一种基于路灯补偿电容的电缆防盗系统设计

摘要 提出了一种通过测量照明线路补偿电容变化，来监测电缆是否被盗的新型电缆防盗报警系统设计方案。目前的照明路灯均具有较大的补偿电容，因此电缆上的电容将随电缆长度的变化而呈现规律性变化。新型系统正是基于以上原理测量电容值，通过AT89C51单片机计算分析精确定位出被盗位置，并通过语音芯片ISD25120，拨号芯片MT8888在电话上自动报警。在实际应用中，具有良好的报警效果。
关键词 电缆防盗；双音多频；语音芯片；单片机；自动报警

    实际应用中照明线路电缆时常出现被盗情况，不仅给国家带来损失，也严重影响了生产生活轶序。为防止电缆被盗，根据目前节能路灯照明系统采用单灯补偿电容的特性，设计了电缆防盗系统。

1 系统整体设计
    电缆上所有照明电灯是并联的，电缆上的每个照明电灯又可以等效为灯丝电阻和电容的并联，因而在电缆的一端即可测得线路上并联路灯电容的大小。如果有电缆被盗，则在电缆一端测得的总电容就会减小。根据测到的电容大小，就能判断电灯的个数，再结合电缆电灯的物理拓扑，即可判断出电缆被盗的具体地点。为将电灯的电容特性，用电信号来展示，文中使用了常见的555芯片，用555芯片构成多谐振荡器，由多谐振荡器的周期公式T=(R1+2R2)，Cln2可知，可将电灯的电容特性转化为脉冲信号的周期，单片机通过计算脉冲的周期，即可得到电缆上电容的大小、从而判断电缆是否被盗，以及被盗的具体位置。当单片机检测到电缆被盗时，就会向自动摘挂机模块发出一个摘机信号，然后将原先设定的电话号码发给自动拨号模块，拨号报警。该设计的总体框图如图1所示。

2 电路模块设计
2．1 继电器阵列与555阵列及路选模块设计
    在系统与电缆的接口部分，文中共用到24个继电器，构成了一个继电器阵列，所有继电器初始时均处于常开状态，唯独在时钟开关闭合时，才转到常闭状态，使系统连接到电缆。这是由于电缆被盗行为大部分都发生在电缆无电的情况，文中通过时钟开关控制继电器阵列，使系统只在电缆无电时才连接到电缆，监测电缆是否被盗。继电器阵列中的每个继电器分别对应一个有555芯片构成的多谐振荡器，单个多谐振荡器的电路图如图2所示。该类多谐振荡器在系统上也有24个，构成了一个555芯片阵列，其输入端通过继电器阵列分别与电缆中的零线及24根火线相连，其输出端均连接在一个由3个4051芯片构成的路选模块上，单片机通过控制片选模块，选择对某条线路进行检测。

    这里采用的继电器都是机械式的而非电子式，因为机械式继电器的电气特性比电子式的特性好，不会影响对电缆电容的测量。在多谐振荡器中，先在555芯片的1脚和2脚之间连接一个1μF的电容，使系统在未连接电缆之前，多谐振荡器就能起振，方便电路故障的检测，减小误差。因为，在确定电缆上电灯个数时，是以计算出的脉冲正周期的大小是否落在以初始化时的脉冲正周期的大小为中心的一个误差范围内，若在此范围内，则认为电缆上电灯的个数与初始化时的个数相等，否则不等。而在计算脉冲正周期的大小时，采用的是计算在其间通过计时脉冲的个数，如果多谐振荡器产生的脉冲的正周期越大，那么在其间通过的计时脉冲的个数则越多，计算出的脉冲周期的误差相对就越小。当然，也不是正周期越大越好，因为正周期越大，文中并接得电容就越大，在电缆电容发生变化时，输出的正周期变化相对也就越小，反而影响测量。鉴于这两方面的原因，通过计算和实际测量，发现与电缆电容并联一个1μF的电容是最佳选择。路选模块中用到的4051芯片是一个8选1的数据选择器。
2．2 单片机模块及复位模块设计
    单片机模块是整个系统的枢纽，负责协调控制整个系统的工作，任务的完成是由运行在其上的程序决定，其工作情况直接决定着系统的正常与稳定。为防止单片机由于外界因素而进入死循环，文中采用复位模块。实际上是一个由5045芯片构成的看门狗电路。其工作原理是若系统发生死机，不能及时喂狗，复位模块就会发出一个复位信号，使单片机重新进入正常工作状态，这就保证了系统的稳定性。
2．3 自动拨号设计
    该系统是基于PSTN的设计，需要将电话号码转化成DTMF信号。为完成这一工作，并做到电路的稳定，此模块采用由MT8888芯片构成的电路。MT8888是一种可与单片机直接连接的双音多频收发器件；有5个寄存器：发送数据寄存器(TDR)、接收数据寄存器(RDR)、状态寄存器(SR)、控制寄存器A(CRA)和控制寄存器B(CRB)；6种工作模式：DTMF模式、呼叫处理(CALL)模式、突发(BURST)模式、单／双音(S／D)产生模式、测试(TEST)模式、中断模式。各种模式的选择如表1和表2所示。设计中重点用到了DTMF模式，CALL模式和BURST模式。

