基于PIC單片機(jī)的遠(yuǎn)程電話控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本設(shè)計(jì)以PIC16F73單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)對被控對象的狀態(tài)進(jìn)行查詢和控制、功能靈活多樣的遠(yuǎn)程電話控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)由電話接口電路、雙音多頻解碼集成電路、語音電路、鍵盤與顯示等模塊組成。此設(shè)計(jì)常用來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制空調(diào)的開關(guān)，采暖器的開關(guān)或其他電器的開關(guān)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；雙音多頻；語音提示；系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

1 總體設(shè)計(jì)分析

遠(yuǎn)程電話控制系統(tǒng)由PIC單片機(jī)作為核心器件對各控制信息進(jìn)行檢測和處理，包括接受外部電話機(jī)的信號(hào)和輸出繼電器開關(guān)控制信息，同時(shí)還完成相關(guān)信息的記錄；系統(tǒng)主要包括自動(dòng)摘掛機(jī)控制、雙音頻信號(hào)解碼、振鈴檢測，及語音處理電路。系統(tǒng)框圖如圖1-1所示：

其中，模擬摘掛機(jī)電路是在無人接聽電話時(shí)自動(dòng)控制電話的接通與斷開；雙音頻信號(hào)解碼是將電話機(jī)發(fā)送來的DTMF信號(hào)解碼成有效的8421BCD碼，以便單片機(jī)能識(shí)別；語音處理電路是該作品重要組成部分，在中央處理單元的控制下，語音處理電路會(huì)產(chǎn)生相對應(yīng)的語音提示，并通過音頻放大電路反饋到電話外線，從而使操作者對電器的操作達(dá)到交互式，并能即時(shí)了解有關(guān)的信息；操作鍵盤是為了方便近距離對電器的控制；單片機(jī)PIC16F73是進(jìn)行電話信號(hào)的分析與處理，根據(jù)不同的指令發(fā)送相應(yīng)的語音地址，并控制相應(yīng)的電器；電器狀態(tài)檢測控制部分即受控的終端，通過電路狀態(tài)檢測將開關(guān)狀態(tài)反饋到中央處理單元分析，是否準(zhǔn)確的開啟或關(guān)閉，若有誤則做出相應(yīng)的處理；本裝置并聯(lián)于電話機(jī)的兩端，不會(huì)影響到電話機(jī)的正常使用。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)摘掛機(jī)電路

根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：普通座機(jī)電話摘機(jī)狀態(tài)的直流電阻應(yīng)小于等于300Ω，有“R”鍵的電子電話機(jī)的摘機(jī)狀態(tài)直流電阻應(yīng)小于等于350Ω。其掛機(jī)狀態(tài)下，其漏電流不能大于5μA。

因?yàn)槌炭仉娫捊粨Q機(jī)對電話摘機(jī)的響應(yīng)是電話線回路電流突然變大為約30mA的電流，交換機(jī)檢測到電話線回路電流變大就認(rèn)為電話機(jī)已經(jīng)摘機(jī)，所以控制一個(gè)大約300Ω的電阻是否接入電話線兩端，就可以完成模擬摘掛機(jī)。在這里運(yùn)用了兩個(gè)三極管的導(dǎo)通與截止來控制電阻是否接入電話線兩端。

2.2 振鈴檢測

當(dāng)用戶座機(jī)被呼叫的時(shí)候，電話交換機(jī)就發(fā)來鈴流信號(hào)。振鈴為25±3Hz的正弦波，其失真不大于10%，電壓有效值為90V左右。振鈴的周期為5秒鐘，1秒通、4秒斷。由于振鈴信號(hào)電壓比較高，即可以用高壓穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓，電容濾波后再輸出到光電耦合器。光電耦合器主要對信號(hào)進(jìn)行由光到電的轉(zhuǎn)換，這樣就可以在保證信號(hào)無損的情況下使前后電路隔離開來，互不干擾，從光電耦合器輸出的波形是方波，由于其不是很標(biāo)準(zhǔn)，所以在設(shè)計(jì)中加入了RC回路對其進(jìn)行濾波處理輸出更加標(biāo)準(zhǔn)的方波；再把這個(gè)方波信號(hào)送至PIC單片機(jī)進(jìn)行處理，即完成了整個(gè)振鈴音檢測和計(jì)數(shù)的全過程。

