毕业设计（论文）-基于单片机的家用电器电话远程控制系统.pdf

- i - 基于单片机的家用电器电话远程控制系统基于单片机的家用电器电话远程控制系统基于单片机的家用电器电话远程控制系统基于单片机的家用电器电话远程控制系统 摘要摘要摘要摘要 本文设计的是一种基于 at89c51 单片机的远程电话控制系统。该系统是以 at89c51 为核心、利用现有的个人通信终端,实现基于 plmn(陆基移动通信网)和 pstn(公用电话交换网)的电话远程控制系统。电话远程控制系统(itrcs),以 ccitt（国际电报电话咨询委员会）及我国标准共同规定的部分标准程控交换信 令(dtmf 双音多频信号,振铃信号,回铃音信号等)作为系统控制命令,以 plmn 与 pstn 通信网作为传输介质,使用者可以在远端利用固定电话或移动电话发送 dtmf 双音多频信号,实现对近端电器设备的实时远程控制。该电话远程控制系 统不需进行专门的布线,不占用无线电频率资源,从而可避免电磁污染；且通过 嵌入式的智能语音提示,突出的语音提示功能和密码控制系统,可使操作者根据 各种提示音及时了解受控对象的有关信息。还可通过发出语音命令用电话远程 控制多个受控对象,用户可以查询其状态,提供密码处理功能,只有输入正确的密 码才能控制家电,从而提高了安全性。该系统设计实用，功能灵活多样，可靠性 高，操作方便，可以广泛地应用于家庭或者其它场所的智能控制。 关键词关键词关键词关键词at89c51；远程电话控制；dtmf；智能家电 哈尔滨理工大学学士学位论文 - ii - thethethethetelephonetelephonetelephonetelephone remoteremoteremoteremote controlcontrolcontrolcontrol systemsystemsystemsystem forforforforhouseholdhouseholdhouseholdhousehold electronicelectronicelectronicelectronicapplianceapplianceapplianceappliance basebasebasebase onononon thethethethe microcontrollermicrocontrollermicrocontrollermicrocontroller abstractabstractabstractabstract the article designed the remote telephone control system which based on microcontroller at89c51. basing on the plmn and pstn, the system which uses the core controller single-chip microcomputer at89c51 realizes long-distance control household appliances. the telephone control system (itrcs) which uses the telephone net convert and voice information receives dtmf code from the telephone net, and interpret the code, the core controller controls the state of household appliances responded to the interpretation. long distance control of telephone does not require special wires distribution and does not take up wireless frequency resources. electro magnetic pollution can thus be avoided. the designing of a system of longdistance control based on sound processing technology and dtmf decoding technology is presented in this paper. by using sound commands of sound recognition technology, this system realizes its control of household electrical appliances through telephone networks and so realizes the intelligently control of them in residence. the embedded and intelligent sound indication, its outstanding sound function of prompt and its code control system enable the operators to timely obtain the relative information of the controlled objects through indicated sounds. the system