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基于有线电话网的家电控制器设计
摘要
本文介绍的是一种基于AT89C2051单片机的远程电话控制系统。
本系统主要包括以下几个软硬件功能模块：
铃流检测电路、摘挂机控制电路、家电控制电路、双音多频解码电路以及用汇编语言编写的信号音计数和密码校验模块。
该系统是以AT89C2051为核心，利用现有的个人通信终端，实现基于PLMN（路基移动通信网）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），CCITT（国际电报电话咨询委员会）以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。
该电话远程控制不需进行专门布线，不占用无线电频率资源，从而避免电磁污染；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。
用户还可以查询其状态，提供密码处理功能，只有输入正确密码才能控制家电，从而提高了安全性。
该系统设计使用，功能灵活多样，可靠性高，操作方便，可以广泛的应用于家庭或者其他场所的智能控制。
关键词：
AT89C2051；远程电话控制；DTMF；智能控制
Abstract
ThearticledesignedtheremotetelephonecontrolsystemwhichbasedonmicrocontrollerAT89C2051.Thissystemmainlyincludesthefollowingseveral hardwareandsoftwarefunctionmodules：
Ringingdetectioncircuit、Pickhangmachinecontrolcircuit、Householdappliancescontrolcircuit、DTMFcircuitandSignalcounting、Passwordvalidationprogram.BasingonthePLMNandPSTN,thesystemwhichusesthecontrollerSingle-chipmicrocomputerAT89C2051realizeslong-distancecontrolhouseholdappliances.Thetelephonecontrolsystem（ITRCS）whichusesthetelephonenetconvertandvoiceinformationreceivesDTMFcodefromthetelephonenet,andinterpretthecode,thecorecontrollercontrolsthestateofhouseholdappliancesrespondedtotheinterpretation.Longdistancecontroloftelephonedonotrequirespecialwiresdistributionanddoesnottakeupwirelessfrequencyresources.Electromagneticpollutioncanthusbeavoided.Thedesigningofasystemoflong-distancecontrolbasedonsoundprocessingtechnologyandDTMFdecodingtechnology,thissystemrealizesitscontrolofhouseholdelectricalappliancesthroughtelephonenetworksandsorealizestheintelligentlycontroloftheminresidence.Theembeddedandintelligentsoundindication,itsoutstandingsoundfunctionofpromptanditscodecontrolsystemenabletheoperatorstotimelyobtaintherelativeinformationofthecontrolledobjectsthroughindicatedsounds.Thesystemcanusetelephonetocontrolmanyhouseholdelectricalappliancesinlongdistancesthroughutteringsoundcommandsandprovidesthecodesafeguardfunction.Onlythroughinputtingthecorrectpasswordtocontrolthem,theusercancontroltheconditionofhouseholdelectricalequipment,sothesystemsecuritycanbeimproved.Thissystemispractical,andthefunctionisflexible,andtheoperationisconvenientwithhighreliability,whichcanbeusedextensiveincariouskindsofcontrolequipmenttohomeandotherfield.
