摘 要： 為在無(wú)人值守情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并在溫度超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)及時(shí)通知相關(guān)人員，設(shè)計(jì)了基于PIC單片機(jī)控制、多點(diǎn)溫度采集、串口通信、鍵盤(pán)和顯示控制、語(yǔ)音錄制和播放以及電話(huà)撥號(hào)控制的智能溫度監(jiān)測(cè)及電話(huà)語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，使用方便，報(bào)警迅速有效，且成本較低，具有廣泛的適用范圍。
關(guān)鍵詞： 溫度監(jiān)測(cè)； 語(yǔ)音處理； 電話(huà)報(bào)警
溫度是一個(gè)重要的物理量，隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及人們對(duì)生活環(huán)境要求的提高，對(duì)溫度的測(cè)量與控制具有重要的意義。在一些對(duì)溫度有要求的場(chǎng)所，通常依靠人工對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為避免事故發(fā)生，需要人員長(zhǎng)時(shí)間堅(jiān)守崗位，這必將耗費(fèi)相關(guān)人員大量的時(shí)間和精力。此外，對(duì)于一些環(huán)境條件比較惡劣、危害人體健康的場(chǎng)所，無(wú)法實(shí)行人工監(jiān)測(cè)溫度。
針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控，是目前較多使用的一種方法。大規(guī)模語(yǔ)音處理集成電路的發(fā)展，使得語(yǔ)音提示在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在此基礎(chǔ)上，借助電話(huà)通信技術(shù)傳輸警情信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電話(huà)語(yǔ)音報(bào)警功能，不僅可以充分利用已有通信資源，使警情信息迅速傳到相關(guān)人員，也使監(jiān)控系統(tǒng)具有了智能化的特點(diǎn)。
本文將單片機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控、語(yǔ)音提示和電話(huà)通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了溫度監(jiān)測(cè)及電話(huà)語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)電話(huà)語(yǔ)音報(bào)警功能，也使監(jiān)控系統(tǒng)具有了智能化的特點(diǎn)。該系統(tǒng)以PIC16F877單片機(jī)為控制核心，結(jié)合傳感器接口電路RS485轉(zhuǎn)換模塊MAX485、語(yǔ)音芯片ISD2560、鍵盤(pán)/顯示控制芯片Intel8279、液晶顯示模塊OCM4X8C、MODEM撥號(hào)以及電話(huà)信號(hào)音檢測(cè)模塊CR6230,能自動(dòng)對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)某一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度超限時(shí)，立即撥打相關(guān)人員的電話(huà)，判斷電話(huà)被接聽(tīng)后以語(yǔ)音告知溫度超限的監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)和溫度值。相關(guān)人員固定電話(huà)和手機(jī)號(hào)碼以及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度上下限值可通過(guò)鍵盤(pán)和顯示器隨時(shí)查看、存儲(chǔ)及更改，錄音過(guò)程也可以隨時(shí)進(jìn)行。為適應(yīng)不同應(yīng)用情況的需要，系統(tǒng)允許溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一定數(shù)量范圍內(nèi)增加或減少。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)