can use telephone to control many household electrical appliances in long distance through uttering sound commands and provides the code safeguard function. only through inputting the correct password to control them, the users can control the condition of household electrical equipment, so the system security can be improved. this system is practical, and the function is flexible, and the operation is convenient with high reliability, which can be used extensive in various kinds of control equipment to home and others field. keywordskeywordskeywordskeywordsat89c51；telephone remote control；dtmf；household appliances 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iii - 目录目录目录目录 摘要i abstract.ii 第 1 章 绪论.1 1.1 本课题研究的背景.1 1.2 远程控制的内容.2 第 2 章 系统设计可行性分析.4 2.1 总体设计分析.4 2.1.1 系统总体设计分析.5 2.1.2 单片机简介.5 2.2 硬件模块.6 2.2.1 模拟摘机电路.7 2.2.2 振铃检测电路.7 2.2.3 控制部分电路.7 2.2.4 双音解码电路.7 2.2.5 语音提示电路.8 2.3 软件模块.8 2.3.1 信号音检测.9 2.3.2 密码检测.9 2.3.3 信号分析处理.9 2.4 本章小结.9 第 3 章 硬件单元电路设计.10 3.1 振铃检测电路.10 3.2 模拟摘挂机电路.11 3.3 双音频解码电路.12 3.4 信号音提示电路.15 3.5 电器控制电路.17 3.6 本章小结.18 第 4 章 软件设计.19 4.1 单片机初始化.19 4.2 振铃计数模块.20 4.3 语音提示模块.21 4.4 密码检测模块.23 4.5 密码修改模块.24 4.6 控制电器模块.25 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iv - 4.7 本章小结.27 第 5 章 系统应用.28 5.1 系统的应用前景.28 5.2 系统使用说明.28 5.3 系统功能扩展.29 结论.31 致谢.32 参考文献.33 附录 a34 附录 b34 附录 c34 附录 d34 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 本课题研究的背景本课题研究的背景本课题研究的背景本课题研究的背景 二十一世纪是信息时代，各种电信新技术推动了人类文明的进步。自从 1876 年，alexander graham bell（贝尔）发明电话以来，世界各国的电话网 络发展非常迅速。进十年来，中国的固定电话业务呈现出举世瞩目的快速增 长。1997 年 8 月局用电话交换机总容量突破 1 亿门，网络规模跃居世界第二 位，2004 年 7 月固定电话用户总数突破 2 亿户。随着通讯产业的发展，电话机 已经走进了千家万户；随着现代科学技术的发展，利用电话机进行远程控制的 技术也日益用于生活中。 现代电话网络是由交换机和电话传输线共同组成，它的性能已经有了很大 的进展，而且可靠性非常高。遥控技术是通过一定的手段对被控物体实施一定 距离的控制，常用的方式有无线电遥控、有线遥控、红外线和超声波遥控等。 无线电遥控既是利用无线电信号对被控物体实施远距离控制。无线电遥控不可 避免的须占用一定的无线电频率资源，造成电磁污染；常规的有线遥控需进行 专门的布线，增加了投入；而红外线、超声波遥控则受距离所限。现有的遥控 方式中，还有载波通信控制手段和基于无线寻呼的遥控方式。载波方式即通过 电力线传递信息，该方式只能局限于同一变电所、同一变压器所辖范围内。因 此也存在距离问题，应用范围有限。基于无线寻呼的遥控方式利用了现有的寻 呼频率资源，不需占用额外的频谱。而且，随着寻呼网的全国联网，其遥控的 距离基本不受限制。但该方式的受控方动作滞后于控制方的操作，不具备实时 性，而且不具备很高的可靠性。 本文介绍了一种电话远程控制技术。该系统用于具有单片机控制的家用电 器的电话遥控，用户可通过任意一部双音多频电话（包括手机，电话分机）对 自己家庭安装的各种电器（如空调，微波炉，热水器等）进行开机，停机等操 作。其控制示意图如图 11 所示 】【1 。 图 11控制示意图 作品为突出电话遥控的信息反馈功能，并使产品达到非常高性价比。故未 对电话装置的其他功能进行进一步的扩展，而且所有使用的集成电路和其它元 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 器件都尽量选择高性价比的。在该作品的基础上进行了功能扩展是很方便的。 