家庭智能控制系统的研究与设计 - 毕业设计论文

家庭智能控制系统的研究与设计

家庭智能控制系统的研究与设计

摘 要

家庭智能化系统是20世纪70年代后期开始出现的，80年代中期，欧美市场上出现了智能控制机，1984年1月第一栋智能大楼在美国投入建成使用，自此，智能大楼在许多国家积极兴起。同时，家庭、楼宇的智能化也成为适应人们对生活水平和生活质量需要提高的必然趋势，各种家庭控制系统应运而生。我过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过应用现状的家庭智能控制系统。

从结构上，智能家居控制系统可采用先进的通讯总线方式或电力线载波通讯技术，其

产品部件安装时无需对住宅内已有的居住环境进行大幅度的改造，无需复杂的布线及添置新的设备材料，只要将产品模块接入通讯总线或220V电力线网络即可形成控制系统[1]。系统一般采用模块化设计，使用简单的编码指令，就可轻松进行扩展。可先以低廉的价格安装基本系统后，再根据需要扩展更多的功能，进行系统功能添加，家居智能系统的扩充性非常强大。

关键词 智能化系统、通讯总线、电力线载波、模块化、编码

I

沈阳工程学院毕业设计（论文）

Abstract

Intelligent home system is the 20th century began to emerge in the late 70's, the mid-80's, appeared on the European and American markets intelligent control plane, in January 1984 the first intelligent building houses built in the United States the use of inputs, since in many intelligent building the rise of national positive. At the same time, the family, the building has become the intelligent adaptation of the standard of living and quality of life of the inevitable trend of the need to improve, and control system of the family came into being. In this regard I have been starting late, is in urgent need of completion of the development achievement of the basic functions and applications in line with the status of my family have been the smart control system.

From the structure, intelligent home control system using advanced communication bus or power line carrier communication technology, their products without components installed within the residential living environment has been a substantial transformation, the need for complicated wiring and installation of new The equipment and materials, as long as the product module communication bus access or 220V power line network to form a control system. Systems generally use the modular design, the use of simple coding instructions, can be easily extended. Can be installed at very low prices for basic systems and then need to be extended in accordance with more features, add functionality to the system, smart home system is very powerful scalability.

Key Words intelligent systems, communications bus, power line carrier, modularization,

coding

II

家庭智能控制系统的研究与设计

目 录

摘 要 ................................................................................................................................................ I ABSTRACT ................................................................................................................................... II 目 录 ............................................................................................................................................. III 1 引言 ............................................................................................................................................. 1 1.1 课题背景 ............................................................................................................................... 1 1.2 应用前景及效益分析 ........................................................................................................... 1 1.2.1国内智能小区市场预测 ................................................................................................. 1 1.2.2实用性及前瞻性 ............................................................................................................. 2 1.3 调协的科学性和合理性 ...................................................................................................... 2 1.3.1社会效益 ......................................................................................................................... 2 1.3.2在智能小区的地位 ......................................................................................................... 2 1.3.3未来市场走向 ................................................................................................................. 3 1.3.4用户需求 ......................................................................................................................... 3 1.3.5科技含量 ......................................................................................................................... 3 1.4 系统结构图的总体设计 ....................................................................................................... 4 1.4.1管理系统的设计 ............................................................................................................. 4 1.4.2系统结构图的设计 ......................................................................................................... 6 2 单片机及存储器 ....................................................................................................................... 6 2.1单片机简介 .......................................................................................................................... 6 2.2单片机技术 .......................................................................................................................... 7 2.3通信接口的实现方法 .......................................................................................................... 7 2.3.1单向并行通信接口的实现 ............................................................................................. 7 2.3.2主从并行通信接口的实现 ............................................................................................. 8 2.4存储器 .................................................................................................................................. 9 3 M16C单片机和内部结构 ...................................................................................................... 10 3.1单片机的内部结构 ............................................................................................................. 10 3.2芯片引脚的描述 ................................................................................................................ 12 3.3 M 16C单片机中央处理器................................................................................................. 14 4 DTMF编解码的远程控制 ..................................................................................................... 16 4.1 DTMF编解码远程控制的原理 ......................................................................................... 16 4.2 DTMF编解码芯片的选择 ................................................................................................. 17 4.3 MT8880的工作原理 ........................................................................................................... 19 4.4单片机电路 ......................................................................................................................... 21 4.5远程报警系统的设计 ......................................................................................................... 23 5 电力线载波的本地控制 ........................................................................................................... 25 5.1电力线载波本地控制的工作原理 ..................................................................................... 25 5.2电力线MODEM及接口电路 ........................................................................................... 26 5.3 驱动电路 ............................................................................................................................ 29

