【雕爷学编程】Arduino动手做（137）---MT8870语音解码

37款传感器与执行器的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止这37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手尝试系列实验，不管成功（程序走通）与否，都会记录下来—小小的进步或是搞不掂的问题，希望能够抛砖引玉。

【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）

实验一百三十七：MT8870 DTMF语音解码板模块电话拨号控制音频解码处理电路

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知识点：MT8870芯片

音调译码器（Tone Decoder）是 MITEL 公司所开发生产为一颗常用复频译码 IC，这个电路可以接收 DTMF 信号，是一个完整的 DTMF 接收器。它接收了 DTMF 信号后，内部将信号分成高频带和低频带，并将此信号送至数字译码器，然后将讯号送至数字译码器以解出按键值，接着将解出的按键值以二进制的方式以四条线(Q1、Q2、Q3、Q4)输出到外部共享 Bus 上，其MT8870 接脚说明如表 1 及内部结构如图 2。值得一提的是，当 MT8870 解出一个按键值且输出到外部时，其 STD 接脚会由低态升为高态，经一段时间后再降为低态，我们便可利用此特点侦测到此脚有讯号时便马上将 Q1-Q4 接脚所产生的值读入 CPU，然后解出电话的按键值。

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DTMF
双音多频 DTMF（Dual Tone Multi Frequency），双音多频，由高频群和低频群组成，高低频群各包含4个频率。一个高频信号和一个低频信号叠加组成一个组合信号，代表一个数字。DTMF信号有16个编码。利用DTMF信令可选择呼叫相应的对讲机。

在编码时将击键或数字信息转换成双音信号并发送，解码时在收到的DTMF信号中检测击键或数字信息的存在性。一个DTMF信号由两个频率的音频信号叠加构成。这两个音频信号的频率来自两组预分配的频率组：行频组或列频组。每一对这样的音频信号唯一表示一个数字或符号。电话机中通常有16个按键，其中有10个数字键0～9和6个功能键*、#、A、B、C、D。由于按照组合原理，一般应有8种不同的单音频信号。因此可采用的频率也有8种，故称之为多频，又因它采用分别从高低频中任意抽出1种进行组合来进行编码，所以又称之为“8中取2”的编码技术。根据CCITT的建议，国际上采用的多种频率为697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz和1633Hz等8种。用这8种频率可形成16种不同的组合，从而代表16种不同的数字或功能键。

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MT8870语音解码模块

1、板载MT8870复频译码芯片

2、板载语音输入接口

3、板载5个LED指示灯，方便查看输出状态

4、芯片主要管脚基本都已经引出

5、PCB尺寸：26.5(mm)x24.5(mm)
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模块参考电原理图

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双音多频信号（DTMF）
电话系统中电话机与交换机之间的一种用户信令，通常用于发送被叫号码。
在使用双音多频信号之前，电话系统中使用一连串的断续脉冲来传送被叫号码，称为脉冲拨号。脉冲拨号需要电信局中的操作员手工完成长途接续(早期方法，很老很古董)。

双音多频信号是贝尔实验室发明的，其目的是为了自动完成长途呼叫。

双音多频的拨号键盘是4×4的矩阵，每一行代表一个低频，每一列代表一个高频。每按一个键就发送一个高频和低频的正弦信号组合，比如’1’相当于697和1209赫兹(Hz)。交换机可以解码这些频率组合并确定所对应的按键。

双音多频(DTMF)是由贝尔实验室开发的信令方式，通过承载语音的模拟电话线传送电话拨号信息。每个数字利用两个不同频率突发模式的正弦波编码，选择双音方式是由于它能够可靠地将拨号信息从语音中区分出来。一般情况下，声音信号很难造成对DTMF接收器的错误触发。DTMF是“TouchTone” (早期AT&T的商标)的基础, 替代机械式拨号转盘的按键。

