家居远程监控系统设计.doc

_精品资料基于单片机的远程家居监控系统设计摘 要将住宅中各种通信设备，家用电器和家庭保安装置内部网络连接到一个智能控制系统上进行集中或异地监视、控制和事务管理的智能家居（smart home）系统，已成为近年来的一个热门研究课题。本文简要介绍了远程智能家居管理系统的课题背景，分析了智能家居的国内外现状和未来发展趋势和应用前景。分析了系统涉及的硬件配置、组网方式和软件需求，给出了系统的总体设计方案，研究了系统的通信状态和通信协议设计的基本原理，设计了通信协议帧的基本格式及系统使用的部分协议的具体帧格式。在分析了智能控制技术的基础上，对其特点、原理和运行方式进行了讨论。本设计主要是应用于在控制异地家用电器工作，系统由振铃检测电路、自动摘挂机电路、密码检测电路、单片机主控电路、语音提示电路、开关控制电路、电源电路七部份组成。采用AT89C51单片机，配合DTMF解码芯片CM8870和语音芯片ISD400，充分利用硬件电路的稳定性，可靠性，成功实现了用电话对家居电器的远程控制。关键词： 单片机；智能家居；远程监控；CM8870；ISD400 Based on SCM remote household monitoring system design AbstractWill residence of communication equipment, household appliances and home security device internal network connected to an intelligent control system for centralized monitoring, control and or beyond the transaction management intelligent household (smart home) system in recent years, has become a popular research topic. This paper briefly introduces remote intelligent household management system, analyzes the background of the topic of the intelligent home situation at home and abroad and the future development trends and application prospect. Analyses the hardware configuration, involving network mode and software requirements, presented system overall design scheme of the system communication state and the communication protocol design basic principle, design the communication protocol frame of basic format and systems use part of the concrete frame format agreement. The intelligent control technology in analysis based on fuzzy neural network technology, intelligent household controller, constructed of its characteristics, principle and operation methods were discussed. This design is mainly applied in different household appliances work in control by ringing detection circuit, system, automatic picking hang circuit, password detection circuit and single-chip microcomputer control circuit, voice prompt circuit, switch control circuit, the power circuit of seven parts. AT89C51 microcontroller, with DTMF decoder chip CM8870 and pronunciation chip ISD400, make full use of hardware circuit stability, reliability, the successful implementation of household appliances with phone