摘 要： 以HT46RU232單片機(jī)為核心，配接DTMF的MT8870解碼芯片和ISD2560語(yǔ)音芯片，使用電話通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)一個(gè)智能家居電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。用于校驗(yàn)用戶身份、遠(yuǎn)程控制家用電器、語(yǔ)音提示引導(dǎo)操作、家電狀態(tài)查詢等。可使操作者根據(jù)各種提示音及時(shí)了解受控對(duì)象的有關(guān)信息，并通過(guò)電話遠(yuǎn)程控制多個(gè)受控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)家電的遠(yuǎn)程智能化控制。具有推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；電話網(wǎng)絡(luò)；智能家居；遠(yuǎn)程控制
利用現(xiàn)有的個(gè)人通信終端，實(shí)現(xiàn)基于陸基移動(dòng)通信網(wǎng)(PLMN)和公用電話交換網(wǎng)(PSTN)的電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的個(gè)體電器進(jìn)行智能化的統(tǒng)一管理和控制，如家用電器的定時(shí)開(kāi)啟、家居環(huán)境的監(jiān)聽(tīng)等，可使人們盡情享受高科技帶來(lái)的簡(jiǎn)便而時(shí)尚的現(xiàn)代生活[1]。
1 電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的功能與體系結(jié)構(gòu)
1.1 功能
(1)遠(yuǎn)程家電控制功能。通過(guò)電話終端通信設(shè)備對(duì)家中電器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，如控制電飯煲煮飯、空調(diào)開(kāi)機(jī)等。
(2)自動(dòng)模擬摘掛機(jī)。在規(guī)定的振鈴次數(shù)內(nèi)，認(rèn)為是正常來(lái)電，可正常通話；超過(guò)規(guī)定振鈴計(jì)數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)模擬摘機(jī)。
(3)主人身份校驗(yàn)。密碼操作。
(4)語(yǔ)音提示。按提示音操作。
(5)聲音監(jiān)聽(tīng)。通過(guò)電話遙控家中座機(jī)模擬摘機(jī)，監(jiān)聽(tīng)家居環(huán)境聲音，隨時(shí)了解家中情況。
(6)電器延時(shí)開(kāi)、關(guān)。控制家電開(kāi)關(guān)機(jī)的定時(shí)時(shí)間，更好地服務(wù)主人。
(7)狀態(tài)查詢。隨時(shí)查詢家用電器的工作狀態(tài)。
1.2 體系結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，加上振鈴檢測(cè)與模擬摘機(jī)電路、聲音監(jiān)聽(tīng)與語(yǔ)音提示電路、雙音多頻信號(hào)DTMF(Dual Tone Multi Frequency)解碼電路、密碼存儲(chǔ)及家電控制電路等構(gòu)成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。根據(jù)電話機(jī)和交換機(jī)發(fā)出的不同信號(hào)音以及電話線各種狀態(tài)的不同要求，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)具體的單元功能模塊作出軟件或硬件上的不同分工。其中，信號(hào)音檢測(cè)、自動(dòng)摘掛機(jī)、控制電器、DTMF解碼及密碼存儲(chǔ)等功能模塊使用硬件電路實(shí)現(xiàn)，而信號(hào)音計(jì)數(shù)、密碼校驗(yàn)、信息分析、電器狀態(tài)查詢、密碼修改等功能模塊使用軟件編程完成。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的一大特點(diǎn)是采用了盛群公司的HT46RU232單片機(jī)[2]。HT46RU232是一款8 bit的精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)，有4 096×16 bit程序存儲(chǔ)器 ROM、192×8 bit數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、 1個(gè)8 bit和2個(gè)16 bit的具有溢出中斷的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器、八層硬件堆棧、有可降低功耗的HALT和喚醒功能等。