1、 毕业设计开题报告 电子信息工程 基于单片机和 DTMF 技术的远程遥控系统硬件电路的设计 1 选题的背景、意义 二十一世纪以来， 随着现代通信 技术 、电子技术和计算机 网络 技术的不断创新和发展， 推动了 人类社会的生产和发展 。 数字化、网络化和信息化正 逐步 融入人们的生活之中。人们在生活水平、居住条件得到不断提升与改善的基础上，对生活的质量提出了更高的要求 。他们希望享受到技术革新带来的一个以人为本的舒适、便捷、高效、环保的生活环境。远程遥控技术作为实现自动化、智能化的技术具有举足轻重的作用。它可以来代替原本许多需有人来操作的事 ，大大提高了办事效率，使人们生活的更舒适、方便，充分享
2、受到了生活的乐趣。 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，截止到 2010 年 3 月底，我国固定电话用户合计 3.1 亿用户。全国人口以13 亿人口计，则固定电话普及率为 24 部 /百人。由此可见，电话机已经走进了千家万户。利用现有的电话线路为传输介质，就可以大大减少了工程的 投入，因而在以后相当长一段时期内都有其实用意义。 DTMF(双音多频 )技术由于信号抗干扰能力强，且适合
3、于远距离通信。 从而产生一种利用公共电话网 中 的 双音多频解码（ DTMF） ， 通过 DTMF 方式传输信息 实现对 多个 被遥控对象的状态进行查询及控制功能的远程遥控系统的设想 。 为了实现远距离监测，监控设备就必须具有远距离通信终端，而这种通信终端大多用单片机来实现。由于监控系统的分布性及工作环境的特殊性，具有远程通信能力的单片机终端已经成为一种普遍需要。 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化、使用方便等优点。 用单片机可以构成形式多样的控制系统 。 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状态
4、，使产品达到交互式与智能化。 智能家居 (SmartHome) 又称智能住宅 ,是以住宅为平台 ,兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化 ,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。 智能家居系统 ,利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、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。 智能家居强调人的主观能动性，要求重视人与居住环境的协调，能够随心所欲地控制室内居住环境 。 如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统已成为当今世界的一个热点问题。 2 相关研究的最新成果及动态 智能家居概念的起源甚
5、早，但一直未有具体的建筑案例出现。 20世纪 80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子（ HE,HomenElectronics）的概念正式出现。 直到 1984年美国联合科技公司（ United Technologies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美 国 康涅狄格 州（ Connecticut）哈特佛市 (Hartford)的 City Place Building时，才首次出现了真正的“智能型建筑” 。也由此揭开了全世界范围内对智能家居的一股热潮。 80年代中期，将家用电器、通信设备与安保防灾设备等各自独立的部分通过总线技术将其连接在
6、一起变为一个整体后，形成了住宅自动化概念（ HA,Home Automation）。 80年代末期，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为 Smart Home，也就是现在智能家居的原型。 自从世界上第 1幢智能建筑 1984年在美国出现后，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都先后提出了各种智能家居的方案。 因为国外在智能家居方面涉足较早，再加上其电子技术、计算机通信技术等都领先国内很多，所以在智能家居系统的理论上所与之配套的产品，尤其是智能家电、信息家电产品的生产和标准制定上都占有许多的天
7、独立优势。 目前在新加坡有近 30个社区 (住宅小区 )近 5000户的家庭采用了 “ 家庭智能化系统 ” 。 美国已有近四万户家庭安装了这一类的 “ 家庭智能化系统 ” 。目前美国 有一种占据市场主流的产品 X-10，销售已超过 1 亿个，设计户型为单体别墅，应用多为旧房改造，仅在美国便有超过 400万个家庭在使用。 Cisco（思科）是世界上领先的网络公司。思科利用其先进的网络系统并与其他公司和组织合作在世界各地建立了多个智能家居。所有的智能家居都其名为Ihome(Internet Home)。 Ihome配置有家庭影院系统、高清电视机、 PC、笔记本、有线无线网络、视频会议系统、家庭安全
