家用電器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王瑞，胡達(dá)祥（延安大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安716000）

家用電器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王瑞，胡達(dá)祥
（延安大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安716000）

隨著社會(huì)的進(jìn)步，生活質(zhì)量的提高，人們希望可以通過一套簡單的設(shè)備，使得即便出門在外也可操作家中的電器，這樣便可享受高效率、高便捷的生活。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于8051單片機(jī)且利用電話網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以8051單片機(jī)和MT8870雙音多頻解碼器為核心，輔以振鈴檢測電路、模擬摘機(jī)電路、語音提示電路及家用控制電路來實(shí)現(xiàn)其功能，用戶可以通過任意一部手機(jī)或電話分機(jī)，根據(jù)設(shè)定的程序，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電路控制。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能實(shí)用、多樣、安全、可操作性高，可以廣泛地應(yīng)用到家庭或其它場所的智能控制，對實(shí)現(xiàn)智能化家居生活具有重要的理論參考價(jià)值。

8051單片機(jī)；遠(yuǎn)程電話控制；家用電器；設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程智能控制家居系統(tǒng)，國內(nèi)相比于國外來說起步較晚，雖然發(fā)展比較迅速，但在控制的成本、距離、實(shí)時(shí)控制等方面仍存在很大的進(jìn)步空間[1]。因此，此次設(shè)計(jì)對應(yīng)地做了很大的改進(jìn)，設(shè)計(jì)中遠(yuǎn)程電話控制作為一種較新的遙控方法具有比較突出的特點(diǎn)，比如：不用專門布線，不占用無線電頻資源，可防止電磁污染等。同時(shí)，由于電話線路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全國各地聯(lián)網(wǎng)，這樣就能使用現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離的控制。又因?yàn)殡娫拰儆谌p工通信手段，控制者便可通過各種提示音了解被控制對象的實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)及時(shí)控制[2]。本次設(shè)計(jì)的家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在某種程度上不僅可以滿足人們的需求，且方法簡單實(shí)用，具有很好的發(fā)展前景。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及模擬仿真

1.1 總體設(shè)計(jì)內(nèi)容

家用電器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容是用單片機(jī)作為中央處理器，輔以能夠檢測到電話來電時(shí)振鈴使得電話電流發(fā)生變化的振鈴檢測電路；能夠?qū)崿F(xiàn)在鈴聲響起一段時(shí)間后自動(dòng)摘掛機(jī)的模擬摘機(jī)電路；能夠接收外來信號(hào)并進(jìn)行解碼和翻譯的DTMF雙音頻解碼電路和能夠控制家電開關(guān)的控制電路等，根據(jù)設(shè)定程序，通過接收外部操作指令，系統(tǒng)進(jìn)行主要的信息處理，然后形成各種控制信號(hào)，控制系統(tǒng)各部分進(jìn)行工作，以實(shí)現(xiàn)對家中不同電器的控制。

對于本控制系統(tǒng)，主要是對家用電器的開/關(guān)進(jìn)行控制，通過語音提示，根據(jù)時(shí)間電話可以自動(dòng)摘掛，此外還可以設(shè)置密碼驗(yàn)證，以防止他人誤操作，達(dá)到保護(hù)家中電器的安全。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)用作控制核心的單片機(jī)芯片的型號(hào)是8051[3]，選用能接收DTMF信號(hào)，且能解出按鍵值，實(shí)現(xiàn)后續(xù)操作的MT8870解碼芯片[4]；語音芯片應(yīng)具有可錄放時(shí)間長，有內(nèi)部存儲(chǔ)功能，語音播放時(shí)間速度可調(diào)等特點(diǎn)[5]，經(jīng)過查閱相關(guān)資料，最后選用APR9600語音芯片。

除了以上3種主要元器件的選用，設(shè)計(jì)中還涉及到一些其他的附件，主要有移動(dòng)電話、家用固定電話機(jī)（電話分機(jī)）、由繼電器控制的電源插座等。家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由繼電器控制的電源插座的通/斷來實(shí)現(xiàn)控制家中電器開/關(guān)。因此，家中的插座一定要由繼電器控制的，本設(shè)計(jì)選用電磁電壓繼電器。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 控制系統(tǒng)的工作原理

