基于CD4013及家用程控交换机的便捷家居控制系统的设计

　　［摘要］提出基于CD4013及家用程控交换机的便捷家居控制系统的设计。遥控发射信号或远程固定电话拨号为CD4013提供时钟脉冲，驱动CD4013输出控制信号，可以一键控制一种家用电器启停。家居出现漏水、火灾、煤气等险情时，检测电路发出异常信号，重拨留存的电话号码通知主人。

　　随着经济的发展和科技的进步，智能家居控制系统应运而生，大大方便了人们的日常生活，给现代的家居生活带来了很大的便利，但大部分智能家居控制系统操作复杂，硬件配置要求较高，对使用人群的素质要求较高，无形中影响了其广泛推广和普及使用。

　　基于CD4013及家用程控交换机的便捷家居控制系统的设计，实现一键操作某一设备的功能，并且用户可以远程随时通过拨打电话，实现对家居设备的控制，解决了原有智能家居控制系统操作的复杂性，其便捷操作更容易被众多人群所接受，特别会受到中老年人的喜爱。

　　1设计思想及总体方案

　　1．1组成框图及设计思想

　　当需要控制某个家用电器时，按动遥控器相应按键，接收电路就将相应指令送至电路的控制核心CD4013，由CD4013发出控制信号给相应的三极管驱动电路，驱动继电器吸合或释放，实现对家用电器电源的控制。电路的另一种控制方式是远程拨号控制，当我们拨打外线号码及程控交换机的分机号时，相应电路的CD4013就会接到控制脉冲，从而输出控制信号，使相应电路动作。电路的另一部分重要功能是家居环境监测，当发现卫生间或厨房有漏水、厨房煤气有泄漏、家里出现明火或烟雾等情况，可能对家居造成破坏时，及时拨打相应的分机号码通知主人，可以及时处理家里的险情，避免损失广大。

　　

　　图1整体控制系统框图

　　1．2器件组成方案

　　红外遥控发射和接收电路分别采用BA5048、BA5050配对集成电路，其中BA5048是发射编码电路，BA5050是接收解码电路。BA5048和BA5050配对使用可形成6路电平、10路脉冲和2路反相输出，可以满足需要。小型程控交换机采用CDX－108M，一外线八分机，可以实现八种家用电器的远程控制。在家居设备的终端，如厨房和卫生间安装煤气，烟雾、明火及漏水传感器，发现险情及时拨打电话通知主人，保证家居设备的安全。便捷家居控制系统的核心设备为CD4013，CD4013为双上升沿D触发器，每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q（__）输出，通过将Q（__）和D端相连，实现一键控制一种家用电器，非常便利。电路的终端采用常见的三极管驱动继电器电路，对家用电器的220V电源或直流电源实现控制。

　　2电路实现

　　2．1遥控电路

　　

　　图2遥控发射电路

　　图2为遥控发射电路，采用BA5048芯片组成的18键电路，18按键可以实现基本家用电器设备的控制操作，电路采用外接455KHz晶振，保证电路工作的基准频率，遥控发射红外二极管使用两只三极管驱动，保证输出功率足够。

　　

　　图3遥控接收电路

　　图3为遥控接收电路，采用BA5050芯片组成的6路电平（3－8脚）、10路脉冲（11－20脚）和2路反相输出（9，10脚），可以实现最多18路输出控制，电平和反相输出脚可以直接驱动相关电路动作，脉冲输出脚可以外接触发电路，控制过程更加灵活。本设计使用10路脉冲控制CD4013驱动相关电路，一键控制相关电路，同时方便家用程控交换机通过拨号控制家用电器。

　　2．2CD4013控制电路

　

　　图4CD4013基本控制电路

　　图4为CD4013构成的基本控制电路，Q（__）端和D端相连，达到单键控制驱动电路的通断，我们在时钟端CK输入控制脉冲，Q端就会输出高电平，驱动相关电路动作;再次输入控制脉冲，Q端输出低电平，停止驱动相关电路，再次输入控制脉冲又可以驱动，如此循环，实现一键式启停控制，操作简单方便。

　　这个电路可以实现对电灯、空调、饮水机、电视机等家电的电源控制。

　　需要正反转的电机控制电路

　

