Thiết kế và xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển tự động thông qua mạng điện thoại PSTN

Thiết kế và xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển tự động thông qua mạng điện thoại PSTN

HỒNG QUỐC LIÊN i MỤC LỤC Danh sách hình vẽ iv Danh sách bảng vi Danh sách chữ viết tắt vii MỞ ĐẦU CHƢƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Phân loại thiết bị điều khiển từ xa theo đường truyền .2 1.1.1 Điều khiển từ xa vô tuyến 1.1.2 Điều khiển từ xa hữu tuyến 1.2 Nội dung đề tài 1.2.1 Mục đích báo động tự động .3 1.2.2 Mục đích điều khiển thiết bị, hệ thống điện 1.3 Phương án thiết kế .4 1.3.1 Phương án 1: Sử dụng module điện thoại di động để nhận tín hiệu điều khiển từ điện thoại khác (cố định di động) 1.3.2 Phương án 2: Dùng vi điều khiển với tín hiệu phản hồi phát tiếng nói từ IC thu, phát tiếng nói 1.3.3 Lựa chọn phương án thiết kế CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ TỔNG ĐÀI VÀ MÁY ĐIỆN THOẠI 2.1 Giới thiệu tổng quan tổng đài điện thoại .7 2.1.1 Định nghĩa tổng đài .7 2.1.2 Chức tổng đài 2.1.3 Phân loại tổng đài HOÀNG QUỐC LIÊN ii 2.1.4 Các âm hiệu .9 2.1.5 Trung kế 12 2.2 Giới thiệu tổng quan máy điện thoại 13 2.2.1 Giới thiệu .13 2.2.2 Chức máy điện thoại .14 2.2.3 Các thông số liên quan 15 2.2.4 Nguyên lý thông tin điện thoại 16 2.2.5 Quay số 17 2.2.6 Kết nối thuê bao .18 2.3 Phương thức hoạt động tổng đài máy điện thoại 19 2.3.1 Nguyên tắc hoạt động 19 2.3.2 Qui trình vận hành hệ mạch điện thoại để bàn 21 CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Giới thiệu IC quan trọng 23 3.1.1 Vi điều khiển PIC 23 3.1.2 IC thu phát DTMF MT8880 25 3.1.3 IC thu phát âm ISD1420 38 3.2 Sơ đồ khối hệ thống 45 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 45 3.2.2 Mô tả nhiệm vụ khối 45 3.2.3 Liên hệ khối .47 3.3 Thiết kế phần cứng cho khối hệ thống 48 3.3.1 Khối cảm biến chuông 48 3.3.2 Khối kết nối thuê bao .51 3.3.3 Khối phát tiếng nói 54 HOÀNG QUỐC LIÊN iii 3.3.4 Khối điều khiển thiết bị 58 3.3.5 Khối cảm biến hồng ngoại .59 3.3.6 Khối thu phát tín hiệu DTMF 61 3.4 Thiết kế phần mềm 63 3.4.1 Lưu đồ chương trình 63 3.4.2 Chương trình chờ nhận lệnh điều khiển 64 3.4.3 Chương trình thơng báo trạng thái thiết bị 65 3.4.4 Chương trình khởi tạo MT8880 66 3.4.5 Hai trình Truyền Nhận MT8880 69 3.4.6 Kết 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 Tài liệu tham khảo 73 HOÀNG QUỐC LIÊN iv Danh sách hình vẽ Hình 1-1: Điện thoại di động Ericsson T28 Hình 1-2: Main GSM Module Sim548 với vị trí chân Tx Rx .5 Hình 1-3: Mơ hình ý tưởng hệ thống điều khiển qua mạng điện thoại cố định Hình 2-1: Dạng sóng tín hiệu chng .9 Hình 2-2: Dạng sóng tín hiệu mời quay số 10 Hình 2-3: Dạng sóng tín hiệu báo bận 11 Hình 2-4: Dạng sóng tín hiệu hồi tiếp 11 Hình 2-5: Dạng sóng tín hiệu đảo cực 12 Hình 2-6: Trung kế .12 Hình 2-7: Trung kế CO - line 12 Hình 2-8: Trung kế hai chiều 