远程家电控制系统设计.doc

家电控制系统设计摘要随着生活水平的不断提高，人们希望有一种自动化、智能化程度高的控制系统对所有的家用电器能实施远程控制。本文介绍了一种基于PSTN(Public Switched Telephone Network，公众电话网)实现对家用电器的远程控制，通过电话可以随时随地控制多种家用电器的开关和各种设定，诸如将空调提前升降温、电热水器提前预热等，应用前景相当广泛。本文介绍了一种以单片机AT89C51为主控制器和双音多频解码电路芯片FM9270为核心，通过电话线路实现对家用电器的远程、多路智能控制系统。该系统实用、功能灵活多样，可以对被遥控对象的状态进行查询以及控制，可以广泛地应用于家用电器或者其他场所的各种控制设备。系统主要由主控制器、振铃检测与模拟摘机电路、DTMF解码电路、语音提示电路、集中控制器等构成。 基于PSTN实现对家用电器的远程控制与常规的遥控方式，如无线电遥控、有线遥控、红外线和超声波遥控等相比，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，因此遥控距离可跨省市，甚至跨越国家。关键词AT89C51；ISD1420 ；FM9270；PSTN；远程控制42 / 47Home Appliance Control SystemAbstractThe text introduce a sort of control system that use AT89C51 single chip act as main controller and use both sound-many frequency decode circuit CMOS chip FM9270 act as core, through telephone line carry out family equipments long-distance many -way intelligent control. This system is so practical and the function is so agility and multiplicity, that can demand and control the state of the controlled object, can widely appliance in family equipment or other spatial all kinds of control equipment. The system mostly make up of main controller, check shake bell and simulate circuit, DTMF decode circuit, sound clew circuit, concentrate controller.Along with the improvement of the standard of living, people want to have a high automatic and intelligent control system that can control all the family equipment through long-distance. The text introduce a sort of control system that based on PSTN and can control all the family equipment through long-distance, through telephone can control the switch and set up of all the family equipment at any moment and everywhere, such as rise or drop the temperature of the air-condition ahead of schedule, warm-up the electronic water heater ahead of schedule, and so on. Its appliance foreground of the system quite abroad.Based on PSTN carry out long-distance control family equipment show definitely advantage