基于单片机的家电远程控制系统的研究毕业设计论文正稿.docx

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基于单片机的家电远程控制系统的研究毕业设计论文正稿

诚信申明

本人申明：

我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学北方学院或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。

与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名：

年月日

基于单片机的家电远程控制系统的设计

张楠

自动化专业自控1206班学号120240177

指导教师陈晓芳

摘要

伴随着电子产品的快速发展，手机和电话对广大人们群众来说已经不是一个新鲜词了，但是如何利用手机和电话对家用电器进行远程控制的技术还尚未成熟。

本次研究的课题主要是针对如何对家用电器进行远程的控制。

大家都知道，近几年来电子和通行技术发展的愈来愈成熟了，所以本文通过电话来设计达到远程控制家用电器的目的。

该系统主要采用AT89C51和MT8870双音多频解码集成电路为核心,使用公共电话网络,实现了智能控制的远程家电设备。

本文主要介绍了组成该系统的整体框架、工作原理以及程序的设计方法，对“振铃检测电路、模拟摘挂机控制电路、双音多频解码电路、语音提示以及家用电器控制电路”等都作了详细的解释。

用户可以在远端固定电话或移动电话发送DTMF双音多频信号,实现对近端远程智能控制的家用电器。

同时也可以让用户发送语音信号及时了解被控对象的状态,以提供相应的解决方案。

这个设备是不适合家庭使用,也适用于大型商店和商业单位。

设计不仅操作方便、简单、可靠性高,是一个非常有前途的未来在新技术产品。

关键词：

AT89C51单片机DTMF双音多频解码电路振铃检测摘挂机控制

SystemforHouseholdElectronicApplianceBaseonTheMicrocontroller

Abstract

Withtherapiddevelopmentofelectronicproducts,mobilephoneandcalltothepeople,itisnotanewword,buthowtousemobilephonesandphoneforhouseholdelectricalappliancesforremotecontroltechnologystillhasnotyetmature.Thisresearchtopicismainlyaimedathowtohouseholdappliancesremotecontrol.Asweallknow,inrecentyearsthroughthedevelopmentofelectronicandtechnologymoreandmoremature,sothispaperthroughthetelephonetodesigntoachievethepurposeofremotecontrolhouseholdappliances.ThesystemmainlytoAT89C51single-chipmicrocomputerandMT8870dualtonemultiplefrequencydecodingintegratedcircuitasthecore,withtheaidofthepublictelephonenetwork,soitcanrealizetheremotehomeapplianceequipmentintellectualizedcontrol.Thispapermainlyintroducestheoverallframeworkofthesystem,workingprincipleandprogramdesignmethodof"ringingdetectioncircuitandanalogpickhangmachinecontrolcircuit,dualtonemultiplefrequencydecodingcircuit,voicepromptandhouseholdappliancescontrolcircuit"andsoonallhasmadethedetailedexplanation.TheusercaninthefarendofafixedphoneormobilephonesendingDTMFdualtonemultiplefrequencysignal,realizestotheproximalhouseholdappliancesremoteintelligentcontrol.Atthesametimealsocansendvoicesignallettheusertounderstandtherelevantstatecontrolledobject,soastoprovidethecorrespondingsolutions.Thisdevicenotonlysuitableforfamily,alsoappliestolargestoresandenterpriseunit.Thisdesignisnotonlyeasytooperate,simple,andhighreliability,itisthefutureverypromisingnewtechnologyproducts.

KeyWords:

AT89C51single-chipmicrocomputerDTMFdualtonemultiplefrequencydecodingcircuitRingingdetectionPickhangmachinecontrol.

