摘要 提出了一種通過(guò)測(cè)量照明線路補(bǔ)償電容變化，來(lái)監(jiān)測(cè)電纜是否被盜的新型電纜防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。目前的照明路燈均具有較大的補(bǔ)償電容，因此電纜上的電容將隨電纜長(zhǎng)度的變化而呈現(xiàn)規(guī)律性變化。新型系統(tǒng)正是基于以上原理測(cè)量電容值，通過(guò)AT89C51單片機(jī)計(jì)算分析精確定位出被盜位置，并通過(guò)語(yǔ)音芯片ISD25120，撥號(hào)芯片MT8888在電話上自動(dòng)報(bào)警。在實(shí)際應(yīng)用中，具有良好的報(bào)警效果。
關(guān)鍵詞 電纜防盜；雙音多頻；語(yǔ)音芯片；單片機(jī)；自動(dòng)報(bào)警

    實(shí)際應(yīng)用中照明線路電纜時(shí)常出現(xiàn)被盜情況，不僅給國(guó)家?guī)?lái)?yè)p失，也嚴(yán)重影響了生產(chǎn)生活軼序。為防止電纜被盜，根據(jù)目前節(jié)能路燈照明系統(tǒng)采用單燈補(bǔ)償電容的特性，設(shè)計(jì)了電纜防盜系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
    電纜上所有照明電燈是并聯(lián)的，電纜上的每個(gè)照明電燈又可以等效為燈絲電阻和電容的并聯(lián)，因而在電纜的一端即可測(cè)得線路上并聯(lián)路燈電容的大小。如果有電纜被盜，則在電纜一端測(cè)得的總電容就會(huì)減小。根據(jù)測(cè)到的電容大小，就能判斷電燈的個(gè)數(shù)，再結(jié)合電纜電燈的物理拓?fù)洌纯膳袛喑鲭娎|被盜的具體地點(diǎn)。為將電燈的電容特性，用電信號(hào)來(lái)展示，文中使用了常見(jiàn)的555芯片，用555芯片構(gòu)成多諧振蕩器，由多諧振蕩器的周期公式T=(R1+2R2)，Cln2可知，可將電燈的電容特性轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)的周期，單片機(jī)通過(guò)計(jì)算脈沖的周期，即可得到電纜上電容的大小、從而判斷電纜是否被盜，以及被盜的具體位置。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到電纜被盜時(shí)，就會(huì)向自動(dòng)摘掛機(jī)模塊發(fā)出一個(gè)摘機(jī)信號(hào)，然后將原先設(shè)定的電話號(hào)碼發(fā)給自動(dòng)撥號(hào)模塊，撥號(hào)報(bào)警。該設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示。

2 電路模塊設(shè)計(jì)
2．1 繼電器陣列與555陣列及路選模塊設(shè)計(jì)
    在系統(tǒng)與電纜的接口部分，文中共用到24個(gè)繼電器，構(gòu)成了一個(gè)繼電器陣列，所有繼電器初始時(shí)均處于常開(kāi)狀態(tài)，唯獨(dú)在時(shí)鐘開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，才轉(zhuǎn)到常閉狀態(tài)，使系統(tǒng)連接到電纜。這是由于電纜被盜行為大部分都發(fā)生在電纜無(wú)電的情況，文中通過(guò)時(shí)鐘開(kāi)關(guān)控制繼電器陣列，使系統(tǒng)只在電纜無(wú)電時(shí)才連接到電纜，監(jiān)測(cè)電纜是否被盜。繼電器陣列中的每個(gè)繼電器分別對(duì)應(yīng)一個(gè)有555芯片構(gòu)成的多諧振蕩器，單個(gè)多諧振蕩器的電路圖如圖2所示。該類多諧振蕩器在系統(tǒng)上也有24個(gè)，構(gòu)成了一個(gè)555芯片陣列，其輸入端通過(guò)繼電器陣列分別與電纜中的零線及24根火線相連，其輸出端均連接在一個(gè)由3個(gè)4051芯片構(gòu)成的路選模塊上，單片機(jī)通過(guò)控制片選模塊，選擇對(duì)某條線路進(jìn)行檢測(cè)。

