Khi người điều khiển từ xa gọi số máy của điện thoại ở nơi cần điều khiển thì tổng đài cấp tín hiệu chuơng cho thuê bao nếu thuê bao đĩ khơng bận. Mạch điều khiển được mắc song song vào đường dây của thuê bao. Lúc này, khối cảm biến chuơng phát hiện tín hiệu này và ngõ ra thay đổi mức logic từ cao xuống thấp. Sự thay đổi mức logic này tác động vào bộ dị tín hiệu chuơng. Sau 1 khoản thời gian nhất định (khoản 4 hồi chuơng) khối vi điều khiển sẽ tác động vào khối kết nối thuê bao. Khối kết nối thuê bao sẽ đĩng tải giả vào đường dây điện thoại. Lúc này tổng đài ngưng cấp tín hiệu chuơng và kết nốithơng thoại cho 2 thuê bao.
Khi đã thơng thoại, người điều khiển nhấn đúng mã password thì hệ thống sẽ sẵn sàng nhận lệnh điều khiển. Nếu nhấn sai mã password thì khối tạo âm hiệu sẽ phát ra âm hiệu mã password bị sai. Sau khi người điều khiển bấm đúng mật mã, người điều khiển sẽ bấm mã chọn thiết bị muốn điều khiển. Lúc này khối nhận và giải mã DTMF sẽ giải mã số bấm thành mã nhị phân 4 bit gởi vào khối xử lý trung tâm. Khối xử lý nhận mã thiết bị, đọc cơ sở dữ liệu của thiết bị đĩ và điều khiển khối báo tiếng nĩi để báo trạng thái hiện thời của thiết bị nhằm mục đích cho người điều khiển biết được trạng thái của thiết bị. Khi biết được trạng thái của thiết bị người điều khiển sẽ nhấn lệnh tắt – mở từng thiết bị . Việc nhận dạng phím nào bị nhấn được khối giải mã DTMF quyết định. Khi người điều khiển nhấn 1 phím, một cặp tần số DTMF truyền trên đường dây điện thoại. Tần số này nằm trên dãy thơng của tín hiệu thoại, một tần số cao và một tần số thấp nên khơng thể trùng lấp với tín hiệu người nĩi. Khi giải mã DTMF và hiển thị số được nhấn, 4 bit được giải mã đưa vào khối xử lý trung tâm để xử lí.
Khi khơng nhấn phím (tức là khơng cịn tín hiệu điều khiển), Sau 1 khoản thời gian qui định (30s) khối kết nối thuê bao thực hiện việc giải tỏa thuê bao. Người điều khiển cĩ thể gác máy bất cứ lúc nào muốn ngừng điều khiển, mạch sẽ tự động ngắt kết nối để giải tỏa thuê bao.
3.3:THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3.3.1. Khối nguồn
Chức năng: tạo ra nguồn đối xứng ±12V cấp cho mạch khuếch đại TL084 hoạt động. Tạo điện thế nguồn ổn định ở +5V cấp cho các IC hoạt động: MT8870, AT89C51, ISD 1420, khối cảm biến, khối điều khiển, khối hiển thị…
Hình 3.2: Sơ đồ khối nguồn Nguyên lý hoạt động
Cấp nguồn 220VAC qua biến thế ta lấy ra thứ cấp 15VAC cho qua cầu diode chỉnh lưu thành nguồn DC. Với ngõ ra dương của cầu diode được đưa vào ngõ vào Vin của LM7812 để cho ra nguồn +12VDC ổn định và ngõ ra âm của cầu diode được đưa vào ngõ vào Vin của LM7912 để cho ra nguồn -12VDC ổn định. Với chân mass chung kết hợp ngõ ra của LM7812 và LM7912 ta cĩ nguồn đối xứng ±12VDC , tụ C1, C6 để lọc thành phần gợn sĩng, tụ C22, C23 để bù giúp ổn định điện áp tránh sụt áp tụ C8, C19,C25,C24 lọc nhiễu tần số cao.