compare with wireless telephone control have-wire telephone control, infrared ray and ultrasonic telephone control and so on. It dont need put up special line, dont engross wireless frequency resource and avoid electromagnetism pollution. At the same time, thanks to the line in everywhere joined the net, it can make the best of the existing telephone network, so that the distance of wireless control can span province and city and can span country indeed.Keywords AT89C51; ISD1420; FM9270; PSTN; Long-distance control目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外发展现状11.3 论文研究内容2第2章 总体设计32.1 系统总体框图32.2单片机简介42.3 硬件模块62.4 软件模块62.5 本章小结7第3章 硬件电路设计83.1 电源电路设计83.2 单片机AT89S5183.2.1 单片机AT89S51资料83.2.2 AT89S51单片机电路123.3 下载线电路133.3.1 ISP简介133.3.2 74HC373简介133.3.3 ISP下载线电路143.4 振铃检测电路143.5 模拟摘机电路163.6 DPMF解码电路173.6.1 DTMF介绍173.6.2 双音多频译码器MT8870173.6.3 本文的DTMF解码电路193.7 控制电器和控制接口203.8 调试203.9 本章小结21第4章 系统软件设计224.1 主控程序的设计224.2 系统的软件设计234.3 本章小结24结论25致谢26参考文献27附录A28附录B32附录C35附录D36第1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，Alexander Graham Bell(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1。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。本文介绍了一种电话远程控制技术。该系统用于具有单片机控制的家用电器的电话遥控，用户可通过任意一部双音多频电话(包括手机，电话分机)对自己家庭安装的各种电器(如空调，微波炉，热水器等)进行开机，停机等操作。作品为突出电话遥控的信息反馈功能，并使产品达到非常高性价比。故未对电话装置的其他功能进行进一步的扩展，而且所有使用的集成电路和其它元器件都尽量选择高性价比的。在该作品的基础上进行了功能扩展是很方便的。譬如:使用语音芯片作为信号音反馈，提高本作品的实用性(此次为了保证整体电路的经济性，所以并未使用昂贵的语音芯片)。加上留言电路，主人不在家时客人留言。利用遥控方式可使主人很方便地在异地提取留言信息；在各路终端上接上传感器即可实现对环境声响的监听；接上自动拨码电路可定时将预定信息转至主人传呼机或特定电话，从而达到定时提醒主人的目的。本作品还可以应用于工厂企业的自动化控制等领域。1.2 国内外发展现状在国外，自从第一幢智能建筑在美国出现后，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的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都得到了广泛应用。许多计算机、通信、家电行业的巨人都认识到智能信息家电的巨大市场潜力，纷纷进入这个领域。Cisco、Inter、Nortel、Motorola、Lucent、3Com、IBM、Ericsson和松下等公司都已经开始建立智能信息家电和智能家居公司2。中国现在已经成为世界上家电生产和出口的大国，国内传统家电市场日趋饱和，对外出口家电也急需升级换代，中国主要的家电生产商在传统家电降价“大比拼”的同时，开始了数字化家电研究开发的角逐。然而，目前信息家电的发展并不乐观。