    這里采用的繼電器都是機(jī)械式的而非電子式，因?yàn)闄C(jī)械式繼電器的電氣特性比電子式的特性好，不會(huì)影響對(duì)電纜電容的測(cè)量。在多諧振蕩器中，先在555芯片的1腳和2腳之間連接一個(gè)1μF的電容，使系統(tǒng)在未連接電纜之前，多諧振蕩器就能起振，方便電路故障的檢測(cè)，減小誤差。因?yàn)?，在確定電纜上電燈個(gè)數(shù)時(shí)，是以計(jì)算出的脈沖正周期的大小是否落在以初始化時(shí)的脈沖正周期的大小為中心的一個(gè)誤差范圍內(nèi)，若在此范圍內(nèi)，則認(rèn)為電纜上電燈的個(gè)數(shù)與初始化時(shí)的個(gè)數(shù)相等，否則不等。而在計(jì)算脈沖正周期的大小時(shí)，采用的是計(jì)算在其間通過(guò)計(jì)時(shí)脈沖的個(gè)數(shù)，如果多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖的正周期越大，那么在其間通過(guò)的計(jì)時(shí)脈沖的個(gè)數(shù)則越多，計(jì)算出的脈沖周期的誤差相對(duì)就越小。當(dāng)然，也不是正周期越大越好，因?yàn)檎芷谠酱?，文中并接得電容就越大，在電纜電容發(fā)生變化時(shí)，輸出的正周期變化相對(duì)也就越小，反而影響測(cè)量。鑒于這兩方面的原因，通過(guò)計(jì)算和實(shí)際測(cè)量，發(fā)現(xiàn)與電纜電容并聯(lián)一個(gè)1μF的電容是最佳選擇。路選模塊中用到的4051芯片是一個(gè)8選1的數(shù)據(jù)選擇器。
2．2 單片機(jī)模塊及復(fù)位模塊設(shè)計(jì)
    單片機(jī)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的樞紐，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，任務(wù)的完成是由運(yùn)行在其上的程序決定，其工作情況直接決定著系統(tǒng)的正常與穩(wěn)定。為防止單片機(jī)由于外界因素而進(jìn)入死循環(huán)，文中采用復(fù)位模塊。實(shí)際上是一個(gè)由5045芯片構(gòu)成的看門狗電路。其工作原理是若系統(tǒng)發(fā)生死機(jī)，不能及時(shí)喂狗，復(fù)位模塊就會(huì)發(fā)出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)重新進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這就保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2．3 自動(dòng)撥號(hào)設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)是基于PSTN的設(shè)計(jì)，需要將電話號(hào)碼轉(zhuǎn)化成DTMF信號(hào)。為完成這一工作，并做到電路的穩(wěn)定，此模塊采用由MT8888芯片構(gòu)成的電路。MT8888是一種可與單片機(jī)直接連接的雙音多頻收發(fā)器件；有5個(gè)寄存器：發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器(TDR)、接收數(shù)據(jù)寄存器(RDR)、狀態(tài)寄存器(SR)、控制寄存器A(CRA)和控制寄存器B(CRB)；6種工作模式：DTMF模式、呼叫處理(CALL)模式、突發(fā)(BURST)模式、單／雙音(S／D)產(chǎn)生模式、測(cè)試(TEST)模式、中斷模式。各種模式的選擇如表1和表2所示。設(shè)計(jì)中重點(diǎn)用到了DTMF模式，CALL模式和BURST模式。

