基于嵌入式的智能家居控制设计毕业设计论文 精品.docx
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一设计题目
基于嵌入式的智能家居控制系统设计
二设计要求
人们可以通过手机或电话在任何时候、任意地点对家中的任意电器（空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机）进行远程控制；也可以在下班途中，预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭……；而这一切的实现都仅仅是打一个简单的电话。
此外，该系统还可使家庭具有多途径报警、远程监控等多种功能，如果不幸出现某种险情，您和110可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。
舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志，智能家居控制系统能够在不改变家中任何家电的情况下，对家里的电器、灯光、电源、家庭环境进行方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。
三设计的作用目的
智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。
利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。
与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。
还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。
四设计方案
4.1系统总体设计
图4.1-1系统工作流程
4.2单片机控制部分
本系统是单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，其特点是体积小，成本低，功能强，功耗低，是微机应用产品化的最佳机种之一，它已广泛地应用在产品智能化和工业自动化上。
而把单片机面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。
嵌入式系统一般分为四种:
工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。
嵌入式系统具有以下特点：
（1）面对控制对象。
如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。
（2）嵌入到工控应用系统中的结构形态。
（3）能在工业现场环境中可靠运行的品质。
（4）突出控制功能。
如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统（I/O控制、位操作和转移指令等）。
单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。
单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。
4.3远程控制设计
4.3.1控制系统设计
系统控制器由MT8870接收远端发送来的DTMF信号、并对其进行解码，解码后的信号由中央处理单元采集处理。
为了方便用户使用，系统设计了语音提示界面。
电话远程控制系统一般工作在无人值守环境，所以应具有自动离线、上线、复位功能。
为了符合
智能化要求，系统采用SM8952AC25P作为中央处理器。
同时，电话远程控制系统正常工作还需电源供电电路、驱动电路等辅助电路。
系统组成框图如图2.2-1示。
由图可知，系统主要由振铃检测电路、模拟摘挂机电路、DTMF音频解码电路、语音提示电路、中央处理单元（SM8952AC25P）、控制电路、电源电路等组成。
图4.3-1远程控制系统
控制器并联于电话机的两端，不会影响电话机的正常使用。
用户通过异地电话拨通控制器所连接外线的电话号码，通过程控交换机向电话机发出振铃信号。
控制器检测到六次振铃后，即六次响铃后无人接听时电话自动摘机，进入密码检测阶段，输入正确密码后选择被控电器，然后输入开或关密码遥控被控电器，完成后返回。
4.4传感器信号采集设计
4.4.1防火灾发生传感器
如有火灾发生控制器发出声光和短信报警信号，通知家人及小区物业管理部门。
家庭控制器还可以根据有人在家或无人在家的情况，调节感温探测器和感烟探测器的灵敏度。
本系统采用NIS-09C型烟雾传感器。
4.4.2可燃气体泄漏传感器
如有燃气泄漏家庭控制器发出声光报警信号，并联动关闭燃气管道上的电磁阀，同时短信通知家人及小区物业管理部门。
这里采用TP-2高温型一氧化碳传感器报警器需在一氧化碳浓度达到设定制值时系统应启动报警。
4.4.3防盗传感器