前言

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。

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。

第1章课题研究背景与价值

第1.1节本课题的研究背景

随着新型科技电子产品日益发达和人们生活水平的不断提高，受到潜移默化的影响，人们对生活质量以及家居环境的要求也在与日俱增，人们开始追求家庭生活现代换，舒适化，以及安全性等问题，特别是家电的选择和使用上，智能家居的出现正好满足了人们的需求。

随着电话通信网络的出现，利用电话实现远程控制已经在智能小区的管理中得到了广泛的应用，而移动通信技术的发展刚好为家电的远程控制奠定了基础。

本文介绍了一种电话远程控制技术。

本系统采用单片机控制家用电器的远程控制、远程电话,用户可以通过手机、电话到家用电器（如太阳能、冰箱）远程控制其工作状态,以满足用户需求为各种各样的家用电器,不仅如此,用户也可以根据你的需求和基于住宅需求不同的家用电器控制,达到了用户自己的家庭住宅最好的国家规定。

其控制示意图如1.1所示。

图1.1控制示意图

本次作品所使用到元器件都选择性价比较高的，这就可以在节约电器成本的前提下创造出更大的利用价值。

智能家居的优点主要体现在它不受时间和空间的限制，这就可以为人们节约大量的时间。

不仅如此，我们也可以在各路终端接上传感器从而实现对周围环境的监听，这就达到了一个对家居电器进行安全性的监护作用，也避免了很多不必要的麻烦。

远程监控还可以应用到企业的自动化控制的系统领域中去，可以为企业节约很多的资本，也可以应用到家庭医疗保健中，不仅降低了医疗保健成本，而且还有益于身心更加健康，我们把测量的结果直接传给医生，可以省去去医院排队等候的麻烦，也可以应用于网络家庭教育，帮助学生能够更好的学习。

第1.2节远程控制的内容

有了这些智能家用电器，我们不难建造一个拥有智能家居的环境，有了智能家居，我们就可以节约大量的时间做更多的事情。

例如，我们可以在回家的路上可以提前打开家里的电饭煲，把空调打开调到合适的温度，这样回家以后我们就可以舒适地吃上香喷喷的米饭了，但是，这在以前是不可能实现的。

就目前而言，我们大多数家庭使用的还是传统的家用电器，本次课题主要设计了一款利用单片机控制家用电器的原理进行远程的电话控制系统。

和传统的家用电器比起来，智能家用电器主要有以下的特点：

1网络化功能。

将智能家电通过家庭局域网连接到一起,然后同互联网相连,以实现信息的共享。

2智能化。

智能家电利用传感器来感知周围的环境，然后根据环境的不同自动改变参数。

3开放性、兼容性。

生产智能家电平台具有相同的开放和兼容标准。

4节能化。

智能家电可以根据周围环境自动调整自己的工作状态。

5易用性。

由于复杂的控制操作步骤在内部控制器嵌上,所以用户只需了解简单的外部操作步骤即可。

智能家电电并不能单独应用，而必须是作为整体而用。

为了满足应用需求和电器智能发展,智能家电的发展将更加丰富的内容,根据实际应用环境的不同功能的智能家用电器也将有所不同,但一般应具备以下基本功能:

（1）通信功能。

（2）消费电子产品的智能控制。

（3）交互式智能控制。

（4）安防控制功能。

（5）健康与医疗功能。

一般来说,主要功能的家庭智能控制系统集中在家庭安全报警、电话远程控制等。

组网方式主要分为两大类，其中包括有线组网和无线组网。

有线电视网络家庭电话线路控制电路主要用于网络,虽然设备成本较少,但布线成本高,维护困难在未来也更大；无线组网的主要技术有家庭电话网络联盟技术、蓝牙技术等，但移动性强，设备容易，维护简单。