III

沈阳工程学院毕业设计（论文）

5.4 键盘接口芯片 .................................................................................................................. 30 结 论 ............................................................................................................................................. 31 致 谢 ............................................................................................................................................. 32 参考文献 ....................................................................................................................................... 33 附 录 ............................................................................................................................................. 35

IV

1 引言

1.1 课题背景

随着计算机技术、现代通信技术、自动控制技术的迅速发展，智能化家电控制系统在世界应运而生。智能小区在智能化大楼基础上扩展和延伸出来的，人们通过对小区建筑群的四个基本要素（结构、系统、服务、管理）进行优化考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率、舒适、温馨、便利以及安全的人居环境。为适应我国加快住宅建设发展，增强住宅建设的科技含量的要求，我国 在继“解困”、“安居”工程后，又加大了小康工程的力度。“智能型住宅家庭设施自动控制与管理系统应用研究”作为国家重大科技产业项目，就是这一背景下提出的。

从结构上，智能家居控制系统可采用先进的通讯总线方式或电力线载波通讯技术，其产品部件安装时无需对住宅内已有的居住环境进行大幅度的改造，无需复杂的布线及添置新的设备材料，只要将产品模块接入通讯总线或220V电力线网络即可形成控制系统。系统一般采用模块化设计，使用简单的编码指令，就可轻松进行扩展。可先以低廉的价格安装基本系统后，再根据需要扩展更多的功能，进行系统功能添加，家居智能系统的扩充性非常强大[2]。

攻关任务：研究智能型住宅家庭设施自动控制与管理系统，该系统包括两项任务，其一是开发家用管理软件，其二是开发家庭智能控制装置，实现对家电控制进行自动检测；而家用电脑管理软件要对家庭设施进行管理并提供若干家政服务程序。

1.2 应用前景及效益分析

建筑业是国家的支柱产业，住宅建设占总房产建设投资的80％左右，国家十分关注住宅建设，继“解困”、“安居”工程后，又努力实施“小康”工程。为了加大“小康”工程力度，可见，投身于住宅小区智能化以及相关产品的研发，既有利于推动建筑业的发展，又能带来可观的经济效益和社会效益。 1.2.1国内智能小区市场预测

随着计算机技术、现代通信技术和自动控制技术等高新技术的延伸，智能建筑应运而生。智能小区是智能大厦的基本含义中扩展出来的。以1999年为例，国家在99年对住宅的投资1700～1800亿元人民币，根据建设部对小区初、中、高三个等级的划分，小区智能化为住宅小区总投资的1％～3％[3]。以此比例计算，则仅99年度对小区智能化的需求就达17～54亿元人民币，而随着住房体制改革

的不断深入及人们对住宅环境要求的不断提高，该数值还会将大幅度提高。由此可见，小区智能化市场前景广阔。 1.2.2实用性及前瞻性

智能型住宅家庭设施自动控制与管理系统应用研究，该家庭智能控制器具有很强的灵活必一，根据用户需要，可以进行灵活配置，例如：如果用户不需要该模块中的模拟输入，我们就会在设计硬件电路时预留同端口，而不焊接模数转换模块，这样可为用户省下投资，也为其将来扩展做好准备；12路数字输入点被开关量或脉冲信号来触发，其可以配置成电表水表煤气气输入，可以配置成安防信号输入，也可以是二者结合；12路输出只是一个开关信号，也可根据实际情况进行灵活配置。总之，该家庭智能控制器即适合现在智能住宅的要求，也会在一定程度上满足将来发展的需要[4]。

家庭智能控制器再加上各种传感器构成的控制系统，其价格为4000元左右，即每个住户用于智能化投资在4000元左右，与当前国家制定普及型智能住宅价格（5000元）相比，相对价位下降20％；而从长远来看，随着人民生活水平的提高以及家庭智能控制器各类相关器件价格的下调，大多数用户对智能化的投资是可以接受的，并且其所带来的各种效益是无法估量的。

