完整版应教042闫学锋基于电话网络的智能家电控制系统的毕业设计论文.docx
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完整版应教042闫学锋基于电话网络的智能家电控制系统的毕业设计论文
河南科技学院
2009届本科毕业论文（设计）
论文题目：
基于电话网络的智能家电控制系统的设计
学生姓名：
闫学锋
所在院（系）:
机电学院
所学专业：
应用电子技术教育
导师姓名：
洪新华邵锋
完成时间：
2009年5月20日
摘要
本文详细地叙述了基于公众电话网络的智能家居控制系统的设计过程。
文中探讨了利用现有的电话网络作为信号传输线路来实现设计目的的可行性，采用AT89S52作为系统主控芯片，控制系统中各种信号的接收与处理；采用MT8880来处理电话线路中所传输的双音多频信号；同时辅以语音提示电路及其他单元电路从而使得系统设计更加人性化。
关键词：
电话网络，智能控制，DTMF，语音提示
TheSmartbasedonthePSTN
Abstract
Thisarticledescribesindetailthepublictelephonenetwork-basedintelligentprocess.ThearticlediscussestheuseoftheexistingtelephonenetworkasasignaltransmissionlineisdesignedtoachievethefeasibilityofusingAT89S52chipcontrolasasystem,controlsystem,avarietyofsignalreceptionandprocessing;MT8880todealwiththeuseoftelephonelinesinthetransmissionDTMFsignal;circuitatthesametimewithvoicepromptsandotherunitsinordertomakecircuitdesignmoreuser-friendlysystem.ThearticlefocusesonAT89S52MCUandDTMFsignalprocessingcircuitoftheinterfacebetweenthecontrolmethods.
Keywords:
PSTN,Intelligentcontrol,DTMF,Voiceprompts
1引言1
2总体设计方案2
2.1系统设计要求2
2.2系统总体设计可行性分析3
2.3信息传输方案选择3
2.4核心控制方案的选择4
2.5DTMF信号处理方案的选择4
2.6电器控制方案选择5
3系统总体框图5
4系统硬件设计6
4.1核心控制及接口电路6
4.1.1AT89S52外形图6
4.1.2AT89S52引脚功能6
4.2DTMF双音多频编解码电路8
4.2.1DTMF信号介绍8
4.2.2DTMF信号的特性9
4.2.3DTMF信号的应用9
4.2.4DTMF收发模块10
4.2.5DTMF编解码电路13
4.3语音提示电路设计14
4.3.1语音芯片介绍14
4.3.2语音提示电路原理图16
4.4振铃检测电路设计16
4.5模拟摘挂机电路17
4.6电器控制电路设计18
5系统软件设计19
6结束语19
致谢19
参考文献20
附录1系统总体设计原理图21
附录2系统软件设计流程图22
附录3软件程序清单24
1引言
随着现代信息、网络、计算机、控制技术的飞速发展，智能化家庭已经成为现实。
通过家居智能化技术，实现家庭中各种与信息技术相关的通讯设备、家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术连接到一个家居智能化系统上进行集中或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。
家居智能化所提供的是由一个家居智能化系统构成的高度安全性、生活舒适性和通讯快捷性信息化与自动化居住空间，从而满足21世纪信息社会中人们追求的快节奏的工作方式，以及与外部世界保持安全开放的生活环境。
就现阶段而言，由于受到传输媒体、网络平台、集成系统以及家庭实际消费能力的制约，还无法实现真正意义上的家居智能化系统。
我们现在需要做的，应该是完成目前智能化系统中条件已经成熟的系统，同时预留相应物理接口。
当条件成熟时无需重新改造即可实现系统的升级和集成。
首先让我们来感受一下家居智能化带来的舒适和情趣:
（1）早晨起床时间一到，卧室音响设备就会自动播放主人爱听的“起床曲”唤醒主人，并自动开启窗帘，卧室卫生间的电灯也会在主人进入梳洗时自动亮起;
（2）厨房的咖啡壶自动煮水，等主人出来时，就有热腾腾的咖啡等着他;