整個(gè)控制系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)給系統(tǒng)通上電，單片機(jī)復(fù)位，開始工作，若電話有來電（有響鈴）時(shí)，響鈴檢測電路將產(chǎn)生1：4的方波，從8051單片機(jī)的外部計(jì)數(shù)端輸入，在程序控制下計(jì)數(shù)，當(dāng)響鈴次數(shù)為10次時(shí)（約50 s）若沒有人接聽，表明家里沒人，系統(tǒng)一方面啟動(dòng)語音提醒電路，發(fā)出“歡迎使用電話遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，請輸入用戶密碼”；另一方面，發(fā)出主動(dòng)摘機(jī)的信號(hào)，經(jīng)摘掛機(jī)控制的開關(guān)電路與DTMF（雙音多頻）譯碼電路接通，對傳遞的信號(hào)進(jìn)行譯碼，譯碼信號(hào)以四位二進(jìn)制的形式輸出，再從8051單片機(jī)的I/O口輸入，單片機(jī)對輸入的二進(jìn)制數(shù)與預(yù)設(shè)的密碼對照，如相同，則發(fā)出“密碼正確，請輸入電器號(hào)”的提示音[5]，然后輸入遙控命令，按“1”，表示第一路開，并發(fā)出提示音“操作完成，掛機(jī)請按S，繼續(xù)操作請輸入電器號(hào)”按“2”，表示第2路開......以此類推，出于實(shí)際的安全考慮，一般設(shè)定3-5路開關(guān)。如果有人在默認(rèn)的響鈴次數(shù)之前接聽了電話，就不會(huì)進(jìn)入電話遙控模式，因此不會(huì)影響電話的正常使用。如輸入密碼與預(yù)設(shè)密碼不同，則會(huì)發(fā)出“密碼錯(cuò)誤，請重新輸入”的提示音，若連續(xù)輸錯(cuò)三次，電話就會(huì)自動(dòng)掛斷。系統(tǒng)只有在接收到正確的用戶密碼才能進(jìn)行下一步的操作權(quán)，這個(gè)類似于在自動(dòng)取款機(jī)上取錢的過程。

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求，編寫運(yùn)行程序，因程序具體編寫內(nèi)容太長，在此不再列出。

1.3.2 Multisim仿真軟件介紹

Multisim能完成從電路的仿真設(shè)計(jì)到電路版圖生成的全過程。Multisim 10用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”。它是一個(gè)原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測試的虛擬仿真軟件，可以對被仿真的電路中的元器件設(shè)置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。在進(jìn)行仿真的同時(shí)，軟件還可以存儲(chǔ)測試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元器件清單，以及存儲(chǔ)測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等[6]。故本次設(shè)計(jì)中采用Multisim軟件對控制系統(tǒng)的模擬摘機(jī)電路、振鈴檢測電路、解碼電路、語音提示電路、電氣控制電路等進(jìn)行仿真模擬。

1）模擬摘機(jī)電路的設(shè)計(jì)

用戶話機(jī)的摘機(jī)狀態(tài)，是經(jīng)由直流環(huán)路上的電流的通斷來實(shí)現(xiàn)的。話機(jī)閑暇時(shí)，直流環(huán)路是斷開的，饋電電流為0；摘機(jī)之后，直流環(huán)路接通，饋電電流達(dá)到200 mA以上。因?yàn)槌炭亟粨Q機(jī)對電話摘機(jī)的響應(yīng)，會(huì)使電話線回路電流突然變?yōu)榇蠹s30 mA，所以交換機(jī)檢測到回路電流變化就認(rèn)為電話已經(jīng)摘機(jī)[7]。摘機(jī)后，話機(jī)接上約200 Ω的負(fù)載，模擬摘機(jī)電路如圖1所示。

元器件選擇：K1是直流繼電器控制開關(guān)，取DC5V；D1是二極管對繼電器起反向保護(hù)作用，取MUR5005；R5是對光電耦合器限流，取2 kΩ；U5A是光電耦合器MOCD213，作用為控制繼電器開關(guān)和減小外接電源變化對單片機(jī)的影響的作用；R6和74LS04D起降壓和限流作用；T1為小音頻變壓器，作用是感應(yīng)變壓輸出[8]。

圖1 模擬摘機(jī)電路

2）振鈴檢測電路的設(shè)計(jì)

電話響鈴前，電話線路存在大約48 V的直流電壓。用戶呼叫時(shí)，電話交換機(jī)將會(huì)發(fā)來振鈴信號(hào)。信號(hào)為25±3 Hz的正弦波，失真≤10%，電壓有效值90 V。信號(hào)以6 s（1 s送，5 s斷）為周期[9]。電路檢測振鈴信號(hào)時(shí)，會(huì)以振鈴10次為基準(zhǔn)，10次振鈴后將會(huì)自動(dòng)摘機(jī)。振鈴檢測電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 振鈴檢測電路

元器件選擇：C1為隔直電容，因?yàn)檎疋徯盘?hào)頻率比較低，電壓還比較高，所以選擇200 mF耐壓100 V的瓷片電容；整流橋選擇IB4B42；R1和C2共同組成振鈴信號(hào)音濾波電路，依據(jù)電話振鈴的技術(shù)指標(biāo)：頻率 25 Hz的正弦波，1 s通，4 s斷，τ=RC可推得0.02＜τ＜4 s。為讓振鈴信號(hào)輸出較好的方波波形，計(jì)算后選取R1=10 kΩ，C2=100 μF，τ=1 s；D2選用穩(wěn)壓值為112V的穩(wěn)壓二極管，起穩(wěn)壓作用；R2選取100kΩ，起降壓作用；Q1和R3構(gòu)成模擬開關(guān)電路，T1選取2N910，根據(jù)分壓原理和74LS04D的低電平有效值，R3取1 kΩ；反向器由74LS04D中的二組反向器組成，起整流作用[10]。

3）解碼電路的設(shè)計(jì)