2.3 雙音頻信號(hào)解碼

這是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，它是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的環(huán)節(jié)，其工作的穩(wěn)定性直接影響著系統(tǒng)的可靠性和實(shí)現(xiàn)性。據(jù)此，在設(shè)計(jì)中使用了穩(wěn)定性較高的電話專用雙音頻編解碼芯片來進(jìn)行其對輸入的雙音頻信號(hào)的解碼工作，這樣實(shí)現(xiàn)其硬件電路簡單可靠，體積也小。其工作過程，音頻處理芯片解碼后的信號(hào)可以轉(zhuǎn)換成不同碼制的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以直接送至單片機(jī)進(jìn)行處理。在此設(shè)計(jì)中因?yàn)橹挥玫搅穗p音頻信號(hào)的接收，所以使用MT8870和HT9170這兩種集成電路均可，就成本和可靠性的考慮，本設(shè)計(jì)采用了雙音頻解碼集成芯片HT9170來實(shí)現(xiàn)。其中，考慮到單片機(jī)的直接可控性，以及安全性和穩(wěn)定性的考慮，控制電器部分運(yùn)用繼電器來控制電器的開關(guān)，這對電器的保護(hù)能力比較好，動(dòng)作時(shí)間也能夠達(dá)到其要求。

3 軟件模塊方案

經(jīng)過論證，決定選用PIC16F73單片機(jī)作為主要控制芯片，它具有4K大小的程序存儲(chǔ)空間，22個(gè)雙向I/O 口，192K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，3個(gè)定時(shí)器，8級(jí)堆棧和8個(gè)中斷源。

其中，關(guān)于密碼設(shè)定和識(shí)別，是通過在系統(tǒng)初始化的時(shí)候，利用單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的4個(gè)寄存器來放置密碼，此寄存器作為密碼存儲(chǔ)專用，不可復(fù)用；對于用戶輸入的密碼，將其存放在單片機(jī)的另外4個(gè)寄存器里面，然后通過減法運(yùn)算比較這兩組存放密碼的寄存器中的值是否相等來實(shí)現(xiàn)密碼檢測的功能。再者，對于密碼修改單元，是通過比較兩次輸入的新密碼是否相同，從而完成密碼的修改。當(dāng)兩次輸入的新密碼相同時(shí)，將新密碼寫在片外的存儲(chǔ)器24C01中，即完成密碼修改功能；如兩次輸入的新密碼不相同，則返回到上一級(jí)操作。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 PIC單片機(jī)電路

本設(shè)計(jì)選用的PIC16F73是美國微芯（Microchip）公司推出的哈佛總總線結(jié)構(gòu)的精簡指令集8位單片機(jī)。設(shè)計(jì)中采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳OSC1和OSC2兩端接晶體振蕩器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路，晶振的頻率范圍可在4MHz-12MHz之間選擇。為了保證單片機(jī)有效復(fù)位，本次設(shè)計(jì)采用上電+復(fù)位電路方式。

4.2 振鈴檢測電路設(shè)計(jì)

此電路由隔直電容、橋式整流、濾波電路、限流電路組成，在座機(jī)電話無來電時(shí)，線路即無來電鈴聲信號(hào)，電話線路由電話交換機(jī)提供至座機(jī)端的直流電壓為48V左右。當(dāng)來電呼叫時(shí)，電話座機(jī)接收到來鈴信號(hào)，振鈴信號(hào)為25±3Hz的正弦波，其諧鈴失真不大于10%，電壓有效值為90±15V，周期為5秒，4秒斷、1秒通。