1.3 调协的科学性和合理性

设置的科学性和合理性可从以下几方面反映出来： 1.3.1社会效益

以小康住宅智能化宗旨，旨在为人们提供舒适、安全、健康的环境。这一方面提高了人们生活水平，另一方面也为人们的高效率快节奏提供了条件。

智能住宅设施的自动控制和管理，既需要相关行业的支持，也促进相关行业的发展。智能住宅建设的兴起，将使许多相关企业投入建筑市场，又为许多人提供了就业机会。此外，对于生产智能控制器的厂商来说，他们在推广应用这项成果中，将会获得可观的经济效益。 1.3.2在智能小区的地位

智能小区在智能化大楼的基础上扩展和延伸出来，人们通过对小区建筑群的四个基本要素（结构、系统、服务、管理）进行优化考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率、舒适、温馨、便利以及安全的人居环境。从以上的定义可以看出，人们通常提出的智能大厦的3A（建筑设备自动化 、办公自动化、通信自动化）

或5A（在“3A”的基础上加上安防自动化和防火自动化）也适合智能小区，所以智能小区的“智能”很大一部分都体现在其自动化的程度[5]。此次国家制定的该课题与以往课相比，其对智能建筑的功能定位更加合理（功能多而必要），并且具有一定的前瞻性（厨房设备的自动化以及模拟量的引入随着人民生活的提高也将会被人们接受）。总之，本专题对智能小区“智能”的研究，在智能小区的整体研究中起着相当重要的作用。 1.3.3未来市场走向

建筑业是国家的支柱产业，住宅建设将占房产建设投资的80％左右，其中对智能小区投资占总房产建设投资的8～24％，在这种背景下，国家将会进一步加大对智能化建筑的投资。由于智能小区的概念是近几年才形成的，单个功能或系统如抄表、报警功能在一些住宅小区中已经有些应用，但是还没有哪个厂家能够推出从总体上设计和规划成熟的智能小区网络化综合管理系统，目前的市场还处于群龙无首阶段。此时，国内市场急需一种性能价格比较高的智能化产品，这时研究智能型住宅家庭设施控制和管理系统将有更重要的意义。 1.3.4用户需求

随着生活水平的提高，一方面，人们对住宅的追求不仅仅局限于外表的装饰，人们对住宅的智能已经有了初步的认识；另一方面，在一些发达的城市中已经出现智能小区并为人们所接受，适合人们要求的智能化产品也具有很重要的意义。 1.3.5科技含量

可以说智能小区是随着计算机技术、通信技术、自动控制等的发展而提出和发展起来的。智能小区的“智能”也可理解成为其科技含量，其科技含量的高低反映了智能小区智能化的水平。采用的LONWORKS技术是最近几年内流行的先进的现场总线技术，运用该项技术研究并开发出基于该技术的产品，将更有利于该产品的推广，并且随着LONWORK技术本身的改进和提高，智能化产品也利于更新换代。

深圳市房地产一直处于良性发展中，发展商队除在住宅的平面布置、小区环境及建筑外立面很下功夫外，还将不同程度的智能引入住宅区。自日本东京在1989年建成首例高水平智能化住宅区后，随即世界其他一些城市也相继建成不同程度和水准的智能住宅区。概括地说，智能住宅区是指由网络连接的若干智能住宅及智能管理下各种公共设施的集合，通信技术、数据技术、网络技术及自动控制技术是智能建筑的支撑技术。智能住宅基本标准应满足以下要求[6]： A）提供舒适、安全、高品位、宜人的家庭空间；

B）信息高速公路进入家庭，提供快捷、全方位信息交换功能；

C）提供丰富多彩、高品位业余文化生活；

D）提供包括儿童教育、成人教育在内的多层次家庭和业余教育服务； E）提供家庭保健、远程看护服务。

智能住宅区内的智能系统一般由通信、安全、管理、服务四个部分组成，家电自动控制系统局限在家庭住户内，通过一定程序控制家电开关，达到遥控空调、音响、窗帘等，住户内控制信号通过每户照明配电箱的照明分支回路传送。该系统属锦上添花的智能系统，适合高档住宅如别墅。家庭防盗报警系统是由保安中心管理主机、家庭报警器、各类传感器和传输缆线组成。家庭被盗的切入点主要是门和窗，传感器对家庭重要地点和区域布防，品质齐全的传感器能代替传统家居内钢筋防盗网，让业主生活在更安全、舒适的环境。

