基于单片机的智能电话控制系统设计

摘 要文章系统地介绍基于 DTMF 远程控制系统的组成、设计方案、电路原理、程序设计及产品的研发过程。DTMF 远程控制系统是以 AT89C51 单片机作为控制核心，MT8870 为 DTMF 信号的接收电路及其它的外围电路，在系统程序的控制下实现功能。该系统由振铃信号检测、摘、挂机控制、双音频解码、语音提示及电器控制五大电路部分组成。它适用于家庭、商店等无人的场所、还可以用于工业控制现场。以电话作为媒介， 通过电话线完成对设备的远程操作。关键词：电话遥控、双音频解码、单片机AbstractUsing The AT89C51 Single Chip Processor and the MT8870 Decoder, which is specially used for decoding multiple dual channel audio frequency signals , as core components, the control system of the intelligent telephone can remotely control the electric appliances through the PSTN (Public Switched Telephone Network). This article introduced the control systems constitution, its working principle, and the program designed idea. The detail specification for several main function circuits which is used for telephone ring detecting, picking up a call simulating, dual channel audio frequency signals decoding, voice suggestion, and electric appliances controlling were provided. This control system can be used in home, stores, and offices.Keywords: Remote controlling through telephone, dual channel audio frequency coded and decoded, controlling under a Single Chip Processor目 录前 言 .11 DTMF 远程控 制系统 .21.1 系统组成 .21.2 产品使用说明 .32 系统工作原理 .43 电路设计 .63.1 振铃模块电路设计 .63.2 摘、挂机电路设计 .73.3 DTMF 接收电路 .83.4 语音提示电路设计 .144 系统程序设计 .204.1 系统流程图 .204.2 各功能模块软件设计 .215 产品制作与调试 .265.1 产品的制作 .265.2 PCB 板的制作 .285.3 元器件的安装 .295.4 元器件的焊接 .305.5 产品调试 .31结束语 .34参考文献 .35附录 1：MT8870 芯片的内部结构 .36附录 2：ISD4004 芯片内部结构 .37附录 3：主程序设计 .38前 言随着现代通信、电子技术和计算机技术的不断创新和发展，为人类社会的发展和生产带来了极大的便利，同时如何现代的科学技术去改善人类的生活，使人们的生活更加的舒适、方便。又因现在的电话网络遍布城乡各地，从而产生一种利用公共电话网的 DTMF 远程控制设计的构想，实现对各种家用设备远程遥控。DTMF 远程控制装置是以 AT89C51 为单片机作为控制核心，MT8870 为 DTMF信号接收电路，在系统程序控制下实现功能，它由振铃信号检测、摘挂机控制、双音频解码、语音提示及电器控制五大部分组成。DTMF 远程控制系统于家庭，无人场所，工业现场等。由于该系统的设计，是利用现有的电话网络资源与集成现代电子技术、通信技术、微处理技术与遥控技术于一体，它为出门在外旅游的人们，因总惦记家里的安危，想不用回家就可以开关家里的电器设备，造成有人在家的假象，保证家里的安全、也可为工作了一天的人们提早准备了浴水，使你尽情释放一天的疲劳；提早准备了香喷喷的饭菜；提早打开空调，一进门便能享受清凉的的世界，为人们省去了多少的麻烦，带来了多少的便利。同时又由于采用的基于公共电话网新型的遥控方式，而常规的有线遥控需进行专门的布线，增加了投入；而红外线、超声波遥控则受距离所限。现有的遥控方式中，还有载波通信控制手段和基于无线寻呼的遥控方式。载波方式即通过电力线传递信息，该方式只能局限于同一变电所、同一变压器所辖范围内。因此也存在距离问题，应用范围有限。基于无线寻呼的遥控方式利用了现有的寻呼频率资源，不需占用额外的频谱。因此它比起这一些的常规的遥控方式显示出了一定不可比拟优越性。它不需占用了一定的频率资源，也不会造成电磁干扰以及电磁污染，又突破常见的遥控方式的空间界限，可跨越省市，甚至跨越国家。