防盗报警的防护区域分成两部分，即住宅周界防护和住宅内区域防护。
住宅周界防护是指在住宅的门、窗上安装门磁开关，在对外的玻璃窗、门附近安装玻璃破碎探测器；住宅内区域防护是指在主要通道、重要的房间内安装被动红外探测器或被动红外／微波双技术探测器。
当家中有人时，住宅周界防护的防盗报警设备（门磁开关、玻璃破碎探测器）设防，住宅内区域防护的防盗报警设备（红外探测器或被动红外／微波双技术探测器）撤防。
当家人出门后，住宅周界防护的防盗报警设备（门磁开关、玻璃破碎探测器）和住宅内区域防护的防盗报警设备（被动红外探测器或被动红外／微波双技术探测器）均设防。
当有非法侵入时，家庭控制器发出声光报警信号，并短信通知家人及小区物业管理部门。
另外，通过程序可设定报警装置的等级和报警器的灵敏度。
4.4.4信号采集设计
传感器是将外界信息转换成电信号的装置，其中的电信号包括数字信号和模拟信号，数字信号可以通过电气隔离直接送给单片机或微型计算机进行处理，模拟信号则利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。
4.5GSM模块的接口与设计
4.5.1TC35模块组成
Siemens公司的TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。
作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。
在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。
4.5.2TC35模块通信电路
数据通信电路主要完成短消息收发、与微机机通信、软件流控制等功能。
TC35的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-TRS-232接口电路标准，工作在CMOS电平（2.65V）。
数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300bps～115kbps的波特率下运行，支持的自动波特率为4.8kbps～115kbps（14.4kbps和28.8kbps除外）。
TC35模块还支持RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的软件流控制。
4.5.3TC35模块与MCU连接方式
单片机与TC35一般采用串行异步通信接口，具有红外和通信电缆两种连接方式其中电平转换及串口通信功能以TI公司的MAX3238芯片为核心，通信速度可设定，通常为19200bps。
采用红外接口的优点是单片机系统与手机电气隔离，相互不干扰，接口各自独立，使用方便；缺点是通信距离较短，红外传播的方向性对接口相对位置有要求。
采用电缆连接时，数据传输的可靠性较好；其主要缺点是接口的电气参数不兼容，设计不当时就会对手机的通信质量产生影响。
这个单片机系统其实就是一个具有GPRS功能的GSM手机模块加上单片机控制系统，GSM手机模块主要是用来建立无线信道，接收和发出短消息。
单片机系统用来控制手机模块，并且对收到的短消息信息进行解释并执行，目前全国共有8种短消息格式包含从互联网平台发出的短消息。
本系统采用通信电缆的连接方式。
4.6红外学习遥控设计
经过充分的论证和研讨，本系统采用各设备集中控制的方式实现。
集中各设备的方法是首先对各设备的红外遥控信号进行识别并存储，然后在需要时进行还原，以控制对应设备动作。
由单片机构成集中控制器，它是自学习与还原的核心部分，红外接收部分由CX20106解调电路或一体化红外接收头组成，发射部分有红外发光管极其驱动部分组成。
通常，红外遥控器将遥控信号调制在38KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去。
二进制脉冲码的形式有多种，其中最为常用的是PWM码（脉冲宽度调制码）和PPM码（脉冲位置调制码）。
PWM码以宽脉冲表示1，窄脉冲表示0。
PPM码脉冲宽度一样，但是码位的宽度不一样，码位宽的代表1，码位窄的代表0。
遥控编码脉冲信号（以PPM码为例）通常由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能反码等信号组成。
引导码也叫起始码，由宽度为9ms的高电平和宽度为4.5ms的低电平组成（不同的遥控系统在高低电平上有一定的区别），用来标志遥控编码脉冲的开始。
系统码也叫识别码，它用来指示遥控系统的种类，以区别其它遥控系统，防止各种遥控系统的误操作。
功能码也叫指令码，它代表了相应的控制功能，接收机中的微控制器可根据功能码的数值完成各种功能操作。
系统反码与功能反码是系统码与功能码的反码，反码的加入是为了能在接收端校对传输过程中是否产生差错。
