浙江工业大学远程多路智能家用电器***设计/毕业设计论文 浙江工业大学之江学院 毕业设计说明书 题 目： 远程 多路智能家用电器*** 学生姓名： 董刚 学 号： 200220370704 系（部）： 信息工程系 专业班级： 自动化 0202 指导教师 (姓名及专业技术职务 )： 王文明、蒋溢君 评阅者 (姓名及专业技术职务 )： 2006 年 6 月 杭州 nts 2 中 文 摘 要 当今，电话已非常普及。 电话遥控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，因此遥控距离可跨省市，甚至跨越国家。 在我的项目里，着重研究基于电话控制的家庭智能系统。这个系统可以用于控制家 庭中的电器设备。在把系统与固定电话相连之后，用户可在拨号之后听到操作提示，就像使用电话问答机一样。此项目的目的是建立电话控制的家庭智能系统，同时能够使用户在离开家里时允许他们进行远程控制家用电器设备。在用户拨通他们家的电话号码时，键入特定 (约定 )的电话按键，电话会告诉系统做相关的操作。 关键词： 振铃检测； DTMF***；模拟摘机；单片机控制 nts 3 外 文 摘 要 Title： Long range many roads intelligence home appliances controller Abstract： Now/ the telephone is already very universal /The telephone controls from a distance to be used as a the new lesson a remote control for and normal regulations method compares/ displaying certainly superior/ do not need the specialized cloth in proceeding line/ do not take up the radio frequency resources/ avoid the electromagnetism pollution /At the same time/ because of telephone circuit every locality 联 net/ can make use of the current telephone net well/ therefore control from a distance the distance can across the city/ even stride over the nation /In my item/ I emphasize the research according to the family intelligence system of the telephone control /This system can used for the electric appliances equipments of the control family /Fix the system connect with each other with telephone after/ the customer can hear after stiring number the operation hints/ resemble usage telephone question and answer machine /The purpose of this item is a family to establish the telephone control intelligence system/ enabling the customer at the same time when they leave the house allow them to proceed the long range control home appliances equipments /When the customer dials the telephone number of their house/ key-in the particular telephone key/ the telephone will tell the system do the related operation/ Keywords： Flap the bell examination /DTMF solution code /Imitate to take off the machine /Single a machine control nts 4 目 录 第一章 引言 / 6 1 1 课题的背景及来源 / 6 1 2 国内外的研究状况。 / 6 1 3 课题研究中我们需要解决的问题 / 8 1 4 项目研究的目的、意义及其市场前景分析 / 8 第二章 系统总体设计 / 9 2 1 系统功能指标 / 9 2 2 系统硬件结构 / 9 2 3 系统软件结构 / / 10 2 4 智能家居控制系统的工作原理 / 10 第三章 硬件设计 / 11 3/ 1 CPU的选择 / 11 3 2 振铃检测电路 / 12 3/2/1 振铃检测电路重要组成元件 光电耦合器的原理 / 12 3/2/2 具体电路设计原理 / 13 3 3 模拟摘挂机电路 / 15 3 4 双音多频译码电路的设计 / 16 3/4/1 双音多频信号的形成 / 16 3/4/2 双音多频***电路的设计 / 18 3 5 信号音提示电路 / 20 3 6 电器控制电路 / 21 3/6/1 固 态继电器的特点及工作原理 / 22 3/6/2 电器控制电路设计图 / 23 第四章 软件设计 / 23 4 1 系统软件总流程图 / 24 4 2 各子程序的设计 / 24 4/2/1 振铃计数子程序的设计 / 25 4/2/2 按键输入子程序的设计 / 25 4/2/3 密码校验子程序的设计 / 25 4/2/4信号音提示子程序的设计 / 27 第五章 系统调试 / 28 5/1 硬件调试 / 28 5/1/1 振铃检测及模拟摘机模块的电路调试 / 28 5/1/2 DTMF 双音多频解调模块的电路调试 / 28 5/1/3 电器控制电路的调试 / 29 5/2 软件调试 / 30 5/3 联机在线调试 / 30 结 论 / 31 nts 5 致 谢 / 33 参 考 文 献 / 34 附录（程序清单）： / 35 nts 6 第一章 引言 1 1 课题的背景及来源 随着人类社会的进步和科学技术的迅猛发展，人类开始迈入以数字化和网络化为平台的智能化社会，开始出现了诸如“智能化仪表、智能化机器人、智能化汽车”等具有不同智能程度的产品、设备、工具，并且呈现出迅猛发展的趋势。家庭智能化的提出主要有以下两方面原因： (1)家用电器的多样化及家庭内通信资源的特点 (客观条件 ) 目前，在城市家庭中，电话的普及 率已接近 100%，而且固定电话通信技术也发展得比较成熟，家庭电话与外界的联系更具有双向性和随时性的特点，人们可以随时随地地与家庭取得联系。 (2)人们对生活质量要求的提高 (主观要求 ) 随着生活质量的提高，人们非常希望能像在家里一样随时随地对家电进行遥控。这样，炎炎的夏日，主人可以在下班前半小时遥控打开空调，下班进家就有一种很凉爽的感觉；可以遥控开启微波炉、电饭锅等炊具，一回到家便可享受美味的饭菜。 为此，我们设计了一种“智能家居控制系统”，该系统以单片机为主***，利用现有的通信资源 (公用电话网和电力线网 )与家用电器进行组网，使整个家庭的电器与网络一体化，从而实现对家用电器的远程智能控制。 1 2 国内外的研究状况 智能建筑起源于美国联合科技建筑集团 (United Technologies Building Systems，简称 UTBS)所介绍的康涅狄格州市政大楼 (City Palace Building)。而智能住宅的发展几乎与智能大厦同步。早在 1979年，美国斯坦福研究所就提出了在建筑物内将家用电器、电器设备的控制线统一为家庭总线的概念。之后，美国成立了现代住宅研究会专门从事这一领域的研究。 1983年美 国电子工业协会开始制定家用电器设计标准。世界上第一幢智能建筑 1984年在美国建成，同年美国住宅建筑者协会成立了现代住宅开发公司，开始有关基础性研究工作，并在 1989年推出了将电力供应、空调控制和数据通讯合成为整体的布线系统示范单元 Pt。世界上最大的电脑公司 IBM，以“四海一家”作为其解决方案的指导思想，坚持网络化、信息化是未来人类社会的发展方向，相继推出 ACS(自动布线系统 )、 Home Directo式（家居管理器）、 Smart Home(智能住宅 )等与智能化建筑相关的产品，结合 IBM领先的网络科技为智能小 区提供一套从nts 7 规划到实施的完整解决方案。在这期间，智能住宅的概念在欧美等发达国家得到了广泛的认同和发展。欧洲在 1986年把集成化的家居系统研究列为“尤利卡计划”，大力进行研究。在 20世纪 80年代，欧洲电器标准化委员会制定了家用数字总线标准，进一步规划了智能住宅技术标准。 日本在 80年代初即大力推进家居电子化。在 80年代中期，将家用电器、 保安设备、通讯设备功能综合后，提出了家居智能化的新构想。 1988年，日本 建立了住宅信息化促进会，主要开展家庭总线技术的研究，并且公布了总线标 准，并于 1989年开始在东京的国际会 议中心区域建立了一个高水平智能化住宅小区，近年来，为了适应大型住宅小区的需要，又提出了超级家庭总线的概 念。 19%年，日本推出多媒体住宅样板计划，将多媒体技术引入智能住宅，并 取得重要研究成果。 在东南亚，新加坡的智能建筑技术研究处于领先水平。如宝德胜家庭智能化系统，己经用于 30多个住宅小区。在“ 98亚洲家庭电器与电子消费品国际 展览会”上展示的“未来之家”其智能品质受到人们的关注。 我国在这方面的起步较晚，急需完成的是研制出实现基本功能又符合我国应用现状的家庭智能控制系统。近年来对家庭智能控制的研究开始活跃并出 现热潮，有些单位己取得一批重要成果。 以下是国内有代表性的几种智能家居系统 / (1) 科龙集团研制的“智能网络家居系统”，由科龙集团研制的“智能网络家居系统”，它由家庭***、抄表***、安防***、家电***、灯***及家庭总线组成。