基于固定电话线的远程控制与防盗报警器的设计与制作Word格式文档下载.docx
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Telephoneline;
Controller;
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1引言
近年来,随着网络通信技术、电子技术和计算机技术的迅猛发展,以及社会经济的飞速发展和人民生活水平的日益提高,人们对其住宅的要求也越来越高,大家不仅希望居室温馨、舒适,而且对其安全性、智能化方面也提出了更高的要求。
现代电子信息技术和通讯技术的飞速发展己经为智能化安全住宅的研究提供了强有力的技术支持。
如何有效地保护自己的财产不受侵害一直是人们关心的问题，无论是建筑坚固的保管场所还是采取各种报警防盗系统都是想达到这一目的。
电话已在家庭中普遍使用，电话机的功能将进一步得到开发和利用。
利用电话实现家用电器遥控是家电和防盗报警是未来的发展的重要方向。
电话远程控制及防盗报警器工作稳定，控制可靠，应用广泛，不仅在家庭中实用，在工业控制，安防监控等行业都是非常可靠地选择，如电脑网络设备启动和关闭、大屏幕启动和关闭、无线电发射塔设备控制、水塔抽水泵控制、工矿厂远程设备控制、高安全性电话锁、安防视频监控设备控制、有线电视设备起停控制等。
基于电话线的远程控制及防盗报警系统具有一种全新的时代特色，适用于大众家庭，可实现对各种家居电气设备的远程管理，方便居民生活，且产品具有效率高，稳定性好，安全可靠等优点，适合大面积普及和应用。
1.1课题研究的背景和国内外研究现状
随着我国国内生产总值稳定而快速的增长，人们的生活水平有了很大的提高，与此同时，科技的发展也有了相应要求，社会结构和社会治安都日趋复杂，家电控制和管理等诸多社会问题的频繁发生，使人们对各种家具的科学管理方法越来越重视。
传统的家具管理方法在家居系统的实际使用中暴露了很多隐患，如报警系统得不到及时的发现、电器设备得不到及时有效的控制、人机界面得不到友善的交互等等。
电话远程控制及防盗报警系统作为一种方便、快捷、安全的智能控制系统，目前已有所研究，但还只是在实验阶段，距离实际应用、尤其是作为人们普遍使用的一种安全快捷的智能系统，尚有一定的差距。
并不能完全体现出电话远程控制防盗报警的优越性。
本设计采用单片机智能控制系统，另外还利用了语音芯片进行语音的存取。
用预先录制的专用提示音对操作者进行提示，方便的用于家用电器及其他电器设备的远程控制。
国外智能监控防盗技术发展已处于一个较高水平阶段，从具有代表性的北美发展过程可以清楚的看出世界智能监控防盗技术的发展概况。
目前对北美的安防产业来说最成功的经营模式就是联网报警服务模式。
联网报警将整个北美的安防产业从横向到纵向进行整合串并，形成了一个集中许多高科技手段和产业化管理水准的一体化综合性产业。
比如世界排名第一，北美最大的安防跨国公司一—美国祺诺亚公司，它在20世纪30年代开始搞简单的防盗报警，其当时的业务范围和技术水平跟中国现在很多安防企业是相当的。
到70年代它对其产业的整体发展方向做了很大的调整，变为联网报警服务商，建立了首家网管中心尤其是在90年代引用了大量的网管技术、系统集成技术和电子技术，现已成为十分先进的联网报警服务平台。
它在美国、加拿大、英国等多个国家和地区都有分公司。
北美的客户数已超过600万，2003年防盗报警收入总产值达105亿美元。
1.2课题研究的目的和意义
科技的发展归根到底就是要改善人们的生活，科技的进步其目的就是为人们服务，本系统的研究目的就是为了能够更好的满足人们生活的需要，提高生活便捷的家电管理方法，方便大众生活的各个方方面面。
