（电气工程专业论文）基于单片机的智能家居系统的研究.pdf

合肥 工 业大 学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合 肥工业大学硕士学位论文质量要求。 ：搿尹芴嘲j 彬刃织拣互，j 囔备， 亥哪之每寝2 气衲j 彳覆侈、 颓：辫 南仅 饥懈橄 导师： 节扒 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金8 墨工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：7 伊f d 年l 月，o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：矽f 0 年f 月f 口日 日 学位论文 工作单位 通讯地址 导师签名： 签字日期： 电话：以矽榭夥p 邮编：矽彩 月 基于单片机的智能家居系统的研究 摘要 智能家居系统包括家居保安系统和家用电器远程控制系统两个重要组成部 分，其对于提高人们的生活质量，尤其是普通家庭的生活质量有着重要的意义。 家居保安系统能够准确无误的检测出偷盗和火灾信号，同时当有偷盗和火灾信 号发生时，能够及时地将信号发送出去报警，即实现对住宅的火灾、有害气体 泄露、盗窃以及入室抢劫等的准确检测和自动报警功能；家用电器远程控制系 统通过语音电路和解码电路来实现用户和系统的交互，实现对家用电器的远程 控制功能，即用户通过电话线实现远程控制家用电器的功能。本研究详细介绍 了家居保安系统和家用电器远程控制系统的硬件配置与软件流程，并通过单片 机实现上述两个功能。 关键词：单片机智能家居控制系统 一一 r e s e a r c ha n dd e s i g no fs m a r th o m e s y s t e mb a s e d o i l s i n g l e c h i pm i c r o - - c o m p u t e r a b s t r a c t s m a r th o m ec o n t r o ls y s t e mw a sc o n s t r u c t e db yt w oi m p o r t a n tf a c t s ：h o m e s e c u r i t ys y s t e ma n dh o u s e h o l da p p l i a n c e sr e m o t ec o n t r o ls y s t e m i ti so fg r e a t f i g n i f i e a n c et oi m p r o v i n gp e o p l e sq u a l i t yo fl i f e ，e s p e c i a l l yf o ro r d i n a r yf a m i l i e s t h es i g n a l so fp i l f e r a g ea n df i r ec o u l db ed e t e c t e dp e r f e c t l ya n ds e n d e dt i m e l yf o r g i v i n ga na l a r mb yh o m es c u r i t ys y s t e m s ot h ed e t e c t i o na n d a u t o m a t i ca l a r m s y s t e mf o rf a m i l ya c c i d e n t sc o u l db er e a l i z e d ，s u c ha sf i r e ，h a r m f u lg a sl e a k a g e ， p i l f e r a g ea n dh o u s er o b b e r y t h ei n t e r a c t i o no fu s e ra n ds y s t e m ，a n dt h er e m o t e c o n t r o lo fh o u s e h o l da p p l i a n c e sc o u l db er e a l i z e dv i as o u n da n dd e c o d i n gc i r c u i to f h o u s e h o l d a p p l i a n c e sr e m o t ec o n t r o ls y s t e m a si tw e r e ，u s e r sm a yc o n t r o l h o u s e h o l da p p l i a n c er e m o t e l yv i at e l