基于单片机控制的多功能门铃23191.pdf

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1、 I II 基于单片机控制的多功 III 摘 要 本设计中，我们采用了单片机控制多模块的方式。硬件部分由语音控制模块、红外探测模块、键盘输入模块、开灯模块和报警模块五大部分组成。具体实施办法是：以单片机 STC89C51 为核心，通过键盘向单片机输入指令，再由单片机控制语音芯片 ISD1420 模块、开灯模块和报警模块，输出不同的响应结果。本文首先在绪论介绍了此系统的研究意义。在第 1 章里，论述了系统构成理论，确定了单片机的任务内容。第 2 章着重介绍了系统中所使用的硬件芯片的功能与特性、硬件的电路设计，在第 3 章中重点剖析了软件设计的过程，第 4 章是产品的调试，排除设计上的错误，完善设

2、计,同时附上硬件原理图、PCB 板图及总程序。关键词：单片机 ISD1420 语音芯片 报警 红外探测 IV 目 录 摘 要.II 1 绪 论.1 2 系统方案设计.2 2.1 整体方案设计.2 3 系统硬件电路.3 3.1 主控制器.3 3.2 ISD1420 语音芯片.4 3.3 红外探测系统.6 3.4 放大器.7 3.5 报警器.7 3.6 继电器.8 3.7 电源部分.9 3.8 输入模块.9 4 系统软件设计.11 4.1 软件整体设计.11 5 软件调试.13 5.1 软件调试.13 结 论.16 致 谢.错误!未定义书签。参考文献.17 1 1 绪 论 单片微机的出现是计算机技

3、术发展史上的一个重要的里程碑，它让计算机从海量的数值计算进入到智能化控制领域。作为 21 世纪的工科大学生，不仅要熟练地使用通用微机进行各种数据处理，还要把计算机技术运用到专业领域或相关领域，即具有“开发”能力。随着技术的发展，单片机作为小型智能化控制设备得到了越来越多的用途，特别是以单片机为核心的控制设备得到了实用性的发展，越来越用于社会和大众生活。作为智能化的门铃，拥有留言、报警和红外探测多种功能，实用性高，适用于批量化和小型化生产。设计中门铃要求为无线门铃，检测有人自动照明，人长时间在门口报警，并开启联动开关，同时有录音留言功能，如：有挂号邮件，提示缴纳水电费等。本设计中，我们采用了单片

4、机控制多模块的方式。硬件部分由语音控制模块、红外探测模块、键盘输入模块、开灯模块和报警模块五大部分组成。具体实施办法是：以单片机 STC89S51 为核心，通过键盘向单片机输入指令，再由单片机控制语音芯片 ISD1420 模块、开灯模块和报警模块，输出不同的响应结果。对应硬件的 5 个模块，设计中的软件部分也分为对应的 5 个模块，它指导硬件完成工作。2 2 系统方案设计 2.1 整体方案设计 本设计包括硬件和软件设计两个部分。整个系统由四个部分组成,分别是红外探测部分、语音控制部分、报警部分和交流电灯开关部分。红外探测部分采用的是电子狗的接收部分；语音控制部分主要由 STC89C51 单片机

5、和 ISD1420 语音芯片组成；报警部分采用的是蜂鸣器；交流电灯开关由继电器以及相关电路组成。系统结构框图如图 1 所示。图 1 系统结构框图 3 3 系统硬件电路 3.1 主控制器 AT89C51 单片机增加了 8K 系统可编程 Flash 存储器，使其应用领域更加的广泛，而且性能和稳定性也比之前的系列提高了很多。这一款单片机以其超稳定性能和低廉的价格以及极其方便的编程开发迅速占领了许多市场，4 组 IO 口，512 字节的 RAM和 3 个 16 位定时计数器。此 4 组 32 位 IO 口为全双工串行口，极大的满足了开发者对单片机 IO 口的需求。4 组 32 位 IO 口中只有 P0