不但運(yùn)算速度快，集成功能強(qiáng)大，而且價(jià)格更便宜，非常適合于家用電器及工業(yè)控制。HT46RU232有28腳和48腳DIP兩種封裝形式(主要是I/O引腳數(shù)目不同)，本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要選用28腳封裝，使硬件裝置體積大為縮小，系統(tǒng)性價(jià)比更高。本文主要給出應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，其芯片介紹可參閱參考文獻(xiàn)[3]。
設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用單片機(jī)最小系統(tǒng)方式工作，如圖2所示。單片機(jī)外接晶振和復(fù)位電路，PA、PB、PC、PD 4個(gè)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(cè)和模擬摘機(jī)，PB口和PA4、PA6、PA7用于語(yǔ)音提示及聲音監(jiān)聽(tīng)，PA0~PA3及PA5用于DTMF檢測(cè)；PC3和PC4用于密碼存儲(chǔ)，PD0和PD1用于電器控制。需要注意的是，HT46RU232單片機(jī)晶振頻率采用的是4 MHz或8 MHz,而復(fù)位采用的是低電壓復(fù)位方式，與80C51單片機(jī)系統(tǒng)不同。
2.2 振鈴檢測(cè)及模擬摘機(jī)電路
振鈴檢測(cè)及模擬摘機(jī)電路主要包括振鈴檢測(cè)、模擬摘機(jī)和摘機(jī)監(jiān)測(cè)三個(gè)功能[4]，如圖3所示。
(1)振鈴檢測(cè)：檢測(cè)有無(wú)鈴流。在電話線路未來(lái)鈴流前，電話線路由電話交換機(jī)提供約48 V的直流電壓,直流信號(hào)不能通過(guò)電容C4、C9，所以光耦U3不起作用，振鈴信號(hào)檢測(cè)端PC2輸出高電平。當(dāng)用戶被呼叫時(shí)，電話交換機(jī)發(fā)來(lái)振鈴信號(hào),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(hào)通過(guò)C4、C9，再經(jīng)過(guò)光耦U3的隔離轉(zhuǎn)換，輸出很標(biāo)準(zhǔn)的方波。方波信號(hào)由PC2端口輸入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，完成振鈴音次數(shù)的檢測(cè)。
(2)模擬摘機(jī)：當(dāng)單片機(jī)的振鈴計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)定的次數(shù)(振鈴計(jì)數(shù)可以由軟件設(shè)定)仍無(wú)人摘機(jī)時(shí)，系統(tǒng)即認(rèn)為不是進(jìn)行正常通話，而是要進(jìn)行家電的遠(yuǎn)程控制。則單片機(jī)通過(guò)輸出口PC0發(fā)出一個(gè)低電平,光耦U2工作，Q2基極得到一個(gè)高電平，Q2、Q1導(dǎo)通，平時(shí)48 V的高電壓通過(guò)Q1、發(fā)光二極管D4和R27后降為7 V~8 V的低電壓，從而實(shí)現(xiàn)了模擬摘機(jī)功能。
(3)摘機(jī)監(jiān)測(cè)：電路中的DW1、R7、R26、C13、U6 組成電話線路摘機(jī)監(jiān)測(cè)，平時(shí)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(dāng)系統(tǒng)接收到振鈴信號(hào)且達(dá)到規(guī)定的振鈴次數(shù)后模擬摘機(jī)時(shí)，電話線路上電壓由原來(lái)的48 V下降到7 V~8 V，此時(shí)DW1 截止，U6停止工作，PC1輸出高電平。即單片機(jī)測(cè)試到PC1腳的高電平，就可確定系統(tǒng)已經(jīng)模擬摘機(jī)，從而進(jìn)行下一步的語(yǔ)音提示功能操作及DTMF解碼工作。
需要注意的是，振鈴檢測(cè)與模擬摘機(jī)部分是電話網(wǎng)絡(luò)的48 V高電壓，與系統(tǒng)其他部分的5 V電壓不同，必須隔離。單片機(jī)與本部分電路連接所用的I/O口都采用了光電耦合，語(yǔ)音電路輸出給本部分電路的音頻信號(hào)采用變壓器耦合才能正確傳輸。
