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摘要：基于有線(xiàn)電話(huà)接口的溫濕度記錄儀，能夠通過(guò)電話(huà)撥號方式實(shí)現遠程溫濕度報警和查詢(xún)。本文介紹了電話(huà)接口溫濕度記錄儀的總體設計及其工作過(guò)程，詳細闡述了系統硬件電路設計及軟件設計。整個(gè)系統具有結構簡(jiǎn)單、可靠性高、使用靈活方便的特點(diǎn)，具有廣闊的應用前景。 在食品存儲倉庫、現代農業(yè)生產(chǎn)基地、電站設備機房等場(chǎng)所，溫濕度記錄儀是必不可少的環(huán)境檢測設備。但是記錄儀在倉庫等場(chǎng)所，其工作狀態(tài)或查詢(xún)數據記錄，工作人員必須到達現場(chǎng)，工作量大。目前市場(chǎng)上有GSM短信報警功能的記錄儀，但是在GSM無(wú)線(xiàn)信號覆蓋較差的場(chǎng)所使用效果不好，而且GSM無(wú)線(xiàn)信號易受干擾。本文設計的溫濕度記錄儀具有有線(xiàn)電話(huà)接口，受電磁環(huán)境因素影響小、穩定性好，而且相比GSM方式資費便宜，具有廣闊的市場(chǎng)前景。 本文設計的記錄儀不僅能在液晶屏上查詢(xún)數據，而且能使用電話(huà)遠程查詢(xún)溫濕度數據。本記錄儀需要占用一個(gè)電話(huà)號碼，檢測到來(lái)電振鈴信號后自動(dòng)摘機，工作人員在語(yǔ)音提示下通過(guò)電話(huà)鍵盤(pán)輸入密碼，驗證通過(guò)后可以查詢(xún)記錄儀的工作狀態(tài)和溫濕度數據，數據記錄的語(yǔ)音通過(guò)電話(huà)線(xiàn)路播報。如果密碼三次輸入不正確，或者在語(yǔ)音提示后長(cháng)時(shí)間沒(méi)有輸入密碼，記錄儀將強制掛機。還可以設置好報警電話(huà)號碼以及報警溫濕度值，當環(huán)境的溫濕度值超標時(shí)，記錄儀就會(huì )自動(dòng)摘機并撥打報警電話(huà)號碼進(jìn)行報警。 1 系統總體方案設計 本系統采用雙音多頻信號(DTMF)進(jìn)行通信，實(shí)現遠程控制，系統主要由溫濕度采集、存儲電路、電話(huà)接口、振鈴檢測、忙音檢測、DTMF接收及發(fā)送、語(yǔ)音模塊、控制單元、電源電路及LCD顯示等單元電路組成，如圖1所示。本系統使用TI的MSP430F149單片機作為控制核心，它具有體積小、低功耗、能夠串行在線(xiàn)編程等特性，具備60KB+256字節 Flash、2KB RAM、多個(gè)16位定時(shí)器、12位A/D轉換器等功能模塊，本機密碼和報警電話(huà)號碼存儲在單片機的Flash中，修改方便，可靠性高。 溫濕度數據存儲選用Atmel公司的E2PROM存儲芯片AT24C256實(shí)現，它具有32KB存儲容量，I2C數據接口，由于單片機本身不具備I2C接口，故采用由兩個(gè)普通I/O口模擬I2C總線(xiàn)方式。 2 硬件電路設計 2.1 電話(huà)接口電路 電話(huà)接口電路如圖2所示。電路模擬摘掛機通過(guò)繼電器控制電流源的通斷來(lái)實(shí)現，繼電器K1選用松下公司的雙刀雙擲DS2Y-S-DC5V繼電器。在電話(huà)信令中交換機根據電話(huà)線(xiàn)路上的直流電流來(lái)判斷用戶(hù)的摘掛機狀態(tài)。掛機時(shí)，電話(huà)線(xiàn)路饋電電壓48V，線(xiàn)路上沒(méi)有直流電流，摘機后，電話(huà)線(xiàn)路直流回路接通，電壓降到8V，直流電流約30mA。單片機通過(guò)端口P11控制三極管V7的通斷，從而控制繼電器K1的通斷來(lái)控制電路中的電流，模擬摘掛機動(dòng)作。當P11為低電平時(shí)，三極管V7截止，繼電器K1將電話(huà)線(xiàn)路與電流源斷開(kāi)，電流比較小，處于掛機狀態(tài);當P11為高電平，V7導通，繼電器K1將電話(huà)線(xiàn)路與電流源接通，此時(shí)V4和V5組成的電流源將提供30mA左右的電流，相當于電話(huà)摘機，交換機會(huì )接通話(huà)路。使用恒流源可以保證電路具有較小的直流阻抗(600Ω)。在電話(huà)線(xiàn)之間跨接避雷器TISP4350，以達到抗雷擊保護的作用。 