智能溫度監(jiān)測(cè)及電話(huà)語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由核心控制單元及其擴(kuò)展電路、多路溫度傳感器及其接口電路、液晶顯示模塊、鍵盤(pán)控制模塊、語(yǔ)音處理電路、電話(huà)信號(hào)音檢測(cè)電路、電話(huà)線(xiàn)路控制及接口電路、MODEM控制電路共8部分組成。
1.1 核心控制單元及其擴(kuò)展電路
美國(guó)Microchip Technology公司的PIC系列單片機(jī)采用精簡(jiǎn)指令集、哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)、二級(jí)流水線(xiàn)取指令方式，具有低價(jià)、低功耗、高速、功能強(qiáng)和易開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的PIC16F877芯片是一種功能和性?xún)r(jià)比很高的PIC系列中級(jí)產(chǎn)品，含有A/D、PWM、E2PROM、UART、SPI、I2C等豐富的接口模塊和8 KB的Flash程序存儲(chǔ)器，PIC16F877芯片有40個(gè)引腳，其中有33個(gè)I/O端口[1]。
系統(tǒng)中作為控制核心的PIC單片機(jī)要完成其他7個(gè)功能模塊的協(xié)調(diào)控制，每個(gè)模塊均需要單片機(jī)給出一定數(shù)量的控制線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)來(lái)完成相應(yīng)的功能，因此對(duì)于I/O資源有限的單片機(jī)，必須進(jìn)行I/O擴(kuò)展。PIC單片機(jī)及其外圍擴(kuò)展電路如圖2所示。該擴(kuò)展電路包括：
(1)通過(guò)3個(gè)鎖存器74LS373（U3、U8、U9）和2個(gè)收發(fā)器74LS245（U21、U22）將單片機(jī)的8個(gè)I/O端口（RD0、…、RD7）擴(kuò)展成36個(gè)I/O端口，通過(guò)譯碼器74LS138(U7)將單片機(jī)的3個(gè)I/O端口(RC1、RC2、RC3)擴(kuò)展成8個(gè)I/O端口，其中2個(gè)74LS373(U8、U9)和1個(gè)74LS138(U7)擴(kuò)展出的24個(gè)I/O端口作為輸出端口，用于輸出其他模塊的地址或控制信號(hào)，另1個(gè)74LS373(U3)擴(kuò)展出的4個(gè)I/O端口作為輸入端口，用于電話(huà)信號(hào)音檢測(cè)信號(hào)的讀取，2個(gè)74LS245(U21、U22)各擴(kuò)展出的8個(gè)I/O端口分別用于鍵盤(pán)和顯示模塊的輸入輸出控制。
(2)通過(guò)2個(gè)單8路模擬開(kāi)關(guān)CD4051和1個(gè)雙4路模擬開(kāi)關(guān)CD4052將單片機(jī)的異步串行端口(RC6/TX、RC7/RX)擴(kuò)展成9個(gè)異步串行端口，2個(gè)CD4051擴(kuò)展出的8個(gè)異步串行端口用于8路溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集，1個(gè)CD4052擴(kuò)展出的1個(gè)異步串行端口用于MODEM的撥號(hào)控制。
此外，由于本系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘要求不是特別精確，所以單片機(jī)的振蕩輸入電路采用RC振蕩電路,頻率約為4 MHz。單片機(jī)采用簡(jiǎn)單的RC復(fù)位電路。
1.2 溫度傳感器及其接口電路
系統(tǒng)設(shè)計(jì)了8個(gè)溫度監(jiān)測(cè)通道，針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)距離和溫度傳感器輸出形式，每個(gè)監(jiān)測(cè)通道可采用兩種溫度傳感器，一種是監(jiān)測(cè)距離較遠(yuǎn)、按照RS485串行傳輸?shù)募t外溫度傳感器，另一種則是監(jiān)測(cè)距離較近的電壓輸出溫度傳感器。
紅外溫度傳感器采用美國(guó)EXERGEN公司IRt/c.01-K-140F/60C型紅外探頭,測(cè)量范圍-45 ℃～＋290 ℃[2]。8個(gè)溫度傳感器分別通過(guò)8個(gè)MAX485接口芯片轉(zhuǎn)換成TTL電平，將轉(zhuǎn)換后8個(gè)傳感器串口的發(fā)送端口和接收端口分別與U18、U19連接。單片機(jī)通過(guò)擴(kuò)展I/O芯片U9輸出一定的地址和控制信號(hào)給U18和U19，選定某個(gè)溫度傳感器，再由串口發(fā)出讀值命令輸出給傳感器，傳感器成功接收后將把當(dāng)前的溫度值返回，單片機(jī)控制串口接收即完成溫度采集過(guò)程。
