基于单片机的家用电器电话远程控制系统毕业设计论文解读.docx

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基于单片机的家用电器电话远程控制系统毕业设计论文解读

基于单片机的家用电器电话远程控制系统

本文设计的是一种基于AT89C51单片机的远程电话控制系统。

该系统是以AT89C51为核心、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。

电话远程控制系统（ITRCS）,以CCITT（国际电报电话咨询委员会）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,使用者可以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实时远程控制。

该电话远程控制系统不需进行专门的布线,不占用无线电频率资源,从而可避免电磁污染；且通过嵌入式的智能语音提示,突出的语音提示功能和密码控制系统,可使操作者根据各种提示音及时了解受控对象的有关信息。

还可通过发出语音命令用电话远程控制多个受控对象,用户可以查询其状态,提供密码处理功能,只有输入正确的密码才能控制家电,从而提高了安全性。

该系统设计实用，功能灵活多样，可靠性高，操作方便，可以广泛地应用于家庭或者其它场所的智能控制。

关键词　AT89C51；远程电话控制；DTMF；智能家电

摘要...I

第1章绪论

1.1本课题研究的背景

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，AlexanderGrahamBell（贝尔）发明电话以来，世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。

现代电话网络是由交换机和电话传输线共同组成，它的性能已经有了很大的进展，而且可靠性非常高。

遥控技术是通过一定的手段对被控物体实施一定距离的控制，常用的方式有无线电遥控、有线遥控、红外线和超声波遥控等。

无线电遥控既是利用无线电信号对被控物体实施远距离控制。

无线电遥控不可避免的须占用一定的无线电频率资源，造成电磁污染；常规的有线遥控需进行专门的布线，增加了投入；而红外线、超声波遥控则受距离所限。

现有的遥控方式中，还有载波通信控制手段和基于无线寻呼的遥控方式。

载波方式即通过电力线传递信息，该方式只能局限于同一变电所、同一变压器所辖范围内。

因此也存在距离问题，应用范围有限。

基于无线寻呼的遥控方式利用了现有的寻呼频率资源，不需占用额外的频谱。

而且，随着寻呼网的全国联网，其遥控的距离基本不受限制。

但该方式的受控方动作滞后于控制方的操作，不具备实时性，而且不具备很高的可靠性。

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。

图1－1 控制示意图

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企业的自动化控制等领域。

1.1远程控制的内容

4月17日举行的2008中国国际家电展上，海尔集团展出了自主研发的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。

家庭智能控制系统的主要功能集中在家庭安全报警、电话远程控制、红外集中遥控、自动抄表控制等方面。

组网方式分为两大类：

有线组网和无线组网。

有线组网主要是利用家中的电话线、单独布置通信控制线路或电力线载波通信进行组网；无线组网的主要技术有家庭射频技术（HomeRF）、蓝牙技术（Bluetooth）及家庭电话线网络联盟技术（HomePAN）等。

电话遥控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。

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。

电话遥控这一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半双工通信特点。

本作品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。

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。

电话远程控制系统接收远端发送来的DTMF信号,并对其进行解码,解码后的信号再由中央处理单元采集处理,为了方便用户使用,系统设计了语音提示界面,电话远程控制系统一般工作在无人值守环境,所以应具有自动摘挂机功能、复位功能；为了符合智能化要求,系统采用AT89C51作为中央处理器。

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。

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。

第1章系统设计可行性分析

1.1总体设计分析

电话智能遥控器由单片机构成主控部分，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。

其中包括铃流检测、摘挂机控制、忙音检测、双音频DTMF识别，及语音提示电路。

系统原理框图如图2－1所示。

图2－1系统组成框图

语音提示电路是该作品重要组成部分。

为了降低本装置的造价，作品的提示音使用程序产生。

语音提示电路受单片机的控制产生相应的提示音提示，并通过反馈电路反馈至电话外线。

从而使操作者对电器的操作达到交互式，并能即时了解有关的信息；显示电路用于状态设置时的显示；控制部分即受控的终端，如前所述，可通过接驳不同的终端并对电话进行必要的改动从而达到功能的扩展。

这一点，可使产品达到系列化。

本系统的每一个接口电路（振铃检测、模拟摘挂机、语音反馈、电器开展、双音频解码等）具有很强的实用性。

本系统使用最简单的电路、最可靠的电路芯片实现了完善的功能。

本系统还有许多可以添加的功能，具有很强的市场前景。

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，振铃检测电路将检测到的振铃信号送至系统的中央控制单元，如果本装置检测到振铃五次，即五次响铃后无人接，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，这是自动方式；第二种是手动方式。