通过远程互联网，可异地控制家庭设备；可以通过电视机***就地关灯 /空调、冰箱在不同的季节，其控制方法也会随时而变等自适应的特点。 (2) 海信的“智能家居控制系统”，实现一般电脑所能实现各种功能以外，同时还能够***担当家庭的“信息家电控制中心”的角色。用户可以通过几乎是一步到位的简单编排，控制把诸如电视机、空调、 VCD、功放等多种家用电器的控制功能分门别类地储存起来，以便在需要的时候随时调用。 (3) 清华同方的 e-Home 数字家园，它是清华同方基于家庭自动化和建筑自动化技术，配合相关的网络、计算机、软件技术，为中国家庭及社区提供全方位的数字化服务。 e-Home数字家园包括三个层次，家庭自动化、小区智能化、社区信息化，目的是使人们的生活工作网络化。 (4) “卓越 3000”的“家用电器智能控制”，方正“卓越 3000”能将包括电视机、nts 8 录像机、 VCD/***机、家用空调等在内的全部家用 电器通过控制电路连接在一起，进行集中智能管理，大大提高了家用电器的工作效率和使用效益，成为了用户家庭电的“家电主管”。 1 3 课题研究中我们需要解决的问题 智能家居经过多年的发展，在世界各国都有了很大的进步，尤其是各种智能家居的产品已经得到了广泛的应用。本文在对智能家居系统的充分认识和了解下，针对其中家居设备的集中控制提出了自己的方案，并实现了一个简易型的智能家居系统。 在导师的悉心指导下，本文主要完成了以下几方面的工作 / (1) 了解智能家居以及智能家居在国内外的研究现状。 (2) 对智能家居系统的整 体结构进行分析、设计并确定所要实现的功能。 (3) 选择并实现家庭内部的联网。 (4) 智能***的软硬件实现。 (5) 基于电话网的接入方式的软、硬件设计，重点是 DTMF 信号的接收和***算法的实现。 1 4 课题研究的目的、意义及其市场前景分析 在快节奏的工作生活中，人们希望能随时对家用电器设备进行控制，以节约时间，提高效率，改善生活质量。本课题研制和开发的目的和意义就是为了家具生活的高效、方便、安全、节能、舒适。 近几年来，智能家居频繁地出现在各大媒体上，一时间成为人们能够耳熟的词汇。目前，关于智能家 居的称谓很多，但它们的含义和所要完成的功能大体是相同的。由于有些国外同类住宅智能化的设备和装置的引进是极其昂贵的，很难让中国百姓接受，不符合我国的国情。国内厂家所生产的该类设备主要都是对电话机进行改装，或者***专门的产品，如专用电话机等，这势必对居民的现有资源造成浪费，并且还需要单独布线。本课题研究的产品充分利用国外先进成熟的电子器件，并不需要对电话机进行改造，也不需要单独布线。 综上所述，我们可以看到此智能家居控制系统的优点是： （ 1）适合中国普通老百姓家庭使用，价格便宜。 （ 2）系统并不对电话机做任何改 装，不需要单独布线。 （ 3）便于电话远程控制，享受生活新体验。 正是基于以上叙述，该智能家居控制系统势必会受到中国百姓的青睐。 nts 9 第二章 系统总体设计 电话智能***由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，并完成对于各种信息的记录；接口电路提供单片机与电话外线的接口。其中包括铃流检测、摘挂机控制、双音频 DTMF 识别、语音提示电路及电器控制。 本装置并联于电话机的两端，不会影响到电话机的正常使用。用户通过异地的电话机拨通本装置所连接外线的电话号码，通过市局交换机向电话机发出振 铃信号。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，进入密码检测，输入正确后选择被控制电器，然后输入开或关进行遥控电器，完成后返回。 2 1 系统功能指标 （ 1）拔打电话控制远端的电器时，若振铃五次无人摘机，则模拟摘机； （ 2）接收密码并且进行密码校验，并回语音信号音以示密码字的正误； （ 3）接收用户所发的控制数据及译码，还可回送语音信号音以提示操作人员，以使操作人员明确当时的操作状态； （ 4）接通话路后，用户可连续对多个电器实施控制，可以根据需要增控制。 2 2 系统硬件结构 振铃检测 电路 模拟摘机电路 双音多频译码电路 信号音提示电路 电器控制电路 硬件系统模块框图（图 2 1）： 电 话 线 振铃检测 双音多频译码 信号音反馈 单 片 机 芯 片 家电设备 01 家电设备 02 nts 10 图 2 1 硬件系统模块框图 2 3 系统软件结构 为了能实现以上所述的所有功能及达到实验的成功我们设计了系统的软件结构如图2-3所示。 图 2 2 软件结构图 2 4 智能家居控制系统的工作原理 如图 2-1 所示，******采用 AT89C51 单片机。振铃检测电路主要由极性转换电路、 RC 积分器及一片光耦 4N25 组成，电话铃响时，不管电话的电流输入是正的还是负的，经过极性转换（整流桥路）使电流都成了定向性的；电话铃流信息经 RC 积分器然后经过光耦，所以每振铃一次光耦输出一个高电平，送 AT89C51 进行中断处理。振铃五次若无人摘机，AT89C51 通过 I/O 口输出一高电平至模拟摘机回路，实现模拟摘机。与此同时，从单片机 AT89C51 出来的信号音经过 LM386 的放大，通过音频变压器（或喇叭直接输出），报告当时的操作状态。