为了提高抗干扰性能和降低电源消耗，将上述的遥控编码脉冲对频率为38KHz（周期为26.3ms）的载波信号进行脉幅调制（PAM），再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。
由于遥控器的二进制编码脉冲有一定的宽度，而且它的高低电平均不断的交替变化，因此容易让我们想到一种容易且方便的方法，脉宽测量。
虽然它的二进制脉冲的高低电平的宽度有所不同，但它们大都是毫秒级的，因而，采用单片机的定时器来测量它的脉冲宽度，然后存储，还原是完全可以实现的。
实际证明这种思路是可行的，而且电路简单，容易实现。
五系统硬件设计
5.1MCUSM8952AC25P简介
SM8952C25的最高主频为25MHz,内带8KB闪存的MCU，SM8951/8952系列产品是内嵌4/8K字节闪存的8位单片微控制器它具有多达32个I/O口其4K/8K的闪存既可作程序存储空间也可以作数据存储空间或程序数据混合空间这些硬件特征和其强大的指令系统和其自带可编程看门狗使它能应用于不同的场合，因此是一种通用的和性能价格比高的控制器，SM8951/8952允许用户还可以通过置位SCONF寄存器的位0（ALE1）来降低EMI，其中的看门狗定时器（WDT）是1个16位自运行计数器在计数器溢出时会产生复位信号。
WDT对那些易受噪声干扰电压波动或放电现象影响的系统很有用在程序跑飞或死机的情况下，WDT可以使用户程序脱离不正常状态。
WDT不同于8052系统的定时器0定时器1和定时器2。
通过软件周期性的清除WDT计数器的值可以防止WDT产生复位信号。
片上闪存可以使用商用编程器进行编程。
5.2双音多频收发器MT8870简介
MT8870是一种带呼叫进展过滤器的单片双音多频收发器。
它包括一个带增益可调放大器的DTMF接收器和一个DTMF发送器。
其中滤波电路采用高频群和低频群两个六阶开关电容带通滤波器，解码采用数字计数器技术来确定输入的DTMF音调的频率，并将其译成标准的四位二进制码。
发送器采用开关电容D/A变换器。
片内使用了一个脉冲计数器，能合成精确的音调脉冲，保证音调脉冲准确的定时发送。
MT8870提供了一个标准的微处理器总线接口，可以直接与MCS-51系列MCU和微机接口。
它还可以选用呼叫进展方式工作，通过呼叫进展滤波器来检测特定通带内的信号频率，供微处理机或计数器电路分析，以确定检测到的呼叫进展音的性质。
它从接收端接收来自电话机的双音多频脉冲信号该双音多频信号先经其内部的拨号音滤波器，滤除拨号音信号，然后经前置放大后送入双音频滤波器，将双音频信号按高，低音频信号分开，再经高，低群滤波器，幅度检测器送入输出译码电路，经过数字运算后，在其数据输出端输出相对应的8421码。
5.3ISD2500系列单片语音录放简介
美国ISD公司的2500芯片，按录放时间60秒、75秒、90秒和120秒分成ISD2560、2575、2590和25120四个品种。
ISD2500系列和1400系列语音电路一样，具有抗断电、音质好，使用方便等优点。
它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K（1400系列为128K），所以录放时间长；有10个地址输入端（1400系列仅为8个），寻址能力可达1024位；2500系列最多可分为600段，只要在分段录/放音操作前（不少于300纳秒），给地址A0~A9赋值，录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志（EOM）；而放音时芯片遇到EOM标志即自动停止放音，设有OVF（溢出）端，便于多个器件级联。
5.4固态继电器（SSR）简介
继电器是本系统的执行机构，本系统选用D4810型固态继电器，固态继电器（SSR）与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。
SSR是一种全部由固态电子组件组成的无触点开关组件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。
固态继电器有三部分组成:
输入电路，隔离（耦合）和输出电路。
安输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。
有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。
固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。
固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。
交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。
固态继电器有寿命长、可靠性高、灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好、快速转换、电磁干扰小的优点。