所以本系统的研究是为了突破传统的管理方法，使得家庭、办公室的家电管理模式符合新的现代管理系统。
该控制器因为成比低，性价比较高，在智能家居、工业控制等方面的应用尤为突出。
它通过与各种通信网络的连接，即可实现对家电的防范和管理，设备通过网络技术进行监测、控制与管理，使得新时代的家电管理系统被普遍的应用于智能住宅小区，家居远程防范。
家居远程控制产品的发展改变社会生活，使产品走进城市，走进农村，人们的生活因此也变得多姿多彩。
1.3课题研究的主要内容
本文研究的主要内容为系统硬件电路设计和系统软件设计。
本系统硬件电路包括：
电话双音频编解码MT8880电路、摘机挂机电路、响铃检测电路、红外检测电路、触发开关电路、液晶显示电路、I2C存储电路、继电器输出控制电路、键盘输入电路等组成。
硬件电路模块多，各个电路连接起来比较复杂，而且这些电气相互之间有一定的影响，所以硬件电路的研究过程难度很大。
系统的软件设计中包含了许多复杂的驱动设计，如：
I2C驱动程序、MT8880双音频编解码的驱动程序、1602液晶显示程序的设计、单片机的外部中断和定时计数器的初始化函数等。
在研究软件程序的时候，不仅要写好各个模块的驱动程序，还要把各个程序组合起来才能完成系统的预计功能。
此系统研究的功能如下：
（1）能设置报警号码；
（2）能设计远程控制校验密码；
（3）可通过手机或电话远程控制和管理家电；
（4）实现自动拨号远程报警；
（5）密码校验功能；
（6）具有掉电存储功能，存储预设号码等数据；
（7）红外检测技术，实现防盗报警；
（8）人机交换功能，采用1602液晶作为显示器，矩阵键盘控制输入。
2系统硬件方案设计
2.1系统整体方案设计
为实现系统的总体功能，其电路主要包括：
双音频编解码MT8880电路、摘机挂机电路、响铃检测电路、红外检测电路、触发开关电路、液晶显示电路、I2C存储电路、继电器输出控制电路、键盘输入电路等组成。
系统整体设计如图2-1所示：
图2.1整体系统设计图
2.2系统各模块电路设计
2.2.1直流5V稳压电源
图2.1电源模块设计图
2.2.2单片机最小系统设计
设计的单片机最小系统如图2.1所示，由单片机、时钟电路、复位电路、编程接口组成。
图2.2单片机最小系统
单片机选用ATMEL公司设计生产的STC89C52单片机，它是一种低功耗的8位CMOS微控制器，兼容51系列单片机，内部具有8K字节的FLASH程序存储空间、256字节的内部RAM、32个可编程I/O口线、三个16位的定时/计数器、全双工UART串行接口、内置看门狗定时器，双数据指针、并且支持ISP下载。
其引脚功能[1]为:
（1）P0.0-P0.7、P1.0-P1.7、P2.0-P2.7、P3.0-P3.7一共是四组32个双向I/O口，其中P0口是漏极开路的I/O，需要接上拉电阻，选择5.6K的排阻。
需注意每个I/O口的拉电流较小不能超过0.4mA，灌电流较大最大可到20mA，另外要求单片机所有I/O口的总电流不能超过100mA。
（2）XTAL1和XTAL2是时钟信号的输入和输出端，通过外接晶振为单片机提供时钟源。
（3）RST为复位引脚，高电平复位，当该引脚被接高电平并维持了2个机器周期时，单片机进行复位。
（4）ALE脚为地址锁存控制信号，在该引脚输出“晶振频率/6”的信号，可以为外部其他器件提供时钟信号。
（5）PSEN脚为外部程序存储器选通信号端。
（6）EA/VPP是访问外部程序存储器控制信号，接地时从外部执行程序，接电源时从内部程序存储器开始执行程序，在使用是若没有接外部ROM则一定要接电源，否则单片机无法正常运行。
