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[導讀] 在食品存儲倉庫、現(xiàn)代農業(yè)生產(chǎn)基地、電站設備機房等場所,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

在食品存儲倉庫、現(xiàn)代農業(yè)生產(chǎn)基地、電站設備機房等場所,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TIMSP430F149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

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。此款芯片能夠對DTMF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編程軟件能夠將wav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℃的溫度范圍內將溫度直接轉換成數(shù)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,具有過熱關斷功能,關斷溫度在內部寄存器中設置。MCU可以通過I2C總線直接讀取其內部寄存器中的數(shù)據(jù),并可通過I2C對4個數(shù)據(jù)寄存器進行操作,以設置成不同的工作模式。由于單片機MSP430F149沒有I2C接口,本設計使用兩個普通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,電容量由162pF變到200pF,其誤差不大于±2%RH;響應時間小于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換為0V~3V直流信號,然后利用單片機MSP430F149片內的12位模數(shù)轉換器ADC12將直流電壓信號轉換為數(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,在定時器控制下周期性地進行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,從而實現(xiàn)對濕度信號的采集。

3 、系統(tǒng)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。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,具有良好的應用前景。

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