又由于本装置采用电话线网络作为媒介及并接在电话机的两端，且不占据电话线的资源，又充分地利用了电话这一种己经比较成熟的双工通信方式，通过电话的语音提示的信息，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与智能化。1 DTMF 远程控制系统1.1 系统组成1.1.1 系统的体系结构DTMF 远程控制系统是由单片机构成主控部分，主要进行信息处理，接收外部操作指令形成各种控制信号及发出相应的控制信号，并完成对于各种信息的采集；接口电路提供单片机与电话外线的接口。其中包括铃流检测、摘挂机控制、忙音检测、双音频 DTMF 识别，及语音提示电路。如下面图 1-1 所示：1.1.2 系统工作原理该系统并接于家用电话的两端，不会影响到电话机的正常使用。当用户拨打本地电话机号码，由通过市局交换机向电话机发出振铃信号，振铃模块检测有铃流进来，首先检测振铃的次数达到 5 次（次数通过软件进行设计）后，单片机控制实现模拟摘机，并驱动语音电路提示请输入密码。并通过单片机进行核对，如果该密码正确，则在语音的提示下输入该要控制家用电器的命令键。DTMF 信号通过双音多频解码器解码后，由微处理器提起数据后去控制该家用设备。当用户输入 “#”键，自动实现挂机，从而完成一次远程控制。当且摘机后，在 30 秒内没有输入，电话回自动挂机。信号音检测采用软硬件相结合的方法来实现对拨号后线路状态的识别。电话线振铃检测模块电器驱动模块模拟摘机挂机电路DTMF 译码模块微处理器数据线语音提示模块图 1-1 基于 DTMF 远程控制装置图1.1.3 技术指标1）额定电压：AC220V2）输入电压允许波动范围：85110AC3）充许高度：海拨不超过 2000m4）环境温度：-40+505）空气湿度：不大于 85（25）6）接口标准：符合 DTMF 电话拨号技术条件1.2 产品使用说明本系统使用非常方便，下面就总体操作过程做一下简单的介绍。首先用户把本装置的信号线并联在电话线的两端，插上电源线，打开电源开关，本装置自动复位，就能正常工作了。当你处在异地想控制远处的用电设备时，只要拨打相应的电话号码，就可以实现对异地的电器的控制。接下来可以分几步进行：1）首先拨打用户设备所处的电话号码。2）如果电话振铃声超过 5 次，而无人接听时，系统自动摘机，继而发出了“欢迎使用家用器远程控制装置”，并回送提示音提示输入密码，并以#字号结束。3） 如果用户在三次之内，当三次之内，用户不能正确地输入密码，系统自动挂机。系统将自动挂机。4） 当用户输入正确的密码后，就可以在语音的提示下进行其它的相关操作。用户操作完成，按“#”键结束，完成一次的远程操作。而已经开启的电器将保持其开启的状态，直到下一次的“通话”控制使其关闭。本装置使用起来简单易学，而且功能强大。2 系统工作原理系统的原理图如下图 2-1 所示，系统由振铃信号检测、双音频接受电路、语音提示电路、摘、挂机控制电路、家用电器启动电路五大部分组成，采用以 AT89C51作为核心控制器件，MT8870 为 DTMF 信号的接收电路，在系统程序的控制下实现功成名能。该系统由振铃信号检测、摘、挂机控制、双音频解码、语音提示及电器控制五大电路部分组成。它适用于家庭、商店等无人的场所、还可以用于工业控制现场。以电话作为媒介， 通过电话线完成对设备的远程操作。系统的工作原理如下：由于该系统的并接在家用电话的两端，且不影响到电话机的正常工作，因此出门在外的人，可以通过拨打家中的电话号码，交换机向家中电话机发送振铃信号，当有振铃信号进来的时候，该系统的振铃检测电路接受到铃流信号时，微控制器的定时/计数器 T1 开始计数，当计数的次数达到 5 次时，计数器溢出向 CPU 申请中断，当 CPU 响应中断请求后，置 P2.6 口低电平，启动模拟摘、挂机电路，实现自动摘机。接通线路后,CPU 置 P1.6 口低电平，选中语音芯片，而后微处理器模拟 SPI 总线工作方式向 ISD4004 发出控制命令，从而启动语音提示电路， （该电路主要由ISD4004、LM386 和外围电路组成，语音信号通过变压器。 ）发出“请输入密码”这一提示信息，提示用户输入密码，用户输入的密码通过电话线接口电路，再通过解码芯片 MT8870及一些外围元器件组成的解码电路，将双音频信号转化为相应的二进制号码，从该芯片的 Q1Q4 端口传送到 AT89C51 的 P1.0P1.3 口进行密码检验，如果密码不正确，语音信号会提示用户“密码不正确，请从新输入密码” 。当密码检验正确后，再由语音信号提示用户输入要控制的设备代号。当用户操作成功后，再由语音提示用户是否继续操作，用户可以根椐自己的需求，进行下一步的操作，如不需要，既可挂机结束任何操作。