基于PSTN远程遥控系统的硬件设计概要.docx
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基于PSTN远程遥控系统的硬件设计概要
基于PSTN远程遥控系统的硬件设计
学生姓名：
刘洪班级：
030422
指导老师：
付崇芳
摘要：
随着通信技术的快速发展，利用现有的通信设备和网络对电器进行远程控制，已形成一种趋势。
目前，人们开始尝试利用电话来控制家用电器。
这种技术非常方便，因为它充分利用了现有的公用电话网络。
本次课程设计了一种以AT89C52单片机和MT8870芯片为核心元器件的远程多路控制器。
当电话接通时，它能通过电话线路来控制各相关电路。
这种系统实用性强且功能多样，可以根据遥控对象的状态查询来完成对其的控制。
鉴于此，它也能广泛地应用于其它场所的各种电气设备的控制。
关键词：
PSTN查询与控制远程控制
目录
前言--------------------------------------------------01
第一章系统组成与工作---------------------------------------------02
第二章系统要求分析----------------------------------03
2.1总体设计技术要求-----------------------------------------------03
2.2系统单元功能模块-----------------------------------------------03
第三章系统的硬件设计--------------------------------------------------------------------04
3.1振铃检测电路---------------------------------------------------04
3.2模拟摘挂机电路--------------------------------------------------------06
3.3语音电路---------------------------------------------------------------08
3.3.1分段录音-------------------------------------------------------08
3.3.2分段放音-------------------------------------------------------10
3.4双音多频解码电路-----------------------------------------------12
3.5电器控制电路---------------------------------------------------15
3.6上拉电路-------------------------------------------------------15
3.7放大电路---------------------------------------------------------------15
第四章系统的软件设计-------------------------------16
4.1系统的总流程图-------------------------------------------------16
4.2放音部分---------------------------------------------------------------17
4.3密码检测部分----------------------------------------------------------17
4.4密码修改部分----------------------------------------------------------18
4.5控制电器部分----------------------------------------------------------19
4.6振铃计数部分---------------------------------------------------20
第五章系统调试与测试---------------------------------------------22
5.1硬件调试与分析---------------------------------------------------------22
5.1.1振铃检测调试----------------------------------------------22
5.1.2模拟摘挂机电路调试----------------------------------------22
5.1.3解码电路调试----------------------------------------------22
5.1.4语音电路调试----------------------------------------------23
5.2软件调试与分析---------------------------------------------------------23
5.2.1密码检测的调试--------------------------------------------23
5.2.2双音频信号处理--------------------------------------------23
5.3联机调试与分析---------------------------------------------------------23
第六章总结------------------------------------------------------------25