為了實(shí)現在電話(huà)線(xiàn)路上播報溫濕度值的語(yǔ)音，語(yǔ)音模塊輸出的音頻信號AUDIO通過(guò)電阻R1后由變壓器T1將語(yǔ)音信號耦合到電話(huà)線(xiàn)路上。 2.2 振鈴檢測電路 待機狀態(tài)下，電話(huà)線(xiàn)路上只有48V饋電電壓，當有用戶(hù)呼叫本機時(shí)，交換機向話(huà)機發(fā)送振鈴信號疊加在48V直流上，振鈴是頻率為25Hz±3Hz的正弦波，電壓有效值90V±15V。振鈴以5s為周期，1s通、4s斷。振鈴檢測電路見(jiàn)圖2的N1部分，有呼叫時(shí)，振鈴信號疊加在48V直流上經(jīng)過(guò)電容C2后只有交流振鈴信號，經(jīng)過(guò)整流二極管V1、V2，光耦N1，三極管V3，檢測信號輸入到單片機端口P10，沒(méi)有振鈴時(shí)P10為高電平，有振鈴時(shí)，P10為持續1s的連續脈沖信號，單片機根據此特點(diǎn)，即可實(shí)現對振鈴的檢測。同時(shí)，在軟件部分進(jìn)行振鈴次數的檢測，達到一定次數后再摘機，避免誤檢測，從而提高系統的穩定性。 2.3 雙音多頻信號收發(fā)電路 電話(huà)查詢(xún)記錄儀工作狀態(tài)和溫濕度數據時(shí)，記錄儀接收到的密碼、指令都是DTMF信號，本設計選用OKI公司的芯片ML7005實(shí)現對DTMF信號的檢測解碼，見(jiàn)圖3。此款芯片能夠對DTMF信號、忙音信號、傳真信號進(jìn)行辨識，而且可以發(fā)送這三種信號。電話(huà)線(xiàn)上的DTMF信號經(jīng)變壓器耦合輸出的RXD進(jìn)入芯片ML7005，解碼數據由ML7005的D1~D4輸出，送單片機進(jìn)行識別和處理。 若記錄儀設置了報警電話(huà)號碼和報警溫濕度值，當環(huán)境溫濕度超標時(shí)，記錄儀自動(dòng)摘機并撥打報警電話(huà)，單片機讀取Flash中的報警電話(huà)號碼，ML7005將數據總線(xiàn)D1~D4上的二進(jìn)制碼鎖存，產(chǎn)生的DTMF信號TXD經(jīng)變壓器耦合到電話(huà)線(xiàn)路上，實(shí)現DTMF撥號。 2.4 忙音檢測 通話(huà)過(guò)程中一方掛機后，交換機會(huì )向另一方發(fā)送忙音信號。這就要求在后端查詢(xún)者掛機后，記錄儀能檢測出忙音并自動(dòng)掛機。忙音信號頻率為450±25Hz，電平為-10±3dBm，它是0.7s斷續的信號音，即0.35s送，0.35s斷。本文采用ML7005檢測忙音信號，電話(huà)線(xiàn)上的忙音信號經(jīng)變壓器耦合輸出RXD進(jìn)入芯片后，CP端輸出高低電平信號，利用單片機I/O口的中斷功能，即可實(shí)現對忙音的檢測。在軟件部分進(jìn)行忙音次數的檢測，達到一定次數的忙音后再掛機，避免誤檢測，從而提高系統的穩定性。 2.5 隔離電路 電話(huà)線(xiàn)上的信號是一種懸浮信號，電話(huà)使用的是懸浮地，因此電話(huà)信號一旦與其它的地連接，由于其地端參考點(diǎn)不同，信號會(huì )被迅速衰減，就無(wú)法得到正確的信號，系統就不能正常工作。本文采用兩種隔離方法實(shí)現電話(huà)接口電路與其它電路的隔離，一是采用變壓器隔離，將信號音檢測發(fā)送、語(yǔ)音模塊電路與電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行隔離。另一種是用光電耦合器4N35進(jìn)行隔離，在振鈴信號檢測時(shí)，實(shí)現電話(huà)線(xiàn)與單片機電路的隔離。 2.6 語(yǔ)音播放電路 記錄儀發(fā)送的電話(huà)語(yǔ)音提示和溫濕度的語(yǔ)音播報由語(yǔ)音模塊實(shí)現，選用PM66128智能語(yǔ)音模塊，它是一個(gè)整合了錄放音電路、快閃存儲、ADPCM編解碼器、功率放大器、穩壓器等電路的全功能錄放系統。使用PM66編程軟件能夠將wav格式音頻文件加載到語(yǔ)音模塊，音頻采樣率為8K時(shí)可錄制40分鐘的語(yǔ)音。PM66128與單片機的通信通過(guò)3根信號線(xiàn)實(shí)現，分別是DATA數據、CLK時(shí)鐘、BUSY忙信號輸出，放音時(shí)單片機直接送入要放音的段地址即可播放，結束時(shí)忙信號輸出拉低，單片機可以再發(fā)送下一段語(yǔ)音地址進(jìn)行播放。