e p h o n el i n e t h es t u d ye x p a t i a t e dd e t a i l e d l y o nh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r ef l o wo fh o m e s e c u r i t ys y s t e ma n d h o u s e h o l da p p l i a n c e sr e m o t ec o n t r o ls y s t e m a n db o t ho ft h e mh a sb e e nr e a l i z e db y s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r k e yw o r d s ：s i n g l e c h i pm i c r o - c o m p u t e r ；i n t e l l i g e n t ；h o m ec o n t r o ls y s t e m 致谢 时光飞逝，岁月如梭，转眼我的硕士学习生活就要结束，在此，我怀着一 颢感恩的心谢谢所有给予我帮助的人。 首先，向我的导师杜少武教授致以诚挚的谢意。在硕士学习期间能有幸师 从杜少武教授，无论是在论文的选题、课题的设计，尤其在论文撰写期间，始 终都得到了导师的悉心指导、热情鼓励和支持，字里行间都透露着导师的心血。 同时，杜教授严谨的治学态度、坚实的专业知识以及开拓进取的科研精神都是 我工作和学习的榜样。在此，我谨向尊敬的导师表示诚挚的敬意和衷心的感谢。 感谢合肥工业大学电气与自动化工程学院的领导和老师们在学习、生活等 各方面给予我关心和帮助，他们平易近人的品格，诲人不倦的精神永远都值得 我学习! 感谢孟祥发老师，在学习、工作、生活等各方面给予了亲切的关怀和 悉心的指导。 感谢芜湖职业技术学院电气工程系的同事们，一直以来给予的支持、鼓励 与鞭策，让我终于在繁忙的工作之余能够完成学业。 感谢我的爱人，他的支持与鼓励，让我能够积极乐观地工作和幸福地生活 着。 最后，感谢所有关心、支持我的亲人、老师和朋友，祝你们永远幸福、安 康! 作者：柯国琴 2 0 1 0 年1 0 月1 8 日 目录 第l 章绪论。1 1 1 引言1 1 2 国内外发展现状2 1 3 本课题研究的主要内容3 第2 章系统的总体设计5 2 1 系统控制方案的选择5 2 2 系统总体设计6 第3 章系统硬件设计。9 3 1 系统的功能与硬件组成9 3 2 单片机选型9 3 3 振铃检测电路1 3 3 4 模拟摘挂机电路1 5 3 5 探测器1 6 3 6d t m f 解码和编码电路2 3 3 7 语音电路2 7 3 8 电器控制电路3 2 第4 章系统软件设计3 3 4 1 家用电器远程控制系统软件设计3 3 4 2 家庭安全自动报警系统软件设计3 3 4 3d t m f 编码和解码软件设计3 4 4 4i s d 4 0 0 4 语音录放系统软件设计3 5 第5 章总结与展望3 7 5 1 研究工作的总结3 7 5 2 研究工作的展望3 7 附蜀匙a 。4 0 附蜀毛b 。4 l 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 10 图3 1 1 图3 1 2 图3 13 图3 14 图3 15 图3 16 图3 17 图3 18 图3 19 图3 - 2 0 图3 2 l 图3 2 2 图3 2 3 插图清单 基于以太网的家用电器远程控制系统框图5 基于短消息的家用电器远程控制系统框图6 基于固定电话网的家用电器远程控制系统框图6 智能家居系统硬件电路框图9 a t 8 9 s 5 l 单片机1 0 a t 8 9 s 5 l 单片机方框图1 2 单片机电路1 3 振铃检测电路1 4 振铃检测电路仿真用图1 5 振铃检测电路仿真结果1 5 模拟摘挂机电路1 6 红外线热释电传感器的传播示意图18 热释电红外探测器电路1 8 微波探测器电路1 9 温度检测电路2 0 光电感烟探测器电路2 2 由m q 一7 气体传感器构成的测量电路2 2 m t 8 8 8 8 芯片引脚排列图2 4 m t 8 8 8 8 的内部逻辑图2 5 d t m f 编码和解码电路2 7 i s d 4 0 0 4 芯片引脚2 8 i s d 4 0 0 4 语音芯片内部结构框图2 9 s p i 端口的控制位3 0 i s d 4 0 0 4 语音芯片连接图3l 音频放大电路3 2 电器控制电路图一3 2 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 - 6 表3 7 表3 8 图表清单 0 a 8 4 0 1 0 9 芯片的引脚说明2l 双音频的拨号代码2 3 m t 8 8 8 8 芯片各引脚功能2 5 m t 8 8 8 8 寄存器控制功能表2 6 m t 8 8 8 8 状态寄存器功能表2 6 m t 8 8 8 8 控制寄存器功能表2 6 i s d 4 0 0 4 引脚功能2 8 s p i 接口指令3 0 第l 章绪论 1 1 引言 随着现代社会的不断进步，人们的生活水平也不断提高，人们对生活品质 白要求也就越来越高，开始追求个性化、智能化，追求快捷、高效，充满乐趣 白生活方式。