【正文】 基于嵌入式的智能家居控制設(shè)計 _畢業(yè)設(shè)計論文 共 54 頁 第 頁 1 一 設(shè)計題目 基于嵌入式的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計 二 設(shè)計要求 人們可以通過手機或電話在任何時候、任意地點對家中的任意電器（空調(diào)、熱水器、電飯煲、燈光、音響、 DVD錄像機）進行遠程控制；也可以在下班途中，預(yù)先將家中的空調(diào)打開、讓熱水器提前燒好熱水、電飯煲煮好香噴噴的米飯……；而這一切的實現(xiàn)都僅僅是打一個簡單的電話。此外，該系統(tǒng)還可使家庭具有多途徑報警、遠程監(jiān)控等多種功能，如果不幸出現(xiàn)某種險情，您和 110 可以在第一時間獲得通知以便進一步采取行動。舒適、時尚的家居生活是社會進步的標志，智能家居控制系統(tǒng)能夠在不改變 家中任何家電的情況下，對家里的電器、燈光、電源、家庭環(huán)境進行方便地控制，使人們盡享高科技帶來的簡便而時尚的現(xiàn)代生活。 三 設(shè)計的作用目的 智能家居控制系統(tǒng)可以定義為一個過程或者一個系統(tǒng)。利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)、將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間。還將原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔?的工具，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交換暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。 基于嵌入式的智能家居控制設(shè)計 _畢業(yè)設(shè)計論文 共 54 頁 第 頁 2 四 設(shè)計方案 圖 單片機控制部分 本系統(tǒng)是單片機在系統(tǒng)檢測以及工程控制方面的應(yīng)用，其特點是體積小，成本低，功能強，功耗低，是微機應(yīng)用 產(chǎn)品化的最佳機種之一，它已廣泛地應(yīng)用在產(chǎn)品智能化和工業(yè)自動化上。而把單片機面向工控領(lǐng)域?qū)ο?，嵌入到工控?yīng)用系統(tǒng)中，實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計算機稱之為嵌入式計算機系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般分為四種 :工控機，通用 CPU 模塊，嵌入式微機處理，單片機。嵌入式系統(tǒng)具有以下特點： (1)面對控制對象。如傳感信號輸入、人機交互操作 ,伺服驅(qū)動等。 (2)嵌入到工控應(yīng)用系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)形態(tài)。 (3)能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中可靠運行的品質(zhì)。 (4)突出控制功能。如對外部信息的捕捉、對控制對象實時控制和有突出控制功能的指令系統(tǒng) (I/O 控制、位操作和轉(zhuǎn)移指令等 )。 單片機有惟一的專門為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)，最能滿足嵌入式應(yīng)用要求。單片機是完全按嵌入式系統(tǒng)要求設(shè)計的單芯片形態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)，能滿足面對控制對象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場的可靠運行及非凡的控制品質(zhì)等要求，是發(fā)展最快、火災(zāi)煙霧傳感 器 可燃氣體傳感器 擴展信號 A/D轉(zhuǎn)換 放大、整形 放大、整形 單片機信號分析處理 短信息發(fā)送 紅外學(xué)習(xí) 光電隔離 功率器件 程控交換信令 執(zhí)行器件 LCD 顯示 門窗磁信號 電壓轉(zhuǎn) 換 RS232 PC 機 基于嵌入式的智能家居控制設(shè)計 _畢業(yè)設(shè)計論文 共 54 頁 第 頁 3 品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。 