即当中央控制单元接收到振铃信号后，便发出摘机信号，通过模拟摘挂机电路实现模拟摘机。

同时，中央控制单元发出控制信号使语音录放电路启动，发出事先录制好的语音提示。

用户听到语音提示后便会按键进行操作，用户按键产生的信号经双音多频DTMF（DualToneMulti-Frequency）解码电路解码后，送入中央控制单元。

中央控制单元将根据DTMF解码的结果通过驱动电路进行相应的动作（接通分机或开关家电）。

1.1.1系统总体设计分析

根据电话远程智能遥控系统的具体设计要求：

1、通过电话网对异地的电器实现控制（开/关）；

2、控制器可以实现自动模拟摘挂机；

3、控制器设置密码校验；

设计的此系统必须具有以下单元功能模块：

1、铃音检测、计数；

2、自动摘挂机；

3、密码校验；

4、在线修改密码

5、双音频信号解码；

6、输入信息分析；

7、控制电器开关；

8、电器状态查询；

9、忙音检测；

根据电话机和交换机发出的不同信号音以及电话线各种状态的不同要求，结合实际情况对具体的单元功能模块作出软件或硬件上的不同分工，具体如下：

1、理论上交换机所发出的各种信号音都可以通过软件编程而识别，即通过单片机发出的脉冲信号来检测信号音单位时间内的脉冲个数计算出其频率，从而完成信号音识别。

但是从系统的可靠性和程序的结构设计上分析，选择了硬件来解决振铃音检测、忙音检测、双音频信号解码等功能模块。

2、自动摘挂机和电器的控制必须使用具体硬件电路来实现。

3、振铃音计数、忙音计数、密码校验、在线修改密码、输入信息分析、电器状态查询等功能模块使用软件编程方式要比硬件电路简单的多，实现也很容易。

综上所述，本设计的信号音检测、自动摘挂机、控制电器、双音频解码等功能模块使用硬件电路实现。

而信号音计数、密码校验、在线修改密码、信息分析、电器状态查询等功能模块使用软件编程完成。

1.1.2单片机简介

本系统用的核心控制单片机芯片的型号是AT89C51。

它是由Atmel公司生产的能与MCS-51系列兼容的单片机，其引脚如图2－2所示。

C51单片机引脚功能介绍：

单片机的40个引脚大致可分为4类：

电源、时钟、控制和I/O引脚。

1、 电源：

（1）VCC－芯片电源，接+5V；

（2）VSS－接地端；

2、 时钟：

XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。

3、 控制线：

控制线共有4根：

（1）ALE/PROG：

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲；

①．ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地；

②．PROG功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

（2）PSEN：

外ROM读选通信号；

（3）RST/VPD：

复位/备用电源；

①．RST（Reset）功能：

复位信号输入端；

②．VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

（4）EA/Vpp：

内外ROM选择/片内EPROM编程电源；

①．EA功能：

内外ROM选择端；

②．Vpp功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4、 按I/O线：

AT89C51共有4个8位并行I/O端口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

1.1 硬件模块

本作品使用了大量的硬件电路完成部分功能模块，其目的就是充分利用硬件电路的可靠性、稳定性，使整体电路达到比较高的稳定性，采用硬件电路实现部分功能，而且使用了大量的抗干扰元器件，例如：

光耦合器，去耦电容等，提高系统的看干扰能力，从而是整个系统的性能更可靠。

1.1.1模拟摘机电路

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。

当用户摘机时，电话机通过叉簧接上约200Ω的负载，使整个电话线回路流过约30mA的电流。

交换机检测到该电流后便停止铃流发送，并将线路电压变为十几伏的直流，完成接续。

自动摘挂机电路可以通过单片机控制一个继电器的开关，继电器的控制端连接一个大约200Ω的电阻接入电话线两端，从而完成模拟摘挂机。

1.1.2振铃检测电路

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。

经过光电耦合器的隔离转换，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。

1.1.3控制部分电路

本单元电路主要是由反向电路、D触发器和继电器等控制电路组成，电路不是很复杂，只是通过单片机控制多路继电器的开关即可，常用的电路已经很成熟可以直接应用。

1.1.4双音解码电路

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，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MT8870、MT8880、MT8888等，经过反复论证比较，决定采用双音频解码集成片MT8870来完成此功能模块。

