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基于DTMF嵌入式远程控制的污染源在线自动监控系统

时间:2008-12-29 11:14:00  作者:  来源:ic72  浏览人数:5516
 
 

      1 引 言

      环境保护是我国一项基本国策,监测企事业单位排污,综合治理污染,已受到国家环保部门的高度重视。目前,污水监测设备自动化程度低,监测数据可操作性差,排污实时性随机监测功能较弱,这对实现污水排放总量控制和排污征费带来困难。

      本文提出了一种基于DTMF嵌入式远程控制的污染源在线自动监控系统的设计方案,其中数据传输是该设计方案的一个重点问题。通常,较可靠的远程数据传输是基于电话网的Modem通信、基于Internet的有线通信、基于GSM或GPRS的无线通信等。这些通信方式各有其优点及应用领域,但在通信数据量不大、码元速率要求不高的污染源在线自动监控系统中,基于电话网的DTMF双音多频通信则是最佳解决方案。此方案是以微处理器为核心,DTMF收发器为传输器件,电话线路作为传输链路,实现对污染源现场设备相关过程的集中监控和远程管理。

      2 系统概述

      在线自动监控系统分为污水排放监控点和监控中心,可自动监控污水排放数据,掌握企业污水排放瞬时流量和累积流量。现场监控数据自动传输到环保局监控中心,由监控中心进行数据汇总、整理、综合分析,从而监督管理污染源企业。本系统硬件由监控终端流量传感器、下位机系统、数据传输系统和数据监控中心上位机系统组成。其系统组成框图如图1所示。

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      考虑到电路简单、可靠,系统的上位机、下位机需同时接收和发送DTMF信号,因此选用集编码、解码于一体的MT8880,其功能强、功耗低、工作稳定可靠,可直接与单片机接口。控制单元则选用STC89C52,与MCS-51单片机产品兼容,内部资源丰富,片内自带EEPROM、看门狗及双数据指针等,大大简化硬件电路。串行通信接口器件选MAX232,它是单片机与PC机之间完成TTL电平到RS-232C电平转换的接口器件。A/D转换器选用通用的ADC0804。

      系统工作原理为:当远程传输传感器上的信号时,首先经ADC0804将模拟信号转换为数字信号送至单片机STC89C52.由单片机STC89C52对其编码处理,处理后的二进制数据送至DTMF编码器MT8880,MT8880将其转换为DTMF信号经放大后传输到电话线,经交换机后再送到DTMF解码器MT8880,MT8880对其解码后还原成数字信号再传送至STC89C52,经MAX232电平转换送至监控中心。监控中心发送数据与传感器发送数据大致相似,只是器件的排列顺序和各个器件内部程序有所不同。

      3硬件设计

      3.1双音多频编解码电路

      双音多频(DTMF)是采用两个频率(一个行频和一个列频)表示电话机键盘的一个数字。本质上就是将一串键盘的输人数字转换成为一串适当连续时间的音频信号对儿。双音多频编码电路将按键编码或BCD码转换成正弦低频群和正弦高频群的混合双音频信号,通过电话通信网络的传输介质以模拟方式传送;解码电路则是对混合双音频信号滤波后译码,将其恢复成BCD码,实现数据远程传输。本文是基于DTMF MT8880的收发电路,以单片机STC89C52及其外围电路为测控单元,监控中心为上位机系统,采用电话网实现远程传输。

      双音多频编解码电路核心是DTMF MT8880。Mitel公司生产的MT8880具有DTMF数据收发与信号音判断功能。MT8880是一款功能较强的DTMF发送与接收器件,它具有完整的DTMF发送或接收功能;接收信号音和带通滤波功能;可直接与微处理器接口。

      3.2硬件电路的实现

      基于电话网的DTMF双音多频信号传输系统是一个由单片机STC89C52为中央处理单元的控制系统,而MT8880是整个系统的核心器件,实现数据的输入、输出以及管理。数据传输系统构成原理图如图2所示,其主要单元电路有DTMF收发电路、信号音判断电路、振铃检测电路、模拟摘挂机电路及电话线接口电路等。数据线(D)、信号线(S)和控制线(C)均由单片机控制,数据接口与单片机相连。

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      3.2.1 DTMF双音多频信号收发电路

      当振铃检测电路检测到振铃信号后,向单片机发出INT0中断请求,单片机响应中断后进行相应处理并同时发出控制信号CK1,继电器切换到摘机状态,通讯线路中的信号通过MT8880的IN引脚被接收。在MT8880内部经过运算放大,滤除信号中的拨号音频率,然后发送到双音频滤波器,分离出低频组和高频组信号,通过数字计数的方式检测DTMF信号频率,并且通过译码器译成4位二进制码。MT8880接收信号的同时产生接收中断,向单片机发出INT1中断请求,单片机响应中断后读取MT8880的D0~D3端口数据。

