毕业设计毕业论文家用电器远程控制系统的设计.docx

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毕业设计毕业论文家用电器远程控制系统的设计

本科生毕业设计

家用电器远程控制系统的设计

独创性声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导老师指导下取得的研究成果。

除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。

与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：

　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日

授权声明

本人完全了解许昌学院有关保留、使用本科生毕业论文（设计）的规定，即：

有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。

本人授权许昌学院可以将毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文（设计）。

本人论文（设计）中有原创性数据需要保密的部分为（如没有，请填写“无”）：

签名：

　　　　　年　　月　　日

指导教师签名：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日

摘要

随着我国通信产业的迅猛发展，移动手机及电话机已走进了千家万户。

本文设计了一种基于单片机80C51的电话远程控制系统，利用公用电话网络来实现对家用电器的远程控制。

该系统以80C51单片机和MT8870双音多频解码器为核心，辅以振铃检测电路、模拟摘机电路、语音提示电路及家用控制电路来实现其功能。

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。

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：

80C51单片机；远程电话控制；家用电器；

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofcommunication,telephoneiswidelyusedallovertheworld.Inthispaperintroducesadesignaboutbasedtheremotetelephonecontrolsystemwhichbasedonmicrocontroller80C51,usingthepublictelephonenetworktorealizetheremotecontrolforhouseholdappliances.ThissystemputMT8870andmicrocontroller80C51asthecore,withfrequencydecoderringingdetectioncircuit,simulatedpickelectromechanicalroad,audiocircuitsandhomecontrolcircuittorealizeitsfunction.Usersintheoutdoorcanpassanyadualmultiphone（includingmobile,telephoneextension）,accordingtothevoiceprompt,tovariousappliances（suchascanbericecooker,microwaveoven,etc.Electronics）remotecontrol.Thissystemispractical,andthefunctionisflexible,andtheoperationisconvenientwithhighreliability,whichcanbeusedextensiveinvariouskindsofcontrolequipmenttohomeandothersfield.

Keywords：

80C51;Telephoneremotecontrol;Householdappliances;

目录

1绪论1

2系统设计原理及可行性分析2

2.1硬件功能分析2

2.2硬件模块3

2.2.1振铃检测模块3

2.2.2模拟摘机模块4

2.2.3DTMF双音频解码模块4

2.2.4语音提示模块4

2.2.5家用电器控制模块4

2.3软件模块分析4

2.4系统应用的前景5

2.5仿真说明5

3硬件电路设计6

3.180C51单片机6

3.2振铃检测电路7

3.3模拟摘机电路8

3.4DTMF双音频解码电路10

3.5语音提示电路12

3.6家用电器控制电路15

4系统软件设计17

4.1系统总体分析17

4.2设计程序流程图17

4.3电话远程控制系统程序18

5总结19

参考文献20

附录21

附1电路总图21

附2电路仿真图21

附3程序清单及检测25

致谢32

1绪论

随着社会的不断进步，人们越来越喜欢追求高效、高质量的生活。

人们一直设想通过一套简单易的设备，使得即使出门在外也能操作家用电器。

2008年4月17日举行的中国国际家电展上，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……使这一设想成为现实。

21世纪是信息的时代，各种电信新技术推动了人类文明的进步。

自1876年AlexanderGrahamBell（贝尔）发明电话以来，世界各国的电话网络发展相当迅速。

近十年来，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，2006年9月固定电话用户总数突破3.68亿户。

随着电话网络的日臻完善和电话用户的不断普及，利用现有电话网络进行多功能远程遥控已成为人们研究的一个焦点。

所谓的遥控技术就是通过一定的手段对被控物体实施一定距离的控制，常有的方式有有线遥控、无线电遥控、红外线和超声波遥控等。

其中无线电遥控既是利用无线电信号对被控物体实施远距离的控制。

无线电遥控不可避免的要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；而红外线、超声波遥控则受距离所限。

在现有的遥控中，还有载波通信遥控和基于无线寻呼的遥控方式。

载波通信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。

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。

又因为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,解码后的信号再由单片机采集处理,为了方便用户使用,系统设计了语音提示电路,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80C51作为中央处理器。