1234D2 1N4004R6 1kR3 54kR5 10kR4 10kQ22N5551U1P631U3P631VCCR1 33k R10 10kVCCQ1 2N5401R2100D3 LEDC1L1AQ49013C2100FR9 2.9KIN+1IN-2OSC17OSC28EST16ST/GT17GS3V REF4STD15Q111Q212Q313Q414PWDN6INH5TOE10U5MT8870C161UFC210.047UF1122C20220UFC1910UFR23 1KR24 10R17 10K R2210KVCCC18 3.3UFC17 1UFC7 4.7UFC110.1UFC130.1UFR19 10KAMIC1IN+3IN-2BYPASS7V OUT5GAIN1GAIN8VS6 ND 4U6LM386CS1MOSI2MISO3VSSD4NC5NC6NC7NC8NC9NC10VSSA11VSSA12OUT13AMCAP14NC15IN-16IN+17VCCA18NC19NC20NC21NC22VSSA23RAC24INT25XCLK26VCCD27SCLK28U7ISD4004R201KR16300kC6100nR15 100kR13100kC4100nC3100n R2110KR14100kVCC C15 0.1UFLOWLOWCSCSSCLKMOSI MISOMISOMOSIY2C930pC10 30pC8 22F R18 1KVCCZLINTSTDINTZL1 2JP1 CON2Y1Vin2ADJ1+Vout 3U4LM317R12240R11 420C5 1FC121FTOETOEC1422FQ3 9013 Q5 9013R7 560 R8 560D5 D4K1K2VCC VCCD1 36VR25 10KP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST/VPD9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/Vpp31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40U289C51PVCCRSTRSTXTAL1XTAL2XTAL2XTAL1SCLK图2-1基于DTMF远程控制系统工作原理图图2-1DTMF远程控制工作原理图3 电路设计3.1 振铃模块电路设计如下图 3.1 所示，该电路是以光耦合器件为核心组成的，当有铃流信号进来，此信号通过光耦合器件，给发光二极管一个电压，从而使光耦合器件工作，再经过一个反向器输出标准的方波信号，可供主控部分的检测。3.1.1 电路的设计思想由于在电话线上没有摘机之前，电话线的两端是 4860V 的直流电压信号，当电话线上无振铃信号时，该系统不会工作。当一有铃流信号进来，程控交换机送来的是 253HZ 的正弦交流电压，其 PP 为 9015V，信号以 1 秒送，4 秒断的形式发送，振铃检测可以有多种形式，但是最常用的是采取光耦合器件来实现的，由于它的优点在于可以使输入与输出在电气（电源、地线）上完全绝缘，具有很高的抗干扰性。而在该电路当中，它作为一个开关器件和信号隔离的作用。同时具有很高的耐压值可达到 5001000V，以及价格便宜，设计简单，工作可靠等优点。只要在软件部分进行振铃次数的检测，设置在一定次数的振铃后再摘机提高了系统的稳定性。图 3.1 振铃检测电路U1P631R133k R210kC1Q19013C2100FR92.9KD136V电 电 电T0/P3.4AT89C511FVCC3.1.2 元件的选取及说明1）隔直电容 C1 的选取：隔直电容 C1 是电解电容，用于过滤直流，滤出低频信号，而且振铃信号的电压还比较高，在这里采用 1 耐压 100V 的钽或铝解电容。2）电阻 R1 的选取：电阻 R1 是起限流作用，保证光耦合器器件的正常工作，因为电线的阻值少到一定值，便会在电话环路内形成动作电流（程控电话交换机检测到环路电流突变大于30mA,即认为用户己摘机） ，会影响电话线路的正常工作。所以取 33k。3）稳压二极管 D1 的选取：稳压二极管 D1 的采用主要考虑到对光耦进行保护而设计的。它反相并接于光耦的两端，当信号的正半周期加在光耦的两端使其导通，当负半周期时，使光耦截止，可经此该二极管续流，从而保护光耦不会电压过大而损坏，这样就要求光耦要有良好的耐压性能。此处取 1N4003。4）光耦 U1 的选取：由于它是一种光电信号的耦合器件，它是一种将发光二极管和光敏三极管封在一起。通过光信号耦合，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都挡回在输入回路的一侧。具有较高的电气隔离和抗干扰能力，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、体积小、寿命长等优点。选取型号为 TIL 系列的 P621。5）电阻/电容 R2/C2 的选取：电阻 R2 电容 C2 共同组成滤波电路。主要是滤除振铃信号中的低次谐波。使信号到开关三极管的基极可以得到较好的方波信号，从而可以使以后输出的信号加到AT89C51 的定时/计数器 T0。 6）反相器的选取：用来检测振铃信号的光耦在导通和截止时，光耦三极管的集电极（输出端）电平并不是确定的数值，如果此输出信号传给主控单元，势必使主控单元无法识别，影响其正常工作。为了解决这一问题，采用了在光耦的集电极加一反相器的办法。