智能家居控制系统-用电器远程控制.doc

摘 要 随着GSM网络的迅速普及和移动通信技术的飞速发展 新技术和新 业务的开发与应用已提到十分重要的位置 利用GSM网络作为无线智能 监控系统的信息传输媒介是一种非常有效的方法 其原理筒单 安全保 密性高 又不需要组建专用网络和对网络进行维护 加上GSM网络覆盖 面广 因此与传统的监控系统相比有着其独特的优势 本文是基于手机模块的智能家居监控系统设计 是满足人们对家庭 安全情况的及时了解 利用现有的GSM网络 以短信息的形式和电话远 程控制的方式实现防火 防盗 紧急求救等家庭所要求的安全监控和报 警多种功能 同时在家庭电气智能控制方面 可实现对家用电器智能化 的管理和调控 在此基础上对GSM网络技术和短信息业务作了详细地阐 述 包括短信息基本概念 技术特点应用现状 短信协议 AT指令集和 短信编码方式 然后介绍了智能家居监控模块的整体设计和工作原理 对系统的软硬件实现方法作了细致了讨论 其中包括无线通信模块 TC35I的软硬件设计 该模块负责收发短信息和拨打报警电话的功能 PT2262 2272编解码集成电路设计 此电路既可用于接受遥控器的解防 设防指令 MT8870电路用于接受TC35I模块的语音输出 完成双音多 频解码 单片机通过控制TC从而可以实现远程电话监控的目的 35I语 音输出接口的手柄实现自动摘挂机来监听现场声音 根据警情可以播放 预先存储在语音芯片中的语音信息 本文最后实现了短信息报警 电话报警和语音报警三种方法 并根 据警情进行单种和多种报警组合 从而达到报警的有效性和实时性 关键词 智能 TC35I 报警 Abstract Along with the rapid popularization of GSM network and mobile communication technology rapid development New technology and new business development and application already mentioned very important position Use GSM network as a wireless intelligent monitoring system of information transmission medium is a kind of very effective method its principle tube sheet safety high secrecy and don t need a special network and network maintenance plus the GSM network coverage So with the traditional monitoring system has its unique advantages compared This paper is based on the mobile phone module intelligent household design of monitoring system Is to meet people to family security situation prompt understanding real time information processing and effective control of the urgent needs of Use of the existing GSM network with the short form of information and phone remote control the mode of fire prevention guard against theft SOS family such as the required safety monitoring and alarm functions at the same time in the family electrical intelligent control can be used for household appliances intelligent management and regulation through a varietyof means to adjust to satisfy the requirements of the human user that occupy the home Including wireless communication module TC35I design of the software and hardware the modules are responsible for receiving information and short warning ring function PT2262 2272decoder integrated circuit design the circuit can be used not only accept of the solution of the remote control and fortify instructions and can accept wireless sensor alarm signal MT8870 circuit used to accept TC35I module speech output complete a frequency decoding and for the purpose of remote call monitoring Single chip microcomputer control can be realized through TC and remote call monitoring