[精品論文]基于公用電話網(wǎng)的遠程控制器的設計(論文)

畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127基于公用電話網(wǎng)的遠程控制器的設計1總體設計該遠程控制器由單片機構成主控部分，進行主要的信息處理，接收外部操作指令形成各種控制信號，并完成對于各種信息的記錄，其中包括振鈴檢測、模擬摘掛機控制、忙音檢測、雙音頻DTMF信號識別，及語音提示電路。本系統(tǒng)的原理框圖如圖一所示：公用電話網(wǎng)DTMF信號識別被控電器語音提示模擬摘掛機振鈴檢測忙音檢測（圖一）本系統(tǒng)力求使用最簡單的電路、最便宜的電路芯片實現(xiàn)了完善的功能。本系統(tǒng)還有許多可以添加的功能，具有很強的市場前景。本裝置可并聯(lián)于電話機的兩端，不會影響到電話機的正常使用。用戶通過其他電話機或手機撥通本裝置所連接外線的電話號碼，通過市局交換機向電話機發(fā)出振鈴信號。本裝置如果檢測到振鈴五次，即五次響鈴后無人接，自動摘機，語音提示按鍵選擇何種操作（如留言，提取留言，查詢電器狀態(tài)，控制電器等，其中后三者要求密碼驗證身份），完成操作后自動掛機。2 系統(tǒng)設計可行性分析2.1 總體設計分析根據(jù)電話遠程智能控制系統(tǒng)的具體設計要求：（1） 通過電話網(wǎng)對異地的電器實現(xiàn)控制（開/關）；（2） 控制器可以實現(xiàn)自動模擬摘掛機；（3） 控制器設置密碼校驗；（4） 用戶在進行各種操作時均有語音提示我設計此系統(tǒng)必須具有以下單元功能模塊：（1） 鈴音檢測、計數(shù)；（2） 自動摘掛機；（3） 密碼校驗；（4） 在線修改密碼；（5） 雙音頻信號解碼；（6） 輸入信息分析；（7） 控制電器開關；（8） 電器狀態(tài)查詢；（9） 忙音檢測；（10）語音提示；根據(jù)電話機和交換機發(fā)出的不同信號音以及電話線各種狀態(tài)的不同要求，我結合實際情況對具體的單元功能模塊作出軟件或硬件上的不同分工，具體如下。理論上交換機所發(fā)出的各種信號音都可以通過軟件編程而識別，即通過單片機發(fā)出的脈沖信號來檢測信號音單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)計算出其頻率，從而完成信號音識別。但是從系統(tǒng)的可靠性和程序的結構設計上分析，我選擇了硬件來解決振鈴音檢測、忙音檢測、雙音頻信號解碼、語音提示等功能模塊。 自動摘掛機和電器的控制必須使用具體硬件電路來實現(xiàn)。振鈴音計數(shù)、忙音計數(shù)、密碼校驗、在線修改密碼、輸入信息分析、電器狀態(tài)查詢等功能模塊使用軟件編程方式要比硬件電路簡單的多，實現(xiàn)也很容易。綜上所述，我設計信號音檢測、自動摘掛機、控制電器、雙音頻解碼等功能模塊使用硬件電路實現(xiàn)。而信號音計數(shù)、密碼校驗、在線修改密碼、信息分析、電器狀態(tài)查詢等功能模塊使用軟件編程完成。下面就硬件以及軟件實現(xiàn)的單元電路分別進行具體分析。2.2 硬件模塊本作品使用了大量的硬件電路完成部分功能模塊，其目的就是充分利用硬件電路的可靠性、穩(wěn)定性，使整體電路達到比較高的穩(wěn)定性。2.2.1自動摘掛機因為程控電話交換機對電話摘機的響應是電話線回路電流突然變大為約30mA的電流，交換機檢測到回路電流變大就認為電話機已經(jīng)摘機。自動摘掛機電路可以通過單片機控制一個繼電器的開關，繼電器的控制端連接一個大約300的電阻接入電話線兩端，從而完成模擬摘掛機。2.2.2振鈴音的檢測當用戶被呼叫時，電話交換機發(fā)來鈴流信號。振鈴為253伏的正弦波，諧鈴失真不大于10%，電壓有效值9015V。振鈴以5秒為周期，即1秒送，4秒斷。根據(jù)振鈴信號電壓比較高的特點，可以先使用高壓穩(wěn)壓二極管進行降壓，然后輸入至光電耦合器。