（7）RXD与TXD为异步串行I/O口的输入输出端。
（8）INT0和INT1为外部中断0和外部中断1的输入端。
（9）T0和T1为定时器/计数器0和定时器/计数器1在作为计数器是的计数信号输入端。
单片机为主控制器，负责整个系统的控制以及矩阵键盘的扫描、LCD液晶显示器的显示、EEPROM存储器的读写。
INT0和INT1是单片机的外部中断0和外部中断1都设置为下降沿触发，分别接振铃检测电路的输出和DTMF解码电路的解码完成信号端。
因单片机I/O口资源有限，必须通过端口复用来设计，由于DTMF解码器的输出端和LCD1602的数据端口都为三态输出，即除了高低电平两种状态以外，还有一种高阻状态。
可以通过控制此二者在不同的时间分时进行数据传输，来进行端口复用[2]。
单片机的复位电路一般分三种：
手动复位、上电自动复位、手动加自动复位。
上电复位是通过一个电容和一个电阻串联实现的，当单片机系统上电时，电容因为充电需要一定的时间，所以在RST端保持一段时间的高电平，待电容充电完成以后由于电阻的作用RST端恢复低电平，单片机完成复位。
另一种是手动复位，就是通过一个按键和一个电阻串联，当按键按下时，RST端产生高电平，当按键释放时RST端成为低电平，单片机完成复位。
如图2.1单片机最小系统图所示，复位电路采用手动加上电复位两种复位方式的结合，既具有上电自动复位的功能，又能够通过小按钮手动复位，是最常用的一种单片机复位电路。
时钟电路是整个单片机系统最重要的部分，为单片机提供时钟。
单片机时钟源一般有两种方式提供，一种是外接时钟源，为单片机提供时钟，这种方式稳定性好，但成本较高。
一般都选择单片机的内部时钟。
这种方式只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚之间接一个外部晶振单片机就可以正常工作了。
如2.2单片机最小系统所示，选择用11.0592MHz的晶振，内部时钟频率就为11.0592MHz。
电容C7和C10为了帮助晶振起振，一般选择30pF左右的电容。
虽然电路简单，一旦出现问题，就会导致系统崩溃等严重问题。
所以设计晶振电路时要注意：
（1）30pF的起振电容一定要选择相同大小、相同类型，最好也是同一批生产的这样偏差最小。
（2）布线时晶振要尽量的靠近单片机进行布线，而且附近最好不要有任何干扰源。
为了给单盘复用的办法来复用I/O口。
因为矩阵键盘在正常状态下处于断开状态。
只要在下载的时候不去按键盘，并且在下载以后拔掉下载线就不会对系统产生任何影响。
2.2.3液晶显示电路
液晶显示器以其低功耗、易于操作、体积小、内容丰富、轻巧玲珑等诸多优点，在仪器仪表设备和低功耗应用设备系统中得到越来越广泛的应用。
本设计系统中用到的LCD1602的字符型液晶模块是一种常用的2行16个字的液晶模块。
其中1、2脚为供电端口，15脚和16脚为背光电源，直接接在5V电源上让背光一直亮，3管脚接R2的动触点，通过调节R2可使3管脚电压在0-5V间连续可调，从而达到1602液晶对比对的调节。
其他管脚为数据端和控制端，都接在单片机的I/O端口上面，通过单片机来控制。
图2.3LCD1602液晶显示电路
LCD1602内部集成了英文、数字、以及各种符号的字库，在使用时只需要向1602发送所要显示字符的ASCII码即可将该字符显示在屏幕上。
型号中的16表示了一行最大可显示的字符数，02则表示可显示两行。
可通过指令设置每个字符块由5×
7个点阵还是由5×
11个点阵组成。
LCD1602各引脚功能如
表2.1所示。
表2.1LCD1602引脚功能
引脚名
功能
VSS
电源地
VCC
+5V电源
VO
对比度调节端
RS
