毕业论文-基于单片机的自动语音欢迎系统设计.doc

长春理工大学本科毕业设计 I 编号编号 本科生毕业设计本科生毕业设计 基于基于 AVR 单片机的自动语音欢迎系统单片机的自动语音欢迎系统 Automatic Pronunciation System Based on AVR Processor 二二一二年六月一二年六月 长春理工大学本科毕业设计 II 摘摘 要要 本文主要阐述的是基于 AVR 单片机的自动语音欢迎系统，利用 ATmega16 单片机作为控制器，实现对 ISD1400 语音芯片的控制从而实现语音播放。 自动感应和自动控制是本设计的两个关键内容。自动感应和信号放大模块 是热释电红外传感器将检测到的人体红外信号转换成电信号，通过专用电路 OT0001 对信号二级放大。自动控制模块是利用 AVR 单片机的外部中断引脚和 数据控制引脚来实现语音芯片电路的控制。当单片机中断引脚接受到的是高电 平时,则通过控制程序控制语音芯片的语音回放 关键词：热释电红外传感器 OT0001 AVR 语音芯片 ISD1400 长春理工大学本科毕业设计 III Abstract This article focuses on the system of automatic speech welcomed based on the AVR microcontroller . The ATmega16 microcontroller as a micro controller control the ISD1400 voice chip to realisze voice broadcasting. Automatic sensing and automatic control are the two key elements of this design. Automatic sensing and signal amplifier module will turn the pyroelectric infrared sensor detection of the infrared signal to human body into electrical signal, through the special circuit OT0001 makes the signal level 2 enlarged. Automatic control module uses of AVR microcontroller external interruption pin and data control pin to achieve the control of the voice chip circuit.When the microcontroller interrupt pin receives the high level, the microcontroller controls program to realisze voice broadcasting. Keywords: Pvroelectricinfraredsensor;OT0001 ;AVR; Pronunciation chip ISD1400 长春理工大学本科毕业设计 I 目目 录录 摘 要.I ABSTRACT.II 第 1 章 绪 论.1 1.1 课题意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 本文主要内容 2 第 2 章 系统方案设计.3 2.1 单片机选型.3 2.2 语音模块.4 2.3 传感器.5 第 3 章 系统模块原理简介.6 3.1 ATMEGA16 单片机简介.6 3.1.1 芯片特点 6 3.1.2 工作模式 6 3.1.3 引脚图及介绍 6 3.1.4 AVR 单片机的复位和中断处理.7 3.2 热释电传感器介绍 .10 3.2.1 菲涅尔透镜 .10 3.2.2 热释电传感器的原理 .10 3.2.3 热释电传感器的内部结构 .11 3.2.4 引脚说明 .11 3.2.5 热释电传感器输出特性 .12 3.3 OT0001 信号处理集成芯片介绍.13 3.3.1 OT0001 芯片特点.13 3.3.2 OT0001 引脚.13 3.3.3 内部框图 .13 3.3.4 工作原理 .14 3.4 ISD1400 语音芯片介绍15 3.4.1 概述 .15 3.4.2 ISD1420 特性15 3.4.3 功能描述 .16 3.4.4 管脚图及描述 .16 长春理工大学本科毕业设计 II 3.4.5 操作模式 .18 第 4 章 系统的硬件设计21 4.1 ATMEGA16 最小系统21 4.1.1 复位电路22 4.1.2 晶振电路22 4.2 信号放大电路23 4.3 语音控制电路23 4.4 电源电路24 第 5 章 自动语音欢迎系统软件设计25 5.1 主程序流程25 5.2 中断服务程序流程26 5.3 语音播放流程 .26 结 论.27 致 谢.28 参考文献.29 附录.30 长春理工大学本科毕业设计 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 课题意义课题意义 在电子技术与数字化技术发展的今天，开发这种服务质量好、智能化程度 高、经济实用的自动语音欢迎系统，不仅便于统一管理，而且能减少人力资 源，还对环境改善、提高经济效益都有着显著的效果。给我们的生活带来极 大的便利。 自动语音欢迎系统是通过热释电传感器将人体发出特定波长 10m 左右的 红外线转化为电信号，经过热释电红外线传感信号处理器对信号进行两次放大， 产生对 AVR 单片机的触发信号，使 AVR 单片机产生中断，控制 ISD1400 语音 芯片实现语音回放。 