經(jīng)過光耦的隔離轉(zhuǎn)換，從光電耦合器輸出的波形是時通時斷的正弦波，經(jīng)過RC回路進行濾波輸出很標準的方波。方波信號就可以直接輸出至單片機的中斷計數(shù)器輸入口，完成整個振鈴音檢測和計數(shù)的過程。2.2.3控制電器此部分比較簡單，通過單片機控制多路繼電器的開關即可，常用的電路已經(jīng)很成熟，在此就不累述了。2.2.4雙音頻解碼此部分是整個系統(tǒng)的關鍵，它的工作情況直接決定了系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)過翻閱大量的文獻資料，我發(fā)現(xiàn)使用電話專用的雙音頻編解碼芯片進行輸入雙音頻信號的解碼，是比較常用的一種方法。使用集成電路不但外圍電路簡單，而且可靠性強。經(jīng)過專用集成電路的解碼，信號轉(zhuǎn)換成為不同的碼制信號，可以直接被單片機讀取。一般常用的電話雙音頻編解碼集成電路有8870、8880、8888等，經(jīng)過反復論證比較，我決定使用雙音頻解碼集成片MT8870來完成此功能模塊。2.3 軟件模塊經(jīng)過比較，我決定使用AT89S51作為控制的單片機芯片，具體有關AT89S51的介紹書籍很多很詳細，不在這里累述。2.3.1信號音計數(shù)本單元可以使用AT89S51的兩個計數(shù)器的外部中斷方式來實現(xiàn)對不同信號音的計數(shù)。2.3.2密碼檢測本單元可以在系統(tǒng)初始化的時候，在單片機內(nèi)部的存儲器的內(nèi)部開辟一塊空間放置密碼。當用戶輸入密碼的時候，單片機把輸入的密碼寫入另外的一塊空間，然后利用減法運算比較兩者是否相等。這樣就可以實現(xiàn)密碼檢測的功能。2.3.3 信號分析處理本單元可以利用查表方式，也可以用簡單的語句，稍微長一點的語句實現(xiàn)，例如CASE語句等。經(jīng)過翻閱大量的技術資料，對具體要求實現(xiàn)的功能進行完整的系統(tǒng)分析，我認為我的電話遙控系統(tǒng)設計基本符合實際情況，可以完成設計任務所要求實現(xiàn)的基本功能3 功能模塊設計3.1 振鈴檢測電路在電話線路未來鈴流前，電話線路由電話交換機提供大約48V的直流電壓。當用戶被呼叫時，電話交換機發(fā)來鈴流信號。振鈴信號為253伏的正弦波，諧鈴失真不大于10%，電壓有效值9015V。振鈴以5秒為周期，即1秒送，4秒斷。在本電路檢測鈴流信號時，以五次鈴響為準，即五次振鈴后無人摘機，便由單片機控制自動模擬摘機。圖二原理說明：電話振鈴信號通過電容C1隔直、D1穩(wěn)壓二極管、R1限流電阻輸入至光電耦合器4N25的輸入端1口，C1、D1和R1共同組成振鈴信號變換電路，它們使輸入電壓和電流不會太大，對后面的光電耦合器起保護作用。光電耦合器4N25起的是隔離作用，光電耦合器是一種電信號的耦合器件，它一般是將發(fā)光二極管和光敏三極管的光路耦合在一起，輸入和輸出之間不可共地，輸入電信號加于發(fā)光二極管上，輸出信號由光敏三極管取出。光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，它不僅使信息發(fā)出端（一次側）與信息接收并輸出端（二次側）是絕緣的，從而對地電位差干擾有很強的抑制能力，而且有很強的抑制電磁干擾能力。速度高、價格低、接口簡單。 振鈴信號通過光耦4N25的4腳輸出振鈴正弦波，R2和C2共同組成濾波電路，信號到了開關三極管T1的基極就變成了方波。經(jīng)過二個反向器的整形輸出到單片機AT89C51的T0/P3.4口，中斷方式采用外部中斷，計數(shù)5次產(chǎn)生T0中斷，控制繼電器模擬摘機，完成振鈴音檢測。原器件選?。?