purpose TC35 I speech output interface handles realization of automatic pick hang up to monitor the voice According to alert in advance can broadcast stored in the voice chip speech information This paper finally realize the short message alarm phone alarm and voice alarm three methods and according to a single warning of and various alarm combination so as to achieve the real time and the effectiveness of the alarm Key word intelligence TC35I alarm control 目录 摘 要 I Abstract III 前言 1 1 1 课题背景 1 1 2 智能家居系统 3 1 2 1 智能家居基本结构 3 1 2 2 智能家居的国内外发展状况 4 1 3 课题研究的目的和意义 6 1 4 系统设计的主要任务 7 2 智能家居系统硬件设计 8 2 1 智能系统的的工作原理 8 2 1 1 智能系统工作原理 8 2 1 2 智能监控系统的功能特点 10 2 2 控制器的选择 10 2 2 1 单片机功能 10 2 2 2 E2PROM 芯片接口电路设计 12 2 3 智能控制电 14 2 3 1 振铃音检测电路的设计 14 2 3 2 自动摘挂机电路的设计 15 2 3 3 语音芯片电路的设计 16 2 3 4 音频解码电路的设计 17 2 3 5 通信模块 TC35I 电路设计 19 2 4 无线报警系统的设计 23 2 4 1 解码电路的设计 23 2 4 2 无线门磁电路的设计 25 2 5 火灾报警系统的设计 25 2 5 1 火灾探测器的总体设计 25 2 5 2 主要单元工作原理 26 2 5 3 声光报警电路的设计 27 2 6 电源电路的设计 28 2 7 本章小结 29 3 系统软件的设计 30 3 1 软件设计分析及流程 30 3 2 TC35I 接口控制原理及其初始化程序设计 31 3 2 1 初始化指令的设置格式分析 31 3 2 2 TC35I 的 PDU 模式设置和启动程序 32 3 3 单片机系统软件设计 33 3 3 1 串行口初始化程序 33 3 3 2 串口中断服务程序 35 3 4 语音芯片程序设计 37 3 4 1 语音录放音程序设计 37 3 4 2 语音通信程序设计 38 3 5 短消息 PDU 模式编 解码程序设计 39 3 6 短消息收发程序设计 42 3 6 1 短信息发送程序设计 42 3 6 2 短信接收程序设计 45 3 7 短信息监控程序和电话远程遥控程序设计 46 3 8 本章小结 48 结论 49 致 谢 50 参考文献 51 附录 52 前言 1 1 课题背景 21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 近十年来 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 2006年初固定电话用户总数达到35539 2万户 移动 电话用户达到40407 2万户 现代电话网络是由程控交换机进行交换传 输 移动通信也从模拟时代走向了高度数字化时代 它们的性能已经有 了很大的进展 而且可靠性非常高 正是因为通信技术 计算机技术 网络技术 控制技术的迅猛发展 与提高 促使了家庭实现了生活现代化 居住环境舒适化 安全化 这 些高科技已经影响到人们生活的方方面面 改变了人们生活习惯 提高 了人们生活质量 家居智能化也正是在这种形势下应运而生的 智能家 居控制系统的主要功能包括通信 设备自动控制 安全防范三个方面 随着新技术和自动化的发展 传感器的使用数量越来越大 功能也 越来越强 各种传感器都已经标准化 模块化这给智能家居控制系统的 设计提供极大方便 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 因此遥控距离可跨省市 甚至跨越国家 另外电话属双工通信手段 因 此 这可以大大体现出利用电话进行遥控的更大优越性 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 电话遥控部分课题目前已有涉足者 但是只是还只限于实验室阶段 因 而距离实际应用 尤其是对于日常生活尚有一定的差距 并不能完全体 现出电话遥控方式的双工通信特点 本设计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 而且本设计的调试都是在线调试 已经在 电信 铁通的交换机实验并且能够成功的使用移动电话进行操作 短信息服务 Short Message Service SMS 是GSM Global System for Mobile Comm unication 系统中提供的一种GSM终端 手 机 之间 通过服务中心 service center 进行文本信息收发的应用服 务 其中服务中心完成信息的存储和转发功能 短信息服务作为GSM网 络的一种基本业务 已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视 基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来 由于GSM网络在全国范围内 实现了联网和漫游 具有网络能力强的特点 用户无需另外组网 在极 大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网费用和维护费用 