    在圖3電路中，利用單片機(jī)在讀寫過(guò)程中，ALE管腳自動(dòng)變?yōu)榈碗娖降奶匦裕瑢纹瑱C(jī)的ALE管腳和MT8888的CS_自接相連，使在單片機(jī)與MT8888傳送數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)選中MT8888芯片。在撥號(hào)階段，先對(duì)MT8888進(jìn)行初始化，再通過(guò)設(shè)置MT8888的控制寄存器A與控制寄存器B，使MT8888工作在DTMF模式和BURST模式下。隨后，通過(guò)MT8888的D0～D3管腳，向MT8888發(fā)送預(yù)存的電話號(hào)碼，經(jīng)MT8888編碼后，生成DTMF信號(hào)，再由MT8888的Tone管腳送到電話交換機(jī)。應(yīng)注意的是，對(duì)MT8888芯片而言，DTMF信號(hào)的0對(duì)應(yīng)的是編碼中的“1010”而非"0000”。TONE腳到電話線之間要有一個(gè)二極管，如圖3的D8888_1，具有保護(hù)電路的作用，防止在檢測(cè)回鈴音時(shí)，從交換機(jī)發(fā)送的回鈴音信號(hào)送到MT8888的輸出端，影響MT8888的正常工作。在摘機(jī)判別階段，通過(guò)設(shè)置MT8888的控制寄存器A和B，使MT8888工作在CALL與BURST工作模式下。此時(shí)，回鈴音先從
MT8888的IN腳輸入，經(jīng)MT8888的轉(zhuǎn)換，變成脈沖信號(hào)，經(jīng)MT8888的IRQ_管腳，送到單片機(jī)的T1腳，經(jīng)過(guò)單片機(jī)計(jì)算該脈沖的占空比和周期，就可判斷出是否為回鈴音，這就能確定電話是否接通。如果對(duì)方摘機(jī)應(yīng)答，交換機(jī)就會(huì)停止送回鈴音，系統(tǒng)則可判斷對(duì)方已經(jīng)摘機(jī)，此時(shí)，單片機(jī)可向語(yǔ)音模塊發(fā)送播放語(yǔ)音的指令。

2．4 語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)采用人性化設(shè)計(jì)，使用語(yǔ)音報(bào)警。在進(jìn)行語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)時(shí)，為方便控制及傳送高度保真語(yǔ)音，采用ISD25120芯片。

    設(shè)計(jì)中采用的電路如圖4所示，圖中總線(A0～An)與單片機(jī)相連，OU_HE與電話線接口電路相連?？紤]到遠(yuǎn)距離測(cè)量補(bǔ)償電容時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，設(shè)定的檢測(cè)距離會(huì)縮短為東西各750 m，再考慮到單片機(jī)的管腳數(shù)目及語(yǔ)音的連續(xù)性，采用了ISD25120的地址模式。在錄音階段，則采用地址模式，使用ISD25120芯片的錄音電路，將分解的語(yǔ)音段存儲(chǔ)在不同的地址上，以被單片機(jī)調(diào)用，組成所需的語(yǔ)音。具體的錄音長(zhǎng)度可自由更改，但要防止因重疊而產(chǎn)生的語(yǔ)音覆蓋現(xiàn)象。在放音階段，先使CE_變?yōu)榈碗娖?，選中ISD25120；然后使PD由高電平變?yōu)榈碗娖?，P ／R_腳變?yōu)楦唠娖剑偻ㄟ^(guò)控制語(yǔ)音芯片的地址，調(diào)用各段語(yǔ)音，根據(jù)語(yǔ)音段的結(jié)束標(biāo)志_OEM，轉(zhuǎn)到下一段語(yǔ)音，這就能組成各種情況的語(yǔ)音。
2．5 電路設(shè)計(jì)
    為能夠?qū)㈦p音多頻信號(hào)及語(yǔ)音信號(hào)耦合到電話線上，又不使電話線上相對(duì)較高的電壓加到電路上，以至于損害電路，可通過(guò)繼電器，控制摘機(jī)操作。當(dāng)繼電器閉合時(shí)，300 Ω電阻就并聯(lián)在電話線的兩端，使電話線上兩端的電壓下降，達(dá)到模擬摘機(jī)的作用。同時(shí)在電路中采用耐壓電容隔絕電話線上的直流電壓，通過(guò)1：1音頻耦合變壓器，將音頻信號(hào)耦合到電話線上。

