家用智能控制器的設計

曹海紅

（西安航空職業技術學院 自動化工程系，陜西 西安 710089）

自從1876年貝爾發明電話以后，電話通信變成我們日常生活中最常見、最廣泛的通信方式。目前電話網的地理范圍覆蓋率在我國已經達到了90%以上，并且大多數人現在都有手機或固定電話，如此可以利用現有的電話網傳輸控制信號，實現家用電器的控制。現有的可利用的數據傳輸方式有調制解調器（MODEM）傳輸和簡單的雙音多頻（DTMF）傳輸。本設計就采用后者作為控制信號的通信方式。本文主要介紹一種可以遠程控制傳統家電的電話控制系統的設計方案。

1 智能控制器的工作狀況

智能控制器[1]的工作過程描述如下：

1）當用戶撥通家庭電話后，智能控制器要求用戶輸入管理密碼。

2）用戶輸入密碼正確，則允許進行設置各種控制功能；如果用戶密碼錯誤，則提示重新輸入。

3）密碼確認后，智能控制器以語言提示用戶進入操作，例如“開燈請撥1；關燈請撥2；開窗戶請撥3，……”，用戶聽到語言提示后按相應的電話按鍵，例如撥“1”，智能控制器通過繼電器輸出接通相應的照明電源后，用語音向用戶提示“燈已打開。繼續操作請撥0，控制結束請掛機。”，用戶可繼續操作；參數設置完畢后，智能控制器[2]發出控制信號，提示設置已成功，用戶退出系統。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 總體系統框圖Fig.1 Overall system block diagram

1.1 智能控制器功能分析

根據工作描述，得到系統基本要求：系統電源；振鈴檢測；自動摘機/掛機；遠程用戶登錄管理；用戶控制功能選擇；語音操作提示；家用電器控制；工作狀態存儲；工作定時；工作故障保護；電源開關；工作指示燈等，如圖2所示。

1.2DTMF及其編碼

DTMF是英文Dual tone multiple frequency的英文縮寫，意思是雙音多頻，現代電話網中應用廣泛。一般電話機有兩種撥號方式：一種是雙音頻撥號，是指用兩個特定的單音信號的組合疊加來代表數字或字符功能。另一種是脈沖撥號，它是通過開關節點控制用戶直流回路通斷來產生一串直流脈沖信號，一串撥號對應一位數字號碼，一串脈沖內脈沖的個數對應號碼的數字。

圖2 智能控制器電路框圖Fig.2 Intelligent controller circuit diagram

2 系統總體分析

智能控制器由硬件和軟件兩部分組成。硬件負責信號檢測、信號調理和執行器件驅動；軟件負責信息處理、信息存儲。智能控制器[3-5]的需求分析如下描述：

1）用戶利用固定電話或手機呼叫自己的家庭固定電話，電話振鈴5次以后，智能控制器執行摘機，并語音提示用戶輸入操作密碼，系統預設密碼為“123456”。

2）用戶輸入正確的密碼以后，系統會發出語音提示。

3）用戶按“1+*”鍵后，系統會發出提示音：“請輸入新密碼”，按“#”鍵返回上一層，結束操作請掛機；如果用戶連續輸入2次錯誤后，系統會自動掛機。

4）用戶按“2+*”鍵后，系統發出相應的提示音：請輸入你選擇的功能，用戶可選擇“1+*”鍵接通電源開關或斷開電源開關。

5）用戶選擇“3+*”鍵后，系統會根據不同的工作狀態發出相應的提示音：相應的工作狀態分別為：①電源開關已接通；②電源開關已斷開；③電源故障已斷開。用戶在操作過程中掛機后，系統會在30秒后自動執行掛機操作。如圖3所示系統順序交換圖。

