摘 要： 為在無人值守情況下實(shí)現(xiàn)對多點(diǎn)溫度實(shí)時監(jiān)測,并在溫度超過設(shè)定范圍時及時通知相關(guān)人員，設(shè)計(jì)了基于PIC單片機(jī)控制、多點(diǎn)溫度采集、串口通信、鍵盤和顯示控制、語音錄制和播放以及電話撥號控制的智能溫度監(jiān)測及電話語音報警系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，使用方便，報警迅速有效，且成本較低，具有廣泛的適用范圍。
關(guān)鍵詞： 溫度監(jiān)測； 語音處理； 電話報警
溫度是一個重要的物理量，隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及人們對生活環(huán)境要求的提高，對溫度的測量與控制具有重要的意義。在一些對溫度有要求的場所，通常依靠人工對溫度進(jìn)行監(jiān)測，為避免事故發(fā)生，需要人員長時間堅(jiān)守崗位，這必將耗費(fèi)相關(guān)人員大量的時間和精力。此外，對于一些環(huán)境條件比較惡劣、危害人體健康的場所，無法實(shí)行人工監(jiān)測溫度。
針對以上問題，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控，是目前較多使用的一種方法。大規(guī)模語音處理集成電路的發(fā)展，使得語音提示在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。在此基礎(chǔ)上，借助電話通信技術(shù)傳輸警情信息，實(shí)現(xiàn)自動電話語音報警功能，不僅可以充分利用已有通信資源，使警情信息迅速傳到相關(guān)人員，也使監(jiān)控系統(tǒng)具有了智能化的特點(diǎn)。
本文將單片機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控、語音提示和電話通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)了溫度監(jiān)測及電話語音報警系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了自動電話語音報警功能，也使監(jiān)控系統(tǒng)具有了智能化的特點(diǎn)。該系統(tǒng)以PIC16F877單片機(jī)為控制核心，結(jié)合傳感器接口電路RS485轉(zhuǎn)換模塊MAX485、語音芯片ISD2560、鍵盤/顯示控制芯片Intel8279、液晶顯示模塊OCM4X8C、MODEM撥號以及電話信號音檢測模塊CR6230,能自動對多點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和實(shí)時顯示。當(dāng)某一個監(jiān)測點(diǎn)溫度超限時，立即撥打相關(guān)人員的電話，判斷電話被接聽后以語音告知溫度超限的監(jiān)測點(diǎn)號和溫度值。相關(guān)人員固定電話和手機(jī)號碼以及各監(jiān)測點(diǎn)溫度上下限值可通過鍵盤和顯示器隨時查看、存儲及更改，錄音過程也可以隨時進(jìn)行。為適應(yīng)不同應(yīng)用情況的需要，系統(tǒng)允許溫度監(jiān)測點(diǎn)在一定數(shù)量范圍內(nèi)增加或減少。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)
智能溫度監(jiān)測及電話語音報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由核心控制單元及其擴(kuò)展電路、多路溫度傳感器及其接口電路、液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊、語音處理電路、電話信號音檢測電路、電話線路控制及接口電路、MODEM控制電路共8部分組成。
1.1 核心控制單元及其擴(kuò)展電路