同时 他对用户的数量也没有限制 克服了传统的专网通信系统投资成 本大 维护费用高 且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷 比 传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势 加上GSM的SMS 本身具备的数据传送功能 都使得这些应用得到迅速的普及 利用GSM 短信息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能 性能稳定 为远程 数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台 在此以GSM网 络作为数据无线传输网络 它可以应用在银行 储蓄点机房监控 电信 机房动力环境监控 通信行业远端无人值守站机房监控和远程维护 如 移动通信基站 微波站 光纤中继站等 及其他无人值守点 如仓库 办公楼等 监控及城市公用事业实时监控维护系统像煤气调压站 自来 水 污水管网和热力系统 电力系统城市中电网等情况中 在此本系 统采用了Siemens公司新一代无线通信GSM模块TC35是 它设计小巧 功 耗很低很大程度上方便了智能家居控制系统的设计 随着社会信息化的加快 人们的工作 生活和通讯 信息的关系 日益紧密 信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时 也对传 统的住宅提出了挑战 社会 技术以及经济的进步更使人们的观念随之 巨变 人们对家居的要求早已不只是物理空间 更为关注的是一个安全 方便 舒适的居家环境 家居智能化技术起源于美国 它是以家为平台 进行设计的 智能家居控制系统是以HFC 以太网 现场总线 公共电 话网 无线网的传输网络为物理平台 计算机网络技术为技术平台 现 场总线为应用操作平台 构成一个完整的集家庭通信 家庭设备自动控 制 家庭安全防范等功能的控制系统 智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术 网络技术 控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服 务和管理系统 以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平 大型的智能家居控制系统通常由系统服务器 家庭控制器 各种模 块 各种路由器 电缆调制解调器头端设备CMTS 交换机 通讯器 控制器 无线收发器 各种探测器 各种传感器 各种执行机构 打印 机等主要部分组成 1 2 智能家居系统 1 2 1 智能家居基本结构 智能家居系统基本框图如图1 1所示 无线报警接收模块 有线报警输入模块 语音报警电路 串口 双音多频 解码电路 无线传输 单 片 机 家电控制 图 1 1 智能家居基本框图 1 2 2 智能家居的国内外发展状况 智能家具国外发展现现状 自从1984年世界上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 日本等国都有广泛应用目 前已出现在市场上的智能家居类产品主要有 1 美国的X 10系统 该系统是通过电力线作为网络平台 采取 集中控制方式实现多种功能 该产品在美国占据市场主流 仅美国就有 400万家庭在使用 1 德国的EIB系统 该系统采用的预埋总线及中央控制方式实现 控制功能 目前在国内应用极少 原因在于一是工程要求较为复杂 严 格 二是需要预埋总线 开发成本较高 2 新加坡的8X系统 该系统采用预埋总线及中央控制方式实现 各种功能 同时利用产品可对系统进行扩展 该系统在国内有少量应用 系统成熟 比较适合中国国情 缺点就是在系统架构 灵活性 价格等 方面难以满足要求 由于智能家居的诱人前景和巨大市场 尽管国外市场真正启动也尚 需时日 但并未能阻止企业去争食智能家居市场 智能家居国内发展状况及特点 在国内 智能家居不是一个单独的产品 也不是传统意义上的 智 能小区 概念 而是基于小区的多层次家居智能化解决方案 它综合利 用计算机 网络通讯 家电控制 综合布线等技术 将家庭智能控制 信息交流及消费服务 小区安防监控等家居生活有效地结合起来 在传 统 智能小区 的基础上实现了向家的延伸 创造出高效 舒适 安全 便捷的个性化住宅空间 智能化家居系统在国内的发展特点 1 市场潜力大 我们知道现在的房地产业在全国的发展都很火 爆 作为其下游产业 智能家居市场前景非常乐观 2 智能家居产业处于引导期 没有一个统帅品牌和领军企业 市 场处于无序竞争期 这个产业各自为政 没有一个统一标准 各种技术 力量重复投入 致使在这个基础上的家庭网络产品五花 Ll J 但多数 产品是大同小异 行业内各企业的竞争处于无序状态 3 智能家居行业市场远未成熟 大规模的价格战 广告战和服 务战还没有爆发 市场份额较为分散 市场的认知和接受程度较低 市 场尚处于一个需要逐步培育和引导的阶段 与产品的服务供应商的争先 恐后相比 智能家居产品进入用户终端的步伐略显迟缓 4 面对着巨大智能家居市场的需求 市场区域也存在着不均衡 的状态 以华东 华南等经济较发达的地区为主要的市场需求区域 而 西南 西北地区的市场份额相对较低 这主要与居民的总体消费水平有 关 2 智能家居系统有以下发展方向 1 向一体化 系统集成化方向发展 2 向节能环保方向发展 3 向智能化 网络化 人性化方向发展 4 向规范化 标准化方向发展我国智能家居发展较晚 新技术 新产品层出不穷 标准和规范还在制定之中 5 向具有 中国特色 的家居智能化方向发展家居智能化系统 需要大量的适合中国国情的产品和运行软件 目前开发的软硬件产品的 种类较少 水平较低 1 3 课题研究的目的和意义 智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统 