13 Hình 2-9: Sơ đồ qui trình vận hành điện thoại bàn .21 Hình 3-1: Sơ đồ chân MT8880 loại 20 chân 25 Hình 3-2: Cấu hình đầu vào vi sai 27 Hình 3-3: Mạch Steering 29 Hình 3-4: Hai tín hiệu hình Sin kết hợp thành dạng tín hiệu DTMF Tone số "1" 32 Hình 3-5: Cách kết nối MT8880 với thạch anh 33 Hình 3-6: Hai trình Phát (bên trái) Thu (bên phải) theo lưu đồ giải thuật 37 Hình 3-7: Sơ đồ chân ISD1420 .38 Hình 3-8: Sơ đồ khối chức mạch điều khiển 45 Hình 3-9: Sơ đồ ngun lý khối cảm biến chng .48 Hình 3-10: Sơ đồ nguyên lý khối kết nối thuê bao .51 Hình 3-11: Sơ đồ nguyên lý khối phát tiếng nói hệ thống 54 Hình 3-12: Sơ đồ nguyên lý mạch thu phát tiếng nói 55 HỒNG QUỐC LIÊN v Hình 3-13: Giản đồ q trình thu thơng điệp ISD1420 56 Hình 3-14: Giản đồ trình phát thơng điệp ISD1420 .57 Hình 3-15: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển thiết bị 58 Hình 3-16: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến hồng ngoại .59 Hình 3-17: Sơ đồ nguyên lý khối thu phát tín hiệu DTMF 61 Hình 3-18:Lưu đồ chương trình 63 Hình 3-19: Chương trình chờ nhận lệnh điều khiển tắt mở 64 Hình 3-20: Chương trình thơng báo trạng thái thiết bị 65 Hình 3-21: Chương trình khởi tạo MT8880 66 Hình 3-22: Hai trình phát nhận MT8880 69 Hình 3-23: Dạng tín hiệu DTMF số “1” 71 Hình 3-24: Dạng tín hiệu DTMF số “2” 71 HOÀNG QUỐC LIÊN vi Danh sách bảng Bảng 2-1: Bảng thông số mạch thuê bao điện thoại 16 Bảng 2-2: Phân loại tần số tín hiệu Tone 17 Bảng 2-3: Các tín hiệu thường nghe thấy đường dây điện thoại để bàn .22 Bảng 3-1: Giải thích chức chân MT8880 25 Bảng 3-2: Bảng mã hóa chức .31 Bảng 3-3: Chức ghi nội MT8880 .34 Bảng 3-4: Thanh ghi điều khiển A - CRA MT8880 .34 Bảng 3-5: Thanh ghi điều khiển B - CRB MT8880 35 Bảng 3-6: Chức ghi trạng thái MT8880 .36 Bảng 3-7: Giải thích chức chân ISD1400 40 Bảng 3-8: Các chế độ hoạt động ISD1400 44 HOÀNG QUỐC LIÊN vii Danh sách chữ viết tắt DTMF - Dual Tone Multi Frequence PSTN - Public Switched Telephone Network HOÀNG QUỐC LIÊN vii i HOÀNG QUỐC LIÊN MỞ ĐẦU MỞ ĐẦU Đất nước ta đà phát triển hội nhập với kinh tế giới Bên cạch ngành nơng nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp… ngành cơng nghiệp ngày phát triển mạnh mẽ đóng góp nhiều cho kinh tế đất nước Với phát triển cơng nghiệp thiết bị, máy móc ngày phát triển tinh vi hơn, đại phức tạp đặc biệt thiếu thiết bị điều khiển, giám sát từ xa để giúp cho việc đại hóa, tự động hóa thiết bị máy móc Trong cơng nghiệp, lị phản ứng, nhà máy hay nơi có mức độ nguy hiểm cao mà người tiếp cận điều khiển được, phải cần đến thiết bị điều khiển từ xa giám sát hoạt động hệ thống Trong công nghiên cứu vũ trụ, thiết bị điều khiển từ xa sử dụng phi thuyền không người lái, tàu thám không gian, thiết bị tự hành Các thiết bị điều khiển từ xa không phục vụ cho công nghiệp, quân hay nghiên cứu khoa học mà cịn đóng góp phần nhỏ vào phục vụ cho nhu cầu sống hàng