总之，“智能家庭管理系统”的完成，一方面，为家庭设施智能化的可行性提供了依据；另一方面，也为制定家庭设施智能化规范提供了参考。并且，开发出来的成果正在转换成产品，这进一步证明了研究的科学性和合理性。

1.4 系统结构图的总体设计

1.4.1管理系统的设计

网络控制（模拟）

家电控制 温度及光亮传感

紧急探测

图1.1 管理系统的设计

家庭信息终端管理系统是一个基于计算机网络系统的智能住宅控制系统，它是集住宅安全防范系统、小区物业管理系统于一体，通过计算机网络线路构成整个住宅小区的集中管理控制系统，主要综合了普通家庭的安全防范、可视对讲、三表抄送等功能，同时即有强大的联网功能，具体如下：

1）集中抄表功能：

家庭信息终端对家庭内各种计量表（如水、电、气表等）进行数据集中采集和计算，各种表的读数通过网络系统自动传送到管理控制中心，从而达到足不出户实现抄收、统计和计费等功能，既减少了烦琐的管理工作，又避免了对住户的干扰。

2）可视门铃功能

每幢楼的楼道口均设有门口机，当有客人来访时，业主可以从大屏幕彩色LCD屏上看到来访者的图象，并可以实现对讲，实现家庭可视门铃功能，加强了业主的安全防范功能。

3）安全防盗及各种意外报警：

安全防盗报警包括红外探测报警，门磁报警等，当有小偷从窗户爬进或强行撬门，家庭信息终端及时检测意外情况后，首先高分贝喇叭报警，对不法分子起到威慑作用，同时通过小区内部网络将报警信息上报给物业管理中心，便于保安及时赶到现场处理。

当发生火灾、煤气泄露等意外情况时[7]。家庭信息终端也能通过传感器检测到，且及时切断煤气阀们，同时上报物业管理中心。

4）紧急求助功能

当家庭发生紧急情况需要求助时（如紧急病人需要求助、不法分子非法闯入等），业主可以立即按下紧急求助按纽，家庭信息终端将紧急求助信息通过小区内部网络上报给物业管理中心，物业管理中心能够派保安能赶赴现场处理，保障了住户的安全。

5）电子公告：

小区管理中心可以向住户发布各种电子公告（如小区通知、天气预报等信息）、家庭信息终端终端收到信息后能够在大屏幕真彩屏上显示出来并提醒住户阅读。

6）触摸屏操作

户所有的操作采用触摸屏的方式，由于内部集中了先进的GUI图形界面技

术，实现了傻瓜化的界面操作，使得业主操作非常简单。

7）IC卡门禁功能：

可视对讲门口机集成在一起，采用射频IC卡的电子钥匙，便于对小区每栋楼封闭性管理。

8）灵活的网络配置：

整个智能小区够成一个强大的网络，且网络配置灵活，具有多种网络连接方式，如RS485总线、小区宽带网、电话线等，便于小区物业进行统一的管理。 1.4.2系统结构图的设计

现代通信正朝着适应知识密集型信息化社会各种通信要求的方向发展，世界上先进国家已完全掌握另外在各种传输介质中传送数字信号的技术通信系统的一般模型[8]，由此我总结本设计所需结构图如1. 2所示：

图1.2 结构图的设计

2 单片机及存储器

2.1单片机简介

单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，又称微控制器（MicrocontrollerUnit）或嵌埋式控制器（Embedded Controller）,是将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上的微机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线。

单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能/价格比高、易于于推广应用等显著特点。自1974年美国德克萨斯仪器公司推出第一个单片机以来，单片机在自动化装置、智能化仪表、过程控制和家用电器等领域得到日益广泛的应用和迅猛的发展。近年来，单片机结合专用集成电路ASIC(Applied Specific Integrated Circuit)和精简指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）技术，发展成为嵌埋式处理器(Embedded Processor)，使得单片机可集成众多的硬件和软件，而成为更深意义上的单片应用机型，使其以更强的功能深入到数据、数值分析、信号处理、智能机器人及图像处理等技术领域。从国内开发应用单片机的情况看，自80年代初起步以来，以Intel公司的MCS-48系列单片机为主导机种，