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 随着科学技术的进步， 现代电子技术几乎在各个领域受到青睐。近年来， 西方发达国家运用电子技术研制出各类，广泛欢迎系统，用于家庭，办公室和 工厂，成为有效的欢迎器件。我国自改革开放以来， 由于商品经济迅速发展和 人民生活日益改善，人们对于先进的电子技术实现迎宾的兴趣和需求与日俱增， 当前市场上迫切需要一种适合我国国情，价格低廉，性能可靠的欢迎装置，具 有结构简单、成本低廉、调整方便等特点。 适合在家庭、宾馆、商店、仓库、 办公室及其它机关部门等使用的新颖感应欢迎器5。 自动语音欢迎系统的前身就是 电子防盗报警器，事先人们用它来防盗的， 但后来因为电子防盗报警器发出的声音是刺耳的报警声，对进店的顾客产生 消极的影响，后来演变成比较悦耳的声音，特别是：叮咚声，您好，欢迎光 临，音效特受用户的青睐，顾客一进门就报出欢迎语音，起到了礼貌问候， 从而做到提醒店员有人进店和迎宾的两重作用。 近年来欢迎系统有光感应式，它原理是：利用人体反射光线，光敏电 阻得到足够大变化的光线， 使电路产生变化电流触发电路， 其灵敏度跟物 体反射率有关 。虽然光感的价格比较便宜，但误报率高，黑暗情况下不能正 常使用。 目前热释电红外传感器是应用在欢迎系统中最普遍的 ，在传感器顶端 开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为 710um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光 片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。 优点是误报极少，加上前面的菲涅尔透镜窗口，从而将误报率降至最低。 这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其 长春理工大学本科毕业设计 2 它红外辐射拒之门外，它已迅速成为现代欢迎系统的主流。 总之，未来几年自动欢迎系统的发展趋势是：产品技术将在数字化、无线 化、集成化的前提下力求突破。而在应用市场上，它将朝更细化的方向前进 针对不同市场，推出不同产品。以成长最快的公共场合超市为例，已经有专 为超市设计的定向适合这种场合用的无线红外欢迎系统。而除了商店，家庭， 办公室等，室外应用更是具有广阔的拓展空间 1.31.3 本文主要内容本文主要内容 自动欢迎系统的实现主要是通过探测人体的红外信号经热释电红外传感器 处理，处理后的信号送到主控模块单片机，单片机根据触发信号控制语音模块 的语音播放。 该系统的主要选用其它器件有： 热释电红外传感器它能以非接触方式检测出来自人体发出的红外辐射，将 其转化成电信号输出，并可有效控制人体辐射以外的干扰辐射 ATmega16 它可以利用精简的机器级指令，而使运行速度更快。优化硬件 控制意味着在机器级指令集中提供了方便简捷的指令，使控制 I/O 设备变的更 简单，容易。 ISD1400 是一种采用 ChipCorder 专利技术的语音芯片。片内集成了晶体振 荡器、麦克前置放大器、自动增益控制等，只要很少的外围器件，就可以构成 一个完整声音录放系统。 OT0001 传感信号处理集成电路是对热释电传感器的感应信号进行二级放大。 长春理工大学本科毕业设计 3 第第 2 章章 系统系统方案设计方案设计 自动语音欢迎系统主要由探测模块，控制模块，语音模块，供电模块等四 部分组成，探测模块只要有通过菲涅耳透镜和热释电传感器完成，实现对人体 红外的探测同时执行光电信号转换和信号放大，处理后的信号触发以 AVR 控制 模块，这时 AVR 单片机会产生中断，根据相应中断控制语音模块的语音，进行 门内或门外语音回放。系统的整体思路如图 2-1 给出系统的整体框图所示： 供 电 源 红外热释电 （门内门外） AVR 单片机 语音 芯片 光转电 信号放大 录音 喇叭 菲涅尔透镜 图 2-1 系统框图 2.12.1 单片机选型单片机选型 方案一 ：采用 AT89C51 单片机，其主要功能为，8 位 CPU4kbytes 程序 存储器(ROM) (52 为 8K)，256bytes 的数据存储器(RAM) （52 有 384bytes 的 RAM，32 条 I/O 口线111 条指令，大部分为单字节指令，21 个专用寄存器 ，2 个可编程定时/计数器，5 个中断源，2 个优先级（52 有 6 个） ，一个全双工 串行通信口，外部数据存储器寻址空间为 64kB，外部程序存储器寻址空间为 64kB，逻辑操作位寻址功能双列直插 40PinDIP 封装，单一+5V 电源供电 ，CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄 存器；RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及要 显示的数据；ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O 口：四个 8 位并 行 I/O 口，既可用作输入，也可用作输出；T/C：两个定时/记数器，既可以工 作在定时模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；一个全 双工 UART（通用异步接收发送器）的串行 I/O 口，用于实现单片机之间或单 片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电 长春理工大学本科毕业设计 4 容需要外接。最高振荡频率为 12M。 