远程监测控制系统实验装置的设计与制作

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,远程监测控制系统实验,装置设计与制作,随着通信技术的迅速发展，电话的普及程度日益提高，以及微电脑控制技术和传感器技术的进一步发展，电话的用途不仅仅停留在简单的人与人之间语音通信上，在许多需要实时监控的场合，可借助电话通信技术自动传输监控信息。这样既可以充分利用现有通信资源电话网，又可使监控信息迅速而隐蔽地传输到任何远程终端。,在整个设计平台当中，远程控制系统控制信号的传输，各种传感信号以及中央控制命令都由此处产生,。,研究意义,一、设计思路和基本要求,整个系统是建立在现场终端和远程控制终端两个终端通讯的模式上的。系统要能够实时的监测现场的各种信号，并对信号进行处理，有选择的对现场情况进行报警，把信号发送到远程终端。远程终端对所发来的信号分析，并作出相应的处理，由现场终端进行执行，从而达到远程控制的目的。,要求,解决方案,内容,通信方式,电话线,需传输的信号处理成电话音频信号,实时检测,应用传感器与单片机,（,89C51,）,根据设置有选择的进行报警，并对信号的具体情况进行传输（包括信号来源、类型）,自动联系,电信专用通讯芯片,(MK5087),单片机编程控制,自动联系远程终端，对各类反馈信号判断处理,自动应答执行命令,电信专用通讯芯片,(MT8870),单片机编程控制,对远程终端的请求给予应答，执行相应指令,电话网络,被监控对象,远程终端,按键识别,89C51,自动,拨号,传,感,器,自动,控制,远程控制系统的整体设计结构,二、组成模块,1,、,传感器信号检测模块,2,、,自动拨号模块,3,、,来电识别模块,4,、,按键识别模块,5,、,自动控制模块,以,89C51,为核心,负责对现场的情况进行检测，分别有光电传感器检测遮断信号、红外传感器检测接近信号、震动传感器检测震动信号、接近传感器检测金属物接近信号、开关传感器检测门或窗户的开关、局域雷达检测物体的移动等。,我们将各个传感器的信号集中在一块电路板上进行处理，并将信号通过一个,8,位接口传递给单片机。为了使传感器与单片机只有逻辑上的关系，而在电源上互不影响，我们用光耦进行逻辑传递,这样便可以安全的工作了。,1,、传感器信号检测模块,返回,2,、自动拨号模块,自动拨号的执行是通过单片机控制,MK5087,芯片来实现的，当自动拨号系统接收到报警系统送来的报警信号后，它所要做的就是要自动摘机，然后拨相应的电话号码。事实上，就是利用单片机的一个,8,位,I/O,口（,P0,）,口，对开关三极管及,MK5087,芯片进行控制，从而实现了电话自动摘机，自动拨号的功能。这一工作原理可用下列框图简要说明：,接受十二种不同的报警,单,片,机,P0.0,P0.1,P0.2,P0.3,P0.4,P0.5,P0.6,P0.7,接MK 5087,控制继电器,返回,2.1,自动摘机,当然,在这个,“,自动控制系统,”,中,必须脱离人的动作,因此我们只是做到意义上的,“,摘机,”,，并不是真正的将话筒提起来。为了实现这一功能，用单片机控制继电器和开关三极管，等效代替叉簧的开启与闭合，如右图示：,1,和,2,分别是连在叉簧两端的电话线，现将其引出接在继电器开关上。在这个电路中，当开关三极管（图中为,NPN,型）基极接低电平时，,C,和,E,之间电阻很大，继电器分压很小（达不到开启电压），所以电话机线路,1,和,2,之间不导通；而当基极接高电平时,C,和,E,电阻很小，只有几欧姆，此时继电器分压很大，,1,和,2,被导通，也就实现了电话摘机的功能。,E,C,B,接电话内部,+5,伏电源,继电器,接单片机,P7,1,2,返回,2.2,自动拨号,接下来要实现自动拨号：由单片机控制实现自动摘机后，单片机就向,MK5087,发出特定的拨号信息，,5087,收到拨号信息后即会产生相应的双音频（,DTMF,）,信号通过电话线向外发出，从而实现了自动拨号的功能。