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DTMF编码器
基于两个二阶数字正弦波振荡器，一个用于产生行频，一个用于产生列频。向DSP装入相应的系数和初始条件，就可以只用两个振荡器产生所需的八个音频信号。典型的DTMF信号频率范围是700~1700Hz，选取8000Hz作为采样频率，即可满足Nyquist条件。DTMF双音频信号由两个二阶数字正弦振荡器产生，一个用来产生行音频信号，另一个产生列音频信号。

CCITT规定每秒最多按10个键，即每个键时隙最短为100MS，其中音频实际持续时间至少为45MS，不大于55MS，时隙的其他时间内保持静默，因此按键产生双音频信号时，相继的两个信号间隔一段时间；解码器利用这个时间识别出双音频信号，并转换成对应的数字信息，而且要识别出间隙信息。因此流程包含音频任务和静默任务，前者是产生双音频采样值，后者产生静默样值，每个任务结束时，要重置定时器和下一个任务。其中静默任务还要加上一个任务：从数字缓冲区取出数字并解包。解包就是将数字映射为对应的行列音频特性，装载指针指向振荡器特征表对应的正确位置。两个任务轮流执行。由CCITT（国际电报电话咨询委员会）的规定，数字之间必须有适当长度的静音，因此编码器有两个任务，其一是音频信号任务，产生双音样本，其二是静音任务，产生静音样本。每个任务结束后，启动下一个任务前（音频信号任务或静音任务），都必须复位决定其持续时间的定时器变量。在静音任务结束后，DSP从数字缓存中调出下一个数字，判决该数字。信号所对应的行频和列频信号，并根据不同频率确定其初始化参数。

DTMF信号包含两组音频信号，解码器的任务是通过数学变换把它从时域转化到频域，然后得出对应的数字信息。由于芯片处理的是数字信号，所以必须把输入信号数字化，再用DSP芯片处理。频率检测时，检测出DTMF信号的基波及二次谐波，DTMF信号只在基波上有较高的能量，而话音信号则是在基波上叠加有较强的二次谐波，检测二次谐波的作用是用来区分DTMF信号与语言和音乐信号。

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DTMF特性
DTMF是由低频组（fb）和高频组（fa）两组频率信号构成，每个数字信号由低频组和高频组的任意一个叠加而成。根据CCITT的建议，DTMF的编译码定义可用下式表示 f(t)=A_{a}sin(2f_{a}t)+A_{b}sin(2f_{b}t) 式中两项分别表示低、高音频的值，Ab和Aa分别表示低音群合高音群的样值量化基线，而且两者幅值比为K=Ab/Aa(0.7<K<0.9)。同时规定，对应于DTMF编译码中的标称频率在发送时，DTMF信号的频率偏差不应当超过1.5%，每位数字的信号极限时长应该大于40ms，而接收设备对2%的偏差应能可靠地接收，对30ms~40ms时长的信号可以正常地接收。

与单音编码不同，DTMF信号是采用8中取2的方式，从高低两个音组中各取一个音频复合而成来代表0-9十个号码和其他功能码，再加上这8个音频信号的各频率间不存在谐波关系，大大减少了虚假信号的干扰，因而DTMF信号工作可靠性特别是抗干扰能力很强。

DTMF应用
DTMF信号即双音频信号，最先用于程控电话交换系统来代替号盘脉冲信号，主叫用户摘机按键拨号后，电话号码所对应的DTMF信号通过电话线传到程控交换机中的DTMF接受电路，交换机中的微机识别被叫电话号码后，接通主被叫用户实现双方通话。

DTMF信号还用于自动控制系统，如果把DTMF的发送电路用于主控系统，接收电路用于被控系统，就可以方便地组成有线或无线通信系统，其通道数视需要而定，16通道以内每通道只需编一位号码即可，若需要更多通道，则可像电话号码编号一样编为两位或两位以上的号码。DTMF信号还被用于部分型号的车载导航终端，用于远程下发目的地坐标信息。比如警情自动拔号、DTMF远程控制系统，基于DTMF编解码的智能家居电话远程控制系统等。
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第一项实验：用arduino的PWM脚（11、12）合成DTMF双音多频编码信号