方案二：采用 ATmega16 单片机,其特点为，16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM，32 个通用 I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片 内/外中断，可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的 ADC ，具有片内振荡器的 可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的 省电模式。 51单片机，ARM，DSP都是嵌入式系统的核心芯片的类型，现在的嵌入式 系统都是高度面向对象的。项目规模、对效率的要求以及成本问题很大程度上 决定了对单片机类型的选用。基于对系统的整体设计和硬件资源的要求，电路 设计中采用的微处理器电路相对模拟系统更为简单，可实现较复杂的控制算法， 有一定的数据存储空间，灵活适应性强，控制精度高，无零点漂移。可见普通 的51系列单片机因为资源缺乏而无法满足设计要求。ARM系列处理器价格昂贵 且在本系统设计中使用，会浪费资源。DSP系列往往注重数字信号的处理也不 适合。根据单片机的对比，系统设计应该选用8位机中性能优越的单片机。所以 选择由ATMEL公司制作AVR系列芯片中的ATmega16作为本次设计的处理单元。 2.2.2 2 语音模块语音模块 方案一：选用 ISD2500 系列。ISD2500 系列具有抗断电、音质好，使用方 便等优点。它的最大特点在于片内 E2PROM 容量为 480K(1400 系列为 128K)， 所以录放时间长；有 10 个地址输入端（1400 系列仅为 8 个） ，寻址能力可达 1024 位；最多能分 600 段；设有 OVF（溢出）端，便于多个器件级联。 方案二 ：选用 ISD1400。ISD1400 系列是单片，高质量，短周期的录放音 电路。采用 CMOS 工艺，内部包含片上时钟，麦克前置放大器，自动增益控制， 带通滤波器，平滑滤波器和功率放大器。ISD1400 系列提供 6.4K 和 8.OK 取样 频率，用户可以根据语音质量加以选择。取样的语音直接存储到片内的不挥发 存储器内部，不需要数字化和压缩的其它手段。直接模拟存储能提供真实自然 的语音，音乐，声音，不像其它的固态数字录音质量要受到影响。 考虑语音芯片由于主要应用到服务领域，由于酒店，宾馆等高级场所需要 有高质量的服务，所以，要求能回放出度清晰度的语音，所以在语音芯片的选 用方案二，选择采样率高的语音芯片。由于 ISD1400 的特性，在语音模块这部 分 ISD1420 采样率在 6.48，有 20 秒录音功能的 ISD1420 语音录放芯片。选 用该芯片语音回放的效果很好。 长春理工大学本科毕业设计 5 2.32.3 传感器传感器 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首 先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中 信息的主要途径与手段。 例如光感应式传感器、微波传感器、光电是传感器、 热释电红外线传感器在我们的生活中都有着很重要的作用。 光感门铃是利用人体反射光线，光敏电阻得到足够大变化的光线，电路产 生变化电流触发电路，灵敏度跟物体反射率有关。光感应式的价格便宜，但是 误报率高， 微波传感器是由发射天线发射出微波将遇到的物体信号进行吸收或反射， 使功率发生变化。具有检测速度快，灵敏度高环境能力强。主要应用于交通、 工业及民用装置中。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接 引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也 可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应 变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光 电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置 和机器人中获得广泛应用。 热释电红外传感器是用先进微电脑制造技术，热释电红外传感器常用于无 接触温度测量，可以进行远距离测量由于测量时不与被测物直接接触所以不存 在摩擦，同时无论白天黑夜都可正常使用，而且可以减少很多误操作，节能易 用，灵敏度强，更适合市场的需要，更贴近消费者的生活内容，办公写字楼、 家居、商店、工厂等各种场合均可使用，带来方便。 考虑到本设计是自动语音欢迎系统，对原本设计最基本的要求是对人的欢 迎和诸多方面所以选择热释电红外传感器。这种热释电红外传感器能以非接触 形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出 运动的生物与其它非生物。此传感器具有不需要用红外线或电磁波等发射源； 灵敏度高、控制范围大；隐蔽性好，可流动安装等特点。 长春理工大学本科毕业设计 6 第第 3 章章 系统模块原理简介系统模块原理简介 3.13.1 ATmega16ATmega16 单片机简介单片机简介 3.1.13.1.1 芯片特点芯片特点 ATmega16 单片机具有以下特性：16K 字节的系统内可编程 Flash( 具有同 时读写的能力，即 RWW) ，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM ，32 个通 用 I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调 试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器 / 计数器(T/C),片内/外中断， 可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路 10 位具有可选 