率先渗入到微机控制的各个领域，并取得了一定的应用成果。80年代中期以后，随着性能更强、速度更快的MCS-51系列加入国内单片机行列，单片机迅速得到了广泛的应用，获得了微机界的一致好评。目前，单片机的开发和应用均以MCS-51系列为主，已成为我国8位单片机的主导机种。随着功能不断完善的开发工具的推出，该系列单片机得到了进一步的应用，已在各个技术领域的科研和技术改造、产品开发中起着越来越大的作用。

2.2单片机技术

单片机具有性能稳定、工作可靠、价格低廉等特点，因此其应用相当广泛。一个MCS51系列的单片机（如Atmel89cxx）内部包含有RAM、FLASH ROM、两个或者三个16位的定时器/计数器、一个通用异步串行通信控制器（UART）等多种资源。但即便如此，在一些相对复杂的单片机应用系统中，仅仅一个单片机资源还是不够的，因此而常常需要扩充I/O接口、定时器/计数器、串行通信接口、RAM、ROM等。采用通用的标准器件进行扩充是通常的做法，但将单片机本身作为一个通用的扩充器件来使用，也不失为一个好的方法。在这种情况下，一个系统中就使用了两个或两个以上的单片机，而单片机之间就要通过互连来进行数据通信。MCS51系列的单片机（以下简称单片机）都带有串口[9]，利用串口进行互连通信极为方便，其各种连接方式在许多书籍和资料上都有介绍，在此不再重述。但如果系统要求扩充的资源是对外连接的串口，或对相互之间的数据传送有一定的速度要求，则单片机的串口就不能用作系统内两单片机的通信接口了。所幸的是，单片机的并行端口也能相互连接来进行数据通信。根据单片机端口内部结构的特点，这些端口的端口线可以直接相连，从而使两单片机之间并行通信接口的实现不用另外的硬件电路设备。基于这种情况，设计时，可根据不同的使用要求，来采用不同的并行连接方法。

2.3通信接口的实现方法

下面介绍在两个单片机之间进行三种并行通信接口的实现方法。 2.3.1单向并行通信接口的实现

在应用中，如果只需一个单片机向另一个单片机传送数据，则可以采用单向并行通信接口方式，这种方式较为简单。单片机A为数据发送方，单片机B为数据接收方，8位端口可以是P0～3的任何一个。数据传送的流程是：单片机A将数据送到端口后，通过STB信号中断单片机B，单片机B进入中断并从端口读取数据，读完后，利用BUSY信号进行应答，单片机A在检查到端口线CHK上的应答信号后，就可以发送下一个数据了。以上是采用中断方式进行数据传送的具体方法[10]。当然，单片机B也可以采用查询方式接收数据。利用单向并行

通信接口方法的优点是可以充分利用单片机的资源来扩充整个系统的串行通信接口、并行接口、定时器等部件。 2.3.2主从并行通信接口的实现

主从并行通信接口的特点是两单片机之间能够通过并行通信接口将数据发送到对方，但这种方法必须有一个单片机处在主机状态，另一个单片机处在从机状态。单片机A是主机，单片机B是从机，该接口使用了一个8位端口（如P0或P1）和4根控制信号线。

在主从工作方式下，该接口的工作方式有主机发送从机接收和主机接收从机发送等两种情况。

主机发送从机接收方式的主机工作流程 主发从收方式的工作流程如下[11]：

（1）主机设置数据传送方法控制位DIR为0，以表示主机有数据发送到从机；

（2）主机在STB端口产生一个负脉冲，以使从机进入中断，并准备接收数据；

（3）主机将数据送8位数据端口，再设定ACK信号表示数据有效； （4）主机检查CHK端口，等待从机从8位端口取走数据； （5）数据发送完成返回。 主机接收从机发送时的主机工作流程

主机接收从机发送方式时的工作流程如下：

（1）主机设置数据传送方向控制位DIR为1，以表示主机将从从机读取数据；

（2）主机在STB端口产生一个负脉冲，以使从机进入中断，并准备发送数据；

（3）主机查询CHK端口，等待从机将数据送到8位端口上；

（4）主机从8位端口上读取数据，再设定ACK信号以表示数据已被读取； （5）数据接收完成返回。 从机工作流程 在主从并行通信接口工作方式下，无论从机是接收数据还是发送数据，都是在中断（也可以是查询方式）方式下进行的，从机的工作流程如下：

