工程師黃明星 發表於 2018-08-07 16:00:42
利用現有的個人通信終端，實現基於陸基移動通信網（PLMN）和公用電話交換網（PSTN）的電話遠程控制系統，將傳統的個體電器進行智能化的統一管理和控制，如家用電器的定時開啟、家居環境的監聽等，可使人們盡情享受高科技帶來的簡便而時尚的現代生活。
（1）遠程家電控制功能。通過電話終端通信設備對家中電器實現遠程控制，如控制電飯煲煮飯、空調開機等。
（2）自動模擬摘掛機。在規定的振鈴次數內，認為是正常來電，可正常通話；超過規定振鈴計數，系統自動模擬摘機。
（3）主人身份校驗。密碼操作。
（4）語音提示。按提示音操作。
（5）聲音監聽。通過電話遙控家中座機模擬摘機，監聽家居環境聲音，隨時了解家中情況。
（6）電器延時開、關。控制家電開關機的定時時間，更好地服務主人。
（7）狀態查詢。隨時查詢家用電器的工作狀態。
本系統以單片機為核心，加上振鈴檢測與模擬摘機電路、聲音監聽與語音提示電路、雙音多頻信號DTMF（Dual Tone Multi Frequency）解碼電路、密碼存儲及家電控制電路等構成，系統總體框圖如圖1所示。根據電話機和交換機發出的不同信號音以及電話線各種狀態的不同要求，結合實際情況對具體的單元功能模塊作出軟體或硬體上的不同分工。其中，信號音檢測、自動摘掛機、控制電器、DTMF解碼及密碼存儲等功能模塊使用硬體電路實現，而信號音計數、密碼校驗、信息分析、電器狀態查詢、密碼修改等功能模塊使用軟體編程完成。
本系統的一大特點是採用了盛群公司的HT46RU232單片機［2］。HT46RU232是一款8 bit的精簡指令集單片機，有4 096×16 bit程序存儲器 ROM、192×8 bit數據存儲器RAM、 1個8 bit和2個16 bit的具有溢出中斷的可編程定時/計數器、八層硬體堆棧、有可降低功耗的HALT和喚醒功能等。不但運算速度快，集成功能強大，而且價格更便宜，非常適合於家用電器及工業控制。HT46RU232有28腳和48腳DIP兩種封裝形式（主要是I/O引腳數目不同），本系統根據實際需要選用28腳封裝，使硬體裝置體積大為縮小，系統性價比更高。本文主要給出應用電路設計，其晶片介紹可參閱參考文獻［3］。
設計系統採用單片機最小系統方式工作，如圖2所示。單片機外接晶振和復位電路，PA、PB、PC、PD 4個口全部用作外接電路的輸入/輸出。其中，PC0、PC1和PC2用于振鈴檢測和模擬摘機，PB口和PA4、PA6、PA7用於語音提示及聲音監聽，PA0~PA3及PA5用於DTMF檢測；PC3和PC4用於密碼存儲，PD0和PD1用於電器控制。需要注意的是，HT46RU232單片機晶振頻率採用的是4 MHz或8 MHz，而復位採用的是低電壓復位方式，與80C51單片機系統不同。
振鈴檢測及模擬摘機電路主要包括振鈴檢測、模擬摘機和摘機監測三個功能［4］，如圖3所示。
（1）振鈴檢測：檢測有無鈴流。在電話線路未來鈴流前，電話線路由電話交換機提供約48 V的直流電壓，直流信號不能通過電容C4、C9，所以光耦U3不起作用，振鈴信號檢測端PC2輸出高電平。當用戶被呼叫時，電話交換機發來振鈴信號，振鈴為25±3 Hz 的正弦波，以5 s為周期，（1 s送，4 s斷），振鈴電壓有效值為90±15 V。振鈴信號通過C4、C9，再經過光耦U3的隔離轉換，輸出很標準的方波。方波信號由PC2埠輸入單片機進行計數，完成振鈴音次數的檢測。
（2）模擬摘機：當單片機的振鈴計數達到預定的次數（振鈴計數可以由軟體設定）仍無人摘機時，系統即認為不是進行正常通話，而是要進行家電的遠程控制。則單片機通過輸出口PC0發出一個低電平，光耦U2工作，Q2基極得到一個高電平，Q2、Q1導通，平時48 V的高電壓通過Q1、發光二極體D4和R27後降為7 V~8 V的低電壓，從而實現了模擬摘機功能。