1、安装 "Tone.h"库: IDE-工具-管理库-搜索-安装
2、项目测试：将喇叭贴近电话机话筒，然后发送要拨的电话号码到串口，比如10000，即可拨通电话10000
3、需要材料：喇叭1个，68Ω电阻两个
4、硬件连接：在D11，D12引脚各接一个68Ω电阻一端，
68Ω电阻另一端接喇叭，然后喇叭另一端接地。

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/*

【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）

 实验一百三十七：MT8870 DTMF语音解码板模块 电话拨号控制音频解码处理电路

  第一项实验：用arduino的PWM脚（11、12）合成DTMF双音多频编码信号

  1、安装 "Tone.h"库: IDE-工具-管理库-搜索-安装

  2、项目测试 ：将喇叭贴近电话机话筒，然后发送要拨的电话号码到串口，比如10000，即可拨通电话10000

  3、需要材料：喇叭1个，68Ω电阻两个

  4、硬件连接：在D11，D12引脚各接一个68Ω电阻一端，

    68Ω电阻另一端接喇叭，然后喇叭另一端接地。

*/



#include <Tone.h>

String Phone_Number = "";

int i = 0, mark = 0;

//定义freq1，freq2为Tone实例，并且定义双音多频的频率

Tone freq1;

Tone freq2;

const int DTMF_freq1[] = {1336, 1209, 1336, 1477, 1209, 1336, 1477, 1209, 1336, 1477};

const int DTMF_freq2[] = {941,  697,  697,  697,  770,  770,  770,  852,  852,  852};

void setup()

{

  Serial.begin(9600);

  //定义声音产生引脚在Arduino的D11，D12

  freq1.begin(11);

  freq2.begin(12);

}

void loop()

{

  //读出串口数据，串接成Phone_Number字符串

  while (Serial.available() > 0)

  {

  Phone_Number += char(Serial.read());

  delay(2);

  mark = 1;

  }

  //播放DTMF音频，电话号码来自Phone_Number，持续长度200ms，间隔长度300ms

  PlayDTMF(Phone_Number, 200, 300);

  //如果刚才接收到串口的电话号码，因为号码已经在喇叭输出了，清空电话号码并且重置mark

  if (mark == 1)

  {

  Phone_Number = "";

  Serial.println();

  mark = 0;

  }

}

/*

  DTMF播放函数

  调用格式：playDTMF(数字(0~9), 持续时间)。

*/

void PlayDTMF(String Number, long duration, long pause)

{

  //如果输入数字为空，或者持续时间不为正数，或者暂停时间不为正数

  //则视作错误，立即停止执行返回主程序。

  if (Number.length() == 0 || duration <= 0 || pause <= 0) return;

  //将Number逐个文字分离，

  for (i = 0; i < Number.length(); i++)

  {

  //如果Number属于0~9的数字字符

  if (Number >= '0' && Number <= '9')

  {

    //则将它ASCII码减去‘0’，得到纯数字，

    Number = '0';

    //然后在串口输出一份，便于查看

    Serial.print(i, DEC);

    //输出双音多频之一

    freq1.play(DTMF_freq1, duration);

    //输出双音多频之二

    freq2.play(DTMF_freq2, duration);

    delay(pause);

  }

  }

}

通过串口，尝试输入10000号码，手机11位号码和一个28位的号码

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视频——第一项实验：用arduino的PWM脚（11、12）合成DTMF双音多频编码信号

https://v.youku.com/v_show/id_XNDU3MzExODkzMg==.html

Arduino实验开源代码

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【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）

 实验一百三十七：MT8870 DTMF语音解码板模块 电话拨号控制音频解码处理电路

  第二项实验：重复播放合成DTMF双音多频8675309拨号音

  1、安装 "Tone.h"库: IDE-工具-管理库-搜索-安装

  2、项目测试 ：发送电话号码8675309到串口

  3、需要材料：喇叭1个，68Ω电阻两个

  4、硬件连接：在D11，D12引脚各接一个68Ω电阻一端，

    68Ω电阻另一端接喇叭，然后喇叭另一端接地。

*/



#include <Tone.h>

Tone freq1;