遠程控制設(shè)計 控制系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)控制器由 MT8870 接收遠端發(fā)送來的 DTMF 信號、并對其進行解碼，解碼后的信號由中央處理單元采集處理。為了方便用戶使用，系統(tǒng)設(shè)計了語音提示界面。電話遠程控制系統(tǒng)一般工作在無人值 守環(huán)境，所以應(yīng)具有自動離線、上線、復(fù)位功能。為了符合 智能化要求，系統(tǒng)采用 SM8952AC25P 作為中央處理器。同時，電話遠程控制系統(tǒng)正常工作還需電源供電電路、驅(qū)動電路等輔助電路。系統(tǒng)組成框圖如圖 示。由圖可知，系統(tǒng)主要由振鈴檢測電路、模擬摘掛機電路、 DTMF 音頻解碼電路、語音提示電路、中央處理單元（ SM8952AC25P）、控制電路、電源電路等組成。 圖 控制器并聯(lián)于電話機的兩端，不會影響電話機的正常使用 。用戶通過異地電話撥通控制器所連接外線的電話號碼，通過程控交換機向電話機發(fā)出振鈴信號?？刂破鳈z測到六次振鈴后，即六次響鈴后無人接聽時電話自動摘機，進入密碼檢測階段，輸入正確密碼后選擇被控電器，然后輸入開或關(guān)密碼遙控被控電器，完成后返回。 防火災(zāi)發(fā)生傳感器 如有火災(zāi)發(fā)生控制器發(fā)出聲光和短信報警信號，通知家人及小區(qū)物業(yè)管理部門。家庭控制器還可以根據(jù)有人在家或無人在家的情況，調(diào)節(jié)感溫探測器和感煙探測器的靈敏度。本系統(tǒng)采用 NIS09C 型煙霧傳感器。 電源電路 語音提示 控制電路 SM8952AC25P 單片機 振鈴檢 測 模擬摘 機 DTMF 解碼 基于嵌入式的智能家居控制設(shè)計 _畢業(yè)設(shè)計論文 共 54 頁 第 頁 4 可燃氣體泄漏 傳 感器 如有燃氣泄漏家庭控制器發(fā)出聲光報警信號，并聯(lián)動關(guān)閉燃氣管道上的電磁閥，同時短信通知家人及小區(qū)物業(yè)管理部門。這里采用 TP2 高溫型一氧化碳傳感器報警器需在一氧化碳濃度達到設(shè)定制值時系統(tǒng)應(yīng)啟動報警。 防盜傳感器 防盜報警的防護區(qū)域分成兩部分，即住宅周界防護和住宅內(nèi)區(qū)域防護。住宅周界防護是指在住宅的門、窗上安裝門磁開關(guān)，在對外的玻璃窗、門附近安裝玻璃破碎探測器；住宅內(nèi)區(qū)域防護是指在主要通道、重要的房間內(nèi)安裝被動紅外探測器或被動紅外／微波雙技術(shù)探測器。當(dāng)家中有人時，住宅周界防護的防盜報警設(shè)備 (門磁開 關(guān)、玻璃破碎探測器 )設(shè)防，住宅內(nèi)區(qū)域防護的防盜報警設(shè)備 (紅外探測器或被動紅外／微波雙技術(shù)探測器 )撤防。當(dāng)家人出門后，住宅周界防護的防盜報警設(shè)備 (門磁開關(guān)、玻璃破碎探測器 )和住宅內(nèi)區(qū)域防護的防盜報警設(shè)備 (被動紅外探測器或被動紅外／微波雙技術(shù)探測器 )均設(shè)防。當(dāng)有非法侵入時，家庭控制器發(fā)出聲光報警信號，并短信通知家人及小區(qū)物業(yè)管理部門。另外，通過程序可設(shè)定報警裝置的等級和報警器的靈敏度。 信號采集設(shè)計 傳感器是將外界信息轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，其中的電信號包括數(shù)字信號和模擬信號，數(shù)字信號可以通過電氣隔離直 接送給單片機或微型計算機進行處理，模擬信號則利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多路被測量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過單片機或微型計算機進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)實時測控。 