6.1本次设计的特点--------------------------------------------------------25
6.2本次设计的不足之处----------------------------------------------------25
致 谢-----------------------------------------------27
参考文献----------------------------------------------28
附录1PCB版图-------------------------------------29
2电路原理总图----------------------------------30
前言
21世纪是信息时代，各种新技术推动了人类文明的进步。
自从贝尔发明电话以来，世界各地的电话网络发展非常迅速。
近十年来，中国的固定电话业务显出举世瞩目的快速增长，网络规模跃居世界第二位。
现代电话网络是由电话交换机和电话传输线共同组成，它的性能已经有了很大的发展，而且可靠性非常高。
随着当今科学技术的飞速发展，电话机和手机已经成为人们生活中必不可少的工具，与此同时随着通信产业的发展,利用个人通信终端进行远程控制的技术也日益用于生活中。
因此越来越多的通过电话网络实现的远程控制已经被很多人所利用，因为电话遥控与常规的遥控方式相比，显示出一定的优越性，例如电话远程控制利用了现有的电话网络进行控制不需要再进行专门的布线，换句话说电话线在的地方就可以实现家用电器的远程控制而且还不占用无线电频率资源，避免了电磁污染。
同时，由于电话线路各地联网，可以充分利用现有的电话网，因此遥控距离可跨省市，甚至跨越国家。
本次设计正是利用电话远程控制技术,实现对家用电器的远程遥控，用户可通过手机或电话对自己家庭安装的各种电器（如电饭锅，微波炉，热水器等）在语音提示的条件下进行开机，停机等操作。
本次设计中通过双音多频解码芯片将电话线上的信号转换为数字信号利用最小系统完成了电话线上的数据交换，而且在全过程中都有语音提示使操作更加方便简单，除此之外本设计在不改变家中任何家电的情况下，对家里的电器进行方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活，具有实用价值和推广意义。
第一章系统组成与工作原理
电话远程控制系统主要由单片机构成主控部分，进行主要的信息处理，接受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；接口电路提供单片机与电话外线的接口。
其中包括振铃检测，模拟摘机，双音频DTMF识别，及语音提示电路。
振铃检测电路主要用于电话振铃信号的检测，并将振铃信息传达给最小系统；模拟摘机电路是在振铃检测电路检测到系统默认的振铃次数后通过最小系统发出的控制指令来实现自动摘机；双音多频解码电路主要用于在摘机后将电话线上过来的DTMF（DualToneMultiFrequency）信号进行解码并将解码完后的4位二进制数据传送给最小系统，进行密码的校验以及家电控制，语音提示电路是在系统实现自动摘机后送出提示音信号。
该电路并联于电话机的两端，不会影响到电话机的正常使用。
通过手机或电话拨通电话号码，向电话机发出振铃信号。
振铃检测电路检测到振铃信号，如果有人接听电话或振铃次数少于3次，对电话的使用不造成影响，如果检测到振铃振了3次，即振铃3次后无人接听（次数可以通过编程来设定），模拟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请用户输入密码的提示音，并通过电话线传送到操作者的手机或电话中；密码正确则进行电器控制操作完毕后系统自动进行挂机。
图1-1系统原理图
第二章系统要求分析
2．1总体设计技术要求
根据的具体设计要求：
（1）通过电话网对远程的多路电器实现控制（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及密码在线修改；
（4）每次操作过程都能听到语音提示。
2．2系统单元功能模块
设计此系统必须具备以下单元功能模块：
（1）铃音检测、计数；
（2）自动摘机；
（3）密码校验；
（4）在线密码修改；
（5）双音频信号解码；
（6）输入信号分析；
（7）控制电器开关；
从理论上看交换机所发出的各种信号音都可以通过软件编程来识别，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从而计算出其频率，以完成信号音的识别。
但出于系统的可靠性和程序的结构设计上分析，选择了硬件来解决振铃音检测、忙音检测、双音频信号解码等功能模块。
自动摘挂机和电器的控制必须使用具体的硬件电路来实现。
综上所述，设计振铃音检测，自动摘挂机，控制电器，双音频解码，语音提示等功能模块使用硬件电路实现。
而振铃音计数，密码校验，在线修改密码，输入信息分析，电器状况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的分析。
第三章系统的硬件设计
3.1振铃检测电路
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，平时挂机时的馈电电压一般为-48V，向用户振铃的铃流电压为75±15V，25Hz的交流电压。
当用户的电话被呼叫时，电话交换机发来振铃信号。
振铃信号以5秒为周期，即1秒送，4秒断。
该电路作用是用来检测公用电话网上的电话信号，考虑到电话信号里面存在交流和直流而此电路只用到交流，所以在电话信号进入本电路的时候要采用一个电容进行隔直，而平时所用的磁片电容承受电压也就在5V到10V之间。
但振铃电压为75±15V，所以采用1UF/100V电解电容进行隔直。
隔直后振铃信号进来后因为此电路能够承受的电压也就为5V但电话信号过来的电压快达到100V，所以必须使用电阻来进行分压这样才不会使整块电路因为电压过高而使元器件烧坏，根据欧姆定理
