基于单片机的家电远程控制系统设计.docx
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基于单片机的家电远程控制系统设计
内容摘要
随着通讯产业的迅速发展，电话机已经走进了千家万户，但是利用电话机进行远程控制的技术却没有多少实质性的进展。
如何将电话远程控制用于日常生活中正是本文所要研究的课题，众所周知，近几年通信和电子信息技术行业有了长足发展，本文设计了一种电话远程控制系统，该系统以AT89C2051单片机和MT8870双音多频解码集成电路为核心，借助公共电话网络，通过电话实现对远程设备智能化控制。
文章介绍了系统的组成、工作原理及程序设计方法。
对振铃检测、模拟摘挂机控制、双音频解码，语音提示及家用电器控制等电路作了详细的说明。
用户在户外可通过任意一部双音多频电话（包括手机、电话分机），根据语音提示，可以对各种电器（如电饭锅、微波炉等电器）进行远程控制。
本装置适用于家庭、企事业单位、商店等场所，操作简单方便，系统性能可靠，是未来很有发展前景的科技产品。
索引关键词:
AT89C2051单片机双音多频DTMF解码电路振铃检测
基于单片机的电话远程控制系统
第一章系统设计原理
1.1硬件功能分析
根据电话远程控制系统的具体设计要求该系统必须满足以下功能：
一、通过电话网对异地的电器实现控制（开/关）；
二、控制器可以实现自动模拟摘挂机；
三、控制器设置密码校验；
系统必须具有以下单元功能模块：
一、铃音检测、计数；二、自动摘挂机；三、密码校验；四、双音频信号解码；五、输入信息分析；六、控制电器开关；七、电器状态查询；八、忙音检测；
本设计以89C2051单片机为控制中心，进行主要的信息处理，接收外部操作指令形成各种控制信号，并完成对于各种信息的记录；接口电路提供单片机与电话外线的接口。
其中包括振铃检测电路，摘挂机控制电路，双音频DTMF识别电路，以及家电的控制电路等部分组成。
本装置使用普通电话机发出遥控命令信号，以DTMF信号作为运载遥控命令的媒体，而无需专门安装遥控发送装置，利用电话网络传送遥控命令或其他数字信息时，只需把接收装置安装在任何一个电话用户线的终端，就可以接收任何地方〈只要电话能通达的地方〉的遥控操作或其他数字信息，接收装置就像一部普通电话机，传真机或其他电话用户终端设备一样被使用，因此不受距离的局限。
本装置并联于电话机的两端，不会影响到电话机的正常使用。
用户通过异地的电话机拨通本装置所连接外线的电话号码，通过市局交换机向电话机发出振铃信号。
本装置如果检测到振铃八次，即八次响铃后无人接，自动摘机，进入密码检测，输入正确后选择被控制电器，然后输入开或关进行遥控电器，完成后返回，系统基本工作原理是：
系统上电，单片机复位，系统开始工作，当电话线路中有振铃信号时，振铃检测电路将产生占空比为1：
4的方波，方波从89C2051单片机的外部计数端输入，系统在程序控制下进行计数，当振铃次数为8次时约40秒若没有人接电话，表明没有人在场，系统一方面，启动语音提示电路，发出‚尊敬的用户，您好！
欢迎您使用智能电话控制系统，请输入用户密码，并以#字确认；另一方面，发出自动摘机控制信号，外线经摘挂机控制的开关电路与DTMF译码电路接通，译码电路将对外线传递的信号进行译码，译码信号以四位二进制形式输出。
经译码输出的四位二进制数从单片机的I/O口输入，单片机对读入的二进制数与预置的密码进行比较，如果所拨的密码与预置的相同，则发出‚请输入操作码，并按#字键加以确认的提示音，如果所拨的密码与预置的不同，则发出对不起，你拨的密码不正确，请核对密码后重新输入，挂机请按“*”字键确认的提示音。
系统只有接到正确的用户密码才具有操作权。
以上操作即实行‚模拟提机接通电话。
操作者在主叫话机键盘上输入4位密码，若密码输入正确，会在听筒里听到约2秒的音乐声。