Tone freq2;

const int DTMF_freq1[] = { 1336, 1209, 1336, 1477, 1209, 1336, 1477, 1209, 1336, 1477 };

const int DTMF_freq2[] = {  941,  697,  697,  697,  770,  770,  770,  852,  852,  852 };

void setup()

{

  Serial.begin(9600);

  freq1.begin(11);

  freq2.begin(12);

}

void playDTMF(uint8_t number, long duration)

{

  freq1.play(DTMF_freq1[number], duration);

  freq2.play(DTMF_freq2[number], duration);

}

void loop()

{

  int i;

  uint8_t phone_number[] = { 8, 6, 7, 5, 3, 0 , 9 };

  for (i = 0; i < sizeof(phone_number); i ++)

  {

  Serial.print(phone_number, 10);

  Serial.print(' ');

  playDTMF(phone_number, 500);

  delay(600);

  }

  Serial.println();

  delay(4000);

}

第二项实验：重复播放合成DTMF双音多频8675309拨号音
1、安装 "Tone.h"库: IDE-工具-管理库-搜索-安装
2、项目测试：发送电话号码8675309到串口
3、需要材料：喇叭1个，68Ω电阻两个
4、硬件连接：在D11，D12引脚各接一个68Ω电阻一端，
68Ω电阻另一端接喇叭，然后喇叭另一端接地。

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Arduino实验场景图

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Arduino实验开源代码

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【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）

 实验一百三十七：MT8870 DTMF语音解码板模块 电话拨号控制音频解码处理电路

  第三项实验：用合成DTMF双音多频信号测试咪头传感器和DTMF解码模块

  1、安装 "dtmf"库: 下载https://codeload.github.com/DFRobot/DTMF/zip/master

  2、需要材料：喇叭1个，68Ω电阻两个，咪头传感器和DTMF解码模块，两块UNO板

  3、合成信号硬件连接：在D11，D12引脚各接一个68Ω电阻一端，68Ω电阻另一端接喇叭，然后喇叭另一端接地。

  4、咪头模块接线：

  MAX9814  Arduino

  VCC      5V

  GND      GND

  OUT      IN(接到DTMF)

  5、DTMF解码模块接线

  DTMF    Arduino

  VCC      5V

  GND      GND

  Q1      12

  Q2      11

  Q3      10

  Q4      9

*/



#include "dtmf.h"

DTMF dtmf;

void setup()

{

  Serial.begin(9600);

}

void loop()

{

  // 读DTMF代码并且用串行输出

  int myDtmf;

  myDtmf = dtmf.getDTMF();

  if (myDtmf != -1)

  Serial.println(myDtmf);

  delay(100); // 以避免收到重复的输出。

}

DTMF解码识别模块实验视频
https://v.youku.com/v_show/id_XNDU3OTkzOTA4OA==.html

打开"dtmf.h"库文件查看，发现是针对不同硬件模块的（板上芯片都是MT8870），由于接脚对不上号，故串口输出的解码不对的

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不同的硬件模块（板上芯片都是MT8870），名称为 Arduino DTMF语音识别扩展板 V1.0

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Arduino实验开源代码

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【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）

 实验一百三十七：MT8870 DTMF语音解码板模块 电话拨号控制音频解码处理电路

  第四项实验：不用库，使用MT8870芯片模块进行DTMF解码

  1、需要材料：喇叭1个，68Ω电阻两个，咪头传感器和DTMF解码模块，两块UNO板

  2、合成信号硬件连接：在D11，D12引脚各接一个68Ω电阻一端，68Ω电阻另一端接喇叭，然后喇叭另一端接地。

  3、咪头模块接线：

  MAX9814  Arduino

  VCC      5V

  GND      GND

  OUT      IN(接到DTMF)