语音结束后，操作人员就可根据信号音进行以后的操作。 双音多频译码电路的功能是接收操作人员送来的密码和电 器码，并将nts 11 DTMF 信号转换成数字信号后送 AT89C51。双音多频 DTMF ***由 MT8870承担，其四位输出与 AT89C51 的 P1/4 P1/7 相连。模拟摘机后，即电话接通后，该电路就可接收电话线路送来的双音频信号并对其译码，译码后，该电路输出 8421 码（如用户按下键 1时，译码输出 0001）送 AT89C51的 P1/4 P1/7，同时 STD 脚变为高电平送 AT89C51 的 INT0 脚，申请中断，若此时允许中断，软件对所发的双音频码进行处理。 信号音提示电路主要完成的是 提示音的播放功能，它由单片机控制，接收来自单片机的各种指令信号，根据需要单片机发出各种不同频率的信号，通过 LM386放大，反馈到电话线路。 电器的驱动是由三极管（ 9013）输出信号控制继电器来实现的。各路电器的工作原理是一样的，所以我们设计硬件时只设计了 1 路。 至于具体的智能电话***的各个组成部分的电路设计将会在下一章中详细讲解。 第三章 硬件设计 本系统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。 3/ 1 CPU 的选择 经过比较，我 决定使用 AT89C51 作为控制的单片机芯片。 AT89C51 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位***处理器和 Flash 存储单元，内置功能强大的微型计算机的 AT89C51 提供了高性价比的解决方案。 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机， 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同 时内含 2 个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器 /2 个全双工串行通信口， AT89C51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 nts 12 图 3 1 AT89C51 主要性能参数： 与 MCS-51 产品指令系统完全兼容 4k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作： 0Hz-24MHz ***加密程序存储器 128 8 字节内部 RAM 32 个可编程 I/O 口线 2 个 16 位定时 /计数 器 6 个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 3 2 振铃检测电路 3/2/1 振铃检测电路重要组成元件 光电耦合器的原理 在电子技术领域，光电耦合器通常被应用于反馈控制，固态继电器，开关电路及输入输出要求具有高绝缘的场合。它具有体积小，使用寿命长，工作温度范围广等特点。 光电耦合器件是一种光与电直接耦合的器件 / 它由发光器件和光***件直接组合并集成在一起构成。光电耦合器大致可分为三类 / 其中用于传递模拟信号的光电耦nts 13 合器 / 其发光器件为二极管 / 光***件为光敏三极管。典型电路原 理如图 3 2 所示。 图 3 2 光电耦合器 其工作原理为 / 当有电流通过发光二极管时 /发光管发出波长为 0/9um的***光 / 光源的光强取决于流过二极管电流的大小。该光源的光照射到光敏三极管表面上 / 使光敏三极管产生一定的集电极电流 / 该电流的大小与光照的强弱亦即流过二极管正向电流的大小或正比。由于光电耦合器件的输入端和输出端之间是通过光信号传输 / 因而输入和输出之间在电气上完全隔离 / 没有电信号的反馈和干扰 / 因而性能稳定 / 抗干扰能力强。而且发光管和光敏管间的耦合电容小 (3 pF 左右 ) / 耐压高 (215 kV 左右 ) / 故共模抑制比很高 / 输入和输出间的电隔离程度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。另外 / 由于输入电阻小 (约 10 ) / 对高内阻源的噪声等于被短接。 因此 / 由光电耦合器构成的隔离电路将具有优良的电气性能。 由于振铃检测电路采用光电耦合器，因此该电路不会从整体电路吸收大量的电流，也不会将电流反馈致电话线上，而且可以隔离各种电磁干扰。速度快、价格低、接口简单。 3/2/2 具体电路设计原理 振铃检测电路可以有多种方法实现，总体上可分为软件计数和硬件计数两种方法。 （ 1） 振铃检测方案一：（软 件实现计数） nts 14 图 3 3 振铃检测（方法一） 在电话线路未来铃流前，电话线路由电话交换机提供大约 48V 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 253Hz 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 送 ， 4秒断。 