（1）进入中断服务程序； （2）检查数据传送的方向；

（3）如果DIR为0，则等待CHK信号有效，再从8位端读取数据，读完后设定ACK信号有效；

（4）如果DIR为1，从机将数据送到8位端上，再设定ACK为有效，并等待主机取走数据（即CHK信号有效）；

（5）退出中断服务程序。

2.4存储器

下面分别介绍各组成部份硬件的结构,工作原理和操作方法:

M16C单片机有4个存储器空间，分别用来安排4种不同功用的存储器： 一、内部数据存储器； 二、特殊功能寄存器； 三、程序存储器； 四、外部数据存储器。

内部数据存储器和特殊功能寄存器集成于片内，程序存储器和外部数据存储器则安排在片外，用接口电路与单片机连接。4种存储器中，除内部数据存储器和特殊功能寄存器是统一编址的除外，各存储器均分开编址，并用不完全相同的寻址方式来访问它们。

RAM，共128字节，地址范围为00H一7FH，前32个单元(地址00H一1FH)称为寄存器区。其中，每8个寄存器形成-个寄存器组[12]。具体说来：

寄存器0组 地址00H一07H 寄存器1组 地址08H一0FH 寄存器2组 地址10H一17H 寄存器3组 地址18H一1FH

通过对特殊功能寄存器PSW中RS1、RS0两位的编程设置)，可选择任一寄存器组为工作寄存器组，方法如下： RS1 RSO 所选中的寄存器组 0 0 选中的寄存器0组 0 1 选中的寄存器1组 1 0 选中的寄存器2组 1 1 选中的寄存器3组

当某一组被设定成工作寄存器组后，该组中的8个寄存器，从低地址到高地址就分别称为R0-R7，从而可以把它们用作通用寄存器，并可按寄存器寻址方式被访问。一旦工作寄存器组被指定后，另外三组寄存器则同其它数据RAM一样，只能按字节地址被予以读写。

字节地址20H到2FH称为位地址区，共有16个字节，计128位，每位都有相应的位地址，位地址范围为00H—7FH，通过位寻址，可以对各位进行位操作。由此可见，M16C单片机有着相当出色的位处理能力。

内部数据RAM中，既有字节地址，又有位地址，两者的地址范围都是00H一7FH，这在数据操作时应加以注意。内部数据RAM通常用来存放运算过程的中间值，并用作堆栈区。

单片机具有64K字节的程序存储器空间。其中片内没有程序存储器，必须在外部扩展程序存储器才能构成单片机应用电路。扩展容量可为64K字节中的

任一容量，并且常用EPROM或E2PROM的形式。程序存储器中的某些地址被固定地用于特定程序的入口地址： 地址用途

0000H 复位操作后的程序入口 0003H 外部中断0服务程序入口 000BH 定时器0中断服务程序入口 0013H 外部中断1服务程序入口 001BH 定时器1中断服务程序入口 0023H 串行I／O中断服务程序入口

在编程时，通常在这些入口地址开始的二三个地址单元中，放入一条转移类指令，以使相应的程序在指定的程序存储器区域中生成。例如，从000H阳地址单元开始，放入一条转移到3000H地址单元的转移类指令，定时器0的中断服务程序就可从3000H地址单元开始安排。又如，定时器l的中断服务程序非常短，不会占用到0023H地址单元，或者串行I／O中断根本就没被使用，那么001BH就可以直接作为定时器1中断服务程序的首地址，而不必安排转移类指令。

程序存储器用来存放固化了的用户程序，取指地址由程序计数器PC给出，PC具有自动加l的功能，从而在无转移类指令的条件下，指令被逐一执行[13]。转移类指令可改变PC值，使程序得以转移。程序存储器中也可固化一片数据区，存放被查阅的表格和参数等。

外部数据存储器又称为外部数据RAM，当片内128个字节的数据RAM不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其它I／O端口扩展外部数据RAM。其最大容量可达64K字节。外部数据RAM与内部数据RAM的功用基本相同，但前者不能进行堆栈操作。