（3）在客厅里，主人只需轻轻按动手持触摸终端，就可以十分方便的控制家中所有带红外遥控器的设备，可以通过家庭影院系统播放电视节目、v0D点播、DVD播放、上网查询邮件和当天的重要新闻;可以监控所有的设备，查看是否有报警发生、窗户是否关好、窗帘是否拉上等;可以对所有家电进行统一控制;可以控制摄象机云台，对家庭内外的情况进行监视，并且如果有警情发生，摄象机会立即转向警情发生地点，同时电视机也将切换到AV，显示警情。
（4）三表（水、电、气）数据远程抄送;
（5）当主人出门后，家居智能化系统就会自动手动地启动安全保卫系统，一旦有人非法进入住宅或发生意外事故（如;火灾、煤气泄漏、老人疾病紧急求助），系统就会立即自动通知主人的电话、手机，并报110。
主人接到报警后，可以通过公用电话网连接家居智能化系统，远程观察并遥控，迅速作出反应;
（6）主人回到家中，车库门自动打开，车库中照明灯自动开启;
（7）主人用膳完毕，进入书房，登上信息高速公路，上网查询邮件和当天的重要新闻;
（8）到了晚上睡眠时间，系统自动开启轻音乐，关闭住宅内强光源一段时间后，音乐随后自动关闭，电源进入节能状态;
经过市场调查分析，我们对国际及国内的家居智能化现状有了一个深入的了解，目前情况如下:
（1）就网络构成来讲有两种方式:
集中式和总线式
集中式网络由一个主控制器和诸多的终端组成，形成严格的主从关系。
由主控制器对每个终端的信号进行识别和控制。
这样做的好处是控制指令简单易懂，多数指令可以由单独的“0”和“1”来完成。
但这种方式存在的一个最大缺点就是网络布线极其繁琐。
由于集中式控制而形成了星型网络，就必须从主控制器向每一个终端包括传感器（哪怕是最小的无源器件—门磁）、驱动模块、红外模块等布至少一条线，这样遍布家庭内部就形成了一个星型的巨大网络，给安装施工带来了极大的不便。
总线制网络即在一条总线上挂接（并联）很多不同的终端，以既定的通讯协议进行相互之间的信息传递。
采用总线式的优势在于组网灵活，不必要向集中式那样呈星型分布最后形成一个星型网络，而是只需要将总线围绕家庭转一周，所有终端可以在相应的任何位置并入总线，这样就省却了相当大一部分的布线工程和费用，且组网灵活。
缺点在于每个终端必须要有自己的控制器和接口芯片，这无疑又增加了成本费用。
（2）就网络类型来讲：
目前的类型多种多样。
常用的有Lonworks、CAN、M一BUS、RS485、以太网、公用电话网、无线方式以及各公司自身开发的网络如APBUS、Homenet、Homebus等。
这些网络的共同特点是都要配置自身的网络接口芯片或固化通信协议的芯片才能工作。
随着传输速率的提高，各种高速网也相继出现，但相应的控制器和网络接口芯片价格也随之提高。
而家庭内部没有大的数据量需要传输，并且不需要复杂的协议，所以并没有必要使用高速网。
智能家居的方案及实现
（3）就实现功能来讲：
智能家居的方案在功能上大同小异，只要能想到的，方案里能找到，但是有些却因技术原因还未达到。
（4）价格：
价格偏高，目前一般家庭还难以接受，这也是智能家居没有进入一般家庭的主要原因。
2总体设计方案
2.1系统设计要求
电话远程家庭智能控制系统（以下简称控制系统）的功能以确定设计具体要求如下：
（1）控制系统能通过电话终端通信设备对异地电器实现智能控制。
（2）控制系统可以实现自动模拟摘机，以实现双方通信。
（3）控制系统主人的身份校验、在线密码修改及存储。
（4）控制系统有语音提示，以方便主人操作。
2.2系统总体设计可行性分析
根据电话远程智能遥控系统的具体设计要求：
（1）通过电话网对异地的电器实现控制（开关）；
（2）控制器可以实现自动模拟摘挂机；
（3）控制器设置密码校验；
设计此系统必须具有以下单元功能模块：
（1）铃音检测、计数；
（2）自动摘挂机；
（3）密码校验；
（4）在线修改密码；
（5）双音频信号解码；
（6）输入信息分析；
（7）控制电器开关；
（8）电器状态查询；
（9）忙音检测；
根据电话机和交换机发出的不同信号音以及电话线各种状态的不同要求，我结合实际情况对具体的单元功能模块作出软件或硬件上的不同分工，具体如下。
理论上交换机所发出的各种信号音都可以通过软件编程而识别，即通过单片机发出的脉冲信号来检测信号音单位时间内的脉冲个数计算出其频率，从而完成信号音识别。
但是从系统的可靠性和程序的结构设计上分析，我选择了硬件来解决振铃音检测、忙音检测、双音频信号解码等功能模块。
自动摘挂机和电器的控制必须使用具体硬件电路来实现。
振铃音计数、忙音计数、密码校验、在线修改密码、输入信息分析、电器状态查询等功能模块使用软件编程方式要比硬件电路简单的多，实现也很容易。
2.3信息传输方案选择
方案一：
基于GSM的控制系统。
这种方案中我们可以使用现有的GSM网络作为信息传递的途径，用户可以通过收发短讯息来实现控制目的。
由于GSM网络的建设已经非常成熟，因而采用这种方式可以使得系统的功能强大，资源丰富，软件程序的设计会变得简单可靠。