（3）摘機監測：電路中的DW1、R7、R26、C13、U6 組成電話線路摘機監測，平時電話線路的48 V電壓使得DW1擊穿，光耦U6工作，PC1輸出低電平。當系統接收到振鈴信號且達到規定的振鈴次數後模擬摘機時，電話線路上電壓由原來的48 V下降到7 V~8 V，此時DW1 截止，U6停止工作，PC1輸出高電平。即單片機測試到PC1腳的高電平，就可確定系統已經模擬摘機，從而進行下一步的語音提示功能操作及DTMF解碼工作。
需要注意的是，振鈴檢測與模擬摘機部分是電話網絡的48 V高電壓，與系統其他部分的5 V電壓不同，必須隔離。單片機與本部分電路連接所用的I/O口都採用了光電耦合，語音電路輸出給本部分電路的音頻信號採用變壓器耦合才能正確傳輸。
語音提示是系統的重要組成部分，能為用戶提供直觀的反饋信息，引導用戶更好地進行系統的操作。語音晶片能將需要的操作規則事先存於晶片中，根據不同的DTMF信號產生不同的提示信息，從而完成控制整個系統的目的。由於需要存儲的信息容量比較大，本系統選用了ISD2560語音晶片，其電路如圖4所示。
聲音監聽和語音提示都由PA4進行控制，監測家居環境的聲音信號由安置在房間內的MIC 話筒產生，而語音信號由ISD2560語音晶片輸出。當PA4為高電平時，三極體Q7截止，對聲音信號和語音信號沒有放大功能；當PA4為低電平時，三極體Q6、Q12導通，繼電器K3動作，K3觸頭控制ISD2560 Q7的SP-接地，三極體Q7 導通，對信號有放大作用。通過電話線傳輸，此時用戶在遠處通過電話或手機就可實現對家居環境的監聽或者自動語音提示。
ISD2560是高度集成的語音晶片，可錄60 s的語音信息，只需外接少量的阻容元件即可進行錄放音操作［5］。本系統採用了硬體方式錄音，錄音前先給A0~A9賦值，然後再開相應的埠就可以實現錄音功能，錄音結束晶片內部自動在該段的結束位置插入結束標誌（EOM）。在系統運行過程中根據需要，從相應的錄音地址中取出對應的語音信號進行播放，遇到EOM 標誌即自動停止放音，從而引導用戶進行下一步的操作。
需要注意的是，本程序中涉及的放音地址不是語音輸入地址而是PB口給語音晶片送的地址。
本系統採用EEPROM存儲密碼。為了減小電路的體積及單片機I/O口，存儲器採用了AT24C02串行EEPROM晶片。該晶片有2 KB的存儲空間，當系統掉電後密碼也不會丟失。密碼存儲電路如圖5所示。
AT24C02 的1、2、3 腳是三條地址線，用於確定晶片的硬體地址。在與HT46RU232連接時全部接地，第8腳和第4 腳分別為正、負電源。第5腳DATA為串行數據輸入/輸出，數據通過這條雙向I2C串行總線與單片機的PC4進行數據傳送。第6腳CLK為串行時鐘輸入線，與單片機的PC3連接。DATA 和CLK都需外接一個10 k？贅的上拉電阻才能正常工作。可通過軟體編程對密碼進行存儲和修改［6］。
DTMF檢測電路是整個系統的關鍵部分，其工作情況直接決定了系統的可靠性。DTMF編解碼方式在電話撥號系統中應用非常廣泛，其突出的優點是抗幹擾能力很強。本系統採用專用的雙音頻解碼集成晶片MT8870［7］，其電路如圖6所示。圖中，PA5 為單片機的中斷引腳，當MT8870 接收來自電話線的雙音多頻信號並準備好輸出時，產生中斷信號。MT8870的2、3 腳接收來自電話機的雙音多頻脈衝信號，該信號先經其內部的撥號音濾波器和濾除撥號音信號，然後經前置放大後送入雙音頻濾波器，將雙音頻信號按高、低音頻信號分開，再經高、低群濾波器，幅度檢測器送入輸出解碼電路，經過數字運算後，在其數據輸出端（11~14腳）輸出相對應的8421 碼。MT8870 的數據輸出端Q1~Q4連到單片機的PA0~PA3口線上，由單片機識別出4 位代碼。