差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的 ADC ，具有片内振荡器的可编程看门 狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 3.1.23.1.2 工作模式工作模式 工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 USART、两线接口、A/D 转换器、 SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振 荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时 器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块 的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡 器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有 快速启动快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续 工作。 3.1.33.1.3 引脚图及介绍引脚图及介绍 PB0 (XCK/T0) 1 PB1 (T1) 2 PB2 (INT2AIN0) 3 PB3 (OC0/AIN1) 4 PB4 (SS) 5 PB5 (MOSI) 6 PB6 (MISO) 7 PB7 (SCK) 8 RESET 9 PD0 (RXD) 10 PD1 (TXD) 11 PD2 (INT0) 12 PD3 (INT1) 13 PD4 (OC1B) 14 PD5 (OC1A) 15 PD6 (ICP) 16 PD7 (OC2) 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 PC0(SCL) 21 PC1(SDA) 22 PC2(TCK) 23 PC3(TMS) 24 PC4(TDO) 25 PC5(TDI) 26 PC6 (TOSC1) 27 PC7 (TOSC2) 28 AREF 31 AVCC 29 PA7 (ADC7) 32 PA6 (ADC6) 33 PA5 (ADC5) 34 PA4 (ADC4) 35 PA3 (ADC3) 36 PA2 (ADC2) 37 PA1 (ADC1) 38 PA0 (ADC0) 39 VCC 40 GND 30 U1 Atmega16 图 3-1-3 ATmega16 引脚分布图 端口 A 作为 A/D 转换器的模拟输入端。端口 A 为 8 位双向 I/O 口，具有可 长春理工大学本科毕业设计 7 编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大 电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出 电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 A 处于高阻状态。 端口 B 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具 有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电 阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还 未起振，端口 B 处于高阻状态。 端口 C 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具 有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电 阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还 未起振，端口 C 处于高阻状态。如果 JTAG 接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。 端口 D 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具 有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电 阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟 还未起振，端口 D 处于高阻状态。端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能。 AVCC 是端口 A 与 A/D 转换器的电源。不使用 ADC 时，该引脚应直接与 Vcc 连接。使用 ADC 时应通过一个低通滤波器与 Vcc 连接。XTAL1 是反向振 荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2 是反向振荡放大器的输出端。 AREF 是 A/D 的模拟基准输入引脚。 3.1.43.1.4 AVR 单片机的复位和中断处理单片机的复位和中断处理 ATmega16 具有 20 个中断源和一个复位中断，单片机的中断源分为外部中 断源和内部中断源，有三个外部中断源有 INT0,INT1,INT2,当连接在单片机引 脚的上的外部电平发生变化时，将产生相应的中断。内部中断源由单片机内部 的功能单元如定时器，串行通讯产生的中断。按是否可屏蔽可分为，非屏蔽中 断，和可屏蔽中断，非屏蔽中断有系统复位（reset）中断，可屏蔽中断：屏蔽 指的的是中断可由软件编程控制是否允许中断，或禁止中断，大部分都是可屏 蔽中断。