当单片机同时外接有程序存储器和数据存储器时，两者的区别在于：程序存储器只有读操作而无写操作，且读操作信号由引脚PSEN直接提供；数据存储器则有读写操作，且由引脚信号RD和WR选通读写操作。对片内RAM和片外RAM操作的区别在于：片内RAM操作时无读写信号产生，片外RAM操作时则有读写信号（RD,WR）产生。上面是不同的存储器操作在硬件信号方面的区别，这些反映在符号指令上则是有着完全不同的符号形式和寻址方式。

3 M16c单片机和内部结构

3.1单片机的内部结构

我们来思考一个问题，当我们在编程器中把一条指令写进单片机内部，然后取下单片机，单片机就可以执行这条指令，那么这条指令一定保存在单片机的某个地方，并且这个地方在单片机掉电后依然可以保持这条指令不会丢失[14]，这个地方就是单片机内部的只读存储器即ROM（READ ONLY MEMORY），称为

FLASH ROM。

XTAL2

XTAL1 ROM/EPROM/FLASH 4K字节 ROM128字节 SFR21个 定时/计数器 2个 时钟电路 CPU 总线控制 中断系统 5中断源、2优先级 串行口 全双工2个 并行口 4个 ALE /PSEN RET /EA

P0 P1 P2 P3

图3.1 单片机的基本结构

通过前面课程的介绍，我们已知道了单片机的内部有ROM、有RAM、有并行I/O口，那么，除了这些东西之外，单片机内部究竟还有些什么？这些个零碎的东西怎么连在一起的？

表3.1 单片机的内部

符号 B ACC PSW IP P3 IE

地址 F0H E0H D0H B8H B0H A8H 功能介绍 B寄存器 累加器 程序状态字 中断优先级控制寄存器 P3口锁存器 中断允许控制寄存器

P2 SBUF SCON P1 TH1 TH0 TL1 TL0 TMOD TCON DPH DPL SP P0 PCON A0H 99H 98H 90H 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H 83H 82H 81H 80H 87H P2口锁存器 串行口锁存器 串行口控制寄存器 P1口锁存器 定时器/计数器1（高8位） 定时器/计数器1（低8位） 定时器/计数器0（高8位） 定时器/计数器0（低8位） 定时器/计数器方式控制寄存器 定时器/计数器控制寄存器 数据地址指针（高8位） 数据地址指针（低8位） 堆栈指针 P0口锁存器 电源控制寄存器

下面就让我们来对单片机内部作一个完整的分析吧！从图中我们可以看出，在51单片机内部有一个CPU用来运算、控制，有四个并行I/O口，分别是P0、P1、P2、P3，有ROM，用来存放程序，有RAM，用来存放中间结果，此外还有定时/计数器，串行I/O口，中断系统，以及一个内部的时钟电路。在一个51单片机的内部包含了这么多的东西。

对图进行进一步的分析，我们已知，对并行I/O口的读写只要将数据送入到相应I/O口的锁存器就可以了，那么对于定时/计数器，串行I/O口等怎么用呢？在单片机中有一些独立的存储单元是用来控制这些器件的，被称之为特殊功能寄存器（SFR）。在这里我们就不过多的介绍了。

3.2芯片引脚的描述

M16C单片机融合了基于寄存器和基于存储器两种结构的优点,能够实现类似RISC的高速处理性能并具有超低功耗!极强的抗干扰能力和很高的C语言编程效率等特点“M16C/62是三菱公司在90年代末推出的新一代16位单片机,采用高性能硅栅[15]CMOS工艺,100脚塑料封装,是M16C/60系列单片机中的一种,具有1兆字节的线性地址空间,片内集成了10位A/D转换器!D/A转换器!DMA

控制器!异步通信通道!定时器等丰富的周边功能电路模块112，由于M16C/62带有DMA控制器,因此可以很方便地利用M16C/62的DMA方式来进行系统内存数据和RTL8019AS数据的交换提高通讯的性能,而采用线性地址分配不仅减少了外围电路的复杂度,还提高了系统的稳定性” 。

HMOS制造工艺的M16c单片机都采用引脚的直插封装（DIP方式），制造工艺为CHMOS的芯片除采用DIP封装方式外，还采用方型封装工艺，引脚排列如图。其中方型封装的CHMOS芯片有44只引脚，但其中4只引脚（标有NC的引脚1、12、23、34）是不使用的。在以后的讨论中，除有特殊说明以外，所述内容皆适用于CHMOS芯片。