因此使用一个33K电阻进行分压。
经过上面的隔直、分压，接收到的电话信号为不标准的正弦波,因此采用电解电容和稳压二极管进行整流和稳压获得一个较为完整的正弦波，图形如图3-1。
当用户听到电话中“嘟”的一声时正弦波的波峰会输入到4N25中，此时光耦的“4”“5”引脚会导通与此同时“4”脚会出来一个方波，根据此现象可以将光耦的“5”脚接地，“4”脚接上发光二极管，这样在“4”、“5”引脚通的时候发光二极管电路就会产生电压差致使其发光以此来表示振铃一次。
通过资料查到发光二极管的电流流过范围为0.5mA到1mA，因为电源采用的是标准5V电源，根据欧姆定理
变换为
带入数据
得到
（欧姆）
运用上述方法可以算得电阻范围应该在5K到10K。
另外从“4”引脚出来的方波，由于波形不算太完整，所以运用两个反向器使波形能够更加清楚的反映给最小系统防止最小系统因为波形不完整而出现的计数错误。
最终波形如图3-2。
到此振铃检测电路设计完毕电路图如3-3。
图3-1整流完的正弦波形图3-2整形完的方波
3-3振铃检测电路
在本电路检测铃流信号时，以三次铃响为准，即三次振铃后无人摘机，便由单片机控制自动模拟摘机。
光电耦合器4N25起的是光电隔离作用，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。
经过反相器的整形与电平转换输出到单片机AT89C52的T1，中断方式采用外部中断，计数3次P1.7输出低电平，控制继电器模拟摘机，完成振铃音检测。
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与信息接收输出端是绝缘的，而且对地电位差干扰有很强的抑制能力。
3.2模拟摘挂机电路
此块电路的作用是在完成振铃检测后最小系统发出指令摘机，电路通过继电器的吸合来完成摘机。
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0.2KΩ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，完成摘机。
下面就设计的两个方案做下叙述：
方案一:
该方案由工作电压为+5V的继电器，放大倍数约100倍左右的三极管9013及若干电阻组成，电路图如图3-4所示。
该电路的特点是：
十分简单，只要最小系统在P1.5口发一逻辑高电平，三极管Q3导通并达到饱和，继电器吸合，从而达到摘机的效果。
图3-4摘机电路方案一
图3-5摘机电路方案二
方案二:
电路图如图3-5所示，该方案是在方案一的基础上加了一个光耦隔离电路。
该电路的工作原理是：
当微处理器的P1.5口为高电平时，光耦不导通，发光二极管D8不亮，三极管Q3截止，继电器不闭合。
当最小系统的P1.5口为低电平时，由于R8、R9和光耦内部的LED形成了回路，光耦内部的发光二极管被点亮，发光二极管发出的光照射到光敏三极管上，光线起到基极电流的作用，激发产生集电极电流，光敏三极管导通，
发光二极管D8被点亮，从而三管Q3基极有个较大的电压，使三极管导通并达到饱和，继电器闭合。
经过修改后的电路特点是：
将继电器的地信号必须和集成电路的地信号分开接地，有效的防止了继电器因功率过大而造成的电磁干扰
方案比较：
方案一电路在原理上虽然没有任何错误，但是，在本系统中这一电路用于摘机却不适合。
原因是继电器是一种大功率器件，它的正常工作电流一般为0.5～1A,功率为1W左右。
由于继电器的线圈中流过这样大的电流，使得线圈周围产生巨大的电磁场，由于磁场的作用，继电器中的弹片被吸合。
弹片在吸合过程中，产生剧烈的振荡，同时也产生了强大的电磁干扰。
这一干扰如果带进最小系统将很可能导致微机工作不正常或死机。
如果这一干扰被引入电源地信号，也可能对系统的其它芯片产生不良的影响。
因此，在使用继电器作开关电路时，继电器的地信号必须和集成电路的地信号分开接地。
为了解决继电器的地与系统电路的地不能接在一起，又要用最小系统控制继电器正常工作这一矛盾，加上光耦隔离电路就能很好的解决这个问题。
方案二就采用了此方法，由于继电器的地和系统的地被光耦所隔离，因此这个电路的稳定性较强，故本电路选择方案二。
3.3语音电路
本块电路是整个设计当中比较重要的一部分，它在每次操作过程中通过最小系统要发出相应的语音提示。
在这里就涉及到分段录音和分段放音，下面就这两个方面以及电路的设计做下详细的介绍。
3.3.1分段录音
语音芯片的分段录音关键在于它的地址端的选取，ISD1420共有8根地址线，其中地址中的A6、A7的电平状态决定A0～A7的功能。
如果A6、A7有一个为低电平，A0～A7输入全解释为地址位，作为起始地址用，此时地址线仅作为输入端，在操作过程中不能输出内部地址信息。
根据PLAYE、PLAYL或REC的下降沿信号，地址输入被锁定。
如果A6、A7同为高电平时，它们即为模式位。
具体数据如表3-6所示
表3-6语音芯片使用模式表
地址状态
功能说明
DIP
开关
1
2
3
4
5
6
7
8
（ON=0，OFF=1）
地
址
位
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
（1为高,0为低,*为高或低）
0
0
0
0
0
0
0
0
一段式最大秒录音,从首址开始.
1
0
0
0
0
0
0
0
8位二进制表示地址,每个地址代表毫秒.
地址
模式
0
0
0
0
0
0
1
0
一段从A6地址开始的12秒录放音
*
*
*
*
*
*
*
0
只要A6,A7任一位为0,就表示处于地址模式.
*
*
*
*
*
*
0
*
操
作
模
式
0
0
0
1
0
0
1
1
循环放音操作,按一下PLAYE键可循环放音,按PLAYL键停止,或按住PLAYL键放音,松开停止.
0
0
0
0
1
0
1
1
按顺序连续分段录放音,每段语音长度不限.
