摘 要： 為在無人值守情況下實現對多點溫度實時監測,并在溫度超過設定范圍時及時通知相關人員，設計了基于PIC單片機控制、多點溫度采集、串口通信、鍵盤和顯示控制、語音錄制和播放以及電話撥號控制的智能溫度監測及電話語音報警系統。介紹了系統結構、硬件電路設計和軟件實現。該系統設計靈活，使用方便，報警迅速有效，且成本較低，具有廣泛的適用范圍。
關鍵詞： 溫度監測； 語音處理； 電話報警
溫度是一個重要的物理量，隨著現代工農業技術的發展及人們對生活環境要求的提高，對溫度的測量與控制具有重要的意義。在一些對溫度有要求的場所，通常依靠人工對溫度進行監測，為避免事故發生，需要人員長時間堅守崗位，這必將耗費相關人員大量的時間和精力。此外，對于一些環境條件比較惡劣、危害人體健康的場所，無法實行人工監測溫度。
針對以上問題，通過單片機實現遠程溫度監控，是目前較多使用的一種方法。大規模語音處理集成電路的發展，使得語音提示在監控系統中的應用越來越廣泛。在此基礎上，借助電話通信技術傳輸警情信息，實現自動電話語音報警功能，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人員，也使監控系統具有了智能化的特點。
本文將單片機遠程監控、語音提示和電話通信技術相結合，設計開發了溫度監測及電話語音報警系統，不僅實現了自動電話語音報警功能，也使監控系統具有了智能化的特點。該系統以PIC16F877單片機為控制核心，結合傳感器接口電路RS485轉換模塊MAX485、語音芯片ISD2560、鍵盤/顯示控制芯片Intel8279、液晶顯示模塊OCM4X8C、MODEM撥號以及電話信號音檢測模塊CR6230,能自動對多點溫度進行實時監測和實時顯示。當某一個監測點溫度超限時，立即撥打相關人員的電話，判斷電話被接聽后以語音告知溫度超限的監測點號和溫度值。相關人員固定電話和手機號碼以及各監測點溫度上下限值可通過鍵盤和顯示器隨時查看、存儲及更改，錄音過程也可以隨時進行。為適應不同應用情況的需要，系統允許溫度監測點在一定數量范圍內增加或減少。
1 系統硬件結構及電路設計
智能溫度監測及電話語音報警系統結構如圖1所示。系統由核心控制單元及其擴展電路、多路溫度傳感器及其接口電路、液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊、語音處理電路、電話信號音檢測電路、電話線路控制及接口電路、MODEM控制電路共8部分組成。
1.1 核心控制單元及其擴展電路
美國Microchip Technology公司的PIC系列單片機采用精簡指令集、哈佛總線結構、二級流水線取指令方式，具有低價、低功耗、高速、功能強和易開發等特點。本系統采用的PIC16F877芯片是一種功能和性價比很高的PIC系列中級產品，含有A/D、PWM、E2PROM、UART、SPI、I2C等豐富的接口模塊和8 KB的Flash程序存儲器，PIC16F877芯片有40個引腳，其中有33個I/O端口[1]。
系統中作為控制核心的PIC單片機要完成其他7個功能模塊的協調控制，每個模塊均需要單片機給出一定數量的控制線和數據線來完成相應的功能，因此對于I/O資源有限的單片機，必須進行I/O擴展。PIC單片機及其外圍擴展電路如圖2所示。該擴展電路包括：
(1)通過3個鎖存器74LS373（U3、U8、U9）和2個收發器74LS245（U21、U22）將單片機的8個I/O端口（RD0、…、RD7）擴展成36個I/O端口，通過譯碼器74LS138(U7)將單片機的3個I/O端口(RC1、RC2、RC3)擴展成8個I/O端口，其中2個74LS373(U8、U9)和1個74LS138(U7)擴展出的24個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，另1個74LS373(U3)擴展出的4個I/O端口作為輸入端口，用于電話信號音檢測信號的讀取，2個74LS245(U21、U22)各擴展出的8個I/O端口分別用于鍵盤和顯示模塊的輸入輸出控制。
(2)通過2個單8路模擬開關CD4051和1個雙4路模擬開關CD4052將單片機的異步串行端口(RC6/TX、RC7/RX)擴展成9個異步串行端口，2個CD4051擴展出的8個異步串行端口用于8路溫度傳感器的數據采集，1個CD4052擴展出的1個異步串行端口用于MODEM的撥號控制。