需要注意的是，如果将 ATmegal6 设 置为允许外部中断，则即使把 INT0、 INT1 和 INT2 引脚没置为输出方式， 外部中断仍然会被触发。外部中 断可 选择采用上升沿触发、下降沿触发和 低电平触发(INT2 中断只能采用沿 触 发方式，在下文中将着重介绍 INT0 和 INT1 中断)，具体选用什么方式由 MCU 控制寄存器 MCUCR 以及 MCU 控制和状态寄存器 MCUCSR 的设置决定。 1、中断寄存器 在 ATmega16 中，除了寄存器 SREG 中的全局中断允许标志位 I 外，与外 长春理工大学本科毕业设计 8 部中断有关的寄存器有 4 个，共有 11 个标志位。其作用分别是：3 个外部中断 中断标志位， 3 个中断允许控制位, 用于定义外部中断的触发类型。 表 3-1 中断向量表 向量号程序地址 （2） 中断源 中断定义 1$000(1)RESET 外部引脚电平引发的复位上电复位，掉 电检测复位看门狗复位以及 JTAG AVR 复位 2$002INT0外部中断请求 0 3$004INT1外部中断请求 1 4$006TIMER2 COMP定时器 / 计数器 2 比较匹配 5$008TIMER2 OVF定时器 / 计数器 2 溢出 6$00ATIMER1 CAPT定时器 / 计数器 1 事件捕捉 7$00CTIMER1 COMPA 定时器 / 计数器 1 比较匹配 A 8$00ETIMER1 COMPB 定时器 / 计数器 1 比较匹配 B 9$010TIMER1 OVF定时器 / 计数器 1 溢出 10$012TIMER0 OVF定时器 / 计数器 0 溢出 11$014SPI, STCSPI 串行传输结束 12$016USART, RXCUSART ，Rx 结束 13$018 USART, UDREUSART 数据寄存器空 14$01A USART, TXCUSART ，Tx 结束 15$01CADCADC 转换结束 16$01E EE_RDYEEPROM 就绪 17$020 ANA_COMP模拟比较器 18$022TWI两线串行接口 19$024INT2外部中断请求 2 20$026TIMER0 COMP定时器 / 计数器 0 比较匹配 21$028SPM_RDY保存程序存储器内容就绪 （1）中断控制寄存器MCUCR 封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。 （2）控制和状态寄存器MCUCSR 长春理工大学本科毕业设计 9 （3）通用中断控制寄存器GICR （4）通用中断标志寄存器GIFR 当 INTx 引脚上的有效事件满足中断触发条件后，INTFx 位会变成“1” 。 如果此时 SREG 寄存器中 I = 1，以及 GICR 寄存器中的 INTn 被置为“1” ， MCU 将响应中断请求同时硬件自动将 INTFn 标志位清零。 用户可以使用指令将 INTFn 清除，清除的方式是写逻辑“1”到 INTFn，将标 志清零。 当 INT0（INT1）设置为低电平触发方式时，标志位 INTF0（INTF1）始终 为“0” ，这并不意味着不产生中断请求，而是低电平触发方式是不带中断标志 类型的中断触发。在低电平触发方式时，中断请求将一直保持到引脚上的低电 平消失为止。 2、I/O 口配置引脚 每个端都具有三个寄存器位: DDxn、 PORTxn 和 PINxn ，如 P63“I/O 端 口寄存器的说明” 所示。DDxn 位于 DDRx 寄存器，PORTxn 位于 PORTx 寄存器，PINxn 位于 PINx 寄存器。 DDxn 用来选择引脚的方向。DDxn 为“1“ 时，Pxn 配置为输出，否则配 置为输入。引脚配置为输入时，若 PORTxn 为“1“，上拉电阻将使能。如果需 要关闭这个上拉电阻，可以将 PORTxn 清零，或者将这个引脚配置为输出。复 位时各引脚为高阻态，即使此时并没有时钟在运行。 当引脚配置为输出时，若 PORTxn 为“1“，引脚输出高电平 (“1“) ，否 则输出低电平 (“0“) 。 在( 高阻态) 三态(DDxn, PORTxn = 0b00) 输出高电平(DDxn, PORTxn = 0b11) 两种状态之间进行切换时，上拉电阻使能(DDxn, PORTxn = 0b01) 或输出低电平(DDxn,PORTxn = 0b10) 这两种模式必然会有一个发 生。通常，上拉电阻使能是完全可以接受的，因为高阻环境不在意是强高电平 输出还是上拉输出。如果使用情况不是这样子，可以通过置位 SFIOR 寄存器的 长春理工大学本科毕业设计 10 PUD 来禁止所有端口的上拉电阻。端口引脚配置 表 2 端口引脚配置 DDxnPORTx n PUDI/O上拉电阻说明 00XInputNO高阻太（Hi-Z） 010InputYES被外部拉低时将输出电流 011InputNO高阻太（Hi-Z） 10XOutputNO输出低电平（吸收电流） 11XOutputNO输出高电平（输出电流） 3.23.2 热释电传感器介绍热释电传感器介绍 3.2.13.2.1 菲涅尔透镜菲涅尔透镜 菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另 一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见 光的凸透镜，效果较好。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测 区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形 式在 PIR（被动红外线探测器）上产生变化热释红外信号。实物图 3-2 所示 其工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面 （如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。 