基于单片机的家庭智能控制系统.docx

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基于单片机的家庭智能控制系统

基于单片机的家庭智能控制系统

目录

摘要……………………………………………………………………………………………2

第一章绪论……………………………………………………………………………………3

1.1系统设计方案………………………………………………………………………………4

第二章系统硬件设计与实现……………………………………………………………………5

2.1方案分析与选择…………………………………………………………………………5

2.2系统总体结构设计框图…………………………………………………………………5

2.2.1单片机概述……………………………………………………………………………6

2.2.2AT89S52主要性能……………………………………………………………………6

2.2.3AT89S52功能特性描述………………………………………………………………5

2.2.3AT89S52引脚排列……………………………………………………………………6

2.2.4串口连接………………………………………………………………………………6

2.2.5DTMF解码电路MT8870功能……………………………………………………………8

2.2.6MT8870电路连接…………………………………………………………………………9

2.2.7语音控制芯片ISD2590功能……………………………………………………………10

2.5LED显示模块及电路……………………………………………………………………11

2.6键盘功能…………………………………………………………………………………12

第三章系统软件设计……………………………………………………………………………13

3.1软件设计…………………………………………………………………………………13

3.2测试分析…………………………………………………………………………………23

3.2.1硬件测试………………………………………………………………………………23

3.2.2软件测试………………………………………………………………………………23

3.2.3测试结论………………………………………………………………………………23

结论……………………………………………………………………………………………24

致谢……………………………………………………………………………………………24

参考文献…………………………………………………………………………………………25

摘要：

本文设计的是一种基于AT89C51单片机的远程电话控制系统。

该系统是以AT89C51为核心、利用现有的个人通信终端,实现基于PLMN（陆基移动通信网）和PSTN（公用电话交换网）的电话远程控制系统。

电话远程控制系统（ITRCS）,以CCITT（国际电报电话咨询委员会）及我国标准共同规定的部分标准程控交换信令（DTMF双音多频信号,振铃信号,回铃音信号等）作为系统控制命令,以PLMN与PSTN通信网作为传输介质,使用者可以在远端利用固定电话或移动电话发送DTMF双音多频信号,实现对近端电器设备的实时远程控制。

该电话远程控制系统不需进行专门的布线,不占用无线电频率资源,从而可避免电磁污染；且通过嵌入式的智能语音提示,突出的语音提示功能和密码控制系统,可使操作者根据各种提示音及时了解受控对象的有关信息。