、C1隔直電容，因為是過濾直流，濾出低頻信號，而且振鈴信號的電壓還比較高，因此選取1F耐壓100V的瓷片電容（由于條件限制，本人用兩個2F耐壓60V的電解電容負極相連代替之）；2、D1為穩(wěn)壓二極管，選取36V的穩(wěn)壓二極管；3、R1是4N25的限流電阻，取33 k；4、IC1選取光電耦合器4N25；5、R2和C2共同組成振鈴信號音濾波電路，根據(jù)電話振鈴的技術指標：頻率25Hz的正弦波，1秒通，4秒斷，=RC可以推出0.024（S）。為了使振鈴信號音輸出很好的方波波形，如圖3.2所示，計算后選取R2=10k，C2=100F，=1s；6、LED1為振鈴指示燈，黃色5mm發(fā)光二極管；7、反向器由74LS04中的二組反向器組成，起整流作用；3.2 模擬摘掛機電路設計主要思路：根據(jù)國家有關標準規(guī)定：不論任何電話機，摘機狀態(tài)的直流電阻應300，有“R”鍵的電子電話機的摘機狀態(tài)直流電阻應350。在掛機狀態(tài)下，其漏電流5A。當用戶摘機時，電話機通過叉簧接上約300的負載，使整個電話線回路流過約30mA的電流。交換機檢測到該電流后便停止鈴流發(fā)送，并將線路電壓變?yōu)槭畮追闹绷?，完成接續(xù)。根據(jù)有關技術指標，模擬摘掛機電路設計如圖三所示：圖三模擬摘掛機電路主要由一個三極管開關電路控制繼電器的開關，繼電器控制接入電話線兩端的200電阻。摘掛機信令由單片機通過使TXD/P3.1口變?yōu)楦唠娖?，使三極管P1處于導通狀態(tài)，從而開啟繼電器J1，J1使電阻R3接入電話線兩端。因為R3的電阻為200，使回路電流變大，控制電路向交換機發(fā)出模擬摘機的信號，交換機響應摘機信號，完成電話線路接通。整個電路完成自動模擬摘機過程。根據(jù)設計原理，原器件選取如下：1、 R2是三極管限流電阻，取2k；2、 T1三極管是起模擬開關控制繼電器的作用，取9013；3、 J1是繼電器控制開關，取JRC 4001F(DC5V)；4、 R3是摘機電阻，取220；3.3 雙音頻解碼原理簡介：雙音多頻DTMF信號解碼電路由MT8870主要承擔。MT8870內(nèi)部結構圖如圖四所示。它的連線如圖五所示， 2、3腳接收來自電話機的雙音多頻脈沖信號該雙音多頻信號先經(jīng)其內(nèi)部的撥號音濾波器，濾除撥號音信號，然后經(jīng)前置放大后送入雙音頻濾波器，將雙音頻信號按高，低音頻信號分開，再經(jīng)高，低群濾波器，幅度檢測器送入輸出譯碼電路，經(jīng)過數(shù)字運算后，在其數(shù)據(jù)輸出端（1114腳）輸出相對應的8421碼。（圖四）（圖五）MT8870的數(shù)據(jù)輸出端Q4 Q1連到AT89C51的P1口的P1.4 P1.7，CPU經(jīng)P1口識別4位代碼。電話按鍵與相應譯碼（Q4Q1）輸出見表一。其中，A，B，C，D 4個按鍵常被當作R/P，REDIAL，HOLD，HANDSFREE等功能使用。注意，需要特別指出的是，對于“0”號碼，MT8870輸出的8421碼并非是“0000”，而是“1010”；另外，“*”，“#”字號碼，MT8870輸出的8421碼分別為“1011”和“1100”。有些技術資料會出現(xiàn)錯誤，包括比較權威的手冊，所以我是在實驗中，記錄下測量的每一組數(shù)據(jù)后，才把這些數(shù)據(jù)應用于程序當中。為了使單片機AT89C51獲取有效數(shù)據(jù)，MT8870的STD有效端經(jīng)反相后接CPU的/INT0引腳。當MT8870獲取有效雙音多頻信號后，STD電平由低變高，再反相為低，CPU檢測后，指示P1口接收有效二進制代碼。（表一）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。DTMF接收器的外圍電路如圖3.4所示。其中，接在電源處的電容對抗干擾有一定的作用。在實際應用中，存在這樣一個問題：MT8870的使能控制端不允許中斷時，將使MT8870的STD端中斷關閉。