基于单片机的家用电器远程控制系统.docx

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基于单片机的家用电器远程控制系统

基于单片机的家用电器电话远程控制

电子工程专业学生王海东

指导教师陈万平曾实现

摘要:

本次毕业设计的题目是用AT89C51实现电话远程控制家用电器，该系统主要是由AT89C51单片机、DTMF解码芯片MT8870、语音芯片ISD2560和存储芯片24C02组成。

可以用电话机或手机在任何地方、任何时刻通过此系统来远程控制家里的电器。

该系统可以直接开关电器、延时开关电器、监听家中声音、密码修改和存储及其状态查询，并且有自动语音提示功能。

系统具有运行可靠、成本低、操作方便、适用性强等特点，可以广泛应用于城市社区，具有较大的推广价值。

关键词：

单片机,电话,远程遥控,语音提示

BasedonSCMhouseholdappliancesphoneremotecontrol

StudentmajoringinelectronicengineeringWangHaidong

TutouChenWanpingZengShixian

Abstract:

Thethesisofgraduationdesignerisaremote-controlsystemofhomeapplicances,itisbasedonAT89C51MCUwithaphone.ThissystemismainlyconsistedoftheAT89C51,DTMFdecoderchipMT8870,VoicechipISD2560andmemorychip24C02.Thetelephoneorthecellphonecanbeusedatanyplace,anytimethroughaintelligenttelephoneremotecontrolsystemtocontrolhomeappliances.Thissystemhasafunctiontoturnonthehomeapplicancesdirectly,orturnonthehomeapplicancesinadefintlytime.Wiretapping,changingandstoringpasswordsandinquiryingthestateofhomeapplicances.

Infact,thesystemshoweditsgreatadvantagesinthepracticalapplication,suchasahighreliabilityandapplicabilitybutalowcostandeasyoperations.Therefore,thedevicecouldbeappliedtocommuniteinthecityanditswellworthdoingso.

Keywords:

MCU,Telephone,Remotecontrol,Voicesugges

引言

20世纪90年代初，美国、欧洲等经济比较发达的国家先后提出了“智能住宅”的概念。

[1]基本思想是：

将家庭中各种与信息相关的通信设备家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上，以进行集中的或异地的监视控制和家庭事物性管理，并保持这些家庭设备与住宅环境的和谐及协调。

[3]因此，住宅智能化即是通过家庭总线这个通信网络，把住宅的安全防范系统，能源管理系统，公共服务系统，信息系统集成起来。

  本文就是介绍了一种基于电话网和单片机的家用电器远程控制系统。

利用该系统，用户可通过打电话方便地遥控家中的电器。

例如用户下班前，可通过电话将家中的电饭锅、空调器和热水器提前打开。

下班到家时，饭已煮好，房间温度正好合适，热水器中水已加热，既舒适又方便。

本课题的设计目的：

当用户不在家时，通过随身携带的移动电话、身边的固定电话，或者其他通信设备依照事先规定的一些规则，进行不同的操作来完成对不同家电的控制和监听家里的情况，达到用户的预期目的，统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。

设计目标：

（1）控制系统能对家中电器实现远程控制；

（2）控制系统可以实现双方通信；

（3）控制系统主人的身份校验、在线密码修改及存储；

（4）控制系统有语音功能提示，以方便主人操作；

（5）控制系统有声音监听功能，随时了解家中情况；

（6）控制系统外加电器延时开、关的功能。

第一章系统方案论证

随着科技的进步，远程控制家用电器逐渐在生活中应用起来，现在通信网络的发达，嵌入式单片机的应用都可以来控制家电，各个方案固然有他们的优点和缺点，下面来比较下各个方案。

1.1系统整体方案比较

方案一：

采用PLC技术实现家电控制

电力线通信（PowerLineCommunication，PLC），是指利用中、低压电力线作为通信介质，实现数据、语音、图像等综合业务传输的通信技术。

利用PLC实现智能家居的网络化控制无需架线，不破坏住宅结构，连接方便、快捷，是智能家居网络化控制的理想选择。

该系统可采用INT5200芯片作为电力载波芯片，网络数据由与家电设备相连的电力线传送，并通过HomePlug协议实现交互，采用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）正交频分复用技术进行调制解调，从而实现家电控制、PLC上网和家庭安防。

家电设备（如空调等）或安防控制没备可以通过PLC局端从电力线接收控制信息和反馈状态信息，实现与PLC主控终端的通信；通过PLC主控终端和借助Modem，就可以实现智能家电的远程监控和安防控制。

