毕业设计（论文）-感应式门铃的设计.doc

北京林业大学本科毕业论文(设计) 感应式门铃的设计感应式门铃的设计 全套设计加扣 3012250582 摘要摘要 本设计的红外线感应电子门铃，有两种功能：迎宾和防盗。当主人在家的时候可以开 启迎宾功能，门铃可以感应到来宾并发出音频信号以通知主任“有客来访”。当主人要离 开家时，可开启防盗功能。在启动防盗 20 秒后（为了防止误把主人当做小偷），启动布防。 电路能探测人体发出的红外线，该红外线感应电子门铃电路由红外线发射电路、红外线接 收电路、低频振荡器、音频振荡器和音频输出电路等组成。当人进入感应的区域内，即可 发出铃声或者报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合的铃声和报警。 概述了红外辐射的知识、反射式红外传感器的结构和工作原理。利用反射式红外传感器设 计了一种被动式红外报警电路,分析了该电路的功能和工作原理。反射式红外传感器具有很 多的优点,在人们生活、安全、警戒等装置中应用较广。 关键词：单片机关键词：单片机 红外线红外线 反射式反射式 感应门铃感应门铃 北京林业大学本科毕业论文(设计) The design of induction type doorbell Abstract The design of the infrared electronic bell, there are two kinds of functions: welcome and security. When the master in the home can be opened Welcome function, the doorbell can induction to the guest and the issue of audio signal to inform the director of the guests. When the master to leave home, can open the anti-theft feature. At the start of theft after 20 seconds (in order to prevent the misuse of the owner as a thief), start. Circuit can detect the human body emits infrared, the infrared induction electronic door bell circuit is composed of an infrared emission circuit, infrared receiving circuit, a low frequency oscillator, audio oscillator and an audio output circuit. When people enter the area of the induction, you can send out the sound of the ring or alarm, for family, office, warehouse, laboratory and other important occasions of the bell and alarm. The structure and working principle of infrared radiation and reflective infrared sensor are summarized. A passive infrared alarm circuit was designed by using reflective infrared sensor, and the function and working principle of the circuit were analyzed. Reflective infrared sensor has a lot of advantages, and it is widely used in peoples life, safety and security. Keywords: single chip infrared reflection type sensor doorbell Key words: single chip infrared reflection type induction doorbell 北京林业大学本科毕业论文(设计) 目录 第一章 绪论绪论.1 1.1 课题来源.1 1.2 课题研究背景.2 1.3 基本工作原理.2 1.4 设计在国内外研究现状.2 第二章 系统设计系统设计.4 2.1 系统方案.4 2.2 热释红外传感器 HC-SR501 概述.5 2.2.1 基本内容.5 2.2.2 使用时注意事项.5 2.2.3 电器参数和图片.6 2.3 STC89C51 单片机.6 2.3.1 基本介绍.6 2.3.2 基本功能.7 2.3.3 仿真功能.7 2.3.4 电路和引脚图.8 2.4 语音模块.9 2.4.1 迎宾语音模块.9 2.4.2 防盗语音模块.9 第三章 实验实验.12 3.1 电路设计.12 3.1.1 电路的原理图.12 北京林业大学本科毕业论文(设计) 3.1.2 电路的组成部分.12 