,返回,双音多频（,DTMF,，,Dual Tone Multi,Frequency,）,是用两个不同频率的信号组成的字符或数字。这两个频率一个迭自低频段，一个迭自高频段，每个频段包含四个不同的频率，因而可以组合成,16,种选择，而常见的只有,12,种，它们是数字,0,至,9,，以及,#,号和*号。,双音频（,DTMF,）,信号的生成原理,697HZ,770HZ,852HZ,941HZ,1,2,3,A,4,5,6,B,7,8,9,C,*,0,#,D,RowFrequency Group,1209HZ,1336HZ,1477HZ,1633HZ,ColumnFrequency Group,返回,一般双音多频电话的双音频率,DTMF,信号与二进制编码对应关系,发方,DTMF,信号解码,信,息,C,4,C,3,C,2,C,1,R,4,R,3,R,2,R,1,十六,进制,频率,（低组）,频率,（高组）,键,号,1,0001,1110,1EH,697,1209,1,2,0010,1110,2EH,697,1336,2,3,0100,1110,4EH,697,1477,3,4,0001,1101,1DH,770,1209,4,5,0010,1101,2DH,770,1336,5,6,0100,1101,4DH,770,1477,6,7,0001,1011,1BH,852,1209,7,8,0010,1011,2BH,852,1336,8,9,0100,1011,4BH,852,1477,9,A,0010,0111,27H,941,1336,0,B,0001,0111,17H,941,1209,*,C,0100,0111,47H,941,1477,#,返回,MK5087,典型应用电路,返回,3,、来电识别模块,来电识别模块用来判断环境状态监控系统与用户之间进行通信的状态，以协调二者之间的对话。该模块可以完成双向的信号识别，一方面，当报警信号有效时，单片机控制自动拨号系统通知用户，这时系统就需要判别用户的响应状况,.,。另一方面，系统还需判断是否有用户来电。接通电话线后，来电识别模块开始工作，对电话线路上的信号：拨号音、忙音、回铃音、以及对方摘机信号进行判断，反馈信息给单片机 。,3.1,来电识别模块的设计方案,返回,话机状态信号和交换机送来的交流信号的特征数据,连续通,忙,音,0.35s,低电平，,0.35s,高电平,回铃音,1s,通,4s,断,交换机,450Hz,交流,外线电压,挂机状态,48,60V,返回,来电识别模块可依此进行判断，再将相应检测的判断信号送交给单片机处理。在确定为拨号音后通过芯片,5087,和两个,4051,实现自动拨号，将存储的第一组号码变成开关信号给所连接的电话，实现自动拨号。拨号完后，在完成忙音、回铃音以及对方摘机信号的一系列检测并确定对方摘机后，启动语音系统，进行 报警语音提示，向线路发出相对应传感器的报警语音信号。如果第一组号码不能接通或无人接听时，则顺序发出预设好的第二组、第三组,号码，直到全拨通为止 。,返回,3.2,设计方案硬件电路原理图,返回,4,、按键识别模块,4.1,按键识别模块的设计方案,按键识别模块实际上是一个双音多频（,DTMF,）信号接收电路。这里我们采用,DTMF,信号接收芯片,MT8870,来组成,DTMF,接收电路，对按下的键进行信号检测。该芯片具有性能优良、接口简单的特点，使用非常方便。从线路送来的,DTMF,信号经,MT8870,接收、分频、译码和编码后输出,4,位,2,进制信号，由此判断出所按键，并反馈给,89C51,，,89C51,接收到信号后，根据信号内容进行自动控制。