Keywords:
AT89C2051;Telephoneremotcontrol;DTMF;Intelligentcontrol
致谢31
1绪论
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。
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，不占用额外的频谱。
随着寻呼网的全国联网，其遥控的距离基本不受限制。
但该方式受控方动作滞后控制方的操作，不具备实时性，而且不具备很高的可靠性。
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。
本设计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。
设计突出电话遥控的信息反馈功能，。
本装置使用起来非常方便，首先用户把本装置的信号线并联在电话线的两端。
电源开关打开时，本装置自动复位，就能正常工作了。
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。
当电话铃声计到三次，装置自动摘机，回送提示音提示输入密码。
当用户在输入正确的密码后，用户就可以对装置所连的电器根据需要进行开关控制。
装置操作完毕后，发出提示音自动挂机，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。
本作品的调试都是在线调试，已经连接电话线经过真正的市交换机实验并且成功。
系统中的各种电器接口、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。
2系统概述
2.1系统组成
本系统组成框图如图2.1所示。
图2.1总体框图
此系统包括以下单元功能模块:
1、铃流检测
2、摘挂机控制
3、家电控制
4、双音多频解码
5、密码校验
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，我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。
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，我选择了硬件来解决振铃音检测、双音多频信号解码等功能模块。
摘挂机控制和家电控制必须使用具体硬件电路来实现。
振铃音计数、密码校验、等功能模块使用软件编程方式要比硬件电路简单的多，实现也较容易。
综上所述，我设计铃流检测、摘挂机控制、家电控制、双音多频解码等功能模块使用硬件电路实现。
而信号音计数、密码校验等功能模块使用软件编程完成。
下面就硬件以及软件实现的单元电路分别进行具体分析。
2.2硬件模块
本设计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好的实用效果。
2.2.1摘挂机控制
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[1]。
自动摘挂机电路可以通过单片机控制一个继电器的开关，继电器的控制端通过变压器与电路相连，从而完成模拟摘挂机。
2.2.2铃流检测
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，可以使用稳压二极管进行降压，然后输入至光电耦合器。
经过光耦的隔离转换，从光电耦合器输出的波形是时通时断的方波，经过RC回路检波，反向器整形，输出很标准的电平跳变，每来一声铃流，跳变为高电平一次。
电平跳变信号就可以直接输入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。
2.2.3双音多频解码
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CM8870来完成此功能模块。
2.2.4家电控制
此部分比较简单，通过单片机控制继电器的开关即可。
2.3软件模块
经过比较，我决定使用AT89C2051作为控制的单片机芯片。
2.3.1信号音计数
本单元可以通过AT89C2051内部中断方式来实现对信号音的计数。
2.3.2密码校验
本单元可以在系统初始化的时候，在单片机内部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，然后比较两者是否相等。
这样就可以实现密码检测的功能。
3元器件介绍
3.1引言
在电子线路的设计应用中，元器件应该是绝对不能缺少的，它是电子线路板的基础部分。
没有元器件的板子更不会具有电器意义，也不会有电子版的功能。
这里将要讲述本毕业设计将要用到的主要元器件。
讲述的主要有：
单片机、双音频解码芯片、六反相器、光电耦合器。
当然电路中有电阻和电容、二极管等等，并且是用到最多的。
因为这些是最基本的也是大家最熟知的，在这里不再多说。
电阻在电路中有对电能吸收的作用，可使电路中各元件按需要分配电能，稳定和调节电路中的电流和电压。
电容是由两个金属电极中间夹一层绝缘电解质所构成的器件。
所以电容是一种储存电能的元件，具有充放电特性和隔直流通交流的能力。
二极管具有单向导电特性，可以用来整流，检波，作为开关使用，二极管还用到了发光二极管，他们可以用作信号灯。
3.2单片机（AT89C2051）
AT89C2051单片机在设计中为核心器件，有必要进行详细说明。
MCS-51系列单片机产品有8051,8031,80C51,80C31等型号（前三种为CMOS芯片，后两种为CHMOS芯片）。
结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。
8051内部有4K字节的掩膜ROM程序存储器，8031片内没有程序存储器，而8751是将8051片内的ROM换成EPROM。
有ATMEL公司生产的89C51将EPROM改成了4K的闪速存储器，它们的结构大同小异，本章将对8051单片机的结构作一简要介绍。
3.2.1MCS-51单片机内部结构
MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU，RAM，ROM，定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。