人们在居住条件不断改善和提升的基础上，对家庭装修的档次要 求越来越高，对家居环境也追求种人性化、智能化，智能家居也就应运而生。 f j i 此，智能电子技术也开始在智能家居电子产品中得到广泛了应用，而网络通 信技术的飞速发展，给现代人们的家居生活也带来了全新的体验。智能家居正 在日渐兴起，家居智能化正在成为一种趋势【l 弓j 。 智能化系统是从上个世纪八十年代兴起于欧美国家和日本，并于九十年代 束进入我国，经过十几年发展，尤其是伴随我国住宅与房地产业的高速发展， 住宅小区的智能化系统将在中国成为住宅市场的主流。 从1 9 9 8 年房地产业的复苏到近两年的火爆，给国内的智能领域带来了一次 快速发展的机遇。中国人口多是众所周知的，城市的住宅建设主要是选择密集 型的住宅小区方式，房地产商大多都是站在小区的角度来看待智能化，由此也 就出现了目前人们所看到的一统天下、包罗万象的“智能小区的模式。 “智能小区就是在一个相对独立的区域范围内，对统一管理、特征相似 的住宅楼群所构成的住宅小区实施的建筑智能化。它是一个多功能的系统，各 个功能子系统之间既具有协同配合的能力，每一个功能子系统又可以单独实现。 这些系统主要包括：楼宇对讲系统、门禁系统、公共广播系统、周界防范系统、 监控系统、停车管理系统、远程自动抄表系统等等。所有的这些系统约绝大多 数是为整个小区的公共部分提供服务的。而在我们的实际生活当中，小区住户 内真正能够使用到的智能化系统只占很小的一部分。这时，专门针对家庭智能 化的系统就应运而生了，这就是“智能家居 。 “智能家居 是以住宅为平台，集系统、结构、服务、管理、控制于一体， 利用先进的网络通讯技术、电力自动化技术、计算机技术、无线电技术，将与 居家生活有关的各种设备有机地结合起来，通过网络化的综合管理家中设备， 来创造一个优质、高效、安全、便利、节能、健康、环保的居住生活环境空间 【3 】 0 智能家居与普通家居相比，除了具有传统的居住功能，能够提供舒适安全 的、高品位且宜人的家庭生活空间，还改变了原来的被动模式，由被动静止结 构转变成为具有能动性、智慧化的工具。不但提供了全方位的信息交换功能， 帮助住宅家庭保持与外部的信息交流，改善人们的生活方式，帮助人们更加高 效地安排时间，保障了人们家居生活的安全，甚至可以为各种能源费用节约资 金，实现了家用电器( 如电视、微波炉、空调等) 控制、家用照明控制、室内 外遥控、窗帘自动控制、防盗防火报警、定时控制以及电话远程控制、计算机 控制等等。 智能家居系统一般可以分为以下五种系统功能： l 、家居保安系统功能： 包括煤气、天然气泄漏报警，门、窗防盗报警功能；家用电器非正常工作 防范及控制；周边防范报警：监控报警及楼宇可视( 非可视) 对讲系统等。 2 、家居设备控制功能： 包括家庭照明控制、家电运行控制、家用多媒体控制；家庭影院和背景音 响控制、水、电、气远程抄表等功能。 3 、家居信息管理功能： 包括家居状态自动办公( s o h o ) 系统；家庭信息管理。 4 、小区管理系统： 包括停车场或车库管理、草坪或绿地自动浇灌、电子巡更、闭路电视监控、 宠物智能喂养等。 智能家居的控制方式也有多种形式，例如：本地控制、遥控控制、集中控 制、短消息控制、固定电话远程控制、感应控制以及网络控制等。在实际生活 中，智能家居的各种功能可以按照人们的生活习惯设置。随着智能家居的不断 发展和广泛应用，人们的生活方式将焕然一新，人们将以智能家庭系统为媒介 开展各种活动，例如：电子购物、电子娱乐、电子远程教育、电子和远程保安 ( 中心) 、网上医疗诊断、甚至还有许多人们今天都想象不到的活动9 1 2 国内外发展现状 19 8 4 年，世界上第一幢智能建筑在美国出现，随后，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。 1 9 9 8 年5 月，“9 8 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会 在新加坡成功 举办，会上首次推出了新加坡模式的家庭智能化系统。通过在展馆内建起的模 拟“未来之家”，向人们展示了一种全新的家居生活方式。