Đầu ra của LM7812 được cấp vào chân 1 Vin của IC ổn áp LM7805 và điện thế ngõ ra chân 3 Vout ổn định ở +5V nhờ cĩ tụ C20 lọc nguồn và tụ C27 lọc nhiễu. Tính tốn và thiết kế:
Tụ C1 = C6 = 2200 µF/ 50V, C22 = C23=C20 =10µF/25V bù và lọc nguồn. Tụ C8 = C19 = C24=C25 =C27= 104 pF lọc nhiễu.
IC ổn áp: LM7812, LM7912. Cầu diodde 1A.
R31 =R23 = 10 K Ω. R24=220Ω
3.3.2 KHỐI CẢM BIẾN CHUƠNG:
Hình 3.3: Sơ đồ khối cảm biến chuơng
Nguyên lý hoạt động:
Khi tổng đài cấp tín hiệu chuơng cho thuê bao. Tín hiệu chuơng cĩ các thơng số 75Vrms đến 90 Vrms, f = 25 Hz, 2 giây cĩ 4 giây khơng. Tín hiệu này qua tụ C13, tụ C13 cĩ nhiệm vụ ngăn dịng DC chỉ cho tín hiệu chuơng đi qua. Đồng thời, C13 tạo ra sụt áp AC làm giảm biên độ tín hiệu chuơng. Sau đĩ tín hiệu chuơng qua cầu diode để chỉnh lưu tồn kỳ. Mục đích của cầu diode khơng những là tạo ngõ ra của cầu diode tín hiệu điện áp cĩ cực tính nhất định mà cịn tăng đơi tần số gợn sĩng, nhấp nhơ của tín hiệu,như vậy tần số gợn sĩng sau khi qua cầu diode là 50Hz. Khi tần số lớn hơn thì việc triệt tiêu độ nhấp nhơ của tín hiệu dễ hơn. Tụ C15 dùng lọc bớt độ nhấp nhơ này. Tín hiệu đi qua diode zener qua R3 phân cực thuận cho diode opto. Dz cĩ tác dụng chống nhiễu, nếu nhiễu cĩ mức điện áp nhỏ hơn điện áp ngưỡng Vz thì D5 khơng dẫn, khơng cấp dịng cho diode phát quang của opto.
Khi diode opto phân cực thuận, diode này sẽ phát quang kích vào cực B của transistor cĩ cực C được nối điện trở lên nguồn +5V thơng qua điện trở R18 phân cực cho transistor. Khi cĩ tín hiệu chuơng transistor dẫn bảo hịa tạo ngõ ra tại cực C mức logic thấp. Khi khơng cĩ tín hiệu chuơng transistor ngưng dẫn tạo mức logic cao ở cực C
Tĩm lại khi cĩ tín hiệu chuơng, mạch này cho ra là mức logic 0, khi khơng cĩ tín hiệu chuơng thì mạch này cho ra là mức logic 1. Ngồi ra khi thơng thoại, các tín hiệu thoại khác cĩ biên độ nhỏ nên khơng đủ tác động đến mạch, như vậy mạch sẽ khơng ảnh hưởng đến các tín hiệu khác ngoại trừ tín hiệu chuơng.
Chú ý: opto dùng để cách ly điện áp của tín hiệu chuơng, chuyển đổi chúng thành mức logic phù hợp cho vi điều khiển.
Thiết kế và tính tốn:
Tín hiệu chuơng của tổng đài cấp cho thuê bao cĩ điện áp hiệu dụng khoảng 75Vrms đến 90Vrms. Mỗi khi đi xa tín hiệu lại bị suy giảm do diện trở của đường dây truyền tải .Nên ở đây ta chọn điện áp của tín hiệu chuơng là 75 VRMS và cĩ tần số theo đúng tiêu chuẩn là 25HZ
Chọn dịng qua Opto là IOpto = 4mA, sụt áp trên led Opto khoảng 1,2V. Điện áp chịu đựng của C13 phải chọn sao cho lớn hơn 2 lần điện áp của tín hiệu chuơng.