反相器输出的波形有很大的改善，基本上是方波信号，本电路采用了开关三极管等组成，信号三极管的集电极引出，优化了电路设计，使其工作更加可靠。3.2 摘、挂机电路设计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300，有R键的电子电话机的摘机状态直流电阻应350。在挂机状态下，其漏电流5uA 。因为程控电话交换机检测到电话线回路电流突变为大于 30mA 时，即认为用户己摘机。当回路电流小于 30mA 时认为电话己挂机，即与系统通讯结束。3.2.1 电路的设计思想如下图所示，在未摘机之前，P2.6 端为高电平，该电路处于末工作状态，当振钤检测电路检测到五次振钤时，P2.6 输出低电平，Q2 管导通，从而使得 Q1 的基极变为低电平也使 Q1 导通，Q1 的集电极经电阻 R3 和发光二极管组成回路，形成大约 300 的电阻电流为 30mA 的恒流源，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。3.2.2 元件的选取及说明1） 极性保护电路 D1 的选取：当程控交换机确认有摘机信号时,送来的是直流信号,但是电话线哪一端为正,哪一端为负,为了解决这一问题，电话机中都装有极性保护电路，这样做可以使不确定的极性变成确定的极性，经其变换后再与电路的其它部分相连，起到了必要的保护作用。本电路选取的 4 个二极管的型号为 1N4004。2） 高压三极管 Q1 及开关管 Q2 的选取: 接在电话线路中的三极管一般都选择高耐压的三极管，该电路也考虑到电话线上的电压有时可能会出现很高的情况，所以选用了高压三极管。从程控交换技术手册可以了解，摘机时电话线两端的电压为 811V 左右，环路阻抗要小于 2K（600 时比较合适） ，环路电流要在 30mA 左右。三极管 Q1 的主要作用就是充当恒流源，需选用 PNP 型的三极管。本电路选取的是 2N5401。而三极管Q2 的作用起到开关的作用,当加高电平时,处于饱和导通状态 ,当低电平时,处于截止状态.本电路取出 2N55513.3 DTMF 接收电路3.3.1 DTMF 信号DTMF 双音多频信号是目前在按键电话(固定电话、移动电话)、程控交换机及无线图 3.2 摘、挂机电路图1234 D11N4004 R51KR154KR410KR310KQ22N5551U1P631Q1 2N5401R2100 D2LEDP2.6 AT89C51电 话 线VCC通信设备中广泛应用的一种信号。它是一组由高频信号与低频信号叠加而成的组合信号,CCITT 和我国国家标准都规定了电话键盘按键与双音多频信号的对应关系，如表 1 所示。在表中显示,电话键盘上的任何一个键都由两个都互不为谐波关系的频率组成，因此每一个按键对应的一组频率都能够唯一地被辨认出来。每个号码所对应的两个频率互不为整数比。高频率群中的最高频率 1633Hz 为备用频率，这样就变为 7 中取二的方式，只有 12 个号码。这 12 个号码代表阿拉伯数字“0”“9”以及符号“*”和“#” ，通常这 12 个号码足够用了。其中符号“*” 、 “#”用于表示特殊功能，如“重发” 、 “暂停”等。如按“5”时高频群频率 1336Hz 与低频群频率770Hz 同时输出。采用十六键时高频群频率 1633Hz 系备用频率， （A ）（D ）预定为数据通信等其它功能。fLOW fHIGH KEY TOE Q4 Q3 Q2 Q1697 1209 1 1 0 0 0 1697 1336 2 1 0 0 1 0697 1477 3 1 0 0 1 1770 1209 4 1 0 1 0 0770 1336 5 1 0 1 0 1770 1477 6 1 0 1 1 0852 1209 7 1 0 1 1 1852 1336 8 1 1 0 0 0852 1477 9 1 1 0 0 1941 1209 0 1 1 0 1 0941 1336 * 1 1 0 1 1941 1477 # 1 1 1 0 0697 1633 A 1 1 1 0 1770 1633 B 1 1 1 1 0852 1633 C 1 1 1 1 1941 1633 D 1 0 0 0 0 ANY 0 Z Z Z Z表 1 MT8870 数字编码表3.3.2 DTMF 解码芯片MT8870DTMF 信号接收器又称为 DTMF 解码器，它的功能是把 DTMF 信号变换为二进制数字信号。利用这些数字信号借助逻辑电路进行控制，在程控电话系统中它往往接在交换机中。目前双音多频产品多属于 CMOS 集成产品，国际上一些主要器件产品厂商或公司均有代表性的 DTMF 接收器。如 MITEL 公司 MT8870、M8870 、MH88305 与MK5091 等。这些 DTMF 产品集成度高、体积小、抗干扰能力强，并且中间传输的是两个音频信号，最后输出的是二进制编码信号，便于与微型计算机接口。本系统选取的 MT8870 是 MITEL 公司生产的 DTMF 信号接收器，是 COMS 大规模集成电路芯片， MT8870 的内部集频带分离滤波器与数字解码功能为一体，滤波部分用开关电容技术，分成高频群及低频群滤波器，解码器使用数字计数器技术检测把全部 16个 DTMF 音调解码成四位二进制码。