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1、无锡职业技术学院毕业设计（论文）题 目 智能家用电热水器控制器设计 英文并列题目 Intelligent home electric water heater controller design 院 系 自控系 班 级 电气21201 学生姓名 学 号 20101201 指导老师 职 称 讲师 二 零 年 月摘要随着计算机技术和电信业的发展，通过电话线进行的远程通信越来越常见。人们通常采用MODEM进行通信，但是在通信数据量不大，对通信速率要求不高的应用场合，我们可以考虑一种DTMF通信方式，它具有接口简单，成本低廉且可靠性高的特点。本文介绍了一种电话远程控制家用电器的实现方法。用户可通过任意
2、一部双音频电话（包括手机、电话分机）对自己家庭安装的家用电器进行开机、停机、设定等操作。全文分为六章。第一章介绍系统具体结构及实现方法。第二章介绍主要芯片。第三章讲的是从硬件方面分析了课题。第四章是从软件方面分析了课题。第五章就是仿真模拟软件的介绍。设计中，硬件电路设计使用Auto CAD软件；使用C语言软件编写程序；利用自带仿真软件对电话控制家用热水器仿真。本设计作为毕业设计题目，主要价值在于运用理论与实际相结合。如前所述，全球都需要高新科技，来带动整个经济的发展。电话控制家用热水器是自动化生产技术的代表之一，是必不可少的，在生活方面起着举足轻重的作用。关键词：远程控制、DTMF通信方式、自
3、动化生产AbstractWith the development of computer technology and telecommunications industries, remote communication via telephone lines are becoming more common. People usually MODEM communication, but not in the amount of communication data, the communication rate of less demanding applications, we can
4、 consider a DTMF communication, it has a simple interface, low cost and high reliability. This article describes the implementation of a telephone remote control home appliances. Users can install their own household appliances were starting, stopping, and other operations by setting an arbitrary on
5、e pair of tone phone (including cell phones, telephone extension).The full text is divided into six chapters. The first chapter describes the specific structure and implementation systems. The second chapter describes the main chip. The third chapter is talking about the hardware aspects of the anal
6、ysis of the subject. The fourth chapter analyzes the issue from the software. The fifth chapter is the introduction of simulation software. Design, hardware design using Auto CAD software; software using the C programming language; the use of simulation software that comes with the phone to control
7、domestic water heater simulation.The design as a graduate design topics, the main value lies in the use of a combination of theory and practice. As mentioned above, the high-tech global need to bring the whole economy. Telephone control of household water heater is one of the representatives of auto
8、mated production technology is essential, plays an important role in life.Keywords: remote control, DTMF communication, automated production.目录第一章 绪论1 1.1 本文课题研究背景 1 1.2 电话远程控制电热水器的远程控制的内容1第二章 系统具体结构及实现方法 2第三章 系统硬件设计4 3.1 振铃检测电路设计4 3.2 电话自动摘机和挂机电路设计5 3.3 音频放大电路设计6 3.4 DTMF信号解码电路设计6 3.5 语音提示电路设计7 第四章