如图 3 3 所示，在铃流信号来时，铃流电压经 R2 降压及 C1 充电加到光电耦合器的输入端，使发光二极管导通发光，从而使光敏三极管导通，把 port 口的电平拉低。通过 port口的电平变化就可以检测到是否有铃流信号。 根据振铃信号电压比较高的特点， 可以先使用高压稳压二极管进行降压，然后输入至光电耦合器。经过光耦的隔离转换，从光电耦合器输出的波形是时通时断的正弦波，经过 RC 回路进行滤波输出很标准的方波。方波信号就可以直接输出至单片机的中断输入口，通过软件来完成整个振铃音检测和计数的过程。 （ 2） 振铃检测方案二：（硬件同时实现振铃检测和计数） 图 3 4 振铃检测（方法二） nts 15 铃流电压经 C1 隔直， R1 降压， B1 桥式整流后， 经 R3 在 C2 上充电 ，铃流停止时， C2 经 R2、 R3 即可改变电容 C2 的充放电时间， 使电路的充电时间常数大于放电时间常数。这样，每次铃 流停止时，电容上的电荷只放掉一部分，下一次又在此基础上充电。调节充放电时间使得振铃 N 次时电容的电荷积累达到触发电平，使光耦管导通，达到了振铃 N 次输出检测电平的目的。 若设 N 3，则电容 C2 充放电波形示意图如图 3-5 所示。 触发电平 t1 t2 t3 图 3-5 C2 充放电示意图 考虑到实际调节操作的不方便，且不易改变所设定的延时时间，因此该振铃检测电路的设计仍采用软件计 数的方案，这样设置方便且定时精确。 3 3 模拟摘挂机电路 模拟摘挂机电路：当检测到振铃信号时，单片机将 Port 端置高，同时改变三极管 Q2的基极电压使三极管导通， c极降为低电平，使得三极管 Q1 导通，于是将一个4/3伏的稳压二极管再加上三极管 c e两极电压，使电话线路对地为 5伏左右，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，完成电话线路接通。整个电路完成自动模拟摘机过程。若要挂机，则将 Port端置低。 根据设计原理，原器件选取如下： 1、 R10是三极管限流电阻，取 2k； 2、 Q1， Q2三极管 是起模拟开关控制作用，取 Q1为 9012，取 Q2为 9013； 3、 D1为 4/3 伏的稳压二极管； 4、 C9取 0/1uF。 根据有关技术指标，模拟摘挂机电路设计如图 3 6所示： nts 16 图 3 6 模拟摘挂机 3 4 双音多频译码电路的设计 3/4/1 双音多频信号的形成 众所周知，电话机有两种拨号方式，即脉冲拨号和双音频拨号。由于脉冲拨号方式是按一定的断 /续比和速率来断、续电话线的环路而发出脉冲信号的，它存在以下缺点： （ 1）拨号速度慢。 电话号码越长，所用的时间越长，占用交换机的时间也长，这就使程控交 换机 接续 速度快的优点得不到发挥，从而影响了交换机的接通率。 （ 2）脉冲信号在线路中传输产生波形畸变，可能产生错号。 （ 3）脉冲信号的幅度大，容易产生线间干扰。 双音拨号能克服脉冲信号的上述缺点，增加***的可靠性，因此这里设计的***只接收双音频信号。 数字或 f H（ HZ）功能 fL(HZ) 1209 1336 1447 1633 697 1 2 3 A 770 4 5 6 B 852 7 8 9 C 941 0 D 表 3 3 1 nts 17 由表 3 3 1 我们可以看出：表征双音多频信号的频率 共有八个。我们把频率低于 1000Hz 的四个频率称为低频群，高于 1000Hz 的四个频率成为高频群。按键盘上的每一号或一个字符都是由一个高频群的频率和一个低频群的频率组成。 如发出的号 5其对应的高频群 fH=1336Hz，对应的低频群 fL=770Hz。所以当我们按“ 5”时，便同时产生 770Hz 和 1336Hz这两个频率，交换机收到这样的音频信号组合后，其***器能立即***、辨认和接续。 表中 1633Hz 是作为备用频率提出来的，用它可以扩大电话机的功能。普通电话机上的拨号盘通常不用这一频率，而只用表中 7 个频率，我们称之为 7 中取 2 制。如果 8 个频率全部用上，我们称之为 8 中取 2 制，也就是说每个号码的数字是从 8 个频率上取 2 个频率（高频群中取一个，比频群中取一个）来表征。 分析表 3 3 1 中，我们还可以得出： 表中任意两个频率都不互为谐波关系。在音频范围内，表中任意一个频率都不等于其他任意两个频率之和或者之差，也不等于任意两个频率谐波的和或者差。这样安排频率的目的在于保证在拨号时不发生传输的差错，防止因非线性失真或者其它原因产生不需要的频率，以提高对语言或杂音引起的虚假信号的防护能力。 双音多频拨号电路较脉冲拨号电路有如下优点： (1)接续速度快。几乎是在用户一压按钮，多频信号即送出，交换机的***器立即***辨认，完成接续，而脉冲式则要先储存，在将脉冲一个一个地送出，然后由交换机辨认，需要很长时间。 (2)效率高。由于接续快，交换机可在相同时间内完成更多的接续。提高了可靠性。 DTMF 信号送出的是两个正弦信号的复合波形，交换机只有同时收到两个规定的频率组合才有效，否则无效，这就大大提高了可靠性。 (3)传输距离远。脉冲信号会因传输距离远而失真并错号。 DTMF 信号不易失真，它只要求有一定的信噪比，所以可传得更远。 (4)能完成更多的任务 。 