圖3 系統順序交換圖Fig.3 System sequence diagram exchange

3 硬件電路設計

智能控制器的核心器件是中央處理器，它主要負責振鈴監測，摘機/掛機、DTMF解碼、語音提示、電器開關、信息處理等各種控制功能。NXP的LPC2132是32位ARM7TDMI-SCPU，具有大容量程序存儲器，可滿足系統的要求。電源單元[6]主要取決于各種類型的器件對供電電壓的不同要求來設計，UC3842是專門用于單端反激式電源芯片，適合于做穩定性較好的電源。

DTMF解碼電路用于將音頻撥號轉換為對應的二進制編碼，而 MT8870[7]是典型的一種雙音頻解碼芯片，它可將輸入的雙音頻信號轉換為對應的二進制編碼，發送給MCU。振鈴信號檢測電路用于對輸入的振鈴信號進行識別。由于振鈴信號電壓較高，所以選擇利用光電耦合器進行隔離采樣，將信號輸出到MCU的外部中斷接口實現振鈴信號檢測。

摘機/掛機電路根據振鈴次數執行摘機操作，程控電話交換機對電話摘機的響應是電話線回路電流突然變大約為30 mA的電流，交換機檢測到回路電流變大就認為電話機已經摘機。當用戶摘機時，電話機通過叉簧接上約200 Ω的負載，使整個電話線回路流過約30 mA的電流。交換機檢測到該電流后便停止鈴流發送，并將線路電壓變為十幾伏的直流，完成接續。利用繼電器和200 Ω電阻實現。語音提示電路用于用戶對智能控制器[8]操作時，控制器發出相應的提示音以方便用戶操作。ISD4004語音錄放芯片，可以進行錄音存儲和放音操作。AT24C04是ATMEL公司生產的用于小容量數據存儲芯片，集成IIC總線，方便與微控制器接口。執行開關用來控制家用電器的供電電源，同時具有對用電設備的保護和市電異常檢測功能，異常發生時關閉電器開關。雙觸點電器可以同時接通和關閉交流電源具有較好的可靠性。

4 軟件設計

首先是系統初始化；其次是振鈴信號檢測，主要利用外部中斷功能檢測振鈴信號；摘機掛機管理是當振鈴次數達到5次以上時，MCU輸出電平信號驅動繼電器執行掛機。典型的軟件流程圖如圖4和圖5所示。

圖4 軟件框圖Fig.4 Software block diagram

5 結束語

從系統設計的角度出發，首先對智能控制器的使用情況進行了簡單分析，進一步進行細致的劃分，做出了用戶與智能控制器交互的全部工作過程。其次，根據智能控制器的需求，進行器件的選型和外圍電路的設計，其中如MT8870、ISD4004等外圍均參考了廠商所給出的典型應用設計。然后簡要介紹所用的關鍵器件的特性及功能，最后，對軟件流程做了概要分析，并做出了模塊化方案。

圖5 軟件整體流程圖Fig.5 Overall flow chart software

[1]師黎，陳鐵軍，李曉媛，等.智能控制理論及應用[M].北京:清華大學出版社，2009.

[2]易繼鍇，侯媛彬.智能控制技術[M].北京:北京工業大學，2007.

[3]李朝青.PC機及數據通信技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，2000.

[4]劉振霞.程控數字交換技術[M].西安:西安電子科技大學出版社，2009.

[5]賈智平.嵌入式系統原理與接口技術[M].北京:清華大學出版社，2005.

[6]黃繼昌.電子元器件手冊[M].北京:人民郵電出版社，2007.

[7]楊曉晴，張一哲.基于CAN總線的家庭智能控制器的設計[J].低壓電器，2007，49（6）:19-21.

YANG Xiao-qing，ZHANG Yi-zhe.Design of home intelligent controller based on CAN field-bus[J].Low Voltage Apparatus，2007，49（6）:19-21.

[8]吳杰，詹習生.基于SPCE061A的數據采集子站設計[J].工業儀表與自動化裝置，2011（2）:72-74.

WU Jie,ZHAN Xi-sheng.Design of a data acquisition system based on SPCE061A[J].Industrial Instrumentation&Automation，2011（2）:72-74.