remote control. Key words：AT89C51；smart home；remote monitoring；CM8870；ISD400目 录摘要Abstract1 绪论11.1 课题研究的主要内容及其背景11.2 智能家居系统的一般功能21.3 国内外研究现状及智能家居在我国的发展情况趋势32 远程家居智能监控系统总体设计52.1 远程家居智能管理系统设计要求52.1.1 远程家居智能管理系统设计原则52.1.2 远程家居智能管理系统的功能52.2 远程家居智能管理系统的总体设计方案53 远程家居智能管理系统的硬件构成及电路设计73.1 AT89C51单片机73.1.1 AT89C51的主要特性73.1.2 AT89C51的主要引脚73.1.3 上电复位83.1. 4 时钟电路83.1. 5 中断口P3.3（/INTR1）83.2 振铃检测电路原理图及工作原理93.3 自动摘挂机电路原理图及工作原理93.4 语音提示电路103.4.1 ISD4004简介103.4.2 ISD4004的主要特性103.4.3 ISD4004的主要引脚103.4.4 ISD404录音电路113.4.5 语音提示电路工作过程113.5 密码检测电路123.5.1 CM8870简介123.5.2 密码检测电路的工作过程123.5.3 CM8870的外围电路133.6 开关控制电路133.6.1 ULN2003简介133.6.2 开关控制电路的工作原理143.7 电源电路144 软件设计164.1 主程序框图164.2 语音提示部分184.2.1 串行外围接口SPI184.3 密码检测部分184.3.1 密码检测部分的流程图185 总结19参考文献附录致谢精品资料_基于单片机的远程家居监控系统设计 课题来源：生产实践1 绪论本章介绍了远程智能家居监控系统的课题背景，国内外研究现状和未来发展趋势，说明了本文的主要研究内容。1.1 课题研究的主要内容及其背景智能家居系统利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术及单片机嵌入式技术，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。随着计算机技术、单片机技术和网络技术的不断发展，人们已经不满足于各种家用电器设备带来的便利，而是希望将家居逐步融入信息社会中，因此，智能家居 （smart home）概念应运而生。智能家居是IT技术向传统建筑产业渗透发展的必然结果。由社会背景层面来看，近年来信息化的高度发展，通信的自由化与高层次化，业务量的急速增加与人类生活对工作环境的安全性、舒适性、效率性要求的提高，造成家居智能化的需求大为增加；在科学技术方面，由于计算机控制技术的发展与电子信息通信技术的成长，也促成了智能家居的诞生。智能家居是具有适应性、预测性的智能系统。智能家居的实现目标是将家庭中各种与信息有关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭内部网络连接到一个家庭智能化系统上，实现集中或异地的监控，进行家庭事务管理，并保持这些家庭设施与家居环境的和谐与协调。智能家居不仅具有传统家居的各项功能，而且使家庭与外部保持信息交流畅通，合理地控制能源，增强了家居生活的安全性、舒适性、节能性。智能家居是家居信息化未来发展的方向，智能家居网络的普及将大大提高国民的生活水平和质量。如前所述，智能家居本身是一个内涵很广泛的概念，涉及“人工智能”，“网络通信技术”，“综合布线技术”，“嵌入式系统”，“无线网络”，“单片机系统”等学科内容。本课题将主要专注于智能家居的总体设计以及系统中部分软件的设计与实现。远程智能家居管理系统是由智能便携设备、外部网络、服务器、家庭内部网络以及家用设备所构成的一套完整的家庭智能化控制系统。它以家居系统中的服务器为核心，将智能终端远程控制和本地集中控制集成为一体，实现了家电、三表、安防的本地及远程控制，以此来改善用户的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间。本课题的主要研究内容是：根据“智能家居”的概念，针对实验环境，定义“远程智能家居管理系统”的具体概念和功能；根据定义，设计整个系统的硬件部署，软件体系结构。 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路安装化等几个方面发展。纵观单片机的发展过程，单片机的发展趋势大致有：低功耗CMOS化,微型单片化,主流与多品种共存。单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。下面分别就这三个方面说明单片机的技术进步状况。 1）内部结构的进步 单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：定时器，比较器，A/D 转换器，D/A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。 