基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)的電話遙控器

進(jìn)十年來(lái)，中國(guó)的固定電話業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出舉世矚目的快速增長(zhǎng)。1997年8月局用電話交換機(jī)總?cè)萘客黄?億門，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模躍居世界第二位，1999年7月固定電話用戶總數(shù)突破1億戶。
現(xiàn)代電話網(wǎng)絡(luò)是由交換機(jī)和電話傳輸線共同組成，它的性能已經(jīng)有了很大的進(jìn)展，而且可靠性非常高。
遙控技術(shù)是通過(guò)一定的手段對(duì)被控物體實(shí)施一定距離的控制，常用的方式有無(wú)線電遙控、有線遙控、紅外線和超聲波遙控等。無(wú)線電遙控既是利用無(wú)線電信號(hào)對(duì)被控物體實(shí)施遠(yuǎn)距離控制。無(wú)線電遙控不可避免的須占用一定的無(wú)線電頻率資源，造成電磁污染；常規(guī)的有線遙控需進(jìn)行專門的布線，增加了投入；而紅外線、超聲波遙控則受距離所限?，F(xiàn)有的遙控方式中，還有載波通信控制手段和基于無(wú)線尋呼的遙控方式。載波方式即通過(guò)電力線傳遞信息，該方式只能局限于同一變電所、同一變壓器所轄范圍內(nèi)。因此也存在距離問(wèn)題，應(yīng)用范圍有限?；跓o(wú)線尋呼的遙控方式利用了現(xiàn)有的尋呼頻率資源，不需占用額外的頻譜。而且，隨著尋呼網(wǎng)的全國(guó)聯(lián)網(wǎng)，其遙控的距離基本不受限制。但該方式的受控方動(dòng)作滯后于控制方的操作，不具備實(shí)時(shí)性，而且不具備很高的可靠性。
電話遙控器作為一較新的課題與常規(guī)的遙控方式相比，顯示出一定的優(yōu)越性，不需進(jìn)行專門的布線，不占用無(wú)線電頻率資源，避免了電磁污染。同時(shí)，由于電話線路各地聯(lián)網(wǎng)，可以充分利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)，因此遙控距離可跨省市，甚至跨越國(guó)家。
電話屬雙工通信手段。因此，這可以大大體現(xiàn)出利用電話進(jìn)行遙控的更大優(yōu)越性。操作者可以通過(guò)各種提示音即時(shí)了解受控對(duì)象的有關(guān)信息，從而進(jìn)行進(jìn)一步的操作。電話遙控這一課題目前已有涉足者，但是只是還只限于實(shí)驗(yàn)室階段，因而距離實(shí)際應(yīng)用，尤其是對(duì)于日常生活尚有一定的差距，并不能完全體現(xiàn)出電話遙控方式的雙工通信特點(diǎn)。本作品正是針對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行了較大改進(jìn)，采取單片機(jī)智能控制，利用不同的提示音達(dá)到對(duì)于不同操作的提示及對(duì)受控方狀態(tài)的信息反饋，從而使操作者能夠及時(shí)了解受控方信息，使產(chǎn)品達(dá)到交互式與智能化。而且本作品的調(diào)試都是在線調(diào)試，已經(jīng)在宿舍連接電話經(jīng)過(guò)真正的交換機(jī)實(shí)驗(yàn)并且成功。本作品的各種電器接口、各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都嚴(yán)格遵循國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為以后的產(chǎn)品化提供了良好的基礎(chǔ)。
作品為突出電話遙控的信息反饋功能，并使產(chǎn)品達(dá)到非常高性價(jià)比。故未對(duì)電話裝置的其他功能進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展，而且所有使用的集成電路和其它元器件都盡量選擇廉價(jià)的。在該作品的基礎(chǔ)上進(jìn)行了功能擴(kuò)展是很方便的。譬如:使用語(yǔ)音芯片作為信號(hào)音反饋，提高本作品的實(shí)用性（此次為了保證整體電路的廉價(jià)，所以并未使用語(yǔ)音芯片）。加上留言電路，主人不在家時(shí)客人留言。利用遙控方式可使主人很方便地在異地提取留言信息；在各路終端上接上傳感器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境聲響的監(jiān)聽；接上自動(dòng)撥碼電路可定時(shí)將預(yù)定信息轉(zhuǎn)至主人傳呼機(jī)或特定電話，從而達(dá)到定時(shí)提醒主人的目的。本作品還可以應(yīng)用于工廠企業(yè)的自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。