譬如:使用语音芯片作为信号音反馈，提高本作品的实用性（此次为了保证整体 电路的经济性，所以并未使用昂贵的语音芯片） 。加上留言电路，主人不在家时 客人留言。利用遥控方式可使主人很方便地在异地提取留言信息；在各路终端 上接上传感器即可实现对环境声响的监听；接上自动拨码电路可定时将预定信 息转至主人传呼机或特定电话，从而达到定时提醒主人的目的。本作品还可以 应用于工厂企业的自动化控制等领域。 1.21.21.21.2 远程控制的内容远程控制的内容远程控制的内容远程控制的内容 4 月 17 日举行的 2008 中国国际家电展上，海尔集团展出了自主研发的 u- home 智能家电系统，包含家庭智能网关、网络空调、网络洗衣机、网络热水器 等。下班回家的路上，用手机给家中的电热水器发个短信，到家后就能洗上热 水澡；给空调发个短信，设定温度，到家就能享受舒适的室温；给洗衣机发个 指令，它就自动将衣物洗涤干净，到家后就能直接晾晒这些过去只在幻想 中出现的场景，如今已经变成现实。然而当今大多数家庭仍然使用的是传统家 用电器，本文主要设计一种可以远程控制传统家电的电话控制系统。 家庭智能控制系统的主要功能集中在家庭安全报警、电话远程控制、红外 集中遥控、自动抄表控制等方面。组网方式分为两大类：有线组网和无线组 网。有线组网主要是利用家中的电话线、单独布置通信控制线路或电力线载波 通信进行组网；无线组网的主要技术有家庭射频技术(homerf)、蓝牙技术 (bluetooth)及家庭电话线网络联盟技术(homepan)等。 电话遥控作为一较新的课题与常规的遥控方式相比，显示出一定的优越 性，不需进行专门的布线，不占用无线电频率资源，避免了电磁污染。同时， 由于电话线路各地联网，可以充分利用现有的电话网，因此遥控距离可跨省 市，甚至跨越国家。 电话属半双工通信手段。因此，这可以大大体现出利用电话进行遥控的更 大优越性。操作者可以通过各种提示音即时了解受控对象的有关信息，从而进 行进一步的操作。电话遥控这一课题目前已有涉足者，但是只是还只限于实验 室阶段，因而距离实际应用，尤其是对于日常生活尚有一定的差距，并不能完 全体现出电话遥控方式的半双工通信特点。本作品正是针对这一点进行了较大 改进，采取单片机智能控制，利用不同的提示音达到对于不同操作的提示及对 受控方状态的信息反馈，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到 交互式与智能化。本作品的各种电器接口、各项标准都严格遵循国家有关标 准，为以后的产品化提供了良好的基础 】【2 。 电话远程控制系统接收远端发送来的 dtmf 信号,并对其进行解码,解码后的 信号再由中央处理单元采集处理,为了方便用户使用,系统设计了语音提示界面, 电话远程控制系统一般工作在无人值守环境,所以应具有自动摘挂机功能、复位 功能；为了符合智能化要求,系统采用 at89c51 作为中央处理器。同时,电话远 程控制系统正常工作还需电源供电电路、驱动电路等辅助电路。由此可以看出, 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 系统主要由流铃检测电路、自动摘挂机电路、由 dtmf 双音频解码电路、语音提 示电路、中央处理单元 at89c51、电器控制驱动电路等组成。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 系统设计可行性分析系统设计可行性分析系统设计可行性分析系统设计可行性分析 2.12.12.12.1 总体设计分析总体设计分析总体设计分析总体设计分析 电话智能遥控器由单片机构成主控部分，进行主要的信息处理，接收外部 操作指令形成各种控制信号，并完成对于各种信息的记录；接口电路提供单片 机与电话外线的接口。其中包括铃流检测、摘挂机控制、忙音检测、双音频 dtmf 识别，及语音提示电路。系统原理框图如图 21 所示 】【3 。 图 21 系统组成框图 语音提示电路是该作品重要组成部分。为了降低本装置的造价，作品的提 示音使用程序产生。语音提示电路受单片机的控制产生相应的提示音提示，并 通过反馈电路反馈至电话外线。从而使操作者对电器的操作达到交互式，并能 即时了解有关的信息；显示电路用于状态设置时的显示；控制部分即受控的终 端，如前所述，可通过接驳不同的终端并对电话进行必要的改动从而达到功能 的扩展。这一点，可使产品达到系列化。 本系统的每一个接口电路（振铃检测、模拟摘挂机、语音反馈、电器开 展、双音频解码等）具有很强的实用性。本系统使用最简单的电路、最可靠的 电路芯片实现了完善的功能。本系统还有许多可以添加的功能，具有很强的市 场前景。 本装置并联于电话机的两端，不会影响到电话机的正常使用。用户通过异 地的电话机拨通本装置所连接外线的电话号码，通过市局交换机向电话机发出 振铃信号，振铃检测电路将检测到的振铃信号送至系统的中央控制单元，如果 本装置检测到振铃五次，即五次响铃后无人接，自动摘机，进入密码检测，输 入正确后选择被控制电器，然后输入开或关进行遥控电器，完成后返回，这是 自动方式；第二种是手动方式。即当中央控制单元接收到振铃信号后，便发出 摘机信号，通过模拟摘挂机电路实现模拟摘机。同时，中央控制单元发出控制 信号使语音录放电路启动，发出事先录制好的语音提示。用户听到语音提示后 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 便会按键进行操作，用户按键产生的信号经双音多频 dtmf（dual tone multi- frequency）解码电路解码后，送入中央控制单元。