8、系统。 在 CES2011国际电子消费展 ，作为国际知名的芯片厂商 Intel也 展示出了自己研发的智能家居系统 。通 过自主研发的控制设备，利用有线网络、无线网络可实现对家中电器的管理。 此款智能家居系统能够把家中的一些电器连接起来，门锁也不例外，在门口安装一个摄像头，能清楚的监视到周围的一切，如果家中门被意外打开，还会主动报警 。 智能家居在 90年代进入我国，经过十几年的发展，特别是随着我国的房地产行业高速发展，成为了现在住宅销售的一个热门话题。随着生活水平的逐步改善，人们对于生活的舒适程度的改变日益迫切，这给智能家居的发展提供了很大的市场空间。我国和国际的智能建筑和智能住宅发展都已经经
9、历了初始、推广而进入应用阶段。这主要得 利于电子技术、传感器技术和计算机网络技术的高速发展，使成本可以得到有效的控制，于是可以进入普及阶段。 索博智能家居系统主要采用电力线通信总线技术（荷兰 PLC-BUS技术）来实现家居智能化控制， PLC-BUS技术是一种高稳定性及较高价格性能比的双向电力线通信总线技术，它主要利用已有的电力线来实现对灯光、家用电器及办公设备的智能控制。 PLC-BUS技术的解决方案包括如下领域的应用：灯光控制，电器控制， HVAC控制以及网络与电器设备间的通信。 “ 慧居”智能系统采用互联网成熟、开放的 TCP/IP协议和智能网关技术 、以图形化交互式的人机界面向用户提供
10、可视对讲、家居安防、四表抄收、家电控制、物业管理、远程控制、信息服务等多方面的功能，特别是“慧居嵌入式数字家居智能终端”采用了主频 200MHZ的高性能的 32位 CPU，内嵌 Win CE操作系统，具有更稳定的产品性能、更快的数据处理速度和更强大灵活的系统功能，是智能家居、信息家居、家庭电子商务进入一个崭新时代的里程碑产品。 就目前趋势看，全世界在未来两 年将有 1亿家庭进入 智能化、网络化，每年带来的 市场总值高达 4500亿美元其中 3700亿元是硬件产品的价值，到 2010年， 50%以 上的新房将具有一定的智能型家居。据调查，仅北京市场每年就有 15亿左右的智能开关市场目标销售额。可
11、见智能家居的市场潜力之巨大。 虽然，远程遥控技术的发展正在大力进行中。但必须要看到的是，目前，远程遥控技术还大多限于实验室研究阶段，真正应用于实际生活的还不是很多。而且，它的发展尚有许多理论与技术问题有待于研究和开发 ,如系统集成、网络结构。相信，随着科学技术的发展，远程遥控技术必将发展壮大。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 1、 目标： 设计出由微处理器为控制核心的智能系统，将家庭 中各种与信息有关的通信设备、家用电器和家庭安保装置 ,通过家庭总线技术或住宅外部网络接口连接到智能化系统上进行集中的或异地的监视和控制 ,以实现 家庭内部照明能够集中或
12、者分布式控制、 家用电器远程控制和家居安防报警。 2、 主要任务： 设计以单片机和双音多频解码 (DTMF)电路为核心、通过 DTMF方式传输信息，实现对多个被遥控对象的状态进行查询及控制功能的远程遥控系统的硬件电路。 系统组成部分： （ 1） 单片机构成的主控电路 ： 能进行主要的信息处理，接受外部操作指令形成各种控制信号，实现对整个系统的控制功能。 （ 2） 振铃检测电路：将电话线 上的模拟信号转换成数字信号输入到单片机并正确地判断出是否有用户的呼叫。 （ 3） 模拟摘挂机电路：系统中，振铃检测完毕后，模拟摘机电路通过改变电话线路的阻抗来实现摘机事件。 （ 4） 双音多频（ DTMF）解调
13、电路：能够完成双音多频信号的接收、分离和译码。 （ 5） 语音提示电路：通过语音提示信息告知用户相关信息。 （ 6） 电器控制电路 :实现各种电器的起停控制。 3、系统原理简介 当用户需要 通过该远程控制系统控制远程设备 时 ， 拨打连接系统的电话号码 ， 振铃检测电路将接收到振铃信号转换成数字信号传送给由单片机构成的主控电路 。 当振铃次数达到预设次数时 , 中央控制器控制摘挂机电路产生摘机的动作， 发出控制信号使 语音提示电路向用户放提示音，等待用户输入密码，用户输入的密码通过 DTMF解码电路转换成数字信号后送入中央控制器，中央控制器对用户密码进行校验 。 如果密码正确 ,则根据用户的输
14、入对相关电器进行控制，从而达到远程控制的目的。如果用户连续输入三次错误密码 ,或者在设定时间内没有任何输入 ,系统将自动挂机 。该系统整体框图如图 3-1 图 3-1 4、 硬件电路部分 4.1 单片机 AT89C52 单片机 AT89C52封装形式 和引脚排列如图 4-1所示 P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T9P 3. 0 / R X D10P 3. 0 / T X D11P 3. 0 / IN T 012P 3. 0 / IN T 113P 3. 0 / T 014P 3. 0 / T 115P 3.