需要注意，為了使單片機獲取有效數據，MT8870 的STD 有效端經反相後接CPU 的引腳INT。當MT8870獲取有效雙音多頻信號後，STD 電平由低變高，再反相為低，CPU 檢測後，指示PA 口從Q1~Q4接收有效二進位代碼。而無效的雙音頻信號（電話線路雜音、人們的語音信號等）是不會引起MT8870的STD端變化的。
本系統採用繼電器來控制家用電器的開關。單片機的PD0和PD1輸出低電平控制兩路繼電器，從而控制兩路家電，如空調和電飯煲。根據需要，還可設定延時開、延時關的功能。電器控制電路如圖7所示。若採用解碼器進行擴展，可控制更多路的家電。
為提高控制系統的可靠性、可維護性和編程效率性，控制系統的軟體採用模塊化結構，用C語言編寫。在硬體的基礎上，智能型電話遙控器的所有功能都由軟體實現，通過軟體編程可以控制電器的開關、延時開關、聲音監聽及語音提示等。軟體模塊包括振鈴檢測、模擬摘機、語音提示、密碼存儲、MT8870中斷等［8］。圖8為系統軟體流程圖。由於篇幅所限，下面只給出MT8870中斷程序部分。
/************MT8870中斷**************/
#pragma vector isr_int @ 0x004
void isr_int（void）
{
uchar i，k;
k=0;
j=0;
dat=_pa;
dat=dat&0x0f;
if （allow == 1）
{
function（）;
}
if （allow == 0）
{
GRingCount++;
if （GRingCount 《 7）
{
if （dat == 10）
{
data1［GRingCount-1］ = 0;
} else
{
data1［GRingCount-1］ = dat;
}
} else {
if （dat == 0x0c）
{
for （i = 0; i 《 6; i++）
{
if （ucGpassward［i］ == data1［i］）
{
k++;
_nop（）;
}
}
if （k==6）
{
allow=1;
GRingCount=0;
i=0;
k=0; //密碼輸入正確
ISDPlay（5）;
//調第6段放音程序，提示進行下一步操作
} else
{
allow=0;
i=0;
k=0;
GRingCount=0;
j++;
if （j《3）
{
ISDPlay（1）;
//調第2段放音程序，提示密碼輸入錯誤
}
if （j 》= 3）
{
Holdon=1;
j=0;
} //密碼輸入錯誤三次則掛機
}
}
測試結果表明，本系統能夠通過任一部電話、手機對家用電器進行遠程遙控，實現了密碼存儲、修改及家居環境聲音監聽等功能，系統工作正常。
本文介紹的智能家居控制系統，充分利用現有電話網絡的特點，不需專門布線，不佔用無線電頻率資源，不受距離和環境影響，節約了成本。採用了高性價比的HT46RU232單片機，與傳統的80C51單片機相比，更具有競爭優勢；系統具有遠程家電控制、工作狀態查詢、環境聲音監聽等多項功能，操作過程需要驗證密碼，較好地避免了電話正常使用時對家用電器的誤操作，可以讓家居生活更加舒適、安全、高效。系統略作改進，也可適用於生活小區、工業企業等不同環境的監控管理，因此具有較高的實用性和推廣價值。
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