2）功耗、封装及电源电压的进步 现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式,这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。3）工艺上的进步 现在的单片机基本上采用CMOS技术，技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。 在单片机应用中，可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域,提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，这些新技术表现在如下几点: a）EFT(Electrical Fast Transient)技术EFT 技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和RC滤波电路时，就可以消除这些毛否则令其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。这样，就提高了单片机工作的可靠性。Motorola公司的MC68HC08系列单片机就采用了这种技术。 b）低噪声布线技术及驱动技术在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上，右下或右上，左下的两对对称点上。这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的内部电路造成干扰。现在，很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，另外还在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的噪声。 c）采用低频时钟高频外时钟是噪声源之一，不仅能对单片机应用系统产生干扰，还会对外界电路产生干扰，令电磁兼容性不能满足要求。对于要求可靠性较高的系统，低频外时钟有利于降低系统的噪声。在一些单片机中采用内部琐相环技术，则在外部时钟较低时。也能产生较高的内部总线速度，从而保证了速度又降低了噪声。1.2 智能家居系统的一般功能 智能家居是一个多功能的技术系统，随着人类应用需求和家居智能化的不断发展，智能家居系统将拥有更加丰富的内容，系统配置也越来越复杂。智能家居随住户的个性不同会有所差异，但一般应具备以下基本功能：照明度控制功能，包括照明灯具及家庭背景音乐就地控制、场景朋远程控制及自动控制；安全模式控制：度假模式控制；百叶窗窗帘的开、关和调整。在较大的户型（如别墅、错层、跃层）中安装背景音响系统及灯光集中控制系统，可以营造家庭气氛。安防控制功能，包括侵入报警（门禁系统）、火灾自动报警、煤气泄漏报警、漏电报警、漏水报警。例如：家庭防盗报警系统：防盗探头一般有红外线探头、磁性探头、微波探头等。目前应用于家庭的有被动式室内单（双）鉴红外线（微波）探头，安装在客厅、过道和楼梯的墙面或吊顶处，只要有人走动就能探测到；还有主动式单（多）光束红外线探头，警戒距离为15m250m。还可收、发两探头配对为一组，室内应用于门窗等处，室外应用于围墙上、阳台外、窗外等处，如有人非法侵入就会探测到。门磁、窗磁探头安装于门、窗闭合处，一旦门、窗被打开，就会探测到，并即时报警。另外，作为完善的防盗系统，还可选用高速照相机或摄像机，一旦发生报警，将自动对现场照相或录像。家庭防灾报警系统：防灾探头有煤气泄漏探头，感温、感烟探头。当发生可燃性气体泄漏时，就会发出报警信号，并将该信号传到信息接入箱主机上，同时开启屋内排气扇排除有害气体。当所探测范围内温度升高或烟雾弥漫，火灾探测器就会探测到并即时报警（声光报警或通信报警）。如有消防喷淋系统，则会自动进行喷淋。可视对讲系统：在门厅、书房等处安装可视对讲门铃。来访客人必须经住户同意，由住户遥控开启单元防盗门方可进入。单元门主机也可以通过网络与管理中心主机相连，将来访者输入的信号同时传到管理主机上，便于值班人员掌握客人来访情况。通信功能包括电话、网络、远程控制报警。网络信息家用电器控制系统智能化家居最实用的功能之一便是电话远程控制家用电器。今后的家用电器都会有数据接口，可以通过数据网络实现远程遥控。可以在需要网络远程遥控的家用电器（如微波炉、电饭煲、热水器、空调器、洗衣机等）的电源插座旁，设置数据信息插座。随着信息家电的兴起，更使远程控制家用电器成为可能。信息家电应该是一种操作简便、实用性强、带有pc主要功能的家电产品。信息家电把pc的某些功能分解出来，设计成应用性更强、更家电化的产品，信息家电的出现将推动家庭网络市场的兴起，同时家庭网络市场的发展又反过来推动信息家电的普及和深人应用。环境控制功能包括房问温度、湿度、光线、二氧化碳浓度等对居室环境的控制。1.3 国内外研究现状及智能家居在我国的发展情况趋势智能家居最早是在上世纪70年代起于美欧和日本，90年代进入我国。