第一章 總體設(shè)計(jì)

電話遙控器由單片機(jī)構(gòu)成主控部分，進(jìn)行主要的信息處理，接收外部操作指令形成各種控制信號(hào)，并完成對(duì)于各種信息的記錄；接口電路提供單片機(jī)與電話外線的接口。其中包括鈴流檢測(cè)、摘掛機(jī)控制、忙音檢測(cè)、雙音頻DTMF識(shí)別，及語(yǔ)音提示電路。系統(tǒng)原理框圖如圖1.1所示

圖1.1
語(yǔ)音提示電路是該作品重要組成部分。為了降低本裝置的造價(jià)，作品的提示音使用程序產(chǎn)生。語(yǔ)音提示電路受單片機(jī)的控制產(chǎn)生相應(yīng)的提示音提示，并通過(guò)反饋電路反饋至電話外線。從而使操作者對(duì)電器的操作達(dá)到交互式，并能即時(shí)了解有關(guān)的信息；顯示電路用于狀態(tài)設(shè)置時(shí)的顯示；控制部分即受控的終端，如前所述，可通過(guò)接駁不同的終端并對(duì)電話進(jìn)行必要的改動(dòng)從而達(dá)到功能的擴(kuò)展。這一點(diǎn)，可使產(chǎn)品達(dá)到系列化。
本系統(tǒng)的每一個(gè)接口電路（振鈴檢測(cè)、模擬摘掛機(jī)、語(yǔ)音反饋、雙音頻解碼等）都已經(jīng)經(jīng)過(guò)實(shí)際的交換機(jī)在線實(shí)驗(yàn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。本系統(tǒng)使用最簡(jiǎn)單的電路、最便宜的電路芯片實(shí)現(xiàn)了完善的功能。本系統(tǒng)還有許多可以添加的功能，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)前景。
本裝置并聯(lián)于電話機(jī)的兩端，不會(huì)影響到電話機(jī)的正常使用。用戶通過(guò)異地的電話機(jī)撥通本裝置所連接外線的電話號(hào)碼，通過(guò)市局交換機(jī)向電話機(jī)發(fā)出振鈴信號(hào)。本裝置如果檢測(cè)到振鈴五次，即五次響鈴后無(wú)人接，自動(dòng)摘機(jī)，進(jìn)入密碼檢測(cè)，輸入正確后選擇被控制電器，然后輸入開或關(guān)進(jìn)行遙控電器，完成后返回。

第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行性分析

2.1 總體設(shè)計(jì)分析

根據(jù)電話遙控器的具體設(shè)計(jì)要求：

⑴ 通過(guò)電話網(wǎng)對(duì)異地的電器實(shí)現(xiàn)控制（開/關(guān)）；
⑵ 控制器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模擬摘掛機(jī)；
⑶ 控制器設(shè)置密碼校驗(yàn)；

我設(shè)計(jì)此系統(tǒng)必須具有以下單元功能模塊：

⑴ 鈴音檢測(cè)、計(jì)數(shù)；
⑵ 自動(dòng)摘掛機(jī)；
⑶ 密碼校驗(yàn)；
⑷ 在線修改密碼；
⑸ 雙音頻信號(hào)解碼；
⑹ 輸入信息分析；
⑺ 控制電器開關(guān)；
⑻ 電器狀態(tài)查詢；
⑼ 忙音檢測(cè)；