D4810型继电器输入电流为5-40mA，电压3－30V，额定输出电流10A，输出电压范围宽为20-220V，满足项目的要求。
5.5远程控制电路设计
5.5.1振铃检测电路
振铃检测电路如图5.5.1所示，图中二极管有2种作用：
（1）将不确定的线路供电正负变为固定的正负输出；
（2）将交流的振铃信号变为脉动直流以供检测。
当没有振铃信号时，线路上的供电电压为48V（部分交换机为60V），经四个二极管构成的全桥整流后，不足以使62V稳压管导通，振铃信号输出端电压接近0V，当振铃信号到来时，线路上的90V交流振铃信号经全桥整流变换后90V的脉动直流电，其峰值足以击穿耐压值为62V稳压管，经电阻R1给U1提供电压，从光电耦合器输出的波形是时通时断的方波方波信号，可以直接输出至单片机的中断输入口，CPU可以根据振铃信号光电转换后的高低电平检测有无振铃。
其中通过光电耦合一次侧的输入及的电流为：
（3-1）
即R1取5.1K满足设计要求。
电路中光电耦合U1隔离了振铃信号和单片机的直接连接，光电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端（一次侧）与信息接收并输出端（二次侧）是绝缘的，从而对地电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰能力。
保护单片机也提高了稳定性。
图5.5.1振铃检测电路
5.5.2模拟摘挂机电路
模拟摘挂机电路如图5.5.2所示。
平时电话挂机时，两条电话线处于开路状态，两电话线的电压为48V（部分电话为60V），加到电话机的振铃电路两端，当摘机时振铃电路断开，两电话线接通，阻值大约250Ω。
当拨打电话号码时，来自电话线的高压振铃信号经铃流检测电路，通过光电耦合器在其二次侧形成方波脉冲信号送到单片机进行振铃脉冲进行计数，当振铃次数达到设定次数时，由单片机内部软件过程控制，控制摘挂机口输出一个低电平，然后电平送到三极管PNP1的基极，使三极管饱和此时，+5V电源经三极管，再通过继电器线圈接地，继电器线圈得电，使继电器的常开触电闭合，250Ω的电阻接入电路当中，电话接通。
当用户输入密码错误，或者是操作结束后，系统由软件控制PNP1截止，继电器线圈失电，常开触点断开，电话线又处于开路状态，从而实现模拟挂机。
图5.5.2模拟摘挂机电路
5.5.3双音频解码电路
DTMF（DualToneMultiFrequency）双音多频信号解码电路是目前在按键电话（固定电话、移动电话）、程控交换机及无线通信设备中广泛应用的集成电路。
它包括DTMF发送器与DTMF接受器，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如表1所示：
电话远程控制系统采用MITEL公司生产的MT8870DTMF接受器作为DTMF信号的解码核心器件。
MT8870主要用于程控交换机、遥控、无线通信及广播系统，实现DTMF信号的分离滤波和译码功能，输出相应16种频率组合的四位并行二进制码。
MT8870具有拨号音抑制和模拟信号输入可调功能，所以在设计MT8870DTMF解码电路时，只需外加一些阻容组件即可。
表1电话键盘与DTMF频率对应关系表
高频
低频
1209Hz
1336Hz
1477Hz
1633Hz
697Hz
1
2
3
A
770Hz
4
5
6
B
852Hz
7
8
9
C
941Hz
*
0
#
D
本系统的双音多频DTMF信号解码电路由MT8870主要承担。
MT8870的连线如图3.2-3所示，其的2、3脚接收来自电话机的双音多频脉冲信号该双音多频信号先经其内部的拨号音滤波器，滤除拨号音信号，然后经前置放大后送入双音频滤波器，将双音频信号
按高，低音频信号分开，再经高，低群滤波器，幅度检测器送入输出译码电路，经过数字运算后，在其数据输出端（11~14脚）输出相对应的8421码。
MT8870的数据输出端Q4~Q1连到单片机，单片机识别4位代码。
电话按键与相应译码（Q4~Q1）输出。
其中，A，B，C，D4个按键常被当作R/P，REDIAL，HOLD，HANDSFREE等功能使用。
为了使单片机及时获取有效数据，MT8870的CLD有效端经反相后接CPU的INT0引脚。
当MT8870获取有效双音多频信号后，CLD电平由低变高，再反相为低，CPU检测后，指示输入口接收有效二进制代码。
而无效的双音频信号（电话线路杂音、人们的语音信号等）是不会引起MT8870的CLD端变化的。
DTMF接收器的外围电路如图5.5.3所示。
图5.5.3双音频解码电路
5.5.4语言提示电路
ISD2560芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样值直接存储在片内单个E2PROM单元中，不需另加A/D或D/A变换来存储和重放，能够非常自然、真实地再现语音，音乐，音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"，因此，作为目前国内外较为理想的语音芯片，在许多领域得到了广泛地应用。