目前，国内外的许多公司和研究机构对此类课题展开了广泛的研究。智能家居在国外的发展情况自从20世纪70年代中期智能家居技术在美国诞生以来，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居方案。1984年世界上第一个智能建筑在美国康倪迪格州出现口。德国弗劳恩霍研究会与11家公司联手合作，建成世界上第一座智能家居样板房，向人们展示了未来住宅的发展前景。在日本，网络家电开发已取得了重大进展。日本的主要家电厂家制定了网络家电的发展战略，希望依靠网络家电建立起一个新的家电王国。2003年，微软、索尼等数家技术巨头宣布了一项名为“数字家庭组织”该计划将使计算机、DVD、移动电话在家庭网络中可以彼此通讯。Intel，HP和NOKIA也加入了该组织，并为将来的产品选择网络技术。在我国2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向。这必然促使智能化从智能大厦建设向智能化住宅小区，乃至向家居智能化方向发展。建设部要求“到2010年，大中城市中60 的住宅要实现智能化”。到2010年，我国超过70的家庭将有互联网入网设备，50 以上家庭会有多台上网设备。1999年，我国经贸委牵头，成立了家庭信息网络技术委员会。该委员会制订了关于将家庭信息网络技术的体系研究和产品开发方面的国家技术创新专项计划。进入二十一世纪后，中国加快了网络家庭发展的步伐，许多厂商纷纷推出了数字家庭的样板间设想。自从2000年LG电子推出了世界上第一台通过互联网相连的“互联网冰箱”后，国内电子厂家纷纷跟进，推进了网络家电的进程，已成为行业内关注的焦点。人类在追求高度物质文明的同时，更加追求环境绿色化、生活信息化，安全、舒适、方便、现代的家居环境已成为21世纪居家生活的象征。进入21世纪，日新月异的现代科技的力量，打破了传统的时空界限，计算机网络和层出不穷的信息技术，改变了人类的生产、生活方式，科技正以超乎想象的速度深刻地影响着人类的思维模式和生存状态。住宅作为人类生存的物质基础，必将受到信息技术的冲击和影响，传统住宅己不能满足现代社会对其使用功能及其所能提供的环境的更高要求，未来住宅应是高科技与传统技术的有机融合体：不仅功能齐全、居住舒适、使用方便、而且安全节能，有益人类健康和自然生态环境。智能家居是家居技术创新的必然趋势。20世纪80年代，信息技术飞速发展，特别是计算机互联网（INTERNET）技术、计算机集成制造技术（CLMS）更是得到了惊人的发展，人类从此开始进入知识经济时代。从智能家居的发展进程看，它经历了单一专用系统、多功能系统、部分集成系统、一体化的集成管理系统等几个阶段，每个阶段都是技术创新的成果。智能家居建设是我国可持续发展战略的组成部分。我国人口众多，地大而物不博，以快速竭尽自然资源和恶化生态环境为代价的粗放型产业经济发展模式已不符合知识经济时代的要求。中国21世纪议程提出了我国人居环境可持续发展的总方向。在保持住宅产业高速增长的前提下，实现资源的综合利用和环境质量的不断改善，实现住宅产业可持续发展。智能家居首先着眼于人居环境的所有社会功能，着眼于现实与未来的平衡，在可持续发展方面起先导和示范作用；节约能源，节省建材和配套器材等消耗型资源；以人为本，创造人与环境的和谐空间。总之，建设智能家居具有时代的前瞻性，顺应了当今信息社会的潮流，对进一步提高居民生活水平和生活质量具有非常重要的意义。可见，智能家居具有非常广阔的发展前景。 2 远程家居智能监控系统总体设计2.1 远程家居智能管理系统设计要求2.1.1 远程家居智能管理系统设计原则(1) 安全性和可靠性 安全和可靠是对远程家居智能管理系统的基本要求，也是最重要的要求，是设计智能家居管理系统的主要目标。(2) 满足用户需求 远程家居智能管理系统设计将从用户需求分析着手，并以满足用户的需求为目标。(3) 合理性和经济性 在保证先进性的同时，充分考虑系统的合理性、实用性和经济性。(4) 结构化和可扩充性远程家居智能管理系统的总体结构将是结构化和模块化的，具有很好的兼容性和可扩充性，既可使不同的设备产品综合在一个系统中，又可使系统能在日后需要时能够得以方便地加以扩展，扩充另外的设备产品。2.1.2 远程家居智能管理系统的功能我们对远程智能家居管理系统的用户需求进行了分析，并且研究了现有的智能家居的系统功能，提出了远程智能家居管理系统应具备的功能。(1)用户身份认证：远程家居智能管理系统首先应该鉴别用户身份是否合法，只允许合法用户登陆服务器，对家居状态进行查询或管理。(2)家庭安防：安全是居民对智能家居的首要要求，因此家庭安防由是智能家居的最重要的组成部分。家庭安防报警、门窗磁报警、紧急求助报警、燃气泄漏报警、火灾报警等。当家庭智能安防端处于布防状态时，红外探头探测到家中有人走动，或者燃气泄漏，出现火灾等就会自动报警，通过蜂鸣器和语音实现本地报警；同时，系统自动向主人的手机传送报警信息。(3)家电控制：家电控制是智能家居集成系统的重要组成部分，代表着智能家居的发展方向。