MCS-51单片机内部包含以下几个部件,如图3.1所示。
图3.18051单片机框图
1、一个8位CPU；
2、一个片内振荡器及时钟电路；
3、4K字节ROM程序存储器；
4、128字节RAM数据存储器；
5、两个16位定时器/计数器；
6、可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路；
7、32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；
8、一个可编程全双工串行口；
9、具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
在设计中应用了很多I/O口，下面详细介绍一下I/O口。
主要介绍P3口。
1、P3口（P3.0～P3.710～17脚）双功能口
P3是一个多用途的端口，也是一个准双向口，作为第一功能使用时，功能同P1口。
P3口的第二功能实际上就是系统具有控制功能的控制线。
此时相应的口线锁存器必须为“1”状态，与非门的输出由第二功能输出线的状态确定，从而P3口线的状态取决于第二功能输出线的电平。
在P3口的引脚信号输入通道中有两个三态缓冲器，第二功能的输入信号取自第一个缓冲器的输出端，第二个缓冲器仍是第一功能的读引脚信号缓冲器。
P3口可驱动4个LSTTL门电路。
每个I/O口内部都有一个八位数据输出锁存器和一个八位数据输入缓存器，四个数据输出锁存器与端口号P0、P1、P2和P3同名，皆为特殊功能寄存器。
因此，CPU数据从并行I/O端口输出时可以得到锁存，数据输入时可以得到缓冲。
四个并行I/O端口作为通用I/O口使用时，共有写端口、读端口和读引脚三种操作方式。
写端口实际上就是输出数据，是将累加器A或其他寄存器中数据传送到端口锁存器中，然后由端口自动从端口引脚线上输出。
读端口不是真正的从外部输入数据，而是将端口锁存器中输出数据读到CPU的累加器。
读引脚才是真正的输入外部数据的操作，是从端口引脚线上读入外部的输入数据。
端口的上述三种操作实际上是通过指令或程序来实现的。
2、串行I/O端口
8051有一个全双工的可编程串行I/O端口。
这个串行I/O端口既可以在程序控制下将CPU的八位并行数据变成串行数据一位一位的从发送数据线TXD发送出去，也可以把串行接收到的数据变成八位并行数据送给CPU，而且这种串行发送和串行接收可以单独进行，也可以同时进行。
8051串行发送和串行接收利用了P3口的第二功能，即利用P3.1引脚作为串行数据的发送线TXD和P3.0引脚作为串行数据的接收线RXD。
串行I/O口的电路结构还包括串行口控制器SCON、电源及波特率选择寄存器PCON和串行数据缓冲器SBUF等，它们都属于特殊功能寄存器SFR。
其中PCON和SCON用于设置串行口工作方式和确定数据的发送和接收波特率，SBUF实际上由两个八位寄存器组成，一个用于存放欲发送的数据，另一个用于存放接收到的数据，起着数据的缓冲作用。
3、总线
MCS-51单片机属总线型结构，通过地址/数据总线可以与存储器（RAM、EPROM）、并行I/O接口芯片相连接。
在访问外部存储器时，P2口输出高8位地址，P0口输出低8位地址，由ALE（地址锁存允许）信号将P0口（地址/数据总线）上的低8位锁存到外部地址锁存器中，从而为P0口接收数据做准备。
在访问外部程序存储器（即执行MOVX）指令时，PSEN（外部程序存储器选通）信号有效，在访问外部数据存储器（即执行MOVX）指令时，由P3口自动产生读/写信号，通过P0口对外部数据存储器单元进行读/写操作。
MCS-51单片机所产生的地址、数据和控制信号与外部存储器、并行I/O接口芯片连接简单、方便。
3.2.2单片机的外部结构
1、MCS-51单片机引脚功能
MSC单片机都采用40引脚的双列直插封装方式。
图3.2为引脚排列图，40条引脚说明如下：
1）主电源引脚Vss和Vcc
1Vss接地
2Vcc正常操作时为+5伏电压
图3.2引脚排列图
2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
①XTAL1内部振荡电路反向放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。
当采用外部振荡器时，此引脚接地。
②XTAL2内部振荡电路反向放大器的输出端。
是外界晶体的另一端。
当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD,ALE/
和
/Vpp。
①RST/VPD当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位，在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。
②ALE/
正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性的发出脉冲信号。
因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。
但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。
对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲。
③
外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，
在每个机器周期内两次有效。
同样可以驱动八个LSTTL输入。
④
/Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。
当
/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当
/Vpp为低电平时，则访问外部程序存储器。
对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。
4）输入输出引脚P0.0-P0.7，P1.0-P1.7，P2.0-P2.7，P3.0-P3.7.