電壓輸出溫度傳感器采用LM35DZ，在0～100 ℃內(nèi)輸出為0～1 V，線(xiàn)性輸出比例為10.0 mV/ ℃。8個(gè)傳感器的輸出電壓值直接給到單片機(jī)的8個(gè)模擬輸入端口(RA0，RA1，RA2，RA3，RA5，RE0，RE1，RE2),單片機(jī)選定某一模擬通道后通過(guò)其內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器(10位)進(jìn)行采集。
系統(tǒng)正常工作時(shí)，以0.5 s為周期對(duì)8路溫度傳感器進(jìn)行采集，由于有2種傳感器，在每路采集時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的判斷，若采集成功則顯示，若沒(méi)有值則認(rèn)為此路沒(méi)有接入傳感器，此路溫度值不顯示也不進(jìn)行報(bào)警分析，這樣使系統(tǒng)在傳感器數(shù)量不定的情況下也可以正常工作，適應(yīng)多種場(chǎng)合的需要。
1.3 語(yǔ)音處理電路
系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制語(yǔ)音芯片ISD2560來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音錄制和播放功能，語(yǔ)音處理電路如圖3所示。
ISD2560可以存儲(chǔ)60 s的語(yǔ)音，最多分成60段，1個(gè)地址單元可存儲(chǔ)0.1 s的語(yǔ)音[3]。錄音過(guò)程單片機(jī)通過(guò)2個(gè)擴(kuò)展I/O芯片U8、U9給定相應(yīng)語(yǔ)音段地址和錄音控制信號(hào)P//R，用戶(hù)按下錄音鍵(控制/CE=0)的同時(shí)由麥克輸入語(yǔ)音,單片機(jī)的定時(shí)器根據(jù)這段錄音的時(shí)間(即RC5端口為低電平的時(shí)間)控制ISD2560的地址累加，并在此段錄音結(jié)束時(shí)給出并存儲(chǔ)下一段的起始地址，從而不會(huì)產(chǎn)生交疊現(xiàn)象，存儲(chǔ)的語(yǔ)音是可以掉電保持的。當(dāng)達(dá)到存儲(chǔ)器的結(jié)束地址時(shí)，ISD2560會(huì)給出已存滿(mǎn)信號(hào)(/OVF=0)，系統(tǒng)也會(huì)提示錄音結(jié)束。各段語(yǔ)音的錄制是按一定的順序進(jìn)行的，以便于報(bào)警時(shí)對(duì)不同語(yǔ)音的組織和播放，各個(gè)語(yǔ)音段的首地址同樣按一定的順序存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部的E2PROM中，E2PROM的存儲(chǔ)內(nèi)容可以掉電保持。
放音過(guò)程中單片機(jī)根據(jù)溫度超限情況，按順序從E2PROM中找到所需語(yǔ)音段的首地址,通過(guò)2個(gè)擴(kuò)展I/O芯片U8、U9給定相應(yīng)語(yǔ)音段地址和放音控制信號(hào)P//R=1，并通過(guò)RC5 端口控制使能/CE=0，每段播放結(jié)束時(shí)，語(yǔ)音芯片給出語(yǔ)音結(jié)束信號(hào)(/EOM=0)，所需語(yǔ)音段依次播放，播放的語(yǔ)音信號(hào)由SP+、SP-端口輸出，送入通信變壓器CRE3(T2)，耦合進(jìn)入電話(huà)線(xiàn)路。
1.4 電話(huà)線(xiàn)路控制及接口電路
當(dāng)某路溫度超限時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)引入電話(huà)線(xiàn)路，控制MODEM撥打相關(guān)人員的電話(huà)，同時(shí)進(jìn)行電話(huà)信號(hào)音檢測(cè)，判斷接聽(tīng)后將語(yǔ)音信號(hào)送入電話(huà)線(xiàn)路，完成報(bào)警。當(dāng)沒(méi)有警情發(fā)生時(shí)，無(wú)須引入電話(huà)線(xiàn)路，電話(huà)線(xiàn)路可接到電話(huà)機(jī)，本系統(tǒng)中電話(huà)線(xiàn)路控制及接口電路如圖4所示。