0
0
0
0
0
0
1
1
地址指针复位,开始录放第一段
1
0
0
0
1
0
1
1
按PLAYE键可快速选段放音
ISD1420的录音是通过“27”（REC）引脚来实现的。
REC输入是低电平有效录音信号。
当REC为低时开始录音。
在录音过程中REC必须保持为低电平。
当REC变高或内部存储器已录满信息，录音操作结束。
录制完毕后，在结束处会记录一个结束标志，这样在分段放音时会记录一个结束标志。
当REC变高后，器件会自动进入掉电模式。
因此在电路设计的过程中先将REC接在电源上然后通过一端接地一端接REC的按键来控制录音也就是说当按键按下的时候就会给REC一个低电平触发语音芯片开始录音。
但存在一个问题就是当按下按键的时候只是主观上认为开始录音并没有什么元器件来反映开始录音这个状态，根据这个问题可以在“25”（RECLED）引脚上接上一个发光二极管来表示录音状态，之所以可以这样做是因为在REC低电平的时候语音芯片会同时从“25”脚发出一个低电平根据这个原理可以在“25”脚上接个一端接电源一端接RECLED的发光二极管这样就可以很客观的反映出录音状态。
另外录音的效果也是个很关键的问题，如果在“17”“18”引脚上直接接麦克风这样录音会出现很多杂音更严重的会影响放音。
原因是因为麦克将信号传送到前置放大器，增益由自动增益电路（AGC）控制，增益在-15db到24db，而且外部的麦克必须是要接耦合电路。
倘若不是这样语音中的很多杂音也会被录进去在放的时候就会影响到放音。
因此耦合电路电容的数值根据下面可得到
经过转换可得：
代入数据可得：
结果为：
从上可以确定使用0.1UF的磁片电容就可以了。
另外还有“18”引脚是麦克前置放大的反向输入。
当器件使用该引脚并以差分形式连接到麦克时，能在一个很宽的范围内适应麦克的输入电平。
AGC电路能以很小的失真记录声音的录制范围。
例如从很低的声音到很高的声音。
AGC的起控时间由电路内部的一个5k电阻和一个外部连接的电容决定。
因此上面的计算公式同样可以确定使用0.1UF磁片电容就可以了。
最后在设计电路的过程中根据经验，首先不要上来就进行分段录音这样很容易出现错误，应该在电路制作完毕后先将语音芯片的A0-A7根地址线全部接地，然后进行录一段语音进去，如果没有问题再将八根地址线根据需要接上高或低点平进行分段录音。
3.3.2分段放音
在放音过程中共10段语音，所以把20秒分成10段，每段两秒。
即一段时间为h=0.125s*16=2s；因此分段地址如表3-2所示接口电路设计为单片机89C52的P3口接ISD1420的地址端。
表3-2语音分段表
分段时间
分段地址
所录制的语音
0s——2s
00H
欢迎使用本系统
2s——4s
10H
请输入密码
4s——6s
20H
密码错误
6s——8s
30H
请再次输入密码
8s——10s
40H
请输入新密码
10s——12s
50H
密码确定
12s——14s
60H
请输入您要控制的电器号
14s——16s
70H
您的电器已经打开
16s——18s
80H
您的电器已经关闭
18s——20s
90H
操作完毕请挂机
语音芯片控制放音其实很简单就是通过控制“23”（PLYAL）、“24”（PLAYE）两个引脚来实现放音的，但两者仍然是有区别的：
PLAYE触发放音：
当此管脚上检测到低电平跳变时，将开始放音操作，遇到结束标志（EOM）或存储器的尾部放音将停止。
结束放音后，器件自动进入掉电等待模式。
在放音过程中将PLAYE变高不会停止当前的放音操作。
PLAYL电平放音：
当此管脚的信号由高变为0时，将开始放音操作。
PLAYL变为高电平，遇到结束标志（EOM）或存储器的尾部放音将停止。
结束放音后，器件自动进入掉电等待模式。
因此图中的“PLAYL”、“PLAYE”键只需选接一个即可，选取关键看软件的编辑。
同时地址输入端A0～A7有效值范围为00000000～10011111,这表明最多可被划分为160个存贮单元，可录放多达160段语音信息。
由A0～A7决定每段语音的起始地址，而起始地址又直接反映了录放的起始时间。
其关系见下面这个公式
TQ=0.125s×（128A7+64A6+32A5+16A4+8A3+4A2+2A1+0）
注：
TQ代表录音的开始时间；右边的“A0-A7”通过取“0”或者“1”两种不同的值可以得到不同的的开始时间。
例如：
要得到首地址的开始时间那就可以只将“A4”取为“1”其他为“0”此时根据公式就可以得到：
TQ=0.125s*16=2s
图3-7语音电路图
3.4双音多频解码电路
考虑到本次设计的要求能够对电话线上进来的DTMF信号进行解码也就是说只要能够收到电话信号并进行解码就可以了。
所以决定用MT8870来作为解码电路的解码芯片。
主要设计思想是远端用户发送的DTMF信号是从电话线上传送来的,它含有很大的直流成分，所以在进行解码之前必须去除这些直流成分，因此必须通过一个磁片电容进行隔直，然后再由MT8870的2、3脚接收来自电话机的双音多频脉冲信号。
（注：
其中GS（3）—增益选择端，在该引脚与IN-引脚间接反馈电阻可调节运放增益，增益的大小就取决与R8和R12电阻的大小，因为电话信号进来的时候频率只有25HZ而
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