由于它内部有差动放大器、时钟振荡器和锁存三态总线接口，所以减少了该集成电路外部器件的数目。其它内部结构见附录。3.3.3 MT8870 各引脚功能简介1）MT8870 各引脚的的分布情况如有图 3.3.3 所示。2）引脚功能如下：IN+：为运算放大器同相输入端；IN-：为运算放大器反相输入端；GS：为增益选择，它为内部运算放大器的输出端与前端连接反馈电阻提供通道；VREF：为基准电压输出端，标准值 VDD/2 用来给内部运放输入端加偏置；INH、PWDN：为内部连接端，大多接到 VSS。OSC1、2：分别为时钟输入端及时钟输出端，这两脚之间接一个 3.579545MHz 的石英晶体组成内部振荡电路。VSS：为负电源输入端，大多数情况该端接公共地。TOE：为三态输出使能输入端，该端为逻辑高时使能 Q0-Q3 有输出。Q1-Q4：为三态数据输出端，当 TOE 为使能时，提供与最接近接收到的有效音调对相对应的四位二进制码。StD：为延时导引输出端，当一个被收到的音调对已被寄存并且锁存器的输出已被校正时，该端为逻辑高，当 St/GT 端电压降到低于 VRS 时，该端转换为逻辑低。ESt：为早期导引输出端，表示有效音调频率的检测。一旦数字算法检测到一个有图 3.3.3 MT8870 的引脚分布效的音调对（信号状态） ，该端就出现高电平，信号状态的任何减小将导致 EST 转换为逻辑低。St/GT：为导引输入/保护时间输出。它是一个双向端，StD 检测出一个大于 VTSt 的电压，器件寄存所检测到的音调对并校正锁存器输出；StD 端检测出一个小于 VTSt 的电压，器件自由地接收一个新的音调对。GT 输出的作用是重复外部导引时间常数。VDD：为正电源输入端，规定 VDD 为 5V。3.3.4 MT8870 芯片与单片机的接口电路1）MT8870 与 AT89C51 单片机的接口图2）中央处理器 AT89C51 简介AT89C51 是由美国 Atmel 公司生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机。 AT89C51 的特点AT89C51 具有以下几个特点：AT89C51 与 MCS-51 系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有 4k 字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作,工作范围:0Hz24MHz；三级程序存储器加密；1288 位内部 RAM；32 位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器五个中断源,两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两种工作方式。 AT89C51 的功能描述AT89C51 是一种低损耗、高性能、CMOS 八位微处理器，片内有 4k 字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除 1000 次，数据保存时间为十年。它与 MCS-51 系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51 系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS-51 系列产品没有的功能。AT89C51 可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于 4K，四个 I/O 口全部提供给用户。可用 5V 电压编程,而且擦写时间仅需 10 毫秒，仅为 8751/87C51 的擦除时间的百分之一,与 8751/87C51 的 12V 电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽（2.7V6V ） ，全静态工作，工作频率宽在0Hz24MHz 之间，比 8751/87C51 等 51 系列的6MHz 12MHz 更具有灵活性 ,系统能快能慢。AT89C51 芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。P0 口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。 AT89C51 引脚功能AT89C51 单片机 40 引脚分布如右图 3.3.4。AT89C51 是一种低损耗、高性能、CMOS 八位微处理器，片内有 4k 字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除 1000 次，数据保存时间为十年。它与MCA-51 系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替 MCS-51 系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS-51 系列产品没有的功能。