9、 系统软件设计8 4.1 数据的发送与接收的流程图8 4.2 密码修改流程图10 4.2.1系统身份认证功能11 4.2.2 用户信令解释功能11 4.2.3 软件定时功能11 4.3 软件设计流程12 4.3.1单片机初始化124.3.2振铃计数模块4.3.3语音提示模块 4.3.4密码修改模块 4.3.5控制电器模块 第五章 系统的应用16 5.1系统的应用前景 5.2系统的调试与使用第六章 总结18致谢参考文献 V第一章 绪论1.1 本文课题研究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
10、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。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。 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。其控制示意图如图1-1所示。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
11、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业的自动化控制等领域。1.2电话远程控制电热水器的远程控制的内容 2008中国国际家电展上，海尔集团
12、展出了自主研发的U-home智能家电系统，包含家庭智能网关、网络空调、网络洗衣机、网络热水器等。下班回家的路上，用手机给家中的电热水器发个短信，到家后就能洗上热水澡；给空调发个短信，设定温度，到家就能享受舒适的室温；给洗衣机发个指令，它就自动将衣物洗涤干净，到家后就能直接晾晒。这些过去只在幻想中出现的场景，如今已经变成现实。然而当今大多数家庭仍然使用的是传统家用电器，本文主要设计一种可以远程控制传统家电的电话控制系统。 电话属半双工通信手段。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。本作品采取单片机智能控制，利
13、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。本作品的各种电器接口、各项标准都严格遵循国家有关标准，为以后的产品化提供了良好的基础。由此可以看出,系统主要由流铃检测电路、自动摘挂机电路、由DTMF双音频解码电路、语音提示电路、中央处理单元AT89C51、电器控制驱动电路等组成。同时,电话远程控制系统正常工作还需电源供电电路、驱动电路等辅助电路。第二章 系统具体结构及实现方法本系统主要包括电话振铃检测电路，电话自动摘机和挂机电路，DTMF信号解码电路，语音提示急电路，音频放大电路，以及控制心脏CPU电路。当有电话打入时
14、，电话振铃检测电路检测到有振铃并等待至系统默认的振铃次数后，控制器自动摘机，在语音电路的提示下依次输入用户的操作密码和操作指令，并包含了密码修改功能。DTMF解码电路将接收到的DTMF解码后的数字信号送入CPU，若输入密码错误达两次以上，系统自动挂断电话。当进入正常遥控状态后，CPU用控制命令来开启家用电器接口电路。整个系统的结构框图如下图所示：电话远程控制部分主要由电话振铃检测电路、自动摘挂机电路、DTMF信号解码电路、语音提示电路、实时时钟电路和CPU组成。CPU是整个系统的控制核心，本系统采用AT89C51，所有电路都是在它的控制之下完成各种规定的操作。当有电话打入时，电话振铃检测电路检
15、测到有振铃并等待系统默认的振铃次数后，控制器自动摘机，并在语音电路的提示下依次输入用户的操作密码和操作指令。DTMF解码电路将接受到的DTMF解码后的数字信号送入CPU，若密码有误，系统自动挂断电话；当密码正确时，只需按语音提示依次完成一系列操作。当操作完成时，单片机根据返回的确认信息去控制家用电器，至此，整过操作过程完成。第三章 系统硬件设计3.1 振铃检测电路设计当电话振铃信号到来时，电话线路上的90伏振铃信号，经过整流及滤波后，驱动光电耦合器。有振铃信号时，输出为高电平，无振铃时为低电平，CPU以此来来判断有无振铃及振铃次数。如下图所示：3.2 电话自动摘机和挂机电路设计电话打入并等待默
16、认的振铃次数后，从CPU的P1。7送出的摘机信号驱动光藕导通使假负载接入，进入摘机状态。当整个设定过程完成后或输入密码错误时，CPU使摘机信号恢复为高电平以断开假负载，进入挂机状态，如下图所示：3.3 音频放大电路设计使用LM386低压音频功率放大器，LM386是为低压用户设计的功率放大器，内部增益为20，外接元件数目较少。音频放大电路下图所示：3.4 DTMF信号解码电路设计在电话远程控制电路中，DTMF的信号解码电路是非常重要的部分。本系统采用常规的MT8870解码芯片，该芯片具有功耗低、调整简单、抑制拨号音能力强等特点。当MT8870检测到有DTMF信号输入并已解调、锁存到输出寄存器后，