美國Microchip Technology公司的PIC系列單片機(jī)采用精簡指令集、哈佛總線結(jié)構(gòu)、二級流水線取指令方式，具有低價、低功耗、高速、功能強(qiáng)和易開發(fā)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的PIC16F877芯片是一種功能和性價比很高的PIC系列中級產(chǎn)品，含有A/D、PWM、E2PROM、UART、SPI、I2C等豐富的接口模塊和8 KB的Flash程序存儲器，PIC16F877芯片有40個引腳，其中有33個I/O端口[1]。
系統(tǒng)中作為控制核心的PIC單片機(jī)要完成其他7個功能模塊的協(xié)調(diào)控制，每個模塊均需要單片機(jī)給出一定數(shù)量的控制線和數(shù)據(jù)線來完成相應(yīng)的功能，因此對于I/O資源有限的單片機(jī)，必須進(jìn)行I/O擴(kuò)展。PIC單片機(jī)及其外圍擴(kuò)展電路如圖2所示。該擴(kuò)展電路包括：
(1)通過3個鎖存器74LS373（U3、U8、U9）和2個收發(fā)器74LS245（U21、U22）將單片機(jī)的8個I/O端口（RD0、…、RD7）擴(kuò)展成36個I/O端口，通過譯碼器74LS138(U7)將單片機(jī)的3個I/O端口(RC1、RC2、RC3)擴(kuò)展成8個I/O端口，其中2個74LS373(U8、U9)和1個74LS138(U7)擴(kuò)展出的24個I/O端口作為輸出端口，用于輸出其他模塊的地址或控制信號，另1個74LS373(U3)擴(kuò)展出的4個I/O端口作為輸入端口，用于電話信號音檢測信號的讀取，2個74LS245(U21、U22)各擴(kuò)展出的8個I/O端口分別用于鍵盤和顯示模塊的輸入輸出控制。
(2)通過2個單8路模擬開關(guān)CD4051和1個雙4路模擬開關(guān)CD4052將單片機(jī)的異步串行端口(RC6/TX、RC7/RX)擴(kuò)展成9個異步串行端口，2個CD4051擴(kuò)展出的8個異步串行端口用于8路溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集，1個CD4052擴(kuò)展出的1個異步串行端口用于MODEM的撥號控制。
此外，由于本系統(tǒng)對時鐘要求不是特別精確，所以單片機(jī)的振蕩輸入電路采用RC振蕩電路,頻率約為4 MHz。單片機(jī)采用簡單的RC復(fù)位電路。
1.2 溫度傳感器及其接口電路
系統(tǒng)設(shè)計(jì)了8個溫度監(jiān)測通道，針對不同的監(jiān)測距離和溫度傳感器輸出形式，每個監(jiān)測通道可采用兩種溫度傳感器，一種是監(jiān)測距離較遠(yuǎn)、按照RS485串行傳輸?shù)募t外溫度傳感器，另一種則是監(jiān)測距離較近的電壓輸出溫度傳感器。
紅外溫度傳感器采用美國EXERGEN公司IRt/c.01-K-140F/60C型紅外探頭,測量范圍-45 ℃～＋290 ℃[2]。8個溫度傳感器分別通過8個MAX485接口芯片轉(zhuǎn)換成TTL電平，將轉(zhuǎn)換后8個傳感器串口的發(fā)送端口和接收端口分別與U18、U19連接。單片機(jī)通過擴(kuò)展I/O芯片U9輸出一定的地址和控制信號給U18和U19，選定某個溫度傳感器，再由串口發(fā)出讀值命令輸出給傳感器，傳感器成功接收后將把當(dāng)前的溫度值返回，單片機(jī)控制串口接收即完成溫度采集過程。
電壓輸出溫度傳感器采用LM35DZ，在0～100 ℃內(nèi)輸出為0～1 V，線性輸出比例為10.0 mV/ ℃。8個傳感器的輸出電壓值直接給到單片機(jī)的8個模擬輸入端口(RA0，RA1，RA2，RA3，RA5，RE0，RE1，RE2),單片機(jī)選定某一模擬通道后通過其內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器(10位)進(jìn)行采集。
系統(tǒng)正常工作時，以0.5 s為周期對8路溫度傳感器進(jìn)行采集，由于有2種傳感器，在每路采集時進(jìn)行相應(yīng)的判斷，若采集成功則顯示，若沒有值則認(rèn)為此路沒有接入傳感器，此路溫度值不顯示也不進(jìn)行報警分析，這樣使系統(tǒng)在傳感器數(shù)量不定的情況下也可以正常工作，適應(yīng)多種場合的需要。
1.3 語音處理電路
系統(tǒng)通過單片機(jī)控制語音芯片ISD2560來實(shí)現(xiàn)語音錄制和播放功能，語音處理電路如圖3所示。