中央控制单元将根据 dtmf 解码的结果通过驱动电路进行相应的动作（接通分机或开关家电） 。 2.1.12.1.12.1.12.1.1 系统总体设计分析系统总体设计分析系统总体设计分析系统总体设计分析 根据电话远程智能遥控系统的具体设计要求： 1、 通过电话网对异地的电器实现控制（开/关） ； 2、 控制器可以实现自动模拟摘挂机； 3、 控制器设置密码校验； 设计的此系统必须具有以下单元功能模块： 1、 铃音检测、计数； 2、 自动摘挂机； 3、 密码校验； 4、 在线修改密码 5、 双音频信号解码； 6、 输入信息分析； 7、 控制电器开关； 8、 电器状态查询； 9、 忙音检测； 根据电话机和交换机发出的不同信号音以及电话线各种状态的不同要求， 结合实际情况对具体的单元功能模块作出软件或硬件上的不同分工，具体如 下： 1、 理论上交换机所发出的各种信号音都可以通过软件编程而识别，即通 过单片机发出的脉冲信号来检测信号音单位时间内的脉冲个数计算出 其频率，从而完成信号音识别。但是从系统的可靠性和程序的结构设 计上分析，选择了硬件来解决振铃音检测、忙音检测、双音频信号解 码等功能模块。 2、 自动摘挂机和电器的控制必须使用具体硬件电路来实现。 3、 振铃音计数、忙音计数、密码校验、在线修改密码、输入信息分析、 电器状态查询等功能模块使用软件编程方式要比硬件电路简单的多， 实现也很容易。 综上所述，本设计的信号音检测、自动摘挂机、控制电器、双音频解码等 功能模块使用硬件电路实现。而信号音计数、密码校验、在线修改密码、信息 分析、电器状态查询等功能模块使用软件编程完成。 2.1.22.1.22.1.22.1.2 单片机简介单片机简介单片机简介单片机简介 本系统用的核心控制单片机芯片的型号是 at89c51。它是由 atmel 公司生 产的能与 mcs-51 系列兼容的单片机，其引脚如图 22 所示 】【4 。 c51 单片机引脚功能介绍： 单片机的 40 个引脚大致可分为 4 类：电源、时钟、控制和 i/o 引脚。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 1、 电源： （1）vcc芯片电源，接+5v； （2）vss接地端； 2、 时钟：xtal1、xtal2 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 3、 控制线：控制线共有 4 根： （1）ale/prog：地址锁存允许/片内 eprom 编程脉冲； ale 功能：用来锁存 p0 口送出的低 8 位地； prog 功能：片内有 eprom 的芯片，在 eprom 编程期 间，此引脚输入编程脉冲。 （2）psen：外 rom 读选通信号； （3）rst/vpd：复位/备用电源； rst（reset）功能：复位信号输入端； vpd 功能：在 vcc 掉电情况下，接备用电源。 （4）ea/vpp：内外 rom 选择/片内 eprom 编程电源； ea 功能：内外 rom 选择端； vpp 功能：片内有 eprom 的芯片，在 eprom 编程期间， 施加编程电源 vpp。 4、 按 i/o 线：at89c51 共有 4 个 8 位并行 i/o 端口：p0、p1、p2、p3 口，共 32 个引脚。p3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控 制信号（属控制总线） 】【5 。 p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 rst/vpd rxd p3.0 txd p3.1 int0 p3.2 int1 p3.3 t0 p3.4 t1 p3.5 wr p3.6 rd p3.7 xtal2 vcc p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 ea/vpp ale/prog psen p2.7 p2.6 p2.4 p2.5 p2.3 p2.2xtal1 vss p2.1 p2.0 at89c51 图 22 at89c51 引脚 2.22.22.22.2硬件模块硬件模块硬件模块硬件模块 本作品使用了大量的硬件电路完成部分功能模块，其目的就是充分利用硬 件电路的可靠性、稳定性，使整体电路达到比较高的稳定性，采用硬件电路实 现部分功能，而且使用了大量的抗干扰元器件，例如：光耦合器，去耦电容 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 等，提高系统的看干扰能力，从而是整个系统的性能更可靠。 2.2.12.2.12.2.12.2.1 模拟摘机电路模拟摘机电路模拟摘机电路模拟摘机电路 因为程控电话交换机对电话摘机的响应是电话线回路电流突然变大为约 30ma 的电流，交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机。当用户摘机 时，电话机通过叉簧接上约 200的负载，使整个电话线回路流过约 30ma 的电 流。交换机检测到该电流后便停止铃流发送，并将线路电压变为十几伏的直 流，完成接续。 自动摘挂机电路可以通过单片机控制一个继电器的开关，继电器的控制端 连接一个大约 200的电阻接入电话线两端，从而完成模拟摘挂机。 