但是这种方案成本较高，同时由于我国的现有国情的制约，手机的使用受众远没有那么普及，并且存在众多的民众不会发短信，因而采用此种控制方式时，产品的普及率会大大的降低。
目前情况下我们暂不考虑这种方案。
方案二：
基于公众电话网络的控制系统。
目前，我国的固定电话的普及已经达到了千家万户，电话网络的铺设也已经走进了众多的家庭，因此采用此种信息传递方式不需要再做其他的工作便可以在大多数地区实现智能控制的目标。
此方案的建设成本相对来说也比较小。
另外关于电话方面的各种信号的规定也较为详细，在控制电路中也容易实现。
方案三：
基于电力线网络的控制系统。
虽然说现在电力线也已经铺设到了我们的家里，但要在电力线上实现信号的传递还是有一定的难度，并且也有一定的危险性与不确定性，另外，要在电力线上实现信号的传递还需要专门的芯片，此种芯片的价格一般比较昂贵，不宜进行大规模的普及与应用。
综上所述，本设计采用方案二来实现。
2.4核心控制方案的选择
本设计中各种信号的处理与控制是该系统中的核心部分，正确选择合适控制方式将关系到整个项目设计的成败。
目前控制方式众多，我们将对几种常用的控制方式进行评估，以便选择合适的方案。
方案一：
基于ARM的嵌入式系统。
这种方案中我们可以使用现有的操作系统（μCOS-II），在系统的基础上进行应用程序的开发。
由于ARM处理器的功能强大，资源丰富，因此使用这种方案可以使系统功能近乎完美，并且由于使用了操作系统，应用程序的设计会变得简单可靠。
但是这种方案成本较高，同时使用的嵌入式操作系统也会占用一部分额外的硬件资源，这样会大大的提高开支。
目前情况下我们不考虑这种方案。
方案二：
基于单片机构成的系统。
目前单片机已非常普遍，基于此单片机内核的外围芯片也有众多供应厂商。
例如，国内宏晶科技的STC系列，ATMEL公司的AT89S52系列。
这些单片机都有丰富的片上资源，一般都不需要外扩其他器件就可以构成一个完整的系统。
片上系统的优点在于减小了布线的麻烦，提高了系统的整体性能。
通过对比以及资料的查找，我们发现AT89S52有众多的用户，资料介绍比较全面详细。
网络上也有很多电子爱好者对此比较感兴趣，讨论的话题比较多，更有很多调试笔记等可以参考。
因此我们考虑选用单片机作为主控核心模块，这样风险较小，成功率较高，遇到问题方便解决。
2.5DTMF信号处理方案的选择
本设计中如何对DTMF信号进行处理及控制也是非常关键的部分，选择恰当的处理模块可以极大的帮助我们实现设计目标，并且易于进行电路调试。
方案一：
采用MT8870作为处理芯片。
MT8870可以很方便的实现对DTMF信号的接收，电路控制方面无需再加其他的电路就可以实现对DTMF信号的接收与处理，可以在一定程度上简化电路的设计，使设计变得简洁明快。
但是，由于此芯片只能实现对DTMF信号的接收，所以必须在考虑用另外一片芯片来完成DTMF信号的发送。
这在无形中又使得设计变得复杂化。
方案二：
采用MT8880作为处理芯片。
MT8880可以称得上是MT8870的升级产品，利用此芯片通过单片机的控制就可以很方便的实现对于DTMF信号的接收与发送，因此说在设计时只需要考虑如何实现其与单片机之间的连接就可以了，因此说采用此设计可以起到事半功倍的设计效果。
综上所述，我设计信号音检测、自动摘挂机、控制电器、双音频解码、语音录放等功能模块使用硬件电路实现。
而信号音计数、密码校验、在线修改密码、信息分析、电器状态查询等功能模块使用软件编程完成。
2.6电器控制方案选择
电器控制部分的设计决定了控制系统的可靠性，控制系统的目的就是能实现电器的智能控制。
目前常用的电器控制电路有继电器控制、双向晶闸管控制、固态继电器控制等。
继电器控制可控制大功率电器，技术成熟，性价比高，但燥声大，电磁兼容性不好。
双向晶闸管控制是近年来电器控制领域的一个新秀，主要用于交流调压和变流和变频产品中，大功率双向晶闸管控制性价比低，需要专门的驱动电路。
可靠性和过载能力不理想。
固态继电器是一种新型电子器件，一般用于小功率电器的控制，其性价比高，由于其采用过零点触发和关断，所以对其它的电器没有干扰。
由于控制系统主要控制对象是家用电器，一般的家用电器功率不是很大，但总要求控制系统不能或很小干扰对其它家用电器。
从性价比和电磁兼容性方面考虑决定控制系统的电器控制部分采用固态继电器控制
3系统总体框图
为实现控制系统的功能，完成设计要求，采用模块化结构，设计电话远程家庭智能控制系统主要由单片机主控部分、双音频解码部分、电话接口电路和语音提示部分组成。
单片机主控部分主要完成信息处理和记录、控制调度其它部分正常工作、如电器的控制、密码校对和修改等工作。
双音多频解码部分对用户从远端发送来的DTMF（双音多频）信号进行解码，解码后的信号送给单片机进行处理。