6、 的 8 个 IO 口没有上拉电阻，在扩展的时候作为低 8 位地址。关于 AT89C51 单片机部分引脚，其中时钟源有 18 和 19 引脚输入，本设计外界时钟源为 12M 晶振；复位电路所接的引脚如图 3.1 中 RST，复位的时候需要两个机器周期以上的高电平；AT89C51 外接 12M 晶振的时候，机器周期由 12 个分频的 6个状态组成，所以此时的机器周期为 1s，在复位期间第九引脚接通备用电源保持RAM 数据不受破坏；在图 3.1 中的 ALE 即第三十脚作为第一功能引脚的时候，当引脚上产生负跳变的时候，将 8 位地址送到锁存器中，而访问内部的时候，ALE 仍以1/6 振荡频率输出，

7、即两个机器周期指出现一次 ALE 信号，第三十引脚用于编程脉冲输入端；图 3.1 中的 EA 即第三十一引脚控制系统上电后是访问外部还是访问内部程序存储器，接高的时候访先访问内部，如果内部空间不够再访问外部，而接低的时候直接访问外部。具体引脚图如图 3.1 单片机引脚说明所示。4 图 2 单片机引脚图 图 3 单片机最小系统原理图 3.2 ISD1420 语音芯片 (1)ISD1420 芯片引脚及结构：ISD1110/ISD1420 系列单片录放时间为最长 20 秒，音质好。芯片采用 CMOS 技术，内含震荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及 EEPROM

8、阵列。最小的录放系统仅需麦克风、喇叭、两个按钮、电源及少数电阻电容。在录放操作结束后，芯片自动进入低功耗节电模式、功耗仅 0.5uA。本设计中选用的语音存储/再生芯片 ISD1420，该芯片采用 EEPROM 存储方法将模拟语音数据直接写入半导体存储单元中，具有音质自然、可反复录放、抗干扰、低功耗等许多优点。ISD1420 放音时间为 20 秒；最多可分为 160 段，每段段长最少125ms；输入采样 6.4kHz；100000 次录音周期；5V 单电源供电，放音电流 15mA，维持电流 0.5A。完全满足设计需要。使用 28 引脚的 DIP 封装芯片。其特点为：使用方便的单片录音系统，外部元

9、件最少。重现优质原声，没有常见的背景噪音。放音可由边沿或电平触发。无耗电信息存储，省掉备用电池。信息可保存 100 年，可反复录放 100 万次。无需专用编程或开发系统。5 较强的分段选址能力可处理多达 160 段信息。具有自动节电模式。录或放后立即进入维持状态，仅需 0.5uA 电流。单一 5 伏电源供电。其电特性为：工作电压：5V 静态电流：典型值 0.5uA，最大值 2uA 工作电流：典型值 15mA，最大值 30mA（16 欧姆）芯片引脚见图 2-2。1234567891011121314A0A1A2A3A4A5NCNCA6A7NCVSSD VSSA SP+28272625242322

10、21201918171615VCCDRECXCLKRECLEDPLAYEPLAYLNCAna OutAna InAGCMic RefMicVCCASP-IC 图 4 ISD1420 语音芯片引脚 电源（VCCA，VCCD）芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并且分别引到外封装上，这样可使噪声最小。模拟和数字电源端最好分别走线，尽可能在靠近供电端处相连，而去偶电容应量靠近芯片。地线（VSSA，VSSD）芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线，这两个脚最好在引脚焊盘上相连。录音（/REC）低电平有效。只要/REC 变低（不管芯片处在节电状态还是正在放音），芯片即开始录音。录音期间，/RE

11、C 必须保持为低。/REC 变高或内存录满后，录音周期结束，芯片自动写入一个信息结束标志（EOM），使以后的重放操作可发及时停止。之后芯片自动进入节电状态。注：/REC 的上升沿有 50 毫秒防颤，防止芯 6 片自动进入节电状态。边沿触发放音（/PLAYE）此端出现下降沿时，芯片开始放音。放音持续到 EOM 标志或内存结束，之后芯片自动进入节电状态。开始放音后，可以释放/PLAYE。图 5 语音模块电路 3.3 红外探测系统 本电路是将人体辐射的红外线转变为电信号。热释红外感应 2 脚输入到前置放大器 OP1 进行放大，然后由 C4 耦合给运算放大器 OP2 进行第二级放大。再经过电压比较器