通过有线或无线的联网接口，将家电、灯光与家庭智能终端相连，组成网络家电系统，实现家用电器的远程控制。(4)远程抄表：水、电、气表的远程自动抄收计费是智能家居管理的一个基本内容。它的实现解决了入户抄表的低效率、干扰性和不安全因素。2.2 远程家居智能管理系统的总体设计方案远程控制是通过一定的手段对异地的电器实施控制，目前研究开发的主要是电话远程控制和Internet远程控制。但基于我国现有的Internet分布和价格情况的分析要利用Internet该方式只能局限于在发达地区，因此存在应用范围问题。所以要利用网络来实现家居电器的远程控制是不现实的。电话远程控制作为一较新的课题与常规的遥控方式相比，显示出一定的优越性，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。同时，由于电话线路各地联网，可以充分利用现有的电话网，因此控制距离可跨省市，甚至跨越国家，相对于Internet来说价格更低实现范围更广，更容易。电话属双工通信手段。因此，可以体现出利用电话进行远程控制的更大优越性。操作者可以通过各种提示音即时了解受控对象的有关信息，从而进行进一步的操作。本作品正是针对这一点进行了较大改进，采取单片机智能控制，利用不同的提示音达到对于不同操作的提示及对受控方状态的信息反馈，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与智能化1。电话远程控制系统是由AT89C51单片机构成主控部分，进行主要的信息处理，接收外部操作指令形成各种控制信号，并完成对各种信息的记录；利用CM8870双音频DTMF解码芯片及ISD4004语音芯片进行信号的传输。接口电路振铃检测、摘挂机控制、开关控制电路提供单片机与电话外线及家居电器的连接。2该系统使用时可并联在电话外线即可。系统原理框图如图所示。单 片 机开关控制密码检测振铃检测自动摘机语音提示电源电 话 线 接 口图21系统框图本系统并联于电话机的两端，不会影响到电话机的正常使用。当用户通过电话机拨通本系统所连接外线的电话号码，本装置如果检测到振铃五次，即五次响铃后无人接，自动摘机，单片机启动语音提示，判断是否进入家电控制模式，摘机电路自动摘机进入控制状态并将摘机信号输入到单片机中，单片机接收到摘机信号后，启动语音提示电路发出提示音，提示作者输入密码。输入的密码经CM8870转换成二进制数并与事先存储在单片机中的密码比较，如果不合，则语音提示密码错误，可重新输入，若三次密码错误则发出提示音并自动挂机，如果输入正确密码，则语音提示选择被控制电器，按“1”键表示开灯，按“2”键表示关灯，按“3”键表示开空调，按“4”键表示关空调，按“5”键表退出家电控制模式，按下所要执行的电器的按键则能进行远程控制电器的开或关，完成后返回。本设计属于单片机应用系统。3确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。设计方法大致如下：根据系统的要求，首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。选择检测元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。选择执行机构，执行机构是微型机控制系统的重要组成部件之一。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况确定。选择输入/输出通道及外围设备。选择时应考虑以下几个问题：被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何要求；画出整个系统流程图和原理图。3 远程家居智能管理系统的硬件构成及电路设计本设计分为AT89C51单片机、振铃检测、摘挂机控制、开关控制、密码检测、语音电路、电源电路几个模块。充分利用硬件电路的可靠性、稳定性和芯片的方便性，使整体电路达到比较高的稳定性。3.1 AT89C51单片机AT89C51在本设计中作为主控部分，完成对各中段赋初值、方式字、密码初始化、密码检测、电器开关控制、振铃计数初值等工作。其外形及引脚排列如图2所示。3.1.1 AT89C51的主要特性1)与MCS-51兼容 ；2)4K字节可编程闪烁存储器 ；3)可1000次写/擦循环；4)数据保留10年；5)全静态工作：0Hz-24Hz；6)三级程序存储器锁定；7)1288位内部RAM；8)32可编程I/O线；9)两个16位定时器/计数器；10)5个中断源；11)可编程串行通道；12)低功耗的闲置和掉电模式；13)片内振荡器和时钟电路。AT89C51的外形及引脚排列如图3.1所示。图31 AT89C51 外形及引脚排列3.1.2 AT89C51的主要引脚P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高，即是要接上拉电阻。P1、P2、P3口都是内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，能接收输出4TTL门电流。