清晨，“未来之家一的 主人，被卧室音响设备自动播放的动听的“起床曲唤醒；主人进入浴室时电 灯自动点亮，同时，厨房的煮咖啡器自动启动，待主人洗漱完毕，热腾腾的咖 啡被送上餐桌；在客厅，主人可以通过综合功能遥控器，启动家庭影院系统播 放电视节目、d v d 播放、v o d 点播、上网等。当主人出门后，家居保安系统 自动启动，当有人非法进入或发生意外事故( 如：火灾、煤气泄漏) ，系统会立 即电话通知主人或向相关部门报警，主人接到报警后，可进行相应处理。主人 在下班回家前，可以通过电话遥控家里的家用电器，如启动空调并调节到合适 的温度、启动电饭煲、电热水器等等。“未来之家 家庭智能化系统还包括： 可视对讲、三表远程抄送、安防报警、集中监控、家用电器控制、有线电视接 入、电话接入、家庭智能控制面板、住户信息留言、智能布线箱、宽带网接入、 2 以及系统软件配置等。这一模拟未来之家的理念，奠定了世界智能家居理念发 展的基础。 根据美国该行业的专业顾问公司p a r k s 的统计资料显示：在1 9 9 5 年，一 个美国家庭要安装家庭自动化设备的平均费用需要7 0 0 0 9 0 0 0 美元。而这一年 美国家庭使用先进家庭自动化设备的比率仅为百分之零点三三。到2 0 0 4 年， 家庭网络市场总额达5 7 亿美元，国际智能家居的产品销售额达1 4 8 亿美元。 1 9 9 5 年3 月，“2 0 0 0 年小康型城乡住宅科技产业工程 作为我国“九五 科技计划中惟一的“双重项目 ，把重心放在“以科技为先导，促进住宅科技 与住宅建设的全面结合课题之上。事实上，所谓“小康住宅小区”的概念正是 致力于提高住宅的科技含量，以增进其功能质量，这与智能化家居的理念不谋 而合。随着通讯技术及信息产业的迅速发展，国家建设部明确表态，希望“小康 住宅”发展时进行综合布线，引进网络内容。可以预测，将来的小康住宅不仅会 成为建筑材料业、房地产业新的经济增长点，还有可能给竞争激烈的i t 行业开 辟一个新战场。 我国的智能家居经历了由“概念年( 2 0 0 0 年) ，“研究开发年( 2 0 0 1 年) ”， “实验年( 2 0 0 2 年2 0 0 3 年) ”，“推广年( 2 0 0 3 年2 0 0 4 年) ”，到“普及年( 2 0 0 5 年开始) 这五个阶段。 如若按照国家制定的“到2 0 l o 年，中国大中城市百分之六十的住宅要实现 智能化 这一发展目标，则中国智能家居的开发与建设将以年均百分之六的速 度递增。 随着社会信息化程度的不断提高，智能家居系统为人们提供更加轻松、有 序、高效的现代生活环境，人们也将会对智能家居的功能提出更高层次的要求。 1 3 本课题研究的主要内容 家居保安系统和家用电器远程控制系统是家居系统的两个重要组成部分， 特别是对于普通家庭，提高人们生活质量有着重要的意义。其中，家居保安系 统能对住宅的火灾、有害气体泄露等实现自动报警；能对盗窃以及入室抢劫实 现自动报警。该部分系统重要内容之一就是能够准确无误的检测出偷盗和火灾 信号，另一个重要内容是当有偷盗和火灾信号发生，能够及时地将信号发送出 去报警。课题的另组成部分家用电器远程控制系统，首先要能够完成振铃检 测的功能，因为这套系统和电话机用的是相同的电话线，为了避免干扰正常电 话的接听，只有振铃响到一定次数时，才启动该系统。当用户通过电话线远程 控制家用电器时，该系统要能够实现自动模拟摘机，以便接通该系统的后续电 路完成相应的控制。等到系统接通后，通过语音电路和解码电路来实现用户和 系统的交互，实现对家用电器的远程控制功能。 综上所述，整个系统所要完成的主要内容有： 3 1 、偷盗和火灾信号的检测电路。 2 、偷盗和火灾信号的及时发送。 3 、振铃信号的检测和模拟摘挂机。 4 、语音电路和解码电路。 全文共分五章，内容安排如下： 第1 章：介绍了智能家居的国内外现状和课题研究的目的和意义，并简述 了论文的主要工作。 第2 章：介绍论文的总体设计，包括系统方案的选择以及系统的硬件和软 件的总体设计。 第3 章：详细讨论了系统的硬件设计。 第4 章：详细讨论了系统的软件设计。 第5 章：对整个课题所做的内容进行了总结，并对下一步的研究进行了展 望。 4 第2 章系统的总体设计 本课题设计的基于单片机的智能家居系统主要包括家居保安系统和家用电 器远程控制系统，两个分系统都要实现用户与系统之间的远程通信。随着工业 自动化水平的提高，远程控制的手段越来越多。本章将就远程控制的方法、系 统的硬件和软件设计的总体框架做详细地说明【7 - 9 1 。 2 1 系统控制方案的选择 2 1 1 基于i n t e r n e t 控制 目前广泛使用的以太网( i n t e r n e t ) ，起源于信息高速公路，以信息共享为 目的，以个人计算机为终端，实现数据在网上的快速传输。