家用電器遠程控制系統(tǒng)的設計

王瑞，胡達祥（延安大學 化學與化工學院 陜西省化學反應工程重點實驗室，陜西 延安716000）

家用電器遠程控制系統(tǒng)的設計

王瑞，胡達祥
（延安大學 化學與化工學院 陜西省化學反應工程重點實驗室，陜西 延安716000）

隨著社會的進步，生活質(zhì)量的提高，人們希望可以通過一套簡單的設備，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，本文設計了一種基于8051單片機且利用電話網(wǎng)絡來實現(xiàn)對家用電器進行遠程控制的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以8051單片機和MT8870雙音多頻解碼器為核心，輔以振鈴檢測電路、模擬摘機電路、語音提示電路及家用控制電路來實現(xiàn)其功能，用戶可以通過任意一部手機或電話分機，根據(jù)設定的程序，實現(xiàn)遠程電路控制。該系統(tǒng)的設計功能實用、多樣、安全、可操作性高，可以廣泛地應用到家庭或其它場所的智能控制，對實現(xiàn)智能化家居生活具有重要的理論參考價值。

8051單片機；遠程電話控制；家用電器；設計

遠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、實時控制等方面仍存在很大的進步空間[1]。因此，此次設計對應地做了很大的改進，設計中遠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，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，由于電話線路已經(jīng)實現(xiàn)全國各地聯(lián)網(wǎng)，這樣就能使用現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡，進行遠距離的控制。又因為電話屬于全雙工通信手段，控制者便可通過各種提示音了解被控制對象的實時信息，實現(xiàn)及時控制[2]。本次設計的家電遠程控制系統(tǒng)在某種程度上不僅可以滿足人們的需求，且方法簡單實用，具有很好的發(fā)展前景。

1 控制系統(tǒng)的設計及模擬仿真

1.1 總體設計內(nèi)容

家用電器遠程控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容是用單片機作為中央處理器，輔以能夠檢測到電話來電時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)在鈴聲響起一段時間后自動摘掛機的模擬摘機電路；能夠接收外來信號并進行解碼和翻譯的DTMF雙音頻解碼電路和能夠控制家電開關的控制電路等，根據(jù)設定程序，通過接收外部操作指令，系統(tǒng)進行主要的信息處理，然后形成各種控制信號，控制系統(tǒng)各部分進行工作，以實現(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/關進行控制，通過語音提示，根據(jù)時間電話可以自動摘掛，此外還可以設置密碼驗證，以防止他人誤操作，達到保護家中電器的安全。

1.2 硬件設計

根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)用作控制核心的單片機芯片的型號是8051[3]，選用能接收DTMF信號，且能解出按鍵值，實現(xiàn)后續(xù)操作的MT8870解碼芯片[4]；語音芯片應具有可錄放時間長，有內(nèi)部存儲功能，語音播放時間速度可調(diào)等特點[5]，經(jīng)過查閱相關資料，最后選用APR9600語音芯片。

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

1.3 軟件設計

1.3.1 控制系統(tǒng)的工作原理

整個控制系統(tǒng)的工作原理為：當給系統(tǒng)通上電，單片機復位，開始工作，若電話有來電（有響鈴）時，響鈴檢測電路將產(chǎn)生1：4的方波，從8051單片機的外部計數(shù)端輸入，在程序控制下計數(shù)，當響鈴次數(shù)為10次時（約50 s）若沒有人接聽，表明家里沒人，系統(tǒng)一方面啟動語音提醒電路，發(fā)出“歡迎使用電話遠程智能控制系統(tǒng)，請輸入用戶密碼”；另一方面，發(fā)出主動摘機的信號，經(jīng)摘掛機控制的開關電路與DTMF（雙音多頻）譯碼電路接通，對傳遞的信號進行譯碼，譯碼信號以四位二進制的形式輸出，再從8051單片機的I/O口輸入，單片機對輸入的二進制數(shù)與預設的密碼對照，如相同，則發(fā)出“密碼正確，請輸入電器號”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，掛機請按S，繼續(xù)操作請輸入電器號”按“2”，表示第2路開......以此類推，出于實際的安全考慮，一般設定3-5路開關。如果有人在默認的響鈴次數(shù)之前接聽了電話，就不會進入電話遙控模式，因此不會影響電話的正常使用。如輸入密碼與預設密碼不同，則會發(fā)出“密碼錯誤，請重新輸入”的提示音，若連續(xù)輸錯三次，電話就會自動掛斷。系統(tǒng)只有在接收到正確的用戶密碼才能進行下一步的操作權，這個類似于在自動取款機上取錢的過程。