根據(jù)電話機(jī)和交換機(jī)發(fā)出的不同信號(hào)音以及電話線各種狀態(tài)的不同要求，我結(jié)合實(shí)際情況對(duì)具體的單元功能模塊作出軟件或硬件上的不同分工，具體如下。
理論上交換機(jī)所發(fā)出的各種信號(hào)音都可以通過(guò)軟件編程而識(shí)別，即通過(guò)單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)來(lái)檢測(cè)信號(hào)音單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算出其頻率，從而完成信號(hào)音識(shí)別。但是從系統(tǒng)的可靠性和程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分析，我選擇了硬件來(lái)解決振鈴音檢測(cè)、忙音檢測(cè)、雙音頻信號(hào)解碼等功能模塊。
自動(dòng)摘掛機(jī)和電器的控制必須使用具體硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
振鈴音計(jì)數(shù)、忙音計(jì)數(shù)、密碼校驗(yàn)、在線修改密碼、輸入信息分析、電器狀態(tài)查詢等功能模塊使用軟件編程方式要比硬件電路簡(jiǎn)單的多，實(shí)現(xiàn)也很容易。
綜上所述，我設(shè)計(jì)信號(hào)音檢測(cè)、自動(dòng)摘掛機(jī)、控制電器、雙音頻解碼等功能模塊使用硬件電路實(shí)現(xiàn)。而信號(hào)音計(jì)數(shù)、密碼校驗(yàn)、在線修改密碼、信息分析、電器狀態(tài)查詢等功能模塊使用軟件編程完成。
下面就硬件以及軟件實(shí)現(xiàn)的單元電路分別進(jìn)行具體分析。

2.2 硬件模塊

本作品使用了大量的硬件電路完成部分功能模塊，其目的就是充分利用硬件電路的可靠性、穩(wěn)定性，使整體電路達(dá)到比較高的穩(wěn)定性。

2.2.1自動(dòng)摘掛機(jī)

因?yàn)槌炭仉娫捊粨Q機(jī)對(duì)電話摘機(jī)的響應(yīng)是電話線回路電流突然變大為約30mA的電流，交換機(jī)檢測(cè)到回路電流變大就認(rèn)為電話機(jī)已經(jīng)摘機(jī)。自動(dòng)摘掛機(jī)電路可以通過(guò)單片機(jī)控制一個(gè)繼電器的開關(guān)，繼電器的控制端連接一個(gè)大約300Ω的電阻接入電話線兩端，從而完成模擬摘掛機(jī)。

2.2.2振鈴音的檢測(cè)

當(dāng)用戶被呼叫時(shí)，電話交換機(jī)發(fā)來(lái)鈴流信號(hào)。振鈴為25±3伏的正弦波，諧鈴失真不大于10%，電壓有效值90±15V。振鈴以5秒為周期，即1秒送，4秒斷。根據(jù)振鈴信號(hào)電壓比較高的特點(diǎn)，可以先使用高壓穩(wěn)壓二極管進(jìn)行降壓，然后輸入至光電耦合器。經(jīng)過(guò)光耦的隔離轉(zhuǎn)換，從光電耦合器輸出的波形是時(shí)通時(shí)斷的正弦波，經(jīng)過(guò)RC回路進(jìn)行濾波輸出很標(biāo)準(zhǔn)的方波。方波信號(hào)就可以直接輸出至單片機(jī)的中斷計(jì)數(shù)器輸入口，完成整個(gè)振鈴音檢測(cè)和計(jì)數(shù)的過(guò)程。

2.2.3控制電器

此部分比較簡(jiǎn)單，通過(guò)單片機(jī)控制多路繼電器的開關(guān)即可，常用的電路已經(jīng)很成熟，在此就不累述了。

2.2.4雙音頻解碼

此部分是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，它的工作情況直接決定了系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)過(guò)翻閱大量的文獻(xiàn)資料，我發(fā)現(xiàn)使用電話專用的雙音頻編解碼芯片進(jìn)行輸入雙音頻信號(hào)的解碼，是比較常用的一種方法。使用集成電路不但外圍電路簡(jiǎn)單，而且可靠性強(qiáng)。經(jīng)過(guò)專用集成電路的解碼，信號(hào)轉(zhuǎn)換成為不同的碼制信號(hào)，可以直接被單片機(jī)讀取。一般常用的電話雙音頻編解碼集成電路有8870、8880、8888等，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證比較，我決定使用雙音頻解碼集成片MT8870來(lái)完成此功能模塊。有關(guān)MT8870的詳細(xì)介紹請(qǐng)參閱本報(bào)告的附錄部分。

