基于单片机的家用电器电话远程控制设计

摘 要
家用电器的传统控制方式，如，红外线遥控、无线电遥控等，存在可遥控距离短的缺点。为了可以远距离控制家用电器，本家电远程控制系统以市话通信网络作为信号传输通道，以电话作为遥控设备。该远程控制系统以AT89C51单片机作为控制核心，外围电路包含铃流检测电路、摘挂机电路、DTMF译码电路、语音提示电路、电器驱动电路。根据电路特点和系统功能要求，编写了系统程序。为验证该系统的可行性，以系统原有电路和程序作为基础，设计了相应的仿真电路和仿真程序。Proteus上的仿真结果证明该系统设计合理，能够进行家用电器的远程控制。

关键词：家用电器；电话；远程控制；51单片机

2 总体方案设计

2.1 家电远程控制系统概述
家用电器的远程控制不仅需要控制器和各种类型的传感器，还必须依靠高效可靠地信号传输网络。因此必须建立起以家电为对象的居室网络系统,通常被称为“家庭网络系统”或“网络家居”。家庭网络系统由计算机、网络多媒体等技术组成,可用于自动化控制、家庭安全和通信中。它既可单指物理媒体, 也可指包含软件在内的全系统。在家庭网络系统中，用户不仅可以通过电话等远程控制设备控制家用电器，如通过空调调节室温，还包括安防报警、反馈家中实时监控状态等。家电远程控制只是家庭网络系统的一部分，主要是利用远程控制设备通过各种通信网络控制家用电器。
不同的通信方式传输速度、可靠性、控制终端等有所不同，对家电远程控制的性能有很大的影响。HomePNA、PLC、FTTH、不对称数字用户线 (ADSL) 、蓝牙(Bluetooth) 、IEEE1394、美国家庭插电联盟(Homeplug1.0) 技术、无线 IEEE802.11x 和综合业务数字网 (ISDN)是家庭网络中的代表性通信方式。
2.2 系统方案拟定
方案一：采用电力线通信技术实现家电控制
电力线通信技术(Power Line Communication)，是利用电力线接收、发送数据, 通过电脑和设备之间的连接装置达到大范围、大容量和高速通信的技术[22-24]。通过专用的网络端口，电力线通信系统可以访问电话网络和互联网, 并可与其它网络互联。该系统的电力载波芯片可采用INT5200芯片，由与家电设备相连的电力线传送网络数据，并通过HomePlug协议实现交互，采用OFDM正交频分复用技术进行调制解调，从而实现上网、家电控制和家庭安防[22-24]。

图2.1 电力线家电控制物理构成图
家电设备（如冰箱等）可以通过电力线将控制信号和反馈信号实现PLC控制的局终端与主控终端间的相互通讯；通过PLC的Modem和控制终端，用户就可以实现家电的远程控制。通过这种方式，用户也可以利用计算机上网，对家中进行安防监控，家电设备也可以反馈运行状态给用户。由于不同的家电本身系统不一样，因此不同的家电设备其局终端的实现方式也不一样，主要体现在通信接口、家电设备的控制单元以及通信协议上。目前国家还没有统一的PLC局终端的通信标准，因此，采用何种通信协议绝大程度上取决于不同的家用电器和生产厂商。

3 系统主要元件选型

DTMF双音频译码电路、语音提示电路对本系统的功能实现有着至关重要的作用。译码电路需要使用DTMF解码芯片，语音提示电路需要使用语音芯片。两种芯片市场上种类繁多，需要对其进行选型。不同主控制器的选择将会对整个系统的构建和性能产生影响，也需要进行选型。
3.1 DTMF解码芯片
DTMF双音频解码芯片的类型很多,这些芯片的使用方法和基本功能大致相同。按照功能可以将其分为两类。第一类芯片的编码功能和解码功能是相互独立的，并未集成在一块芯片上，比如MT5087芯片只具有编码功能，而MT8870只具有解码功能。这类解码芯片不能将输入其中的DTMF信号直接译码为键值号,只是将双音频区分成告你频信号和低频信号输出，所以还必须连接数字电路才可以正常使用。第二类芯片是同一块芯片既具有编码功能，也具有译码功能,如MT8880芯片。因为本系统中只需将DTMF信号译码为键值号而无需编码，所以选择前一类。

