基于雙音多頻信號的通信方式實現(xiàn)溫濕度記錄儀的設(shè)計

在食品存儲倉庫、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地、電站設(shè)備機房等場所，溫濕度記錄儀是必不可少的環(huán)境檢測設(shè)備。但是記錄儀在倉庫等場所，其工作狀態(tài)或查詢數(shù)據(jù)記錄，工作人員必須到達現(xiàn)場，工作量大。目前市場上有GSM短信報警功能的記錄儀，但是在GSM無線信號覆蓋較差的場所使用效果不好，而且GSM無線信號易受干擾。本文設(shè)計的溫濕度記錄儀具有有線電話接口，受電磁環(huán)境因素影響小、穩(wěn)定性好，而且相比GSM方式資費便宜，具有廣闊的市場前景。

本文設(shè)計的記錄儀不僅能在液晶屏上查詢數(shù)據(jù)，而且能使用電話遠程查詢溫濕度數(shù)據(jù)。本記錄儀需要占用一個電話號碼，檢測到來電振鈴信號后自動摘機，工作人員在語音提示下通過電話鍵盤輸入密碼，驗證通過后可以查詢記錄儀的工作狀態(tài)和溫濕度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄的語音通過電話線路播報。如果密碼三次輸入不正確，或者在語音提示后長時間沒有輸入密碼，記錄儀將強制掛機。還可以設(shè)置好報警電話號碼以及報警溫濕度值，當環(huán)境的溫濕度值超標時，記錄儀就會自動摘機并撥打報警電話號碼進行報警。

1、 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)采用雙音多頻信號(DTMF)進行通信，實現(xiàn)遠程控制，系統(tǒng)主要由溫濕度采集、存儲電路、電話接口、振鈴檢測、忙音檢測、DTMF接收及發(fā)送、語音模塊、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(tǒng)使用TI的MSP430F149單片機作為控制核心，它具有體積小、低功耗、能夠串行在線編程等特性，具備60KB+256字節(jié) Flash、2KB RAM、多個16位定時器、12位A/D轉(zhuǎn)換器等功能模塊，本機密碼和報警電話號碼存儲在單片機的Flash中，修改方便，可靠性高。

溫濕度數(shù)據(jù)存儲選用Atmel公司的E2PROM存儲芯片AT24C256實現(xiàn)，它具有32KB存儲容量，I2C數(shù)據(jù)接口，由于單片機本身不具備I2C接口，故采用由兩個普通I/O口模擬I2C總線方式。

2 、硬件電路設(shè)計

2.1 電話接口電路

電話接口電路如圖2所示。電路模擬摘掛機通過繼電器控制電流源的通斷來實現(xiàn)，繼電器K1選用松下公司的雙刀雙擲DS2Y-S-DC5V繼電器。在電話信令中交換機根據(jù)電話線路上的直流電流來判斷用戶的摘掛機狀態(tài)。掛機時，電話線路饋電電壓48V，線路上沒有直流電流，摘機后，電話線路直流回路接通，電壓降到8V，直流電流約30mA。單片機通過端口P11控制三極管V7的通斷，從而控制繼電器K1的通斷來控制電路中的電流，模擬摘掛機動作。當P11為低電平時，三極管V7截止，繼電器K1將電話線路與電流源斷開，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將電話線路與電流源接通，此時V4和V5組成的電流源將提供30mA左右的電流，相當于電話摘機，交換機會接通話路。使用恒流源可以保證電路具有較小的直流阻抗(600Ω)。在電話線之間跨接避雷器TISP4350，以達到抗雷擊保護的作用。

為了實現(xiàn)在電話線路上播報溫濕度值的語音，語音模塊輸出的音頻信號AUDIO通過電阻R1后由變壓器T1將語音信號耦合到電話線路上。

2.2 振鈴檢測電路

待機狀態(tài)下，電話線路上只有48V饋電電壓，當有用戶呼叫本機時，交換機向話機發(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。振鈴檢測電路見圖2的N1部分，有呼叫時，振鈴信號疊加在48V直流上經(jīng)過電容C2后只有交流振鈴信號，經(jīng)過整流二極管V1、V2，光耦N1，三極管V3，檢測信號輸入到單片機端口P10，沒有振鈴時P10為高電平，有振鈴時，P10為持續(xù)1s的連續(xù)脈沖信號，單片機根據(jù)此特點，即可實現(xiàn)對振鈴的檢測。同時，在軟件部分進行振鈴次數(shù)的檢測，達到一定次數(shù)后再摘機，避免誤檢測，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 雙音多頻信號收發(fā)電路

電話查詢記錄儀工作狀態(tài)和溫濕度數(shù)據(jù)時，記錄儀接收到的密碼、指令都是DTMF信號，本設(shè)計選用OKI公司的芯片ML7005實現(xiàn)對DTMF信號的檢測解碼，見圖3。此款芯片能夠?qū)TMF信號、忙音信號、傳真信號進行辨識，而且可以發(fā)送這三種信號。電話線上的DTMF信號經(jīng)變壓器耦合輸出的RXD進入芯片ML7005，解碼數(shù)據(jù)由ML7005的D1~D4輸出，送單片機進行識別和處理。