ISD2560可以存儲60 s的語音，最多分成60段，1個地址單元可存儲0.1 s的語音[3]。錄音過程單片機(jī)通過2個擴(kuò)展I/O芯片U8、U9給定相應(yīng)語音段地址和錄音控制信號P//R，用戶按下錄音鍵(控制/CE=0)的同時由麥克輸入語音,單片機(jī)的定時器根據(jù)這段錄音的時間(即RC5端口為低電平的時間)控制ISD2560的地址累加，并在此段錄音結(jié)束時給出并存儲下一段的起始地址，從而不會產(chǎn)生交疊現(xiàn)象，存儲的語音是可以掉電保持的。當(dāng)達(dá)到存儲器的結(jié)束地址時，ISD2560會給出已存滿信號(/OVF=0)，系統(tǒng)也會提示錄音結(jié)束。各段語音的錄制是按一定的順序進(jìn)行的，以便于報警時對不同語音的組織和播放，各個語音段的首地址同樣按一定的順序存儲在單片機(jī)內(nèi)部的E2PROM中，E2PROM的存儲內(nèi)容可以掉電保持。
放音過程中單片機(jī)根據(jù)溫度超限情況，按順序從E2PROM中找到所需語音段的首地址,通過2個擴(kuò)展I/O芯片U8、U9給定相應(yīng)語音段地址和放音控制信號P//R=1，并通過RC5 端口控制使能/CE=0，每段播放結(jié)束時，語音芯片給出語音結(jié)束信號(/EOM=0)，所需語音段依次播放，播放的語音信號由SP+、SP-端口輸出，送入通信變壓器CRE3(T2)，耦合進(jìn)入電話線路。
1.4 電話線路控制及接口電路
當(dāng)某路溫度超限時，報警系統(tǒng)引入電話線路，控制MODEM撥打相關(guān)人員的電話，同時進(jìn)行電話信號音檢測，判斷接聽后將語音信號送入電話線路，完成報警。當(dāng)沒有警情發(fā)生時，無須引入電話線路，電話線路可接到電話機(jī)，本系統(tǒng)中電話線路控制及接口電路如圖4所示。
采用2個繼電器(K1、K2)實(shí)現(xiàn)電話線路的控制，當(dāng)有警情發(fā)生時，單片機(jī)通過擴(kuò)展I/O芯片U9的一個端口控制繼電器轉(zhuǎn)向開關(guān)，將電話線路連入系統(tǒng)。電話線路接口芯片采用通信變壓器CRE3，系統(tǒng)采用2個CRE3(T1、T2)分別實(shí)現(xiàn)電話線路與信號音檢測以及語音處理電路的接口。
1.5 MODEM控制電路
系統(tǒng)采用外置MODEM實(shí)現(xiàn)撥號功能，按照RS232串行通信標(biāo)準(zhǔn)對MODEM進(jìn)行控制。MODEM串口通過MAX232芯片實(shí)現(xiàn)RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的MODEM串口與U5對應(yīng)2個端口連接。當(dāng)溫度超限時，系統(tǒng)將電話線接入MODEM，單片機(jī)通過擴(kuò)展I/O芯片U9輸出控制信號給U5選定MODEM，單片機(jī)串口按照MODEM的工作波特率(9 600 b/s)設(shè)置后，發(fā)出AT命令控制MODEM。AT命令是MODEM可以識別并執(zhí)行的命令，典型的命令有：ATZ(復(fù)位)、ATDT+電話號碼（撥號）、ATH(掛斷電話)等。MODEM執(zhí)行命令后的返回信息有OK、NO CARRIRIER、BUZY等,對于撥打電話而言,BUZY表明電話線路忙，NO CARRIERIER指示無人接聽。這些返回信息對于判斷MODEM是否正常工作以及電話是否撥通和被接聽都有重要的作用。
1.6 電話信號音檢測控制電路
電話信號音檢測模塊CR6230可以準(zhǔn)確識別各種電話信號音，并直接輸出信號識別結(jié)果，檢測信號包括有效識別中斷信號SS、撥號音信號PS、回鈴音信號RS、忙音/催掛音信號BS。本系統(tǒng)中電話信號音檢測控制電路如圖5所示。
當(dāng)溫度超限時，單片機(jī)通過擴(kuò)展I/O芯片U7控制CR6230（U4）的管腳CS=1，清除所有檢測信號，系統(tǒng)引入電話線路，經(jīng)過電話線路接口芯片CRE3（T1）的電話信號送入CR6230，單片機(jī)控制MODEM撥號后，單片機(jī)通過擴(kuò)展I/O芯片U3讀取4個電話信號音檢測信號，識別回鈴音信號是否有效，若無效則重?fù)芑蚋膿芴柎a；回鈴音信號有效則等待，當(dāng)其變?yōu)闊o效時則判斷對方接聽電話，此時還要根據(jù)MODEM的返回值來進(jìn)一步確定是否被接聽。
1.7 液晶顯示模塊