计算机也可以通过这种方式实现上网。

智能家电可以将状态信息反馈给远程用户。

由于家电设备的控制系统存在差异性，不同家电设备的PLC局端实现方法略有不同，主要体现在家电设备控制单元与S3C2510A的通信接口和控制协议上。

家电设备控制单元可以通过串口或其他总线与S3C2510A进行通信。

目前国家还未正式出台这方面的通信标准，采用什么样的具体接口和协议必须与家电设备生产厂商保持一致。

同理，安防控制设备也可以通过上述方法，将家里的安防状态信息反馈给远程用户。

远程用户也可以控制安防控制设备，进行相关安防控制。

方案二：

用Web服务器实现家电控制

系统的核心部分是一个嵌入式Web服务器，系统集有线和无线Web服务器于一体，用户可以利用办公室的PC或者手机登录家中的Web服务器，在通过用户名和密码验证后，便可以查看并控制家用电器；系统带有LCD和键盘，具有良好的人机界面；用户还可以通过键盘来设定系统的任务；系统留有丰富的功能扩展接口，通过这些扩展接口将来还可以实现防火防盗和智能抄表等应用。

方案三：

利用电话实现家电控制

该系统利用遍及千家万户的电话线来传输信息，这是目前可以实现住宅内与住宅外信息交换最有效的方法。

主要应用于电话遥控控制的家用电器，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，使人们的生活更加便捷与享受。

该系统可以使用单片机配合新型的DTMF解码芯片和语音电路来实现了电话对家用电器的远程控制。

在使用时只需先将电话线的进线插入本装置，用户使用本装置时只要拨打家中的电话，装置检测到有铃流（可以设定30S以后还有铃流），装置发出模拟摘机信号，并控制语音处理电路提示用户输入密码（预先设定），用户听到这一提示音后就在自己所使用的双音频电话机或手机上按下密码所对应的数字键即可，密码所对应的双音频信号经电话线传给双音频接收发送电路，检测译码，传给主控单元，识别正确后，语音芯片再提示用户进行控制家用电器的操作，最后，主控单元把控制家电的信息译码，经并行通信传给智能控制器，由控制器执行控制家电的操作。

综上所述，采用PLC技术和Web服务器实现家电控制价格昂贵一般人承受不了，但用电话实现家电控制解决了电力线载波通信的可靠性较差，无线通信的价格偏高以及布线困难的问题。

使得借助低压电力线进行数据通信成为可能。

而且开发周期短。

所以我选择第三个方案。

1.2模块方案比较

1.2.1DTMF解码

1）采用PSoC芯片的嵌入式DTMF解码

PSoC是Cypress半导体有限公司生产的的可编程片上系统芯片。

它主要由8位微处理器，可编程模拟模块和数字模块，外加硬件乘法累加器，I2C，Flash，SRAM等周边外围模块组成。

因此，PSoC除了能实现一般MCU的功能外，还可通过可编程模拟和数字模块灵活地实现嵌入式系统所需的模拟与数字外围功能。

为了方便用户简单而快速地实现模拟数字外围功能的设计，Cypress基于可编程数字模拟模块构建了大量的用户模块，如可编程运算放大器，比较器，6至14位的模数和数模转换器，滤波器，8/16/24/32位定时器/计数器，脉宽调制器，触摸感应等模块。

这些用户模块将PSoC内部的寄存器配置，数字模块和模拟模块之间的内部连线，底层API（ApplicationProgramInterface，应用程序接口）函数都已设计好了。

当用户需要某个数字模拟外围功能时，只需要简单地调用相应的用户模块即可实现。

利用PSoC的可编程模拟运算放大器和8位ADC用户模块，加上简单的接口就可以实现DTMF信号的模数转换。

2）采用MT8870芯片DTMF解码

8870芯片它集成了陷波滤波器和数字解码功能。

在滤波器部分，使用了开关电容技术；解码部分，用数字计数的方法检测所有16种DTMF音频对，并将它们编成4bits的码。

通过在芯片上放置差分输入放大器，时钟晶振和可锁存的三态输出，可以使外围元器件最少。

信号经过输入放大，过滤掉噪声，再被由6阶高频组带通滤波器和8阶低频组带通滤波器组成的陷波滤波器滤出DTMF信号，然后经过平滑滤波，再由过零检测器将模拟信号转换成数字信号，进入数字部分。