2.3 軟件模塊

經(jīng)過(guò)比較，我決定使用AT89C51作為控制的單片機(jī)芯片，具體有關(guān)AT89C51的介紹不在這里累述，其詳細(xì)資料請(qǐng)參閱本報(bào)告的附錄部分。

2.3.1信號(hào)音計(jì)數(shù)

本單元可以使用AT89C51的兩個(gè)計(jì)數(shù)器的外部中斷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信號(hào)音的計(jì)數(shù)。

2.3.2密碼檢測(cè)

本單元可以在系統(tǒng)初始化的時(shí)候，在單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器的內(nèi)部開辟一塊空間放置密碼。當(dāng)用戶輸入密碼的時(shí)候，單片機(jī)把輸入的密碼寫入另外的一塊空間，然后利用減法運(yùn)算比較兩者是否相等。這樣就可以實(shí)現(xiàn)密碼檢測(cè)的功能。

2.3.3 信號(hào)分析處理

本單元可以利用查表方式，也可以用簡(jiǎn)單的語(yǔ)句，稍微長(zhǎng)一點(diǎn)的語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)，例如CASE語(yǔ)句等。

經(jīng)過(guò)翻閱大量的技術(shù)資料，對(duì)具體要求實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行完整的系統(tǒng)分析，我認(rèn)為我的電話遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本符合實(shí)際情況，可以完成設(shè)計(jì)任務(wù)所要求實(shí)現(xiàn)的基本功能。 第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)

3.1 振鈴檢測(cè)電路

在電話線路未來(lái)鈴流前，電話線路由電話交換機(jī)提供大約48V的直流電壓。當(dāng)用戶被呼叫時(shí)，電話交換機(jī)發(fā)來(lái)鈴流信號(hào)。振鈴信號(hào)為25±3伏的正弦波，諧鈴失真不大于10%，電壓有效值90±15V。振鈴以5秒為周期，即1秒送，4秒斷。
在本電路檢測(cè)鈴流信號(hào)時(shí)，以五次鈴響為準(zhǔn)，即五次振鈴后無(wú)人摘機(jī)，便由單片機(jī)控制自動(dòng)模擬摘機(jī)。

圖3.1
原理說(shuō)明：

電話振鈴信號(hào)通過(guò)電容C1隔直、D1穩(wěn)壓二極管、R1限流電阻輸入至光電耦合器4N25的輸入端1口，C1、D1和R1共同組成振鈴信號(hào)變換電路，它們使輸入電壓和電流不會(huì)太大，對(duì)后面的光電耦合器起保護(hù)作用。光電耦合器4N25起的是隔離作用，光電耦合器是一種電信號(hào)的耦合器件，它一般是將發(fā)光二極管和光敏三極管的光路耦合在一起，輸入和輸出之間不可共地，輸入電信號(hào)加于發(fā)光二極管上，輸出信號(hào)由光敏三極管取出。
光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，它不僅使信息發(fā)出端（一次側(cè)）與信息接收并輸出端（二次側(cè)）是絕緣的，從而對(duì)地電位差干擾有很強(qiáng)的抑制能力，而且有很強(qiáng)的抑制電磁干擾能力。速度高、價(jià)格低、接口簡(jiǎn)單。
振鈴信號(hào)通過(guò)光耦4N25的4腳輸出振鈴正弦波，R2和C2共同組成濾波電路，信號(hào)到了開關(guān)三極管T1的基極就變成了方波。經(jīng)過(guò)三個(gè)反向器的整形輸出到單片機(jī)AT89C51的T0/P3.4口，中斷方式采用外部中斷，計(jì)數(shù)5次產(chǎn)生T0中斷，控制繼電器模擬摘機(jī)，完成振鈴音檢測(cè)。