本次设计采用单片机智能控制，利用不同的语音提示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知晓受控方信息，使产品达到交互式与智能化。

本设计的各种电器接口、各项标准都严格遵循国家相关标准，为未来的产品化提供了良好的基础。

设计为突出电话远程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，并且使用的集成电路和电器元器件都尽量选取廉价的。

利用该装置,用户可以不受距离限制，通过任意一部双音频电话随时开关家里的电器，而且当用户要下班时,还可以通过电话,提前打开空调、电饭锅等，享受高科技带来的方便。

2系统设计原理及可行性分析

2.1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须满足下面的功能：

（1）该系统能利用电话网对家中的电器实现控制（开/关）；

（2）该系统可以实现自动模拟摘挂机；

（3）该系统可以设置密码校验；

系统须具有以下功能模块：

（1）振铃检测及计数；

（2）自动模拟摘挂机；

（3）密码比较及校验；

（4）双音多频信号解码；

（5）输入信息的分析及后续的操作；

（6）控制电器开和关；

本设计以80C51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，控制系统各部分进行工作；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，模拟摘机电路，DTMF双音频解码电路，以及家电的控制电路等部分组成。

设计中的系统并联于家用电话机的两端，因此不会影响到电话机的正常使用。

系统的基本工作原理是：

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80C51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“欢迎您使用智能电话控制系统，请输入用户密码”；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“密码正确，请输入电器号”的提示音，如果所拨的密码与预置的不同，则发出“密码错误，重新输入密码”的提示音。

如果密码错误三次，则自动挂机。

系统只有接到正确的用户密码才具有操作权。

操作者在主叫话机键盘上输入4位密码，若密码输入正确，按入遥控命令，按“1”，表示第一路开，并发出提示音“操作完成，挂机请按D，继续操作请输入电器号”按“2”，表示第2路开......依次类推，共可操作7路设备。

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。

系统原理框图如下图2-1所示：

图2-1系统原理框图

2.2硬件模块

本设计采用了大量的硬件电路完成部分功能模块的设计，主要是为了提高该系统整体的可靠性，稳定性，增强系统的抗干扰能力。

2.2.1振铃检测模块

当用户呼叫时，电话交换机发来铃流信号。

振铃为25±3Hz的正弦波，电压有效值90V。

振铃以5秒为周期，即1秒送，4秒断。

首先经过滤波整流电路进行整流滤波输出相对标准的方波，再经反相器74LS04D转换成很标准的方波信号就可以直接输出至单片机的中断计数器T0口，完成整个振铃音检测和计数的过程。

2.2.2模拟摘机模块

当电话摘机时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。

当接到8次振铃后，单片机通过P3.1口控制继电器闭合，再通过外围电路使电话线接入200Ω，从而完成模拟摘机过程。

2.2.3DTMF双音频解码模块

该模块是整个系统的核心部分，用户通过电话或手机按键输入操作码来对系统发布命令，完成家用电器的控制操作。

因此，该系统必须能对电话或手机按键进行解码。

经查阅资料，我发现电话专用解码芯片MT8870可以完成此功能。

MT8870接收到电话机发来的双音多频脉冲信号后，经其内部处理器处理，将双音频信号按高低音频信号分开，再经高低群滤波器，幅度电测器送入输出译码电路，经过数字运算后，在其输出端Q1-Q4输出相应的8421码。

MT8870的数据输出端Q1-Q4连接到80C51单片机的P0.0-P0.3口，由单片机识别，单片机再根据所识别到内容对系统进行控制，从而完成了人机对话，实现远程遥控。

2.2.4语音提示模块

当振铃次数为8次时约40秒若没有人接电话，系统自动摘机，并启动语音提示电路模块。

本功能模块主要是产生信号提示音，在这次设计中采用ARP9600语音芯片，对不同的操作进行实时的提示。

ARP9600语音芯片中事先录制了四段语音：

第一段：

欢迎您使用智能电话控制系统，请输入用户密码（长度为5秒）；

第二段：

密码错误，重新输入密码（长度为3秒）；

第三段：

密码正确，请输入电器号（长度为3秒）；

第四段：

操作完成，挂机请按D，继续操作请输入电器号（长度6秒）；

2.2.5家用电器控制模块

该电路主要采用控制带有继电器的电源插座来实现对家电的远程控制，诸如空调、电饭煲之类的电器只需插入电源插座，80C51单片机即可通过控制带有继电器的插座来控制电器电源的通断。