另外一种理解就是，透镜连续表面部分 “坍陷”到一个平面上。从剖面 看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都 与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透 镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或 聚光。这种透镜还能够消除部分球形像差。 图 3-2-1 菲涅尔透镜实物图 长春理工大学本科毕业设计 11 3.2.23.2.2 热释电传感器的原理热释电传感器的原理 热释电传感器是一种新敏感组件，它是由高热点系数材料，配以滤光镜片 和阻抗匹陪有用场效应管组成，它能以非接触方式检测出来自人体发出的红外 辐射，将其转化成电信号输出，并可有效控制人体辐射以外的干扰辐射，如阳 光，灯光及其反射光。 热释电传感器是一个以热电晶体为电介质的平板电容器。因热电晶体具有 自发极化性质，自发极化能够随着温度变化，所以人辐射可以引起电容器电容 的变化，从而可利用这一特性来探测变化的辐射。热电探测器件大致分为温差 电阻型，热敏电阻型，气动型和热释电型四类。 热电晶体是压电晶体的一种，具有非中心对称的晶体结构。自然状态下， 在某个方向上正负电荷中心不对称，在某个方向上存在着一定的变化电荷，称 为自发极化。晶体温度变化时，可以引起晶体的正负电荷中心发生位移，因此 表面上的极化电荷随之变化。 热释电红外线传感器利用的是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由 陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围 内温度有 T 的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷 Q，即在两 电极之间产生一微弱电压 V。热释电传感器是一种高阻抗(10 l0 Q)的器件， 容易引入噪声，所以与它相连的前置放大器的第一级必须采用高输人阻抗(R 10 n)、低噪声的场效应晶体管，并把它封装在热释电探测器管壳内。这样可 以有效地降低噪声、防止外界干扰及机械振动的影响。人体都有恒定的体温， 一般在 37C 左右，会发出 10mm 左右特定波长的红外线，热释电红外线传 感器就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增 强后聚集到热释电元件，并且只允许 8-14um 波长的红外线通过，其视角可以达 到 120 度，这样去除了环境因素带来的影响，这种元件在接收到人体红外辐射 变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理。 3.2.33.2.3 热释电传感器的内部结构热释电传感器的内部结构 3-2- 3 常见热释电红外传感器内部结构图 长春理工大学本科毕业设计 12 3.2.43.2.4 引脚说明引脚说明 目前常用的热释电红外传感器型号主要有 P228、LHl958、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、PD632 等图 3- 2-4 所示常见的热释电传感器实物图。热释电红外传感器通常采用 3 引脚金属封 装，各引脚功能分别为:电源供电端(内部开关管 D 极，DRAIN)、信号输出端 (开关管 S 极， SOURCE)、接地端(GROUND)。主要的工作参数工作电压: 常用的热释电红外传感器工作电压范围为 315V; 工作波长:通常为 7.514 m; 源极电压:通常为 0.41.1V，R=47k; 输出信号电压:通常大于 2.0V; 检测距离:常用热释电红外传感器检测距离约为 610m；水平角度:约为 120；工作温度范围:1040。 图 3-2-4 常见的热释电红外传感器外形 3.2.53.2.5 热释电传感器输出特性热释电传感器输出特性 热释电红外传感器输出电信号的幅度和频率主要决定于：目标人体的温度、 探测区域背景、人体离传感器的距离、人体移动的速度、光学透镜系统的焦距 和设计样式。人体温度和探测区域背景的温差越大，离传感器越近，输出电信 号的幅值将越大。双敏感元热 释电传感器配合菲涅尔光学透镜使用时，输出 信号波形电压峰峰值约为 1mV，频率可由下列公式计算： （3- LS fV f bb 2 1） 其中：f 是输出信号频率（Hz） ，是人体移动速度（m/s） ，是光学系 b Vfb 统焦距（mm） ，s 是传感器敏感元的面积（mm2） ，L 是人体离传感器距离（m） 。 长春理工大学本科毕业设计 13 对于双敏感元传感器，标准尺寸为 2（mm）*1（mm） ，人体移动速度范围为 0.5（m/s） 5（m/s） ，常用探测器上使用的菲涅尔透镜焦距为 25（mm） ，我 们可计算出传感器输出信号的频率范围为 0.088Hz24。 热释电红外传感器其优点是本身不发出各种类型的辐射，该器件的功耗小、 隐蔽性好、价格低。 其缺点是容易受各种热源、光源及射频辐射的干扰；被动 红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；当环境温度和 人体温度接近时，探测和灵敏度下降，有时还会短时失灵8。 注释注释: :热释电与 0T0001 信号集成芯片的连接热释电的联合工作。热释电的 1 脚连接到芯片的 8 交及电源端，热释电的信号出去端 2 脚送至 14 脚，3 脚接 地之后就由 0T0001 进行一系列相应处理。 