①P0口（P0.0-P0.7）是一个八位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，他是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。
②P1口（P1.0-P1.7）是一个带有内部提升电阻的八位准双向I/O口，能驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。
③P2口（P2.0-P2.7）是一个带有内部提升电阻的八位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高八位地址。
P2口可以驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。
④P3口（P3.0-P3.7）是一个带有内部提升电阻的八位准双向I/O口。
能驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。
2、复位和复位电路
在振荡运行的情况下，要实现复位操作，必须使RES引脚至少保持两个机器周期（24个振荡周期）的高电平。
CPU在第二个机器周期内执行内部复位操作，以后每一个机器周期重复一次，直至RES端电平变低。
复位期间不产生ALE及PSEN信号。
内部复位操作使堆栈指针SP为07H，各端口都为1（P0-P3的内容均匀0FFH），特殊功能寄存器都复位为0，但不影响RAM状态。
当RES引脚返回低电平以后，CPU从0地址开始执行程序。
复位后，各内部寄存器状态如表3.1：
表3.1寄存器状态
寄存器
内容
寄存器
内容
PC
0000H
TMOP
00H
ACC
00H
TCON
00H
B
00H
TH0
00H
PSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
TL1
00H
P0-P3
0FFH
SCON
00H
IP
xxx00000
PCON
0xxxxxxx
IE
0xx00000
SBUF
不定
3.3解码芯片
本毕业设计采用CM8870解码。
集成了频带分离滤波器和数字解码器的双音多频接收器。
CM8870可以将接受到的DTMF信号转换成8421码。
CM8870有DIP-18封装见图3.4，各引脚定义参看表3.2。
典型连接电路图如图3.4。
CM8870的代替品有MT8870、HT9170等。
表3.2引脚定义
管脚
名称
功能
1
IN+
差分运算放大器同向输入端。
2
IN-
差分运算放大器反向输入端。
3
GS
差放输出端，连接外部的反馈电阻。
反馈电阻越大，负反馈越小，放大量越大。
4
Verf
基准电压输出。
与IN+相连，提供VDD/2作为偏置电压。
5
INH
得到高电平时，静止检测音频码A，B，C和D接地。
6
PWDN
接地。
7
OSC1
接晶振。
8
OSC2
时钟脉冲（输出）。
3.579545MHZ的晶振连接在引脚OSC1与OSC2之间接晶振。
9
Vss
接地，标准0伏
10
数据输出控制端。
得到高电平是允许Q1-Q4输出
11-14
Q1-Q4
三态数据（输出）。
当TOE得到高电平时，提供相应的代码给最后的有效的音频代码接收。
当TOE得到低电平时，输出高阻抗。
15
StD
延时控制输出端。
当MT8870接收到有效的DTMF信号时，该引脚输出高电平；接收的DTMF信号消失后，该引脚输出低电平，可作为单片机的终端请求。
16
Est
初始控制器输出端。
接收到有效的DTMF时，输出高电平。
17
St/GT
控制输入端/时间监测输出端。
当接收到有效的DTMF信号时，St的电平升高。
若St的电平高于门限电压时，MT8870内部的8421码被更新，Std端输出由低电平变成高电平；若St的电平低于门限电压时，MT8870内部的8421码保持不变。
18
Vcc
Typical--+5V电源。
图3.3CM8870管脚图
图3.4CM8870典型应用电路图
3.4六反相器
六反相器CD4069为CMOS数字集成电路，是一种高端输入阻抗器件，容易受外界干扰造成逻辑混乱或出现感应静电而击穿场效应管的栅极。
虽然期间内部输入端设置了保护电路，但它们吸收瞬变能量有限，过大的瞬变信号和过高的静电电压将使保护电路失去作用，因此，CD4069中未使用非门F4、F5、F6的输入端{9}、{11}、{13}脚均接到Vss接地端，以作保护。
平面朝上，缺口端在左。
从缺口下端逆时针方向依次为1至14号管脚，14号脚提供电压，7号为公共端，1、2；3、4；5、6；8、9；10、11；12、13构成6个非门（反向）电路。
CD4069是数字电路中的六反相器电路，1脚为输入端，2脚为输出端。
当1脚输入高电平，2脚输出为低电平，反之，1脚输入低电平，
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