首先是价格问题。信息家电必须迈过价格这道门槛，才能为更多的家庭所接受。其次是否实用。消费者不会在意你用的是什么样的技术，而只会在意你的产品是否有用，是否好用。近几年，随着经济日益腾飞，人们对生活水平的要求也越来越高，“智能家居”这个概念已经逐渐被大众接受。一些对科技发展动向和市场趋势敏感的科研机构和有实力的公司，已经看到这个市场的广阔前景，意识到这是一个难得的机遇，开始或已经研究和开发相关系统和产品，并作了先期的部署和规划。家电远程控制系统是智能家居系统的重要组成和支持部分，代表家庭智能化的发展方向3。1.3 论文研究内容本文介绍了一种基于AT89S51单片机的家用电器电话遥控装置，该装置使用现有电话线来传送遥控命令，利用普通电话机作为遥控命令生成和发送装置，我们只要装置接收端的电路，把它接在现有的电话线路中，那么就可以在任何地方，任何一部电话机上实施对该受控装置的遥控操作，从而实现对家用电器的远程控制。该系统主要实现以下一些功能：1 铃流检测2 自动摘机3 密码验证4 语音提示5 信号解码6 控制家电第2章 总体设计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 语音提示；5 双音频信号解码；6 控制电器开关；2.1 系统总体框图当需要遥控家用电器时，拨打相应的电话号码，振铃检测电路检测铃流信号，如果有人接听电话或振铃次数少于6次，对程控电话的使用不造成影响，当振铃次数达到6次后(次数可以通过软件任意设定)，单片机启动语音提示电路发出提示音，询问是否进入家电控制模式，按“0”键否，挂机退出，按“1”键是，摘挂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，提示操作者输入密码或是退出。输入的密码经DTMF接收，转换成二进制数并与事先存储在单片机中的密码比较，如果不相符，则语音提示密码错误，可再次重新输入，若三次密码错误则发提示音并自动挂机；如果密码相符则语音提示选择控制通道(按键18分别表示18号通道，分别控制8路电器)。通道选择后，按下“1”键表示开启该路电器，并有语音提示“该路电器已经开启”，按下“0”键表示关断该路电器，有提示音“该路电器已经关闭”，按下“”键则可挂机退出。若超时则自动挂机(时间可由软件设定)。图2-1 系统总体设计框图2.2单片机简介本系统用的核心控制单片机芯片的型号是AT89C51。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。管脚如图2-2所示。图2-2 PDIP封装的AT89S51管脚图引脚功能介绍：VCC：电源电压输入端。GND：电源地。P0口：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。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：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(T0定时器的外部计数输入)P3.5 T1(T1定时器的外部计数输入)P3.6 /WR(外部数据存储器的写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器的读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：外部程序存储器访问允许。当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。2.3 硬件模块本作品使用了大量的硬件电路完成部分功能模块，其目的就是充分利用硬件电路的可靠性、稳定性，使整体电路达到比较高的稳定性，采用硬件电路实现部分功能，而且使用了大量的抗干扰元器件，例如：光耦合器，去耦电容等，提高系统的看干扰能力，从而是整个系统的性能更可靠。1 自动摘机摘机电路可以通过继电器来完成，使用继电器电路电路会简单一些，但继电器也有一些弱点，如耗电大，重量和体积比较大，另外继电器很容易产生火花干扰，为了解决这些问题，本文采用了控制三极管通断的方式来组成自动摘机电路，这样也比较经济实用。2 振铃检测当系统处于待机状态时，即没有振铃信号时，线路上的供电电压为48V。若用户被呼叫，电信局交换机向该用户送来振铃信号，振铃信号为253伏的正弦波，谐铃失真不大于10%，电压有效值9015伏。振铃以5秒为周期，即1秒送，4秒断4。