电话接口电路主要完成振铃信号检测、模拟摘挂机、语音发送等。
语音提示部分发出语音提示信号，以实现人机互交式操作界面。
根据设计要求及方案论证，系统终端硬件电路方框图如图1所示。
图1系统终端硬件电路方框图
在图1所示的方框图中，单片机系统包括AT89S52、掉电存储芯片AT24C04。
DTMF编解码电路通过单片机接口以总线的方式与单片机连接。
这样在进行编程的时候只需要在程序中把要使用的接口加以定义即可。
4系统硬件设计
4.1核心控制及接口电路
4.1.1AT89S52外形图
图2AT89S52的管脚排列
4.1.2AT89S52引脚功能
VCC：
电源电压
GND：
地
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE：
当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。
当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出（）。
一般情况下，ALE是以晶振频率的16输出，可以用作外部时钟或定时目的。
但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
：
程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。
当AT89C52执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期两次有效，除了当访问外部数据存储器时，将跳过两个信号。
VPP：
外部访问允许。
为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000H到FFFH单元的指令，必须同GND相连接。
需要主要的是，如果加密位1被编程，复位时EA端会自动内部锁存。
当执行内部编程指令时，应该接到VCC端。
XTAL1：
振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
单片机的复位状态：
单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟震荡脉冲2个机器周期以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向IO口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。
当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。
当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。
在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。
在EPROM编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。
程序校验时需要外接上拉电阻。
P1口：
P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向IO口。
P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。
当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。
当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL）。
P2口：
P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的IO端口。
P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。
当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。
作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。
P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX@DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。
在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。
当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX＠R1）,P2口输出特殊功能寄存器的内容。