3.33.3 OT0001OT0001 信号处理集成芯片介绍信号处理集成芯片介绍 OT0001 是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它和 BISS0001 芯 片完全兼容，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电 红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、 烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过 道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。 3.3.13.3.1 OT0001 芯片特点芯片特点 1、CMOS 工艺 2、数模混合 3、具有独立的高输入阻抗运算放大器 4、内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰 5、内设延迟时间定时器和封锁时间定时器 6、采用 16 脚 DIP 封装 3.3.23.3.2 OT0001 引脚引脚 图 3-3-2 OT0001 引脚图 长春理工大学本科毕业设计 14 3.3.33.3.3 内部框图内部框图 图 3-3-3 0T001 内部框图 3.3.43.3.4 工作原理工作原理 OT0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及 封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。 首先，根据实际需要，利用运算放大器 OP1 组成传感信号预处理电路，将 信号放大。然后耦合给运算放大器 OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位 抬高为 VM(0.5VDD)后，将输出信号 V2 送到由比较器 COP1 和 COP2 组成的 双向鉴幅器，检出有效触发信号 Vs。由于 VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以， 当 VDD=5V 时，可有效抑制1V 的噪声干扰，提高系统的可靠性。 COP3 是 一个条件比较器。当输入电压 VcVR 时，COP3 输出为高电 平，进入延时周期。当 A 端接“0”电平时，在 Tx 时间内任何 V2 的变化都被忽 略，直至 Tx 时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当 Tx 时间结束时，Vo 下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期 Ti。在 Ti 时间内，任 何 V2 的变化都不能使 Vo 跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过 程中产生的各种干扰。 以图 a 所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程 长春理工大学本科毕业设计 15 图 3-3-4（a） 不可重复的触发工作模式 b 图所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。 可重复触发工 作方式下的波形在 Vc=“0”、A=“0”期间，信号 Vs 不能触发 Vo 为有效状态。在 Vc=“1”、A=“1”时，Vs 可重复触发 Vo 为有效状态，并可促使 Vo 在 Tx 周期内 一直保持有效状态。 在 Tx 时间内，只要 Vs 发生上跳变，则 Vo 将从 Vs 上跳 变时刻起继续延长一个 Tx 周期；若 Vs 保持为“1”状态，则 Vo 一直保持有效状 态；若 Vs 保持为“0”状态，则在 Tx 周期后 Vo 恢复为无效状态，并且，同样在 封锁时间 Ti 时间内，任何 Vs 的变化都不能触发 Vo 为有效状态。 图 3-3-4（b） 可重复触发工作方式 3.43.4 ISD1400ISD1400 语音芯片介绍语音芯片介绍 3.4.1 概述概述 ISD1400 系列单片机语音录放电路，片内由时钟振荡器、128K 字节 E2PROM（电可编程可擦除只读存贮器） 、微音放大器、自动增益控制电路、抗 干扰滤波器、差动功率放大器等高品质语音录放系统所需的全部基本功能电路。 一个最小的录放系统仅由一个驻极体话筒、一个喇叭、两个按钮、一个电源和 少量的电阻电容组成。 我们以 ISD1400 系列的 ISD1420 来介绍 ISD1420 系列 芯片是较为常用了语音录放集成电路，一般多用于语音电话、留言机等设备。 3.4.23.4.2 ISD1420ISD1420 特性特性 ISD1420 为美国 ISD 公司出品的优质单片语音录放集成电路，由振荡器、 语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器 组成。一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、 少数电阻电容组成。录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个 独一无二的方法是借助于美国 ISD 公司的专利直接模拟存储技术（DAST TM）实现的。利用它，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入 EEPROM 存储器。直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语 长春理工大学本科毕业设计 16 音的再现。不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。 1、所需外围元件少，电路简单，操作方便。 