家用智能控制器的设计

摘要：通过分析智能控制器的工作状况以及功能，在此基础上提出一种智能家居控制的方案，该智能家居控制利用移动电话或固定电话通过公用电话网对家用电器设备进行远程控制，根据功能需求，从硬件设计入手，选择以ARM7系列的微控制器LPC2132为核心微处理器，以MT8870为双音多频接收器，配合语音录放芯片ISD4004和执行继电器，以及相应的高效率开关电源构成整个硬件电路，然后对其软件进行了分析，给出了整体软件流程图，完成了对智能控制器系统的设计。
关键词：智能控制器；CPU；家用电器；LPC2132

    自从1876年贝尔发明电话以后，电话通信变成我们日常生活中最常见、最广泛的通信方式。目前电话网的地理范围覆盖率在我国已经达到了90％以上，并且大多数人现在都有手机或固定电话，如此可以利用现有的电话网传输控制信号，实现家用电器的控制。现有的可利用的数据传输方式有调制解调器(MODEM)传输和简单的双音多频(DTMF)传输。
    本设计就采用后者作为控制信号的通信方式。本文主要介绍一种可以远程控制传统家电的电话控制系统的设计方案。

1 智能控制器的工作状况
    智能控制器的工作过程描述如下：
    1)当用户拨通家庭电话后，智能控制器要求用户输入管理密码。
    2)用户输入密码正确，则允许进行设置各种控制功能；如果用户密码错误，则提示重新输入。
    3)密码确认后，智能控制器以语言提示用户进入操作，例如“开灯请拨1；关灯请拨2；开窗户请拨3，……”，用户听到语言提示后按相应的电话按键，例如拨“1”，智能控制器通过继电器输出接通相应的照明电源后，用语音向用户提示“灯已打开。继续操作请拨0，控制结束请挂机。”，用户可继续操作；参数设置完毕后，智能控制器发出控制信号，提示设置已成功，用户退出系统。系统总体框图如图1所示。

1．1 智能控制器功能分析
    根据工作描述，得到系统基本要求：系统电源；振铃检测；自动摘机／挂机；远程用户登录管理；用户控制功能选择；语音操作提示；家用电器控制；工作状态存储；工作定时；工作故障保护；电源开关；工作指示灯等，如图2所示。

1．2 DTMF及其编码
    DTMF是英文Dual tone multiple frequency的英文缩写，意思是双音多频，现代电话网中应用广泛。一般电话机有两种拨号方式：一种是双音频拨号，是指用两个特定的单音信号的组合叠加来代表数字或字符功能。另一种是脉冲拨号，它是通过开关节点控制用户直流回路通断来产生一串直流脉冲信号，一串拨号对应一位数字号码，一串脉冲内脉冲的个数对应号码的数字。

2 系统总体分析
    智能控制器由硬件和软件两部分组成。硬件负责信号检测、信号调理和执行器件驱动；软件负责信息处理、信息存储。智能控制器的需求分析如下描述：
    1)用户利用固定电话或手机呼叫自己的家庭固定电话，电话振铃5次以后，智能控制器执行摘机，并语音提示用户输入操作密码，系统预设密码为“123456”。
    2)用户输入正确的密码以后，系统会发出语音提示。
    3)用户按“1+*”键后，系统会发出提示音：“请输入新密码”，按“#”键返回上一层，结束操作请挂机；如果用户连续输入2次错误后，系统会自动挂机。
    4)用户按“2+*”键后，系统发出相应的提示音：请输入你选择的功能，用户可选择“1+*”键接通电源开关或断开电源开关。
    5)用户选择“3+*”键后，系统会根据不同的工作状态发出相应的提示音：相应的工作状态分别为：①电源开关已接通；②电源开关已断开；③电源故障已断开。用户在操作过程中挂机后，系统会在30秒后自动执行挂机操作。如图3所示系统顺序交换图。

3 硬件电路设计
    智能控制器的核心器件是中央处理器，它主要负责振铃监测，摘机／挂机、DTMF解码、语音提示、电器开关、信息处理等各种控制功能。NXP的LPC2132是32位ARM7TDMI-SCPU，具有大容量程序存储器，可满足系统的要求。电源单元主要取决于各种类型的器件对供电电压的不同要求来设计，UC3842是专门用于单端反激式电源芯片，适合于做稳定性较好的电源。
    DTMF解码电路用于将音频拨号转换为对应的二进制编码，而MT8870是典型的一种双音频解码芯片，它可将输入的双音频信号转换为对应的二进制编码，发送给MCU。振铃信号检测电路用于对输入的振铃信号进行识别。由于振铃信号电压较高，所以选择利用光电耦合器进行隔离采样，将信号输出到MCU的外部中断接口实现振铃信号检测。
    摘机／挂机电路根据振铃次数执行摘机操作，程控电话交换机对电话摘机的响应是电话线回路电流突然变大约为30 mA的电流，交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机。当用户摘机时，电话机通过叉簧接上约200 Ω的负载，使整个电话线回路流过约30 mA的电流。交换机检测到该电流后便停止铃流发送，并将线路电压变为十几伏的直流，完成接续。利用继电器和200 Ω电阻实现。语音提示电路用于用户对智能控制器操作时，控制器发出相应的提示音以方便用户操作。ISD4004语音录放芯片，可以进行录音存储和放音操作。AT24C04是ATMEL公司生产的用于小容量数据存储芯片，集成IIC总线，方便与微控制器接口。执行开关用来控制家用电器的供电电源，同时具有对用电设备的保护和市电异常检测功能，异常发生时关闭电器开关。双触点电器可以同时接通和关闭交流电源具有较好的可靠性。

4 软件设计
    首先是系统初始化：其次是振铃信号检测，主要利用外部中断功能检测振铃信号；摘机挂机管理是当振铃次数达到5次以上时，MCU输出电平信号驱动继电器执行挂机。典型的软件流程图如图4和图5所示。

5 结束语
    从系统设计的角度出发，首先对智能控制器的使用情况进行了简单分析，进一步进行细致的划分，做出了用户与智能控制器交互的全部工作过程。其次，根据智能控制器的需求，进行器件的选型和外围电路的设计，其中如MT8870、ISD4004等外围均参考了厂商所给出的典型应用设计。然后简要介绍所用的关键器件的特性及功能，最后，对软件流程做了概要分析，并做出了模块化方案。