信号在数字部分分为两路，一路直接送到频率检测部分，分别对信号进行高频和低频检测。

如果输入信号频率在预先设置的范围内，则将检测结果送到编码部分进行编码，并等待D触发器的同步输出信号；如果输入信号频率不在预先设置的范围内，检测结果维持为0不变。

另一路则送到频率平均算法部分，分别经过4，8分频，以初步检测信号的持续时间，将诸如噪声之类的干扰消除掉；同时，进一步设置更为严格的频率检测范围。

如果充电时间不够长，这就是说即使被检测信号的频率在DTMF频率范围内，但它的持续时间不足以满足DTMF的工业标准，输出同步脉冲保持为0，编码结果不输出。

1.2.2语音芯片

1）ISD1720语音芯片

ISD1720是美国ISD公司新推出的语音芯片，在功能上继承1400和2500系列的所有录放功能，并增加了更人性化的提示功能及对存储地址的精确操作。

录音时间为20秒。

2）ISD2560语音芯片

美国ISD公司的2500芯片，按录放时间60秒。

ISD2500系列和1400系列语音电路一样，具有抗断电、音质好，使用方便等优点。

它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K（1400系列为128K），所以录放时间长；有10个地址输入端（1400系列仅为8个），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。

1.2.3主控制器选择

1）单片机控制

单片机就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM（EPROM或EEPROM）、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/O口。

如Intel公司的8031系列等。

除了以上基本功能外，有的还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。

概括起来说，单片机具有如下特点：

具有位处理能力，强调控制和事务处理功能。

价格低廉。

如低档单片机价格只有人民币几元钱。

开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。

后备人才充足。

国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。

2）DSP控制

DSP器件具有较高的集成度。

DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。

提供高速、同步串口和标准异步串口。

有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。

DSP器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。

内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。

DSP器件比16位单片机单指令执行时间快8～10倍，完成一次乘加运算快16～30倍。

DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。

此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。

DSP是单片机的一个分支。

它有专门的FFT算法需要的特殊指令，流水线指令处理。

能以较高的速度进行运算。

我们可以根据需要选用他。

如果你作一个遥控器，选用他就没优势了。

因为很多其他的用于遥控的单片机比他更适合用来作遥控器。

如果用89C51来作语音或图像识别就不如DSP了。

一个产品的设计要考虑，在满足需求的情况下他的性价比。

综上所述，选择了用MT8870DTMF解码芯片、ISD2560、单片机来完成这个系统。

第二章系统总体设计和主要芯片选择

2.1系统总体设计

本系统是一个用来控制各种家电的设备，它通过来自电话的控制信号来实现对家电的控制。

当用户不在家时，通过随身携带的移动电话或者身边的固定电话，拔通家里的电话，依照事先规定的一些规则，通过在电话里的语音提示，进行不同的数字按键操作来完成对不同家电的控制，达到用户的预期目的。

系统的功能以确定设计具体要求如下：

（1）控制系统能通过电话终端通信设备对家中电器实现远程控制；

（2）控制系统可以实现自动模拟摘挂机，以实现双方通信；

（3）控制系统主人的身份校验、在线密码修改及存储；

（4）控制系统有语音功能提示，以方便主人操作；

（5）控制系统有声音监听功能，随时了解家中情况；

（6）控制系统外加了电器延时开、关的功能。

本系统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、双音频DTMF识别、语音提示电路及电器控制。

总体电路框图如图2-1所示。

2-1系统总体框图

系统主要由AT89C51单片机、DTMF解码芯片MT8870和语音芯片ISD2560组成。

AT89C51单片机完成电话机振铃信号次数的检测、控制和加密。

此系统具有以下单元功能模块：

（1）铃音检测、计数；

（2）自动模拟摘挂机；

（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；

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。

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、忙音检测、双音频信号解码等功能模块。

自动摘挂机和电器的控制必须使用具体硬件电路来实现。

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，本系统信号音检测、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。

系统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廉价的。

譬如:

在各路终端上接上传感器即可实现对环境声响的监听；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。

本系统还可以应用于工厂企业的自动化控制等领域。

2.2主要芯片介绍

2.2.1AT89C51

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序内存和128bytes的随机存取数据存储器，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，片内置用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可以提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用各种控制领域。