DTMF雙音頻信號(hào)解碼電路是在按鍵電話、程控交換機(jī)、無線通信設(shè)備中應(yīng)用較廣泛的一種集成電路[11]。雙音多頻信號(hào)由高頻信號(hào)與低頻信號(hào)疊加而成，CCITT（國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)）和我國國家標(biāo)準(zhǔn)都明確規(guī)定了電話鍵盤按鍵與雙音多頻信號(hào)的對應(yīng)關(guān)系。經(jīng)MT8870芯片解碼的信號(hào)，會(huì)轉(zhuǎn)換成不同的碼制信號(hào)，能直接被單片機(jī)讀取。解碼電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 解碼電路

元器件選擇：C6為隔直電容，取100 nF；R15，R16是輸入平衡電阻，均取100 kΩ；R17是輸出平衡電阻，取350 kΩ；C7選取100 nF；U6A為74LS04D反相器；芯片U9選取MT8870[12]。

4）語音提電路的設(shè)計(jì)語音提示電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 語音提示電路

元器件選擇，R7、R8、R9、R10選取100 kΩ，起降壓保護(hù)語音芯片APR9600的作用；R14取470 kΩ和C3取4.7 μF組合是控制APR9600語音芯片自動(dòng)增益端口的增益，將增益控制在-15 dB到24 dB；電容C4選取100 nF，防止外部電源不穩(wěn)定對語音芯片的破壞；R12為震蕩電阻，此次選擇錄放音為60 s的語音芯片，規(guī)定電阻為44 kΩ；R11取100 kΩ，R13取5 kΩ，控制放大倍數(shù)A[13]。此電路中A=1+100K/5K=21。

5）電器控制電路的設(shè)計(jì)

該電路主要是主控單片機(jī)通過控制帶有繼電器的電源插座的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對家電的最終控制[14]。家用電器的控制電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 家用電器的控制電路

元器件選擇，LED為發(fā)光二極管，導(dǎo)通電流為5mA，工作電壓為1.66 V；R18起降壓限流作用，取500 Ω；晶體三極管選取BJT＿NPN＿VIRTUAL；二極管D4是為保護(hù)晶體三極管和繼電器開關(guān)的，取IN4446[15]。

6）控制系統(tǒng)總電路圖設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)總體電路圖設(shè)計(jì)如圖6所示。

1.3.3 Multisim仿真運(yùn)行結(jié)果

最后，將設(shè)計(jì)程序拷入Multisim軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖7所示，可見程序編寫正確，電路設(shè)計(jì)無誤，可以實(shí)現(xiàn)家用電器的遠(yuǎn)程控制。

2 結(jié) 論

本次設(shè)計(jì)的最大創(chuàng)新點(diǎn)在于利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離家用電器的遙控，使得控制的滯后性大大降低，同時(shí)由于現(xiàn)有的電話通信網(wǎng)絡(luò)的龐大，操作者所能控制的距離比其他類似控制系統(tǒng)大大增加；與此同時(shí)系統(tǒng)新增了語音提示功能，根據(jù)這些提示，操作者可以更清楚的知道自己操作到那一步、怎么操作；設(shè)置操作密碼驗(yàn)證功能，防止他人誤操作，使系統(tǒng)更安全；此外，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)并聯(lián)于話機(jī)兩端，不會(huì)影響到家用話機(jī)的正常使用。因此，通過對電話遠(yuǎn)程控制的研究使這一技術(shù)能早日應(yīng)用于老百姓的日常生活中，使人們的生活更加便利。

[1]亢健，陳亞棟，任秀偉，等.家用電器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（24）：66-68.

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圖6 電路總圖

圖7 Multisim仿真運(yùn)行結(jié)果

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The design of the household appliances remote control system

WANG Rui， HU Da-xiang
（College of Chemistry and Chemical Engineering，Shaanxi Key Laboratory of Chemical Resction Engineering，Yanan University，Yanan 716000，China）

Along with social progress，improved quality of life，it is hoped that can be a simple device，so even away from home can also operate home appliances，so you can enjoy the high efficiency and convenient life.Therefore，this article is designed based on the 8051 and use the telephone network to achieve the remote control of home appliances and systems.The system 8051 and MT8870 DTMF decoder core，supplemented by ringing detection circuitry，analog circuitry picking，voice prompts and household circuit control circuit to achieve its function，the user can use any one pair of tone multifrequency telephone （mobile phone or ext.），according to the voice prompts，the remote control to achieve a variety of household appliances.The system design features and practical，diverse，secure，high maneuverability，can be widely applied to intelligent control of the home or other place of intelligent home life has important theoretical reference value.

8051；telephone remote control；household appliances；design

TN802

A

1674－6236（2017）07-0106-05

2016-07-09稿件編號(hào)：201607077

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21377107）；延安大學(xué)自然科學(xué)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（YD2010-13）；延安大學(xué)校級(jí)科研計(jì)劃項(xiàng)目（YDQ2014—31）；延安大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（YD2012-15）；延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（YDHG2014-Z05）

王 瑞（1981—），女，陜西府谷人，碩士，講師。研究方向：自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。