还可通过发出语音命令用电话远程控制多个受控对象,用户可以查询其状态,提供密码处理功能,只有输入正确的密码才能控制家电,从而提高了安全性。

该系统设计实用，功能灵活多样，可靠性高，操作方便，可以广泛地应用于家庭或者其它场所的智能控制。

关键词　AT89C51；远程电话控制；DTMF；双音多频

第一章绪论

1.1课题背景

二十一世纪是信息时代，各种电信新技术推动了人类文明的进步。

自从1876年，AlexanderGrahamBell（贝尔）发明电话以来，世界各国的电话网络发展非常迅速。

进十年来，中国的固定电话业务呈现出举世瞩目的快速增长。

1997年8月局用电话交换机总容量突破1亿门，网络规模跃居世界第二位，2004年7月固定电话用户总数突破2亿户。

随着通讯产业的发展，电话机已经走进了千家万户；随着现代科学技术的发展，利用电话机进行远程控制的技术也日益用于生活中。

现代电话网络是由交换机和电话传输线共同组成，它的性能已经有了很大的进展，而且可靠性非常高。

遥控技术是通过一定的手段对被控物体实施一定距离的控制，常用的方式有无线电遥控、有线遥控、红外线和超声波遥控等。

无线电遥控既是利用无线电信号对被控物体实施远距离控制。

无线电遥控不可避免的须占用一定的无线电频率资源，造成电磁污染；常规的有线遥控需进行专门的布线，增加了投入；而红外线、超声波遥控则受距离所限。

现有的遥控方式中，还有载波通信控制手段和基于无线寻呼的遥控方式。

载波方式即通过电力线传递信息，该方式只能局限于同一变电所、同一变压器所辖范围内。

因此也存在距离问题，应用范围有限。

基于无线寻呼的遥控方式利用了现有的寻呼频率资源，不需占用额外的频谱。

而且，随着寻呼网的全国联网，其遥控的距离基本不受限制。

但该方式的受控方动作滞后于控制方的操作，不具备实时性，而且不具备很高的可靠性。

随着科技的进步及对生活质量要求的不断提高，人们对家电的选择和使用，己经从只关心家电的单项功能转向追求家电品位和控制的便捷性。

信息技术和网络化技术发展，为家用电器居家环境集中控制和远程遥控提供了可能。

将信息技术与家电控制技术融合，在很大程度上实现家庭生活的信息化和自动化，满足人们舒适、快节奏的生活需要。

鉴于这种数字化家庭的发展趋势，远程监控作为一种理想的有效的而且快捷方便的实现途径己被广泛采用。

家电控制的智能化已成为社会需求的新趋势。

基于微机控制系统的智能化家电使我们的生活更加便利。

而是否能够实现远程家电的开关控制。

又是否能够随时查询电器的工作状况，或者能够事先对家电的定时开关做出控制。

又成为越来越感兴趣的研究方向。

家电产品现已进入成熟期和稳定期。

市场规模稳步上涨，但竞争日愈剧烈，其核心部件。

即控制器性能及质量对企业产品的影响很大。

同时，经济快速发展，人们对于家庭生活的舒适程度也提出了越来越高的要求，尤其体现在家电的便捷方面。

在这个背景下，可以自主控制的家电控制系统，就逐渐显示出竞争力，这也符合时代发展的客观需要。

随着中国经济的快速稳步增长和迅速发展，家电厂家越来越意识到被喻为家电“芯片”的家电控制器的重要性，因而纷纷与专业的研发公司或厂家合作，开发符合市场需求的、具有行业领先水平的控制器。

1.2智能家庭控制系统发展现状

目前。

关于家电控制器的研究和设计方案提出的很多，但仍有许多问题尚待解决，如没有统一的互操作规范等。

但是，一些领先技术已经开始被应用于今天的家电控制领域。

如：

电话远程控制、红外线遥控、语音识别等等。

如将语音识别技术应用到电器产品，来实现语音提示操作，从而使系统具有更加良好的

作界面等。

随着相关技术不断进步，互操作型智能家电必将向着调度智能化、灵活性和互操作性的方向发展。

从而进入寻常百姓家

智能家庭控制系统应用广泛，遍及很多领域，典型应用概括为以下几个方面：

（1）家居安防系统

（2）家居安防系统具有防盗、防火、远程监控及报警等功能。

（3）家用电器自动控制系统

家用电器自动控制系统的主要功能是控制家用电器、照明等电气设备。

该系统能够实现本地集中控制家庭内部照明或家用电器，也可以在需要时通过电话远程控制家庭内部家电设备，节约能源

1.1智能家庭控制系统总体设计方案

智能家居系统总体结构框图如图1所示，该系统由两大部分组成：

以PC为核心的家庭主监控中心及分散于各监控点的，以单片机为从控制中心的智能家电和监控设备前端系统；电话作为远程控制器实现远程异地控制。

系统功能实现是监控中心PC通过单片机监控软件实时循环采集各项数据，当发现异常情况时，系统可以通过电话与用户直接联系，如家电工作时间到，故障，漏电，停电等。

用户也可通过手机电话对家电进行远程设置，如空调/电热水器的开启／关闭及其温度设置等。

由于该系统由软件来支持，所以功能比较完善，对家用电器是控制与反馈速度都比较及时。

在没人的情况下，系统可以根据使用环境来调节家电使用时间与工作速度。

第二章、系统硬件设计与实现

2.1方案分析

方案一：

利用51单片机DTMF（双音多频）解码器MC145436，单片语音ICISD33060C来实现

方案二：

利用52单片机双音频解码器MT8870，语音控制芯片ISD2590来实现。

方案分析：

结合方案一跟二，发现方案一成本较大，软件跟硬件连接较麻烦。

接口电路也有一定的难度。

方案二成本相对较低，软件编辑跟硬件连接也较容易。

结合老师的意见决定用方案二来实现其功能。

2.2电路设计框图

电源电路：

该电路采用串联稳压芯7805最大稳压电流为1.5A，为芯片提供了稳定快速的电压。

使芯片工作在

最佳的状态。

其电路如下：

输入电压范围：

5.7-14V，当输出需要大电流时需在其上面加上散热片以加快集电结散热。

让其更稳定工作。

输出有短路保护。

增强了电路的可靠性。

2.2.1单片机概述

AT89S52作为普通51单片机已与广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使用，且功能强大，因此本系统采用AT89S52单片机作为主控制芯片。