AT89C51 可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于 4K，四个 I/O 口全部提供给用户。可用 5V 电压编程,而且擦写时间仅需 10 毫秒，仅为 8751/87C51 的擦除时间的百分之一,与 8751/87C51 的 12V 电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽（2.7V6V） ，全静态工作，工作频率宽在 0Hz24MHz 之间，比 8751/87C51 等 51 系列的 6MHz12MHz 更具有灵活性,系统能快能慢。AT89C51 芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。P0 口是三态双向口,通称数据总线图 3.3.4 AT89C51 芯片引脚分布口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。3）MT8870 是双直插式 DTMF 信号接收处理专用集成电路。MT8870 电路的基本特性是实现 DTMF 信号分离滤波和译码功能，输出相应的 16种 DTMF 频率组合的 4 位并行二进制码（如表 1 所示） 。电路输出的二进制码 Q1Q4由数据输出允许端 TOE 控制。 TOE 为高电平时， Q1-Q4 输出与当前输入的 DTMF 信号相对应的二进制码；低电平时，Q1Q4 端呈高阻状态。运放和 R2、R4、C1 组成一反相放大器，对输入的 DTMF 信号进行隔离放大，其增益 K=R2/R5，改变 R2 的值可变增益的大小，但增益不宜过大，一般 K 值取为 15，输入的 DTMF 信号的幅度应在 27.5883mV 之间。4 端为 VREF 为基准电压输出端，取值 VDD/2=2.5V。 （详细连接方法，见图 3.3.5，MT8870 与单片机的接口技术）输入的 DTMF 信号经 MT8870 解调后，在 StD 端产生一个控制输出信号，该信号表 2 P3 口的第二功能图 3.3.5 MT8870 与单片机的连接图VDDVSSGSINHQ1Q2Q3Q4OSC1OSC2TOESTDESTST/GTVREFPWDNIN+IN- P1.0P1.1P1.2P1.3AT89C51RDINT1300K R30.1FC2100K R5100K R4 100K R2C10.1FC30.01FMT8870信 号 输 入3.5795 VCCVCC100K R1输出端与单片机 AT89C51 的外部中断输入端 INT1 相连，当该信号发生由 1 到 0 的跳变时，中断标志 IE1（中断安排为下降沿触发方式） ，设置中断标志为 1，当 AT89C51响应中断后，产生一个 RD 信号，经相反之后使 MT8870 的 TOE 端产生一个高电平脉冲信号，该信号使 MT8870 的数据输出端 Q1Q4 由原来的高阻状态变为与当前输入的双音频信号相对应的二进制编码信号，AT89C51 通过 P1 口将该二进制数读入并保存在数据 RAM 区。3.4 语音提示电路设计基于 DTMF 远程控制系统利用语音提示电路实现用户和系统之间的交流。用户在语音的提示下进行操作。首先存储若干段系统提示音，由单片机判断用户输入的信息，在对语音提示电路进行寻址,播放相应的提示音，提示用户进行下一步操作。3.4.1 ISD4004 芯片介绍1）ISD4004 性能ISD4004 是美国 ISD 公司制造的一种新款语音芯片。与 ISD 其它系列语音产品不同的是，ISD4004 是一种微控制器“从”设备，而“主”控制器可以是内置有 SPI 兼容接口的微控制器，也可以用 I/O 仿真 SPI 通信协议。该芯片的所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（SPI 或 Microwire）送入。它采用了“多级存储”等专利技术。该系列的特点是录音时间长。它的片内含大容量的 FLASH memory(2840K),一片电路就能实现最长达 16 分钟的录放音。根据存储时间不同，同一系列的型号芯片的性能也有不同，表 3 所示。表 3 ISD4004 系列型号与性能对照表ISD4004 系列工作电压为 3V，单片录放时间为 816 分钟，音质好，适用于移动电话及其它便携式电子产品中。其工作电流的典型值为：放音时，ICC=25mA；录音时，ICC=30mA；静态电流只有 1A。存储语音信息能保留 100 年，可录放语音 10 万次。通过串行外设接口 SPI 与单片机连接，可实现对语音芯片更加灵活的寻址和控制，同时减少芯片的引出端数，提高了芯片的使用灵活性。由于声音录放采用了 Chip-Corded 专利技术,即声音无须 A/D 转换和压缩就可直接存储,不存在 A/D 转换误差,在一个记录位(BIT)可存储多达 250 级声音信号,相当于通常A/D 技术记录容量的 8 倍。片内集成了晶体振荡器、麦克风前置放大器、自动增益控制、抗混叠滤波器、平滑滤波器、声音功率放大器等,只需很少的外围器件,就可构成一个完整的声音录放系统。