图3.1 MT870芯片管脚排列图

解码功能独立的芯片主要有MT8870, HT8870和CM8870等。CM是MT的授权生产商，CM的同型号芯片与MT的内电路完全相同，价格便宜但性能稍差。对于DTMF有限的几种常见芯片而言，MT的设计是最好的[26]。MT88系列对晶体的参数要求较高，其参数在同类产品中是最优的，已经成为业界的标准。HT是台湾的生产商，其产品价格便宜，但性能较差，常用于低端产品。MT88系列DTMF芯片的总产量远高于台湾的HT系列等其它厂商的同类产品之总和。因此最终选择MT8870。
MT8870芯片管脚排列图如上图所示。主要管脚介绍：IN+、IN-为运放的输入端，DTMF信号由此输入；Q1、Q2、Q3、Q4为译码后的信号输出端，信号由此输出给单片机；STD端为译码芯片的状态指示端，当无信号输入时为低电平，当检测到有可识别的信号时，则为高电平。
MT8870工作过程：来自电话的双音多频信号经MT8870的IN+、IN-脚进入译码芯片。芯片内部有拨号音滤波器，双音多频信号经拨号音滤波器滤除掉拨号音后再送给其内部的双音频滤波器，将信号分为高音频和低音频。再经由高低群滤波器、幅度检测器送入其内部的输出译码电路，经过数字运算后由Q1~Q4脚输出8421码的数字信号[26]。
3.2 语音芯片
语音芯片的类型主要有三种：可录放型、一次性（OTP）、掩膜型（MASK）。一次性和掩膜型将语音烧制进芯片后一般不可再更改，而可录放型可以随录随放。因此选择可录放型芯片。
可录放型芯片主要有四种系列：ISD系列、APR系列、PM50系列、WT系列。ISD系列芯片是高集成度的芯片，性能也比较可靠。该系列芯片可进行分段录音，根据录音长度分为不同型号。APR系列芯片主要有APR9301和APR9600两个型号。两个型号都可进行分段录放，但前者的录放音长度为30秒，后者的录放音长度可在40秒到60秒之间进行调节。PM50系列内部携带有单片机和语音电路，可录放时间范围从20秒到400秒，性能较好，但此系列芯片价格昂贵。WT系列录放的操作简单，但只可以录放一段语音，录放时间长度最长只有8秒。
因为本系统已经有主控制器，而且需要多段提示音，所以从性价比和功能要求出发，不能够选择PW50系列芯片和WT系列芯片。选用APR系列芯片和ISD系列芯片大致性能相差不大，但美国ISD公司的2500系列芯片存储容量更大，录放时间更长，其中ISD2590芯片的录放时间为90秒，比较适合本系统的语音提示[25-29]。所以最终选择ISD2500系列芯片中的ISD2590。
ISD2590芯片管脚排列如图3.2所示。主要管脚介绍：PD端为芯片的节电控制端，当PD为高电平时，芯片停止工作，不耗电，只有在低电平时芯片才能正常工作；端为片选端，只有其为低电平，才允许芯片进行录放操作；P/R端为录放模式选择端，高电平时为放音操作，低电平时为录音操作；端为信息结尾标志端，当一段录音结束后芯片自动将结尾标志加到这段录音尾部，当放音遇到这个标志说明此段放音结束，此

图3.2 ISD2590芯片管脚图

4 硬件电路设计

4.1 铃流检测电路
振铃检测电路模块用于判断家用电话是否有来电电话，然后将所获得的来电信号送给单片机并计数，计数达到五次后启用摘挂机电路摘机。其基本工作原理为：家用电话的电线电压由电话局的交换机提供，当电话没有摘机且没有来电时交换机提供的电压值为50V左右的直流电压。当家用电话有来电时，电话局提供的电压变为电压有效值为90V左右，频率为25赫兹的交流电压，且其周期为5秒，其中1秒送，4秒断。电话挂机后不再发送此交流信号。当将家用电话摘机后，电话机的阻抗变小，此时交换机提供的电压只有9V左右。根据电话线上的电压变化情况，设计相应的电路即可知道是否有来电，具体电路如下图4.1。

图4.1铃流检测电路

电路原理说明：图中D3为普通的二极管，而D2为稳压二极管，C1为隔直电容。当家用电话没有来电时，稳压二极管处于截止状态，电路不工作，P3.4输出给单片机高电压。当家用电话有来电时，电话线上的电压变为交流电且电压增大，隔直电容经过交流电，击穿稳压二极管D2，光耦导通，使得三极管导通，在P3.4出输出低电压。单片机根据P3.4处电压的变化计数。
根据设计原理，重要元器件值选取如下：
（1）C1因为需要隔直，且通低频，电话线上的电压最高可达90伏左右，所以选取耐压值为100V，0.1uF的电解电容，正负极不能接反；
（2）D2为稳压管，取值为80V；
（3）R6、R7、R8为限流电阻，值分别选取为33KΩ、2.9KΩ、10KΩ。
4.2 摘挂机电路
摘挂机电路的主要功能是当振铃达到相应的次数后使电话摘机，当所有操作完成后使家用电话自动挂机。电话局的交换机判断家用电话的摘、挂机状态是通过电话线上反馈的电流决定的。当电话挂机时，电话所接为直流电压，此时电流为0mA，而当电话摘机后，电话接交流电，其电流增大。因此交换机通过电话线上的电流变化即可判断家用电话的摘挂机状态。根据此原理设计电路如下图4.2所示。

图4.2 摘挂机控制电路

5 系统软件设计

5.1 软件设计基本思路
软件即系统程序的设计应按照系统要实现的功能进行。按照功能要求及实现顺序，编写程序流程图如下图5.1所示。

图5.1 系统程序流程图

6 系统仿真

在通常的电路开发设计中，制作实物会浪费大量的时间，因此通常用电路仿真软件Proteus进行仿真。本系统也通过Proteus软件进行仿真，争取能够仿真出系统每一部分功能。
6.1 系统仿真硬件电路
由于使用Proteus仿真，无法使用实际的电话连接，且在Proteus中译码芯片MT8870不具有仿真功能，因此采用一4X3按键键盘代替电话的输入和DTMF芯片进行译码，4X3键盘图如下图6.1。

图6.1 4X3键盘图

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