电话远程控制作为一门新兴学科与传统家电,有一定的优势,不需要特殊的布线。

同时，由于手机便于携带，而且全国范围内都覆盖有电话网，我们可以随时随地通过手机对家用电器进行远距离的控制。

第2章系统设计的原理

2.1总体设计原理

电话主要由单片机智能远程控制构成中央处理单元,主要的信息处理,以及各种控制信号接收外部操作指令形式,记录各种信息在同一时间,然后控制不同用户需求的设备状态。

接口电路的作用是提供单片机与外围电话的接口。

其中主要包括铃流检测电路、摘挂机控制电路、DTMF双音多频解码电路，以及语音提示电路。

系统组成框图如图2.1所示。

图2.1系统组成框图

在控制系统中，语音提示电路将会受到AT89C51单片机的控制产生相应的提示信息，通过反馈电路将有用的信息反馈至电话外线，这样操作者能够了解受控方的工作状态，以便采取相应的措施解决。

由于用户的需求不同，我们可以根据不同的用户需求进行不同设计。

本系统提供两种操作方式：

第一种是直接操作方式，操作者在异地拨通连接本装置的外线电话，电话机通过交换机发送振铃信号到外围电路上，接收到的振铃信号送到中央处理单元，如果检测到响铃五次后扔无人接听，摘挂机电路进入自动进行摘挂环节，然后密码检测，当且仅当输入正确密码后才可以选择控制电器，完成后将给出提示，然后自动返回；二是间接的方式,一旦报警信号被检测到中央处理单元,摘机信号送入DTMF解码电路、解码电路在解码,解码后的信息将被发送到单片机I/O输入端口,然后单片机读取二进制信号与默认密码,如果两个都是一样的,用户可以发送进一步的相关操作。

2.1.1系统设计的可行性分析

进入21世纪以来，智能控制技术、信息技术的迅猛发展,智能自动化和奠定了坚实的基础为家电、各种高端智能电器出现在继承,使人们越来越多的便利。

人们的生活,居家环境开始发生巨大的变化。

智能家电的迅速发展已成为一种必然的趋势。

其原因可以归结为以下几点：

（1）信息水平的不断提高，为智能家电的大规模的发展奠定了基础；

（2）网络通信技术的逐步成熟和被广泛应用；

（3）互联网的快速发展为智能家电做了更进一步的铺垫；

（4）人们生活水平的提高，智能家电满足了人们对物质的追求。

智能家电的功能满足了现代人们对物质的需要，首先，它能够自动识别工作对象的状态；其次，能够随时调整自身的工作参数；最后，它能够根据工作对象的工作状态和自身工作状态，采取优良的工作方案。

家电设施智能化是一个重要组成部分，智能家居的显著特点就是它能够根据用户的要求灵活地对家电进行控制，更大程度上来说，它可以通过节约时间来提高人们的办事效率。

智能家电通过控制它的工作状态来达到环保与节能的目的。

本次系统设计的电路比较简单，这就降低了设备的成本，不仅如此，而且该系统功能也比较完善，我们可以根据自己的需要，适当地添加更多的功能。

2.1.2中央处理单元

电话远程控制系统主要控制部分是单片机，用户发出指令解码后的内容将送入单片机的接口，记录各种信息，并对各种信息进行处理，发出不同的控制指令。

本次对家电远程控制主要核心单元是AT89C51单片机。

其引脚如图2.2所示。

图2.2AT89C51单片机引脚图

AT89C51单片机的引脚功能介绍：

AT89C51单片机一共有40只引脚，它们的功能可大致分为4类：

1.电源引脚

VCC：

接+5V的工作电源；

VSS:

接地端；

2.时钟引脚

XTAL1：

作为时钟发生器电路和片内振荡器反向放大器的输入端；

XTAL2：

作为片内振荡器反向放大器的输出端；

3.控制引脚

4.I/O口引脚

在AT89C51单片机中，一共有4个8位并行的双向I/O口，它们分别是P0、P1、P2、P3。

P1口仅做I/O口使用，并且其内部有上拉电阻。

P3口有一些特殊功能,即第二功能，其定义如表2.3所示。

表2.3P3口的第二定义功能

第2.2节硬件模块分析

为了完成对家电进行远程控制的设计要求，我们采用模块化对系统进行设计。

本次设计所用到的核心单元主要是AT89C51单片机，通过电话网络将DTMF解码后的信息送到单片机，单片机发出相应的控制动作，进而达到电话远程控制智能家电的功能。

硬件系统框图如图2.4所示：

单片机:

进行密码校对、提供有用的信息给解码器，控制不同的数据输出。

DTMF解码电路:

将相应的解码DTMF信号发送的单片机,单片机控制信号对应的A,B,C,D,0-9表示二进制数。

模拟摘挂机电路：

实现模拟摘挂机的作用。

电话接口电路:

主要作用是与电话网络连接的端口，包含振铃检测电路等。

输出电路:

作为控制器的输出端，还可以对模拟摘挂机电路进行电话摘机。

控制电路:

主要起到控制操作的平台的作用，将电话输入的数据经过程控交换机传送至中央处理器。

图2.4硬件系统框图

第2.3节软件模块分析

系统软件的部分主要分为两种不同的工作状态，即普通工作状态和电话远程控制系统工作状态。

电话远程控制状态主要是远程电话输入不同数字通过DTMF将解码后的二进制数送入I/O口，以便单片机控制家里的各种智能电器。

软件部分操作系统主要由以下3个模块组成：

（1）限时模块：

当远程用后对家用电器发出了操作指令后，如果单片机不能自动复位，那么下一次就不能发出别的指令。

又或者单片机发出了错误的操作指令，如果不对它进行限时操作，单片机发出的的错误指令就会无限循环下去。

（2）密码检测模块：

当我们到单片机的初始化,我们必须打开一个单片机内部存储单元的密码。

当用户通过远程控制单片机来控制家用电器,我们将用户密码写入单片机的另一个存储,然后减少使用单片机发送指令比较两,如果等于继续操作,然后停止操作。

（3）信号处理模块：

我们使用振铃检测电路不同信号计数、模拟接挂断为了实现函数的自动选择挂。

使用查表法,采用相应的操作指示不同的信号。

以上是部分软件操作的原理设计，详细的介绍我们将在后面一一表述。

通过结合部分软件和部分硬件的组合，我们几乎达到了远程控制家用电器的目的。

第3章系统硬件单元的设计

第3.1节模拟摘挂机电路

3.1.1电路工作原理

电路模拟摘挂机主要是通过控制一个电流源通断来实现。

根据热,电路电流为零,在摘机状态,当前一线为18mA-55mA,如果电流超出这个范围,认为用户是一个错误的循环。

在即时用户摘机,目前30mA突然增加,当开关检测到电流增加突然认为,电话已经摘机。

为了控制电路中通过的电流在正常范围内,拣选机通过弹簧连接到负载约200,使电路中通过的电流低于正常范围,开关检测到电流正常,停止工作的阻力,进入正常工作范围,即8-12v,并完成后续工作。

根据系统设计要求，我们采用一个光电耦合器开关电路来对继电器开关状态加以控制，同时，我们还要在电话线的两端上串联一个约为200Ω电阻，这样在接通电话的瞬间我们可以给回路上的电流起到一个缓冲的作用。

当检测到振铃满5次时，单片机的P3.1口将变成低电平，也就是给三极管基极加上一个表较低的电压，三极管满足导通的条件，而继电器J1的两端由于加上了一个5V的电压，所以继电器将会导通，也就是实现了模拟摘机的过程。

以下是该电路的元器件列表：

R5是一个限流保护电阻，阻值为200Ω，主要保护摘机指示灯，LED7是一个绿色发光二极管，用来提示正在执行摘机操作；

R7对三极管起到一个限流保护的作用，阻值为1kΩ；

D2二极管主要对继电器起到一个反向保护的作用，为4001；

J1则是继电器的控制开关，取JRC4001F（DC5V）；

R6是一个摘机电阻，阻值为200Ω；

PNP三极管取2N3906.