按入遥控命令，按“1”，“#”表示第一路开，按“1”，“*”表示第一路关……以此类推，共可操作5路设备，每个操作命令结束时均能听到约1秒的音乐声作为确认信号。
操作完毕按入“0”，接收电路收到0这一信息后即可挂断电话。
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用。
系统设计中的关键技术。
在整个系统功能的实现中，利用DTMF解码器对用户通过电话输入的DTMF号码进行检测是系统功能实现的关键。
MT8870应该能及时并准确地检测到电话线传入的DTMF信号，并以中断方式通知CPU接收其检测到的DTMF号码;而MT8870能否及时检测到DTMF信号并正确译码出该信号对应的主叫号码，与LE78D11的初始化密切相关。
在初始化时需要特别注意如下几个方面:
1.设置参数要根据系统情况精确计算确定，尤其输入信号增益参数调整不能让DTMF信号饱和失真，否则会导致MT8870对DTMF音检测译码出错;
2.MT8870的时钟频率寄存器应在芯片上电后第一个进行设置。
确保MT8870能及时检测系统时钟与8kHz的帧同步信号的同步情况并给出指示;
3.在初始化最后要启动模拟通道校准功能并确保校准完成;
4.MT8870在进行DTMF音的检测译码时，语音通道连通并都处于激活状态，向单片机发出中断请求，单片机响应中断，接收来电信息。
根据电话通信信令，在电话通信过程中，使用某些特定频率音的不同断续组合来指示通信进程。
为了判定当前处于何种进程状态，需要及时识别出拨号音、忙音、回铃音、空号音以及其他电信信令规定的进程音。
为了简化系统结构，节约硬件成本，提高信号音检测的准确性与灵敏度，本系统不采用通常的信号音检测硬件模块进行检测，而是采用软件实现上述信号音的智能检测。
由于上述信号音的频率都是450Hz，仅断续时长不一样，据此，采用电路把信号音整理成方波脉冲串，固定时问间隔（例如1ms）检测输入管脚上脉冲信号，当脉冲信号出现后，立即开始在一定时长内（例如1.2s）分若干时间片（例如0.1s）计数每个时间片内出现的脉冲个数。
通过分析比较给定时长内各个时间片的脉冲个数分布情况，可以判别出信号音的类型。
系统原理框图如图1-1所示：
图1-1
1.2软件模块分析
经过比较，我决定使用AT89C2051作为控制的单片机芯片，具体有关AT89C2051的介绍不在这里累述，其详细资料请参阅本设计的硬件电路设计部分。
软件部分的设计由以下几个模块构成。
一、信号音计数。
本单元可以使用AT89C51的两个计数器的外部中断方式来实现对不同信号音的计数。
二、密码检测。
本单元可以在系统初始化的时候，在单片机内部的存储器的内部开辟一块空间放置密码。
当用户输入密码的时候，单片机把输入的密码写入另外的一块空间，然后利用减法运算比较两者是否相等。
这样就可以实现密码检测的功能。
三、信号分析处理。
本单元可以利用查表方式，也可以用简单的语句，稍微长一点的语句实现。
以上部分是对系统设计过程和设计原理的简单叙述。
详细部分将在下面的设计中具体介绍。
经过翻阅大量的技术资料，对具体要求实现的功能进行完整的系统分析，我认为我的电话遥控系统设计基本符合实际情况，可以完成设计任务所要求实现的基本功能。
第二章系统硬件电路设计
2.1振铃检测电路
一、电路工作原理
振铃检测电路由光耦LE以及门电路G4等元件组成。
电话线路没有铃流时，电话交换机提供的线路电压为48V-60V的直流信号。
当用户呼叫时，电话交换机发来振铃信号，89C2051单片机驱动摘挂机控制开关电路，DTMF信号译码电路，铃流检测电路和语音提示电路等电路设备。
此时光耦LE的发光二极管导通，使光敏晶体管导通，于是+5V电源通过1K电阻和二极管向100uF电容充电。
当电容上电压充到开门电平时，与门G4输出高电平并由AT89C2051的P3.5检测，每振铃一次，门G1输出一次高电平即一个正脉冲。
振铃信号为25±3V的正弦波，电压有效值为90±15V，振铃以5s为周期，即1s送4s断。