      发送信息时,单片机首先发出控制信号CK1进行摘机,然后启动MT8880中断发送功能发送中断。当MT8880作为发送器时,数据总线上D0~D34位二进制码锁存发送数据寄存器,发送的DTMF信号频率由3.58 MHz的晶体振荡器分频产生。分频器首先从基准频率分离出8个不同频率的正弦波,行列计数器根据发送数据寄存器中的数据,以八取二方式分离出高频信号和低频信号,经开关电容做D/A转换,在加法器中合成DTMF信号,并从TONE端口输出。其电路如图3所示。

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      3.2.2信号音判断电路

      单片机控制MT8880的摘机和呼叫转移,预先要检测有信号才能启动。因为整个通信过程是在电话线上完成的,所以此过程存在对拨号音、振铃音、回铃音、忙音判断问题。MT8880有6种工作模式,其中呼叫处理(CALL)模式实现信号音的判断。判断信号音时,首先向控制寄存器写入相应控制字,将MT8880设置为信号音判断模式,再启动T1计数器对IRQ端输出的信号进行计数。拨号音为450 Hz的连续信号,振铃音为0.35 s通0.35 s断,回铃音为1 s通4 s断。则如果计数值大于1792为拨号音,1 024~1 791为振铃音,256~1 023为回铃音,小于255则无信号音。

      3.2.3电话线接口电路

      电话线接口电路即MT8880与电话机的通路,其电路如图4所示。

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      发送DTMF通路是MT8880的输出端TONE,经放大器LM324放大后,再经耦合线圈送至电话线,可得到峰值为1 V的双音频信号。MT8880接收呼叫过程的各种信号音以及16种双音频信号。接收信号音和DTMF信号共用同一通道,且MT8880不能同时接收DTMF信号和信号音,需分时复用。信号音与DTMF信号经耦合线圈,再经电解电容C4和电阻R4将电话线上的信号传输至MT8880的输入端IN-,改变电阻R3则改变增益。MT8880接收与发送的DTMF信号是由模拟摘机电路耦合而成。

      3.2.4振铃检测、模拟摘挂机电路

      振铃检测、模拟摘挂机电路如图5所示。挂机状态时,隔直电容C11滤除-48 V直流馈电。当有电话呼入时,25 Hz、90 V±15 V振铃信号经限流电阻R11后使光电耦合器输出脉冲信号。通过V1 9013整流后送入STC89C52计数。当计数达到设定次数,STC89C52控制输出高电平(低电平)使三极管导通(截止),从而继电器吸合(断开),完成模拟摘(挂)机。试验发现P1.0驱动能力不足,应加入反向器74LS04。其中R15和LED1构成振铃指示灯,R17和LED2构成摘机、挂机指示灯。

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      4软件设计

      远程控制时,甲方数据传输系统模拟摘机,收到拨号音后拨通乙方数据传输系统所接线路的电话号码,若收到的是忙音,则系统挂机等待片刻后再次摘机拨号,直至收到回铃音;乙方收到5次振铃后,其数据传输系统模拟摘机,接通双方线路;甲方收到对方发出的提示信号后,发一组控制操作码,由DTMF收发模块通过电话线传给乙方,经乙方的DTMF收发模块解码出二进制码后,传给乙方单片机,完成甲方要求的操作,操作完成后向甲方发回结束信号,甲方主机将乙方回送的数据传给甲方主机保存处理后,向乙方发第二组控制操作码或结束信号,双方挂机,完成一次测控或数据采集。软件完成各种信号音的检测判断、控制码判断、数据采集运算及与主从机的通讯等。

      5 结束语

      本系统采用通用元器件,可降低成本,利于产品化。MT8880集DTMF信号的收发功能于一体,实现DTMF信号的编码、解码和数据传输,大大简化了系统设计,采用简单而廉价的DTMF方式进行数据采集远程传输,可广泛应用于遥控、遥测领域。系统适应性、扩展性、移植性很强,还可应用于智能家居安防系统、远程自动抄表系统等领域;可通过传感器的选择扩展应用于如液位、温度、设备开停状态、PH值、COD、NH3、SO2、H2S等参数的环境监测。

      污染源在线自动监控系统极大地方便现场监控与运行管理,具有功能灵活、自动化程度高、运行稳定可靠等优点,有效降低污染企业偷排、漏排等现象的发生,是强化环境监督,提高监测水平,实现对污染物排放科学化、量化管理的有效方式。

 
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