3.1.2电路图的设计

根据模拟摘挂机要实现的功能，设计如下模拟摘挂机电路图，如图3.1所示：

图3.1模拟摘挂机电路图

第3.2节振铃检测电路

3.2.1电路工作原理

操作者对用户发出呼叫时，就会产生振铃信号。

交换机产生振铃信号后将会为电话线路提供4.5-5V的直流电压，而振铃信号一般为2.5

3V的正弦波，由于谐铃失真，产生的电压有效值为9.0

15V。

振铃信号的周期为5s，也就是1s送出信号，另外4s是停止状态，在振铃电路检测到有振铃信号时，我们将以四次铃响为限，即铃声响过四次后无人摘机，单片机将进入自动模拟摘机的过程。

有效,因为振铃信号电压值较高,所以需要使用高压稳压二极管在一定程度的减压,然后处理后的信号光耦合器,然后通过光耦合器隔离开关,输出信号后续订时破裂的正弦波信号,过滤通过RC电路,可以得到标准的方波信号。

然后方波信号输入到单片机中断计数器输入端口,可以完成振铃检测和计算过程。

原理说明：

电话振铃信号电路主要由各自、隔直电容器C4,稳压二极管D1和限流电阻R4、光电耦合器4N25,并行连接的两端阻塞电容器C4,C4、D1、R4的主要作用是确保输入电压和电流不太大,所以,不必要的影响后面的光电耦合器。

当用户调用,电话振铃信号通过C4隔直,稳压二极管D1和R4限流电阻输入光电耦合器4N25,光电耦合器扮演主要角色的角色是隔离电子信号,光电耦合装置是发光设备和感光组件组装在一起,被光耦合形式的电-光与光-电设备。

光电耦合器的输入阻抗很小,只有几百欧姆,干涉源阻抗较大,由于噪声电压的输入给光电耦合器一般比较小,只能形成一个弱电,不能使发光二极管发光,从而抑制;光电耦合器没有电气连接的输入电路和输出之间的电路,也没有共同点,这就避免了常见的阻抗耦合干扰信号产生；光电耦合器同时可以起到很好的安全保障作用；最后，光电耦合器的回应速度极快，这就提高了它的工作效率。

在本次系统设计中光电耦合器主要起到电信号的耦合作用，我们将发光二极管D1和光敏三极管通过光线耦合在一起，而且输入端和输出端不能够共同接地，也就是将输入的电信号通过发光二极管经过一系列变化后由光敏三极管输出。

在实际情况中，当电话处于待机状态时，由于LED6的两端达到了接通的状态，这样LED6将会一直发光，为了区别电话的工作状态，我们在接通电话来电时，由于来电脉冲的影响，这样LED6就会不停地闪烁，而LED6由于直接接地，所以LED6两端的电压变化范围不大，所以P3.4的输入端的电平只能在0-2V的范围内变动，这就导致了T0口不能准确的计数，所以当单片机处于调试的状态之中，我们必须去掉该指示灯。

以下是该电路的元器件列表：

C4：

隔直电容，作用是过滤直流电压，并且将低频信号给滤出来，又由于振铃信号的电压比较高，所以我们选用10μF、100V耐压较强的的瓷片电容；

R4：

主要起到一个限制回路电流的作用，阻值为33kΩ；

D1：

是一个稳压二极管，由于回路中的电压较高，所以我们必须进行一定程度的降压，我们选用4001；

U3：

光电耦合器，主要作用是将光信号转化为电信号，选取4N25；

R3：

分压限流，保护电阻，选取10KΩ；

LED6：

:

振铃指示灯，我们选择蓝色的发光二极管；

74LS04：

反相器，我们用来整流；

3.2.2电路图的设计

根据我们对振铃信号的要求，设计如下振铃检测电路图，如图3.2所示：

3.2振铃检测电路图

第3.3节双音多频解码电路

3.3.1DTMF双音多频解码MT8870的介绍

MT8870双音多频译码器是由MITEL公司所开发的一颗常用复频译码IC，它具有DTMF信号分离滤波和译码功能，可以直接与M