2.2.22.2.22.2.22.2.2 振铃检测电路振铃检测电路振铃检测电路振铃检测电路 当用户被呼叫时，电话交换机发来铃流信号。振铃为 253 伏的正弦波， 谐铃失真不大于 10%，电压有效值 9015v。振铃以 5 秒为周期，即 1 秒送，4 秒断。根据振铃信号电压比较高的特点，可以先使用高压稳压二极管进行降 压，然后输入至光电耦合器。经过光电耦合器的隔离转换，从光电耦合器输出 的波形是时通时断的正弦波，经过 rc 回路进行滤波输出很标准的方波。方波信 号就可以直接输出至单片机的中断计数器输入口，完成整个振铃音检测和计数 的过程。 2.2.32.2.32.2.32.2.3 控制部分电路控制部分电路控制部分电路控制部分电路 本单元电路主要是由反向电路、d 触发器和继电器等控制电路组成，电路 不是很复杂，只是通过单片机控制多路继电器的开关即可，常用的电路已经很 成熟可以直接应用。 2.2.42.2.42.2.42.2.4 双音解码电路双音解码电路双音解码电路双音解码电路 此部分是整个系统的关键，它的工作情况直接决定了系统的可靠性。经过 翻阅大量的文献资料，发现使用电话专用的双音频编解码芯片进行输入双音频 信号的解码，是比较常用的一种方法。使用集成电路不但外围电路简单，而且 可靠性强。经过专用集成电路的解码，信号转换成为不同的码制信号，可以直 接被单片机读取。一般常用的电话双音频编解码集成电路有 mt8870、mt8880、 mt8888 等，经过反复论证比较，决定采用双音频解码集成片 mt8870 来完成此 功能模块。有关 mt8870 的详细介绍请参阅本报告的后面附录 c 部分。 远程用户通过电话按键发送的 dtmf 信号，经耦合电容的隔直、滤波后， 由 mt8870 接收并进行硬件译码，输出的四位二进制数据直接与 at89c51 单 片机的 p1.0p1.3 口连接， mt8870 接收到有效的 dtmf 信号并解出正确的 bcd 数据时，会使 cid 端置高电平，通知 cpu 取走数据。cpu 从 p1 口读入 数据，去掉高四位后将数据保存于内部 r7 寄存器单元，并对读入的数值进行 判断，从而得到远程控制者的输入命令。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 2.2.52.2.52.2.52.2.5 语音提示电路语音提示电路语音提示电路语音提示电路 电话远程控制系统利用语音提示电路实现用户和系统的交流。语音提示电 路预先存储若干段系统提示音，at89c51 中央处理单元电路判断用户发送的 dtmf 信号后，对语音提示电路进行寻址，播放相应的提示音，从而向用户反馈 信息提示下一步该如何操作。 a0 a1 a7 a2 playl a3 playe a4 ussd a5 aux in a6 sp+ dssa vccd p/r xclk eom pd ce ovf ana out ana in agc mic ref vcca sp- mic isd2590 图 23 isd2590 芯片 本系统语音存储采用了美国 isd 公司的 isd2590 芯片，该芯片具有抗断 电、音质好，使用方便等优点。有 10 个地址输入端，寻址能力可达 1024 位； 最多能分 600 段；设有 ovf（溢出）端，便于多个器件级联。isd2590 芯片如图 23 所示。当有电话呼入并且电话远程控制器拾机后，操作人员便会在语音提 示电路的提示下输入密码，选择通道，设定各种数值，执行开机、挂机等操 作，语音电路采用语音录放芯片 isd2590。内含振荡器、防混淆滤波器、平滑 滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存储阵列。芯片设计是基 于所有操作必须由微控制器控制，操作指令可通过串行通信接口（ spi 或 microwire）送入，芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮 在片内闪存中，因此能够非常真实，自然地再现语音、音乐、音调及效果声， 避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频 率可为 4.0，5.3，6.4，8.0khz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下 降，可以在断电情况下保存 100 年（典型值），反复录音 10 万次，将需要提示 的语音信息按段录入到芯片后，在 cpu 的控制下将录入的信息顺序由音频输出 端输出，然后经音频功率放大器放大后输送到电话线路上 】【6 。 2.32.32.32.3 软件模块软件模块软件模块软件模块 经过比较，决定使用 at89c51 作为控制的单片机芯片，具体有关 at89c51 的介绍不在这里累述，其详细资料请参阅本报告的 2.1.2 部分。 系统软件主要功能如下： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 1、 系统身份认证：功能为了保证只有合法用户才能操作系统，电话远程 控制系统上线以后，用户必须输入密码，待系统确认后才具有对系统 的操作权限。 2、 用户信令解释功能：对收到的用户信号，系统按照软件设定加以解 释，并决定对语音提示电路寻址，播放相应的系统提示音，实现用户 和电话远程控制系统间的交互操作，或者对外部受控设备发出相应的 驱动信号。 3、 软件定时功能：系统软件设定系统自动复位的软件定时器，定时器的 设置值规定了系统一次上线工作的最大时间。