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 与普通家居相比 智能家居不仅具有传统的居住功能 提 供舒适安全 高品位且宜人的家庭生活空间 还将原来的被动静止结构 转变为具有能动智慧的工具 提供全方位的信息交换功能 帮助家庭与 外部保持信息交换畅通 优化人们的生活方式 帮助人们有效安排时间 增强家居生活的安全性 甚至为各种能源费用节约资金 系统的网络化功能可以提供遥控 家电 空调 热水器等 控制 照明控制 室内外遥控 窗帘自控 防盗报警 电话远程控制 可编程 定时控制及计算机控制等多种功能和手段 使生活更加舒适 便利和安 全 因智能家居控制系统布线简单 功能灵活 扩展容易而被人们广泛 接受和应用 1 4 系统设计的主要任务 本文利用从C51和C52单片机作为主控制器 MT8870 TC35 modem和 各类家居传感器设计制作一款智能家居控制系统样机 1 硬件部分 智能家居控制系统其硬件部分主要由 控制单元 传感器数据采集 GSM模块TC35 modem与接口和电源部分 电源部分则为各个部分提供工 作电源 2 软件部分 电话交换网程控交换信令识别与分析部分 GSM模块TC35 modem接 口程序部分 分析软件设计部分主要由五大部分构成 即数据采集与数 据分析部分控制部分 其中数据采集与数据分析部分和电话交换网程控 交换信令识别需要作实时处理 GSM模块TC35 modem接口程序部分和分 析控制部分则是根据采集和电话交换网交换信令进行分时操作有利于提 高系统效率 2 智能家居系统硬件设计 2 1 智能系统的的工作原理 2 1 1 智能系统工作原理框 如图2 1 传感器 1 传感器 2 传感器 n 智 能 家 居 系 模 块 GSM 网络 用户手机 Pc 机 无线数 据传输 模块 图 2 1 智能系统原理框图 智能监控系统设计的核心部分就是智能监控模块的设计 我们将在 接下来的章节中重点介绍智能监控模块的设计过程 作为系统的核心部 分 智能监控模块不仅要对被控对象进行实时监控 而且要对现场到的 数据进行实时处理 然后根据处理结果来决定是否报警或进行反控制 根据实际需要可知 要实现远程监控的目的 必须具备的条件就是对现 场进行监控的监控模块 还有就是实现远程通信的通信模块 再加上相 关的外围电路就构成了智能监控模块 其基本组成框图如图2 1所示 智能监控系统设计的核心部分就是智能监控模块的设计 我们将在 接下来的章节中重点介绍智能监控模块的设计过程 作为系统的核心部 分 智能监控模块不仅要对被控对象进行实时监控 而且要对现场到的 数据进行实时处理 然后根据处理结果来决定是否报警或进行反控制 根据实际需要可知 要实现远程监控的目的 必须具备的条件就是对现 场进行监控的监控模块 还有就是实现远程通信的通信模块 再加上相 关的外围电路就构成了智能监控模块 其基本组成框图如图2 2所示 图 2 2 智能系统结构图 本文开发的以 GSM 模块为核心的 SMS 无线数据传输系统的系统结构 如图 2 2 所示 整个系统由报警模块部分 单片机控制部分 数据存储 部分 GSM 短信模块部分组成 如图 2 2 所示 单片机 U2 为 GSM 通信 部分的控制 处理芯片 单片机 Ul 报警模块部分的控制芯片 当单片 机 U1 采集到报警信息时 将报警信息和数据存储到存储器中 单片机 U2 从存储器中读取信息和数据 利用串口与 GSM 模块通信 将信息发 送至 GSM 网络中去 由 GSM 网络短消息服务中心转发至事先设定好的手 机号码或无线移动接收终端上 单片机 ul 和单片机 U2 对存储器的访问 采用双向二线制的 12C 总线标准 利用单片机的 I OIZl 线来模拟 SDA SCL 总线 在同一时间只能有一个单片机获取对存储器的访问权 两个单片机采样查询方式对相应的 I OH 电平进行查询以判断总线是否 被占用 获取到访问权对存储器操作结束后 单片机释放总线 让出总 线的控制其中 MT8870 负责双音频解码 完成 DTMF 通话遥控 PT 2272 用作无线解码模块 与无线报警器 无线红外报警器 无线门磁 无线 烟感报警器 无线紧急按钮 无线煤气泄漏报警器等 进行配套互动 还用于接受遥控器的控制命令实现防盗报警的解防和设防 2 1 2 智能监控系统的功能特点 基于短消息的远程数传功能 语音报警功能 短消息报警 紧急情况自动拨号报警 多种监控手段 短消息遥控 电话遥控和振铃遥控 报警的解防和设防方法多 可以现场按钮控制 可以红外遥控器 解防 设防 有继电器输出 可以直接驱动继电器 2 2 控制器的选择 2 2 1 单片机功能 考虑到系统传输数据大小和报警的时效性 数据采集量大小 本设 计选择了89C51和89C52双MCU作为主控制器 89C51主要用作报警信号采 集 89C52主要用作控制通信模块工作和解码控制信息 89C51带4K字节 快闪E2PROM的低电压CMOS八位微处理器 与标准的MCS一5l系列单片机 的指令 引脚全兼容 它有4K字节快闪E2PROM 128字节RAM 32个I O 端口 2个16位定时器 计数器 6个中断源 32个I O口中 Pl P3可 作为普通I O口使用 P0 P2通常作为外部数据总线使用 当作为普通 I O口使用时 PO口必须外加上接电阻 89C52与89C51的不同点就是片 内有 8KE2PROM 256BRAM 3个16位定时计数器 引脚图如图2 3 图 2 3 单片机 89C1 管脚图 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 PO口 P0口为一个8位漏级开路双向I O口 P0能够用于外部程序 数据存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在FLASH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FO口 