其内部结构见附录。2）ISD4004 芯片引脚功能描述 ISD4004 芯片的引脚图如右图 3.4.1 所示 ISD4004 芯片的引脚说明如下：VCCA,VCCD：供电电源端 3V，而且为了使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。模拟、数字信号电源正端。VSSA,VSSD：接地线端。芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。ANAIN+：录音信号同相输入端，输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰值 32mV,耦合电容和本端的 3K 电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰值 16mV。ANAIN-：录音信号反相输入端，信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰值 16mV。AUD OUT：音频输出端，可驱动 5K 的负载。MOSI：串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供 ISD 输入。MISO：串行输出端，ISD 未选中时,本端呈高阻状态。SCLK：时钟输入端，由主控制器产生,用于同步 MOSI 和 MISO 的数据传输。数据在SCLK 上升沿锁存到 ISD,在下降沿移出 ISD。INT: 中断输出端，本端为漏极开路输出。ISD 在任何操作(包括快进)中检测到 EOM或 OVF 时,本端变低并保持。中断状态在下一个 SPI 周期开始时清除。中断状态也可用RINT 指令读取。OVF 标志指示 ISD 的录、放操作已到达存储器的末尾。EOM 标志只在放音中检测到内部的 EOM 标志时,此状态位才置 1。RAC：行地址时钟，漏极开路输出。每个 RAC 周期表示 ISD 存储器的操作进行了一行(ISD4004 系列中的存贮器共 2400Line)。该信号 175ms 保持高电平,低电平为 25ms。快进模式下,RAC 的 218.75s 的高电平,31.25s 为低电平。该端可用于存储管理技术。图 3.4.1 ISD4004 引脚分布XCLK：外部时钟输入端，不用时必须接地。AUTCAP：自动静噪端，用于当没有信号时自动减少噪音。大信号不衰减时，静音衰减 6Db。3）ISD4004 与 SPI 总线的接口技术数据传输有串行和并行数据传输两种方式。长期以来，并行数据传输以其高速度而十分广泛的应用于各种设备，如 CPU、RAM 和打印机等；串行数据传输仅在远距离数据上占据一定优势。随着集成电路制造工艺的发展，器件的速度大为提高，串行传输的速度的限制，因此出现了大量带串行外围接口的集成电路。这些芯片与并行接口芯片相比，具有引脚少，芯片体积小，接口线少等优点，它的应用范围也越来越广泛。由于 ISD4004 通过 SPI 接口传送数据，SPI 总线即（Serial Peripheral Interface串行外设接口）是 MOTOROLA 公司推出的一种串行扩展接口,是全双工同步通信口。它可以使 MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。如外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD 显示驱动器、A/D 转换器和 MCU 等。 SPI 总线组成SPI 接口一般使用 4 条线：串行时钟线（SCK） 、主机输入/从机输出数据线 MISO、主机输出/从机输入数据线 MOST 和低电平有效的从机选择线 SS(有的 SPI 接口芯片带有中断信号线 INT、有的 SPI 接口芯片没有主机输出/从机输入数据线 MOSI)。由于 SPI系统总线一共只需 34 位数据线和控制即可实现与具有 SPI 总线接口功能的各种 I/O器件进行接口，而扩展并行总线则需要 8 根数据线、816 位地址线、23 位控制线，因此，采用 SPI 总线接口可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和 I/O 口线，提高设计的可靠性。SPI 组成的系统如下图所示。图 3.4.2 SPI 组成的系统主控器SCLKMISOMOSI器件 1 器件 2CS1 CS2图 3.4.2 SPI 系统组成原理图利用 SPI 总线可在软件的控制下构成各种系统。如 1 个主 MCU 和几个从 MCU、几个从 MCU 相互连接构成多主机系统（分布式系统）、1 个主 MCU 和 1 个或几个从 I/O 设备所构成的各种系统等。在大多数应用场合，可使用 1 个 MCU 作为控机来控制数据，并向1 个或几个从外围器件传送该数据。从器件只有在主机发命令时才能接收或发送数据。其数据的传输格式是高位（MSB ）在前，低位（LSB ）在后。SPI 总线接口系统的典型结构如上图所示。