bào)警的概率就非常低以致可忽略不計(jì)。

　　2 軟件流程圖及撥號程序

　　自動撥號程序的流程圖如圖4所示。

　　3 編程過程中應(yīng)注意的幾點(diǎn)

　　首先，MT8880的DTMF產(chǎn)生器是發(fā)送部分的主體，它產(chǎn)生全部16種失真小、精度高的標(biāo)準(zhǔn)雙音頻信號，這些頻率均由3.579545MHz晶體振蕩器分頻產(chǎn)生。電路由數(shù)字頻率合成器、行/列可編程分頻器、開關(guān)電容式D/A變換器組成。行和列單音正弦波經(jīng)混合、濾波后產(chǎn)生雙音頻信號。通過DTMF編解碼表把編碼數(shù)據(jù)寫入MT8880發(fā)送寄存器產(chǎn)生單獨(dú)的fLOW和fHIGH，一旦編碼錯(cuò)誤就會導(dǎo)致?lián)芴柺。试诰幊踢^程中要十分小心。

　　其次，在摘機(jī)后應(yīng)延時(shí)一段時(shí)間再去判斷摘機(jī)音，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用機(jī)械繼電器實(shí)現(xiàn)自動摘機(jī)，故應(yīng)考慮繼電器的響應(yīng)時(shí)間。

　　最后，一個(gè)電話號碼撥完后不能立即撥下一個(gè)電話號碼，應(yīng)保證掛機(jī)的最短有效時(shí)間以確保前一電話號碼確實(shí)已掛機(jī)，否則撥下一個(gè)電話號碼時(shí)會沒有撥號音。

圖4 撥號子程序流程圖

　　結(jié)論

　　該系統(tǒng)編碼解碼都用軟件方式實(shí)現(xiàn)，傳輸方式采用雙向傳輸。如果發(fā)生警情，則向主機(jī)發(fā)送一數(shù)據(jù)串，該數(shù)據(jù)串由以下幾個(gè)部分組成:4位地址碼，8位數(shù)據(jù)碼，1位起始位，1位奇偶校驗(yàn)位。主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后首先進(jìn)行校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)有錯(cuò)則要求重新發(fā)送剛才的數(shù)據(jù)，直到正確。接收到正確的數(shù)據(jù)信息后，接下來的工作就是核對地址碼，如果地址碼與主機(jī)設(shè)置的地址相同則表明該數(shù)據(jù)可能是來自本系統(tǒng)外的設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，不進(jìn)行解碼，收到與主機(jī)設(shè)置地址相同的數(shù)據(jù)才進(jìn)行解碼。