2.3 語(yǔ)音提示及聲音監(jiān)聽(tīng)電路
語(yǔ)音提示是系統(tǒng)的重要組成部分，能為用戶提供直觀的反饋信息，引導(dǎo)用戶更好地進(jìn)行系統(tǒng)的操作。語(yǔ)音芯片能將需要的操作規(guī)則事先存于芯片中，根據(jù)不同的DTMF信號(hào)產(chǎn)生不同的提示信息，從而完成控制整個(gè)系統(tǒng)的目的。由于需要存儲(chǔ)的信息容量比較大,本系統(tǒng)選用了ISD2560語(yǔ)音芯片，其電路如圖4所示。
聲音監(jiān)聽(tīng)和語(yǔ)音提示都由PA4進(jìn)行控制，監(jiān)測(cè)家居環(huán)境的聲音信號(hào)由安置在房間內(nèi)的MIC 話筒產(chǎn)生，而語(yǔ)音信號(hào)由ISD2560語(yǔ)音芯片輸出。當(dāng)PA4為高電平時(shí)，三極管Q7截止，對(duì)聲音信號(hào)和語(yǔ)音信號(hào)沒(méi)有放大功能；當(dāng)PA4為低電平時(shí)，三極管Q6、Q12導(dǎo)通，繼電器K3動(dòng)作，K3觸頭控制ISD2560 Q7的SP-接地，三極管Q7 導(dǎo)通，對(duì)信號(hào)有放大作用。通過(guò)電話線傳輸，此時(shí)用戶在遠(yuǎn)處通過(guò)電話或手機(jī)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)聽(tīng)或者自動(dòng)語(yǔ)音提示。
ISD2560是高度集成的語(yǔ)音芯片，可錄60 s的語(yǔ)音信息,只需外接少量的阻容元件即可進(jìn)行錄放音操作[5]。本系統(tǒng)采用了硬件方式錄音，錄音前先給A0~A9賦值，然后再開(kāi)相應(yīng)的端口就可以實(shí)現(xiàn)錄音功能，錄音結(jié)束芯片內(nèi)部自動(dòng)在該段的結(jié)束位置插入結(jié)束標(biāo)志(EOM)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)需要，從相應(yīng)的錄音地址中取出對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行播放,遇到EOM 標(biāo)志即自動(dòng)停止放音，從而引導(dǎo)用戶進(jìn)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(yǔ)音輸入地址而是PB口給語(yǔ)音芯片送的地址。
2.4密碼存儲(chǔ)電路
本系統(tǒng)采用EEPROM存儲(chǔ)密碼。為了減小電路的體積及單片機(jī)I/O口，存儲(chǔ)器采用了AT24C02串行EEPROM芯片。該芯片有2 KB的存儲(chǔ)空間,當(dāng)系統(tǒng)掉電后密碼也不會(huì)丟失。密碼存儲(chǔ)電路如圖5所示。
AT24C02 的1、2、3 腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址。在與HT46RU232連接時(shí)全部接地，第8腳和第4 腳分別為正、負(fù)電源。第5腳DATA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，數(shù)據(jù)通過(guò)這條雙向I2C串行總線與單片機(jī)的PC4進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。第6腳CLK為串行時(shí)鐘輸入線，與單片機(jī)的PC3連接。DATA 和CLK都需外接一個(gè)10 k?贅的上拉電阻才能正常工作。可通過(guò)軟件編程對(duì)密碼進(jìn)行存儲(chǔ)和修改[6]。
2.5 DTMF 檢測(cè)電路
DTMF檢測(cè)電路是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其工作情況直接決定了系統(tǒng)的可靠性。DTMF編解碼方式在電話撥號(hào)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，其突出的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力很強(qiáng)。本系統(tǒng)采用專(zhuān)用的雙音頻解碼集成芯片MT8870[7]，其電路如圖6所示。圖中，PA5 為單片機(jī)的中斷引腳，當(dāng)MT8870 接收來(lái)自電話線的雙音多頻信號(hào)并準(zhǔn)備好輸出時(shí)，產(chǎn)生中斷信號(hào)。MT8870的2、3 腳接收來(lái)自電話機(jī)的雙音多頻脈沖信號(hào)，該信號(hào)先經(jīng)其內(nèi)部的撥號(hào)音濾波器和濾除撥號(hào)音信號(hào)，然后經(jīng)前置放大后送入雙音頻濾波器，將雙音頻信號(hào)按高、低音頻信號(hào)分開(kāi)，再經(jīng)高、低群濾波器，幅度檢測(cè)器送入輸出譯碼電路，經(jīng)過(guò)數(shù)字運(yùn)算后，在其數(shù)據(jù)輸出端（11~14腳）輸出相對(duì)應(yīng)的8421 碼。MT8870 的數(shù)據(jù)輸出端Q1~Q4連到單片機(jī)的PA0~PA3口線上，由單片機(jī)識(shí)別出4 位代碼。
