LPC932的PSTN家用电器远程控制系统设计.docx

LPC932的PSTN家用电器远程控制系统设计 摘 要: 本系统以philip单片机P89LPC932为主控制器和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。同时系统利用语音芯片APR9600还具有语音提示的功能，使用户在使用系统的过程中达到一种人性化的效果。本文详细介绍了系统中振铃检测电路、模拟摘挂机电路、双音频信号（DTMF）解码电路、语音提示电路及通道控制电路几个部分。此外,本系统还可以应用于工业自动化控制等领域。关键词: P89LPC932 MT8870 PSTN 电话远程控制 1、系统的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DTMF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(超时时间可由软件设定)。本装置并联于电话机的两端，不会影响到电话机的正常使用。用户通过异地的电话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。系统使用较为简单的电路、较便宜的芯片实现了较为完善的功能。系统还有可以添加的功能，具有较广的市场前景。2、系统组成本系统由五部分组成，即：振铃检测电路、模拟摘机电路、DTMF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，系统结构框图如图1所示：图1 系统组成原理框图3、系统硬件电路设计3.1振铃检测电路一、原理分析：在设计该电路之前，首先介绍一下公用电话网线路上的信号及其检测方法。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。我国规定的标准为，话机在不通话时，电话线中的直流电压是48V。当有电话呼入时，同时还有2515 V，25Hz的正弦信号加在电话线上，所以向用户振铃的铃流电压为7515V，25Hz的交流电压。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频率较大的方波信号，然后再将该方波信号转化成便于LPC932计数的低频方波信号即可。二、方案设计采用稳压管、光电耦合器和反向器（三极管9018）将一个周期的振铃信号转化成一个周期的方波信号送入LPC932的INT0进行计数，其电路图如图2所示：图2:振铃检测电路其工作原理叙述如下：当有振铃信号来时，电话线上的铃流信号为7515V，25Hz的交流信号。其中直流电压48V左右，交流电压为2515V，25Hz的正弦信号，当该信号进入振铃检测电路后，首先用高压电容C1进行隔直，其中R2为限流电阻。交流信号经过R2后通过稳压管D1降压，然后输入到光电耦合器进行转换，转换后的信号经C4和R5滤波整流后，会变成标准低电平和带纹波高电平的长周期脉冲信号，但是输出的波形不好，且高电平的状态还与交换机有关，所以在后面加上了一个三极管的反向器，作为整形，这样就可以得到很完整的波形了，即电话每振铃一次就产生一个周期的方波信号，将该信号输入LPC932的中断口进行计数方便可靠。3.2模拟摘机电路一、原理分析：在设计该电路之前，首先介绍一下电话摘机的工作原理，用户话机的摘挂机状态是通过对直流环路上电流的通断来实现的，用户挂机空闲时，直流环路断开，馈电电流为0；反之，用户摘机后，直流环路接通，馈电电流在20mA以上。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，所以交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机。二、方案设计本方案通过单片机控制三极管9013的通断，进而控制继电器的通断来实现模拟摘机，其电路图如图3所示：其工作原理叙述如下：本方案主要由一个三极管开关电路控制继电器的开关，继电器控制音频信号输入到解码电路进行解码。当挂机状态时，P1.3的电平通过CPU控制为低电平，则T1截止，电路无法形成回路，没有电流（理想状态），交换机则认为电话线处于挂机状态。摘挂机信令由单片机通过使P1.3口变为高电平实现。改变三极管T1的基极电压，使T1处于导通状态，从而吸和继电器K1，使音频信号通过K1输入到解码电路进行解码，这时电话线回路电流突然变大为约30mA的电流，所以交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机，整个电路完成自动模拟摘机过程。图3 模拟摘机电路3.3、DTMF解码电路一、原理分析：当用户在电话机的键盘上输入密码或按下控制按钮后，这些信息均采用双音频方式通过电话线发出。DTMF解码电路的主要作用是接收从TEL0、TEL1输入的双音多频信号并将其转换成二进制编码，然后输至单片机进行数据处理，进而实现控制功能。本方案采用双音多频(DTMF)解码芯片MT8870来对双音频信号进行解码，将其转化成二进制数据并输入CPU进行数据处理。二、电路设计由MT8870组成的解码电路如图4所示：图4 由MT8870组成的DTMF解码电路其工作原理叙述如下：MT8870如接收到一有效的DTMF信号后，ECO端首先变为高电平，经积分电路使控制输入端CI电平升高。若CI端电平低于门限电平时，MT8870内部的四位二制码保持不变，CID端保持低电平；若CI端高于门限电平，MT8870内部的四位二进制码被更新，CID输出由低电平变为高电平，经反向器后向LPC932发出中断申请，通知单片机主控台现在已有控制信息发出，LPC932接到中断申请后，中断口由低电平变为高电平，并通过数据线读取MT8870的译码数据， MT8870如无DTMF信号输入或DTMF信号连续失真，则ECO端为低电平，CI端也为低电平，CID端输出低电平，经反向器后不会向89C51单片机发出中断申请。