为0输入指令、为1输入数据
RW
为0写操作/为1读操作
E
使能端，为1时读取状态和地址，正脉冲执行写操作
RB0-RB7
为数据端口
BLA
液晶屏背光电源正。
BLK
LCD1602液晶屏背光电源负
键盘是一种最常用输入设备，与控制系统进行交互，一般按照扫描方式可分为独立键盘和矩阵键盘。
设计的矩阵键盘电路如图2.4所示。
图2.4矩阵键盘电路
独立键盘即将单片机的I/O口通过一个按键直接接地，这样当按下按键时I/O口为低电平，释放后为高电平，单片机通过检测该I/O口的状态监测按键是否按下。
在少于4个按键的时候一般采用独立按键方式，当按键数量大于4个时，可将键盘接成如图2.8所示的电路。
基本工作原理是在单片机P口高四位送1，低四位送0，然后不断循环检测高四位是否为1，若为1，说明无按键按下，若其中有一位为0说明有按键按下，并且通过行列扫描的方式可以获取按键所在的行和列，从而推算出所按的按键，并执行相应的按键处理程序[8]。
一般根据按键的个数来选择键盘的连接方式，正如图2.8矩阵键盘电路所示，若将这16个按键都以独立按键的方式接在单片机的I/O口上，则需要占用16个I/O口，而用矩阵键盘的接法，则只需要占用8个I/O口。
所以选择矩阵方式连接键盘。
2.2.4I2C存储器接口电路
为了能使密码永久的保存，选择用EEPROM存储器来存储密码，设计的AT24C02硬件电路图如图2.5所示。
图2.5AT24C02硬件电路
现实应用中单片机能通过I2C的地址来识别与每个器件进行通信。
电路中通过两条线与单片机通信分别是I2C的时钟线CLK和数据线DATA。
这两条线分别和单片机的P34和P35相连。
实现对数据的存储和读取。
I2C数据传送的格式介绍：
在I2C总线开始信号后一般是高电平到低电平跳变时认为是开始信号，输出的第一个字节数据信号来选择从器件地址。
数据的前7位为地址码，第8位为方向位来进行读写的控制。
每个传送的字节数据后面必须跟一个应答位。
当传输数据完成后CLK保持高电平，为下一次传输做好准备。
当数据传输完后，会发送一个结束信号。
信号线从低电平到高电平跳变时表示数据传输结束。
方向位为“0”则表示发送，即单片机主器件把信息写到所选择的I2C从器件中；
方向位为“1”则表示单片机主器件将从I2C器件读数据。
开始数据信号传输之后，系统中的各个器件将自己的地址码和主器件送到总线上的地址码进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即作为被主器件寻址的器件，而是接收信息或者是发送信息则由第8位来决定。
2.2.5双音频检测电路设计
系统采用双音频编解码电话芯片MT8870作为DTMF信号的解码核心元器件。
设计的DTMF解码电路如图2.6所示。
图2.6DTMF解码电路
MT8870是MITEL公司设计生产的音调译码器芯片，它可以用来接收DTMF信号，在它的内部将接收到的信号分成高频带和低频带，并通过内部数字译码器解调出按键值，然后以二进制的方式，通过Q1-Q4将转换结果输出。
MT8870引脚功能如表2.2所示。
表2.2MT8870引脚功能
管脚名
IN+
内部运放同相端
VDD
电源正极
IN-
内部运放反向端
ST/GT
动作输入/监视时间
GS
增益调节端
EST
提前动作输出
VREF
参考电压输出端
STD
延时动作输出
INH
禁制输入信号检出端
Q4
三态数据输出端口
PWDN
电源下降输出端
Q3
OSC1
晶振信号输入端
Q2
OSC2
晶振信号输出端
Q1
接地端
TOE
三态输出使能端
DTMF信号经C2耦合至MT8870，进行解码。
