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基于公众电话网的住宅远程智能报警和遥控系统设计
张一哲;杨晓晴;李晓娟
【期刊名称】《低压电器》
【年(卷),期】2007(000)012
【摘要】提出了一种价格低廉、功能齐全且具有遥控和家控两种操作方式的基于公众电话网的住宅远程智能报警和家电远程控制系统,既适合普通家庭使用,又可广泛应用于智能小区管理系统中.该系统具有较高的实用和推广价值.
【总页数】5页(P14-17,30)
【作者】张一哲;杨晓晴;李晓娟
【作者单位】河北建筑工程学院,河北,石家庄,075024;河北建筑工程学院,河北,石家庄,075024;河北建筑工程学院,河北,石家庄,075024
【正文语种】中文
【中图分类】TP872
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基于P S T N的家用电器远程控制系统设计■桂林电子科技大学 李君懿 摘 要本系统以Philip s公司单片机P89L PC932为主控制器,以双音多频解码电路芯片MT8870为核心,通过公众电话网实现对家用电器的远程多路智能控制;同时利用语音芯片A PR9600具有的语音提示功能,使用户在使用系统的过程中达到一种人性化的效果。
本文详细介绍系统中振铃检测电路、模拟摘挂机电路、双音频信号(D TMF)解码电路、语音提示电路及通道控制电路几个部分。
关键词P89L PC932M T8870PSTN电话远程控制 A PR96001 系统工作原理当需要遥控家用电器时,拨打相应的座机电话号码,振铃检测电路检测铃流信号。
如果有人接听电话或振铃次数少于5次,对程控电话的使用不造成影响;当振铃次数达到5次后(次数可以通过软件任意设定),单片机启动语音提示电路并发出提示音,询问是否进入家电控制模式。
按“0”键否,挂机退出,按“1”键是,摘挂机电路自动摘机进入控制状态并将摘机信号输入到单片机中。
单片机接收到摘机信号后,启动语音提示电路发出提示音,提示操作者输入密码(系统支持在线修改密码)。
输入的密码经D T MF接收,转换成二进制数并与事先存储在单片机中的密码比较。
如果不相符,则语音提示密码错误,可再次重新输入,若三次密码错误则发提示音并自动挂机;如果密码相符,则语音提示选择控制通道(按键1、2分别表示1、2号通道)。
通道选择后,按下“1”键表示开启该路电器,并有语音提示“该路电器已经开启”;按下“0”键表示关断该路电器,有提示音“该路电器已经关闭”;再按“0”键则可挂机退出。
若超时则自动挂机(超时时间由软件设定)。
2 系统组成本系统由5部分组成,即振铃检测电路、模拟摘机电路、D TMF解码电路、通道控制电路和语音提示电路。
其中振铃检测和解码均采用外部中断来实现,系统组成原理框图如图所示。
3 系统硬件电路设计3.1 振铃检测电路3.1.1 原理分析公用电话网的传输线路为二线模拟线路,采用直流环路信号方式,能向模拟话机提供直流馈电、振铃信号、话音数据、音频数据、双音频数据等。
万方数据９０基于ＰＬＣ和公用电话网的增压泵站远程监控系统Ｍｏｄｅｍ，ＰＬＣ通过通信处理器连接公用电话网，需要时建立连接，即可实现ＥＳ对ＰＬＣ的远程访问。
图２基于Ｍｏｄｅｍ的通讯配置２．２ＰＬＣ的Ｍｏｄｅｍ远程通信Ｓ７—２００ＰＬＣ提供了一个简单易用的远程Ｍｏｄｅｍ通信解决方案，ＰＬＣ通过扩展ＥＭ２４１调制解调器模块，可以实现通过电话交换机和电话网络的远距离通信。
ＳＴＥＰ７一Ｍｉｃｒｏ／Ｗｉｎ通过参数化向导ＭｏｄｅｍＥｘｐａｎｓｉｏｎＷｉｚａｒｄ（调制解调器扩展向导）配置ＥＭ２４１的Ｍｏｄｅｍ应用。
ＥＭ２４１作为一个智能扩展模块，采用导轨安装，不占用ＣＰＵ的通讯端日。
采用ＰＬＣ的Ｍｏｄｅｍ远程通信，是一个安全、可靠、经济简便的选择。
３软件系统的设计与实现通过工程师站（ＥＳ）与远程ＰＬＣ站的Ｍｏｄｅｍ连接，建立了监控中心与增压泵站的远程通信，工程师站运行ＳＴＥＰ７一Ｍｉ—ｃｒｏ／Ｗｉｎ软件，工程人员可以在ＳＴＥＰ７环境下配置ＰＬＣ通讯、监视运行参数和实肘工况，并在必要情况下干预系统的运行，也为远程软件升级提供方便。
以远程维护和诊断为主要设计目标的远程监控系统建设，不改变变频恒压供水设备的就地控制方式和程序结构，而在ＰＬＣ程序中增加通讯处理模块，并在通讯处理模块中调用“远程操作”以及“端口映射”子程序。
而在“通讯模块”中，执行如图３所示程序。
ＬＳ∞ｆＰ＿纛。
Ｌ－卜—ｒ图３程序１ＰＬＣ通过“端口映射”子程序，将上位机和ＰＬＣ标定为统一的数据格式，包括“离散”、“整数”、“浮点数”和“字符串”等类型，并完成通信数据的发送和接受。
ＰＬＣ寄存器Ｖ１０００．０在上位机中被定义为“远程操作”，数据形式为离散量，初始状态为“０”。
当系统出现传感器故障、外管网爆裂等特殊状况时，上位机启动“远程操作”，令Ｖ１０００．０＝１，ＰＬＣ执行“远程操作”子程序。
在“远程操作”子程序中，ＰＬＣ按上位机的给定频率，启动目标水泵，并对水泵的运行状态进行监视。
基于公用电话网的远程控制器的设计 1总体设计该远程控制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，其中包括振铃检测、模拟摘挂机控制、忙音检测、双音频DTMF 信号识别，及语音提示电路。
本系统的原理框图如图一所示：（图一）本系统力求使用最简单的电路、最便宜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。
本装置可并联于电话机的两端，不会影响到电话机的正常使用。
用户通过其他电话机或手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。
本装置如果检测到振铃五次，即五次响铃后无人接，自动摘机，语音提示按键选择何种操作（如留言，提取留言，查询电器状态，控制电器等，其中后三者要求密码验证身份），完成操作后自动挂机。
2 系统设计可行性分析2.1 总体设计分析根据电话远程智能控制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；（4）用户在进行各种操作时均有语音提示我设计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；（10）语音提示；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，我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。
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，我选择了硬件来解决振铃音检测、忙音检测、双音频信号解码、语音提示等功能模块。
自动摘挂机和电器的控制必须使用具体硬件电路来实现。
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，我设计信号音检测、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。
下面就硬件以及软件实现的单元电路分别进行具体分析。
2.2 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。