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 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 P3口也可作 为89C51的一些特殊功能口 2 2 2 E2PROM芯片接口电路设计 AT24C02芯片技术特点 本设计采用的存储芯片是串行E2PROM AT24C02 AT24C02是美国 ATMEL公司的低功耗CMOS串行E2PROM 它是内含256x8位存储空间 具有 工作电压宽 2 5 5 5V 擦写次数多 大子10000次 写入速度 快 小于10ms 等特点 抗干扰能力强 数据不易丢失 体积小等特点 而且他是采用了12C总线式进行数据读写的串行器件 占用很少的资源 和I O线 并且支持在线编程 进行数据实时的存取十分方便AT24C02 芯片共有8只引脚 如图2 4所示 图 2 4AT24CO2 管脚图 双单片机通信硬件电路设计 12C总线是一种用于12C器件之间连接的二线制总线 它通过SDA 串 行数据线 及SCL 串行时钟线 两根线在连到总线上的器件之间传送信息 并根据地址识别每个器件 AT24C02正是运用了12C规程 使用主 从机 双向通信 主机 单片机 和从机 A乾4c02 均可工作于接收器和发送器 状态 主机产生串行时钟信号 通过SCL引脚 并发出控制字 控制总线 的传送方向 并产生开始和停止的条件 无论是主机还是从机 接收到 一个字节后必须发出一个确认信号ACK AT24C02与单片机的连接图如图 2 5 单片机U1将报警信息数据存于AT24C02中 单片机U2读取AT24C02 中的数据经过处理后来决定是否发送报警信息 图 2 5AT24C02 与双 cpu 连接电路图 采集端U1与收发端U2共用一个存储器 即双CPU对同一个E2PROM进 行操作 实现方案是分别使两个微处理器的一个I O口端 采集端U1的 P0 7和收发端U2的P1 fl连作为握手信号线 相连 两个CPU采用查询 方式对此I O端进行查询 如果某时候收发端U2查询到本地I O端为高 电平 则单片机U2拥有此存储器的操作权 可以对E2pROM进行读写操作 如果采集端U1查询到本地 O端为高电平 则单片机U1拥有此存储器 的操作权 可以对它进行写操作 一方操作完毕后将12C总线置为高电 平表明 本端已经释放12C总线 E2PROM目前处于可用状态 2 3 智能控制系统的硬件电路设计 2 3 1 振铃音检测电路的设计 当用户被呼叫时 电话交换机发来铃流信号 振铃为25 3 伏的正 弦波 谐铃失真不大于 10 电压有效值90 15V 振铃以 5 秒为周 期 即 1 秒送 4 秒断 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计数 器输入口 完成整个振铃音检测和计数的过程 如图 2 6所示 图 2 6 振铃音检测电路 2 3 2 自动摘挂机电路的设计 因为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 自动摘挂机电路可以通过单片机控制一个开关 开关控制端连接一个大 约 300 的电阻接入电话 线两端 从而完成模拟摘挂机 如图 2 7所示 图 2 7 模拟摘挂机电路 2 3 3 语音芯片电路的设计 1 ISD4004芯片简介 ISD4004语音芯片是由美国ISD公司推出不久的新产品 与普通的录 音 重放芯片相比ISD4004具有如下特点 首先是记录声音没有段长度 限制 并且声音记录不需要A D转换和压缩 其次 快速闪存作为存储 介质 无需电源可保存数据长达100年 重复记录10000次以上 此外 ISD4004具有记录时间长 可达16分钟 本文采用的为8分钟的ISD4004语 音芯片 的优点 2 ISD语音芯片与单片机Ul的接口电路设计 ISD4004开发应用具有所需外围电路简单的优点 P0 2接ISD4004 的片选引脚 SS 控葡JISD4004的选通与否 PO 3接ISD4004的串行输 入引脚MOSI 从该引脚读入放音的地址 P0 1和P0 0分别接ISD4004 的串行时钟引脚SCLK和中断引脚 INT 对于ISD4004芯片所需要的连接 还有音频信号输出引脚AUDOUT 该引脚通过一个滤波电容与扬声器连接 AMCAP为自动静音端 使用时通过一个电容接地 此外由于ISD4004的工 作电压为3伏 而单片机所需供电电压为5伏 因此需要采用变压电路得 到3伏电压供ISD4004使用 因此我们将系统电源12V输出经LM7805转换 为5V电源输出 系统电源电路设计将在后面的章节中作具体介绍 为 了提供3V电压给1SD4004 我们在LM7805电压的输出再加上LM317电压转 换电路将5V电压变为3V 单片机与语音芯片连接电路图如图2 8所示 图 2 8 语音芯片单片机控制电路 2 3 4 音频解码电路的设计 MT8870外围接口功能描述 双音多频解码器MT8870的作用是实现电话遥控的目的 MT8870是大 规模集成电路芯片 它主要由滤波器 译码器和控制电路组成 滤波电路由信号增益和滤波器俩部分组成 外部输入DTMF信号 经 运算放大器放大后 进入双音滤波器 双音滤波器是2个六级开关电容 构成高 低通滤波器 它能将DTMF信号中的高 低频区分开来 被区分 开来的高 低频信号 再经低频滤波器 然后进入译码电路 译码电路 由数字检测 编码转换和三态输出几部分组成 数字检测电路采用对输 入音频信号进行数字计数方式 以确定DTMF信号的频率并检查是否和标 准DT 信号相一致 输入的DTMF信号被检测到后 经编码转换电路进行 8421编码送入锁存器所存 当输出控制端为高电平时 DTMF信号对应 8421码即出现在Q4 Q1端 MT 8870片内有一系列的控制电路 对接受 器的工作进行控制和协调 控制电路可以使芯片实现如下操作 