基于PSTN設(shè)計(jì)的家用電器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

引言
隨著生活水平的不斷提高，人們希望有一種自動(dòng)化、智能化程度高的控制系統(tǒng)對(duì)所有的家用電器能實(shí)施遠(yuǎn)程控制。本文介紹了一種基于PSTN(Public Switched Telephone Network，公眾電話網(wǎng))實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程控制，通過電話可以隨時(shí)隨地控制多種家用電器的開關(guān)和各種設(shè)定，諸如將空調(diào)提前升降溫、電熱水器提前預(yù)熱等，應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛。
系統(tǒng)組成及工作原理
為了簡化電路、降低成本、提高可靠性，本系統(tǒng)采用AT89C51作為主控制器，它是一款與MCS51完全兼容且內(nèi)部自帶有4KB的Flash存儲(chǔ)器及256KB RAM單元的芯片，因此可以不需另外擴(kuò)展EEPROM及靜態(tài)RAM就可以實(shí)現(xiàn)所需功能。除主控制器之外，還有振鈴檢測與模擬摘機(jī)電路、DTMF解碼電路、語音提示電路、集中控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

當(dāng)需要遙控家用電器時(shí)，撥打相應(yīng)的電話號(hào)碼，振鈴檢測電路檢測鈴流信號(hào)，如果有人接聽電話或振鈴次數(shù)少于6次，對(duì)程控電話的使用不造成影響，當(dāng)振鈴次數(shù)達(dá)到6次后(次數(shù)可以通過軟件任意設(shè)定)，單片機(jī)啟動(dòng)語音提示電路發(fā)出提示音，詢問是否進(jìn)入家電控制模式，按“0”鍵否，掛機(jī)退出，按“1”鍵是，摘掛機(jī)電路自動(dòng)摘機(jī)進(jìn)入控制狀態(tài)并將摘機(jī)信號(hào)輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)接收到摘機(jī)信號(hào)后，啟動(dòng)語音提示電路發(fā)出提示音，提示操作者輸入密碼或是退出(系統(tǒng)支持在線修改密碼)。輸入的密碼經(jīng)DTMF接收，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)并與事先存儲(chǔ)在單片機(jī)中的密碼比較，如果不相符，則語音提示密碼錯(cuò)誤，可再次重新輸入，若三次密碼錯(cuò)誤則發(fā)提示音并自動(dòng)掛機(jī)；如果密碼相符則語音提示選擇控制通道(按鍵1～8分別表示1～8號(hào)通道，分別控制8路電器)。通道選擇后，按下“1”鍵表示開啟該路電器，并有語音提示“該路電器已經(jīng)開啟”，按下“0”鍵表示關(guān)斷該路電器，有提示音“該路電器已經(jīng)關(guān)閉”，按下“＊”鍵則可掛機(jī)退出。若超時(shí)則自動(dòng)掛機(jī)(時(shí)間可由軟件設(shè)定)。

硬件電路設(shè)計(jì)

1 振鈴檢測與模擬摘機(jī)電路
在分析該電路之前，首先介紹一下公用電話網(wǎng)線路上的信號(hào)及其檢測方法。公用電話網(wǎng)的傳輸線路為二線模擬線路，采用直流環(huán)路信號(hào)方式，能向模擬話機(jī)提供直流饋電、振鈴信號(hào)、話音數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、雙音頻數(shù)據(jù)等。我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)為，平時(shí)掛機(jī)時(shí)的饋電電壓一般為-48V，向用戶振鈴的鈴流電壓為75±15V，25Hz的交流電壓，用戶話機(jī)的摘掛機(jī)狀態(tài)是通過對(duì)直流環(huán)路上電流的通斷來實(shí)現(xiàn)的，用戶掛機(jī)空閑時(shí)，直流環(huán)路斷開，饋電電流為0；反之，用戶摘機(jī)后，直流環(huán)路接通，饋電電流在20mA以上。
當(dāng)有振鈴信號(hào)從TEL0、TEL1輸入時(shí)，如圖2所示，電話線路上的75±15V，25Hz的交流電壓經(jīng)過一個(gè)橋式整流Q1及濾波后，振鈴信號(hào)進(jìn)入光電耦合器817的1、2引腳，然后從4腳輸出脈沖信號(hào)，脈沖輸入到74LS123中，其中74LS123的作用是將小脈沖轉(zhuǎn)換成大方波信號(hào)并送入到89C51單片機(jī)的T0引腳進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到6次時(shí)，89C51的T1引腳發(fā)出高電平，使三極管PNP8550導(dǎo)通，從而繼電器RELAY吸合，完成模擬摘機(jī)動(dòng)作。由于語音信號(hào)和雙音頻信號(hào)電壓遠(yuǎn)低于振鈴信號(hào)電壓，所以該電路不會(huì)產(chǎn)生誤操作。