其解決辦法是，將STD端接與非門的一輸入，與非門的另一輸入端接一不定電平端P。當STD有效（即中斷開放）時，P = 1則/INT0中斷關閉；P = 0時則/INT0中斷允許。本單元元器件列表：1、 U2為音頻變壓器；2、 C2為隔直電容，取1UF2、 R1和R2是輸入平衡電阻，取100K,C2隔直電容，取0.1F；3、 芯片外部晶振選擇3.579MHz；4、 U3是雙音頻解碼芯片，選取MT8870；5、 C4選取0.1F；6、 R3是輸出平衡電阻，選取100K；3.4 語音提示電路原理說明：為使用戶使用方便，本系統(tǒng)在進行各種操作時，均有語音提示。提示語音由以語音芯片ISD4004為核心的語音電路產(chǎn)生，并通過變壓器耦合到電話線上。此外，ISD4004可以存儲8到16分鐘語音，在存完提示語音后還有大量空間，因此可以用來存儲留言。ISD4004有如下特點：ISD4004系列工作電壓3V，單片錄放語音時間8至16分鐘，音質(zhì)好，適用于移動電話機及其它便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用CMOS技術，內(nèi)含振蕩器、防混清濾波器、平滑濾波器、自動靜噪、音頻放大器及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片設計是基于所有操作由微控制器控制，操作命令通過串行通信接口（SPI或Micro wire）送入。芯片采用多電平直接模擬量存貯技術，每個采樣值直接存貯在片內(nèi)的閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音，音樂、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路固置化和壓縮造成的量化噪聲和多屬聲。采樣頻率可為4.0,5.3,6.4,8.0KHz,頻率越低，錄放時間越長，而音質(zhì)則有所下降，片內(nèi)信息存于閃爍存貯器中，可在斷電情況下保存100年（典型值）反復錄音10萬次。其內(nèi)部框圖如圖六：（圖六）ISD4004工作時必須有微控制器驅(qū)動，它與微控制器的接口為SPI模式，其指令表如表二所示。SPI協(xié)議是一個同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，協(xié)議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動作，因此對TE63480而言，在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳數(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。協(xié)議具體內(nèi)容如下：1、 所有串行數(shù)據(jù)傳輸開始于SS下降沿。2、 SS在傳輸期間必須保持為低電平，在兩條指令之間保持為高電平。3、 數(shù)據(jù)在時鐘上升沿移入，在下降沿移出。4、 SS變低，輸入指令和地址后，TER行能開始錄放操作。5、 指令格式是8位控制碼加16位控制碼。6、 TER的任何操作（含快進）如果遇到WOM或OVF，則產(chǎn)生一個中斷，該中斷狀態(tài)在一下個SPI周期開始時被清除。7、 使用“讀”指令會使中斷狀態(tài)位移出TER的MISO引腳時，控制及地址數(shù)據(jù)也同步從MOSI端移入。因此，要注意移入的數(shù)據(jù)是否與器件當前進行的操作兼容，當然，也允許在SPI周期里，同進執(zhí)行讀狀態(tài)和開始新的操作（即新移入的數(shù)據(jù)與器件當前操作可以不兼容）8、 所有操作在運行位（RUN）置1時開始，置0時結束。9、 所有指令都在SS端上升沿開始執(zhí)行。