ngày Trong số thiết bị điều khiển từ xa phục vụ cho mục đích dân dụng thiết bị điều khiển thông qua mạng điện thoại công cộng PSTN sử dụng phổ biến tính thuận tiện nhờ vào phát triển rộng khắp mạng điện thoại Chính ứng dụng quan trọng thiết bị điều khiển từ xa qua mạng PSTN mà định chọn đề tài: “Thiết kế xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển tự động thông qua mạng điện thoại PSTN” để thực đồ án tốt nghiệp HỒNG QUỐC LIÊN CHƢƠNG GIỚI THIỆU CHUNG GIỚI THIỆU CHUNG Phân loại thiết bị điều khiển từ xa theo đƣờng truyền 1.1 Để phân loại thiết bị điều kiển từ xa có khác nhiều phương pháp phân loại chưa có tiêu chuẩn cụ thể việc phân loại Tuy nhiên phân loại theo đường truyền tín hiệu giao tiếp thiết bị ta phân chia thiết bị điều khiển từ xa theo hai hướng sau 1.1.1 Điều khiển từ xa vô tuyến Các thiết bị điều khiển thuộc loại thực việc truyền tín hiệu giao tiếp thơng qua mơi trường khơng có dây dẫn Mơi trường truyền chân khơng khơng khí tín hiệu giao tiếp sóng vơ tuyến, sóng âm ánh sáng… Với tín hiệu giao tiếp ánh sáng sóng âm khoảng cách giao tiếp thiết bị tương đối nhỏ, phù hợp với ứng dụng điều khiển gia đình (như điều khiển thiết bị điện gia dụng, TV, tủ lạnh…) Với thiết bị sử dụng tín hiệu sóng vơ tuyến để giao tiếp ta tiến hành điều khiển, giám sát khoảng lớn, phù hợp với u cầu điều khiển cơng nghiệp, quốc phịng hàng không vũ trụ Tuy nhiên thiết bị có giá thành cao khó ứng dụng cho đời sống ngày 1.1.2 Điều khiển từ xa hữu tuyến Với thiết bị dạng ta truyền tín hiệu giao tiếp thông qua môi trường truyền dẫn dây dẫn kim loại phi kim Tín hiệu truyền dẫn chủ yếu tín hiệu điện, số trường hợp tín hiệu quang dẫn dẫn sợi quang Đặc biệt, với dạng điều khiển ta sử dụng đường truyền mạng điện thoại công cộng để tiến hành điều khiển thiết bị từ xa Với ưu điểm phát triển rộng khắp mạng lưới điện thoại phát triển mạnh mẽ thiết bị đầu cuối đến gia đình người sử dụng phương pháp điều khiển thơng qua mạng điện thoại lựa chọn tối ưu giá cả, hiệu khoảng cách điều khiển toán điều khiển thiết bị dân dụng đời sống hàng ngày 59 HOÀNG QUỐC LIÊN 3.3.5 a THIẾT KẾ HỆ THỐNG Khối cảm biến hồng ngoại Sơ đồ nguyên lý VCC R445 220 10K R440 220 R441 100K R443 100K LED PHAT LED THU 10K R444 + LED D1 - 11 R442 U39B CB_TROM LM324 GND Hình 3-16: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến hồng ngoại b Nguyên lý hoạt động Ở sử dụng led phát led thu hồng ngoại Led phát phát tia hồng ngoại, led thu nhận tín hiệu hồng ngoại Bình thường, led thu nhận tín hiệu hồng ngoại điện trở led thu nhỏ, nên V6/LM324 < V5/LM324, ngõ LM324 mức cao (+5V) Khi có vật chắn led phát led thu, đề tài có người qua điện trở led thu lớn nên V6/LM324 > V5/LM324, ngõ LM324 mức thấp (0V) Đồng thời, led D1 sáng có trộm (vì ngõ mức thấp) Tóm lại, ngõ mức thấp tác động vào chân vi điều khiển khối trung tâm nhận biết tín hiệu báo có trộm Chân CB_TROM nối vào chân