DTMF 信号常用于存储程控式交换机，利用DTMF 信号可组成 16 种组合，能完成比脉冲拨号更多的用户服务。 nts 18 3/4/2 双音多频***电路的设计 此部分是整个系统的关键，它的工作情况直接决定了系统的可靠性。经过翻阅大量的文献资料，我发现使用电话专用的双音频编***芯片进行输入双音频信号的***，是比较常用的一种方法。使用集成电路不但外围电路简单，而且可靠性强。经过专用集成电路的***，信号转换成为不同的码制信号，可以直接被单片机读取。一般常用的电话双音频编***集成电路有 8870、 8880、 8888 等，经过反复论证比较 ，我决定使用双音频***集成片 MT8870来完成此功能模块。 MT8870是一种常用的双音多频信号***，也是一种大规模 CMOS集成电路，主要由滤波器、***和控制电路三部分组成，引脚如图 3-7所示。 MT8870 芯片具有低功耗 (电源电压 5V时，消耗电流 3mA)；使用外围元件少，外接 3/579MHz的晶振；采用运算放大器，输出放大倍数调整方便且可提高增益及输入阻抗高等特点。 图 3 7 MT8870 引脚图 引脚端说明： IN+ 、 IN- 运放同、反相输入，模拟信号或 DTMF信号从此端输 入。 Q0 Q3 数据输出，它是相应于 16种 DTMF信号（高、低单音组合）的位二进制并行码，为三态缓冲输出。 GS 运放输出，外接反馈电阻可调节输入放大器的增益。 STD 控制输入延迟，当一有效单音对被接收， ST 超过 VTST，输出锁存器被更新，则 STD为高电平，若 ST低于 VTST，则 STD返至低电平。 nts 19 VREF 基准电压输出。 EST 初始控制输出，若电路检测出一可识别的单音对，则此端即变为高电平，若无输入信号或连续失真，则返回低电平。 INH PWDN 内部连接端，应接地。 ST/GT 控制输入时间监测输出。控制输入，若此输入电压高于门限 VTS则电路将接收 DTMF单音对，并锁存相应码子于输出，若输入电压低于 VTST，则电路不接收新的单音对。 OSC1、 OSC2 振荡器输入、输出。两端外接 3/5795MHz晶体。 VDD 正电源，通常接 +5V。 TOE 数据输出允许端，若为高电平输入，即允许 D01-D04 输出，若为低电平输入，则禁止 D01-D04输出。 VSS 接负电源，通常接地。 MT8870 在常规使用时 /其电路连接如图 3-8所示： 图 3 8 MT8870 常规使用时接线方式 用户音频电话机发出的双音多频（ DTMF）信号通过电容（ 0/1Uf）及电阻 (100K )耦合到芯片的第脚，脚是芯片内部运算放大器的反向输入端，脚是运放的输出端，输入输出之间接一个 100K 的比例放大电阻。芯片的 11脚至 14脚是 DTMF信号的二进制代码的输出数据通道。它们与单片微处理机的数据总线相连。芯片内部的DTMF信号代码可通过此通道进入控制电路的 RAM中。芯片的 18脚接电源 5V， 16、17脚与 18脚之间所接 的电阻（ 100K ） 及电容（ 0/1uF）是识别 DTMF信号时所需的时间常数电路。、脚接地，脚与脚相连，、脚之间接一个 /5795 z的晶振，分频产生芯片内部所需的 DTMF 信号双音对中的各单音比较信号。芯片nts 20 的脚是 DTMF 信号检测输出，当芯片接收到双音多频信号时，脚输出高电平，平时脚为低电平。芯片的脚为数据允许输出端，允许芯片接收到的 DTMF 二进制代码从脚上输出，高电平有效。平时脚保持低电平，脚为高阻态。这种接线方式是常规使用时的接线方式。一块芯片在同一 时刻只能接收一个用户终端送来的 DTMF信号。 MT8870译码如表 表 3-4-1 MT8870 译码表 元器件列表： 1、 R1和 R2是输入平衡电阻，取 100K/C1 隔直电容，取 0/1uF； 2、 芯片外部晶振选择 3/579MHz； 3、 IC1是双音频***芯片，选取 MT8870； 4、 C2选取 0/1uF； 5、 R3是输出平衡电阻，选取 100K 。 3 5 信号音提示电路 原理说明：为了方便本系统的使用者，本人设计了信号音提示音电路，如图 3-9信号音提示电路。 nts 21 图 3 9 信号音提示音电路 信号音从单片机 AT89C51 的 RXD/P3/0 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 C7 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。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。 LM386N-1放大增益为 50dB的连接方式 /其电路连接如图 3-10所示： 图 3 10 LM386N-1放大增益为 50dB的连接方式 3 6 电器控制电路 当 AT89C51 的应用系统对某一电器进行开头控制时，输出一高电平或低电平至此电路，通过固态继电器的吸合或释放，控制电器开头，驱动电nts 22 器。 3/6/1 固态继电器的特点及工作原理 继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关，在条件满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互，所以 继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。 