3.1.3 电路的工作原理.13 3.2 电路原理图、PCB 板图的设计 .14 3.2.1 使用相关软件的介绍.14 3.2.2 如何绘制原理图.14 3.2.3 PCB 板的生成 .14 3.3 Protel 使用常见问题 .14 3.4 做板.16 3.5 焊接、组装.17 3.5.1 焊接.17 3.5.2 组装.17 3.6 调试、结果.18 总结与展望总结与展望.19 致致 谢谢.20 参考文献参考文献.21 北京林业大学本科毕业论文(设计) 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 课题来源课题来源 红外线(Infrared rays)它是一种光线，由于它的波长相比红色光还长，超出了肉眼可 以识别的范围，所以我们看不见它。红外线是由德国科学家霍胥尔于 1800 年发现的，又称 之为红外热辐射。通常把波长在 0.751000m 范围内的光都称为红外线，并可以按照光 波波长继续细分为三部分，即近红外线，波长为 0.751.50m 之间；中红外线，波长为 1.506.0m 之间；远红外线，波长为 6.0l000m 之间。红外对射的特点是它不影响周 边环境、不干扰其它设备，红外线虽说是一种光线，但它又不同于普通可见光，它不会被 察觉，所以不会干扰到人们的正常生活。可以使用一对红外线发射与接收的装置，构成红 外线的对射系统，称为主动式红外线应用系统。当红外线收、发装置之间的隐形光路被阻 挡时，接收装置可以立即察觉到，发出警示信号。利用这种对射系统，可以很方便地构建 各种隐蔽的防盗警戒布控，还可以用于各种设备的安全防护或者自动控制方面，过探测特 定空间中，一定波长范围内红外光线的位置移动，识别空间范围内是否有移动人体存在， 达到安全警戒或者自动控制的目的。使用红外线做信号载波的优点很多：成本低、传播范 围和方向可以控制（不会穿过墙壁，对隔壁家的电视造成影响）、不产生电磁辐射干扰， 也不受干扰等等。因此被广泛地应用在各个技术领域中。 所谓的感应式门铃是针对传统的按键门铃相对而讲的。传统的门铃都为按键门铃，正 常使用寿命为一年（按 20 次/天为标准）。而红外线感应式门铃，可以取代人们按传统门 铃的按钮的动作。直接由红外线感应人体红外线并触发门铃响起，节约了每年更换按钮的 成本，避免了资源的浪费，环保，美观。亦可作为警报作用，极大推到了人们的智能水平。 随着微电子技术、无线技术和网络技术的飞速发展以及人们生活水平的大幅度提高，更廉 价、功能更多、性能更好的无线遥控音乐门铃不断被研究并生产流入市场。 本设计是在指导老师给定课题的基础上经过分析利用红外线传感器探测人体发射回来 的红外线信号原理设计出来的红外线感应门铃。内容广泛，灵活应用。课题利用 51 单片机， 语音芯片以及热释红外线传感器原理设计而成的典型电路。电路设计简单，能够应用到很 多领域，实用价值较高，可以起到迎宾与防盗的作用。 北京林业大学本科毕业论文(设计) 1.1.2 2 课题研究背景课题研究背景 就目前市面上常见的防盗报警器如压力触发式报警器，遮光式报警器，开关电子防 盗报警器等，这些常见的报警器都存在一些缺陷。比如压力式触发报警器容易引起误报 和失报，它的可靠性偏低。遮光式报警器容易受到其他光线干扰，比如窗外的太阳光和 反射光就能引起误报，所以它的可靠性不不高。还有缺乏隐蔽性和保密性，不能及时迅 速的将报警信息传送到户主手中等等。而闭路电视防控系统的安装和使用复杂，而且面 临线路被切断的隐患，价格也比较昂贵，不利于在老百姓中广泛普及。 红外遥控电路功耗低，可靠性高，外界抗干扰能力强，相互干扰小，在现代生活中应 用的较为广泛，例如红外线医疗器械、红外线通讯、红外线摄像、红外线加热、红外线遥 控等，红外线遥控只是红外线众多应用中的一部分，目前在家用电器中广泛应用的彩电遥 控器、录像机遥控器，VCD 机遥控器、高保真音响遥控器等，都采用了红外线遥控，它使 这些家用电器的控制变得十分简单、方便。 1.31.3 基本工作原理基本工作原理 设计的主体是热释电型红外传感器 HC-SR501。人体都有恒定的体温，一般在 37 度， 所以会发出特定波长 10UM 左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的 10UM 左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10UM 左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚 集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温 度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，单片机接收到电荷信号后调用寄存器中 的指令，这些指令是经过 Keil 软件通过电脑编译而成的汇编语言，便于单片机识别和调用。 指令通过串口线发送到语音芯片并使其发出音频。 1.1.4 4 设计在国内外研究现状设计在国内外研究现状 目前感应式门铃主要分光感应式和红外感应式。光感应式门铃主要是通过人体反射光 线，改变光敏电阻的阻值来让电路产生变化并触发电路，其感应的灵敏度与物体反射率有 较大的关系，并且从实际使用的角度来说容易收到很多因素的干扰。因为它的传感核心是 光敏电阻，光敏电阻对大部分可见光都游反应变化，故光线变化可能会触发门铃响应。