当EPROM编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。
P3口：
P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的IO端口。
P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。
当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。
作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）[1]。
P3口同时具有的多种特殊功能，具体如下表所示：
表1P3口的第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0）
P3.5
T1（定时器1）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器都选通）
4.2DTMF双音多频编解码电路
4.2.1DTMF信号介绍
DTMF（DualToneMultiFrequency）信号是音频电话的拨号信号。
由美国AT&T贝尔实验室研制，双音多频信号编码技术易于识别，抗干扰能力强，发号速度快，且比用modem进行远程传输的方法更为经济实用，因此这种拨号方法取代了传统的脉冲拨号。
电话中的双音多频信号有两种用途：
一是用于双音多频信号的拨号，去控制交换机接通被叫的用户电话机；二是利用双音多频信号遥控电话机各种动作，如播放留言，语音信箱。
这些都离不开DTMF信号的产生。
4.2.2DTMF信号的特性
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的编译码定义如表2所示。
表2电话拨号数字对应的高低频率组
数字键盘
高频组Hz
1209
1336
1477
1633
低频组
Hz
697
1
2
3
A
770
4
5
6
B
852
7
8
9
C
941
﹡
0
#
D
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、高音群的值，Ab和Aa分别表示低音群和高音群的样值量化基线，而且两者幅值比为K=AbAa（0.7同时规定，对应于表1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%的偏差应能可靠的接收，对30ms～40ms时长的信号可以正常的接收。
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。
4.2.3DTMF信号的应用
DTMF信号即双音多频信号，最先用于程控电话交换系统来代替号盘脉冲信号，如图3所示。
图3DTMF用于拨号系统
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，接受电路用于被控系统，就可以方便地组成有线或无线通信系统，如图4所示，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，则可象电话号码编号一样编为两位或两位以上的号码。
图4DTMF用于控制系统
4.2.4DTMF收发模块
（1）芯片外形图及功能
图5MT8880引脚图
MT8880具有与微控制器（单片机）相连的接口[2]，必须与单片机配合使用，其双列直插式20脚封装引脚排列如图5所示，其引脚功能如下：
IN+、IN—：
分别为内部放大器的同相输入端和反相输入端，即接收DTMF信号的输入端；
GS：
内部放大器的输出端，外接一个负反馈电阻至IN_端；
UREF：
内部参考电压输出端，该参考电压等于UDD2；
UDD、Uss：
分别为电源的正、负端，供电电压为5V；
OSCl、OSC2：
外接一个3．58MHz晶体，形成晶体振荡器；
TONE：
双音频信号输出端；
RW；读写控制端，该端施以高电平时读MT8880，施以低电平时写MT8880；
RSI：
用于选择内部各寄存器的控制端，该端施以高电平时选中控制寄存器或状态寄存器，施以低电平时选中发送数据寄存器或接收数据寄存器。
更具体的对应关系必须根据RW端的状态共同确定，详见表3所示：
表3内部寄存器功能
RSI
RW
内部寄存器及功能
0
0
写数据发送寄存器
0
1
读数据接收寄存器
1
0
控制寄存器CRA或CRB
1
1
读状态寄存器
SYNC，同步脉冲（时钟脉冲）输入端，每读写MT8880时，必须施以一个正脉冲；
IRQ：
在双音频模式并且在中断模式时，当收到有效DTMF信号或准备发送DTMF信号时该端由高电平变到低电平；在呼叫处理模式且检测到有效信号音时，该端输出方波；
D0～D3：
写入命令或读出状态的数据线。
MT8
升级会员 