4.3 模擬摘掛機(jī)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)座機(jī)電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中，對于模擬摘掛機(jī)電路，主要利用兩個(gè)三極管開關(guān)電路控制接入電話線兩端的300Ω電阻；摘掛機(jī)信號(hào)指令送至單片機(jī)后，由軟件實(shí)現(xiàn)，使單片機(jī)相應(yīng)能口變?yōu)楦摺⒌碗娖剑瑥亩淖內(nèi)龢O管導(dǎo)通狀態(tài)，使其接入電話線兩端，控制電流升高，此時(shí)，控制電路就會(huì)向交換機(jī)端發(fā)出一個(gè)摘機(jī)的信號(hào)，也就是模擬摘機(jī)信號(hào)，交換機(jī)對這個(gè)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，使其電話線路接通，即完成了非人為的自動(dòng)模擬摘機(jī)過程。

4.4 雙音頻信號(hào)解碼電路設(shè)計(jì)

雙音頻多頻率DTMF信號(hào)解碼電路采用HT9170芯片來實(shí)現(xiàn)。通過它來接受來自座機(jī)的雙音多頻脈沖信號(hào)，該雙音多頻信號(hào)首先經(jīng)過內(nèi)部電路對其進(jìn)行撥號(hào)音濾波，使其撥號(hào)音濾掉，以免受干擾，然后經(jīng)過前置放大器，再送入雙音頻濾波器進(jìn)行濾波，將雙音頻信號(hào)按照高、低音頻信號(hào)分開，再經(jīng)高，低音頻信號(hào)濾波器，使其信號(hào)純正，以免產(chǎn)生誤差，誤動(dòng)作，最后，經(jīng)過幅度檢測器后，將其送至譯碼電路，通過數(shù)字運(yùn)算后在HT9170的數(shù)據(jù)輸出端輸出與之對應(yīng)的8421碼。

4.5 語音處理電路

本單元采用華邦公司的單片優(yōu)質(zhì)語音錄放電路芯片ISD1730。芯片內(nèi)部包含有自動(dòng)增益控制、麥克風(fēng)前置擴(kuò)大器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)線路、振蕩器與內(nèi)存等的全方位整合系統(tǒng)功能。設(shè)計(jì)中采用了SPI接口模式，這樣能使單片機(jī)進(jìn)行控制輸出準(zhǔn)確的語音提示，SCLK端被用來同步語音芯片MOSI和MISO端各自的數(shù)據(jù)輸入和輸出；語音提示通過AUD/AUX端傳輸?shù)诫娫捑€上；從而完成了語音提示功能。

5 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的大部分功能都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，這也是選擇的PIC單片機(jī)所起到的決定性作用。軟件實(shí)現(xiàn)的功能部分主要包括系統(tǒng)初始化、控制摘掛機(jī)、振鈴檢測計(jì)數(shù)、語音提示、雙音頻信號(hào)分析處理、密碼識(shí)別判定、控制電器信號(hào)輸出等部分。

6 結(jié)束語

智能電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了28個(gè)引腳的PIC16F73單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心信息檢測、信息處理，以及控制實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)模塊，充分利用硬件資源和單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)資源，并充分結(jié)合軟件編程，使其發(fā)揮最大作用實(shí)現(xiàn)了對語音、密碼、顯示等服務(wù)，豐富了設(shè)計(jì)的功能，系統(tǒng)運(yùn)行更加人性化，有很強(qiáng)的可操作性。該系統(tǒng)做到了高穩(wěn)定性、低成本、小體積、內(nèi)嵌容易，可以遠(yuǎn)程通過語音提示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)對家里面空調(diào)器、洗衣機(jī)、電飯煲、電燈等設(shè)備的開關(guān)實(shí)現(xiàn)；符合未來家電的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展方向。另外，本設(shè)計(jì)也可以用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，對一些無人值守崗位的需求，可是實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制。

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