2 DTMF解碼電路
當(dāng)用戶在電話機(jī)的鍵盤上輸入密碼或按下控制按鈕后，這些信息均采用雙音頻方式通過電話線發(fā)出。DTMF解碼電路的主要作用是接收從TEL0、TEL1輸入的雙音多頻信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼，然后輸至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制功能，如圖3所示。
本電路采用的是MT8880雙音多頻解碼芯片，能實(shí)現(xiàn)雙音多頻信號(hào)(DTMF)的發(fā)送與接收。發(fā)送DTMF信號(hào)時(shí)，信號(hào)從D0～D3經(jīng)數(shù)據(jù)總線緩沖器送到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，控制可編程行列計(jì)數(shù)器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換合成DTMF信號(hào)，在音頻突發(fā)開門控制和邏輯控制作用下，從8腳(TONE端)發(fā)出。當(dāng)接收DTMF信號(hào)時(shí)，模擬摘機(jī)后從TEL0、TEL1進(jìn)入的雙音多頻信號(hào)經(jīng)過耦合隔離變壓器耦合入MT8880的輸入腳IN-，DTMF信號(hào)經(jīng)運(yùn)放、撥號(hào)音濾波器、高頻組及低頻組分離帶通濾波器送到數(shù)字算法與編碼變換器進(jìn)行確認(rèn)，譯成相應(yīng)的4位二進(jìn)制碼，存入接收數(shù)據(jù)寄存器，需要時(shí)輸出至數(shù)據(jù)總線，送入89C51的P1口。其中輸入腳IN-和增益選擇端GS之間所接的反饋電阻R3可以調(diào)節(jié)運(yùn)放的增益，CP為中斷請(qǐng)求或電話信號(hào)音檢測輸出端，它與89C51的INT0引腳相連。

3 語音提示電路

為了使操作者能及時(shí)了解到受控家用電器的信息，使產(chǎn)品達(dá)到交互式與智能化，本系統(tǒng)采用了可用單片機(jī)控制的語音芯片APR9600，單片電路可錄放32～60s，串行控制時(shí)可分256段以上，并行控制時(shí)最大可分8段。具有多種手動(dòng)控制方式、分段管理方便、多段控制時(shí)電路簡單、采樣速度及錄放音時(shí)間可調(diào)、每個(gè)單鍵均有開始停止循環(huán)多種功能等特點(diǎn)。當(dāng)利用APR9600進(jìn)行錄音時(shí)，外部音頻信號(hào)通過話筒輸入和線路輸入方式進(jìn)入，通過芯片內(nèi)話筒放大器中自帶的自動(dòng)增益調(diào)節(jié)，如果信號(hào)幅度在100mV左右即可直接進(jìn)入線路輸入端，音頻信號(hào)經(jīng)內(nèi)部濾波器、采樣電路處理后以模擬量方式存入專用快閃存儲(chǔ)器中。放音時(shí)芯片內(nèi)讀邏輯電路從閃存中取出信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)低通濾波器送到功率放大器中，然后直接推動(dòng)外部的喇叭放音。
APR9600的錄放控制有多種模式，為普通用戶使用提供了極大的方便，但總的來說可分為串行控制和并行控制兩種模式，由芯片MSEL1、MSEL2及M8腳的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。
該系統(tǒng)中，APR9600被預(yù)先設(shè)置成8段的并行控制模式，即MSEL1、MSEL2、/M8均被設(shè)定為1(接正電源)。置RE端為錄音狀態(tài)，按下/M1即開始錄第一段，松開鍵即停止。按下M2即開始錄第二段，松開鍵即停止，如此循環(huán)下去直到錄完第八段。相應(yīng)語音段的播放由軟件觸發(fā)，APR9600的SP+、SP－端接至電話線反饋到聽筒里，由此用戶可聽到語音控制芯片的提示音而進(jìn)行相應(yīng)的操作。

4 8路電器控制

由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可以看出，八路電器通過AT89C51的P2口來控制?？刂齐娐返膱?zhí)行器件采用繼電器。當(dāng)單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)電器的控制時(shí)，由P2口發(fā)出控制信號(hào)并經(jīng)過三極管放大后驅(qū)動(dòng)8個(gè)繼電器，從而控制了8路電器的通斷。

軟件設(shè)計(jì)
為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，必須要有良好的軟件相配合，而且要有友好的人機(jī)對(duì)話功能，鑒于以上要求，該系統(tǒng)軟件部分主要由主程序、中斷子程序、延時(shí)子程序、提示音產(chǎn)生子程序等幾大模塊組成。程序流程圖如圖4所示。

結(jié)束語
基于PSTN實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程控制與常規(guī)的遙控方式，如無線電遙控、有線遙控、紅外線和超聲波遙控等相比，顯示出一定的優(yōu)越性，不需進(jìn)行專門的布線，不占用無線電頻率資源，避免了電磁污染。同時(shí)，由于電話線路各地聯(lián)網(wǎng)，可以充分利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)，因此遙控距離可跨省市，甚至跨越國家。