ngắt vi điều khiển Khi khối cảm biến hồng ngoại phát trộm, mạch nhận tín hiệu báo động gọi điện đến thuê bao lập trình HOÀNG QUỐC LIÊN c 60 THIẾT KẾ HỆ THỐNG Tính tốn thơng số mạch Khi thu ánh sáng Rledthu=1kΩ, không thu ánh sáng Rledthu= 12kΩ nên chọn 1kΩ CRB RC6 = 0; // /CS delay_us (100); // -RC6 = 1; set_tris_c(0b00001111); PORTC = 0x30; //// Đọc ghi trạng thái RC6 = 0; // /CS delay_us (100); RC6 = 1; } /*########### Chương trình cài đặt MT8880 /*########### void setup8880 (void) { RC6 = 1; set_tris_c(0b00000000); PORTC = 0x2d; /*0010 1101=>CRA:Select CRB, ̅̅̅̅̅ , DTMF, Tone Out)*/ RC6 = 0; // /CS delay_us (100); // -RC6 = 1; PORTC = 0x20; //0010 0000 => CRB RC6 = 0; // /CS delay_us (100); // -RC6 = 1; set_tris_c(0b00001111); PORTC = 0x30; RC6 = 0; // /CS delay_us (100); RC6 = 1; } 69 HOÀNG QUỐC LIÊN 3.4.5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hai trình Truyền Nhận MT8880 BEGIN BEGIN Đọc ghi trạng thái Đọc ghi trạng thái Sai Sai b1 = 1? b2 = 1? Đúng Đúng Truyền số ghi liệu phát Đọc số từ ghi liệu thu END END Hình 3-22: Hai trình phát nhận MT8880  Chƣơng trình truyền nhận tín hiệu DTMF /*########### Chương trình truyền tín hiệu DTMF /*########### void transmit (int Number) { RC6 = 1; set_tris_c(0b00000000); PORTC = Number; /* Viết vào ghi truyền, phát số Number */ delay_ms (100); RC6 = 0; // /CS, Tích cực âm, chọn IC MT8880 delay_us (100); // -do { RC6 = 1; set_tris_c(0b00001111); PORTC = 0x30; HOÀNG QUỐC LIÊN 70 THIẾT KẾ HỆ THỐNG delay_us (200); RC6 = 0; // /Tích cực âm IC MT8880 delay_us (100); } while (RC1 == 0); /* Chờ b1=1, xác nhận truyền xong*/ RC6 = 1; // Ngưng chọn IC MT8880 } /*########### Chương trình nhận tín hiệu DTMF /*########### void receive (void) { int temp; //Vòng lặp kiểm tra b2 ghi trạng thái { RC6 = 1; set_tris_c(0b00001111); PORTC = 0x30; delay_us (200); RC6 = 0; // /Tích cực âm IC MT8880 delay_us (100); } while (RC2 == 0); /* Chờ b2=1, xác nhận nhận tín hiệu DTMF*/ RC6 = 1; set_tris_c(0b00001111); RC5 = 0; /* RS0 = => Chọn ghi truyền, nhận */ RC4 = 1; /* R/W =1 => Truyền lệnh đọc đến ghi nhận*/ delay_us (100); RC6 = 0; ///CS = delay_us (100); temp = PORTC & 0x0f; /* Lưu số nhận vào biến temp, lấy LSB */ RC6 = 1; } HOÀNG QUỐC LIÊN 3.4.6 71 THIẾT KẾ HỆ THỐNG Kết Sau lắp đặt mạch, tiến hành đo khảo sát tín hiệu DTMF đầu hệ thống Kết đo dao động kí thể Hình 3-23 Hình 3-24 Đây kết đo tiến hành phát tín hiệu số “1” “2” từ hệ thống để đưa lên đường dây điện thoại Từ kết đo, ta kết luận hệ thống phát tín hiệu DTMF tín hiệu hồn tồn theo mơ tả IC MT8880 tiêu chuẩn quay số tổng đài Hình 3-23: Dạng tín hiệu DTMF số “1” Hình 3-24: Dạng tín hiệu DTMF số “2” HOÀNG QUỐC LIÊN 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau hai tháng thực đề tài nghiên cứu, tìm hiểu thiết kế tương đối hồn thiện hệ thống điều khiển tự động thông qua mạng điện thoại Các sơ đồ nguyên lý khối hệ thống đưa