17、STD端输出高电平，CPU检测到该信号后便可使MT8870的三态输出锁存器使能端TOE有效，并将代表拨号值的四位二进制代码Q1-Q4送往CPU处理。电路如下图所示：3.5 语音提示电路设计当有电话打入并且电话远程控制器摘机后，控制者便会在语音提示电路的提示下输入密码、选择通道、设定各种数值、执行开机、挂机等操作。语音电路采用美国ISD公司的语音录放芯片ISD1420。此芯片能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，并且存储地信息在断电地情况下百年不丢失。将需要提示的语音信息按段录入到芯片后，在CPU的控制下将录入的信息按顺序由音频输出端输出，然后经音频功率放大器放大后送到电话线路上。电
18、路如下图所示：第四章 系统软件设计本系统的主要工作是进行各种状态的检测以及数据的发送，接收和密码修改等功能。4.1 数据的发送与接收的流程图4.2 密码修改流程图如何利用有限的16种DTMF信号实现多样的系统控制功能，是系统成功与否的关键，借助于软件编程，系统可以对16种DTMF信号的任意组合进行解释，从而丰富了系统功能。系统软件主要功能如下：4.2.1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。4.2.2 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
19、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。4.2.3 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。4.3 软件设计流程本系统的软件设计主要分为系统初始化、振铃检测计数、控制摘挂机、双音频信号分析处理、语音提示、密码处理、控制电器等部分组成。每个功能模块对于整体设计都是非常重要的，单片机AT89C51通过软件程序才能很好的对外部的信息进行采集、分析、决策和执行。下面就整体设计以及每个单元功能模块分别进行说明。整体流程图如4-1图所示：4.3.1单片机初始化单
20、片机的存储系统的分配利用在其工作过程中起非常大的作用，所以就必须对其进行必要的初始化。4.3.2振铃计数模块 本单元是通过计数器T0的外部中断方式来计数的。4.3.3语音提示模块 本功能模块主要是产生信号提示音，方便不同的使用者。根据普通人耳的反应频率为20Hz至20KHz的范围，而CCITT规定的电话话音信号的频率范围是300Hz至3400Hz，所以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、一声低音，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
21、，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口的电平反转，从而形成方波信号 。4.3.4密码修改模块本系统是通过在线输入密码而改变特定存储器中的密码值的。4.3.5控制电器模块本系统首先通过外围双音频解码电路解码的信息（选择电器）判断所选择的电器，然后跳转到对应的子程序，通过单片机向P1口的八位发
22、送控制命令，这些控制信息表示对不同的电器进行控制的控制字。为了简单表示，在这里只写出了控制一路电器的控制子程序，其它子程序都相似，不再累述。第五章 系统的应用5.1系统的应用前景随着我国信息事业的持续、快速发展,通信基础设施日臻完善,固定电话、移动电话用户日益增多。利用现有的个人通信终端,实现基于PLMN(陆基移动通信网)和PSTN(公用电话交换网)的电话远程控制系统,既可以节约投资,又便于推广。电话远程控制系统(ITRCS),以CCITT及我国标准共同规定的部分标准程控交换信令(DTMF双音多频信号,振铃信号,回铃音信号等)作为系统控制命令,以PLMN与PSTN通信网作为传输介质,使用户可以
23、在远端利用固定电话或移动电话发送DTMF双音多频信号,实现对近端电器设备的远程控制的可能性。 本文介绍的基于单片机的家用电器电话遥控装置性能稳定、工作可靠，当有电话打人时，振铃检测电路检测到电话振铃信号，等待系统默认的振铃次数后，启动自动摘机电路实现摘机，并送出提示音信号，用户输入预先设定的密码，控制装置通过双音多频解码电路读取输入密码，与预设在控制装置中的密码进行对比验证，如果密码错误，系统自动挂机；密码正确，则进入遥控状态。通过双音多频解码电路获得用户发出的按键命令，并根据用户的命令执行开机、关机等操作。如果有人在默认的振铃次数之前接听电话，则不进入电话遥控状态，因此不影响电话的正常通话使
24、用。将本装置嵌入在家用电器的控制器中，成为家用电器的一个功能，也能够实现对电器各项设定的完全控制，但这种方式需要与家用电器的生产厂家合作来实现，这也是将来的发展方向。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，能够实现家居生活的舒适、安全、方便、节能，因此具有广阔的应用前景。5.2系统的调试与使用 本系统使用起来非常方便，下面就系统使用流程图做一下简单的使用方法介绍： 首先用户把本装置的信号线并联在电话线的两端，插上电源线，打开电源开关，本装置自动复位，就能正常工作了