2.3软件模块分析

经过比较，我决定使用80C51单片机作为控制CPU，80C51单片机在第三章硬件设计部分有介绍。

软件部分的设计由以下几个模块构成。

（1）振铃计数。

本系统可以使用80C51的两个计数器的外部中断方式来实现对不同铃音的计数，实现系统控制。

（2）密码校验。

本系统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一块存储空间，利用比较指令比较两者是否相等。

这样就可以实现密码校验的功能。

（3）控制信号分析处理。

本系统利用查表方式实现。

2.4系统应用的前景

随着我国通信网络及设施的日臻完善，固定电话、移动电话在全国基本普及。

利用现有的PLMN路基移动通信网和PSTN公用电话交换网作为传输介质,使用户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,实现对远端电器设备的远程控制。

本次设计的基于单片机的家用电器电话远程控制装置性能稳定、工作可靠。

当有电话打人电话时，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用。

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。

2.5仿真说明

该系统模块电路采用MULTISIM10进行绘图和仿真，部分专用模块如解码芯片T8870及ARP9600语音芯片无法实现其仿真。

仿真过程中部分电子元器件均用相似元器件代替，以便检测电路使用效果。

绘制电路总图中，由于在MULTISIM10中一张图纸无法完成总图的全部绘制，所以使用了各个电路部分的子电路。

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。

3硬件电路设计

3.180C51单片机

本系统用的核心控制单片机芯片的型号是80C51。

它是由INTEL公司生产的能与MCS-51系列兼容的单片机，其引脚如图3-1所示。

C51单片机引脚功能介绍：

图3-180C51引脚图

1、电源:

（1）VCC-芯片电源，接+5V。

（2）GND-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。

①ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址。

②PROG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：

①RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

②VPD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：

①EA功能：

内外ROM选择端。

②Vpp功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4、I/O线：

80C51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。

3.2振铃检测电路

在电话线路没有铃流前，电话线路由电话程控交换机提供大约48V的直流电压。

当用户呼叫时，电话交换机发来振铃信号。

振铃信号为25±3HZ的正弦波，失真不大于1%。

电压有效值90V。

振铃信号以5秒为周期，即1秒送，4秒断。

在本电路检测振铃信号时，以八次响铃为准，即八次振铃后自动摘机。

振铃检测电路设计如下3-2图所示。

图3-2振铃检测电路

用MULTISIM10做的子电路如下图3-3。

图3-3子电路

电路工作原理：

当没有振铃信号时，线路上的供电经电容C1隔直，振铃信号输出端电压接近0V。

当振铃信号来临时，交流的振铃信号经D1整流，C2和R1滤波后成为占空比为1比4并且相对稳定的方波信号。

再经稳压二极管D2稳压，信号随后由晶体三极管控制压降，使其处于TTL反相器74LS04D的工作电压范围之内，这样做就可以得到完整的平稳的方波信号了。

将该信号输入80C51单片机的T0/3.4口，计数器采用外部中断查询方式，计数8次产生中断，控制模拟摘机电路摘机。

元器件选择：

1、C1为隔直电容，因为振铃信号频率比较低且电压还比较高，所以选择200mF耐压100V的瓷片电容；

2、整流桥选择IB4B42；

3、R1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<4s。

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；

4、D1选取稳压值为112V的稳压二极管，起稳压作用；

5、R2选取100KΩ，起降压作用；

6、Q1和R4组成模拟开关电路，T1选取9013，根据分压原理和74LS04D的低电平有效值，R4取1kΩ；

7、反向器由74LS04D中的二组反向器组成，起整流作用。

3.3模拟摘机电路

用户电话机的摘机状态，是通过直流环路上的电流的通断来实现的。

用户挂机空闲时，直流环路断开，馈电电流为0；反之，用户摘机后，直流环路接通，馈电电流在200mA以上。

因为程控交换机对电话摘机的响应，会使电话线回路电流突然变为大约30mA，所以交换机检测到回路电流变化就认为电话已经摘机。

摘机后，电话机接上约200Ω的负载。

模拟摘机电路如下3-4图所示。

图3-4模拟摘机电路

用MULTISIM10做的子电路如下3-5图。

图3-5子电路

电路工作原理：

此电路由一个光电耦合器开关来对继电器开关进行控制，继电器控制接入电话线两端的200Ω电阻。

摘机信号指令通过使单片机P3.1口变为高电平实现。

同时反相器74LS04D使光电耦合器MOCD213组合电路还起到隔离单片机80C51系统与输出部分的作用，使两部分的电流相互独立，避免输出部分电源变化对单片机电源的影响，减小系统所受干扰。

P3.1为高电平时，经过反相器74LS04D使光电耦合器处于导通状态，从而开启继电器K1。

使R3接入电话线两端。

回路电流变大，控制电路向电话交换机发出摘机信号，电话交换机响应并摘机，完成电话线路接通。

元器件选择：

1、K1是直流继电器控制开关，取DC5V；

2、D1是二极管对继电器起反向保护作用，取4001；

3、R2是对光电耦合器限流，取2KΩ；

4、U1A是光电耦合器MOCD213,起控制继电器开关和减小外接电源变化对单片机的影响的作用；

5、R1和74LS04D起降压和限流作用；

6、T1为小音频变压器感应变压输出。

3.4DTMF双音频解码电路

DTMF（DualToneMultiFrequency）双音多频信号解码电路是目前在按键电话（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集成电路。

它包括DTMF发送器与DTMF接受器,前者主要应用于按键电话作双音频信号发送器,发送一组双音多频信号,从而实现音频拨号。

双音多频信号是一组由高频信号与低频信号叠加而成的组合号,CCITT和我国国家标准都规定了电话键盘按键与双音多频信号的对应关系如表3-1所示。

表3-1电话拨号数字对应的高低频率组合关系

数字键盘

高频组/Hz

1209

1336

1477

1633

低频组/Hz

697

1

2

3

A

770

4

5

6

B

852

7

8

9

C

941

*

0

＃

D

经过查阅大量的文献资料，我发现使用电话专用的双音频编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。

经过比较，我选用了MT8870，使用该芯片不但外围电路简单，而且可靠性强。

经过MT8870芯片的解码，信号转换成不同的码制信号，可以直接被单片机读取。

MT8870芯片介绍：

实现DTMF解码的芯片是MT8870，它是MITEL公司生产的,为CMOS电路,DIP封装。

它具有DTMF信号分离滤波和译码功能，可直接与80C51系列单片机接口。

从图3.3可以看出MT8870引脚分配图。

其引脚说明如下：

IN+、IN-为运放的同、反相DTMF信号输入端；GS为运放输出端，通过外部接入的反馈电阻可调节其内部放大器增益；VREF为基准电压输出；INH为禁止信号输入检出；IC、IC1为内部连接点,应接至VSS端；OSCI、OSCO为振荡器输入、输出可外接3.58MHZ晶振；TOE为数据输出控制端，当它为高电平时允许输出数据Q1~Q4为数据输出端；STD为延迟控制输出端;ST/GT为控制输入端/时间监测输出端;EST为提前控制输出端；VDD、VSS为正负电源。

MT8870的输出代码与电话键盘上按键的对应关系如表3-2所示：

表3-2MT8870的输出代码与电话键盘上按键的对应关系

按键

输出代码

按

键

输出代码

按

键

输出代码

按

键

输出代码

Q8Q4Q2Q1

Q8Q4Q2Q1

Q8Q4Q2Q1

Q8Q4Q2Q1

1

0001

5

0101

9

1001

A

1101

2

0010

6

0110

0

1010

B

1110

3

0011

7

0111

*

1011

C

1111

4

01