此外，由于本系統對時鐘要求不是特別精確，所以單片機的振蕩輸入電路采用RC振蕩電路,頻率約為4 MHz。單片機采用簡單的RC復位電路。
1.2 溫度傳感器及其接口電路
系統設計了8個溫度監測通道，針對不同的監測距離和溫度傳感器輸出形式，每個監測通道可采用兩種溫度傳感器，一種是監測距離較遠、按照RS485串行傳輸的紅外溫度傳感器，另一種則是監測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EXERGEN公司IRt/c.01-K-140F/60C型紅外探頭,測量范圍-45 ℃～＋290 ℃[2]。8個溫度傳感器分別通過8個MAX485接口芯片轉換成TTL電平，將轉換后8個傳感器串口的發送端口和接收端口分別與U18、U19連接。單片機通過擴展I/O芯片U9輸出一定的地址和控制信號給U18和U19，選定某個溫度傳感器，再由串口發出讀值命令輸出給傳感器，傳感器成功接收后將把當前的溫度值返回，單片機控制串口接收即完成溫度采集過程。
電壓輸出溫度傳感器采用LM35DZ，在0～100 ℃內輸出為0～1 V，線性輸出比例為10.0 mV/ ℃。8個傳感器的輸出電壓值直接給到單片機的8個模擬輸入端口(RA0，RA1，RA2，RA3，RA5，RE0，RE1，RE2),單片機選定某一模擬通道后通過其內部的A/D轉換器(10位)進行采集。
系統正常工作時，以0.5 s為周期對8路溫度傳感器進行采集，由于有2種傳感器，在每路采集時進行相應的判斷，若采集成功則顯示，若沒有值則認為此路沒有接入傳感器，此路溫度值不顯示也不進行報警分析，這樣使系統在傳感器數量不定的情況下也可以正常工作，適應多種場合的需要。
1.3 語音處理電路
系統通過單片機控制語音芯片ISD2560來實現語音錄制和播放功能，語音處理電路如圖3所示。
ISD2560可以存儲60 s的語音，最多分成60段，1個地址單元可存儲0.1 s的語音[3]。錄音過程單片機通過2個擴展I/O芯片U8、U9給定相應語音段地址和錄音控制信號P//R，用戶按下錄音鍵(控制/CE=0)的同時由麥克輸入語音,單片機的定時器根據這段錄音的時間(即RC5端口為低電平的時間)控制ISD2560的地址累加，并在此段錄音結束時給出并存儲下一段的起始地址，從而不會產生交疊現象，存儲的語音是可以掉電保持的。當達到存儲器的結束地址時，ISD2560會給出已存滿信號(/OVF=0)，系統也會提示錄音結束。各段語音的錄制是按一定的順序進行的，以便于報警時對不同語音的組織和播放，各個語音段的首地址同樣按一定的順序存儲在單片機內部的E2PROM中，E2PROM的存儲內容可以掉電保持。
放音過程中單片機根據溫度超限情況，按順序從E2PROM中找到所需語音段的首地址,通過2個擴展I/O芯片U8、U9給定相應語音段地址和放音控制信號P//R=1，并通過RC5 端口控制使能/CE=0，每段播放結束時，語音芯片給出語音結束信號(/EOM=0)，所需語音段依次播放，播放的語音信號由SP+、SP-端口輸出，送入通信變壓器CRE3(T2)，耦合進入電話線路。
1.4 電話線路控制及接口電路
當某路溫度超限時，報警系統引入電話線路，控制MODEM撥打相關人員的電話，同時進行電話信號音檢測，判斷接聽后將語音信號送入電話線路，完成報警。當沒有警情發生時，無須引入電話線路，電話線路可接到電話機，本系統中電話線路控制及接口電路如圖4所示。
采用2個繼電器(K1、K2)實現電話線路的控制，當有警情發生時，單片機通過擴展I/O芯片U9的一個端口控制繼電器轉向開關，將電話線路連入系統。電話線路接口芯片采用通信變壓器CRE3，系統采用2個CRE3(T1、T2)分別實現電話線路與信號音檢測以及語音處理電路的接口。
1.5 MODEM控制電路
系統采用外置MODEM實現撥號功能，按照RS232串行通信標準對MODEM進行控制。MODEM串口通過MAX232芯片實現RS232電平與TTL電平的轉換，轉換后的MODEM串口與U5對應2個端口連接。當溫度超限時，系統將電話線接入MODEM，單片機通過擴展I/O芯片U9輸出控制信號給U5選定MODEM，單片機串口按照MODEM的工作波特率(9 600 b/s)設置后，發出AT命令控制MODEM。AT命令是MODEM可以識別并執行的命令，典型的命令有：ATZ(復位)、ATDT+電話號碼（撥號）、ATH(掛斷電話)等。MODEM執行命令后的返回信息有OK、NO CARRIRIER、BUZY等,對于撥打電話而言,BUZY表明電話線路忙，NO CARRIERIER指示無人接聽。這些返回信息對于判斷MODEM是否正常工作以及電話是否撥通和被接聽都有重要的作用。