需要注意，為了使單片機(jī)獲取有效數(shù)據(jù)，MT8870 的STD 有效端經(jīng)反相后接CPU 的引腳INT。當(dāng)MT8870獲取有效雙音多頻信號(hào)后，STD 電平由低變高，再反相為低，CPU 檢測(cè)后，指示PA 口從Q1~Q4接收有效二進(jìn)制代碼。而無(wú)效的雙音頻信號(hào)（電話線路雜音、人們的語(yǔ)音信號(hào)等）是不會(huì)引起MT8870的STD端變化的。
2.6 繼電器控制電路
本系統(tǒng)采用繼電器來(lái)控制家用電器的開(kāi)關(guān)。單片機(jī)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(diào)和電飯煲。根據(jù)需要，還可設(shè)定延時(shí)開(kāi)、延時(shí)關(guān)的功能。電器控制電路如圖7所示。若采用譯碼器進(jìn)行擴(kuò)展，可控制更多路的家電。
3 軟件設(shè)計(jì)
為提高控制系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性和編程效率性，控制系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，用C語(yǔ)言編寫(xiě)。在硬件的基礎(chǔ)上，智能型電話遙控器的所有功能都由軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)軟件編程可以控制電器的開(kāi)關(guān)、延時(shí)開(kāi)關(guān)、聲音監(jiān)聽(tīng)及語(yǔ)音提示等。軟件模塊包括振鈴檢測(cè)、模擬摘機(jī)、語(yǔ)音提示、密碼存儲(chǔ)、MT8870中斷等[8]。圖8為系統(tǒng)軟件流程圖。由于篇幅所限，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(diào)第6段放音程序，提示進(jìn)行下一步操作
} else
{
allow=0;
i=0;
k=0;
GRingCount=0;
j++;
if (j<3)
{
ISDPlay(1);
//調(diào)第2段放音程序，提示密碼輸入錯(cuò)誤
}
if (j >= 3)
{
Holdon=1;
j=0;
} //密碼輸入錯(cuò)誤三次則掛機(jī)
}
}
測(cè)試結(jié)果表明,本系統(tǒng)能夠通過(guò)任一部電話、手機(jī)對(duì)家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，實(shí)現(xiàn)了密碼存儲(chǔ)、修改及家居環(huán)境聲音監(jiān)聽(tīng)等功能，系統(tǒng)工作正常。
本文介紹的智能家居控制系統(tǒng)，充分利用現(xiàn)有電話網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，不需專(zhuān)門(mén)布線，不占用無(wú)線電頻率資源，不受距離和環(huán)境影響，節(jié)約了成本。采用了高性價(jià)比的HT46RU232單片機(jī)，與傳統(tǒng)的80C51單片機(jī)相比，更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程家電控制、工作狀態(tài)查詢、環(huán)境聲音監(jiān)聽(tīng)等多項(xiàng)功能，操作過(guò)程需要驗(yàn)證密碼，較好地避免了電話正常使用時(shí)對(duì)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(tǒng)略作改進(jìn)，也可適用于生活小區(qū)、工業(yè)企業(yè)等不同環(huán)境的監(jiān)控管理，因此具有較高的實(shí)用性和推廣價(jià)值。
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