SSR成功地实现了弱信号对强电 (输出端负载电压 )的控制。由于光耦合器的应用，使控制信号所需的功率极低 (约十余毫瓦就可正常工作 )，而且所需的工作电平与 TTL、HTL、 CMOS等常用集成电路兼容，可以实现直接联接。这使 SSR在数控和自控设备等方面得到广泛应用。在相当程度上取代传统的 “ 线圈 ***触点式 ” 继电器 (简称“MER”) 。 SSR由于是全固态电子元件组成，与 MER相比，它没有任何可动的机械部件，工作中也没有任何机械动作； SSR由电路的工作状态变换实现 “ 通 ” 和 “ 断 ” 的开关功能，没有电接触点，所以它有一系列 MER 不具备的优点，即工作高可靠、长寿命 (有资料表明 SSR 的开关次数可达 108-109 次，比一般 MER 的 106 高几百倍 )；无动作噪声；耐振耐机械冲击；安装位置无***；很容易用绝缘防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能；在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳。 耦 合 电 路 触 发 电 路 开 关 电 路AB负 载CD交 流 2 2 0 v图 3 11 固态继电器示意图 继电器的结构如图 3-11 所示。 从整体上看， SSR 只有两个输入端 (A 和 B)及两个输出端 (C 和 D)， 是一种四端器件。工作时只要在 A、 B 上加上一定的控制信号，就可以控制 C、 D 两端之间的 “通 ”和 “断 ”，实现 “开关 ”的功能，其中耦合电路的功能是为 A、 B 端输入的控制信号提供一个输入 /输出端之间的通道，但又在电气上断开 SSR 中输入端和输出端之间的 (电 )联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是 “光耦合器 ”，它动作灵敏、响应速度高、输入 /输出端间的绝缘 (耐压 )等级高；由于输入端的负载是发光二极管，这使 SSR 的输入端很容易做到与输入信号电nts 23 平相匹配，在使用可直接与 单片机 输出口相接，即受 “1”与 “0”的逻辑电平控 制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路工作 。 本设计所选用的继电器为 HRS1H-S-DC5V，分别带一个感应线圈，一对常开触点和一对常闭触点，其结构图如图 3 12： 图 3 12 HRS1H-S-DC5V 结构图 3/6/2 电器控制电路设计图 图 3 12 电器控制电路图 当三极管 Q3 导通时（通过 port 口控制实现），继电器的线圈中有电流流过，电流足够时，继电器吸合，电器插头就上 220V 的交流电（表示受控制的电器）。 第四章 软件设计 在前一章的叙述中，我们已经了解到，许 多功能是通过软件得以实现的，如振铃计数，模拟摘机，信号音的发生等。下***体介绍一下该遥控nts 24 器各个程序模块的设计。 4 1 系统软件总流程图 N N N Y 图 4 1 系统软件总流程图 4 2 各子程序的设计 软件设计根据功能不同，可以划分为：振铃计数、按键输入、密码校验、电器控制、信号音提示（延时程序）这几个子程序。 为了便于理解。这里根据程序的执行顺序分别对它们的框图作一介绍并给出必要的解释。 4/2/1 振铃计数子程序的设计 START 振 铃 检 测 初 始 化 是否振铃 5 次 输入密码 密码检测 模 拟 摘 机 是否正确？ 执行操作 挂机 是否输入三次？ nts 25 在电话网络中经常有干扰信号进入电话线，所以在振铃检测是要先判断电话线上的信号是否为振铃信号。正常的振铃信号是一组 1秒通、 4秒断的 25Hz 3Hz 的正弦信号，经 过光电耦合器后出来的是 25Hz 3Hz的方波信号，也就是说在 1秒钟内有 25 3 个中断信号进入 CPU，就说明来的信号是振铃信号。在设定好振铃次数后就开中断等待振铃信号的进入，进入中断先判断是否是振铃信号，然后就进行振铃的次数的判断，符合振铃次数后就进入下一步，模拟摘机。 4/2/2 按键输入子程序的设计 在有按键信号后， CPU 就读 DTMF 双音多频***后的 Q1 Q4 的值，根据这个值就可以读出按键的键值。 按键信号是通过 INT0 中断信号提示 CPU 有键按下，然后 CPU 就取按键值，这样就完成按键输入并识别键值的任务了 。 图 4 3 按键输入流程图 4/2/3 密码校验子程序的设计 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 30H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***后的数据（使用者输入的密码）存储在 38H开始的存储空间内。然后单片机对进行两个存储地址的内容逐位进行比较，直到完全相等才能转到下一进程，有一位nts 26 不同，程序就 提示 出错 ，要求重新输入密码，如果输入 3次错误就直接挂机。 