1 音频信号持续时间足够长 一般要求大于等于40MS 接收器 视为有效 并实时地进行接受 反之 不接受 2 在整个音频信号持续期间 由于外部干扰等原因造成分离 接收器排出这些干扰影响后 若音频持续时间足够长 接收器仍视为有 效并尽享接收 3 允许使用者根据本身需要涉及芯片外部定时电路 电路特点和性能指标 功耗低 当Vdd 5V时 Idd 3mA 采用外晶振3 58MHZ 外接元件少 音频接收周期为40mS 音频接收位间隔40mS 具有输出所存及三态程控输出功能 接收信号的增益可调 STD信号可作为中断申请或取样控制信号 MT8870输入阻抗高 Rin 10M 控制门限电压Vest 2 2 2 5 V 共模抑制比CM砌k60dB DTMF解码接收电路的设计 多频信号DTMF的接收电路是以大规模集成电路芯片MT8870芯 片为核心 外接标准晶振 3 58MHz 有关电子元件 电源电压为5V 输 入电路有单端输入电路和双端输入电路两种接法 单端输入2 9所示 2 9 输入接收电路 DTMF信号经过C1 R8输入到 IN端 DTMF的接受增益由R2决定 IN与Vref短接 给 IN端提供Vdd 2参考电压作偏置电压 电压增益 Av R9 R8 C2 R3组成外部定时电路 以保证芯片EST和ST GT正常工 作 STD可作为微机中断输入信号或采样控制信号 图中 TOE Vdd Q1 Q4可直接输出DTMF编码数据 R8 R9可取为 10 100 K R3 300K C1 C2为0 1uF 2 3 5 通信模块TC35I电路设计 TC35I模块功能简单介绍 TC35I是西门子最新推出的无线通信模块 功能与TC35兼容 设计 紧凑 TC35I与GSM2 2 兼容 双频 GSM900 GSMl800 工作 带有 RS232数据口 符合ETSI标准GSM07 07和GSM07 05 且易于升级为 GPRS模块 该模块集射频电路和基带于一体 向用户提供标准的AT命令 接口 为数据 语音和短消息提供快速 可靠 安全的传输 方便用户 的应用开发及设计TC35I有40个引脚 通过ZIF连接器引出 这些引脚可 划分为5类 即电源 数据输入 输出 SIM卡 音频接口和控制 1 14引脚为电源部分 其中1 5引脚为电源电压输入端VBATT 6一 107l脚为电源地GND 11 12引脚为充电端 13引脚为对外输出电压 供 外部电路使用 147I脚ACCU TEMP接负温度系数的热敏电阻 24 29 引脚为SIM卡连接端 33 407f脚为语音接口用来接电话手柄 15 30 3l和32引脚为控制部分 15引脚为启动线IGT Ignition 当 TC35I通电后必须给IGT一个大于100mV的低电平 模块才能启动 307I 脚为RTCbackup 3l引脚为掉电控制 323l脚为SYNC 16 23引脚为数 据输入 输出端 电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分 充电 电池为整个系统提供3 6V工作电压 同时产生MAX232所需要的高电平 三端电源模块LM7806将外部12V直流电源转换为6V 连接至ZIF连接器的 11 12引脚 在充电模式下可为TC35I提供6V 500mA的充电电源 启动 电路由漏极开路三极管和上电复位电路组成 模块上电10ms后 电池电 压须大于3V 为使之正常工作 必须在15引脚 IGT 施加低电平信号 至少保持lOOms且该信号下降沿时间小于lms 启动后15引脚应保持高电 平 数据通信电路主要实现短消息收发 与PC机通信 软件控制等功能 TC35I的数据接口采用串行异步收发 符合RS 232接口电路标准 工作 在CMOS电平 2 65V 数据通信电路以MAX232为核心实现电平转换及串 口通信 电路标准实现异步串行收发功能 ZIF连接器提供六个引脚给 SIM卡接口 其中CClN用来检测SIM卡是否插好 TC35I外围接口电路框图如图2 10所示 TC35I外围接口电路图如图2 11所示 图 2 10 TC35I 外围接口电路 图 2 11 TC35I 外围接口电路图 电话和短信遥控解码电路设计 本设计中 电话遥控的实现主要是基于无线通信模块TC35I TC35I 建立了电话遥控所需的双音多频信号传输的平台 远程电话遥控指令 TC35I传输给双频多频解码电路输入端进行解码 控制器根据解码输出 信号即可得到电话遥控的指令 从而实现电话遥控 经无线通信模块由 TC35I 电源电路 SIM卡电路 手柄接口电路 电平转换电路等组成 由于TC35I的GSM基带处理器内集成了音频滤波器 ADC DAC 语音合成 部分 所以模块语音接口的外围电路相对简单 TC35I有俩个语音接口 每个接口均有模拟麦克风输入和模拟耳机输出 因此在本设计中加上适 当的外围语音电路就可以实现对现场状况的监听功能 本设计中将管脚 35加上适当的电阻电容然后接于双音多频解码器T8870的输入端 实现 和固定电话间的双音多频传输 从而实现固定电话也能遥控智能监控模 块 管脚37脚接上放大电路然后外接麦克风 达到监控模块自动摘机后 监听现场状况的目的 具体的电路连接图见后面的章节 将作详细的介 绍 电话遥控和短信遥控解码电路如图2 12 图 2 12 信遥控解码电路 2 4 无线报警系统的设计 2 4 1 解码电路的设计 图 2 13 发射 接收典型电路设计 本设计中运用PT 2262构成遥控器发射电路 遥控接收模块的 PT2272的VT控制短信报警器的设防 解防 数据端DO D5直接与单片机 U1连接实现解码运算 确定是哪一路的无线传感器发出报警信号 VT经 反向后连接在U1的INTO端 向单片机提出中断请求 U1的CPU响应中断 后读取T2272的解码数据 电路连接图如图2 14所示 图 2 14 无线传感器报警信号解码电路 2 4 2 无线门磁电路的设计 无线输入电路以无线门磁传感器为代表进行介绍 采用现成的门磁 传感器 