例如：主人按下电话机的“,1”,键，需要执行的命令是“关窗户”，则,DTMF,信号经过,MT8870,检测后，判断出“,1”,键，则立即执行“关窗户”的命令。,返回,4.2,双音频信号的接收原理,各种数字音频的发送大多是通过数字交换网络送出，由用户话机接收的，这种音频信号在用户电路中经过译码变成模拟信号自动接收。多频信号是由接收器接收，一般采用数字滤波器经滤波，通过数字逻辑电路识别后取得，接收器就是根据每个滤波器的输出大小而判定输入信号包含的是哪两个频率成分。例如：由低频音,697HZ,和高频音,1209HZ,组成的双音频信号对应按键“,1”,。当按下键“,1”,后，双音频信号经电话线进入按键识别模块，当,MT8870,的允许输出端,TOE,为高电平时，,Q1,Q4,端依次输出,0001,，即“,1”,的,4,位并行,2,进制码，由此检测出所按键为“,1”,。,返回,远程控制键,频率,（低组）,频率,（高组）,二,进制,1,697,1209,0001,2,697,1336,0010,3,697,1477,0011,4,770,1209,0100,5,770,1336,0101,6,770,1477,0110,7,852,1209,0111,8,852,1336,1000,9,852,1477,1001,0,941,1336,1010,*,941,1209,1011,#,941,1477,1100,8870,双音频解码频率对应表,返回,MT8870,是双音多频信号接收芯片，可用来完成,DTMF,信号的接收、分离和译码，能输出,DTMF,信号的,16,种频率组合对应的,4,位二进制码。,利用,MT8870,解码芯片接收控制信息，经过分频 、解码、编码后，将生成的,BCD,码代码传递给单片机的,P2.0P2.3,由单片机执行相应的操作。,返回,5,、自动控制模块,该模块实现单片机控制现场的功能。,根据远端控制信号或现场分析信号自动控制模块利用执行器件作出相应的动作以解除报警信号，对现场进行恰当的处理动作。,返回,远程监测控制系统实验装置由学生和教师历时三年共同完成，在物理开放实验教学中学生对这方面的内容表现出极大兴趣，后成立课题小组，实验室给予各方面的支持，几年来同学们的课余时间和节、假日都投入了该系统的设计与制作，从电路设计、元件选取、,PCB,板生成、软件的编写、电路焊接、调试等工作都以他们为主完成，通过这些过程，不仅培养了他们的动手实践能力，而且培养了科研能力，学到了许多高新技术的知识。该实验装置制作完成后，作为一个开放创新性教学仪器投入实验教学，引起更多同学的兴趣，基本实验内容训练后，很多同学课余时间都参与了开放模块的设计和制作，推动了开放性物理实验向前发展，学生的综合素质得到全面提高,。,分析处理输入信号,自动拨号,若占线或忙音,若是接通音，等待响,铃次数,13,次，,若不通，拨下一个号码（十个号码循环拨）,若是,3,次后无人接，拨下一个号码（十个号码循环拨）,有按键信号，执行相应子处理程序,所有号码都以拨完，若无按键信号，转入自处理程序,开始,无,有,检测是否有传,感器信号输入,停止拨号等一分钟,循环,3,次,循环,3,次后,若无人接停止拨号等一分钟,循环,3,次,循环,3,次后,接通,接通后，等待按键信号,若,2,分钟后无按键信号准备下一个报警号码,摘,机,B,处,A,处,C,处,有,无,D,处,工作流程图,来电信号,响铃六声以后,自动摘机,自动拨号,单片机外接中断触发,接上自动拨号,接上流程图,A,处,来电信号中断,反馈信号,反馈信号中断处理,单片机外接中断触发,若占线或忙音,若是接通音,接上流程图,B,处,接上流程图,C,处,若是接通摘机信号,接上流程图,D,处,反馈信号中断,Thanks a billion!,山 西 大 学,物 理 实 验 中 心,赵法刚,E-mail,：,zhaofg,