　　图5CD4013正反转的电机控制电路

　　图5为驱动正反转控制电路，类似基本控制电路，每个独立的CD4013都可以实现单键控制设备的启停，时钟端每输入一次脉冲，输出端启动或停止一次。如果两个D触发器驱动一个电机，达到电机正转和反转控制，就必须有自锁电路，防止电机在正（反）转过程中得到反（正）转控制信号，损坏电机。本电路增加两只二极管D6和D7，实现电机正反转的自锁功能。电机正转，13脚输出高电平，D6导通，4脚得到复位信号，1脚强制输出低电平，电机不可能得到反转信号，从而对电路起到保护作用，反转过程同样原理。

　　2．3位置开关控制电路

　　

　　图6位置开关控制电路

　　图6为窗帘等电路的位置开关控制电路，如果是窗户控制电路，只需将磁控干簧管换成微动开关即可。电机驱动相应设备运行至终点时，相应端的位置开关闭合，正电源通过位置开关加至该转向驱动集成电路CD4013的复位端Ｒ，使CD4013强制复位，输出低电平，电机停转。该电路还可以和光照度检测电路配合，实现光线暗时，自动关闭窗户和窗帘。

　　2．4输出驱动电路

　　

　　图7输出驱动电路

　　图7为输出驱动电路，来自CD4013的控制信号送至Q9的基极，控制Q9的通断，控制继电器K5的吸合或释放，对相关家用电器电源起到接通或断开的作用。本电路比以前的驱动电路安全性更高，在驱动电路后级增加了三极管Q10，当Q9截止瞬间，继电器电流会通过D5和Q10共同释放，实现对Q9的更安全保护。

　　2．5负载电源连接方法

　　负载电源连接方法如图8、9、10所示。

　

　　图8普通电源控制方式

　

　　图9负载为交流电动机的控制方式

　　

　　图10负载为直流电动机的控制方式

　　2．6程控交换机连接电路

　　

　　图11远程拨号控制电路

　　图11为远程拨号控制电路，电话线里的电压是变化的，既有直流也有交流。待机时，电话线里的电压是－48V直流，光电耦合电路没有输出。振铃时的电压是－48V直流和75V交流振铃脉冲，合110V峰值。75V交流振铃脉冲通过光电耦合电路，经220μF电容延时后（保证振铃信号的正确性），输出正向跳变信号，送到CD4013时钟端，促使CD4013输出跳变一次，驱动相关电路动作，实现远程控制家用电器。

　　

　　图12报警回拨电路

　　图12为远程报警回拨电路，煤气、漏水、火灾等报警电路输出的脉冲信号，经CD4013处理后驱动继电器K9吸合，接通免提键，同时K9触头接通，使三极管9015导通，K10吸合，重拨原设定号码给主人手机，方便采取相应行动，把损失减少到最低限度。因重拨键属触发式，所以过一段时间后，自动断开相关电路，延时时间取决于470Ω电阻和100μF电容，延时时间为47ms。

　　2．7家居环境检测电路

　　

　　图13漏水检测电路

　　图13为漏水检测电路，漏水感应板平放在地板的角落，家里出现漏水现象时，感应板的触点就会因为水而导通，驱动复合管导通，以较大电流促使继电器吸合，触发电话报警电路，电容可以起到防止误动作的作用，延时吸合继电器。煤气泄漏检测电路和火灾检测电路最终控制方式类似于漏水检测电路，这两种报警电路已经很常见，只需将电路末端的报警部分适当处理为远程拨号报警电路即可，本文不再详细描述。

　　3结语

　　本文基于CD4013及家用程控交换机的便捷家居控制系统的设计，完全实现对家居的便捷操作和控制，大大减小以往智能家居控制系统操作的复杂性，且本设计对使用人员素质要求不高，电路简单，成本较低，便于推广和普及。通过对遥控器1－18按键触发，相应终端继电器会有吸合动作，接入家电负载，控制相应家居设备;将固定电话改装后，引出相应连线至控制电路，当拨打电话时，相应继电器会有吸合动作;人为触发传感器动作，固定电话会重拨主人号码。经组合调试，各器件控制正常，实现预想功能。