正脉冲信号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。
二、电路图设计
根据振铃信号的特征，设计振铃检测电路如图2-1所示。
图2-1
2.2摘挂机控制电路
一、电路工作原理
AT89C2051首先从P3.5检测与门G4的输出，G4每输出一个正脉冲，电话振铃一声；P3.5必须检测到8个正脉冲信号时，才从P1.1送出低电平使三极管T7导通，于是继电器JK吸合使两对常开触点JKa和JKb闭合，并使500欧电阻〈与小音频变压器绕组串联〉被接入电话线，实现了模拟提机。
然后P3.2等待DTMF解码器STD端正脉冲的到来，一旦识别到STD端的正脉冲，P3.0-P3.4即读入DTMF解码器的输出的二进制码信息，这个信息就是遥控命令，AT89C2051能对其进行判别究竟是密码还是控制某路开、关的命令，或是挂机命令。
挂机命令的执行信号是从P1.1输出的，当P1.1=1时，T7截止，继电器释放，即实现了‚模拟挂机。
而控制受控对象动作的信号是从P1.3-P1.7共5路输出的，例如若P1.3=1能使T1导通，继电器J1吸合;若P1.3=0，则J1释放;若P1.7=1，则能使T5导通，继电器J5吸合;若P1.7=0，则J5释放。
但由图中可知，P1.3并没有直接接到T1，P1.7并没有直接接到T5，而是隔了一片集成块74LS273。
74LS273是一个8D锁存器也就是芯片内部包含了8个D触发器，输入端为D0-D7，输出端为Q0-Q7。
若清零端CLR加以低电平，则器件复零，Q0-Q7输出全为零，若清零端为高电平，则每当触发端CLK有一个电平的上跳变时（从0变到1的瞬间），输入端D0-D7的状态就会被锁存到器件内并从Q0-Q7输出，只要CLK端不再触发，这一状态就会被永远记住。
可见AT89C2051从P1.3-P1.7输出的信号只不过是先由74LS273记忆后再送出，其控制逻辑与直接接到的T1-T5是一样的。
74LS273的输入端D0-D7能接受输入信号的必要条件是CLK端有正跳变出现，这必须同时满足两个条件：
其一是DTMF解码器的STD端须为高电平，也就是遥控发送端有DTMF信令送到；其二是AT89C2051的P1.2必须送出一个由0变到1的跳变信号。
只有当这两个条件同时满足时与门G5才输出正跳变信号，74LS273才能接受外部信息，这就大大提高了电路的抗干扰能力，防止AT89C2051因受到意外干扰而可能导致的受控对象的误动作。
二、电路图设计
设计摘挂机控制电路如图2-2所示。
图2-2
三、核心AT89C2051芯片介绍
智能部件（单片机AT89C2051）。
AT89C2051是一种廉价的高性能通用型单片微控制器，俗称单片机，为双列直插式20脚封装。
AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128bytes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，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。
同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。
省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。
主要功能特性：
1.兼容MCS51指令系统。
2.15个双向I/O口。
3.两个16位可编程定时/计数器。
4.时钟频率0-24MHZ。
5.两个外部中断源。
6.可直接驱动LED。
7.低功耗睡眠功能。
8.可编程UARL通道。
9.2k可反复擦写（>1000次）FlashROM。
（10.6个中断源。
11.2.7-6.0V的宽工作电压范围。
12.128x8bit内部RAM。
13.两个串行中断。