若一次工作超时，系统 自动离线，进入待机状态。 2.3.12.3.12.3.12.3.1 信号音检测信号音检测信号音检测信号音检测 本单元可以使用 at89c51 的两个计数器的外部中断方式来实现对不同信号 音的计数。 2.3.22.3.22.3.22.3.2 密码检测密码检测密码检测密码检测 本单元可以在系统初始化的时候，在单片机内部的存储器的内部开辟一块 空间放置密码。当用户输入密码的时候，单片机把输入的密码写入另外的一块 空间，然后利用减法运算比较两者是否相等，这样就可以实现密码检测的功 能。 2.3.32.3.32.3.32.3.3 信号分析处理信号分析处理信号分析处理信号分析处理 本单元可以利用查表方式，也可以用简单的语句，稍微长一点的语句实 现，例如 case 语句等。 2.42.42.42.4 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章主要是对系统的总体可行性设计进行了分析和核心控制芯片单片机 at89c51 进行了简要的介绍。系统的总体可行性设计包括：硬件电路和软件模 块，硬件电路的分析主要是振铃检测电路、模拟摘机电路、双音解码电路、语 音提示电路、控制部分电路等部分的分析；软件模块的分析包括：初始化、信 号音（流铃）计数、密码检测、信号分析处理。经过翻阅大量的技术资料，对 具体要求实现的功能进行完整的系统分析，本设计电话遥控系统设计基本符合 实际情况，可以完成设计任务所要求实现的基本功能。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章 硬件单元电路设计硬件单元电路设计硬件单元电路设计硬件单元电路设计 3.13.13.13.1 振铃检测电路振铃检测电路振铃检测电路振铃检测电路 在电话线路未来铃流前，电话线路由电话交换机提供大约 48v 的直流电 压。当用户被呼叫时，电话交换机发来铃流信号。振铃信号为 253 伏的正弦 波，谐铃失真不大于 10%，电压有效值 9015v。振铃以 5 秒为周期，即 1 秒 送，4 秒断。在本电路检测铃流信号时，以五次铃响为准，即五次振铃后无人 摘机，便由单片机控制自动模拟摘机，振铃检测电路设计如图 31 所示。 原理说明：电话振铃信号通过电容 c1 隔直、d1 稳压二极管、r1 限流电阻 输入至光电耦合器 4n25 的输入端 1 口，c1、d1 和 r1 共同组成振铃信号变换电 路，它们使输入电压和电流不会太大，对后面的光电耦合器起保护作用。光电 耦合器 4n25 起的是隔离作用，光电耦合器是一种电信号的耦合器件，它一般是 将发光二极管和光敏三极管的光路耦合在一起，输入和输出之间不可共地，输 入电信号加于发光二极管上，输出信号由光敏三极管取出。 光电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端（一次侧）与 信息接收并输出端（二次侧）是绝缘的，从而对电位差干扰有很强的抑制，而 且具有很强的抑制电磁干扰能力、速度高、价格低、接口简单的特点 】【7 。 振铃信号通过光耦 4n25 的 4 脚输出振铃正弦波，r2 和 c2 共同组成滤波电 路，信号到了开关三极管 t1 的基极就变成了方波。经过一个施密特反向器（可 用 74ls04 代替）的整形输出到单片机 at89c51 的 t0/p3.4 口，中断方式采用外 部中断，计数 5 次产生 t0 中断，控制继电器模拟摘机，完成振铃音检测 】【3 。 1 2 3 4 c1 10uf/100v c2 100uf ic2 d3 r1 33k r3 100k r4 2.9k r2 10k 74sl04 vcc +5v t1 t0/p3.4 line1 line2 d d1 图 31 振铃检测电路设计 原器件选取： 1、c1 隔直电容，因为是过滤直流，滤出低频信号，而且振铃信号的电压 还比较高，因此选取 10f 耐压 100v 的瓷片电容； 2、d1 为稳压二极管，选取 36v 的稳压二极管； 3、r1 是 4n25 的限流电阻，取 33 k； 4、ic1 选取光电耦合器 4n25； 5、r2 和 c2 共同组成振铃信号音滤波电路，根据电话振铃的技术指标：频 率 25hz 的正弦波，1 秒通，4 秒断，=rc 可以推出 0.024 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - （s） 。为了使振铃信号音输出很好的方波波形，如图 32 所示，计算 后选取 r2=10k，c2=100f，=1s； 图 32 振铃信号音输出方波波形 6、r3 和 d3 共同组成振铃指示灯，r3=100，d3 为黄色 5mm 发光二极管； 7、t1 和 r4 组成模拟开关电路，t1 选取 9013，根据分压原理和 74ls04 的 低电平有效值，r4 取 2.9 k； 8、反向器由 74ls04 中的二组反向器组成，起整流作用； 3.23.23.23.2 模拟摘挂机电路模拟摘挂机电路模拟摘挂机电路模拟摘挂机电路 设计主要思路：根据国家有关标准规定：不论任何电话机，摘机状态的直 流电阻应300，有“r”键的电子电话机的摘机状态直流电阻应350。在 挂机状态下，其漏电流5a。 当用户摘机时，电话机通过叉簧接上约 200的负载，使整个电话线回路 流过约 30ma 的电流。交换机检测到该电流后便停止铃流发送，并将线路电压变 为十几伏的直流，完成接续。 