由于以太网的全球 覆盖性和i p v 6 协议网络节点的无限性，因此可以实现全球范围内的监控网络。 将家庭中的家用电器等连接起来，接入以太网后，人们可以在世界上任何能上 网的地方了解家中家用电器的运行情况和安全状况，也可能通过以太网控制家 用电器的运行状态。系统缺点是只能在可以上网的时候控制，另一个就是网络 安全问题。其控制框图如图2 1 所示。 图2 1基于以太网的家用电器远程控制系统框图 2 1 2 基于短消息的控制 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 全球移动通信系统是当前 发展比较成熟，在我国覆盖最广、系统可靠性最高、话机拥有量最多的数字移 动通信系统。g s m 是一种基于时分多址技术的移动通信，且目前应用比较广泛。 随着g s m 全球移动通信系统近年来在全球快速普及，短消息业务( s h o r t m e s s a g es e r v i c e s ) 作为g s m 网络的一种基本业务日趋成熟，它不用拨号建立 连接，只把要发送的信息加上目的地址通过信令信道传输发送到短消息服务中 & , ( s e r v i c ec e n t e r ) ，再由短消息服务中心发给最终的信宿。g s m 用户只要拥有 s i m 卡就可以收发信息，几秒钟内就可以与几乎世界各地数字蜂窝网的用户交 流简短的字母数字消息。现在，随着g s m 用户的不断增加，s m s 服务因其传 递信息方便、快捷且价格低廉而越来越受人们的关注，s m s 短消息业务也开始 广泛应用于远程控制、无线报警和监控定位系统等各个领域。基于短消息的家 用电器远程控制系统框图如图2 2 所示。 图2 2 基于短消息的家用电器远程控制系统框图 2 1 3 基于固定电话网控制 根据2 0 10 年最新统计数据显示，我国固定电话用户总数达3 0 亿户。现代 电话网络是由用户终端( 电话机) 、通信信道( 中继线、用户线) 、交换机( 交 换局) 、路由器和附属设备组成，且可靠性非常高。用户通过拨打电话到家里的 固定电话，并按照电话的语音提示操作便可实现远程控制家用电器。由于固定 电话网控制具有方便、实用，且技术难度不高等优点，所以控制设计比较容易 实现。其控制框图如图2 3 所示。 图2 - 3 基于固定电话网的家用电器远程控制系统框图 本课题选择的是基于固定电话网控制方法。整个智能家居系统通过固定电 话对家用电器进行远程控制，当家中有偷盗和火灾等情况发生时，可以通过固 定电话及时报警。 2 2 系统总体设计 基于单片机的智能家居系统挂接在电话线上，完成的功能是：当用户进行 远程控制家用电器时，通过拨打家中的固定电话，系统在检测到振铃十次后， 自动摘机，根据语音提示进行操作。首先系统要求输入登录密码，在用户输入 正确密码后，控制相关电器的开或关，完成后自动挂机。如果连续三次输入的 密码都不正确，系统也会自动挂机。另外，当系统检测到家中有偷盗或火灾的 信号时，会自动及时地将信号发送出去，用户或相关部门及时地采取措施，避 免不必要的损失。 根据上述系统要实现的各项功能，系统必须具有以下单元功能模块： ( 1 ) 振铃的检测和计数； ( 2 ) 自动摘机、挂机； ( 3 ) 登录密码的校验； ( 4 ) 双音频信号的解码； 6 ( 5 ) 语音电路； ( 6 ) 控制电器开关； ( 7 ) 家庭安全状况检测 ( 8 ) 双音频信号的编码； 根据双音多频信号的特点，每一单元功能的硬件和软件的分工有所不同， 硬件电路实现的功能模块主要有：振铃检测、自动摘机和挂机、双音频信号解 码、控制电器开关、家庭安全状况检测、双音频信号编码、语音电路等；软件 编程实现的功能模块主要有：振铃音计数、语音提示、密码校验等，当然这部 分功能的实现仍然需要以相应硬件为基础。 2 2 1 系统硬件总体设计 硬件电路是整个系统的基础，下面就各部分硬件电路的主要功能介绍如下。 1 、振铃检测 当用户电话被呼叫时，电话交换机发来铃流信号。铃流信号是当远端用户 呼叫电话远程控制系统时，由程控交换机向电话远程控制系统发送的控制信令。 铃流信号的波形是频率为2 5 h z + _ 3 h z 的正弦波，其输出电压为7 5 v 1 5 v ，失 真度 l 。振铃以5 s 为周期，即1s 送，4 s 断。由于电话待机的时候是直流电 压，而振铃信号是交流电压的特点，所以采用电容进行隔直通交，这样正常情 况下就可以隔离系统与电话线之间的联系。当来电时，可以将振铃的正弦波信 号整流成脉冲信号直接输出至单片机的计数器输入1 2 1 ，从而完成整个振铃的检 测和计数功能。 2 、自动摘机和挂机 当振铃检测电路检测到十次振铃，用户输入正确密码后，会自动启动模拟 摘机电路，用户对系统进行控制。完成所有操作后会自动挂机。 