報警系統(tǒng)通過單片機(jī)控制液晶顯示模塊OCM4X8C，實(shí)現(xiàn)多路溫度測量值的顯示，相關(guān)人員固定電話、手機(jī)號碼和各監(jiān)測點(diǎn)溫度上下限值的設(shè)置過程以及錄音過程的顯示。
本系統(tǒng)中單片機(jī)采用8位并行連接方式，單片機(jī)通過RA4、RB5、RB4 3個端口分別實(shí)現(xiàn)對OCM4X8C（J13）的指令/數(shù)據(jù)狀態(tài)選擇、讀/寫和使能控制，并通過擴(kuò)展I/O芯片U21給出一定的指令字或顯示數(shù)據(jù)完成不同界面的顯示。顯示過程為在傳送命令的狀態(tài)下先選擇指令集、清屏，然后指定在資料寫入或讀取時游標(biāo)的移動方向及顯示的移位、開顯示、設(shè)定顯示地址，再進(jìn)入傳送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，根據(jù)顯示內(nèi)容從中文字庫中找出相應(yīng)的16進(jìn)制代碼并將其依次傳給液晶顯示器。
1.8 鍵盤控制模塊
報警系統(tǒng)的工作狀態(tài)控制、各路溫度上下限值和電話號碼的設(shè)置是通過鍵盤輸入完成的。單片機(jī)與鍵盤的接口芯片采用INTEL公司生產(chǎn)的通用可編程鍵盤/顯示器接口芯片8279，它可實(shí)現(xiàn)對鍵盤的自動掃描，并識別鍵盤上閉合鍵的鍵號，它要求外部時鐘輸入信號的周期不小于500 ns即頻率不大于2 MHz。8279的讀寫有獨(dú)立的控制線（RD和WR），可以進(jìn)行命令的寫入、狀態(tài)的讀出以及鍵盤數(shù)據(jù)的讀出等操作，具體是通過選定在命令狀態(tài)（A0=1）下寫入相應(yīng)的命令字來實(shí)現(xiàn)。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
為提高軟件設(shè)計(jì)效率，本系統(tǒng)單片機(jī)控制軟件采用C語言編程，主程序流程如圖6所示。
系統(tǒng)軟件可分為以下4個功能模塊：
(1)系統(tǒng)初始化
系統(tǒng)上電以后，完成對各個組成電路初始狀態(tài)、工作模式等參量的設(shè)置[5]，并顯示系統(tǒng)初始化界面。
(2)系統(tǒng)設(shè)置
系統(tǒng)初始化后進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置界面，用戶可通過按鍵選擇錄音控制、號碼存儲、溫度上下限值設(shè)置以及直接進(jìn)入多路溫度監(jiān)測和顯示。
(3)多路溫度監(jiān)測和顯示
按一定的周期采集和顯示多路溫度值，即在每個監(jiān)測周期內(nèi)，依次完成8個監(jiān)測點(diǎn)溫度值的采集，并與相應(yīng)的溫度限值進(jìn)行比較和判斷，所有監(jiān)測點(diǎn)溫度值采集完成后進(jìn)行顯示。系統(tǒng)進(jìn)入多路溫度監(jiān)測和顯示操作以后，可隨時通過按鍵返回系統(tǒng)設(shè)置界面。
(4)電話語音報警
當(dāng)有溫度超限時，立即撥打預(yù)先存儲的相關(guān)人員的固定電話，判斷電話被接聽后，組織相應(yīng)的警情信息進(jìn)行語音報警，若沒撥通或無人接聽則改撥手機(jī)，直到報警成功為止。報警成功后返回溫度監(jiān)測和顯示操作，報警成功的那路溫度監(jiān)測點(diǎn)則不再報警，等到其恢復(fù)到正常范圍后重新使能報警功能。
本文基于單片機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控、語音處理和電話通信技術(shù)設(shè)計(jì)的溫度報警系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對多點(diǎn)溫度的實(shí)時監(jiān)測，并在某點(diǎn)溫度異常時自動撥打相關(guān)人員的電話進(jìn)行語音報警的功能，具有智能化、使用方便、報警迅速可靠和成本較低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于商場、辦公室、倉庫等對環(huán)境溫度有一定要求的場所。
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