当一个主控机通过 SPI 与几种不同的串行 I/O 芯片相连时，必须使用每片的允许控制端，这可通过 MCU 的 I/O 端口输出线来实现。但应特别注意这些串行 I/O 芯片的输入输出特性：首先是输入芯片的串行数据输出是否有三态控制端。平时未选中芯片时，输出端应处于高阻态。若没有三态控制端，则应外加三态门。否则 MCU 的 MISO 端只能连接 1 个输入芯片。其次是输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。因此只有在此芯片允许时，SCK 脉冲才把串行数据移入该芯片；在禁止时，SCK 对芯片无影响。若没有允许控制端，则应在外围用门电路对 SCK 进行控制，然后再加到芯片的时钟输入端；当然，也可以只在 SPI 总线上连接 1 个芯片，而不再连接其它输入或输出芯片。因此可以利用片选线实现多机通信或扩展多片 SPI 芯片，在启动一次传送时由主机产生8 个脉冲传给从机作为同步时钟，数据由串行数据输出端移出，由串行数据输入端移入，其典型的时序图如下图 3.4.3 所示。由于 ISD4004 提供了 SPI 的串行接口，因此用户可以通过单片机实现对该芯片的操作、工作模式设置及寻址，从而完成之间的数据交换。为了能够正确地交换数据，SPI 串行外设接口必须遵循一定的数据传输协议。该协议具体如下：（1） 所有串行数据传输从 SS 端下降沿开始。 端在传送工程中应一直保持低电平，在指令间为高电平； 图 3.4.3 ISD4004 工作时序图SS（2） 时钟信号在上升沿时锁存输入数据，时钟信号在下降沿时输出数据；（3） 录/放音操作起始于 变低，并通过 MISO 给 ISD 器件输入操作码和地址，具体的操作码如下表 3 所表示；（4） 操作码有五位，地址码十一位；（5） 每个操作（包括信息快速检索）结束，出现 EOM 标志或溢出时，将产生一次中断。当下一个 SPI 周期开始时，此中断被清除，信息快速检索允许用户跳过信息，直到遇到 EOM 标志，内部地址指针加 1；（6） 中断数据从 ISD 器件的 MISO 端输出的同时，控制码及地址信号也从 MOSI 端输入。读出中断数据和启动一个新的操作；（7） 运行位（RUN）置 1 启动操作，置 0 时结束操作可在同一个 SPI 周期内完成；（8） 所有操作都在 端上升沿开始执行的。SSPI 接口的控制位SPI 的接口控制位如下图 3.4.4 所示表 3 ISD4004 SPI 接口指令表SSOVF EOM P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 0 0 0C4 C3 C2 C1 C0 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0MISOMOSIMessage Cueing(MC)Ignore Address Bit(IAB)Power UP(PU)Play/Record(P/R)RUM图 3.4.4 SPI 端口控制位MOSI主设备输出,从设备输入 MISO主设备输入,从设备输出；OVF溢出标志；EOM信号结束。IAB：忽略地址控制位。IAB=1 时 ，忽略地址寄存器 A10A0 位；IAB=0 时，使用 A10A0 位操作，即当 IAB 置 0 时录放音操作从地址 A9A0 开始，为了能够连续录放音，IAB 应在一行结束之前置 1。否则，ISD 芯片将在同一个语音段重复操作。这个特点在语音提示类产品中非常有用。同时，行地址时钟端与 IAB 配合使用进行存储管理。MC：使信息检索。 MC=1 时，使能信息检索；MC=0 时，取消信息检索。PU：上/断电选择。 PU=1 时，上电；PU=0 时，断电。P/ ： 录/放音选择。 P/ =1 时，放音；P/ =0 时，录音。RRRRUN： 启动停止操作。RUN=1 时，启动；RUN=0 时，停止。P10P0：行地址寄存器输出。A10A0：输入地址寄存器。 ISD4004 与单片机的接口技术由于 ISD4004 是在单片机的控制下实现工作，因此单片机必须实现模拟 SPI 总线的工作方式，同时对 ISD4004 工作状态进行查询（如操作是否达到某一地址的末尾、存储器是否溢出）可以选用单片机的 6 个 IO 口分别与 ISD4004 的MISO、MOSI、SCLK、 和 RAC、 相连，其中 是用作器件的片选信号，MISO、MOSI、SCLK 、 用于和单片机的数据通信，控制 ISD4004 的语音提示播放及查询等功能。如下图 3.4.5 为 ISD4004 语音芯片与单片机的连接情况。CSINTCSINTCSMOSIMISOVSSDNCNCNCNCNCNCVSSAVSSASCLKVCCDXCLKINT RACVSSANCNCNCVCCAIN+IN-NCP0.4P0.5P0.6P0.7INT0INT10.1UFVCCRESETP0.0电0.3Q1电Q4XTAL1XTAL230P30PAMCAP 1UFOUT10KISD4004AT89C51EA/Vpp5V3V4 系统程序设计4.1 系统流程图系统流程图如下图图4.1图 3.4.5 ISD4004 语音芯片与单片机的连接图