当各自管脚写入1后，内部上拉为高，都可用作输入。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收；P2口接收高八位地址信号和控制信号。P3口可作为AT89C51的一些特殊功能口。RST是复位信号引脚。/EA/VPP是程序存储器的读选通信号端。当/EA保持低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当/EA端保持高电平时，对ROM的读操作从内部程序存储器开始。XTAL1(19脚)是反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入端。XTAL2(18脚)是来自反向振荡器的输出端。3.1.3 上电复位在图3.2电路中C4和R1组成单片机的复位电路，连接到单片机的第9脚，它是施密特触发输入，当振荡器起振后，单片机上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，RST高电平单片机保持复位状态。此时，ALE、/PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平，RST变成低电平后，进入工作状态。复位操作不影响片内RAM的内容。3.1. 4 时钟电路在图3.2电路中Y1、C5、C6组成了单片机的时钟电路,这种是内部时钟方式，采用了外接晶体和电容组成的并联谐振电路，晶振可以在1.2-12HMz之间任选，电容可以在20-60pF之间选择。在本部分晶振选12HMz，电容选30pF。3.1. 5 中断口P3.3（/INTR1）图32 AT89C51单片机主控电路在本系统中P3.3（/INTR1）作为中断口，控制整个AT89C51单片机主控电路工作。当单片机上电复位时，P3.3（/INTR1）输出高电平，由于P3.3口外接振铃检测电路，当有振铃到来时，铃流就会以方波信号的形式从振铃检测电路的光耦输出送到中断口P3.3（/INTR1），该中断口检测到该方波信号由高电平跳变到低电平时中断口有效，即在下降沿有效。此时单片机工作，控制各部分电路工作。如果没有振铃输入，则该中断口保持高电平，等待信号的到来。在本设计中P0.0-P0.4口用于接收CM8870输出的8421码。P1.0-P1.6口用于输出用户输入的控制开关的命令。P2.0-P2.4口用作于语音芯片连接的接口。P0.7外接自动摘机电路。P3.3口外接振铃检测电路。第9脚用于复位输入。第18、19脚外接12MHz的石英晶体和振荡电容。AT89C51单片机主控电路如图3.2所示。3.2 振铃检测电路原图及工作原理图33振铃检测电路在电话线路没有振铃信号前，电话线路由电话交换机提供60v的直流电压。当用户被呼叫时，电话交换机发来振铃信号。振铃信号为253伏的正弦波，谐铃失真不大于10%，电压有效值9015V。振铃以5秒为周期，即1秒通，4秒断。振铃检测电路如图3.3所示。本部份电路的设计采用光耦EL817作为主要元件，利用振铃的周期检测振铃。当电话来电时，为正弦波振铃信号通过电阻R20限流、电容C11隔直，二极管D8进行27V稳压又经R19限流再从光耦的1脚输入，光耦EL817导通工作，将交流的振铃信号转换成方波信号，该方波信号再通过光耦4脚接输出，该方波接入AT89C51的外中断INT1（P3.3）口，P3.3端口低电平有效，当计数5次产生INT1中断，则单片机发出信号控制继电器自动摘机，完成振铃检测。3.3 自动摘挂机电路原理图及工作原理由于程控电话交换机对电话摘机的响应是电话线回路电流突然变大为约30mA的电图34自动摘挂机电路 流，交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机。自动摘挂机电路如图3.4所示在本设计中直接采用硬件电路控制自动摘挂机。4在单片机上电复位时P0.7口输出高电平，当有铃流来时中断口检测到低电平，此时P0.7口置低电平，则三极管Q2的B极为低电平，又因三极管Q2的E极接+5V，Q2导通，由于Q3的C极通过继电器K4接+12V，则Q3导通，继电器K4工作，K4被吸合，使电阻R20导通接入电话线两端。由于R20是250较小，电路电流变大，控制电路向交换机发出模拟摘机的信号，交换机响应摘机信号，完成电话线接通，则完成自动摘挂机过程。程序则转入语音提示、密码检测部分。如果没有铃流到来，则P0.7口保持高电平，Q2截止，Q3导通。在此D9是保护三极管9013，D10为是摘机指示灯。3.4 语音提示电路3.4.1 ISD4004简介ISD4004是一种采用ChipCorder专利技术的语音芯片。该芯片内含振荡器、抗混叠滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。ISD4004采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能非常真实、自然地再现语音、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”。 