3.4、语音提示电路1、APR9600的功能特性简介：一、原理分析APR9600语音录放芯片，是继美国ISD公司以后采用模拟存储技术的又一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路，单片电路可录放32-60秒，串行控制时可分256段以上，并行控制时最大可分8段。与ISD同类芯片相比它具有：价格便宜，有多种手动控制方式，分段管理方便、多段控制时电路简单、采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种功能等特点。在APR9600芯片的内部，录音时外部音频信号通过话筒输入和线路输入方式进入，话筒可采用普通的驻极体话筒，在芯片内话筒放大器中自带自动增益调节（AGC），可由外接阻容件设定响应速度和增益范围。如果信号幅度在100mV左右即可直接进入线路输入端，音频信号由内部滤波器、采样电路处理后以模拟量方式存入专用快闪存储器FLASHRAM中。由于FLASHRAM是非易失器件，断电等因素不会使存储的语音丢失。放音时芯片内读逻辑电路从FLASHRAM中取出信号，经过一个低通滤波器送到功率放大器中，然后直接推动外部的喇叭放音。厂家要求外接喇叭为16欧姆，实际试验用8-16欧姆均可，一般音量下输出功率12.2mW(16欧）。二、电路设计：（1）、录音电路的设计：在语音提示电路的设计过程中，首先要对APR9600进行语音的录入，把系统所需要的语音信息录入到芯片中，根据需要，系统只需要8段语音提示信息，所以本电路选择APR9600的并行工作模式，APR9600芯片的并行工作模式十分简单，每段都有对应的键控制，按哪一键就录、放哪一段，而且可以方便地对任意一段重新录音不影响其它段、对任意一段循环放音等。而且每段录音的最大时间是等分的，而且最多可以分八段，刚好可以满足本系统的需要，其录音电路原理图如图5所示：图5 APR9600的录音电路其工作原理叙述如下：并行8段控制需要将芯片的MSEL1端置1（高电平）、MSEL2端置1（高电平）、/M8端置1。模式置好后开始录音，置RE端为0，按住/M1即听到嘀一声BUSY指示灯亮起即开始录音第一段，松键时又听到嘀一声BUSY指示灯熄灭即录音停止。/M2/M8分别录其他7段。录音时可以不按顺序，先录任意一段均可，不满意可重新录音。每段的最大时间为7.5秒（以全片60秒录音计），录满时指示灯熄灭并响嘀嘀两声，当然实际每段录音可以长短不一。置RE端为1即是放音状态，按一下/M1即放音第一段，放音期间再按一下/M1即停止放音，如果压住/M1键不放即循环放音第一段直到松键。/M2/M8均分别控制另外7段。/CE键为停止键，放音期间按一下它也能停止放音。（2）、放音电路的设计在语音芯片APR9600的录音工作完成之后，接下来的任务就是把语音芯片接入系统中，通过CPU控制它的放音，根据需要适时的将提示音经过功率放大器LM324放大后反馈到电话线上，最终到达用户的话机，起到语音提示的作用。其电路原理图如图6所示：图6 APR9600的放音电路其工作原理叙述如下：因为系统总共有8段提示音，但单片机LPC932并没有8个多余的I/O口，所以本单元电路使用LPC932的3个I/O口来实现语音提示功能，笔者选用38译码器74LS138将现有的3个I/O口扩展成8个I/O口，用来控制8段提示音的放音，即P1.4、P1.5、P1.6分别连接38译码器的A、B、C，根据需要选通系统所需要发出的那段提示音（控制/M1/M8中的某一个为低），被选通的提示音信号从SP+和SP-发出，将该语音信号输入到LM324进行功率放大，将放大后的语音信号输入到电桥电路，通过桥堆反馈到电话线上，并最终到达用户的话机上，从而实现语音提示的功能。 3.5、通道控制电路一、原理分析电话远程控制系统对受控设备的控制,要通过单片机对继电器的闭合才能实现, 在继电器驱动时，继电器控制端线圈工作电流比较大，所以不能直接用CPU的P口驱动继电器。因此,在CPU与继电器之间必须设置一个继电器驱动电路。二、方案设计本方案采用三极管9013作为开关电路来控制继电器的关闭与开启,从而实现对通道的控制，其电路图如图7所示：图7. 通道控制电路其工作原理叙述如下:当CPU的P1.5脚输出高电平时，三极管导通，继电器吸合，该路通道开启；当P1.5脚输出低高电平时，三极管截止，继电器断开，该路通道关闭。这样就实现了对通道的控制，其中二极管D2的作用是保护三极管9013，避免被继电器吸合、关断时产生的瞬时高压击穿。其工作原理为：继电器K2在三极管T2导通时，上面电压为上正下负，电流方向由上向下。在T2关断时，K2中电流突然中断，会产生感应电势，其方向是力图保持电流不变，即总想保持K2电流方向为由上至下。这个感应电势与电源电压迭加后加在T2两端，容易使T2击穿。为此加上D2，将2产生的感应电势短路掉，让电流沿顺时针方向在二极管和继电器所的小回路里面流动，从而保护T2和继电器本身。、系统软件设计系统包括振铃检测电路、模拟摘挂机电路、双音频信号（DTMF）解码电路、语音提示电路及通道控制电路等多个模块，这些模块都是通过中央控制器LPC932来协调控制的，这就使得各个模块的联系非常紧密，他们之间是相互联系、影响的，并不是完全独立出来互不影响的独立模块。所以LPC932的功能引脚要合理的安排，才能使各个模块之间相互协调的工作，系统主要模块的软件设计如下：该系统软件的主程序的内容主要包括对中断方式和中断优先级的设置，对LPC932的控制I/O口的初始化，各种标志的初始化，以及解码芯片MT8888的初始化，原始密码设置，密码接收存储区清零，模拟摘机之前振铃次数的初始化等。其程序流程图如图8所示：图8 主程序流程图结论：本系统是将公众电话网与单片机系统有机结合的综合设计，有效的利用了现有的电信网络资源，通过单片机LPC932实现了远程控制，突破了传统的无线遥控技术，常用遥控方式有无线电遥控、有线遥控、红外线和超声波遥控等。无线电遥控既是利用无线电信号对被控物体实施远距离控制。无线电遥控不可避免的须占用一定的无线电频率资源，造成电磁污染；常规的有线遥控需进行专门的布线，增加了投入；而红