Do đĩ chọn C13 là tụ khơng cực tính cĩ thơng số C13 =0,47 uF/250V
Ở tần số của tín hiệu chuơng tụ C13 cĩ trở kháng. Chọn dịng qua R2 là 5mA. Như vậy điện áp trên tụ C13 là:
VC13 = ZC13.I0
Suy ra:VC13=ZC13.I0=13,6kΩ.5mA=68V Chọn điện áp tín hiệu chuơng là 90 Vrms Điện áp qua cầu diot là:
Vcầu= 90-VC13-VD=90-68-1.4=20,6 V Chọn zener cĩ Vz=5.1 V Tính R2: R2 = =3,1kΩ Chọn R2 =2,2kΩ Tính R3: R3 = =97.5 Ω Chọn R3= 100 Ω
Chọn dịng qua led là 10mA, sụt áp trên led là 2V Giá trị của R18 là:
=300 Ω Chọn R18 = 330 Ω
Tụ C15là tụ lọc cầu diot chọn tụ cĩ giá trị là 10µF/50V Ta chọn opto là PC817 cĩ các thơng số:
-IF = 10mA (dịng điện qua diode bên trong opto coupler) -VCEO = 30V
-Hệ số truyền đạt 100%.
-Mạch điện ngõ ra dùng transistor -Hiệu điện thế cách điện VDC = 3350V
-Điện thế của diode bên trong optron là 1,5V tại IF = 10mA -VCE = 0,3V tại ngõ ra là IC=5mA
Các thơng số mạch đã được tính tốn : C1 = 0,47uF/250V,
C15 = 10uF/50V
R3 =220Ω, R18 = 330 Ω, R2=2,2kΩ Diode zener cĩ Vz = 5.1V.
3.3.3 KHỐI TẠO TẢI GIẢ
Sơ đồ nguyên lý:
Hình 3.4: Sơ đồ khối tạo tải giả
Nguyên lý hoạt động:
Diode cầu được mắc song song vào 2 đường dây điện thoại. Trên đường dây này khơng những cĩ tín hiệu âm thoại AC mà cịn cĩ hiệu điện thế DC, do đĩ diode cầu này khơng cĩ chức năng chỉnh lưu mà cĩ tác dụng chống đảo cực. Khi
khĩa K1 đĩng xuất hiện dịng chảy qua diode cầu, nhưng chỉ cĩ 2 diode được phân cực thuận nên dẫn. Cịn 2 diode kia bị phân cực nghịch nên khơng dẫn và chỉ dẫn khi tổng đài cĩ cấp dịng điện đảo cực (phục vụ cho việc tính cước điện thoại) hay mắc lộn dây Tip và Ring.
Thiết kế và tính tốn:
• Thiết kế mạch đĩng ngắt Relay:
Cĩ nhiều loại Relay ở đây ta chọn Relay cĩ điện áp là 5V và điện trở danh định 100 nhìn vào mạch trên ta thấy rằng nếu làm cho transistor dẫn bảo hồ thì sẽ tạo dịng điện từ nguồn 5V qua Relay về mass làm cho Relay hoạt động. Khi trasistor ở trạng thái tắt thì lập tức ngắt dịng qua mạch cuả relay làm cho relay tắt.
Chọn là C2383 cĩ các thơng số: PCmax = 500mW ICmax = 1A β = 60 ÷ 230 Để Q1 dẫn bảo hồ thì : *IC/Q1 ≥ IC/Q1 Mà IB/Q1 = (VĐK RELAY – VBE/Q1)/R4 (1) IC/Q1 = VDD/RRELAY (2) (1) (2)⇒ *(VĐKRELAY – VBE)/R4 ≥ VDD/RRELAY R4≤ DD RELAY BE DKRELAY V R V V )* ( * − β R4 ≤ V V V 5 100 * ) 7 , 0 5 , 3 ( * 60 − Ω R4 ≤ 1250 Do đĩ ta chọn R4 = 1K
Hình 3.5: Khối tạo tải giả
Khối tạo trở kháng giống như 1 thuê bao nhấc máy gồm T2, C17, R7 và C18 được mắc như hình vẽ tạo thành 1 nguồn dịng để lấy dịng đổ vào mạch giống như của một thuê bao của bưu điện. T2 cĩ nhiệm vụ thay thế một thuê bao trên lĩnh vực trở kháng. Điện trở DC của một máy điện thoại là ≤ 300 , điện trở xoay chiều tại tần số f = 1 KHz là 700 ± 30%. Tổng trở vào của mạch này phải phù hợp các thơng số trên, tụ C18 nhằm lọc xoay chiều. Nên về mặt xoay chiều T2 xem như hở mạch. Tín hiệu AC khơng ảnh hưởng đến trở kháng.