3.4.2 ISD4004的主要特性图35 ISD4004的外形及引脚排列此芯片无须A/D转换和压缩就可以直接储存，没有A/D转换误差，在一个记录位可存储250级声音信号，相当于通常的A/D记录的8倍。ISD4004系列录放时间为816分钟。采样频率可为4.0、5.3、6.4、8.0kHz，频率越低，录放时间越长，音质则有所下降， 片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存100年，反复录音10万次。ISD4004的外形及引脚排列如图3.5所示。3.4.3 ISD4004的主要引脚VCCA，VCCD是电源；VSSA，VSSD是地线；ANAIN+是录音信号的同相输入端。ANA IN-是录音信号的反相输入端。AUD OUT提供音频输出，可驱动5k的负载。SS为片选端。此端为低，即向该ISD4004芯片发送指令，两条指令之间为高电平。MOSI为串行输入端；MISO为ISD的串行输出端。ISD未选中时，本端呈高阻态。SCLK为ISD的时钟输入端；中断INT为漏极开路输出5。3.4.4 ISD404录音电路 在把语音该芯片安装前必须要把语音通过录放系统从该芯片的第16脚（IN-）录进语音芯片内，后才可以安装到工作电路板上。MIC是驻极体电容式话筒，即是语音信号的输入端，声音经声电转换输出的模拟信号通过由9014三极管组成的放大电路加到ISD4004语音芯片的输入端（16脚），并以模拟信号的形式保存在芯片内的模拟存储器单元。录音信号输出经滤波器、输出放大器送到AUOUT端输出经电容耦合到电话线，从而完成话音的重放。当然要完成该芯片的录音必须要该系统的录音程序配合才能成功。电路中9014选择=100，集电极的电流是1mA；由于话筒的输入灵敏度为10mv，输出音频信号的电压为1v则电压放大倍数为100。图3.6为该芯片的录音系统。 图36 ISD4004录音电路3.4.5 语音提示电路工作过程单片机AT89C51的P2.0输出置高电平，则当ISD4004的/SS（第1脚）检测为低电平，则从单片机AT89C51的P2.2口（第23脚）向ISD4004芯片发送控制指令，控制指令从ISD4004芯片的MOSI端口（第2脚）送进该芯片，并在SCLK为上升沿时被锁存到芯片内，且在SCLK为下降沿时移出ISD4004芯片从MISO端口（第3脚）输出返回信号给单片机AT89C51的P2.3口（第24脚）说明控制指令发送成功，且启动语音电路ISD4004,从该芯片的AUDOUT端口（第13脚）发出语音提示：“进入家电控制模式请按1键”并通过C15耦合到电话线上，用户就可以通过听筒接听到提示音，进一步进行下一步控制。在完成一个读取周期，后一个周期开始INT中断状态开始清除，/INT端口（第25脚）就会向单片机发出中断指令。在电路中，C16用1uF的电容，能消除噪音，使语音提示更清晰。语音提示电路原理图如图3.7所示。图37语音提示电路原理图3.5 密码检测电路 3.5.1 CM8870简介CM8870是用于双音频接收的专用芯片，主要包括输入端运算放大器、频带分割滤波器、数字解码器和输出控制单元等4个部分。在输入端，运算放大器部分对输入信号进行必要的增益处理，输出的信号通过基于开关电容技术的频带分割滤波器进行滤波和频带分割，提取高频信号和低频组信号，再将高频信号和低频组信号进行特征提取，最后确定出组成按键的两个频率。将这两个频率值送到相应的输出口进行解码，输出相应的按键代码，这样就完成了一个按键的检测。其外形及引脚排列如图3.8所示图38 CM8870外形及引脚排列3.5.2 密码检测电路的工作过程在用户听到提示音后，按照提示音的要求输入密码或者控制家用电器开关的命令，该密码或命令通过电话线以双音频DIMF信号的形式从CM8870的IN+和IN-两端输入经内部的拨号音频滤波器滤除拨号音频信号，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，再经高低音频滤波器，幅度检测器送入输入译码电路，经过数字运算后从CM8870的Q1-Q4端（第11-14脚）输出对应的8421码。当单片机AT89C51的P0.4口（第35脚）检测到CM8870的STD端口（第15脚）电平由低变高，再反相为低时，则单片机AT89C51的P0.0-P0.3口就开始接收从CM8870的Q1-Q4端（第11-14脚）输出的有效二进制码。同时CM8870的第15脚最后输出高电平，说明输出数据有效，此信号通常作为后级电路的片选或使能信号。当单片机接收到从图39密码检测电路CM8870的Q1-Q4端（第11-14脚）输出的有效二进制码后则会把此有效的二进制码存储到单片机内部的RAM里，并将其与原先存储在单片机内部的二进制密码或命令相比较，如果完全相符则单片机启动语音提示用户的下一步工作；如果不相符则语音提示用户重新输入或退出系统。密码检测电路如图3.9。3.5.3 CM8870的外围电路CM8870的第7、8脚接3.579MHz晶体谐振器，为芯片提供标准时钟。