2.2.1AT89S52的主要性能特性描述

与MCS-51单片机产品兼容

8K字节在系统可编程Flash存储器

1000次擦写周期

全静态操作：

0Hz～33Hz

三级加密程序存储器

32个可编程I/O口线

三个16位定时器/计数器

八个中断源

全双工UART串行通道

低功耗空闲和掉电模式

掉电后中断可唤醒

看门狗定时器

双数据指针

掉电标识符

2.2.2单片机引脚图的排列

如右上图所示：

单片机与PC机的连

该电路采用串行接口的基本通信方式。

串行接口的有异步和同步2种基本通信方式。

异步通信采用异步传送格式，如下图所示。

数据发送和接收均将起始位和停止位作为开始和结束的标志。

在异步通信中，起始位占用一位（低电平），用来表示字符开始。

其后为7或8位的数据编码，第8位通常作为奇偶校验位。

最后为停止位（高电平）用来表示字符传送结束。

上述字符格式通常作为一个串行帧，如无奇偶校验位，即为常见的N．8．I帧格式。

数据传送的波特率为9600b／s，则字节中每一位传送时间为T=1／9,600=0．104ms。

根据数据传送的波特率即字节中每一位的传送时间，我们便可用普通i／o口来模拟实现串行通信的时序。

模拟串口的资源需求如表1所示，

PC机的串行接口是符合EIARS232C规范的外部总线标准接口。

RS232C采用的是负逻辑，即逻辑“1”：

-5～-15V；逻辑“0”：

+5～+l5V。

而CM0S电平为：

逻辑“l”：

4．99V，逻辑“0”；0．O1V；TTL电平的逻辑“l，，和“0”则分别为2．4V和0．4V。

因此在用RS232C总线进行串行通信时需外接电路实现电平转换。

在发送端用驱动器将TTL或CMOS电平转换为RS232C电平。

89C52单片机通过普通i／o口与PC机RS232串口实现通信的硬件接口电路如图2所示。

TTL电平到RS232接口电平的转换采用MAXIM公司的MAX232标准RS232接口芯片。

该芯片可以用单电压（+5V）实现RS232接口逻辑“l”（-3～-l5V）和逻辑“O”（+3～+15V）的电平转换。

图2中89C52的P2．1为数据发送端。

单片机89C52是整个系统的核心，他内部的24通道的A／D转换器首先对采集的模拟信号进行转换，转换后得到1O位结果存入结果寄存器，并使中断控制寄存器AI3CIC的中断请求标志ADCIR置位同时触发PEC数据传送。

在89C52中，当一个中断的中断优先级为最高级14或15且定义了与之相关联的PEC服务通道时，该中断就具有PEC服务功能。

这时，当该中断请求发生时，将不触发中断服务程序的执行，而是触发PEC服务。

当PEC服务经过设定的若干次的外部事件触发后，再触发执行相应的中断服务程序（一个普通中断程）。

单片机采集的数据通过I／0口（P2．1脚）经MAX3232转换成RS232电平向上位机传输。

图2中串行LED显示电路仅用于调试，对采集／传输的数据进行监测

2.2.3AT89S52的功能特性描述

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

2.2.5DTMF解码电路MT8870功能

原理简介：

双音多频DTMF信号解码电路采用MT8870芯片。

MT8870的连线如图3－4所示，它的IN+、IN-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AT89C51的P1口的P1.0~P1.3，单片机经P1口识别4位代码。

MT8870芯片简介和电话按键与相应译码（Q4~Q1）输出见附录C。

其中，A，B，C，D4个按键常被当作R/P，REDIAL，HOLD，HANDSFREE等功能使用。

注意，需要特别指出的是，对于“0”号码，MT8870输出的8421码并非是“0000”，而是“1010”；另外，“*”，“#”字号码，MT8870输出的8421码分别为“1011”和“1100”。

为了使单片机AT89C51获取有效数据，MT8870的CID有效端经施密特反相器后接AT89C51的INT0引脚。

当MT8870获取有效双音多频信号后，CID电平由低变高，再反相为低，单片机检测后，指示P1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CID端变化的。