3 、双音频d t m f 解码和编码 根据双音多频信号的特点，在用电话线进行控制的过程中，要进行双音频 的解码和编码。常用的集成电路有m t 8 8 7 0 、m t 8 8 8 0 、m t 8 8 8 8 等，经过比较， 使用双音频解码集成片m t 8 8 8 8 来完成此功能模块。m t 8 8 8 8 芯片是m i t e l 公 司研制的d t m f 编码发送和接收的大规模集成电路，它能实现自动拨号和 d t m f 解码等功能，是制作远程控制与防盗报警系统的常用芯片。 4 、家庭安全状况检测 家庭安全状况检测电路主要是为家居保安系统检测偷盗和火灾的信号，检 测电路的灵敏性和可靠性是影响家居保安系统性能的关键。这部分硬件电路主 要是由各种传感器构成，完成对各种安全信号进行检测。 5 、控制电器 此部分比较简单，通过单片机控制多路继电器的开关即可。 6 、语音电路 此部分电路主要用来进行人机交互时的语音提示，用户根据系统相应的语 音提示，进行相应地操作，完成控制功能。当发生险情时，能及时提供语音报 警。 2 2 2 软件流程设计 智能家居系统的智能控制主要是在相应硬件基础上通过编制相应的程序来 实现。本系统的软件模块主要有以下四个部分组成： l 、振铃音计数 本单元选用a t 8 9 s 5 1 单片机，通过单片机的计数器t o 来实现对振铃音的 计数功能。 2 、密码检测 用户利用电话线对家用电器进行远程控制时，要求先输入密码，只有密码 正确时才能够进行该系统进行远程控制，否则三次输入密码错误将自动挂机。 3 、语音提示 本单元语音芯片的放音地址是通过双音频解码电路解码的信息来实现控制 的，通过播出不同的语音来实现人机交互，并且在家庭发生偷盗或火灾时能够 自动播放报警信号。 4 、控制电器 电器设备的开与关可通过双音频解码电路解码的信息( 选择电器) 来判断操 作，再向a t 8 9 s 5 1 单片机p 1 口的八位发送数据，而这些解码的控制信息则代 表对不同的电器实现控制的控制字。 第3 章系统硬件设计 3 1 系统的功能与硬件组成 本课题研究的是一个基于单片机的智能家居系统，该系统要求能够利用拨 打电话的方式，远程控制家中的用电设备。同时，当家中有偷盗和火灾等险情 发生时能够急时地发出信号，通知主人或相关部门。智能家居系统的硬件电路 框图如图3 1 所示。 j 振铃检测电路l 。 电 1 7 ir 7 单 模拟摘挂机电路 家庭安全检测电路 话1 ，i 片 线双音解、编码电路l 。 机 家用电器控制电路 语音电路l 1 1 r 图3 - 1 智能家居系统硬件电路框图 家庭安全检测电路主要是用来检测家中的各种险情，一旦检测到有险情， 通过编码电路，利用电话线向用户或其他部门报警，并通过语音电路进行语音 报警。当用户进行远程控制家用电器时，拨打家中的电话，当振铃检测电路检 测到一定次数的铃响信号后，启动模拟摘挂机电路进行模拟摘机，并通过语音 电路实现人机对话，解码电路对用户根据语音电路的语音提示后所拨的按键进 行解码，实现对家用电路的控制。本章后续内容将是对框图中各个电路模块的 功能和组成进行详细地设计。系统硬件的详细电路图见附录。 3 2 单片机选型 本系统选用a t 8 9 s 5 1 单片机，它是由美国a t m e l 公司生产的一种低功耗、 高性能c m o s8 位单片机。芯片内含4 kb y t e si s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 的可 反复擦写一千次的f l a s h 只读程序存储器，并集成通用i s pf l a s h 存储单元和8 位中央处理器。a t 8 9 s 5 1 单片机采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技 术制造，能够兼容标准m c s 5 1 指令系统及8 0 c 5 1 引脚结构。a t 8 9 s 51 单片机 如图3 2 所示。 主要性能参数： 与m c s 一5 1 产品指令系统兼容 4 k 字节可编程( i s p ) f l a s h 闪速存储器 一千次反复擦写周期 工作电压范围：4 0 5 5 v 全静态工作：o h z 一3 3 m h z 9 三级程序存贮器加密锁 12 8 呋8 位内部r a m 3 2 条可编程i 0 口线 两个1 6 位定时计数器 六个中断源 两个全双工串行u a r t 通道 低功耗的闲置和掉电模式 中断可从空闲模式唤醒系统 看门狗( w d t ) 电路 两个数据指针 掉电标识、快速编程特性 灵活的在系统编程( i s p 字节或页写模式) 功能特性： a t 8 9 s 5 1 单片机提供的标准功能有：4 k 字节可编程f l a s h 闪速存储器，1 2 8 字节内部r a m ，3 2 个i 0 口线，看门狗( w d t ) ，2 个数据指针，2 个1 6 位定时 器计数器，一个5 向量两级中断结构，片内振荡器和时钟电路。