（1） 信息快近用戶不必知道的確切地址，就能快進跳過一條信息。信息快進只用于放音模式。放音速度是正常的1600倍，遇到EOM后停止，然后內(nèi)部地址計數(shù)器加1，接向下條信息開始處。（2） 上電順序器件延時TPUD（8KHz）采樣時，約為25毫秒）后才能開始操作。因此，用戶發(fā)完上電指令后，必須等待TAUD，才能發(fā)出一條操作指令。例如：從00處放音，應遵循如下時序：1、發(fā)power up命令；2、等待TPUD（上電延時）；3、發(fā)地址值為00的SETPLAY命令；4、發(fā)PLAY命令。器件會從00地址開始放音，當出現(xiàn)EOM時，立即中斷，停止放音。如果從00處錄音，則按以下時序；1、發(fā)power up命令；2、等待TPUD（上電延時）；3、發(fā)power up命令；4、等待2倍TPUD；5、發(fā)地址值為00的SETREC命令；6、發(fā)REC命令。器件便從00地址開始錄音，一直到出現(xiàn)OVF（存貯器末尾）時，錄音停止。指令8位控制碼，16位地址碼操作摘要POWERUP00100xxx（xxxxxxxxxxxxxxxx）上電：等待TPUD后器件可以工作SET PLAY11100xxx（A15A0）從指令地址開始放音，須后跟PLAY指令，使放音繼續(xù)PLAY 11110xxx（xxxxxxxxxxxxxxx）從當前地址開始放音（直至EOM或OVF）SET REC10110xxx（A15A0）從指定地址開始錄音，須后跟REC指令，使錄音繼續(xù)REC110110（xxxxxxxxxxxxxxx）從當前地址開始錄音（直至OVF或停止）SET MC11101xxx（A15A0）從指定地址開始快進，須后跟MC指令，使快進繼續(xù)MC11111xxx（xxxxxxxxxxxxxxx）執(zhí)行快進，直到EOM，若再無信息，則進入OVF狀態(tài)STOP0x110xxx（xxxxxxxxxxxxxxx）停止當前操作STOP PWRDN0X01Xxxx（xxxxxxxxxxxxxxx）停止當前的操作并掉電RINT0X110xxx（xxxxxxxxxxxxxxxx）讀狀態(tài)；OVF和EOM（表二）該功能模塊的電路圖如圖七所示：4 系統(tǒng)調(diào)試因為本系統(tǒng)功能模塊比較多，因而調(diào)試起來十分繁瑣。首先是當系統(tǒng)與電話機并聯(lián)時，電話機中出現(xiàn)較大雜音，聽起來象電流造成的聲音，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)使用的穩(wěn)壓電源紋波較大，該用電池供電后，雜音消失。在調(diào)試振鈴檢測電路時，發(fā)現(xiàn)指示燈與電話鈴聲不同步，振鈴過去后指示燈要延遲大約一秒鐘才會滅，經(jīng)分析是光耦輸出側濾波電路中的電阻太大，電容放電時間過長，將原來的10K改成5.1K后，問題解決。在調(diào)試模擬摘機電路時，開始發(fā)現(xiàn)單片機發(fā)出摘機信號后，繼電器沒有動作，無法完成模擬摘機，而在控制端直接接5伏高電平時卻可以，原來是使用的三極管9014飽和導通電流太小，驅(qū)動不了繼電器，改用8050后，便能可靠地控制繼電器動作了。DTMF雙音頻解碼部分是本系統(tǒng)的難點之一，主要是MT8870與電話線的接口問題，因為電話線上有較高的直流電壓，直接與芯片相接可能會損壞芯片，所以如何將DTMF信號安全可靠地送到MT8870的接收端成為比較麻煩的地方。而所搜集的資料上也極少介紹到，介紹到的幾乎都是用整流橋?qū)⑿盘栒骱笏腿隡T8870的接收端，開始我們也這樣連接，但始終不能成功。后來買到音頻變壓器后，放棄原來的連接方法，通過音頻變壓器將信號隔離耦合輸入到MT8870的接收端，終于獲得了成功。在解決了DTMF雙音頻解碼這個難題后，馬上遇到了令一個難題，