    在图3电路中，利用单片机在读写过程中，ALE管脚自动变为低电平的特性，将单片机的ALE管脚和MT8888的CS_自接相连，使在单片机与MT8888传送数据时自动选中MT8888芯片。在拨号阶段，先对MT8888进行初始化，再通过设置MT8888的控制寄存器A与控制寄存器B，使MT8888工作在DTMF模式和BURST模式下。随后，通过MT8888的D0～D3管脚，向MT8888发送预存的电话号码，经MT8888编码后，生成DTMF信号，再由MT8888的Tone管脚送到电话交换机。应注意的是，对MT8888芯片而言，DTMF信号的0对应的是编码中的“1010”而非"0000”。TONE脚到电话线之间要有一个二极管，如图3的D8888_1，具有保护电路的作用，防止在检测回铃音时，从交换机发送的回铃音信号送到MT8888的输出端，影响MT8888的正常工作。在摘机判别阶段，通过设置MT8888的控制寄存器A和B，使MT8888工作在CALL与BURST工作模式下。此时，回铃音先从
MT8888的IN脚输入，经MT8888的转换，变成脉冲信号，经MT8888的IRQ_管脚，送到单片机的T1脚，经过单片机计算该脉冲的占空比和周期，就可判断出是否为回铃音，这就能确定电话是否接通。如果对方摘机应答，交换机就会停止送回铃音，系统则可判断对方已经摘机，此时，单片机可向语音模块发送播放语音的指令。

2．4 语音模块设计
    设计采用人性化设计，使用语音报警。在进行语音模块设计时，为方便控制及传送高度保真语音，采用ISD25120芯片。

    设计中采用的电路如图4所示，图中总线(A0～An)与单片机相连，OU_HE与电话线接口电路相连。考虑到远距离测量补偿电容时会产生较大误差，设定的检测距离会缩短为东西各750 m，再考虑到单片机的管脚数目及语音的连续性，采用了ISD25120的地址模式。在录音阶段，则采用地址模式，使用ISD25120芯片的录音电路，将分解的语音段存储在不同的地址上，以被单片机调用，组成所需的语音。具体的录音长度可自由更改，但要防止因重叠而产生的语音覆盖现象。在放音阶段，先使CE_变为低电平，选中ISD25120；然后使PD由高电平变为低电平，P ／R_脚变为高电平，再通过控制语音芯片的地址，调用各段语音，根据语音段的结束标志_OEM，转到下一段语音，这就能组成各种情况的语音。
2．5 电路设计
    为能够将双音多频信号及语音信号耦合到电话线上，又不使电话线上相对较高的电压加到电路上，以至于损害电路，可通过继电器，控制摘机操作。当继电器闭合时，300 Ω电阻就并联在电话线的两端，使电话线上两端的电压下降，达到模拟摘机的作用。同时在电路中采用耐压电容隔绝电话线上的直流电压，通过1：1音频耦合变压器，将音频信号耦合到电话线上。

3 软件部分设计
    根据从变电所输出8根主线，每根主线包含三根火线和一根零线。如果给主线编号，各个主线与变电所及马路的位置是按如下规定，第1、2号主线的方向是从变电所向东马路右侧；第3、4号主线的方向是从变电所向东马路左侧；第5、6号主线的方向是从变电所向西马路右侧；第7、8号主线的方向是从变电所向西马路左侧。相邻两根主线的结构及其电灯的分布特点如图5所示，每根主线上两盏相邻的电灯的距离是100 m，相邻的两条主线上对应的两盏相邻电灯之间的距离为50 m。

    在确定断线的方位和位置时，根据电灯的电容特性，可依次扫描各个主线上的各根火线与零线之间的电容值，来确定对应火线上电灯的个数，进而判定断点处的位置。以第1、第2号主线为例，如图5所示。在扫描主线1时，先扫描火1与零1之间灯的个数，可确定断点处在灯1和灯7之间，再扫描火2与零1之间灯的个数，就可知道断点处在灯2和灯7之间，接着扫描火3与零1之间灯的个数，则可确定断点处在灯2与灯3之间。和扫描主线1的步骤相同，接着扫描主线2，就可发现断点处位于灯4与灯5之间。然后根据主线1与主线2之间的位置关系，可确定断点处位于灯2和灯5之间，位置可以精确在50 m范围内。
    程序初始化阶段包含要用到的各个参数的初始值的设定和单片机的自学习过程。自学习就是每次系统启动时，单片机通过计算从555芯片送入的脉冲周期，确定电灯的个数，并将结果作为基准存储到指定单元中，当系统在运行过程中发现某条电缆上电灯数目与存储单元中与其对应的电灯个数不同时，就会启动报警程序。增加自我学习过程是为应对以后变电所有可能根据实际需要而做出的电灯的正常增减，使系统不至于在正常增减的情况下，发生错误报警，提高系统的自适应性。摘机并报告位置的程序流程图如图6。在此程序流程图中，是以单片机存放两组电话号码为例说明报警的过程，并可根据需要，自由增减电话号码。

4 结束语
    在实际应用中，可以在环城路的每个变电所内安装该系统，各系统可以检测对应变电所的左右各750 m距离的电缆，误差距离可控制在50 m以内，具有较好的防盗报警效果。并且，通过对拨号模块的改进，便于做出基于GSM和小灵通等无线方式的报警系统。