根據(jù)系統(tǒng)總體設計要求，編寫運行程序，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計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，實現(xiàn)了“軟件即元器件”。它是一個原理電路設計、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。在進行仿真的同時，軟件還可以存儲測試點的所有數(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]。故本次設計中采用Multisim軟件對控制系統(tǒng)的模擬摘機電路、振鈴檢測電路、解碼電路、語音提示電路、電氣控制電路等進行仿真模擬。

1）模擬摘機電路的設計

用戶話機的摘機狀態(tài)，是經(jīng)由直流環(huán)路上的電流的通斷來實現(xiàn)的。話機閑暇時，直流環(huán)路是斷開的，饋電電流為0；摘機之后，直流環(huán)路接通，饋電電流達到200 mA以上。因為程控交換機對電話摘機的響應，會使電話線回路電流突然變?yōu)榇蠹s30 mA，所以交換機檢測到回路電流變化就認為電話已經(jīng)摘機[7]。摘機后，話機接上約200 Ω的負載，模擬摘機電路如圖1所示。

元器件選擇：K1是直流繼電器控制開關，取DC5V；D1是二極管對繼電器起反向保護作用，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和減小外接電源變化對單片機的影響的作用；R6和74LS04D起降壓和限流作用；T1為小音頻變壓器，作用是感應變壓輸出[8]。

圖1 模擬摘機電路

2）振鈴檢測電路的設計

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，電話交換機將會發(fā)來振鈴信號。信號為25±3 Hz的正弦波，失真≤10%，電壓有效值90 V。信號以6 s（1 s送，5 s斷）為周期[9]。電路檢測振鈴信號時，會以振鈴10次為基準，10次振鈴后將會自動摘機。振鈴檢測電路設計如圖2所示。

圖2 振鈴檢測電路

元器件選擇：C1為隔直電容，因為振鈴信號頻率比較低，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共同組成振鈴信號音濾波電路，依據(jù)電話振鈴的技術指標：頻率 25 Hz的正弦波，1 s通，4 s斷，τ=RC可推得0.02＜τ＜4 s。為讓振鈴信號輸出較好的方波波形，計算后選取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構成模擬開關電路，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）解碼電路的設計

DTMF雙音頻信號解碼電路是在按鍵電話、程控交換機、無線通信設備中應用較廣泛的一種集成電路[11]。雙音多頻信號由高頻信號與低頻信號疊加而成，CCITT（國際電報電話咨詢委員會）和我國國家標準都明確規(guī)定了電話鍵盤按鍵與雙音多頻信號的對應關系。經(jīng)MT8870芯片解碼的信號，會轉(zhuǎn)換成不同的碼制信號，能直接被單片機讀取。解碼電路設計如圖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）語音提電路的設計語音提示電路設計如圖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）電器控制電路的設計

該電路主要是主控單片機通過控制帶有繼電器的電源插座的開關來實現(xiàn)對家電的最終控制[14]。家用電器的控制電路設計如圖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是為保護晶體三極管和繼電器開關的，取IN4446[15]。

6）控制系統(tǒng)總電路圖設計

控制系統(tǒng)總體電路圖設計如圖6所示。

1.3.3 Multisim仿真運行結(jié)果

最后，將設計程序拷入Multisim軟件進行模擬，結(jié)果如圖7所示，可見程序編寫正確，電路設計無誤，可以實現(xiàn)家用電器的遠程控制。

2 結(jié) 論

本次設計的最大創(chuàng)新點在于利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡進行遠距離家用電器的遙控，使得控制的滯后性大大降低，同時由于現(xiàn)有的電話通信網(wǎng)絡的龐大，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；設置操作密碼驗證功能，防止他人誤操作，使系統(tǒng)更安全；此外，本設計系統(tǒng)并聯(lián)于話機兩端，不會影響到家用話機的正常使用。因此，通過對電話遠程控制的研究使這一技術能早日應用于老百姓的日常生活中，使人們的生活更加便利。

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圖6 電路總圖

圖7 Multisim仿真運行結(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：201607077

國家自然科學基金項目（21377107）；延安大學自然科學專項科研基金項目（YD2010-13）；延安大學校級科研計劃項目（YDQ2014—31）；延安大學教學改革研究項目（YD2012-15）；延安大學化學與化工學院專項科研計劃項目（YDHG2014-Z05）

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