15、 0 / W R16P 3. 0 / R D17P 3. 0 / X 218P 3. 0 / X 119GND20P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P S E N29A L E30EA31P 0. 732P 0. 633P 0. 534P 0. 435P 0. 336P 0. 237P 0. 138P 0. 039V C C408 9C 5 2图 4-1 AT89C51 管脚图 单片机作为 整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。 为了简化电路、降低成本、提高可靠性 ，选择 A
16、T89C2052作为整个控制单片机 继电器 家电 语音提示电路 振铃检测电路 DTMF解调电路 电话接口端 模拟摘挂机电路 系统的核心单元。 AT89C52是美国 ATMEL公司生产的低压 ，高性能 CMOS 8位 的单片机 ,片内含 8K bytes的可反复 擦 写的 Flash只读程序存储器和 256 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 中央处理器和 Flash存储单元。 4.2 振铃检测电路 在电信系统中，电话线路上 无振铃信号时，线路 电压为 直流电压 。 而振铃信号是
17、交流电 压。 利用它们的不同点，就可以将振铃信号识别出来 。 当 电话接收到振铃信号时，电话线路上有交流 48V 的电压信号，电容 C1 隔 断了直流 。 只让 交流 信号通过 BR1 将该指令信号 进行 整流 。 D1 对 信号 进行 稳压 整流。 C2 将整流 后的信号 进行进一步的 滤波，抑制 纹波信号 干扰 。 被 C2 平 滑 后的直流电压 驱动 光电耦合器的发光二极管 ， 当振铃信号出现时光电耦合器的集电极电位变低，此信号的下降沿向 CPU申请中断 。 有振铃 信号时，振铃信号输出端为低电平，无振铃信号时为高电平。 CPU 以此判断有无振铃信号及振铃次数。 电路如图 4-2所示 ：
18、 电话线图 4-2 振铃检测电路 4.3模拟摘挂机电路 模拟摘挂机电路如图 4-3 所示： 模拟摘挂机电路主要时由两个高压三极管组成，通过单片机输出高、低电平来使三极管导通或截止，即改变接在电话线上的阻抗来形成回路，实现模拟摘挂机。 在系统中，当振铃检测完毕， INT0 产生中断，单片机进行信息查询后，若查询所得信息与所设相同，则在 TXD 端口输出高电 平，导致三极管 N1、 P1 均导通，使负载阻抗减少，因为 N1、 P1 所组电路并接在电话信号电路两端，这样就使 N3、 P1所组电路电压降低。正常电话信号可形成回路，进过 B1电桥整流后送入 MT8880的 2、 3脚，实现模拟摘挂机。
19、若信息查询所得结果与所设不符，则在 TXD 端输出低电平，三极管 N1、 P1均不导通，其负载阻抗无穷大，信号电压全部加在三极管所组电路两端，正常电话信号无法形成回路而通过电桥，所以电路仍处于挂机状态。 电话线图 4-3 模拟摘挂机电路 4.4 双音多频解调电路 双音多频信号（ DTMF）是由一组低音频信号和一组高音频信号以一定方式的组合构成，每组音频信号各有 4 个音频信号，而每种组合有一个高音频信号和一个低音频信号，共 16种组合。过去主要用于电话拨号信息传输，具有很强的抗干扰能力。 4.4.1 MT8880 芯片功能 MT8880 具有与微控制器 (单片机 )相连的接口，必须与单片机配合
20、使用，其双列直插式 20 脚封装引脚排列如图 4-4 所示，其引脚功能如下 ： IN+、 IN-：分别为内部放大器的同相输入端和反相输入端，即接收 DTMF 信号的输入端； GS：内部放大器的输出端，外接一个负反馈电阻至 IN-端； REFV ：内部参考电压输出端，该参考电压等于 UDD 2； DDV 、 SSV ：分别为电源的正、负端，供电电压为 5V； OSCl、 OSC2：外接一个 3.579MHz 晶体，形成晶体振荡器； TONE：双音频信号输出端； IN -IN +图 4-4 MT8880的引脚图 本系统采用 AT89C51单片机将电话机接收到的 DTMF解调器 (MT8880)来实
21、现信号解码 ,完成单片机间的数据通信。 DTMF信号是 CCITT提出的邮电通信信令 ,包括高、低两组共 8个正弦信号 ,在高、低组中选出一个频率信号即构成一个 DTMF信号并对应于一个键值 , 可以构成 16 种不同的信号 , 依次对应着 16 个不同的 BCD 码 ,其对应关系的数字编码表如表 2 所示 : 表 2 DTMF 信号的编码解码表 FLOW FHIGH DIGIT D4 D3 D2 D1 697 1209 1 0 0 0 1 697 1336 2 0 0 1 0 697 1477 3 0 0 1 1 770 1209 4 0 1 0 0 770 1336 5 0 1 0 1 7