在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。 下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。 1、主电源引脚VCC和VSS VCC——接+5V电压；

VSS——接地。

2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。

3、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP ①RST/VPD当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。

VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

②ALE/PROG：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲[16]。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。 对于EPROM单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。 ③PSEN：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访

问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。 ④EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH或1FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的M16C来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。 对于EPROM型的单片机，在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。

4、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）

①P0口：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。 ②P1口：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。

③P2口：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 ④P3口：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。 作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。 表 P3各口线的第二功能定义 口线 引脚 第二功能

P3.0 10 RXD（串行输入口） P3.1 11 TXD（串行输出口） P3.2 12 INT0（外部中断0） P3.3 13 INT1（外部中断1）

P3.4 14 T0（定时器0外部输入） P3.5 15 T1（定时器1外部输入）

P3.6 16 WR（外部数据存储器写脉冲） P3.7 17 RD（外部数据存储器读脉冲）

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3.3 M 16c单片机中央处理器

中央处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。中央处理器主要由运算部件和控制部件组成。下面我们把中央处理器功能模块和有关的控制信号线联系起来加以讨论，并涉及相关的硬件设备（如振荡电路和时钟电路）。

1、运算部件：

它包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变址处理和数据传送操作。

MCS-51单片机的ALU功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补、清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。为了乘除运算的需要，设置了B寄存器。在执行乘法运算指令时，用来存放其中一个乘数和乘积的高8位数；在执行除法运算指令时，B中存入除数及余数。MCS-51单片机的ALU还具有一般微机ALU，如Z80、MCS-48所不具备的功能，即布尔处理功能。单片机指令系统中的布尔指令集、存储器中的位地址空间与CPU中的位操作构成了片内的布尔功能系统，它可对位（bit）变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。在实现位操作时，借用了程序状态标志器（PSW）中的进位标志Cy作为位操作的“累加器”。

运算部件中的累加器ACC是一个8位的累加器（ACC也可简写为A）。从功能上看，它与一般微机的累加器相比没有什么特别之处，但需要说明的是ACC的进位标志Cy就是布尔处理器进行位操作的一个累加器。

单片机的程序状态PSW，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息。 2、控制部件

控制部件是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码以及信息传送控制部件。它以主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号EA，以及片外取指信号PSEN。

4 DTMF编解码的远程控制

4.1 DTMF编解码远程控制的原理

DTMF是由低频组和高频组两组频率信号构成，每个数字信号由低频组和高频组的任一组合而成。设V(t)为DTMF信号，Vh(t)和Vl(t)分别构成V(t)的两个信号，则它们满足下列关系式：V(t)= Vh(t)+ Vl(t)，式中两项分别表示高、低音频的值。根据CCITT的建议，DTMF编译码定义如图4.1所示，可用下式表示：V(t)=Asinwlt+Bsinwht式中两项分别表示低、高音频的值，A和B分别表示低音频和高音频的样值量化基线。同时规定，对于表中的标称频率在发送时，DTMF的信号频率偏差不应超过1.8%，每位数字的信号极限时长应该大于40ms，而接收设备对2%的偏差应能可靠的接收，对30ms~40ms的信号时长可以正常的接收。

表4.1 DTMF编码表

由于双音多频（DTMF）技术易于识别，抗干扰能力强，发号速度快并且一般控制系统的传输数量不多，所以利用双音多频的方式进行数据传送是一种比较经济实用的方法。DTMF技术早期主要应用在程控交换，移动通信，近年来的研究发现它在远程控制、过程控制等自动控制领域方面，有着广泛的应用和发展前景。本文设计的就是一种利用DTMF编解码技术实现远程自动控制和自动报警的家庭智能控制系统的研究。

由电话线上传送过来的两个高、低音频的组合信号被中心控制器的DTMF多音多频编解码电路接收解码并以BCD码的形式送入单片机，单片机即可对相应设备进行控制操作；相反，单片机送出的BCD码经DTMF多音多频编解码电路编码后，产生两个高、低音频的组合信号也可以通过电话线向外发送出去。这样，根据DTMF的编解码原理，就可以借助千家万户的电话网实现家庭内部与外部的信息交换，它既可以检测到电话线上传来的控制家电的双音频信号，也可以拨达预先设定好的电话对家庭内的紧急情况进行报警。

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