GSM模塊的接口與設(shè)計 TC35 模塊組成 Siemens 公司的 TC35 模塊主要由 GSM 基帶處理器、 GSM 射頻模塊、供電模塊 (ASIC)、閃存、 ZIF 連接器、天線接口六部分組成。作為 TC35 的核心，基帶處理器主要處理 GSM終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持 FR、 HR 和 EFR 語音信 道編碼。 TC35 模塊通信電路 數(shù)據(jù)通信電路主要完成短消息收發(fā)、與微機機通信、軟件流控制等功能。 TC35 的數(shù)基于嵌入式的智能家居控制設(shè)計 _畢業(yè)設(shè)計論文 共 54 頁 第 頁 5 據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合 ITUT RS232 接口電路標準，工作在 CMOS 電平 ()。數(shù)據(jù)接口配置為 8 位數(shù)據(jù)位、 1位停止位、無校驗位，可以在 300bps～ 115kbps 的波特率下運行，支持的自動波特率為 ～ 115kbps（ 和 除外）。 TC35模塊還支持 RTS0/CTS0 的硬件握手和 XON/XOFF 的軟件流控制。 TC35 模塊與 MCU 連接方式 單片機與 TC35 一般采用串行異步通信接口，具有紅外和通信電纜兩種連接方式其中電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能以 TI 公司的 MAX3238 芯片為核心，通信速度可設(shè)定，通常為 19200bps。采用紅外接口的優(yōu)點是單片機系統(tǒng)與手機電氣隔離，相互不干擾，接口各自獨立，使用方便；缺點是通信距離較短，紅外傳播的方向性對接口相對位置有要求。采用電纜連接時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃暂^好；其主要缺點是接口的電氣參數(shù)不兼容，設(shè)計不當(dāng)時就會對手機的通信質(zhì)量產(chǎn)生影響。這個單片機系統(tǒng)其實就是一個具有 GPRS 功能的 GSM 手機模塊加 上單片機控制系統(tǒng)， GSM 手機模塊主要是用來建立無線信道，接收和發(fā)出短消息。單片機系統(tǒng)用來控制手機模塊，并且對收到的短消息信息進行解釋并執(zhí)行，目前全國共有 8種短消息格式包含從互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)出的短消息。本系統(tǒng)采用通信電纜的連接方式。 紅外學(xué)習(xí)遙控設(shè)計 經(jīng)過充分的論證和研討，本系統(tǒng)采用各設(shè)備集中控制的方式實現(xiàn)。集中各設(shè)備的方法是首先對各設(shè)備的紅外遙控信號進行識別并存儲，然后在需要時進行還原，以控制對應(yīng)設(shè)備動作。由單片機構(gòu)成集中控制器，它是自學(xué)習(xí)與還原的核心部分，紅外接收部分由 CX20206 解調(diào)電路或一體化紅 外接收頭組成，發(fā)射部分有紅外發(fā)光管極其驅(qū)動部分組成。 通常，紅外遙控器將遙控信號調(diào)制在 38KHz 的載波上，經(jīng)緩沖放大后送至紅外發(fā)光二極管，轉(zhuǎn)化為紅外信號發(fā)射出去。二進制脈沖碼的形式有多種，其中最為常用的是 PWM碼 (脈沖寬度調(diào)制碼 )和 PPM 碼 (脈沖位置調(diào)制碼 )。 PWM 碼以寬脈沖表示 1，窄脈沖表示 0。PPM 碼脈沖寬度一樣，但是碼位的寬度不一樣，碼位寬的代表 1，碼位窄的代表 0。 遙控編碼脈沖信號（以 PPM碼為例）通常由引導(dǎo)碼、系統(tǒng)碼、系統(tǒng)反碼、功能碼、功能反碼等信號組成。引導(dǎo)碼也叫起始碼，由寬度為 9ms 的高電平和 寬度為 的低電平組成（不同的遙控系統(tǒng)在高低電平上有一定的區(qū)別），用來標志遙控編碼脈沖的開始。