据此可使用电容进行耦合，然后用两个反向二极管交替导通，通过光电耦合器中光敏三极管的通与断输出脉冲信号，脉冲信号直接输出至单片机的中断计数器，完成振铃检测和计数的过程。3 双音频DTMF解码此部分是整个电路的关键，它的工作情况直接决定了电路的可靠性。解码电路是将用户所拨电话的信号解码后送入单片机，然后由单片机实现对家用电器的远程控制。本解码电路采用的是加拿大公司生产的一种集成度高、应用普遍的通信类集成电路芯片MT8870， 该芯片外围电路简单、功耗小、抗干扰能力强，在解码方面有着无可比拟的优势。4 控制部分电路本单元电路主要由指示灯电路和继电器控制电路组成。用8个发光二极管来代表家用电器指示电路工作，为了防止发光二极管被烧坏，在二极管与电源之间接了1k的电阻。通过单片机控制多路继电器的开关，进而达到控制家用电器的目的。2.4 软件模块经过比较，决定使用AT89S51作为控制的单片机芯片。系统软件主要功能如下。1 系统身份认证：功能为了保证只有合法用户才能操作系统，电话远程控制系统上线以后，用户必须输入密码，待系统确认后才具有对系统的操作权限。2 用户信令解释功能：对收到的用户信号，系统按照软件设定加以解释，并决定对语音提示电路寻址，播放相应的系统提示音，实现用户和电话远程控制系统间的交互操作，或者对外部受控设备发出相应的驱动信号。3 软件定时功能：系统软件设定系统自动复位的软件定时器，定时器的设置值规定了系统一次上线工作的最大时间。若一次工作超时，系统自动离线，进入待机状态。1 振铃信号计数通过AT89S51的外部中断实现此功能。2 密码检测在单片机中开辟一块内存空间存放预置密码，然后每输入一次密码，进行一次比较操作，直到输入密码与预置密码完全一致，才进行下步操作5。3 语音提示此部分通过单片机的计数器控制其引脚电平的高低来实现。4 控制部分通过向单片机指定单口写入高低电平来控制指示灯的亮与灭和继电器的开与关。2.5 本章小结本章主要是对系统的总体可行性设计进行了分析和核心控制芯片单片机AT89C51进行了简要的介绍。系统的总体可行性设计包括：硬件电路和软件模块，硬件电路的分析主要是振铃检测电路、模拟摘机电路、双音解码电路、语音提示电路、控制部分电路等部分的分析；软件模块的分析包括：初始化、信号音(流铃)计数、密码检测、信号分析处理。经过翻阅大量的技术资料，对具体要求实现的功能进行完整的系统分析，本设计电话遥控系统设计基本符合实际情况，可以完成设计任务所要求实现的基本功能。第3章 硬件电路设计3.1 电源电路设计如图3-1所示电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。它是由电源变压器B、桥式整流电路VD1VD4、电容C1、C2、C3、C4和一只固定式三端稳压器(LM7805)极为简捷方便地搭成的。C2、C4的作用是滤除掉线路上的高频脉冲干扰，由于电解电容对高频电脉冲滤波效果较差，因此在电解电容C1和C3两端各并联了一个0.lF的瓷片电容，瓷片电容的高频滤波性能要比电解电容好得多，因此可弥补电解电容高频滤波较差的不足。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。LM7805稳压器输入、输出端电压差通常取3V-7V之间比较合适，如果输入、输出电压差过大，当电源电流较大时容易发热，因此使用时要加装散热片。220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路VD1VD4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定性好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。图3-1 电源电路图3.2 单片机AT89S513.2.1 单片机AT89S51资料AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，故而取代了89CXX系列的下载方式，也是因为这样，ATMEL公司已经停止生产89CXX系列的单片机，现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品。1、 I/O口I/O口：4个口，32根单片机51系列共有四个8位双向并行I/O通道口，分别是P0、P1、P2、P3，各具有特殊的电路结构，每位均有自己的锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。