DTMF接收器的外围电路如图3.4所示。

其中，接在电源处的电容对抗干扰有一定的作用。

在实际应用中，存在这样一个问题：

MT8870的使能控制端不允许中断时，将使MT8870的CID端中断关闭。

其解决办法是，将CID端接与非门的一端输入，与非门的另一输入端接一不定电平端P。

对CID的有效控制（即中断开放）为，EN=1则P3.2/INT0中断允许；EN=0时则P3.2/INT0中断关闭。

本单元元器件列表：

1、R1、R2、C1和C2共同组成整流电路，其中R1、R2均取17KΩ,C1、C2隔直电容，均取0.1μF；

2、R3、R4、R5是输入平衡电阻，取100KΩ,

3、芯片外部晶振Y1选择3.579MHz；

4、IC1是双音频解码芯片，选取MT8870；

5、C3选取0.1μF；

6、R6是输出平衡电阻，选取470KΩ；

7、反向器选取74LS04的一组反向器

DTMF技术是一种利用声音频率的不同音调来传送拨号信号以取代直接拨号脉冲的方法。

DTMF是由低频组（697Hz～941Hz）和高频组（1209Hz～1633Hz）两组频率信号叠加构成的。

设v（t）为DTMF信号，vl（t）和vh（t）分别代表选自低频组和高频组的两个信号，它们之间满足关系v（t）=vl（t）+vh（t）=Asinωlt+Bsinωht。

低频组和高频组中均仅有4个独立的音调，这些音调的选择是依据它们之间的谐波不相关，它们的互调制信号对主信令的影响最小。

DTMF信号共有16（24）种组合，其中10种组合分别代表数字0到9，其余6种组合（#、*、A、B、C、D）用做特别的信令。

CCITT和我国国家标准都规定了电话键盘按键与DTMF信号的对应关系，如表3－5所示。

 表3－5 电话键盘按键与DTMF信号的对应关系

电话键

盘按键

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

 电话键盘按键与DTMF信号的对应关系

MT8870芯片介绍：

实现DTMF解码的芯片是MT8870，它是MITEL公司生产的,为CMOS电路,DIP封装。

它具有DTMF信号分离滤波和译码功能，可直接与MCS-51系列单片机接口。

图3－6为MT8870引脚分配图。

其引脚说明如下：

IN+、IN-为运放的同、反相输OSCI入,DTMF信号输入端；FB为运放输出端，通过外部接入的反馈电阻可调节其内部放大器增益；VREF为基准电压输出；IC为内部连接点,应接至VSS端；OSCI、OSCO为振荡器输入、输出可外接3.58MHZ晶振；EN为数据输出控制端，当它为高电平时允许输出数据Q1~Q4为数据输出端；CID为延迟控制输出端;CI/GTO为控制输入端/时间监测输出端;ECO为初始控制输出端；VD、VSS为正负电源。

MJ8870引脚图

2.2.7语音控制芯片ISD2590功能

ISD2590的信息检索模式的使用方法：

首先将芯片的录放控制P/R端置高，地址位A0—A7置高，现在芯片即处于信息检索模式的信息读取状态。

要播放第N段的语音，先给PD端一高电平脉冲，使地址指针复位为0。

因为所有的序号都以存储器起始处为基准，除第一段外，只需要CE端收到10us低脉冲，即可使地址指针按A0-A7寻址第N段的开始处，然后拉高SP+，在CE端加一个低脉冲即可播放第N段的语音信息，直到此段后的EOM标志出现为止。

由此可知准确检索的关键在于正确检测到每一段的EOM结束标志。

因为在快进状态下，EOM脉冲的宽度只有10us左右，对于速度不高的单片机不易检测到，此时可用外部中断来检测EOM标志位。

信号音从ISD2590的SP+口输出，先经过一组反向器进行整流、隔离，从反向器输出的是频率一定，时通时断的方波，提示信号经过隔直电容C1输入到音频放大集成电路LM386N-1的输入端。

经过LM386N-1的放大，信号音经耦合电容C4至变压器T1，它是音频输出专用的耦合变压器，正好符合阻抗匹配的要求。

（本电路重点在于耦合变压器T1（参看模拟摘挂机电路）的选取。

因为电话线中直流电压比较高，而且还有各种信号音，这些都会影响到语音信号加载到电话线上，因此本装置使用一个耦合变压器作为隔离器件。

这个耦合变压器的阻抗匹配问题是设计的难点，这种耦合变压器分两种，一种是输入，一种是输出，经过实验表明输入用的耦合变压器反馈语音性能比较好，其体积大约（10mm×10mm×8mm。