根据有关技术指标，模拟摘挂机电路设计如图 33 所示，模拟摘挂机电路 主要由一个光电耦合器开关电路控制继电器的开关，继电器控制接入电话线两 端的 200电阻。摘挂机信指令由单片机通过使 txd/p3.1 口变为高电平实现。 经过一个反向器驱动发光二极管 d1 指示摘机，同时改变光敏三极管 t1 的基极 电压，使 t1 处于导通状态，从而开启继电器 j1，j1 使电阻 r3 接入电话线两 端。因为 r3 的电阻为 200，使回路电流变大，控制电路向交换机发出模拟摘 机的信号，交换机响应摘机信号，完成电话线路接通。整个电路完成自动模拟 摘机过程 】【2 。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 图 33 模拟摘挂机电路 根据设计原理，原器件选取如下： 1、ic1 是光控三极管，其中 t1 三极管是起对单片机控制信号的放大作 用，d1 是摘机指示灯，取 5mm 绿色发光二极管； 2、r1 是摘机指示灯限流保护电阻，取 220； 3、l1 是变压器感应变压输出； 4、c1 起对电话线电压积累作用； 5、r2 是三极管限流电阻，取 2k； 6、d2 二极管是起继电器反向保护的作用，取 4001； 7、j1 是继电器控制开关，取 jrc 4001f(dc5v)； 8、r3 是摘机电阻，取 200； 3.33.33.33.3 双音频解码电路双音频解码电路双音频解码电路双音频解码电路 原理简介：双音多频 dtmf 信号解码电路采用 mt8870 芯片。mt8870 的连线 如图 34 所示，它的 in+、in-脚接收来自电话机的双音多频脉冲信号，该双 音多频信号先经其内部的拨号音滤波器，滤除拨号音信号，然后经前置放大后 送入双音频滤波器，将双音频信号按高，低音频信号分开，再经高低群滤波 器，幅度检测器送入输出译码电路，经过数字运算后，在其数据输出端（1114 脚）输出相对应的 8421 码。mt8870 的数据输出端 q4q1 连到 at89c51 的 p1 口 的 p1.0p1.3，单片机经 p1 口识别 4 位代码。mt8870 芯片简介和电话按键与相 应译码（q4q1）输出见附录 c。其中，a，b，c，d 4 个按键常被当作 r/p， redial，hold，handsfree 等功能使用。注意，需要特别指出的是，对于“0” 号码，mt8870 输出的 8421 码并非是“0000” ，而是“1010” ；另外， “*” ， “#” 字号码，mt8870 输出的 8421 码分别为“1011”和“1100” 。为了使单片机 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - at89c51 获取有效数据，mt8870 的 cid 有效端经施密特反相器后接 at89c51 的 int0 引脚。当 mt8870 获取有效双音多频信号后，cid 电平由低变高，再反相为 低，单片机检测后，指示 p1 口接收有效二进制代码。而无效的双音频信号（电 话线路杂音、人们的语音信号等）是不会引起 mt8870 的 cid 端变化的。dtmf 接收器的外围电路如图 3.4 所示 】【8 。其中，接在电源处的电容对抗干扰有一定 的作用。在实际应用中，存在这样一个问题：mt8870 的使能控制端不允许中断 时，将使 mt8870 的 cid 端中断关闭。其解决办法是，将 cid 端接与非门的一端 输入，与非门的另一输入端接一不定电平端 p。对 cid 的有效控制（即中断开 放）为，en=1 则 p3.2/int0 中断允许；en=0 时则 p3.2/int0 中断关闭 】【9 。 本单元元器件列表： 1、r1、r2、c1 和 c2 共同组成整流电路，其中 r1、r2 均取 17k,c1、c2 隔直电容，均取 0.1f； 2、r3、r4、r5 是输入平衡电阻，取 100k, 3、芯片外部晶振 y1 选择 3.579mhz； 4、ic1 是双音频解码芯片，选取 mt8870； 5、c3 选取 0.1f； 6、r6 是输出平衡电阻，选取 470k； 7、反向器选取 74ls04 的一组反向器； in+ in- vcc fb osco vref osci ic ic vdd si/gt set cid q4 q3 q2 q1 en 74ls04 c1 0.1uf c2 0.1uf c c c3 0.1uf cap r2 17k r3 100kr4 100k r5100k r1 17k line1 line2 3.579mhz r2 470k int0 p1.0 p1.2 p1.1 p1.3 p1 mt8870 p1.4 c7vcc+5v 图 34 dtmf 解码电路 dtmf 技术是一种利用声音频率的不同音调来传送拨号信号以取代直接拨 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 号脉冲的方法。dtmf 是由低频组（697hz941hz）和高频组（1209hz 1633hz）两组频率信号叠加构成的。设v(t)为 dtmf 信号，vl(t)和vh(t)分别代表 选自低频组和高频组的两个信号，它们之间满足关系v(t) =vl(t) +vh(t) =asinlt +bsinht。 低频组和高频组中均仅有 4 个独立的音调，这些音调的选择是依据它们之 间的谐波不相关，它们的互调制信号对主信令的影响最小。dtmf 信号共有 16 （24）种组合，其中 10 种组合分别代表数字 0 到 9，其余 6 种组合（#、*、 a、b、c、d）用做特别的信令。