DC của mạch. Tụ C17 cĩ nhiệm vụ cách ly DC chỉ cho tín hiệu âm tần đi qua, tín hiệu âm tần này được tải qua biến áp suất âm. Cuộn sơ của biến áp này được mắc làm tải của tầng khuếch đại cơng suất âm tần.
Dịng thơng thoại của tổng đài cấp đến mạch cĩ dịng từ 20mA đến 100mA Điện trở vịng qua mạch tác giả khoảng 150 ÷1500.
Ta chọn : β= 60
Dịng DC của tổng đài cấp : IDC = 20mA÷80mA Chọn tổng trở DC của tải là 6V
Điện áp do sụp áp của cầu diode là 1.4V Chọn VCE =0.2V
R6 = mA V V V 20 2 , 0 4 , 1 6 − − = 220Ω ⇒ Dịng IB = βC I = βDC I = 60 20mA = 0,333mA R7= K mA mA V V I R I V V B DC 7,2 333 , 0 220 . 20 4 . 1 6 6 . 4 . 1 6 = Ω − − = − − Chọn R7 = 10K
Tụ C18 triệt tiêu tín hiệu thoại được sao cho : ZC18 << R6 (1)
Với W = 2πf , f = 300Hz là tần số thấp nhất của tín hiệu thoại thay vào (1) ta được : C18 >> 6 . . 2 1 R f β π = 2.3,14.300.60.220 1 = 4.2µF Chọn C18 = 10µF/50V
Tụ C5 cĩ tác dụng ngăn DC, chỉ cho tín hiệu thoại đi qua nên nĩ phải cĩ trở kháng thoả điều kiện :
ZC17 = 1/C17 = 1/(2ÐfminC5) ≤ (1/10)RAC = (1/10)600 C17 ≥ 8.846µF
Do đĩ cĩ thể chọn C17 = 10µF/50V
Các thơng số mạch đã được tính tốn sau: T2 là transistor C2383
R7 = 10K, R6 = 220 C18 = C17= 10 µF/50V
3.3.4 KHỐI NHẬN VÀ GIẢI MÃ DTMF :
Sơ đồ nguyên lý :
Hình 3.6: Sơ đồ khối nhận và giải mã DTMF
Điện áp tại ngõ vào ST/GT gọi là điện thế VC. Ban đầu cặp tần số của mã tone được qua bộ lọc tần số (dial tone filter). Bộ này sẽ tách tín hiệu thành hai nhĩm. Một nhĩm tần số thấp, một nhĩm tần số cao. Việc này thực hiện được nhờ bộ lọc thơng dãy bậc 6. Nhĩm thứ nhất sẽ lọc thơng dãy tần số từ 697HZ đến 941Hz và nhĩm thứ hai sẽ lọc thơng dãy tần số từ 1209 HZ đến 1633 HZ. Hai nhĩm tín hiệu này được biến đổi thành xung vuơng bởi bộ dị Zero crossing. Sau khi cĩ được xung vuơng, xung này được xác định tần số và kiểm tra chúng cĩ tương ứng với cặp tần số chuẩn DTMF hay khơng nhờ thuật tốn trung bình phức hợp (complex averaging). Nhờ kỹ thuật này mà mạch sẽ bảo vệ được các tone gây ra từ tín hiệu bên ngịai mà tín hiệu này làm cho sai lệch tần số nhỏ. Khi bộ dị cũng nhận đủ cĩ hai tone thích hợp thì ngõ ra EST sẽ lên mức cao. EST lên mức cao sẽ làm cho VC tăng đến ngưỡng nào đĩ mà lớn hơn VTST thì sẽ tác động vào ngõ ST/GT làm cặp tone được ghi nhận. Lúc này điện thế tại VC tiếp tục tăng lên. Sau một thời gian trễ nhất định thì ngõ ra STD sẽ chuyển lên mức cao. Lúc này cặp tone đã được ghi nhận và sẵn sàng truy xuất ở ngõ ra nếu ngõ TOE ở mức tích cực cao thì 4 bit mã đã giải mã được sẽ truy xuất ra bên ngồi. Sau một thời gian chuyển trạng thái lên mức cao ngõ STD sẽ chuyển xuống mức thấp và VC giảm xuống, khi VC <VTST thì sẽ điều khiển thanh ghi dị cặp tone mới.