12、COP1 和 COP2 构成双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延时时间定时器输出信号在经过 R3 进入单片机部分进行处理。延时周期可通过 R12 来调节输出，在延时时间内只要 Vs 发生上跳变，Vo 就会从 Vs 上跳变时刻起继续延长一个周期，而电路中的电容为了能够更好的控制了芯片内的定时器，若 Vs 一直保持为高电平，这样就可以通过 P10 传输到单片机内进行下一步处理。而根据不同的距离要求来调节 R13，最大可以调节到 7 米左右。图中 BISS0001 中 1 脚用跳线连连接住一个接高电平后，在延时时间段内如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才将高电平变

13、为低电平，本电路设计就是可触发方式。7 图 6 热释电红外电路 3.4 放大器 D 类放大器所也称“数字音频放大器”采用的技术其实就是脉宽调制技术PWM(Pulse Width Modulation)。所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。本设计中采用的是放大增益为 20的电路，如图 2-5 所示。实际电路调试中，声音很小，将 1 脚和 8 脚间加一个 10uF 的电解电容，7 脚改接+5V 后声音变大。具体可见附录 1 的原理图。图 7 LMS386 应用电路图 3.5 报警器 本设计中采用电磁式

14、蜂鸣器作为报警器。电磁式蜂鸣器由振荡器，电磁线圈，磁铁，振荡膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁 8 线圈，使电磁线圈产生磁场，振荡膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性的振动发声。图 8 蜂鸣器报警电路图 3.6 继电器 电磁式继电器一般是由铁心，线圈，衔铁，触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁心，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后电磁的吸力也随之消失。衔铁就会在弹簧的反作用力作用下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常开触点）吸

15、合。这样吸合，释放，从而达到了在 电路中的导通，切断的目的。9 图 9 继电器电路 3.7 电源部分 如错误!未找到引用源。所示。主电源由 D63、D64、D67、D68 组成的整流桥、电容和 LM7805 组成。其中整流二极管能够很好的将交流电变为直流电，然后经过输入电容 C9 和 C8 之后输入到 LM7805 中。其中的 C9 和 C8 用于抑制纹波。图 10 电源模块电路图 经过 LM7805 之后输出到电容 C11 和 C10，输出电容 C11 和 C10 的存在在放电的时候容易损坏稳压器。在电源模块中 D66 作为指示灯用，亮的时候说明两端有电压存在。正常情况下由主电源供电，D62

16、 两端的电压相同，又因为 D62 单向导电性且 D62 无法反向击穿，使其备用电源无法供电。当突然发生断电事故的时候，D62的正极端失去电压，此时 D62 反向击穿为系统供电，从而自动切换到备用电源供电，保证了时间等数据得以保存不丢失，同时也能保证系统不间断的工作。3.8 输入模块 输入模块包括按键，红外探测和门磁开关（简易开关代替）。键盘输入具体设计如图 28 所示。键盘一端接地，另一端接与+5V 相连的电阻，在电阻与按键之间抽头和单片机的某个端口相连。这样，按下按键的时候，该端口为高电平，按下按键后，该端口为低电平。通过端口电位的变化来判断按键是否按下,从而调用不同的功能6。其中，按键 1

17、 为门铃按键，按键 2 为客人留言按键，按键 3 为主人放音按键。10 K1K2K3GND1 2 3 4 5 6 7 8 9PR9VCCEAHRP3.2P3.1P3.0 图 11 键盘输入模块 11 4 系统软件设计 本设计选择 C 语言作为编程语言。C 语言虽然执行效率没有汇编语言高，但语言简洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类型丰富，具有结构化的控制语句，程序设计自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特点。但是汇编语言编写的时候非常难懂，所以根本不是很容易上手。本设计选用了 Keil作为编程软件，Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧

18、凑，容易理解。4.1 软件整体设计 本设计整体软件设计主要包括：软件初始化、键盘扫面、语音模块控制、报警控制、继电器控制、人体感应信号识别等。本设计的主程序主要完成了各个子模块的初始化工作，单片机扫描按键、识别人体感应信号、执行相应的操作。，见错误!未找到引用源。所示 12 图 12 软件设计流程图 13 5 软件调试 5.1 软件调试 在 Keil 编写好的代码,通过编译后，下载到单片机。我们只能看到两种结果，第一实验成功，展现出我们想要的效果；第二实验不成功，什么效果都没有看到。失败的原因是什么，通过硬件测试，我们无法看到代码在单片机内部里面如何运行、变量是如何传递、变量的变化情况等等。K

19、eil 软件里面是提供了软件仿真调试功能。第一步：确认写好的程序能通过编译。然后点击“Debug”Start/Stop Debug Session进入调试模式。如下图操作所示：第二步：调出观察窗口（用来设置要观察变量的设置窗口）；点击“View”Watch Window。如下图操所示：14 第三步：弹出的“Watch“窗口，如下图所示：第四步：在弹出的”Watch“窗口中设置要要观察的变量，点击”Watch#1“双击type F2 to edit输入要观察的变量名，在这里我要观察的是 P11,具体操作如下：第五步：点击”单步调试“按钮，点击一次，同时观察”Watch“窗口 shidu 变量的变

20、化情况。如下图所示：15 第六步：再一次点击”单步调试“按钮。同时观察”Watch“窗口 shidu 变量的变化情况。通过观察变量的变化情况，将软件调试成功，最终达到系统设计要求。16 结 论 本设计中，我们采用了单片机控制多模块的方式。硬件部分由语音控制模块、红外探测模块、键盘输入模块、开灯模块和报警模块五大部分组成。具体实施办法是：以单片机 STC89C51 为核心，通过键盘向单片机输入指令，再由单片机控制语音芯片 ISD1420 模块、开灯模块和报警模块，输出不同的响应结果。对应硬件的 5 个模块，设计中的软件部分也分为对应的 5 个模块，它指导硬件完成工作。毕业设计是动手和动脑的过程,

21、在这次的毕业设计中我受益非浅,不单单学到的是如何去学习这个课题,还有整个项目的流程,分析问题和解决问题能力的提高。从老师身上和同学的沟通中，学到了学习要刻苦钻研的精神和互帮互助的友情可贵。本课题主要实现了以单片机为核心控制部分，控制各个功能块的小智能系统。设计中我仔细收集资料和阅读相关书籍，从开始的空白变成成品，确实收获不少。本设计的优点是：功能多、用途广、实用性强。由于时间的问题，我还未将所有功能加以完善，我觉得根据市场需要，可加装显示部分和人工控制部分，还可将门铃和防盗门安装为一体，以提高市场价值。真正实现门铃的多功能化、智能化和实用化。17 参考文献 1 AT89C52 Data She

22、et, 2 窦振中，汪立森.PIC 系列单片机应用设计与实力.第一版.北京航空航天大学出版社，1999：259-271 3 朱定华，戴汝平单片微机原理与应用第一版.清华大学出版社,北方交通大学出版社，2003：81150，193199 4 求是科学.PIC 单片机典型模块设计实力导航.第一版.人民邮电出版社，2005：15-24 5 陈明荧.8051 单片机课程设计实训教材.第一版.清华大学出版社，2004 249-256 6 陈小忠，黄宁，赵小侠.第一版.单片机接口技术实用子程序.人民邮电出版社，2005：186-202 7 边春远，王志远.第一版.MCS-51 单片机应用开发实用子程序.第一版.人民邮电出版社.2005：67，270-273 8 沙古友，王彦明，孟志永.第一版.单片机外围电路设计.电子工业出版社.2003：233-234 9 何立民 MCS-51 系列单片机应用系统设计 第一版.北京航空航天大学出版社，1992：520，100150 10 张义和，陈敌北.例说 8051.第一版.人民邮电出版社，2006：112-171