这种结构，在数据输出时可锁存，即输出新的数据之前，通道口上原数据一直保持不变，但对输入信息是不锁存的，因此从外部输入的信息必须保持到取数指令执行完为止6。1 P0口介绍P0口在访问外部存储器时，P0口既是一个真正的双向数据总线口，又是从分时输出8位地址口。它包括一个输出锁存器，两个三态缓冲器，一个输出驱动电路和一个输出控制电路2 P1口介绍P1口是专门为用户使用的I/O口，是准双向口，P1口为8位准双向口，每一位均可单独定义为输入或输出口。在编程校验期间，用做输入低位字节地址。P1口可以驱动4个LSTTL负载。3 P2口介绍P2口也是双向口。它是供系统扩展时输出高8位地址。如果没有系统扩展时，也可以作为用户的I/O口使用。P2口作为外部数据存储器或程序存储器的地址总线的高8位输出口AB8-AB15，P0口由ALE选通作为地址总线的低8位输出口AB0-AB7。外部的程序存储器由PSEN信号选通，数据存储器则由WR和RD读写信号选通，因为2=64k，所以89S51最大可外接64kB的程序存储器和数据存储器4 P3口介绍P3口是个双功能口，第一功能作通用I/O口，第二功能是作变异功能用，为适应引脚的第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑，在真正的应用电路中，第二功能显得更为重要。由于第二功能信号有输入输出两种情况，我们分别加以说明。如表3-1所示。P3口的输入输出及P3口锁存器、中断、定时/计数器、串行口和特殊功能寄存器有关，P3口的第一功能和P1口一样可作为输入输出端口，同样具有字节操作和位操作两种方式，在位操作模式下，每一位均可定义为输入或输出。表3-1 P3口的第二功能端口引脚功能特征P3.0串行输入口(RXD)P3.1串行输出口(TXD)P3.2外中断0(INT0)P3.3外中断1(INT1)P3.4定时/计数器0的外部输入口(T0)P3.5定时/计数器1的外部输入口(T1)P3.6外部数据存储器写选通(WR)P3.7外部数据存储器读选通(RD)2、 中断系统1 中断：程序执行过程中，允许外部或内部事件通过硬件打断程序的执行，使其转向为处理内部事件的中断服务程序中去；完成中断服务的程序后，CPU继续原来被打断的程序，这样的过程称为中断过程。2 中断源：能产生中断的外部和内部事件。89S51有5个中断源：(1) INT0：外部中断0请求，低电平有效。通过P3.2引脚输入。(2) INT1：外部中断1请求，低电平有效。通过P3.3引脚输入。(3) T0：定时器/计数器0溢出中断请求。(4) TI：定时器/计数器1溢出中断请求。(5) TXD/RXD：串行口中断请求。当串行口完成一帧数据的发送或接收时，便请求中断。每一个中断源都对应一个中断请求标志位，它们设置在特殊功能寄存器TCON和SCON中。当这些中断源请求中断时，相应的标志分别有TCON和SCON中的相应位来锁存。389S51中断系统有以下4个特殊功能寄存器：(1)定时器控制寄存器TCON(用6位)；(2)串行口控制寄存器SCON(用2位)；(3)中断允许寄存器IE；(4)中断优先级寄存器IP。其中，TCON和SCON只有一部分用于中断控制。通过对以上各特殊功能寄存器的各位进行置位或复位等操作，可实现各种中断控制功能。3 中断的响应过程及中断矢量地址中断处理过程可分为3个阶段：中断响应、中断处理和中断返回。89C51的CPU在每个机器周期的S5P2期间顺序采样每个中断源，CPU在下一个机器周期S6期间按优先级顺序查询中断标志。如查询到某个中断标志为1，则将在接下来的机器周期S1期间按优先级进行中断处理。中断系统通过硬件自动将相应的中断矢量地址装入PC，以便进入相应的中断服务程序。表3-2既是各个中断源对应的中断矢量地址。由于89S51系列单片机的两个相邻的中断源中断服务程序入口地址相距只有八个单元，一般的中断服务程序是容纳不下的，通常是在相应的中断服务程序入口地址中放一条常跳转指令LJMP，这样就可以转到64KB任何可用区域了。中断服务程序从矢量地址开始执行，一直到返回指令RETI为止。RETI指令的操作一方面告诉中断系统该中断服务程序已执行完毕，另一方面把原来压入堆栈保护断点地址从栈顶弹出，装入程序寄存器PC，使程序返回到被中断的程序断点处继续执行。表3-2 中断源及其对应的矢量地址中断源中断矢量地址外部中断0()0003H定时器/计数器0(T0)000BH外部中断1()0013H定时器/计数器1(T1)001BH串行口中断(RI、TI)0023H4 在编写中断服务程序时应注意：(1)在中断矢量地址单元处存放一条无条件转移指令，使中断程序可灵活的安排在64KB程序存储器的任何空间。