只需将无线门磁传感器的地址位设置成无线接收模块相同的地 址即可实现报警 因为无线接收模块采用的是315MHZ的超外差解码接收 板 所以选择无线报警传感器需要选择与之相匹配的传感器 否则无线 接收板将接收不到报警信号 因此只要用户在315M超外差接收板上设好 一个地址码后 接下来就要在无线门磁 等无线报警传感器内 都设置 上相同的地址码就可以实现无线报警信号的输入了 2 5 火灾报警系统的设计 2 5 1 火灾探测器的总体设计 火灾的发生与发展是伴有温升 扩散辐射和异常气味等的综合现象 因此 需要利用各种火灾传感器检测这些信息 对其进行综合处理 以 提高火灾报警的准确率 智能火灾探测系统的框图如图2 15所示 温度传感器 烟雾传感器 可燃气体传感器 A D 转换器 单 片 机 图 2 15 火灾探测系统的框图 2 5 2 主要单元工作原理 火灾传感器电路 火灾传感器电路如图2 16所示 这里将可燃气体 温度 烟雾3种 传感器组合使用 弥补了单纯使用感烟探测器和感温探测器的不足 1 可燃气体传感器采用日本FIGARO公司的TGS2611芯片 它具有 体积小 功耗低 高选择性和灵敏度高等优点 其工作原理足将气体浓 度转换成敏感电阻R 2 3两端电阻 的变化 电路中取滑动电阻R 两 端的电压U 根据公式计算尺 的值 从里面得出环境中可燃气体的 浓度 2 温度传感器采用美国DALLAS公司牛产的单总线数字温度传感器 DSl8820芯片 其测量范围为一55 125 C 可把温度信号直接转换成 串行数字信号供单片机处理 温度输出为9 12bit可编程 可不需要外 部电源 直接通过信号线供电 控制器可以通过命令来查询DSl8820的 供电状态 具有可靠的CRC数据传输校验功能 3 烟雾传感器采用QM N5型 具有灵敏度高 稳定性好 响应和 恢复时问短等优点 A D转换电路 A D转换电路如图所示 一方面 可燃气体传感器TGS2611的引脚3 的电压会随空气中可燃气体浓度的变化而变化 该电压的变化经A D转 换芯片TLC0838转换成相应大小的数字信号 经A D通道0传送给 AT89C55单片机 另一方面 烟雾传感器QM N5的引脚l的电压会随空气 中烟雾浓度的变化而变化 该电压的变化会使风两端电压发生相应变化 变化的电压经A D转换芯片TLC0838转换成相应大小的数字信号 再经 A D通道l传送给80C51单片机 A D转换芯片采用美国德州仪器公司生 产的8bit逐次逼近 D转换器TI C0838 它具有输入可配置的多通道多 路器和串行输 输出方式 可节省单片机I O资源 工作环境为一 40 125 oC 体积小 只需单5V供电 图 2 16 火灾探测 数据采集和处理 信号传输电路 2 5 3 声光报警电路的设计 声光报警电路是由蜂鸣器和发光二极管组成的 用P2 5和P2 6作为 声光报警电路的使能信号输出 其中蜂鸣器我们采用 5v直流蜂鸣器 其属于无源蜂鸣器 内部封装有音频振荡电路只要外加 5v直流电源电 源即可起振发声 当采集到无线报警信号时 可发出声光报警信号 声 光报警电路如图2 17所示 图 2 17 声光报警电路 2 6 电源电路的设计 5V开关电源稳压电路 由于本控制系统单元电路较多对且对5V电源的要求比较高 其中 TC35模块的突发耗电电流峰值可达2 5A 故外加的稳压器件必须达到足 以提供TC35和其他电路额定电流的条件 在本系统中 采用了开关电源 芯片LM2576完成从12V到5V的转换 作为对TC35终端和其他5V单元的供电 必须特别注意的是 如图2 17由LM2576芯片完成开关电源转换需要大功 率的电感 100uH 和电容 以提高储能的能力 达到单元电路的耗电需求 LM2576为5 0V3A开关电源稳压器 电路图如2 18所示 图 2 18 5V 开关电源稳压器电路 T1 D5 IN5822 L1 C4 2200UF C2 4700UF C3 104 C1 104 1 2 3 4 D1 D4 BRIDGE1 LM2576 5 0 220V 220V 5 0V GND 2 7 本章小结 本章在文章的开头分析智能监控模块的组成及其工作原理 在介绍 完系统原理之后 分析各组成结构的工作原理和设计流程 先后介绍了 单片机9C51的性能参数 基于12C总线共享存储器的单片机双机通信电 路设计介绍 对无线发射 接收芯片 PT2262 2272作了详细讨论 对 MT8870解码电路 ISD4004语音芯片电路 TC35I的工作原理和外围电路 设计进行了研究 3 系统软件的设计 智能监控系统的核心问题就是单片机构成的主控系统通过串1 3控 制无线通信的模块 收发短消息主控模块 并且通过串口读取通信模块 的短消息 根据短消息内容来对被控对象进行反控制的过程 因此系统 相关软件设计涉及的内容有主控模块单片机 TC35I 串口通信等初始 化和短消息的编码解码程序 3 1 软件设计分析及流程 软件设计模块如图3 1所示 图 3 1 程序设计框图 由图3 1可知 整个系统的软件设计主要是TC35I模块初始化和短信 处理模块的设计 TC35I模块初始化主要是对模块工作状态的初始化与 短信格式包的初始化 对模块工作状态的初始化是其中的关键 一般 GSM模块在处理短消息时 采用一问一答的信息交互方式 这比较符合 AT指令集的精神 但在实际应用中 这种方法存在一定的缺点 模块接 收到短消息并存储起来 用户再用查询方式 发送指令AT CMGL或 AT CMGR 使短信传送到TE 处理终端 可以是单片机系统也可以PC 这中间会有一定的延时 另外 由于SIM卡容量有限 要保证短消息及 时准确地接收 还要经常删除SIM卡中的短消息 这样多次的读写操作 势必会影响SIM的寿命 因此 必要进行一些软件设置 使短消息不通 SIM卡 而直接发送至终端设备 从硬件设计电路中可看到 为了增加 报警控制的可靠性 在短信报警监控的基础上 增加了电话报警监控的 部分 不仅可以用手机短信息的形式控制终端电路 也可以通过拨打电 