ccitt 和我国国家标准都规定了电话键盘按 键与 dtmf 信号的对应关系，如表 35 所示。 表 35电话键盘按键与 dtmf 信号的对应关系 电话键 盘按键 高频组(hz) 1209133614771633 低频组 (hz) 697123a 770456b 852789c 941*0#d mt8870 芯片介绍：实现 dtmf 解码的芯片是 mt8870，它是 mitel 公司生产 的,为 cmos 电路,dip 封装。它具有 dtmf 信号分离滤波和译码功能，可直接与 mcs-51 系列单片机接口。图 36 为 mt8870 引脚分配图。其引脚说明如下： in+、in-为运放的同、反相输 osci 入,dtmf 信号输入端；fb 为运放输出端，通 过外部接入的反馈电阻可调节其内部放大器增益；vref 为基准电压输出；ic 为 内部连接点,应接至 vss 端；osci、osco 为振荡器输入、输出可外接 3.58mhz 晶振；en 为数据输出控制端，当它为高电平时允许输出数据 q1q4 为数据输出 端；cid 为延迟控制输出端;ci/gto 为控制输入端/时间监测输出端;eco 为初始 控制输出端；vdd、vss 为正负电源 】【10 。 in+ in- vcc gs osc2 vref osc1 inh pwdn vdd st/gt set stp q4 q3 q2 q1 toe mt8870mt8870mt8870mt8870 图 36mt8870 引脚 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - mt8870 的输出代码（q8q4q2q1）与电话键盘上按键的对应关系如表 37 所示： 按键输出代码按 键 输出代码按 键 输出代码按 键 输出代码 q8q4q2q1q8q4q2q1q8q4q2q1q8q4q2q1 10 0 0 150 1 0 191 0 0 1a1 1 0 1 20 0 1 060 1 1 001 0 1 0b1 1 1 0 30 0 1 170 1 1 11 0 1 1c1 1 1 1 40 1 0 081 0 0 01 1 0 0d0 0 0 0 3.43.43.43.4 信号音提示电路信号音提示电路信号音提示电路信号音提示电路 原理说明：为了方便本系统的使用，设计了信号音提示音电路如图 38， 首先规定了信号音的规范以及其对应含义： 1、响 1 声，频率为 500hz：请输入密码； 2、响 2 声，频率为 500hz：请输入需要控制的电器号； 3、响 3 声，频率为 500hz：请输入控制开/关； 4、响 1 声，频率为 1000hz：完成操作； 5、响 3 声，频率为 1000hz：密码错误； 语音提示芯片 isd2590 的最高地址位 playl(脚 9)，playe(脚 10)置为高电 平时，芯片即进入操作模式状态。操作模式根据引脚 a0a7 的高低电平不同组 合总共分为 256 种不同的模式，实现不同的功能。为尽量节省 i/o 口线，采用 了 m1 和 m6 相结合的方法实现对 isd2590 操作，将所需的语音通过开始/暂停按 钮一段一段从话筒录入芯片，只需记住各段的序号即可。 isd2590 的信息检索模式的使用方法：首先将芯片的录放控制 p/r 端置 高，地址位 a0a7 置高，现在芯片即处于信息检索模式的信息读取状态。要播 放第 n 段的语音，先给 pd 端一高电平脉冲，使地址指针复位为 0。因为所有的 序号都以存储器起始处为基准，除第一段外，只需要 ce 端收到 10us 低脉冲， 即可使地址指针按 a0-a7 寻址第 n 段的开始处，然后拉高 sp+，在 ce 端加一个 低脉冲即可播放第 n 段的语音信息，直到此段后的 eom 标志出现为止。由此可 知准确检索的关键在于正确检测到每一段的 eom 结束标志。因为在快进状态 下，eom 脉冲的宽度只有 10us 左右，对于速度不高的单片机不易检测到，此时 可用外部中断来检测 eom 标志位。信号音从 isd2590 的 sp+口输出，先经过一 组反向器进行整流、隔离，从反向器输出的是频率一定，时通时断的方波，提 示信号经过隔直电容 c1 输入到音频放大集成电路 lm386n-1 的输入端 】【6 。经过 lm386n-1 的放大，信号音经耦合电容 c4 至变压器 t1，它是音频输出专用的耦 合变压器，正好符合阻抗匹配的要求。(本电路重点在于耦合变压器 t1(参看模 拟摘挂机电路)的选取。因为电话线中直流电压比较高，而且还有各种信号音， 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - 这些都会影响到语音信号加载到电话线上，因此本装置使用一个耦合变压器作 为隔离器件。这个耦合变压器的阻抗匹配问题是设计的难点，这种耦合变压器 分两种，一种是输入，一种是输出，经过实验表明输入用的耦合变压器反馈语 音性能比较好，其体积大约是 10mm10mm8mm。) 音频放大集成电路 lm386 的连接比较简单，本装置的使用是 lm386 放大增 益为 50db 的连接方式。利用 lm386 低压音频功率放大器，lm386 是为低压用户 设计的功率放大器，内部增益为 20 倍，在 1 脚和 8 脚接电阻和电容时，可使增 益增加到 200 倍，用途广泛，使用方便，外接元件数目较少，本系统的音频放 大电路如图 39 所示。 speaker a0 a1 a7 a2 playl a3 pl