Như vậy khi xuất hiện 1 cặp tần số tone trên đường dây, qua tụ C5 đưa vào ngõ vào IN − thì ngõ ra sẽ xuất hiện dạng nhị phân 4 bit tương ứng.
Các thơng số của MT 8870 do nhà sản xuất hướng dẫn. Các giá trị điện trở, tụ điện, thời gian an tồn, bảo vệ được nhà sản xuất đưa ra:
R13 =R14=100K ±1% R15 =330K ±1%
Xtal =3,579545 MHZ ± 0,1%
Các thơng số kỹ thuật của mạch nhận và giải mã DTMF: IOL =2,5mA
VCC =+5V
IDD =3mA, dịng nguồn cung cấp P =15mW
3.3.5 KHỐI PHÁT TIẾNG NĨI:
Sơ đồ nguyên lý:
Hình 3.7: Sơ đồ khối phát tiếng nĩi
Mạch phát tiếng nĩi dùng IC ISD1420 là IC chuyên dùng cho việc ghi và phát tiếng nĩi và được kết nối trực tiếp với vi điều khiển thơng qua chân port của vi điều khiển các điện trở và tụ điện được mắc bên ngồi theo đề nghị của nhà sản xuất. Ngõ ra âm thanh được phát lên line nhờ một relay đĩng ngắt khi âm thanh được phát ra .Tiếng nĩi được sử dụng cho muc đích của thiết kế này đã được nạp sẵn bên trong IC. Để phát ra một đoạn âm thanh ta cần cung cấp địa chỉ đầu vùng nhớ lưu trữ đoạn âm thanh này tiếp theo tạo một sự thay đổi từ mức cao xuống mức thấp ở chân PLAYE, dấu hiệu kết thúc của đoạn âm thanh này được thể hiện ở chân RECLED. Vi điều khiển sẽ nhận dấu hiệu này cho sự kết thúc của đoạn âm thanh cần phát.
CÁC CÂU THƠNG BÁO ĐƯỢC LƯU BÊN TRONG ISD 1420 Địa chỉ các câu thơng báo trong IC ISD 1420
TT câu
Câu ghi âm Thời gian A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 Đăng nhập thành cơng 1s 0 0 1 0 0 0 0 0 2 Thiết bị 1s 0 0 1 0 1 0 0 0 3 Đã mở 1s 0 0 1 1 0 0 0 0 4 Đã tắt 1s 0 0 1 1 1 0 0 0 5 Sai nhập lại 1s 0 1 0 0 0 0 0 0 6 Mời bạn nhập password 1s 0 1 0 0 1 0 0 0
Bảng 3.1: Địa chỉ các câu nĩi lưu trong isd 1420
Cách tính địa chỉ câu nĩi lưu trong IC ISD 1420:
Độ phân giải của ISD1420 là 125ms, cĩ 160 đoạn, thời gian chứa câu nĩi là : 160x125ms= 20000ms= 20s
Ta cĩ thể chia địa chỉ cho ISD 1420 như sau:
Muốn định địa chỉ tại giây thứ T0 thì xuất địa chỉ trên chân A0…A7 như sau: T0/125
Ví dụ tại giây thứ 5: 5s = 5000ms→5000/125 = 40 = 101000b →A7A6A5A4A3AA2A1A0= 00101000
3.3.6 KHỐI CẢM BIẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ:
Sơ đồ nguyên lý:
Hình 3.8: Sơ đồ khối cảm biến và điều khiển thiết bị
Để mơ phỏng trạng thái của thiết bị ta thự hiện như sau: thiết bị cần điều khiển được nối lên nguồn diện lưới 220V .Thiết bị cĩ thể được đĩng ngắt bởi cơng tắc bên ngồi hay được điều khiển bằng phần mềm bên trong vi điều khiển. Trạng thái hoạt động của thiết bị được đưa đến port của vi điều khiển cĩ thể cảm nhận