有关MT8870的详细介绍请参阅本报告的后面附录C部分。

远程用户通过电话按键发送的DTMF信号，经耦合电容的隔直、滤波后，由MT8870接收并进行硬件译码，输出的四位二进制数据直接与AT89C51单片机的P1.0～P1.3口连接，MT8870接收到有效的DTMF信号并解出正确的BCD数据时，会使CID端置高电平，通知CPU取走数据。

CPU从P1口读入数据，去掉高四位后将数据保存于内部R7寄存器单元，并对读入的数值进行判断，从而得到远程控制者的输入命令。

1.1.5语音提示电路

电话远程控制系统利用语音提示电路实现用户和系统的交流。

语音提示电路预先存储若干段系统提示音，AT89C51中央处理单元电路判断用户发送的DTMF信号后，对语音提示电路进行寻址，播放相应的提示音，从而向用户反馈信息提示下一步该如何操作。

本系统语音存储采用了美国ISD公司的ISD2590芯片，该芯片具有抗断电、音质好，使用方便等优点。

有10个地址输入端，寻址能力可达1024位；最多能分600段；设有OVF（溢出）端，便于多个器件级联。

ISD2590芯片如图2－3所示。

当有电话呼入并且电话远程控制器拾机后，操作人员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，语音电路采用语音录放芯片ISD2590。

内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存储阵列。

芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作指令可通过串行通信接口（SPI或Microwire）送入，芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪存中，因此能够非常真实，自然地再现语音、音乐、音调及效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。

采样频率可为4.0，5.3，6.4，8.0KHz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降，可以在断电情况下保存100年（典型值），反复录音10万次，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顺序由音频输出端输出，然后经音频功率放大器放大后输送到电话线路上。

1.1软件模块

经过比较，决定使用AT89C51作为控制的单片机芯片，具体有关AT89C51的介绍不在这里累述，其详细资料请参阅本报告的2.1.2部分。

系统软件主要功能如下：

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。

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。

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。

1.1.1信号音检测

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。

1.1.2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。

1.1.3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，例如CASE语句等。

1.2本章小结

本章主要是对系统的总体可行性设计进行了分析和核心控制芯片单片机AT89C51进行了简要的介绍。

系统的总体可行性设计包括：

硬件电路和软件模块，硬件电路的分析主要是振铃检测电路、模拟摘机电路、双音解码电路、语音提示电路、控制部分电路等部分的分析；软件模块的分析包括：

初始化、信号音（流铃）计数、密码检测、信号分析处理。

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，本设计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。

 后续

基于单片机的家用电器电话远程控制系统

（2）

第1章硬件单元电路设计

1.1振铃检测电路

在电话线路未来铃流前，电话线路由电话交换机提供大约48V的直流电压。

当用户被呼叫时，电话交换机发来铃流信号。

振铃信号为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。

在本电路检测铃流信号时，以五次铃响为准，即五次振铃后无人摘机，便由单片机控制自动模拟摘机，振铃检测电路设计如图3－1所示。

原理说明：

电话振铃信号通过电容C1隔直、D1稳压二极管、R1限流电阻输入至光电耦合器4N25的输入端1口，C1、D1和R1共同组成振铃信号变换电路，它们使输入电压和电流不会太大，对后面的光电耦合器起保护作用。

光电耦合器4N25起的是隔离作用，光电耦合器是一种电信号的耦合器件，它一般是将发光二极管和光敏三极管的光路耦合在一起，输入和输出之间不可共地，输入电信号加于发光二极管上，输出信号由光敏三极管取出。

光电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端（一次侧）与信息接收并输出端（二次侧）是绝缘的，从而对电位差干扰有很强的抑制，而且具有很强的抑制电磁干扰能力、速度高、价格低、接口简单的特点。

振铃信号通过光耦4N25的4脚输出振铃正弦波，R2和C2共同组成滤波电路，信号到了开关三极管T1的基极就变成了方波。

经过一个施密特反向器（可用74LS04代替）的整形输出到单片机AT89C51的T0/P3.4口，中断方式采用外部中断，计数5次产生T0中断，控制继电器模拟摘机，完成振铃音检测。