其引脚如图2.2所示。

AT89C51主要性能参数：

1、与MCS-51产品指令系统完全兼容；

2、4K字节可反复擦写Flash闪速内存；

3、1000次擦写周期；

4、全静态操作：

0Hz～24Hz；

5、三级加密程序内存；

6、128×8字节内部RAM；

7、32个可编程I/O口线；

8、2个16位定时、计数器；

9、6个中断源；

10、低功耗空闲和掉电模式。

图2.2AT89C51单片机引脚

AT89C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。

它具有32个外部双向输入/输出（I/O）端口，2个外部中断口，2个16位可编程定时计数器，1个全双工串行通信口。

按其功能可分为电源、时钟、控制和I/O接口四大部分：

1、电源引脚

VCC：

芯片主电源，外接+5V。

GND：

电源地线。

2、时钟引脚

XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3、控制引脚

（1）ALE/

：

地址锁存控制信号。

当访问外部内存时，地址锁存允许输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

（2）

：

外部程序内存读选信号。

在由外部程序内存取指期间，每个机器周期两次

有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的

信号将不出现。

（3）

/VPP：

访问程序内存控制信号。

当

信号为低电平时，只访问片外程序内存；而当

为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序内存开始，并可延续至外部程序内存。

（4）RST/VPD：

复位/掉电保护信号输入。

当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平即为有效，用以完成单片机的复位操作。

4、I/O引脚

P0口（P0.0～P0.7）：

8位双向并行I/O接口。

扩展片外内存或I/O口时，作为低8位地址和8位数据总线的分时复用接口，它为双向三态。

P0口可带8个TTL负载电流。

P0口作为I/O输出口使用时，由于P0口为开漏输出，必须外接上拉电阻才能有高电平输出。

P1口（P1.0～P1.7）：

8位准双向并行I/O接口。

P1口每一位都可以独立设置成输入输出位，P1口可以驱动4个TTL电路。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

P2口（P2.0～P2.7）：

8位准双向并行I/O接口。

扩展外部数据、程序内存时，作为高8位地址输出端口。

P2口可以驱动4个TTL电路。

P3口（P3.0～P3.7）：

8位准双向接口并行I/O。

除了与P1口有一样的I/O功能外，每一个引脚还兼有第二功能。

如表2-1所示。

P3口的第二功能信号都是单片机的重要控制信号，因此，在实际使用时，先按需要选用第二功能信号，剩下的才以第一功能的身份作为数据位的I/O使用。

表2-1P3口各引脚对应的第二功能

P3.0

P3.1

P3.2

P3.3

P3.4

P3.5

P3.6

P3.7

RXD

RXD

T0

T1

P1、P2、P3口片内均含有固定的上拉电阻，故称为准双向并行I/O接口。

P0口片内无固定的上拉电阻，由两个MOS管串接，既可开路输出，又可处于高阻的“悬空”状态，故称为双向三态并行I/O接口。

2.2.2DTMF芯片概述

MT8870是一个完整的DTMF接收解码电路和其它电路，如LCD驱动电路一起，可实现CALLERID功能。

它集成了陷波滤波器和数字解码功能。

在滤波器部分，使用了开关电容技术；解码部分，用数字计数的方法检测所有16种DTMF音频对，并将它们编成4bits的码。

通过在芯片上放置差分输入放大器，时钟晶振和可锁存的三态输出，可以使外围元件最少。

   信号经过输入放大，过滤掉噪声，再被由6阶高频组带通滤波器和8阶低频组带通滤波器组成的陷波滤波器滤出DTMF信号，然后经过平滑滤波，再由过零检测器将模拟信号转换成数字信号，进入数字部分。

信号在数字部分分为两路，一路直接送到频率检测部分，分别对信号进行高频和低频检测。

如果输入信号频率在预先设置的范围内，则将检测结果送到编码部分进行编码，并等待D触发器的同步输出信号；如果输入信号频率不在预先设置的范围内，检测结果维持为0不变。

另一路则送到频率平均算法部分，分别经过4，8分频，以初步检测信号的持续时间，将诸如噪声之类的干扰消除掉；同时，进一步设置更为严格的频率检测范围。

如果信号通过了检测，就使ESt端输出高电平，通过外围RC回路对St端充电（R，C的值可以根据不同的工业标准进行选择），如果ESt端高电平持续时间足够长，使充电后Vc>=Vtst（2．35V，这是通过比较器比较），这就意味着所检测的信号满足DTMF的工作标准，则使引导逻辑部分的输出同步脉冲到编码部分，使4位编码输出，经过延迟单元，锁存进三态输出单元，输出正确的码；同时，引导逻辑部分产生StD端高电平信号，同时使GT维持高电压。

如果充电时间不够长，这就是说即使被检测信号的频率在DTMF频率范围内，但它的持续时间不足以满足DTMF的工业标准，输出同步脉冲保持为0，编码结果不输出。

2.2.3AT24C02

AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含256×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。

AT24C02的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。

在AT89C51试验开发板上它们都接地，第8脚和第4脚分别为正、负电源。

第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向I2C总线串行传送，在AT89C51试验开发板上和单片机的P3.5连接。

第6脚SCL为串行时钟输入线，在AT89C51试验开发板上和单片机的P3.6连接。

SDA和SCL都需要和正电源间各接一个5.1K的电阻上拉。

第7脚需要接地。

24C02中带有片内地址寄存器。

每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。

所有字节均以单一操作方式读取。

为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。

I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。

它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线