）

音频放大集成电路LM386的连接比较简单，本装置的使用是LM386放大增益为50dB的连接方式。

利用LM386低压音频功率放大器，LM386是为低压用户设计的功率放大器，内部增益为20倍，在1脚和8脚接电阻和电容时，可使增益增加到200倍，用途广泛，使用方便，外接元件数目较少，本系统的音频放大电路如图3－9所示

为了方便本系统的使用，设计了信号音提示音电路如图3－8，首先规定了信号音的规范以及其对含义：

1、响1声，频率为500Hz：

请输入密码；

2、响2声，频率为500Hz：

请输入需要控制的电器号；

3、响3声，频率为500Hz：

请输入控制开/关；

4、响4声，频率为1000Hz：

完成操作；

5、响5声，频率为1000Hz：

密码错误；

语音提示芯片ISD2590的最高地址位PLAYL（脚9），PLAYE（脚10）置为高电平时，芯片即进入操作模式状态。

操作模式根据引脚A0～A7的高低电平不同组合总共分为256种不同的模式，实现不同的功能。

为尽量节省I/O口线，采用了M1和M6相结合的方法实现对ISD2590操作，将所需的语音通过开始/暂停按钮一段一段从话筒录入芯片，只需记住各段的序号即可。

原器件选取：

1、反向器选取74LS04中的一组反向器；

2、C1的是对音频信号起隔直耦合的作用，所以取100μF的电解电容，耐压性能无特殊要求；

3、IC1、R1、R2、R3、R4、C2、C3和C4共同组成音频放大电路，IC1选取LM386N-1，R1取1kΩ，R2取1kΩ，R3取20KΩ，R4取10ΩK,C2取10μF的电解电容，C3取10μF的电解电容，C4取100μF的电解电容。

4、T1是音频输出专用变压器（参看模拟摘挂机电路）；

2.5LED显示电路

采用红色发光二级管显示录音状态，输出控制状态与使用状态。

该显示电路节能，直观软件编辑容易

由于线路简单所以抗干扰能力强。

成本也很低。

2.6键盘功能

人机对话功能，在绝大多数的单片机应用系统仲是必不可少的，它起着沟通操作者与系统之间的联系的重要作用。

包括人对应用系统的状态干预与数据输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结构。

而人机对话功能模块的最基本组成就是键盘、显示器部分。

因此，设计一种键盘、显示两部分融为一体的相对独立的人机对话功能模块很有必要。

对它的设计，在一定程度上影响着系统的智能化程度和操作的直观性。

模块中采用的是由5个按键组成的键盘，利用键盘实现打电话并通过LED显示出来。

这5个键盘分别实现的功能为、免提、重拨、删除、查询、时间设置。

键盘主要作用：

1,通过免提键来实现打电话

2,重拨键实现上次的拨号

3,删除键打电话过程中，进行删除输入错误的号码

4,查询键实现本机拨打过的电话

5,时间设置进行时间的调整

键盘电路如下图所示：

人机对话功能，在绝大多数的单片机应用系统仲是必不可少的，它起着沟通操作者与系统之间的联系的重要作用。

包括人对应用系统的状态干预与数据输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结构。

而人机对话功能模块的最基本组成就是键盘、显示器部分。

因此，设计一种键盘、显示两部分融为一体的相对独立的人机对话功能模块很有必要。

对它的设计，在一定程度上影响着系统的智能化程度和操作的直观性。

模块中采用的是由17个按键组成的键盘，利用键盘实现打电话并通过液晶显示屏显示出来。

这17个键盘分别实现的功能为：

0-9十个数字键、免提、重拨、删除、查询、时间设置。

键盘主要作用：

1、通过免提键来实现打电话

2、0-9数字键在打电话过程中实现输入号码

3、重拨键实现上次的拨号

4、删除键打电话过程中，进行删除输入错误的号码

5、查询键实现本机拨打过的电话

第三章、系统软件设计

3.1软件设计

本系统的软件设计主要分为系统初始化、振铃检测计数、控制摘挂机、双音频信号分析处理、语音提示、密码处理、控