1.6 電話信號音檢測控制電路
電話信號音檢測模塊CR6230可以準確識別各種電話信號音，并直接輸出信號識別結果，檢測信號包括有效識別中斷信號SS、撥號音信號PS、回鈴音信號RS、忙音/催掛音信號BS。本系統中電話信號音檢測控制電路如圖5所示。
當溫度超限時，單片機通過擴展I/O芯片U7控制CR6230（U4）的管腳CS=1，清除所有檢測信號，系統引入電話線路，經過電話線路接口芯片CRE3（T1）的電話信號送入CR6230，單片機控制MODEM撥號后，單片機通過擴展I/O芯片U3讀取4個電話信號音檢測信號，識別回鈴音信號是否有效，若無效則重撥或改撥號碼；回鈴音信號有效則等待，當其變為無效時則判斷對方接聽電話，此時還要根據MODEM的返回值來進一步確定是否被接聽。
1.7 液晶顯示模塊
報警系統通過單片機控制液晶顯示模塊OCM4X8C，實現多路溫度測量值的顯示，相關人員固定電話、手機號碼和各監測點溫度上下限值的設置過程以及錄音過程的顯示。
本系統中單片機采用8位并行連接方式，單片機通過RA4、RB5、RB4 3個端口分別實現對OCM4X8C（J13）的指令/數據狀態選擇、讀/寫和使能控制，并通過擴展I/O芯片U21給出一定的指令字或顯示數據完成不同界面的顯示。顯示過程為在傳送命令的狀態下先選擇指令集、清屏，然后指定在資料寫入或讀取時游標的移動方向及顯示的移位、開顯示、設定顯示地址，再進入傳送數據的狀態，根據顯示內容從中文字庫中找出相應的16進制代碼并將其依次傳給液晶顯示器。
1.8 鍵盤控制模塊
報警系統的工作狀態控制、各路溫度上下限值和電話號碼的設置是通過鍵盤輸入完成的。單片機與鍵盤的接口芯片采用INTEL公司生產的通用可編程鍵盤/顯示器接口芯片8279，它可實現對鍵盤的自動掃描，并識別鍵盤上閉合鍵的鍵號，它要求外部時鐘輸入信號的周期不小于500 ns即頻率不大于2 MHz。8279的讀寫有獨立的控制線（RD和WR），可以進行命令的寫入、狀態的讀出以及鍵盤數據的讀出等操作，具體是通過選定在命令狀態（A0=1）下寫入相應的命令字來實現。
2 系統軟件設計
為提高軟件設計效率，本系統單片機控制軟件采用C語言編程，主程序流程如圖6所示。
系統軟件可分為以下4個功能模塊：
(1)系統初始化
系統上電以后，完成對各個組成電路初始狀態、工作模式等參量的設置[5]，并顯示系統初始化界面。
(2)系統設置
系統初始化后進入系統設置界面，用戶可通過按鍵選擇錄音控制、號碼存儲、溫度上下限值設置以及直接進入多路溫度監測和顯示。
(3)多路溫度監測和顯示
按一定的周期采集和顯示多路溫度值，即在每個監測周期內，依次完成8個監測點溫度值的采集，并與相應的溫度限值進行比較和判斷，所有監測點溫度值采集完成后進行顯示。系統進入多路溫度監測和顯示操作以后，可隨時通過按鍵返回系統設置界面。
(4)電話語音報警
當有溫度超限時，立即撥打預先存儲的相關人員的固定電話，判斷電話被接聽后，組織相應的警情信息進行語音報警，若沒撥通或無人接聽則改撥手機，直到報警成功為止。報警成功后返回溫度監測和顯示操作，報警成功的那路溫度監測點則不再報警，等到其恢復到正常范圍后重新使能報警功能。
本文基于單片機遠程監控、語音處理和電話通信技術設計的溫度報警系統，可實現對多點溫度的實時監測，并在某點溫度異常時自動撥打相關人員的電話進行語音報警的功能，具有智能化、使用方便、報警迅速可靠和成本較低等優點，可廣泛應用于商場、辦公室、倉庫等對環境溫度有一定要求的場所。
參考文獻
[1] 劉啟中，李容正，王力生，等. 單片機原理及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2003.
[2] 秦相林，呂海洋. 多路溫度監測自動撥號語音報警系統技術實現[J]. 哈爾濱商業大學學報（自然科學版），2006，22(4)：58-62
[3] 范寒柏，陳旭升，李雪梅. 基于ISD4000系列芯片智能錄放系統設計[J]. 電子技術應用，2007，33(11)：44-49.
[4] 秦相林,李俊玲,呂海洋.多路溫度監測及自動撥號語音報警系統的設計[J]. 哈爾濱商業大學學報（自然科學
版），2007，23(4)：476-480.
[5] 黃銳，王躍科，唐貴林，等.基于PIC單片機的電話自動報警系統[J]. 微計算機信息，1998，14(1)：85-87.