另外，a t 8 9 s 5 1 可降至0 h z 的静态逻辑操作，且支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停 止c p u i 作，但是允许r a m 、定时器计数器、串行通信口和中断系统继续工作。 掉电方式冻结振荡器而保存r a m 中的内容，同时禁止其它所有部件工作直到外 中断激活或下一个硬件复位。 a t 8 9 s 5 1 方框图如3 3 所示。 p d i p p o p 1 1 p 2 p 1 3 p 1 4 伪舟：焙i p 1 5 肿：s c np 1 6 s c q p l 7 r 8 t 0 毫x d ) p 3 o r r ) q d 陌1 ( i n t o ) p 3 2 c 两乔) p 3 3 1 1 田p 3 一 f r l ) w 3 5 ( v v r ) p 3 e r d 阳7 x e a l 2 x 了a l l g n d v c c 即d a 呻 p o 1 ( a d l ) p o 2c a r ) 即3 协d 研 p o 4 ( a d 4 ) 即5 a d 毋 p o 6 心 7 ( a d d e ，、，p p a ie ，两摇 p 8 e n p 2 7 ( a 1 国 p 2 6 ( a 1 4 ) 陀5c a l 劭 陀4 ( a 1 2 i 眩3 ( a 1 1 i 乾2 ( a 1 协 p 2 1f a 轫 眩o ( a 8 ) 图3 - 2a t 8 9 s 5 1 单片机 1 0 一一一一 管脚说明： v c c ：供电电压。 g n d ：接地。 p 0 口：p 0 口为一组8 位漏级开路双向i o 口，作为输出端口，每位可驱动 3 个t t l 门电路。当p 1 口第一次写1 时，可被定义为高阻输入。在f i a s h 进 行编程时，p o 口可作为原码输入口接收指令字节，在f i a s h 进行校验时，p o 口输出指令字节，此时p o 外部要求必须外接上拉电阻。 p 1 口：是一个带内部上拉电阻的8 位双向i o 口。p 1 口缓冲器能接收或输出4 个t t l i 7 电路。对p 1 口写入“1 ”后，将被内部的上拉电阻把端口拉到高电平， 可用作输入口，此时p 1 口被外部信号下拉低时，将输出电流( i i l ) ，因为内 部存在上拉电阻。当f l a s h 编程和程序校验期间，p l 可接收低8 位地址。 p 2 口：与p 1 口相同的是，p 2 口也是一个带内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 口缓冲器可接收或输出4 个t t l 门电路，对p 2 口写“1 ”后，其管脚被 内部的上拉电阻把端口拉到高电平，可用作输入口。由于内部存在上位电阻， 作为输入时，p 2 口的管脚被外部信号拉低，将输出电流( i i l ) 。 不同的是当p 2 口访问外部程序存储器或1 6 位地址外部数据存储器时，p 2 口送出地址的高八位数据。当访问外部八位地址数据存储器时，p 2 口输出其特 殊功能寄存器( s f r ) 的内容，并在整个访问期间不变。p 2 口在f l a s h 编程 和校验时亦接收高八位地址和控制信号。 p 3 口：p 3 口是一组带内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 3 缓冲器可驱动4 个t t l 逻 辑门电路。对p 3 口写入“1 ”后，被内部的上拉电阻把端口拉到高电平，并用作输 入。由于内部存在着上拉电阻的原因，当p 3 口作为输入时，由于外部信号将其 下拉为低电平，p 3 口将输出电流( i l l ) 。 p 3 口除了作为一般的i 0 口线外，还有更为重要的第二功能，如下表所示： p 3 or x d ( 串行输入口) p 3 1t x d ( 串行输出口) p 3 2 i n t o ( 外部中断0 ) p 3 3 i n t l ( 外部中断1 ) p 3 4t o ( 记时器o 外部输入) p 3 5t 1 ( 记时器1 外部输入) p 3 6 w r ( 外部数据存储器写选通) p 3 7 r d ( 外部数据存储器读选通) p 3 口同时为f l a s h 闪速存贮器编程和程序校验接收一些控制信号。 r s t ：复位输入。振荡器工作时，r s t 引脚将会出现两个机器周期以上高 电平使单片机复位。w d t 溢出将使r s t 引脚输出高电平，打开或关闭该功能可 通过设置s f ra u x r 的d i s r t 0 位( 地址8 e h ) 来实现。 