话的方式直接监控现场工作状态 下边分别介绍了短信息监控和固定电 话监控程序流程 3 2 TC35I 接口控制原理及其初始化程序设计 3 2 1 初始化指令的设置格式分析 由于本系统对实时性要求比较高 所以在设计中采取了实时处理 短消息的方法 当移动设备GSM模块接收到短消息时 直接将消息转发 到终端设备 以提高系统的响应速度和处理效率 其相应的初始化程序 指令是AT CNMI 2 2 0 0 1 该指令标准的设置格式为 AT CNMI mode mt bm ds bfr 具体设置方法分析如下 1 mode 控制通知TE的方式 方式0 先将通知缓存起来 再按照 mt 的值迸行发送 方式 l 在数据线空闲的情况下 通知TE 否则 不通知TE 方式2 数 据线空闲时 直接通知TE 否则先将通知缓存起来 待数据线空闲时再 行发送 方式3 直接通知TE 在数据线被占用的情况下 通知TE的 消息将混合在数据中一起传输 2 mt 设置短消息存储和通知TE的内容 方式0 接收的短消 息储存到默认的内存位置 包括class3 不通知TE 方式1 接收的 短消息储存到默认的内存位置 并且向TE发出通知 方式2 直接将 消息传送到TE 3 bm ds bfr的含义 请参考相关标准 一般不需要去关心它 们 设置为O即可 对应的初始化程序为 constunsignedcharc啪i AT CNMI 2 2 r 3 2 2 TC35I的PDU模式设置和启动程序 1 启动TC35I模块程序 STAR CLRP1 0 IGT 0 UCALLDLl00ms 延时100毫秒 SETBP1 0 IGT I启动TC35I模块 MOVPCON 0X00H MOVTHl 0FDH 采用l1 0590MHZMHz晶振时 设置串口 为9600波特率 MOVTLl 0FDH MOVSCON 群0XD8H SETBTRl 2 设置TC35I模块为PDU工作模式程序 CMGF MOV40H 群41H A MOV41H 54H T MOV42H 葙f2BH MOV43H 43H C MOV44H 4DH M MOV45H 47H G MOV46H 46H F MOV47H 群3DH MOV48H 30H 0 MOV49H 拌0DH CR发送十个字符 MOVR2 0AH MOVR0 40H CMGFl MOV A Ro MOVSBUF A 小BTI CLRTI INCRo DJNZR2 CMGFl RET 3 3 单片机系统软件设计 3 3 1 串行口初始化程序 在使用串行口之前 应对它进行初始化编程 主要设置产生波特率 的定时器T1 串行口控制和中断控制 可按以下具体部骤 1 确定定时器T1的工作方式 2 确定定时器T1的装入初值 3 确定串行口的工作方式 4 确定是否采用中断方式 5 启动定时器T1 为了实现单片机与TC35I模块的通信顺畅 必须使二者的串口波特 率一致 前面已经介绍过TC35I的波特率为9600 则单片机的波特率也 设置成9600 如果单片机fosc 11 0590MHZ 设置串行口波特率为 9600 工作方式为方式3 利用中断响应方式 定时器T1采用工作方式 2 其中串行口和定时器的工作 以及定时器的初值可以根据具体情况 更改 初始化代码为 VoideInitSerial TMOD 0X20 设置串口波特率为9600 工作方式为方式2 TLI 0XFD thl 0XFD 装入T1初值 SCON 0XD8 设置串行口 PCON 0X00 IE 0X90 开串口中断 TCON 0X40 启动定时器T1 单片机串口通信主程序流程图如图3 2所示 图 3 2 单片机串行口通信主程序流程图 3 3 2 串口中断服务程序 短信处理模块是整个程序设计的重心 因为监控系统既要不断往 目标机发送现场设备的工作状态又要接收目标机对监控系统的设置 查 询的方式显然不可取 因此本系统的软件设计是将整个短信处理模块放 人 MCU 的中断服务子程序中 用来提高 MCU 利用的效率及响应的及时性 串行口数据的发送和接收 采用中断方式可以大大节省 CPU 资源 当 接收一帧数据进入一位寄存器 送入接收 SBUF 中 同时刚置 1 这时 可以从 SBUF 中取出数据 当发送数据装入发送 SBUF 中 并开始向外发 送 发送完毕时便将 TI 置 l 无论 Iu 置 1 还是 TI 置 1 均会激发串口 中断 执行中断服务程序 但硬件不能对对和 TI 自动清零 必须采用 软件方法清零 响应中断时 首先判断是接收中断还是发送中断 若为 接收中断 1 将 SBUF 中的数据存入接收队列缓冲区中 若为发送中 断 RI I 可将待发送的数据帧发送到 SBUF 中 中断服务程序流程图 如图 3 3 所示 图 3 3 中断服务程序流程图 3 4 语音芯片程序设计 3 4 1 语音录放音程序设计 在放音程序中 要严格按照ISD4004的要求编程 首先要送上电指 令 然后等待25毫秒的延迟 再送16位放音起始地址 最后送8位的开 始放音指令 在放音电路的调试过程中 首先测量ISD4004的工作电压 是否3伏 如果是则进入下级调试 再看是否可以送入放音地址 对此 可以测量AUDOUT引脚的电压 若为1 2伏 则说明可以读入放音地址 随后测量是否能够放音 可以测量AUDOUT引脚电压 若为1 2伏 则说 明ISD4004芯片工作正常 应该可以放音 系统通过单片机U1对ISD4004 进行录放操作 该款芯片支持分段寻址功能 ISD400432作于SPI串行接 口 SPI协议是一个同步串行数据传输协议 协议要求在时钟上升沿移 入 在下降沿移出 即在时钟上升沿锁存M02SFJl脚的数据 写入命令 字 在下降沿将数据送至MISO弓 脚 读取状态字 本系统中写入命令 字和读取状态字都采用模拟串口的方法 当然通过单片机的串口也是完 全可行的 语音录放子程序的软件流程如图3 4所示 其中EOM是在每段 录音结束时 ISD自动加入的段结束标志 放音时遇该标志则暂停 V