基于公用電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制器的設(shè)計(論文)

1、基于公用電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制器的設(shè)計學(xué) 生：xx，xx， 指導(dǎo)老師：xx ,xx班級： xxxxxxx1總體設(shè)計該遠(yuǎn)程控制器由單片機(jī)構(gòu)成主控部分，進(jìn)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(jī)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(jī)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(qiáng)的市場前景。本裝置可并聯(lián)于電話機(jī)的兩端，不會影響到電話機(jī)的正常使用。用戶通過其他電話機(jī)或手

2、機(jī)撥通本裝置所連接外線的電話號碼，通過市局交換機(jī)向電話機(jī)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(jī)，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(jī)。2 系統(tǒng)設(shè)計可行性分析2.1 總體設(shè)計分析根據(jù)電話遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的具體設(shè)計要求：（1） 通過電話網(wǎng)對異地的電器實現(xiàn)控制（開/關(guān)）；（2） 控制器可以實現(xiàn)自動模擬摘掛機(jī)；（3） 控制器設(shè)置密碼校驗；（4） 用戶在進(jìn)行各種操作時均有語音提示我設(shè)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(jī)；（3） 密碼校驗；（4） 在線修改

3、密碼；（5） 雙音頻信號解碼；（6） 輸入信息分析；（7） 控制電器開關(guān)；（8） 電器狀態(tài)查詢；（9） 忙音檢測；（10）語音提示；根據(jù)電話機(jī)和交換機(jī)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(jié)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(jī)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(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)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

4、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(shè)計信號音檢測、自動摘掛機(jī)、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(jìn)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(dá)到比較高的穩(wěn)定性。2.2.1自動摘掛機(jī)因為程控電話交換機(jī)對電話摘機(jī)的響應(yīng)是電話線回路電流突然變大為約30mA的電流，交換機(jī)檢測到回路電流變

5、大就認(rèn)為電話機(jī)已經(jīng)摘機(jī)。自動摘掛機(jī)電路可以通過單片機(jī)控制一個繼電器的開關(guān)，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(jī)。2.2.2振鈴音的檢測當(dāng)用戶被呼叫時，電話交換機(jī)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(jìn)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(jìn)行濾波輸出很標(biāo)準(zhǔn)的方波。方波信號就可以直接輸出至單片機(jī)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

6、此部分比較簡單，通過單片機(jī)控制多路繼電器的開關(guān)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(guān)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(xiàn)資料，我發(fā)現(xiàn)使用電話專用的雙音頻編解碼芯片進(jìn)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(qiáng)。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(jī)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(fù)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

7、片機(jī)芯片，具體有關(guān)AT89S51的介紹書籍很多很詳細(xì)，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(jī)內(nèi)部的存儲器的內(nèi)部開辟一塊空間放置密碼。當(dāng)用戶輸入密碼的時候，單片機(jī)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(shù)資料，對具體要求實現(xiàn)的功能進(jìn)行完整的系統(tǒng)分析，我認(rèn)為我的電話遙控系統(tǒng)設(shè)計基本符合實際

8、情況，可以完成設(shè)計任務(wù)所要求實現(xiàn)的基本功能3 功能模塊設(shè)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(jī)提供大約48V的直流電壓。當(dāng)用戶被呼叫時，電話交換機(jī)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(zhǔn)，即五次振鈴后無人摘機(jī)，便由單片機(jī)控制自動模擬摘機(jī)。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(hù)作用。光電

9、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(cè)）與信息接收并輸出端（二次側(cè)）是絕緣的，從而對地電位差干擾有很強(qiáng)的抑制能力，而且有很強(qiáng)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(guān)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(jī)AT89C51的T0/P3.4口，中斷方式采用外部中斷，計數(shù)5次產(chǎn)

10、生T0中斷，控制繼電器模擬摘機(jī)，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(fù)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(shù)指標(biāo)：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、

11、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(jī)電路設(shè)計主要思路：根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：不論任何電話機(jī)，摘機(jī)狀態(tài)的直流電阻應(yīng)300，有“R”鍵的電子電話機(jī)的摘機(jī)狀態(tài)直流電阻應(yīng)350。在掛機(jī)狀態(tài)下，其漏電流5A。當(dāng)用戶摘機(jī)時，電話機(jī)通過叉簧接上約300的負(fù)載，使整個電話線回路流過約30mA的電流。交換機(jī)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闹绷鳎瓿山永m(xù)。根據(jù)有關(guān)技術(shù)指標(biāo)，模擬摘掛機(jī)電路設(shè)計如圖三所示：圖三模擬摘掛機(jī)電路主要由一個三極管開關(guān)電路控制繼電器的開關(guān)，繼電器控制接入電話線兩端的200電阻。摘掛機(jī)信令由

12、單片機(jī)通過使TXD/P3.1口變?yōu)楦唠娖?，使三極管P1處于導(dǎo)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(jī)發(fā)出模擬摘機(jī)的信號，交換機(jī)響應(yīng)摘機(jī)信號，完成電話線路接通。整個電路完成自動模擬摘機(jī)過程。根據(jù)設(shè)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(guān)控制繼電器的作用，取9013；3、 J1是繼電器控制開關(guān)，取JRC 4001F(DC5V)；4、 R3是摘機(jī)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(dān)。MT8870內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖四所示。它的連

13、線如圖五所示， 2、3腳接收來自電話機(jī)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(yīng)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(yīng)譯碼（Q4Q1）輸出見表一。其中，A，B，C，D 4個按鍵常被當(dāng)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

14、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(shù)資料會出現(xiàn)錯誤，包括比較權(quán)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(yīng)用于程序當(dāng)中。為了使單片機(jī)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(dāng)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(jìn)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

15、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(yīng)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(guān)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(dāng)STD有效（即中斷開放）時，P = 1則/INT0中斷關(guān)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.

16、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(jìn)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(jī)及其它便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用CMOS技術(shù)，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(shè)計是基于所有操作由微控制器控制，操作

17、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(shù)，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(fù)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

18、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(jìn)）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

19、。因此，要注意移入的數(shù)據(jù)是否與器件當(dāng)前進(jìn)行的操作兼容，當(dāng)然，也允許在SPI周期里，同進(jìn)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(dāng)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(jié)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(jìn)跳過一條信息。信息快進(jìn)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(yīng)遵循如

20、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(dāng)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 PL

21、AY11100xxx（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(dāng)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(dāng)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(jìn)，須后跟MC指令，使快進(jìn)繼續(xù)MC11111xxx（xxxxxxxxxxxxxxx）執(zhí)行快進(jìn)，直到EOM，若再無信息，則進(jìn)入OVF狀態(tài)STOP0x110xxx（xxxxxxxx

22、xxxxxxx）停止當(dāng)前操作STOP PWRDN0X01Xxxx（xxxxxxxxxxxxxxx）停止當(dāng)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(dāng)系統(tǒng)與電話機(jī)并聯(lián)時，電話機(jī)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(cè)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

23、.1K后，問題解決。在調(diào)試模擬摘機(jī)電路時，開始發(fā)現(xiàn)單片機(jī)發(fā)出摘機(jī)信號后，繼電器沒有動作，無法完成模擬摘機(jī)，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(dǎo)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