14.两级加密位。
15.内置一个模拟比较放大器。
16.软件设置睡眠和唤醒功能。
2.3双音频DTMF解码电路
一、电路工作原理
DTMF解码，接收电路使用DTMF解码集成电路MT8870。
当电路接口中的JKa和JKb闭合时，由发送端送来的DTMF信号进入MT8870的"IN-"端，经过DTMF解码，得到4位二进制码从Q3-Q0输出，同时由STD端给出一个正脉冲，该正脉冲的出现表明Q3--Q0已经准备就绪，就可以被读取了。
DTMF双音多频信号是目前在按键电话（固定电话，移动电话），程控交换机及无线通信设备中广泛应用的一种信号。
它是一组由高频信号与低频信号叠加而成的组合信号。
MT8870信号接收器可把DTMF信号变为单片机可以识别的二进制数字信号，来识别每一个按键。
MT8870与AT89C2051单片机的接口电路如图4所示。
输入的DTMF信号经MT8870解调后，在STD端产生一个控制输出信号，该信号与单片机AT89C2051的外部接口P3.2相连。
然后P3.2等待DTMF解码器STD端正脉冲的到来，一旦识别到STD端的正脉冲，P3.0-P3.4即读入DTMF解码器的输出的二进制码信息，这个信息就是遥控命令，AT89C2051能对其进行判别---究竟是密码还是控制某路开，关的命令，或是挂机命令。
此部分是整个系统的关键，它的工作情况直接决定了系统的可靠性。
经过翻阅大量的文献资料，我发现使用电话专用的双音频编解码芯片进行输入双音频信号的解码，是比较常用的一种方法。
使用集成电路不但外围电路简单，而且可靠性强。
经过专用集成电路的解码，信号转换成为不同的码制信号，可以直接被单片机读取。
一般常用的电话双音频编解码集成电路有8870、8880、8888等，经过反复论证比较，我决定使用双音频解码集成片MT8870来完成此功能模块。
二、电路图设计
双音频DTMF解码电路设计如图2-3所示。
图2-3
三、核心MT8870芯片介绍
作为电话网，无线移动通信网和计算机通信网的终端设备。
DTMF信号通过IN－端输入MT8870，GS引脚接反馈电阻对输入的DTMF信号进行放大，OSC1和OSC2引脚之间接一个3.5795MHZ的晶振，产生DTMF信号双音对中各单音比较信号。
信号在MT8870内经过滤波、放大、高低频分离，再经过数字处理转化为与DTMF信号相对应的二进制编码。
DTMF信号解码为4位二进制码，由Q1~Q4直接输出，如按下电话1号键，则电话线上就有高频1200HZ和低频697HZ的DTMF信号.此信号进入MT8870进行解码，解码的结果由Q1、Q2，Q3、Q4输出，MT8870输出结果与电话按键的对应关系如表格所示。
芯片STD引脚提供DTMF信号检测输出，当MT8870接收到DTMF信号并解码完成后该引脚为高电平，平时该引脚为低电平，该信号通过反相后可向单片机申请中断，TOE引脚为输出使能端，当TOE为高电平时解码结果可以从Q1~Q4输出。
TOE为低电平时Q1~Q4引脚为高阻态。
四、MT8870解码表
信号在MT8870内需经过滤波、放大、高低频分离，再经过数字处理转化为与DTMF信号相对应的二进制编码。
电话键盘对应的输出二进制编码如表2-4所示。
表2-4
Dight
Q4
Q3
Q2
Q1
1
0
0
0
0
2
0
0
0
1
3
0
0
1
0
4
0
0
1
1
5
0
1
0
0
6
0
1
0
1
7
0
1
1
1
8
1
0
0
0
9
1
0
0
1
0
1
0
1
0
*
1
0
1
1
#
1
1
0
0
2.4家用电器控制电路
一、电路工作原理
该系统的目的是通过电话遥控，控制不同的电器的电源的通断，在本装置中一共有5路电器可以控制。
控制受控对象动作的信号是从P1.3-P1.7共5路输出的，例如若P1.3=1能使T1导通，继电器J1吸合;若P1.3=0，则J1释放。
若P1.7=1，则能使T5导通，继电器J5吸合;若P1.7=0，则J5释放。