采用2個(gè)繼電器(K1、K2)實(shí)現(xiàn)電話(huà)線(xiàn)路的控制，當(dāng)有警情發(fā)生時(shí)，單片機(jī)通過(guò)擴(kuò)展I/O芯片U9的一個(gè)端口控制繼電器轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)，將電話(huà)線(xiàn)路連入系統(tǒng)。電話(huà)線(xiàn)路接口芯片采用通信變壓器CRE3，系統(tǒng)采用2個(gè)CRE3(T1、T2)分別實(shí)現(xiàn)電話(huà)線(xiàn)路與信號(hào)音檢測(cè)以及語(yǔ)音處理電路的接口。
1.5 MODEM控制電路
系統(tǒng)采用外置MODEM實(shí)現(xiàn)撥號(hào)功能，按照RS232串行通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)MODEM進(jìn)行控制。MODEM串口通過(guò)MAX232芯片實(shí)現(xiàn)RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的MODEM串口與U5對(duì)應(yīng)2個(gè)端口連接。當(dāng)溫度超限時(shí)，系統(tǒng)將電話(huà)線(xiàn)接入MODEM，單片機(jī)通過(guò)擴(kuò)展I/O芯片U9輸出控制信號(hào)給U5選定MODEM，單片機(jī)串口按照MODEM的工作波特率(9 600 b/s)設(shè)置后，發(fā)出AT命令控制MODEM。AT命令是MODEM可以識(shí)別并執(zhí)行的命令，典型的命令有：ATZ(復(fù)位)、ATDT+電話(huà)號(hào)碼（撥號(hào)）、ATH(掛斷電話(huà))等。MODEM執(zhí)行命令后的返回信息有OK、NO CARRIRIER、BUZY等,對(duì)于撥打電話(huà)而言,BUZY表明電話(huà)線(xiàn)路忙，NO CARRIERIER指示無(wú)人接聽(tīng)。這些返回信息對(duì)于判斷MODEM是否正常工作以及電話(huà)是否撥通和被接聽(tīng)都有重要的作用。
1.6 電話(huà)信號(hào)音檢測(cè)控制電路
電話(huà)信號(hào)音檢測(cè)模塊CR6230可以準(zhǔn)確識(shí)別各種電話(huà)信號(hào)音，并直接輸出信號(hào)識(shí)別結(jié)果，檢測(cè)信號(hào)包括有效識(shí)別中斷信號(hào)SS、撥號(hào)音信號(hào)PS、回鈴音信號(hào)RS、忙音/催掛音信號(hào)BS。本系統(tǒng)中電話(huà)信號(hào)音檢測(cè)控制電路如圖5所示。
當(dāng)溫度超限時(shí)，單片機(jī)通過(guò)擴(kuò)展I/O芯片U7控制CR6230（U4）的管腳CS=1，清除所有檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)引入電話(huà)線(xiàn)路，經(jīng)過(guò)電話(huà)線(xiàn)路接口芯片CRE3（T1）的電話(huà)信號(hào)送入CR6230，單片機(jī)控制MODEM撥號(hào)后，單片機(jī)通過(guò)擴(kuò)展I/O芯片U3讀取4個(gè)電話(huà)信號(hào)音檢測(cè)信號(hào)，識(shí)別回鈴音信號(hào)是否有效，若無(wú)效則重?fù)芑蚋膿芴?hào)碼；回鈴音信號(hào)有效則等待，當(dāng)其變?yōu)闊o(wú)效時(shí)則判斷對(duì)方接聽(tīng)電話(huà)，此時(shí)還要根據(jù)MODEM的返回值來(lái)進(jìn)一步確定是否被接聽(tīng)。
1.7 液晶顯示模塊
報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制液晶顯示模塊OCM4X8C，實(shí)現(xiàn)多路溫度測(cè)量值的顯示，相關(guān)人員固定電話(huà)、手機(jī)號(hào)碼和各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度上下限值的設(shè)置過(guò)程以及錄音過(guò)程的顯示。
本系統(tǒng)中單片機(jī)采用8位并行連接方式，單片機(jī)通過(guò)RA4、RB5、RB4 3個(gè)端口分別實(shí)現(xiàn)對(duì)OCM4X8C（J13）的指令/數(shù)據(jù)狀態(tài)選擇、讀/寫(xiě)和使能控制，并通過(guò)擴(kuò)展I/O芯片U21給出一定的指令字或顯示數(shù)據(jù)完成不同界面的顯示。顯示過(guò)程為在傳送命令的狀態(tài)下先選擇指令集、清屏，然后指定在資料寫(xiě)入或讀取時(shí)游標(biāo)的移動(dòng)方向及顯示的移位、開(kāi)顯示、設(shè)定顯示地址，再進(jìn)入傳送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，根據(jù)顯示內(nèi)容從中文字庫(kù)中找出相應(yīng)的16進(jìn)制代碼并將其依次傳給液晶顯示器。