系統(tǒng)碼也叫識別碼，它用來指示遙控系統(tǒng)的種類，以區(qū)別其它遙控系統(tǒng)，防止各種基于嵌入式的智能家居控制設(shè)計 _畢業(yè)設(shè)計論文 共 54 頁 第 頁 6 遙控系統(tǒng)的誤操作。功能碼也叫指令碼，它代表了相應(yīng)的控制功能，接收機中的微控制器可根據(jù)功能碼的數(shù)值完成各種功能操作。系統(tǒng)反碼與功能反碼是系統(tǒng)碼與功能碼的反碼，反碼的加入是為了能在接收端校對傳輸過程中是否產(chǎn)生差錯。為了提高抗干擾性能和降低電源消耗，將上述的遙控編碼脈沖對頻率為 38KHz（周期為 ）的載波信號進行脈幅調(diào)制（ PAM），再 經(jīng)緩沖放大后送到紅外發(fā)光管，將遙控信號發(fā)射出去。 由于遙控器的二進制編碼脈沖有一定的寬度，而且它的高低電平均不斷的交替變化，因此容易讓我們想到一種容易且方便的方法，脈寬測量。雖然它的二進制脈沖的高低電平的寬度有所不同，但它們大都是毫秒級的，因而，采用單片機的定時器來測量它的脈沖寬度，然后存儲，還原是完全可以實現(xiàn)的。實際證明這種思路是可行的，而且電路簡單，容易實現(xiàn)。 五 系統(tǒng)硬件設(shè)計 MCU SM8952AC25P 簡介 SM8952C25的最高主頻為 25MHz,內(nèi)帶 8KB閃存的 MCU， SM8951/8952系列產(chǎn)品是內(nèi)嵌4/8K字節(jié)閃存的 8 位單片微控制器它具有多達 32個 I/O口其 4K/8K的閃存既可作程序存儲空間也可以作數(shù)據(jù)存儲空間或程序數(shù)據(jù)混合空間這些硬件特征和其強大的指令系統(tǒng)和其自帶可編程看門狗使它能應(yīng)用于不同的場合，因此是一種通用的和性能價格比高的控制器， SM8951/8952允許用戶還可以通過置位 SCONF寄存器的位 0(ALE1)來降低 EMI，其中的看門狗定時器 (WDT)是 1個 16位自運行計數(shù)器在計數(shù)器溢出時會產(chǎn)生復(fù)位信號。 WDT對那些易受噪聲干擾電壓波動或放電現(xiàn)象影響的系統(tǒng)很有用在 程序跑飛或死機的情況下， WDT可以使用戶程序脫離不正常狀態(tài)。 WDT不同于 8052系統(tǒng)的定時器 0定時器 1和定時器 2。通過軟件周期性的清除 WDT計數(shù)器的值可以防止 WDT產(chǎn)生復(fù)位信號。片上閃存可以使用商用編程器進行編程。 雙音多頻收發(fā)器 MT8870簡介 MT8870 是一種帶呼叫進展過濾器的單片雙音多頻收發(fā)器。它包括一個帶增益可調(diào)放大器的 DTMF 接收器和一個 DTMF 發(fā)送器。其中濾波電路采用高頻群和低頻群兩個六階開關(guān)電容帶通濾波器，解碼采用數(shù)字計數(shù)器技術(shù)來確定輸入的 DTMF 音調(diào)的頻率，并將其譯成標準的四位二進 制碼。發(fā)送器采用開關(guān)電容 D/A 變換器。片內(nèi)使用了一個脈沖計數(shù)器，能合成精確的音調(diào)脈沖，保證音調(diào)脈沖準確的定時發(fā)送。 MT8870 提供了一個標準的基于嵌入式的智能家居控制設(shè)計 _畢業(yè)設(shè)計論文 共 54 頁 第 頁 7 微處理器總線接口，可以直接與 MCS51 系列 MCU 和微機接口。它還可以選用呼叫進展方式工作，通過呼叫進展濾波器來檢測特定通帶內(nèi)的信號頻率，供微處理機或計數(shù)器電路分析，以確定檢測到的呼叫進展音的性質(zhì)。 它從接收端接收來自電話機的雙音多頻脈沖信號該雙音多頻信號先經(jīng)其內(nèi)部的撥號音濾波器，濾除撥號音信號，然后經(jīng)前置放大后送入雙音頻濾波器，將雙音頻信號按高，低音頻信號分開，再經(jīng)高 ，低群濾波器，幅度檢測器送入輸出譯碼電路，經(jīng)過數(shù)字運算后，在其數(shù)據(jù)輸出端輸出相對應(yīng)的 8421 碼。 ISD2500 系列單片語音錄放簡介 美國 ISD公司的 2500芯片，按錄放時間 60秒、 75秒、 90秒和 120秒分成 ISD2560、 2572590和 25120