  4、DTMF解码模块接线

  DTMF    Arduino

  VCC      5V

  GND      GND

  Q1      12

  Q2      11

  Q3      10

  Q4      9

*/



int keyvalue;  // 与音调相关的数字

void setup(){

Serial.begin(9600);

pinMode(12, INPUT); //从解码器芯片输入二进制1的数字

pinMode(11, INPUT); //从解码器芯片输入二进制2的数字

pinMode(10, INPUT); //从解码器芯片输入二进制4的数字

pinMode(9, INPUT); //从解码器芯片输入二进制4的数字

}

void loop()

// 首先确定键的以10为底的值 0-11

{

if (digitalRead(6) == HIGH) //如果二进制1为高

{

keyvalue = 1;  //使键值等于1

}

else

{

keyvalue = 0;  //否则将其设为零

}

if (digitalRead(7) == HIGH)  //如果二进制2为高

{

keyvalue = keyvalue + 2;  //在键值中添加“ 2”

}

if (digitalRead(8) == HIGH)  //如果二进制4为高

{

keyvalue = keyvalue + 4;  //将“ 4”添加到键值

}

if (digitalRead(9) == HIGH)  //如果二进制8为高

{

keyvalue = keyvalue + 8;  //将“ 8”添加到键值

}

// 现在将键值9、10和11转换为“ 0”，“ *”和“＃”

if (keyvalue == 10)

{

Serial.println("0"); //打印零键

}

else

{

if (keyvalue == 11)

{

Serial.println("*"); //打印星号键

}

else

{

if (keyvalue == 12)

{

Serial.println("#"); //打印井号

}

else

{

Serial.println(keyvalue); //它不是特殊键，所以只需打印

}

}

}

delay(500);

}

从MT8870 DTMF语音解码板模块上，5只解码LED灯看，是在正常工作，只是串口输出的数字，依旧好像不对…

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附录：基于DTMF编解码的智能家居电话远程控制系统

本着“环保与创新”的主题，系统集本地家电控制和监控模块，DTMF编解码的电话远程控制和监控模块以及以太网web server的远程家居控制和监控系统模块三大模块为一体，实现智能家居控制。电话远程控制和以太网远程控制，不需进行专门的布线，不占用无线电频率资源，避免了电磁污染。且可以通过以太网实时监控家用电器，避免了没必要的电力资源浪费。

一、本地家电控制和监控模块

此模块能够实时检测温湿度、一氧化碳、烟雾等的数值或者浓度，并在1602液晶上显示相关参数。当超过一定的警戒线，它还会发出警报以及通知主系统（AVR 32）出现何种警情，让主系统进行相关处理。

二、DTMF编解码的电话远程控制和监控模块

此模块能够受手机控制，通过手机拨打家里电话来远程控制家里的电器的开闭，以及当家里出现盗贼或者出现险情（包括火灾、煤气泄漏等）时固定电话能及时自动拨打电话通知用户。

三、以太网web server的远程家居控制和监控系统模块

此模块通过网线接入以太网后，用户可以通过手机或PC机打开相应浏览器来远程控制家里的电器的开闭，以及监控家里的温湿度，煤气传感器和烟雾传感器的数据。

2.2 性能要求

一、本地家电控制和监控模块

此模块性能要求传感器采集数据要实时，而且要快速，采集出来的数据经过相应转换后得到的数值与实际数值相差不能超过5%，温度的精度为0.1℃，湿度的精度为0.5%RH。

二、DTMF编解码的电话远程控制和监控模块

此模块性能要求能响应速度快，即有人拨打电话时，此模块能够在1S内检测到有电话打入，并记录下拨打人输入的按键信息。此外，当要实现自动拨打电话时，要求此模块模拟按下的电话号码要准确无误，确保准确性。

三、以太网web server的远程家居控制和监控系统模块
此模块要求接入互联网，当用户浏览网页时，家用电器信息和传感器数据每隔几秒刷新一次，确保数据传输的快速性和准确性。
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