25、。 当用户从异地打来电话，本装置接收到电话振铃音，开始计数。当电话铃声计到五次，装置自动摘机，回送提示音提示输入密码。 当用户在三次之内输入正确的密码后，用户就可以对装置所连的电器进行选择，然后根据需要对其进行开关控制。 用户可以在一次“通话”中同时控制几个电器。如果用户控制完毕，可以按#键让装置自动挂机，结束“通话”。而已经开启的电器将保持其开启的状态，直到下一次的“通话”控制使其关闭。 本装置使用起来简单易学，而且接口可扩展，功能强大。 为增加系统抗电磁干扰能力应该采取以下措施： 1、选用时钟频率低的微控制器。只要控制器性能能够满足要求，时钟频率越低越好低的时钟可以有效降低噪声和提高系统的
26、抗干扰能力。 2、减小信号传输中的畸变。当高速信号(信号频率高、上升沿和下降沿快的信号)在铜膜线上传输由于铜膜线电感和电容的影响会使信号发生畸变，当畸变过大时，就会使系统工作不可靠。一般要求，信号在电路板上传输的铜膜线越短越好，过孔数目越少越好。典型值：长度不超过25cm，过孔数不超过2个。 3、减小来自电源的噪声。电源向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的系统中，系统中的复位、中断以及其它一些控制信号最易受外界噪声的干扰所以应该适当增加滤波电容来滤掉这些来自电源的噪声。 4、元件布置要合理分区元件在电路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题。原则之一就是各个元器件之间的铜膜线要尽量的短
27、，在布局上，要把模拟电路、数字电路和产生大噪声的电路(继电器、大电流开关等)合理分开，使它们相互间的信号耦合最小。 5、处理好地线。将模拟地、数字地、大功率器件地分开连接，再汇集到电源的接地点。对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路应该用金属屏蔽罩屏蔽。 6、去耦电容。去耦电容以瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好，设计电路板时，集成电路的电源和地线之间都要加一个去祸电容。去耦电容有两个作用，一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门和关门瞬间的充放电电能，另一方面旁路掉该器件产生的高频噪声，一般情况下，选取择0.010.luF的电容都可以。一般要求每10片左右的集成电
28、路增加一个10uF的充放电电容。另外在电源端、电路板的四角等位置应该跨接一个10100uF的电容。第六章 总结利用智能电话远程控制系统可以实现固定电话和移动电话对空调器、电灯、电饭煲等家用电器设备的远程控制，如可以提前将居室的空调打开，一进家门便享受清凉世界；用户外出旅游或出差时，通过本系统开关居室的电灯、电视，造成有人在家的假象，提高家居安全。本系统可以扩展用于数据通信量不大，速率要求不高的远程通信场合。可应用于自动防盗报警装置、公话集中管理系统以及远程分布式数据采集系统等，实现对无人值守岗位的远程控制。该系统软硬件实现技术具有接口电路简单、可靠性高、成本低、灵活性强等优点。总之，电话远程控
29、制系统设计采用了AT89C51单片机作为系统的中央控制单元，并结合软件编程，实现了语音界面及安全认证机制，丰富了系统功能，符合未来家电的智能化、网络化发展方向。致谢本设计的设计工作是在我的导师朱必刚的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和设计中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受的启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在多年的学习生活中，还得到了许多学院领导、系领导和老师的热情关心和帮助。在日常学习和生活中，同学都给予了我很大帮助。我也要感谢我的父母和亲人
30、，他们在我的学业中给了我莫大的鼓励、关爱和支持。最后，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！衷心地感谢在百忙之中评阅我的设计和参加答辩的各位老师！参考文献1 李广弟等 单片机基础 北京航空航天出版社， 2001.7 2 楼然苗等 51 系列单片机设计实例 北京航空航天出版社， 2003.3 3 唐俊翟等 单片机原理与应用 冶金工业出版社， 2003.9 4 刘瑞新等 单片机原理及应用教程 机械工业出版社， 2003.7 5 吴国经等 单片机应用技术 中国电力出版社， 2004.1 6 李全利，迟荣强编著 单片机原理及接口技术 高等教育出版社，2004.1 7 侯媛彬等，凌
31、阳单片机原理及其毕业设计精选 2006年，科学出版社 8 罗亚非，凌阳十六位单片机应用基础2003年 北京航空航天大学出版社 9 北京北阳电子有限公司，061A凌阳单片机及其附带光盘2003年 10 张毅刚等， MCS-51单片机应用设计，哈工大出版社，2004年第2版 11 霍孟友等，单片机原理与应用，机械工业出版社，2004.1 12 霍孟友等，单片机原理与应用学习概要及题解，机械工业出版社，2005.3 13 许泳龙等，单片机原理及应用，机械工业出版社，2005.1 14 马忠梅等，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，2003修订版 15 薛均义 张彦斌 虞鹤松 樊波，凌阳十六位单片机原理及应用，2003年，北京航空航天大学出版社15