2.7 溫度、濕度采集電路 溫度采集選用NXP公司的數字溫度傳感器芯片LM75A，它是一個(gè)高速I(mǎi)2C接口的溫度傳感器，可以在-55℃到 + 125℃的溫度范圍內將溫度直接轉換成數字信號，內部的11位ADC提供溫度分辨率達0.125℃，該芯片采用小型SOP8封裝，供電電壓是2.8V~5.5V，具有過(guò)熱關(guān)斷功能，關(guān)斷溫度在內部寄存器中設置。MCU可以通過(guò)I2C總線(xiàn)直接讀取其內部寄存器中的數據，并可通過(guò)I2C對4個(gè)數據寄存器進(jìn)行操作，以設置成不同的工作模式。由于單片機MSP430F149沒(méi)有I2C接口，本設計使用兩個(gè)普通I/O口模擬I2C總線(xiàn)方式。 溫度采集選用Humirel公司的濕敏電容傳感器HS1101，相對濕度在0%~100%RH范圍內，電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH;響應時(shí)間小于5s;溫度系數為0.04pF/℃，精度滿(mǎn)足使用需求。圖4為HS1101的濕度-電容響應曲線(xiàn)。HS1101在電路中相當于一個(gè)電容器件，它的電容量隨著(zhù)空氣濕度的增大而增大，本文利用振蕩電路將其電容的變化量轉化為頻率可變的方波，再經(jīng)過(guò)整流電路、積分電路和放大電路將脈沖量轉換為0V~3V直流信號，然后利用單片機MSP430F149片內的12位模數轉換器ADC12將直流電壓信號轉換為數字信號，從而實(shí)現濕度采集。采集電路將0V~3V直流信號輸入到單片機的ADC12模擬信號采樣輸入端口P60，并在程序中配置控制寄存器ADC12CTL0和ADC12CTL1，設置成使用內部參考電平，轉換模式為單通道單次轉換，在定時(shí)器控制下周期性地進(jìn)行AD采樣，轉換完成后讀取轉換存儲寄存器ADC12MEN0中12位轉換結果，從而實(shí)現對濕度信號的采集。 3 系統軟件設計 軟件設計流程如圖5所示。記錄儀上電初始化完成后周期性地進(jìn)行環(huán)境溫濕度采集，采集數據存儲在A(yíng)T24C256中，同時(shí)監測電話(huà)線(xiàn)路有無(wú)來(lái)電呼叫，在三次振鈴后電話(huà)接口電路模擬摘機，對于異常情況，如振鈴只響過(guò)一次對方就已經(jīng)掛機，則不響應。摘機后播放密碼提示音等待用戶(hù)輸入密碼，密碼驗證通過(guò)記錄儀等待接收查詢(xún)命令，解析命令并語(yǔ)音播報溫濕度值及記錄儀工作狀態(tài)，同時(shí)檢測電話(huà)線(xiàn)路上是否有忙音信號或者DTMF掛機命令，若檢測到忙音，則表示對方已掛機則記錄儀也掛機，若檢測到DTMF掛機命令，則表示對方強制記錄儀掛機，掛機后記錄儀返回初始狀態(tài)。如果用戶(hù)三次密碼輸入錯誤，則認為非法操作并掛機返回初始狀態(tài);在接通電話(huà)并輸入密碼正確后超過(guò)60s沒(méi)有輸入DTMF查詢(xún)命令，記錄儀也主動(dòng)掛機。 記錄儀在進(jìn)行溫濕度采集時(shí)，同時(shí)判斷當前值是否超過(guò)所設置的報警范圍，若超標則單片機讀取Flash中的報警電話(huà)號碼，并摘機撥打該電話(huà)，對方接通后記錄儀語(yǔ)音播報當前溫濕度值及報警語(yǔ)音提示，同時(shí)檢測電話(huà)線(xiàn)路上是否有忙音信號或者DTMF掛機命令，若檢測到忙音或者掛機命令，則記錄儀掛機并返回初始狀態(tài)。 4 結束語(yǔ) 基于電話(huà)接口的溫濕度記錄儀只需一根電話(huà)線(xiàn)，安裝方便，電路性能穩定，溫濕度測量精度高，能夠通過(guò)電話(huà)撥號方式實(shí)現遠程溫濕度報警和查詢(xún)，使用方便，具有良好的應用前景。參考文獻： [1]鄧鵬.基于單片機的家用電話(huà)遠程遙控裝置設計[J].電子科技, 2011,24(12):75-77 [2]李學(xué)斌.基于XTR105和C8051F020的溫濕度測量系統[J].自動(dòng)化與儀表, 2006(6):53-56 [3]林敏,于忠得,等.HS1100/HS1101電容式濕度傳感器及其應用[J].儀表技術(shù)與傳感器, 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