cách cụ thể thông số hoạt động thành phần hệ thống tính tốn rõ ràng để từ tiến hành thi cơng mạch điện thực tế Các kết đo sau lắp đặt mạch điện hệ thống chứng tỏ hệ thống vận hành khối thu phát tín hiệu DTMF số khối điều khiển khác Khối phát tiếng nói hoạt động tốt, đáp ứng yêu cầu mạch đặt báo cáo trạng thái thiết bị cho người điều khiển biết Với khối phát nhận tín hiệu DTMF, thơng qua kết đo dao động ký ta thấy tín hiệu phát theo mô tả, không bị nhiễu hay méo dạng tín hiệu Tuy nhiên, thời gian gấp rút nên đồ án số điểm chưa hoàn thiện theo yêu cầu đặt ban đầu Cụ thể hệ thống chưa thể truyền tín hiệu DTMF lên đường dây điện thoại mà nguyên nhân mạch điện giao tiếp hệ thống với đường dây chưa thiết kế Đây điểm cần phải hồn thiện đồ án cịn tiếp tục phát triển sau Trong tương lai, có thời gian tơi tiếp tục phát triển hệ thống theo số hướng sau:  Khắc phục triệt để nhiễu, thiết kế lại bảng mạch in cho mạch hệ thống để đảm bảo cho hệ thống chạy ổn định  Thay đổi IC chuyên dùng phát âm với thời gian lớn hơn, ISD4004 (8 phút) phép đưa số thông báo dài người sử dụng  Nâng cấp hệ thống để giao tiếp với máy tính, giúp cho người sử dụng điều khiển cách linh hoạt  Thay đổi chương trình điểu khiển phép lưu mã bảo vệ vào EEPROM, giúp cho người dùng dễ dàng thay đổi mật khẩu, nâng cao tính bảo mật cho tồn hệ thống 73 HỒNG QUỐC LIÊN Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo [1] Quách Tuấn Ngọc (2003), “Ngơn ngữ lập trình C++”, Nxb Thống kê [2] Ngô Diên Tập (2004), “Vi xử lý đo lường điều khiển”, Nxb Khoa học Kỹ thuật [3] Lê Văn Thảnh (1996), “Nguyên lý Tổng đài điện tử”, Trung tâm đào tạo Bưu viễn thơng II [4] “Thiết bị đầu cuối thông tin” – Tổng cục bưu điện [5] F H Mitchell (1988), “Introduction To Electronics Design”, Nxb Printice Hall [6] Tocci (1994), “Digitall System”, Nxb Printice Hall [7] Whitham D.Reeve (1995), “Subscriber Loop Signaling & Transmission Handbook: Digital”, Nxb IEEE Press [8] Http://www.Microchip.com [Trang chủ VĐK PIC] [9] Http://www.ISD.com [Trang chủ IC ISD1420] [10] Http://www.MT.com [Trang chủ IC MT8880] [11] Http://www.Wikipedia.org [Bách Khoa Toàn Thư Mở] [12] Http://www.PicVietNam.com [Diễn đàn cộng đồng PIC VN] [13] Http://www.DienTuVietNam.net [Diễn đàn điện tử VN] ... thoại Chính ứng dụng quan trọng thiết bị điều khiển từ xa qua mạng PSTN mà định chọn đề tài: ? ?Thiết kế xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển tự động thông qua mạng điện thoại PSTN? ?? để thực đồ án... kế xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển tự động thông qua mạng điện thoại PSTN? ?? Nhấn “*” để chọn tắt Nhấn “1” để tắt đèn Hình 1-3: Mơ hình ý tưởng hệ thống điều khiển qua mạng điện thoại cố... đích điều khiển thiết bị, hệ thống điện Để điều khiển thiết bị, người điều khiển phải gọi đến số máy điện thoại lắp đặt thiết bị điều khiển Điện thoại gọi mắc song song thiết bị điều khiển vào