语音芯片音质的优劣、功能的强弱决定了报站器的语音效果和性能。
如图5.5.4所示，语音控制电路由单片机完成。
其中，系统中单片机P0端口为单片机与语音芯片的通讯口。
ISD2560中，模拟电源（VCCA）和数字电源（VCCD）使用不同的电源总线，分别引到外封装上；模拟地（VSSA）和数字地（VSSD）也使用不同的地线。
图5.5.4语言录放电路
5.6TC35短消息模块电路设计
5.6.1TC35短消息模块接口电路
TC35短消息模块是RS-232C标准接口，RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（recommededstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。
它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。
目前在PC机上的COM1、COM2接口就是RS-232C接口。
TI公司的MAX3238芯片如图5.6.1供电电压为3～5.5V，符合TIA/EIA-232-F和ITUv.28标准。
具有独特的±15KV人体静电保护措施，兼容5V逻辑输入，内含3路接收、5路发送串行通信接口，最大数据传输速率可达250kbps。
该芯片的最大特点是，在串行口无数据输入的情况下，可以灵活的进行电源管理，即当FORCEON（13脚）为低电平、/FORCEOFF（14脚）为高电平时，Auto-PowerdownPlus功能有效。
在正常运行模式下，约30秒事件内若芯片在接收和发送引脚没有检测到有效信号，将自动进入Powerdown模式，此时耗电1uA。
如果FORCEON和/FORCEOFF引脚均为高电平，那么Auto-PowerdownPlus功能失效。
在Auto-PowerdownPlus功能有效的时，如果检测到接收或发送引脚有信号输入，该芯片自动被激活，转入正常工作状态。
如果任一接收通道的输入电压高于2.7V或小于-2.7V，或者位于-0.3V～0.3V的时间小于30uS，则/INVALID（15脚）引脚为高电平（数据有效）。
如果所有接收通道的输入电压位于-0.3V～0.3V的时间大于30uS，则/INVALID（15脚）引脚为低电平（数据无效）。
该芯片的以上特性，满足了TC35作为移动终端的接收和发送电路连接要求。
图
图5.6.1RS232接口电路
5.6.2TC35短消息模块控制设计
SM8952AC25P与TC35之间通过异步串行接口进行通信，通信速率为9600b／s,具有1位起始位、8位数据位、1位停止位，无奇偶校验。
由于TC35的数据接口工作在CMOS电平,接口电平为3.3V～5.5V，而SM8952AC25P单片机串口工作在TTL电平，工作电压范围一般比TC35宽，故应在SM8952AC25P和TC35之间加电平转换电路和电平限制电路。
若无电平转换，则有可能使智能模块的性能不太稳定。
ZIF连接器给SIM卡接口提供6个引脚，其中CCIN用来检测SIM卡是否插好，其它5个引脚分别为ccvcc（电源，2．9v）、CCGND（地）、CCRST（复位）、CCCLK（时钟）和CCIO（数据）。
ZIF连接器的SYNC脚控制灯的状态，以此判断TC35的工作状态。
系统加电后，为使TC35进入工作状态，必须给IGT加一延时大于100ms的低脉冲，电平下降持续时间不可超过lms；启动后，IGT应保持高电平（3.3V）：
驱动IGT时，TC35的供电电压不能低于3.3V．否则TC35不能被激活。
5.7红外遥控电路设计
5.7.1红外遥控接收电路设计
所有红外遥控器的输出都是用编码后的串行数据对38kHz～40kHz的方波进行脉冲幅度调制而产生的。
如果直接对已调波进行测量，而其脉宽只有20多微秒，由于单片机的指令周期是微秒级，会产生很大的误差。
因此，先要对已调波进行解调，对解调后的波形进行测量。
将CX20106或一体化红外接收头解调出的遥控编码脉冲直接连入SM8952AC25P单片机的INT0和T0脚，定时器T0和T1都初始化为定时工作方式1，T0的GATE位置位。
每次外部中断首先停止定时，记录T0、T1的计数值，然后将T0、T1的计数值清零，并重新启动定时。
T0的值即为高电平脉宽，T1～T0的值为低电平脉宽。
T0、T1与红外编码信号脉宽的对应关系并且存储到外部储蓄器24C256中等待发送调用。
图5.7.1红外学习遥控接收电路设计
5.7.2红外学习遥控发送电路设计
遥控信号的还原是通过SM8952AC25P的T2特殊输出口进行二进制脉冲码的高电平与低电平的调制输出，其中调制为利用单片机特
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