1.8 鍵盤(pán)控制模塊
報(bào)警系統(tǒng)的工作狀態(tài)控制、各路溫度上下限值和電話(huà)號(hào)碼的設(shè)置是通過(guò)鍵盤(pán)輸入完成的。單片機(jī)與鍵盤(pán)的接口芯片采用INTEL公司生產(chǎn)的通用可編程鍵盤(pán)/顯示器接口芯片8279，它可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤(pán)的自動(dòng)掃描，并識(shí)別鍵盤(pán)上閉合鍵的鍵號(hào)，它要求外部時(shí)鐘輸入信號(hào)的周期不小于500 ns即頻率不大于2 MHz。8279的讀寫(xiě)有獨(dú)立的控制線(xiàn)（RD和WR），可以進(jìn)行命令的寫(xiě)入、狀態(tài)的讀出以及鍵盤(pán)數(shù)據(jù)的讀出等操作，具體是通過(guò)選定在命令狀態(tài)（A0=1）下寫(xiě)入相應(yīng)的命令字來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
為提高軟件設(shè)計(jì)效率，本系統(tǒng)單片機(jī)控制軟件采用C語(yǔ)言編程，主程序流程如圖6所示。
系統(tǒng)軟件可分為以下4個(gè)功能模塊：
(1)系統(tǒng)初始化
系統(tǒng)上電以后，完成對(duì)各個(gè)組成電路初始狀態(tài)、工作模式等參量的設(shè)置[5]，并顯示系統(tǒng)初始化界面。
(2)系統(tǒng)設(shè)置
系統(tǒng)初始化后進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置界面，用戶(hù)可通過(guò)按鍵選擇錄音控制、號(hào)碼存儲(chǔ)、溫度上下限值設(shè)置以及直接進(jìn)入多路溫度監(jiān)測(cè)和顯示。
(3)多路溫度監(jiān)測(cè)和顯示
按一定的周期采集和顯示多路溫度值，即在每個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，依次完成8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度值的采集，并與相應(yīng)的溫度限值進(jìn)行比較和判斷，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度值采集完成后進(jìn)行顯示。系統(tǒng)進(jìn)入多路溫度監(jiān)測(cè)和顯示操作以后，可隨時(shí)通過(guò)按鍵返回系統(tǒng)設(shè)置界面。
(4)電話(huà)語(yǔ)音報(bào)警
當(dāng)有溫度超限時(shí)，立即撥打預(yù)先存儲(chǔ)的相關(guān)人員的固定電話(huà)，判斷電話(huà)被接聽(tīng)后，組織相應(yīng)的警情信息進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，若沒(méi)撥通或無(wú)人接聽(tīng)則改撥手機(jī)，直到報(bào)警成功為止。報(bào)警成功后返回溫度監(jiān)測(cè)和顯示操作，報(bào)警成功的那路溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)則不再報(bào)警，等到其恢復(fù)到正常范圍后重新使能報(bào)警功能。
本文基于單片機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控、語(yǔ)音處理和電話(huà)通信技術(shù)設(shè)計(jì)的溫度報(bào)警系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在某點(diǎn)溫度異常時(shí)自動(dòng)撥打相關(guān)人員的電話(huà)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警的功能，具有智能化、使用方便、報(bào)警迅速可靠和成本較低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、辦公室、倉(cāng)庫(kù)等對(duì)環(huán)境溫度有一定要求的場(chǎng)所。
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