图3－1振铃检测电路设计

原器件选取：

1、C1隔直电容，因为是过滤直流，滤出低频信号，而且振铃信号的电压还比较高，因此选取10μF耐压100V的瓷片电容；

2、D1为稳压二极管，选取36V的稳压二极管；

3、R1是4N25的限流电阻，取33kΩ；

4、IC1选取光电耦合器4N25；

5、R2和C2共同组成振铃信号音滤波电路，根据电话振铃的技术指标：

频率25Hz的正弦波，1秒通，4秒断，τ=RC可以推出0.02≤τ≤4（S）。

为了使振铃信号音输出很好的方波波形，如图3－2所示，计算后选取R2=10kΩ，C2=100μF，τ=1s；

图3－2振铃信号音输出方波波形

6、R3和D3共同组成振铃指示灯，R3=100Ω，D3为黄色5mm发光二极管；

7、T1和R4组成模拟开关电路，T1选取9013，根据分压原理和74LS04的低电平有效值，R4取2.9kΩ；

8、反向器由74LS04中的二组反向器组成，起整流作用；

1.1模拟摘挂机电路

设计主要思路：

根据国家有关标准规定：

不论任何电话机，摘机状态的直流电阻应≤300Ω，有“R”键的电子电话机的摘机状态直流电阻应≤350Ω。

在挂机状态下，其漏电流≤5μA。

当用户摘机时，电话机通过叉簧接上约200Ω的负载，使整个电话线回路流过约30mA的电流。

交换机检测到该电流后便停止铃流发送，并将线路电压变为十几伏的直流，完成接续。

根据有关技术指标，模拟摘挂机电路设计如图3－3所示，模拟摘挂机电路主要由一个光电耦合器开关电路控制继电器的开关，继电器控制接入电话线两端的200Ω电阻。

摘挂机信指令由单片机通过使TXD/P3.1口变为高电平实现。

经过一个反向器驱动发光二极管D1指示摘机，同时改变光敏三极管T1的基极电压，使T1处于导通状态，从而开启继电器J1，J1使电阻R3接入电话线两端。

因为R3的电阻为200Ω，使回路电流变大，控制电路向交换机发出模拟摘机的信号，交换机响应摘机信号，完成电话线路接通。

整个电路完成自动模拟摘机过程。

图3－3模拟摘挂机电路

根据设计原理，原器件选取如下：

1、IC1是光控三极管，其中T1三极管是起对单片机控制信号的放大作用，D1是摘机指示灯，取5mm绿色发光二极管；

2、R1是摘机指示灯限流保护电阻，取220Ω；

3、L1是变压器感应变压输出；

4、C1起对电话线电压积累作用；

5、R2是三极管限流电阻，取2kΩ；

6、D2二极管是起继电器反向保护的作用，取4001；

7、J1是继电器控制开关，取JRC4001F（DC5V）；

8、R3是摘机电阻，取200Ω；

1.1双音频解码电路

原理简介：

双音多频DTMF信号解码电路采用MT8870芯片。

MT8870的连线如图3－4所示，它的IN+、IN-脚接收来自电话机的双音多频脉冲信号，该双音多频信号先经其内部的拨号音滤波器，滤除拨号音信号，然后经前置放大后送入双音频滤波器，将双音频信号按高，低音频信号分开，再经高低群滤波器，幅度检测器送入输出译码电路，经过数字运算后，在其数据输出端（11~14脚）输出相对应的8421码。

MT8870的数据输出端Q4~Q1连到AT89C51的P1口的P1.0~P1.3，单片机经P1口识别4位代码。

MT8870芯片简介和电话按键与相应译码（Q4~Q1）输出见附录C。

其中，A，B，C，D4个按键常被当作R/P，REDIAL，HOLD，HANDSFREE等功能使用。

注意，需要特别指出的是，对于“0”号码，MT8870输出的8421码并非是“0000”，而是“1010”；另外，“*”，“#”字号码，MT8870输出的8421码分别为“1011”和“1100”。

为了使单片机AT89C51获取有效数据，MT8870的CID有效端经施密特反相器后接AT89C51的INT0引脚。

当MT8870获取有效双音多频信号后，CID电平由低变高，再反相为低，单片机检测后，指示P1口接收有效二进制代码。

而无效的双音频信号（电话线路杂音、人们的语音信号等）是不会引起MT8870的CID端变化的。

DTMF接收器的外围电路如图3.4所示。

其中，接在电源处的电容对抗干扰有一定的作用。

在实际应用中，存在这样一个问题：

MT8870的使能控制端不允许中断时，将使MT8870的CID端中断关闭。

其解决办法是，将CID端接与非门的一端输入，与非门的另一输入端接一不定电平端P。

对CID的有效控制（即中断开放）为，EN=1则P3.2/INT0中断允许；EN=0时则P3.2/INT0中断关闭。

本单元元器件列表：

1、R1、R2、C1和C2共同组