第3脚（GS）为增益选择端，外接的电路通过R14-R18几个电阻控制输入信号的增益，并与第4脚（VREF）输出的参照电压相比较。第5、6、9脚接地。第16、17脚接由R7、C7组成的RC振荡电路。密码检测电路如图3.9所示。3.6 开关控制电路3.6.1 ULN2003简介 图310 ULN2003的内部结构 图311 ULN2003的形引脚排列 ULN2003是由七个硅NPN达林顿管组成6，专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。其外形引脚排列及内部结构如图3.10、图3.11所示。3.6.2 开关控制电路的工作原理本单元电路主要是由反向电路、继电器控制电路组成。在本装置中ULN2003的第8脚接地，第9脚接电源，第1-7脚作为控制信号的输入，第10-16脚作为控制信号的输出端。 开关控制电路图如图3.12所示图312开关控制电路本电路工作时，当单片机送“1”使驱动器三极管导通，单片机送“0”使驱动器三极管截止。本电路上的输出驱动器件ULN2003中内部带有吸收二极管，可有效地吸收感性负载启动时产生的达600mA的峰值电流。所有的开关量输出信号均带有锁存功能。当CPU对设定的一个IO地址执行一次写操作，就送出了一组输出信号。7例如当单片机设定对的IN1（第1脚）进行写操作，即当ULN2003检测到第1脚为高电平时，则通过ULN2003内部反相，从OUT1（第16脚）输出低电平，继电器K1吸合，外部家用电器工作。通过ULN2003电路将外部电器电路与单片机电路隔离，有效地保护的单片机。ULN2003可以驱动7个继电器该系统可控制七路电器，在此只用了三路开关控制。3.7 电源电路图313电源电路图电源电路部分的电路经过变压整流变成12V，+12V电压为继电器提供电源，+12V经限流电阻到三端稳压管7805产生+5V的直流电压为振铃检测电路，自动摘挂机电路，密码检测电路，单片机主控电路，语音提示电路几部分提供电压。7805为正5V稳压管，将它有印刷字母的一面面对自己，右边脚为输出，左边脚为输入，中间脚接地。根据7805的输入电压要求，要高于所需输出电压2V以上8。电源电路图如图3.13所示：本电源设计是由市电经过12V变压器变压后，再经过D1-D4组成的桥式整流器流变成12V直流电压后经C1、C2滤波输出再供继电器工作，再经7805三端稳压后得到5V直流电源，最后经过C3滤波输出。94 软件设计本设计的软件部分是运用在keil开发软件下的汇编语言来进行编程，在设计中软件的模块起着重要的作用，也是比较困难的部分。经过比较，10采用了AT89C51作为控制的单片机芯片。本系统主要程序模块包括AT89C51主控程序、振铃检测计数、控制摘挂机、双音频信号分析处理、控制电器、语音提示几部分。每个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机AT89C51通过软件程序才能很好的对外部的信息进行采集、分析和决策。114.1 主程序框图图41主程序框图图42密码检测流程图4.2 语音提示部分本功能模块主要是重放提示音，为了方便用户，直接使用预先录制在ISD4004语音芯片内的提示音。12所以必须要先把所需的声音通过录音程序录进语音芯片内。因此有必要先介绍ISD4004语音芯片的SPI传输协议。4.2.1 串行外围接口SPISPI协议是一个同步串行数据传输协议，该协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿工作。对ISD4004而言，在时钟上升沿将锁存MOSI引脚的数据，而在下降沿则将数据送至MISO引脚。SPI控制寄存器用于各个器件功能的控制，这些控制包括放音、录音、报文插入、上电和掉电、启动和停止操作以及忽略地址指针等。在控制这些功能时，特别在编写录音、放音程序中必须要严格按照SPI接口指令定义13。在本系统中的提示音主要有：1、询问是否进入家电控制模式：“进入家电控制模式请按“1”键”录在ISD4004开始地址为01H；“请输入密码，以#字结束” 录在ISD4004开始地址为03H；“密码错误，请重新输入，以#字结束” 录在ISD4004开始地址05H。2、电器开关控制：“请选择操作电器，按“1”键开灯，按“2”键关灯，按“3”键开空调，按“4”键关空调，按“5”键退出家电控制模式” 录在ISD4004开始地址07H； “本次处理完毕” 录在ISD4004开始地址09H。 这些提示音使用是有限循环，要把这些提示音录进芯片或从芯片中放出可看具体子程序代码。4.3 密码检测部分本系统的设计是利用CM887014的多音频解码功能把用户输入的信息解码成所需的二进制码再与预先写进单片机内部的密码比较来实现。4.3.1 密码检测部分的流程图本系统密码校验的基本原理是：在系统初始化的时候把原始密码写入地址为31H开始的存储空间内，密码的位数“5”赋给R7。当系统摘机时，要求输入密码，单片机把用户解码后的数据（使用者