22、70 1477 6 0 1 1 0 852 1209 7 0 1 1 1 852 1336 8 1 0 0 0 852 1477 9 1 0 0 1 941 1336 0 1 0 1 0 941 1209 * 1 0 1 1 941 1477 # 1 1 0 0 697 1633 A 1 1 0 1 770 1633 B 1 1 1 0 852 1633 C 1 1 1 1 941 1633 D 0 0 0 0 双音多频 DTMF信号解码电路由 MT8880主要承担。 MT8880的连线如图 4-6 所示，它的2、 3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
23、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（ 1417脚）输出相对应的 8421码。 MT8880的数据输出端 D0 D3连到 AT89C51 的 P1 口的 P1.0 P1.3， CPU经 P1口识别 4位代码。其中， A， B， C， D 4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， MT8880输出的8421码并非是 “0000” ，而是 “1010” ；另外， “*” 、
24、“#” 字号码， MT8880输出的 8421码分别为 “1011” 和 “1100” 。为了使单片机 MT8880获取有效数据， MT8880的 STD有效端经反 相后接 CPU的 /INT0引脚。当 MT8880获取有效双音多频信号后， STD电平由低变高，再反相为低， CPU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 MT8880的 STD 端变化的。 DTMF接收器的外围电路如图 4-6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： MT8880的使能控制端不允许中断时，将使 MT8880
25、的 STD端中断关闭。其解决办法是，将 STD端接与非门的一输入，与非门的另一输入端接一不定电平端 P。当 STD有效（即中断开放）时， P = “ 1”时， 则 /INT0中断关闭； P = “ 0” 时 ， 则 /INT0 中断允许。 图 4-6 DTMF信号解码电路 4.5 语音提示电路 4.5.1 引脚描述 ISD4004系列工作电压 3V,单片录放时间 8至 16分钟 ,音质好 ,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用 CMOS 技术 ,内含振荡器、防混淆滤波器、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。 与 ISD 其它系列语音产品不同的是， ISD400
26、4是一种微 控制器 “ 从 ” 设备，而 “ 主 ” 控制器可以是内置有 SPI 兼容接口的微控制器，也可以用 I/O 仿真 SPI 通信协议。ISD4004 系列工作电压为 3V，单片录放时间为 8 16 分钟，音质好。该芯片采用 CMOS 技术，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。 芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制 ,操作命令可通过串行通信接口 (SPI 或 Microwire)送入。芯片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 ,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐效 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 “。 采样频率可为 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低 ,录放时间越长 ,而音质则有所下降 ,片内信息存于闪烁存贮器中 ,可在断电情况下保存 100 年 (典型值 ),反复录音 10 万次。