2、采用直接模拟量存贮技术 DAST（Direct Analog Strorage Technology） ， 3、再现优质原声。 4、零功率信息存贮，省掉备用电源。 5、信息可保存 10 年以上，可反复录放达 10 万次之多。 6、语音固化无需专用编程或开发装置。 7、较强的选址能力，可把存储器分成 160 段来进行管理。 8、具有自动省电模式，此时仅需 0.5A 的保持电流。 9、单一电源供电。 3.4.3 功能描述功能描述 语音质量 ISD1400 系列提供 6.4K 和 8.0K 取样频率，用户可以根据语音质量加以选 择。取样的语音直接存储到片内的不会发存储器内部，不需要数字化和压缩的 其他手段。直接模拟存储能提供真实自然的语音，音乐，声音，不像其它的固 定数字录音质量要受到影响。 录放时间 ISD1400 能提供 16 秒和 20 秒的录放时间 EEPROM ISD 的 ChipCorder 技术使用片上不挥发存储器，断电后信息可以持续保存 100 年。器件可以重复录制 10 万次。 基本操作 ISD1400ChipCorder 系列由一个录音信号 REC 实现录音操作，两个放音信 号其中的一个实现放音操作，PLAYE、PLAYL，ISD1400 可以配置成单一信息 的应用。如果使用地址线也可以用于复杂信息处理。 3.4.4 管脚图及描述管脚图及描述 3-4-4 ISD1420 管脚图 长春理工大学本科毕业设计 17 录音（REC） REC 输入是低电平有效录音信号。当 REC 为低时开始录音。在录音过程 中 REC 必须保持为低电平。REC 信号优先于放音信号 PLAYE 和 PLAYL。如 果在放音过程中 REC 被拉低，放音将立即终止，录音开始。当 REC 变高或内 部存储器已录满信息，录音操作结束。录制完毕后，在结束处会记录一个结束 标志，这样在分段放音时会结束放音。当 REC 变高后，器件会自动进入掉电 模式。注意：REC 信号将被延迟 50ms 防止开关抖动引起重复触发。 PLAYE 触发放音 当此管脚上检测到低电平跳变时，将开始放音操作，遇到结束标志 （EOM） 或存储器的尾部放音将停止。结束放音后，器件自动进入掉电等待 模式。在放音过程中将 PLAYE 变高不会终止当前的放音操作。 PLAYL 电平放音 当此管脚的信号由高变为 0 时，将开始放音操作。PLAYL 变为高电平， 遇到结束标志（EOM）或存储器的尾部放音将停止。结束放音后，器件自动进 入掉电等待模式。 注：在放音中，如果遇到结束标志或到达存储器尾部，如 PLAYL 或 PLAYE 保持为低电平。器件仍将进入掉电等待模式，内部时钟和时序停止。但是， PLAYE 和 PLAYL 的上升沿没有防抖动延迟，任何下降时序特别是开关抖动 将会引起另外一次的放音。 电源输入（VCCA VCCD） 录音 LED 输出（RECLED） 当处于录音操作时，RECLED 输出为低电平，它可以驱动一个 LED 显示。 表明现在正处于录音状态。另外，在放音中如果遇到结束标志（EOM） RECLED 将输出一个短的低脉冲。 麦克输入（MIC） 麦克输入将信号传送到前置放大器，增益由自动增益电路 AGC 控制，增 益在-15dB 到 24Db。 外部的麦克必须是 AC 耦合，通过一个电容连接到该脚。 电容的数值和该管脚器件内部的电阻（10K ）决定 ISD1400 输入的低频截止频 率。 麦克基准（MIC REF） MIC REF 是麦克前置放大的反向输入。当器件使用该输入脚并以差分形式 连接到麦克时，能减低噪声和实现共模抑制。 自动增益控制（AGC） AGC 动态调整前置放大器的增益，能在一个很宽的范围内适应麦克的输入 电平。AGC 电路能以很小的失真记录宽范围的声音。例如从很低的声音到很高 长春理工大学本科毕业设计 18 的声音。AGC 的起控时间由电路内部的一个 5K 电阻和一个外部连接的电容决 定。释放时间由外部的电阻（R5 ）和电容（C6） 决定，二者并联连接在 AGC 管脚和 VSSA 模拟地之间。在大多数应用中，470K 欧姆和 4. 7uF 的取 值能较好的满足需要。 模拟输出（ANA OUT） 前置放大器的电压增益由 AGC 管脚上的电平决定。 模拟输入（ANA IN） ANA IN 将输入的信号传送到录音电路。对于麦克输入，ANA OUT 脚必 须通过外部电容连接到 ANA IN 脚。这个电容的数值与 ANA IN 内部的 3 .0K 欧姆的输入电阻能提供又一个音频带宽的低频截止频率。如果输入信号来自麦 克以外，可以通过电容直接耦合到 ANA IN 管脚。 外部时钟输入（XCLK） ISD1400 系列的外部时钟输入管脚内部设有下拉电阻。保证最小的录放音 时间。以 ISD1420 来讲，在参数规定的范围内能保证 20 秒的录放音时间。 喇叭输出（SP+， SP-） SP+和 SP-能直接驱动低至 10 欧姆的喇叭。也可以使用单输出。但需要注 意对于直接驱动发声装置，使用两个反极性的输出的功率是使用单输出功率的 4 倍。另外，同时使用 SP+和 SP-可以不使用喇叭的耦合电容。对于使用单个输 出，必须在 SP+和喇叭之间接一个耦合电容。在录音状态中，两个喇叭输出为 高阻状态，在掉电模式中保持为 VSSA。 根据 A6，A7 的电平不同，电路可以进入两种不同的工作模式：地址模式 和操作模式。如果 A7，A6 至少有一位为低电平，则电路认为 A0-A7 全部为地 址位，A0-A7 的数值将作为本次录音或放音操作的起始地址。A0-A7 全部为纯 输入引脚，不会象操作模式中 A0-A7 还可能输出内部地址信息。输入的 A0-A7 的信息在 PALYE PLAYL 或 REC 的下降沿被电路锁存到内部使用。 地址输入（A0-A7） 根据最高两位地址位的数值，地址输入有两种功能。 当 A7，A6 至少有一位为 0 时，输入认为是地址输入