但由图中可知，P1.3并没有直接接到T1;P1.7并没有直接接到T5，而是隔了一片集成块74LS273。
74LS273是一个8D锁存器也就是芯片内部包含了8个D触发器，输入端为D0-D7，输出端为Q0~Q7。
若清零端CLR加低电平，则器件复零，Q0-Q7输出全为零，若清零端为高电平，则每当触发端CLK有一个电平的上跳变时（从0变到1的瞬间），输入端D0~D7的状态就会被锁存到器件内并从Q0-Q7输出，只要CLK端不再触发，这一状态就会被永远记住。
可见AT89C2051从P1.3-P1.7输出的信号只不过是先由记忆后再送出，其控制逻辑与直接接到的是一样的。
输入端能接受输入信号的必要条件是端有正跳变出现，这必须同时满足两个条件：
其一是解码器的端须为高电平，也就是遥控发送端有信令送到；其二是的必须送出一个由0变到1的跳变信号。
只有当这两个条件同时满足时与门才输出正跳变信号，才能接受外部信息，这就大大提高了电路的抗干扰能力，防止因受到意外干扰而可能导致的受控对象的误动作。
二、电路图设计
家用电器控制原理图如图2-5所示。
图2-5
三、核心74LS273芯片介绍
74LS273是8位数据/地址锁存器，它是一种带清除功能的8D触发器。
1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。
第一脚CLR：
主清除端，低电平触发，即当为低电平时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；CP（CLK）：
触发端，上升沿触发，即当CP从低到高电平时，D0-D7的数据通过芯片，为0时将数据锁存，D0-D7的数据不变。
74LS273的输入端D0-D7能接受输入信号的必要条件是CLK端有正跳变出现，这必须同时满足两个条件：
其一是DTMF解码器的STD端须为高电平，也就是遥控发送端有DTMF信令送到；其二是AT89C2051的P1.2必须送出一个由0变到1的跳变信号。
只有当这两个条件同时满足时与门G5才输出正跳变信号，74LS273才能接受外部信息，这就大大提高了电路的抗干扰能力，防止AT89C2051因受到意外干扰而可能导致的受控对象的误动作。
AT89C2051从P1.3-P1.7输出的信号只不过是先由74LS273记忆后再送出，其控制逻辑与直接接到的T1-T5是一样的。
回过头来再看AT89C2051的RST端，这是该器件的复位端，有3种情况能使它复位；一种是通电瞬间，由于22uF电容的作用使门G3的输入为短时间的高电平，因此G3的输出也有短暂的高电平以使AT89C2051复位；另一种是使用了复位按钮AN；第三种是如果AT89C2051的P3.7没有输出连续的脉冲方波，而是静态信号（高电平或低电平），那么这时三极管T6是处于截止状态的，其集电极为高电平，由门G1，G2构成的振荡器起振，G2输出的正脉冲经过二极管加到门G3的输入端，于是G3输出的正脉冲使AT89C2051复位。
第三种情况只有在受到意外干扰运行程序去掉P3.7不输出方波时才会发生，因为在程序正常运行时已安排P3.7不断送出方波信号，使T6的集电极为低电平，由G1和G2构成的振荡器不会振荡，所以就不会有复位正脉冲输出。
2.5信息反馈电路
一、电路工作原理
最后来看一下，信息反馈电路，它由一片成品‚音乐集成电路构成，当AT89C2051完成一次对受控对象的操作后，由P1.0输出一个高电平脉冲触发音乐片发音。
音乐信号经过三极管功率放大，再经过电话接口中的小音频变压器B耦合至电话线上。
远方的遥控操作者即能从电话听筒里听到反馈信息。
由于信息反馈电路在设计中连接比较简单故此部分电路省略不画。
二、音乐集成电路芯片介绍
本次设计中用到了音乐集成电路，或简称为音乐片，下面对其工作原理和结构进行详细的介绍。
电子制作中经常用到音乐集成电路和语言集成电路，一般称为语言片和音乐片。