(2)在中断服务程序中，用户应注意用软件保护现场，以免中断返回后丢失原寄存器、累加器中的信息。(3)若要在执行当前中断程序时禁止更高优先级中断，则可先用软件关闭CPU中断或禁止某中断源中断，在中断返回前在开放中断。3、 AT89S51的优势1 性能强大AT89S51具有完整的输入输出、控制端口、以及内部程序存储空间。与我们通常意义上的微机原理类似，可以通过外接A/D，D/A转换电路及运放芯片实现对传感器传送信息的采集，且能够提供以点阵或LCD液晶及外接按键实现人机交互，能对内部众多I/O端口连接步进电机对外围设备进行精确操控，具有强大的工控能力。2 易于学习AT89S51系列单片机编写程序的基本流程。其语法结构与我们常用的计算机C语言基本相同，不同之处在于增加了控制具体引脚工作的语句和命令，相对于计算机C语言，单片机C语言更简练和明确.可以控制每个引脚的输入输出状态。其主要语句集中在例如：“ifelse”、“while”、“for”等循环与判断语句上，相比计算机C语言更简单。有过计算机C语言学习经历经过一段时间的熟悉就能够熟练进行编程.使用AT89S51系列单片机编程，可以在没有实物单片机的情况下在普通电脑上进行程序编写甚至是调试工作。一般工作中使用Keil公司开发的51单片机编程软件进行编程，它采用目前流行的开发环境，集编辑，编译和仿真于一体。在该软件上用户可以编写汇编语言或C语言源程序，并利用该软件生成单片机能运行的程序。3 价格低廉AT89S51芯片价格便宜，适合对大批量的计量仪器进行规模化改造，其单片售价不超过5元。3.2.2 AT89S51单片机电路本设计使用AT89S51单片机，第9脚为复位端，在该脚接一个10K的电阻R12到地，以保证该脚在正常工作时为低电平0，同时，为了在加电时给该脚一个高电平的复位脉冲，用一个10F的电解电容C4连接到电源Vcc，利用电容两端的电压不能突变的特性，加电后给第9脚施加一个短暂的高电平脉冲，该脉冲的宽度与电阻R12的阻值、C4的容量都有关，电阻R12越大，电容C4越大，加电后第9脚的高电平脉冲就越宽；相反的，如果R12越小，电容C4越小，加电后9脚的高电平脉冲宽度也就越窄7。在电容C4两端还接有一个手动复位按钮ANI，为了避免按压按钮时电容C4两端的电压通过按钮接点瞬间放电造成对按钮接点的大电流冲击，为此在按钮支路中串入了一个100欧姆的小电阻Rll，这样电容通过Rll放电时，就不会出现瞬间的大电流放电脉冲，因此可有效的避免按钮接点氧化和接触不良的现象。单片机电路图如图3-2所示。P2.0-P2.7接八路输出P1.1-1.3接解码输出P1.4电子开关P1.5-P1.7 RST接并口下载电路P3.5接振铃检测电路图3-2 单片机电路图第18、19脚接12MHz石英晶体，在晶体两端各接一个30PF的电容到地8，接电容的目的有三个:一是加快上电后的起振速度；二是保证起振后能够持续平稳的振荡，不至于出现停振；三是可以通过改变两个电容的容量，微调振荡频率。单片机的第31脚和第40脚接电源Vcc，第20脚接地。单片机使用不到的端口悬空。3.3 下载线电路3.3.1 ISP简介所谓“在系统可编程”(In-System Programmability. 缩写为ISP) ， 是指设计人员在自己设计的电子系统中或电路板上为重构逻辑而对逻辑器件进行编程或反复编程的能力。这种对电子系统中逻辑器件的逻辑重构既可在系统成型之前， 又可在系统成型过程中， 甚至在系统成型之后。这与常规PLD 先编程后装配至系统中的过程有很大区别。采用ISP 技术后， 我们可获得一种“软”硬件的崭新概念: 使得电子系统的硬件设计变得象软件设计那样灵活而又有易于修改。硬件的功能可以实时地加以修改， 或按规定程序改变组态。这样便使新一代电子系统具有极强的可扩展性以及设计资源的可重复利用性， 这样便扩展了器件的用途。同时编短了系统调试的周期， 省掉了对器件单独编程的环节和器件编程设备。从而给电子系统的设计、制造和编程带来了极大的方便。ISP下载线可对单片机进行烧写程序，为单片机的应用提供了方便。3.3.2 74HC373简介74HC373为8数据锁存器。主要用于数码管、按键等等的控制。 1 高阻态 就是输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；在这种状态下，可以多个芯片并联输出；但是，这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态，否则会将芯片烧毁； 高阻态的概念在RS232和RS422通讯中还可以用到。 