a l e p r o g ：当访问外部程序存储器时，a l e 地址锁存允许的输出脉冲用 f 锁存地址的低八位字节。在f l a s h 存贮器编程期间，此引脚还用于输入编 程脉冲( p r o g ) 。在平时不访问外部程序存储器时，a l e 端会以不变的频率周 蜩，即振荡器频率的六分之一输出正脉冲信号。因此它可用作对外输出时钟脉 冲或用作定时。需要注意的是：当访问外部数据存储器时，将会跳过一个a l e 脉冲。 如想禁止a l e 操作，可将特殊功能寄存器s f r 区中的8 e h 地址置0 ，此 时，a l e 只有执行条m o v x 和m o v c 指令后a l e 才被激活。此外，该引 脚被略微拉高。a t 8 9 s 5 l 单片机在外部执行状态时，应设置a l e 无效。 p s e n ：外部程序存储器的选通信号。在a t 8 9 s 5 1 由外部程序存储器取指令 或数据期间，每个机器周期两次p s e n 有效，就是输出两个脉冲。当访问外部 数据存储器时，则没有两次有效的p s e n 信号。 e a v p p ：外部访问允许。只有当e a 保持低电平时，c p u 仅访问外部程序 存储器( 0 0 0 0 h f f f f h ) 。注意加密方式，若加密位l b l 被编程，当复位时内部 会锁存e a 端状态。当e a 端保持高电平( 接v c c 端) 时，此间执行内部程序存 储器中的指令。在f l a s h 编程期间，该引脚施加+ 1 2 v 的编程电源v p p 。 x t a l l ：振荡器反相放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 x t a l 2 ：振荡器反相放大器的输出。 图3 - 3a t 8 9 s 5 1 单片机方框图 单片机电路是整个系统的控制中心，主要负责铃流信号的计数，根据远程 控制指令控制家用电器设备的动作，根据传感器检测到的险情信号适时发出报 警信号，协调各单元电路的工作等等。单片机电路如图3 4 所示。 p 0 0 p 0 3 分别接m t 8 8 8 8 的数据输出端； p 0 4 p 0 7 分别接语音电路信号传输线； p 2 o 接热释电红上探测器信号输出端 p 2 1 接微波探测器信号输出端 p 2 2 接温度探测器信号输出端 p 2 3 接光电感烟探测器信号输出端 p 2 4 接c o 探测器信号输出端； p 2 5 接模拟摘挂机电路控制信号端； p 3 4 接振铃检测电路的输出端，进行计数； 图3 - 4 单片机电路 3 3 振铃检测电路 3 3 1 振铃检测电路的作用 振铃检测电路的作用就是用来检测电话线上的铃流信号，从而为a t 8 9 s 5 1 单片机提供电话铃响的次数。 本系统选择的是基于固定电话网控制方式，智能家居控制系统和住宅固定 电话使用同一路电话线。待机时，系统和电话机均处于闲置状态，当系统进行 远程家电控制或发出报警信号时，系统立即接到线路上，执行相关控制功能的 1 3 一一一一 操作。为了防止系统对电话机正常使用产生影响，要求系统在接到铃流信号后， 不是马上动作，而是有一定的延时，只有在若干次的铃响以后仍无人接听电话， 则默认家中无人，此时摘、挂机电路才能动作，进行家用电器的远程控制。本 系统设置的振铃响次数为1 0 次。 3 3 2 振铃检测电路的组成 在电话线路未来电之前，电话线路由电话交换机提供大约4 8 v 的直流电压。 当用户被呼叫时，由电话交换机发来铃流信号。振铃信号为2 5 3 v 的正弦波， 振铃失真不大于1 0 ，电压有效值9 0 1 5 v 。振铃以5 秒为周期，即1 秒送，4 秒断“5 。1 。 + 5 v c m 戤4 图3 - 5 振铃检测电路 振铃检测电路如图3 5 所示。待机时，由于电容器c l 有隔直通交的作用， 因此振铃检测电路没有电流通过。此时没有铃流信号，光耦合器内部的光敏三 极管不导通，则a 点电压呈现为高电平v c c 。当有来电时，电话线路上就会出 现9 0 v 交流振铃信号，交流信号经过限流电阻r 1 后通过稳压管d 1 降压，然 后输入到光电耦合器进行转换。光电耦合器是以光为媒介来传输电信号的，它 能对输入和输出电信号起到良好的阻隔作用。由于光电耦合器能够使信息发出 端( 一次侧) 与信息接收并输出端( 二次侧) 绝缘，电信号具有单向性特点， 所以光电耦合器对地电位差的干扰有很强的抑制能力，同时，光电耦合器也具 有很强的抑制电磁干扰能力。另外光电耦合器还具有速度高、价格低、接口简 单等优点。在交流电压的两个半周中，其中有一个半周经过二极管d 2 导通， 用来表示来电提示。另一个半周通过光耦合器内部的发光二极管导通，当光敏 三