若記錄儀設(shè)置了報警電話號碼和報警溫濕度值，當環(huán)境溫濕度超標時，記錄儀自動摘機并撥打報警電話，單片機讀取Flash中的報警電話號碼，ML7005將數(shù)據(jù)總線D1~D4上的二進制碼鎖存，產(chǎn)生的DTMF信號TXD經(jīng)變壓器耦合到電話線路上，實現(xiàn)DTMF撥號。

2.4 忙音檢測

通話過程中一方掛機后，交換機會向另一方發(fā)送忙音信號。這就要求在后端查詢者掛機后，記錄儀能檢測出忙音并自動掛機。忙音信號頻率為450±25Hz，電平為-10±3dBm，它是0.7s斷續(xù)的信號音，即0.35s送，0.35s斷。本文采用ML7005檢測忙音信號，電話線上的忙音信號經(jīng)變壓器耦合輸出RXD進入芯片后，CP端輸出高低電平信號，利用單片機I/O口的中斷功能，即可實現(xiàn)對忙音的檢測。在軟件部分進行忙音次數(shù)的檢測，達到一定次數(shù)的忙音后再掛機，避免誤檢測，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.5 隔離電路

電話線上的信號是一種懸浮信號，電話使用的是懸浮地，因此電話信號一旦與其它的地連接，由于其地端參考點不同，信號會被迅速衰減，就無法得到正確的信號，系統(tǒng)就不能正常工作。本文采用兩種隔離方法實現(xiàn)電話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、語音模塊電路與電話線進行隔離。另一種是用光電耦合器4N35進行隔離，在振鈴信號檢測時，實現(xiàn)電話線與單片機電路的隔離。

2.6 語音播放電路

記錄儀發(fā)送的電話語音提示和溫濕度的語音播報由語音模塊實現(xiàn)，選用PM66128智能語音模塊，它是一個整合了錄放音電路、快閃存儲、ADPCM編解碼器、功率放大器、穩(wěn)壓器等電路的全功能錄放系統(tǒng)。使用PM66編程軟件能夠?qū)av格式音頻文件加載到語音模塊，音頻采樣率為8K時可錄制40分鐘的語音。PM66128與單片機的通信通過3根信號線實現(xiàn)，分別是DATA數(shù)據(jù)、CLK時鐘、BUSY忙信號輸出，放音時單片機直接送入要放音的段地址即可播放，結(jié)束時忙信號輸出拉低，單片機可以再發(fā)送下一段語音地址進行播放。

2.7 溫度、濕度采集電路

溫度采集選用NXP公司的數(shù)字溫度傳感器芯片LM75A，它是一個高速I2C接口的溫度傳感器，可以在-55℃到 + 125℃的溫度范圍內(nèi)將溫度直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，內(nèi)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，具有過熱關(guān)斷功能，關(guān)斷溫度在內(nèi)部寄存器中設(shè)置。MCU可以通過I2C總線直接讀取其內(nèi)部寄存器中的數(shù)據(jù)，并可通過I2C對4個數(shù)據(jù)寄存器進行操作，以設(shè)置成不同的工作模式。由于單片機MSP430F149沒有I2C接口，本設(shè)計使用兩個普通I/O口模擬I2C總線方式。

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(nèi)，電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH;響應(yīng)時間小于5s;溫度系數(shù)為0.04pF/℃，精度滿足使用需求。圖4為HS1101的濕度-電容響應(yīng)曲線。HS1101在電路中相當于一個電容器件，它的電容量隨著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(zhuǎn)化為頻率可變的方波，再經(jīng)過整流電路、積分電路和放大電路將脈沖量轉(zhuǎn)換為0V~3V直流信號，然后利用單片機MSP430F149片內(nèi)的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC12將直流電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而實現(xiàn)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(shè)置成使用內(nèi)部參考電平，轉(zhuǎn)換模式為單通道單次轉(zhuǎn)換，在定時器控制下周期性地進行AD采樣，轉(zhuǎn)換完成后讀取轉(zhuǎn)換存儲寄存器ADC12MEN0中12位轉(zhuǎn)換結(jié)果，從而實現(xiàn)對濕度信號的采集。

3 、系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計流程如圖5所示。記錄儀上電初始化完成后周期性地進行環(huán)境溫濕度采集，采集數(shù)據(jù)存儲在AT24C256中，同時監(jiān)測電話線路有無來電呼叫，在三次振鈴后電話接口電路模擬摘機，對于異常情況，如振鈴只響過一次對方就已經(jīng)掛機，則不響應(yīng)。摘機后播放密碼提示音等待用戶輸入密碼，密碼驗證通過記錄儀等待接收查詢命令，解析命令并語音播報溫濕度值及記錄儀工作狀態(tài)，同時檢測電話線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);在接通電話并輸入密碼正確后超過60s沒有輸入DTMF查詢命令，記錄儀也主動掛機。

記錄儀在進行溫濕度采集時，同時判斷當前值是否超過所設(shè)置的報警范圍，若超標則單片機讀取Flash中的報警電話號碼，并摘機撥打該電話，對方接通后記錄儀語音播報當前溫濕度值及報警語音提示，同時檢測電話線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(jié)束語

基于電話接口的溫濕度記錄儀只需一根電話線，安裝方便，電路性能穩(wěn)定，溫濕度測量精度高，能夠通過電話撥號方式實現(xiàn)遠程溫濕度報警和查詢，使用方便，具有良好的應(yīng)用前景。

責任編輯：gt