2 数据锁存 当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持； 这个概念在并行数据扩展中经常使用到。 3 数据缓冲 加强驱动能力。74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲的能力。 OE：output_enable，输出使能； LE：latch_enable，数据锁存使能，latch是锁存的意思； Dn：第n路输入数据； On：第n路输出数据； 在实际应用的时候是这样做的： 1 OE0； 2 先将数据从单片机的口线上输出到Dn； 3 再将LE从0-1-0 4 这时，你所需要输出的数据就锁存在On上了，输入的数据在变化也影响不到输出的数据了；实际上，单片机现在在忙着干别的事情，串行通信、扫描键盘，单片机的资源有限。 在单片机按照RAM方式进行并行数据的扩展时，使用movx dptr， A这条指令时，这些时序是由单片机来实现的。 后面的表格中还有需要时间的参数，你不需要去管它，因为这些参数都是几十ns级别的，对于单片机在12M下的每个指令周期最小是1s的情况下，完全可以实现。3.3.3 ISP下载线电路下载线及接口电路如图3-3所示，在此选用的是并行下载线方案，使用的主要器件是74HC373，可用免费共享的单片机编程器“Easy51Prov2.0宇宙版”下载线专用软件，向电路板中的89S51单片机烧录程序9。下载线电路图如图3-3所示。图3-3 下载线电路3.4 振铃检测电路振铃检测电路的作用就是检测电话线上有无铃流信号，并将铃流信号状态传输给单片机，使单片机能够有效得实施家电远程控制。由于该系统并联于电话机的两端，并且不能影响电话的正常使用，所以要求系统在接到铃流信号后不能马上动作，只有在达到设定铃响次数以后，才默认家里无人，允许电路摘机应答。铃流信号未到达前，电话线路上存在大约48V的直流电压。当有振铃信号时，电话线上的铃流信号为(7515)V、25 Hz的交流信号。其中直流电压为48 V左右，交流电压为(2515)V、25 Hz的正弦信号。铃流信号进入振铃检测电路后，首先用高压电容C1进行隔直，电阻R1起限流作用。IC5是光电耦合器4N25，由砷化镓红外发光二极管和硅光电晶体管检测器光耦合构成，是一种发光二极管与光电晶体管面对面封装的单回路，输入电信号加于发光二极管上，输出信号由光敏三极管取出。当没有铃流信号时，IC5内部的光敏三极管不导通，A点电压为高电平VCC。当铃流信号到来时，信号有半周使二极管D导通形成回路，另半周使光电耦合器的一侧发光二极管导通，因而有光照射二次侧光敏三级管，A点为低电平。适当选取R1和C1的值可以使光电耦合器一次侧导通电流足够大，则二次侧受光较强能够充分导通。Vcc经过R2与二次侧三极管集电极相连。综上可知，A点的脉冲是随着铃流信号的出现而出现的，因此只要检测到A点有低电平脉冲出现，就说明线路上有铃流信号了，而且A点在单位时间内出现的脉冲个数就代表了振铃时间的长短，因此通过累加A点的脉冲个数就可以判断出振铃时间的长短和铃响次数的多少10。图3-4 振铃检测电路3.5 模拟摘机电路电路板和电话线之间应有一个电子开关的存在，平时这个开关应该处于断开的状态，以免造成电话线占线。当希望远程遥控家中的电器时，在若干次铃响后无人接听时，电子开关将电话线和实验板连接，使实验板能够实施控制功能11。电子开关由QD1、V1、V2等元件组成，图中的Ll、L2两个点是和电话线连接的。模拟摘机电路主要由单片机控制三极管的开关来完成。L1、L2上的信号经QD1整流后，TP4这一点始终是正极。图中TP3这个点与单片机的 Pl.4口连接。当Pl.4为低电平0时，三极管V2由于没有基极偏置电压因此不能导通，即V2的集电极没有电流通过，相当于开路，当V2集电极没有电流时，V1的基极也就没有偏置电压和电流，因此Vl也不会导通，此时的V1也处于开路状态。当P1.4为高电平时，TP3点有高电平直流电压，该电压就是三极管V2的基极偏置电压，由于有了基极偏置电压，因此V2导通了，当V2集电极有电流时，V1的基极也就有了偏置电流和电压，V1也就导通了，此时从QD1出来的正电压通过Vl的发射极和集电极后，再经过R5形成导通回路，并且将线路上的信号在R5两端产生电压降，此时R5相当于电话线路的负载电阻。由以上分析可见:当单片机通过P1.4口给TP3点施加一个高电平信号时，开关管V1导通，电路板接通线路上的遥控信号，相当于电话机接通，从而实现自动摘机。