4/2/4 信号音 提示子程序的设计 本功能模块主要是产生信号提示音，方 便不同的使用者。根据普通人nts 27 耳的反应频率为 20Hz至 20KHz的范围，和 CCITT规定的电话话音信号的频率范围是 300Hz至 3400Hz，我在本功能单元的发声频率定为 500Hz和 1000Hz两种。主要分为五种提示音： 1、 低音，表示装置已经摘机，请输入密码，其参数：频率 f=500Hz，延时 t=0/5秒 /声； 2、 两声低音，表示密码已经通过，请选择电器，其参数：频率f=500Hz，延时 t=0/5秒 /声； 3、 三声低音，表示电器已经选定，请控制（开 /关），其参数：频率f=500Hz，延时 t=0/5秒 /声； 4、 三声高音，表示密码输入错误，其参数：频率 f=1000Hz，延时 t=0/3秒 /声； 5、 一声高音，表示控制已经完成，其参数：频率 f=1000Hz，延时 t=0/3秒 /声； 提示音发生是使用有限循环，反复使单片机的 RXD 口的电***转，从而形成方波 在整个信号音提示程序的设计中，我们要用到了几个延时子程序，我们采用软件延时的方法。软件延时一般都是用指令 DJMZ Rn/rel 来实现，具体过程如下（以 1s 延时为例）： DELAY/ MOV R5/#25 DELAY1/ MOV R6/#100 DELAY2/ MOV R7/#100 DJNZ R7/$ DJNZ R6/DELAY2 DJNZ R5/DELAY1 RET 因为执行 MOV Rn/#data 指令需 12 个振荡周期，即两个机器周期，每个机器周期为 2us/所以完成该指令需 4us/所以执行 DELAY 子程序所需的时间为： （ 100 4+2+4） 100 25=1015000us=1/015s nts 28 第五章 系统调试 5/1 硬件调试 在搭好整个电路后，要先对各个模块进行调试，确保单个模块能正常工作。 调试所使用 的测试仪器仪表和工具 ： (1) 双踪示波器一台； (2) 万用表一个； (3) 可调稳压电源一个； (4) 电话单机两台； (5) 电话线一条； 5/1/1 振铃检测及模拟摘机模块的电路调试 在上电后，接上电话线，让外线拨打该电话是其振铃，用示波器接光耦的输出端，测其相对地的电平。 铃流来时，其输出脚跳变为高电平，然后落为低电平，下一次铃流来时，又跳变成高电平，铃流期间，重复此过程，说明振铃检测模块工作正常。 当振铃 5 次后，单片机 P3/1（ TXD）发出一个高电平，使得电话线的电压降为 5V 左右，电话接通，而且振 铃结束，说明模拟摘机模块能正常工作。 5/1/2 DTMF 双音多频解调模块的电路调试 为了能检测到双音多频解调结果，在 Q1 Q4 口各接一个发光二极管。如果输出是“ 1”（高电平），发光***管就发光。在模拟摘机后按下键，四个发光二极管没有反应，说明解调模块存在问题，但不知道是什么问题，就只能逐级查问题。先查输入信号，用示波器测 MT8870 的 2 号脚对地信号，摘机后按键，观察示波器，没有波形出来，说明输入有问题。于是就查电路，经仔细检查后，电路没大问题。在一次不经意间，我用示波器测 MT8870 的 2 号脚对交换机地的信 号时，发现有波形出现，如图 5 1所示。经查资料发现此波形就是 DTMF 信号，这就说明问题的关键就是信号地与电源地的参考地问题。 于是就把电源地与交换机的 GND共地 ，摘机后按键，用发光二极管检测 Q1 Q4 有输出，而且输出值就是按键值。为了解决共地问题，对电路进行了改进，如图 5 2 所示。不把电话线 A、 B 双线直接接入 MT8870 的 2 号脚和地，而是通过一个桥路后再接入 MT8870 的 2 号脚，这样就解决了信号对地的参考问题。nts 29 对 该 进后的电路调试， Q1 Q4能正常输出，说明 DTMF解调模块工作正常。 图 5 1 DTMF信 号 图 5 2 DTMF信号解调模块修改后的电路 5/1/4 电器控制电路的调试 电器控制电路主要还是继电器的动作， 把图 3 12 中的 port 口接 Vcc，听到“嗒”声，说明继电器能工作，电器控制模块能正常工作。 5/2 软件调试 硬件的各个模块都通过调试，证明硬件都能正常工作。接下来就要对软件实行调试，实现要完整的功能。 nts 30 调试所使用的工具 ： (1) 伟福系列 仿真 器 一台 ； (2) 实验程控交换机一台； (3) 双音多频电话机 两 台； (4) 主频为 50MHz 的微机一台； (5) 双踪示波器一台。 调试 过程是把各个模块分别编成子程序的方法，在主程序中调用各个子程序。完成各个模块的功能 和 连接。调试是先通过单步执行，确定编的程序在逻辑上没问题。由于用的是汇编语言，语句间的跳转很多而且很烦，所以调的过程是一个痛苦的过程，要耐心仔细。 5/3 联机在线调试 由于在联机调试前既有硬件调试，又有软件调试，调试起来比较麻烦，所以联机调试时出现了一些问题，后来根据调试出现的问题，对硬件和软件都做出了相应的调整，使整个设计能正常的运行。 nts 31 结 论 前几章的分析和设计，以及硬件与开发系统的联合
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