它们一般都是软包封，即芯片直接用黑胶封装在一小块电路板上。
语音IC一般还需要少量外围元件才能工作，它们可直接焊到这块电路板上。
别看语音IC应用电路很简单，但是它确确实实是一片含有成千上万个晶体管芯的集成电路。
其内部含有振荡器、节拍器、音色发生器、ROM、地址计算器和控制输出电路等。
音乐片内可存储一首或多首世界名曲，价格很便宜，几角钱一片。
音乐门铃都是用这种音乐片装的，其实成本很低。
不同的语言片内存储了各种动物的叫声，简短语言等，价格要比音乐片贵些。
但因为有趣，其应用越来越多。
会说话的计算器、倒车告警器、报时钟表等。
语音电路尽管品种不少，但不能根据用户随时的要求发出声音，因为商品化的语音产品采用掩膜工艺，发声的语音是做死的，使成本得到了控制。
一般语音集成电路的生产厂家都可以特别定制语音的内容，但因为要掩模，要求数量千片以上。
近年来出现的OTP语音电路解决了这一问题。
OTP就是一次性可编程的意思，就是厂家生产出来的芯片，里面是空的，内容由用户写入（需开发设备），一旦固化好，再也不能擦除，信息也就不会丢失。
它的出现为开发人员试制样机提供了方便，特别适合于小批量生产。
音乐集成电路的结构及基本工作原理。
音乐集成电路有许多系列，且在控制功能上也各不相同，但它们的基本电路结构和工作原理大都是相同的。
内部具体构成如下。
1.振荡电路。
振荡电路由外接电阻R构成一个完整的振荡器，其振荡频率与R阻值的大小有关，一般的振荡频率为100kHz或50kHz。
振荡频率是音调发生器和节奏发生器的时间基准。
2.存储器。
存储器（ROM）的存储容量有64字七位的，也有512字七位的不等，其中四位用于控制音调发生器，三位用于控制节奏发生器，同时也提供自停信号。
3.音调发生器。
音调发生器按ROM的数据分配产生不同音调的代码。
4.速度控制。
它可提供与放音速度相匹配的速度，这种速度已按编好的程序固化在集成电路内，不能由外部选择。
三、音乐集成电路使用中的注意事项
1.应正确了解和选用集成电路的工作电压，否则将会产生失真。
1.外接电阻阻值的大小与输出的音调有关，阻值小时音调高，阻值大时音调低。
3.由于集成电路的种类很多，有时很难从型号及外形上知道它输出的乐曲或语音内容。
因此在选购这类集成电路时，最好f临时搭接外围元件，试听一下曲调是否理想。
4.有的集成电路输出电流很小，对于这类集成电路，应外接放大电路。
5.音乐集成电路大多由CMOS电路组成，因此焊接时应使电烙铁外壳可靠接地。
第三章系统软件设计
3.1软件设计原理
软件部分的设计核心是89C2051芯片。
编程语言为单片机汇编语言。
设计本遥控装置的控制程序的主要工作是对电话信号进行检测以及接收用户指令控制家用电器的工作。
系统程序主要包括管理监控主程序和定时中断子程序。
一、管理监控主程序CPU检测振铃信号状态和按键状态，当检测到有效振铃信号后，启动计数程序，计数到设定振铃次数后，CPU送出摘机信号控制电路自动摘机并送出摘机提示音信号，提示用户输入密码。
当检测到有“*”键按下时，也同样送出摘机提示音信号，提示用户输入密码（对“*”键的检测是为了方便用户在家中控制电器，用户直接操作接在线路上的电话机即可）。
单片机检测MT8870送出的STD信号，当STD信号有效时，从MT8870读入指令代码并与预设密码比较，如果两者不一致，则送出警告提示音信号，用户可以重新输入密码，若连续3次密码错误，系统自动挂机，不能进行遥控设定，如果输人密码与预设密码一致，则送出确认提示音信号，用户可以输入开机、关机、定时工作等指令，也可以输入查询指令查询系统工作状态或输入更改密码指令、更改设定密码。
设定或查询完成后，按#键则系统挂机，连续一定时间不输入任何指令信号，系统也会自动挂机，让出电话线路。
二、定时中断程序定时中断程序完成定
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