平时P1.4为低电平，因此V1断开，相当于电路板与电话线之间断开了，起到了挂机的效果。图3-5 模拟摘机电路3.6 DPMF解码电路3.6.1 DTMF介绍双音多频 DTMF(Dual Tone Multi Frequency)，由高频群和低频群组成，高低频群各包含4个频率。一个高频信号和一个低频信号叠加组成一个组合信号，代表一个数字。DTMF信令有16个编码12。双音多频的拨号键盘是44的矩阵，每一行代表一个低频，每一列代表一个高频。每按一个键就发送一个高频和低频的正弦信号组合，比如1相当于697 Hz和1209Hz。交换机可以解码这些频率组合并确定所对应的按键14。DTMF编解码器在编码时将击键或数字信息转换成双音信号并发送，解码时在收到的DTMF信号中检测击键或数字信息的存在性。一个DTMF信号由两个频率的音频信号叠加构成。这两个音频信号的频率来自两组预分配的频率组：行频组、列频组。每一对这样的音频信号唯一表示一个数字或符号。电话机中通常有16个按键，其中有10个数字键09和6个功能键*、#、A、B、C、D。国际上采用的多种频率为697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz和1633Hz等8种13。用这8种频率可形成16种不同的组合，从而代表16种不同的数字或功能键，具体组合见表3-3。表3-3 电话按键与频率对应表低频/Hz高频/Hz1209133614471633697123A770456B852789C941*0#D3.6.2 双音多频译码器MT8870在这个电路中使用了一片供接收用的MT8870型解码芯片。MT8870是MITEL公司生产的DTMF接收器，是一种大规模CMOS集成电路，主要由滤波器、译码器和控制电路三部分组成14。其内部逻辑框图和引脚排列见图3-6。外部输入的DTMF信号从-IN端进入运算放大器放大后，进入双音滤波器，双音滤波器是由2个6级开关电容构成的高低通滤波器，它能有效地将DTMF信号中的高频群和低频群区分开来，被区分开的高、低频群，再经过各自的滤波器及整形电路后送入译码电路15。译码电路由数字检测、编码转换和三态输出电路等几部分组成，数字检测电路采用对输入音频信号进行数字计数的方式以确定DTMF信号的频率并检查是否与标准的DTMF信号相一致，在此过程中，采用了一套复杂的算法，对DTMF信号的频率偏差提供一定的容差范围以提高抗干扰能力。输入的DTMF信号被检测到后，经编码转换电路进行8-4-2-1编码后送入锁存器锁存。当输出控制端TOE为高电平时，DTMF信号所对应的8-4-2-1编码即出现在Q4-Q1端。MT8870内有一系列的控制电路，对接收的工作经行控制和协调。图3-6 MT8870内部逻辑框图与引脚排列该芯片的主要特点为：功耗低；采用外接3.58MHZ晶振、外围元件少；音频接收持续时间典型值为40ms；接收信号增益可调；STD端输出信号指示Q1-Q4端数据已就绪，因而可作为中断申请或采样控制信号；输入阻抗高。下面是厂家推荐的MT8870的典型应用电路，电路图如图3-7所示16。 图3-7 MT8870典型应用电路从MT8870的应用资料可以看出，该芯片共有18个引脚，只需要按照图中选用元件，并正确连接即可。输入的DTMF信号经过C1、R1输入到-IN端，该端是运算放大器的反向输入端，该放大器的增益取决于反馈电阻R2和R1比值。放大器的同相输入端+IN与VRef媏相连，由VRef提供VDD/2的参考电压作为偏置电压，C2和R3组成外部定时电路以确定芯片对输入信号的反应时间。TOE端接VDD，表示数据可以输出到Q4-Q1端。STD端在芯片收到DTMF信号并经识别后，在Q1-Q4送出2进制码的时候变为高电平，因此该端信号可以作为“输出就绪”的指示信息。表3-4 电话按键与译码输出对应表 数字OED4D3D2D11HLLLH2HLLHL3HLLHH4HLHLL5HLHLH6HLHHL7HLHHH8HHLLL9HHLLH0HHLHL*HHLHH#HHHLLAHHHLHBHHHHLCHHHHHDHLLLLANYLZZZZ3.6.3 本文的DTMF解码电路本文设计的DTMF解码电路如图3-8所示。图3-8中，双音频信号输入点与图3-5中三极管V1集电极相连接，当电子开关接通时，电话线路上的双音频信号经过V1后进入图3-8的输入点，经过MT8870内部处理以后，从Q1、Q2、Q3、Q4端输出解码后的状态数据。数据输出端Q1、Q2、Q3、Q4与单片机的Pl.0、P1.l、Pl.2、P1.3