在没有DTMF信号时，STD端保持低电平，经过Q1、R6和R1组成的反相器反相后变为高电平；
当检测到DTMF信号时，芯片进行解码，并在解码完成后，将STD拉高，经过反相以后变为低电平，当单片机检测到由高至低的下降沿时，将TOE端置高输出使能，并将Q1-Q4的数据读入单片机进行处理。
这样就完成了一次DTMF解码。
另外，为了选择8KHz进行采样，查阅数据手册得知需在ROSC端对地接一个80KΩ的电阻。
而实际中80KΩ的电阻并不常见，所以选择用100KΩ和450KΩ的电阻并联得到等效于80KΩ的电阻[6]。
双音多频编解码电路是目前在按键电话、程控交换机及无线通信设备中广泛应用的集成电路之一。
它由双音频信号的发送器与双音频信号接收器组成，前者主要应用于按键电话作双音频信号发送器，发送一组双音多频信号，从而实现音频拨号。
双音多频信号是一组由高频信号与低频信号叠加而成的组合信号，CCITT和我国国家标准都规定了电话键盘按键与双音多频信号的对应关系，话拨号数字对应的高低频率组合如2-2表所示
表2-3电话拨号数字对应的高低频率组合
高频组合/HZ
1209
1336
1477
1633
低频信号/HZ
697
1
2
3
A
770
4
5
6
B
852
7
8
9
C
941
#
D
2.2.6振铃检测及摘挂机电路
振铃检测电路如图2-7所示。
主要使用光电耦合器进行隔离和电压比较器完成波形整型。
电话线经过一个稳压管进行稳压后，再通过光耦进行隔离，实现对器件的保护作用。
当有来电时，稳压管稳压后驱动光耦输入端发光，使光耦的输出端导通，P3.3电位为0，单片机进入中断处理函数进行计数，实现电话的振铃检测电路。
图2.7振铃检测电路
振铃信号是在48V直流电压的基础上所叠加的峰峰值为90V/25Hz的正弦波信号，而且每隔4秒发送1秒的振铃信号。
振铃检测电路的目的是将90V的正弦波信号隔离，并转换为峰值为5V/25Hz的方波信号，送给单片机进行计数。
采用限流降压的办法，使得输入端小于50V时光耦无输出，而在大于50V时光耦输出随输入变化的正弦波信号，在光耦输出端得到振铃信号的正半周。
然后用LM339做比较器将正弦波信号转换为标准方波。
因为单片机主要是通过计算该振铃信号的周期来判断是否为25Hz的振铃信号的，所以在这里对波形的占空比并没有特别的要求，只要在信号处理过程中周期不变就可以满足设计要求。
2.2.7模拟摘机及电话接口电路的设计
设计的模拟摘机和电话接口电路如图2.3所示，主要由电话线接口、极性转换电路、隔离变压器、继电器、光耦和三极管组成。
图2.8模拟摘机和电话接口电路
电话线接口，使用标准的RJ-11接口，用两根线，且不区分正负极所以可以随便接。
极性转换电路，作用是不管输入为+/-还是-/+输出都为+/-；
这其实是利用了二极管桥式整流电路的原理，而且它们的电路结构是完全一样的，都是以二极管的单向导电性为基础所设计的。
隔离变压器，主要为了使电话线和控制系统隔离，另外为了简化设计还利用了其直流阻抗小于300Ω的特点，来作为模拟摘机中所使用的负载。
继电器，相当于一个可以通过单片机来控制的单刀双掷开关，以此来选择是否摘机。
光耦，为了将控制器电源与继电器电源隔离开，防止继电器开合时产生的瞬间干扰影响单片机系统的正常运行。
而三极管则是为了驱动继电器工作的。
图2.8模拟摘机和电话接口电路中，J1为电话线接口，当J1输入为左+右-时，D1和D5正向导通、D2和D4反向截至，输出LIN+为正、LIN-为负；
而当J1输入为左-右+时，D2和D4正向导通、D1和D5反
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