2.2.1自动摘挂机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。
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300Ω的电阻接入电话线两端，从而完成模拟摘挂机。
2.2.2振铃音的检测当用户被呼叫时，电话交换机发来铃流信号。
振铃为25±3伏的正弦波，谐铃失真不大于10%，电压有效值90±15V。
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。
经过光耦的隔离转换，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。
2.2.3控制电器此部分比较简单，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，在此就不累述了。
2.2.4双音频解码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，我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8870、8880、8888等，经过反复论证比较，我决定使用双音频解码集成片MT8870来完成此功能模块。
2.3 软件模块经过比较，我决定使用AT89S51作为控制的单片机芯片，具体有关AT89S51的介绍书籍很多很详细，不在这里累述。
2.3.1信号音计数本单元可以使用AT89S51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。
2.3.2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。
2.3.3 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。
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，我认为我的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3 功能模块设计3.1 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25±3伏的正弦波，谐铃失真不大于10%，电压有效值90±15V。
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。
图二原理说明：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，从而对地电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰能力。
速度高、价格低、接口简单。
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。
经过二个反向器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。
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1μF耐压100V的瓷片电容（由于条件限制，本人用两个2μF耐压60V的电解电容负极相连代替之）；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 kΩ；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，τ=RC可以推出0.02≤τ≤4（S）。
为了使振铃信号音输出很好的方波波形，如图3.2所示，计算后选取R2=10kΩ，C2=100μF，τ=1s；6、LED1为振铃指示灯，黄色5mm发光二极管；7、反向器由74LS04中的二组反向器组成，起整流作用；3.2 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≤300Ω，有“R”键的电子电话机的摘机状态直流电阻应≤350Ω。
在挂机状态下，其漏电流≤5μA。
当用户摘机时，电话机通过叉簧接上约300Ω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三所示：图三模拟摘挂机电路主要由一个三极管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200Ω电阻。
摘挂机信令由单片机通过使TXD/P3.1口变为高电平，使三极管P1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200Ω，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。
根据设计原理，原器件选取如下：1、 R2是三极管限流电阻，取2kΩ；2、 T1三极管是起模拟开关控制继电器的作用，取9013；3、 J1是继电器控制开关，取JRC 4001F(DC5V)；4、 R3是摘机电阻，取220Ω；3.3 双音频解码原理简介：双音多频DTMF信号解码电路由MT8870主要承担。
MT8870内部结构图如图四所示。
它的连线如图五所示， 2、3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（11~14脚）输出相对应的8421码。
（图四）（图五）MT8870的数据输出端Q4 ~ Q1连到AT89C51的P1口的P1.4 ~ P1.7，CPU经P1口识别4位代码。
电话按键与相应译码（Q4~Q1）输出见表一。
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”。
有些技术资料会出现错误，包括比较权威的手册，所以我是在实验中，记录下测量的每一组数据后，才把这些数据应用于程序当中。
为了使单片机AT89C51获取有效数据，MT8870的STD有效端经反相后接CPU的/INT0引脚。
当MT8870获取有效双音多频信号后，STD电平由低变高，再反相为低，CPU检测后，指示P1口接收有效二进制代码。
（表一）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STD端变化的。
DTMF接收器的外围电路如图3.4所示。
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STD端中断关闭。
其解决办法是，将STD 端接与非门的一输入，与非门的另一输入端接一不定电平端P。
当STD有效（即中断开放）时，P = 1则/INT0中断关闭；P = 0时则/INT0中断允许。
本单元元器件列表：1、 U2为音频变压器；2、 C2为隔直电容，取1UF2、 R1和R2是输入平衡电阻，取100KΩ,C2隔直电容，取0.1μF；3、芯片外部晶振选择3.579MHz；4、 U3是双音频解码芯片，选取MT8870；5、 C4选取0.1μF；6、 R3是输出平衡电阻，选取100KΩ；3.4 语音提示电路原理说明：为使用户使用方便，本系统在进行各种操作时，均有语音提示。