3 軟件部分設(shè)計(jì)
    根據(jù)從變電所輸出8根主線，每根主線包含三根火線和一根零線。如果給主線編號(hào)，各個(gè)主線與變電所及馬路的位置是按如下規(guī)定，第1、2號(hào)主線的方向是從變電所向東馬路右側(cè)；第3、4號(hào)主線的方向是從變電所向東馬路左側(cè)；第5、6號(hào)主線的方向是從變電所向西馬路右側(cè)；第7、8號(hào)主線的方向是從變電所向西馬路左側(cè)。相鄰兩根主線的結(jié)構(gòu)及其電燈的分布特點(diǎn)如圖5所示，每根主線上兩盞相鄰的電燈的距離是100 m，相鄰的兩條主線上對(duì)應(yīng)的兩盞相鄰電燈之間的距離為50 m。

    在確定斷線的方位和位置時(shí)，根據(jù)電燈的電容特性，可依次掃描各個(gè)主線上的各根火線與零線之間的電容值，來(lái)確定對(duì)應(yīng)火線上電燈的個(gè)數(shù)，進(jìn)而判定斷點(diǎn)處的位置。以第1、第2號(hào)主線為例，如圖5所示。在掃描主線1時(shí)，先掃描火1與零1之間燈的個(gè)數(shù)，可確定斷點(diǎn)處在燈1和燈7之間，再掃描火2與零1之間燈的個(gè)數(shù)，就可知道斷點(diǎn)處在燈2和燈7之間，接著掃描火3與零1之間燈的個(gè)數(shù)，則可確定斷點(diǎn)處在燈2與燈3之間。和掃描主線1的步驟相同，接著掃描主線2，就可發(fā)現(xiàn)斷點(diǎn)處位于燈4與燈5之間。然后根據(jù)主線1與主線2之間的位置關(guān)系，可確定斷點(diǎn)處位于燈2和燈5之間，位置可以精確在50 m范圍內(nèi)。
    程序初始化階段包含要用到的各個(gè)參數(shù)的初始值的設(shè)定和單片機(jī)的自學(xué)習(xí)過(guò)程。自學(xué)習(xí)就是每次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)計(jì)算從555芯片送入的脈沖周期，確定電燈的個(gè)數(shù)，并將結(jié)果作為基準(zhǔn)存儲(chǔ)到指定單元中，當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某條電纜上電燈數(shù)目與存儲(chǔ)單元中與其對(duì)應(yīng)的電燈個(gè)數(shù)不同時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警程序。增加自我學(xué)習(xí)過(guò)程是為應(yīng)對(duì)以后變電所有可能根據(jù)實(shí)際需要而做出的電燈的正常增減，使系統(tǒng)不至于在正常增減的情況下，發(fā)生錯(cuò)誤報(bào)警，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性。摘機(jī)并報(bào)告位置的程序流程圖如圖6。在此程序流程圖中，是以單片機(jī)存放兩組電話號(hào)碼為例說(shuō)明報(bào)警的過(guò)程，并可根據(jù)需要，自由增減電話號(hào)碼。

4 結(jié)束語(yǔ)
    在實(shí)際應(yīng)用中，可以在環(huán)城路的每個(gè)變電所內(nèi)安裝該系統(tǒng)，各系統(tǒng)可以檢測(cè)對(duì)應(yīng)變電所的左右各750 m距離的電纜，誤差距離可控制在50 m以內(nèi)，具有較好的防盜報(bào)警效果。并且，通過(guò)對(duì)撥號(hào)模塊的改進(jìn)，便于做出基于GSM和小靈通等無(wú)線方式的報(bào)警系統(tǒng)。