而 红外感应虽然价格比较高，但有点是误报极少，加上传感器上的菲涅尔透镜，从而使误报 率达到最低。红外感应式门铃性能卓越，节能易用，灵敏度强，更适合市场的需要，更贴 北京林业大学本科毕业论文(设计) 近消费者的生活内容。在生活中的大部分场合之内可以方便，环保的使用，适合现代人类 的生活方式1。 报警系统是以保护社会公共安全为目的，然后运用安全防范工具和其它相关电子产品 所构成的防入侵报警系统、视频安全监控系统、出入口控制系统、停车场管理系统、防爆 安全检查系统等，或由这些系统子系统组合或集成的电子系统或网络系统。报警系统与人 们的生活之间息息相关，随着现如今经济的发展，人民生活水平的提高，报警系统更成为 了构建社会防控体系、维护社会稳定的重要组成部分，并受到社会广泛的关注。随着科技 的提高，电子电器飞速发展，我们的生活水平有了很大提高。各许多家庭也拥有贵重的家 庭电器等物品。正因如此，一些不法分子也越来越多。正是因为不法分子看到了大部分人 防盗意识不够强所造成的结果，因此越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。报警 系统则在这时为人们解决了大部分问题。但是市场上的报警系统大部分是适用于一些较大 公司的重要机构。其价格昂贵，使普通家庭难以承受。如果设计一种价格低廉，性能可靠 的报警系统，将在私人财产的防盗领域起到巨大作用。由于红外线是不可见光，隐蔽性能 良好，因此在防盗、警戒等安保装置中被广泛应用。 北京林业大学本科毕业论文(设计) 第二章第二章 系统设计系统设计 2.12.1 系统方案系统方案 图图2-12-1 本方案的基本原理框架图本方案的基本原理框架图 (1)输出振荡信号： 接通电源后，热释电红外传感器接收人体发出的红外线，向单片机发出震荡信号 (2)接收信号并发出指令： 51单片机接收信号并向音频电路发出指令； (3)音频、低频振荡器工作： 语音芯片开始工作，发出音频信号； (4)音频电路工作： 打开开关，并选择工作模式（迎宾或防盗） 热释电红外传感器感应到人体红外线，电荷 失衡而发射电荷 51 单片机 IO 接口接收电荷，通过编写好的 程序处理高低引脚，将信号发布到音频电路 音频电路根据之前选择的工作模式，调用 扬声器或蜂鸣器工作 北京林业大学本科毕业论文(设计) 信号通过音频电路接收，经三极管放大信号然后输出信号，扬声器开始工作，发出声音。 2.22.2 热释电红外传感器热释电红外传感器 HC-SR501HC-SR501 概述概述 2.2.12.2.1 基本内容基本内容 主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、硫酸三甘钛等制成尺寸为 2*1mm 的探测元件。在每个探测器内装入一个或多个探测元件，并将两个探测元件以其反 极性串联，从而抑制由自身温度升高而产生的信号干扰。探测元件将探测并接收到的红外 辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器 的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明 塑料制成，呈椭圆状，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系 统的透镜，以达到更好的接收信号。它和放大电路相配合，可将信号放大 70 分贝以上， 这样就可以测出 1020 米范围内人的行动2。 菲涅尔透镜拥有透镜的特殊光学原理，可以在探测器前方产生一个相互交替变化的“盲 区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体所发出的红 外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就可以使接收到的红外信号以脉冲形式输 入，从而强其能量幅度12。 人体辐射的红外线中心波长为 910-um 之间，而该传感器的波长灵敏度在 0.220- um 范围内，较为稳定。在传感器顶端开了一个装有滤光镜片的窗口，该滤光片允许通过 光的波长范围为 710-um 之间，正好适合于人体红外辐射的探测范围，而其它波长的红 外线则由滤光片进行吸收，这样便形成了一种可用于专门探测人体辐射的红外线传感器。 被动式热释电红外探头的优缺点： 优点：本身不发任何类型的辐射，体积小，器件功耗较小，隐蔽性高，容易购买，价 格低廉。 缺点：1 容易受外界各种热源、光源干扰 2 被动红外穿透力差，从而造成人体的红外辐射被遮挡，不易被探头接收 3 当使用时外界温度和人体温度接近时，探测的灵敏度明显下降，有时甚至造成短时 失灵。 北京林业大学本科毕业论文(设计) 2.2.22.2.2 使用时注意事项使用时注意事项 一、直流工作电压必须符合我们所需要的数值，过高和过低都会影响到感应性能， 而且要求电源必须经过良好的稳压滤波，例如手机充电器电源、电脑 USB 电源、比较旧的 层叠电池都无法满足模块工作要求，建议用变压器的电源并且经过三端稳压芯片稳压后再 通过 220UF 和 0.1UF 的电容滤波后再供电。 二、调试时人体应尽量远离感应区域，有时人体虽然不在模块的正前方，但是人 体如果离模块太近时模块也能感应到，造成电路一直有输出。还有调试时人体不要触摸电 路部分，这样也会影响模块工作，比较科学的办法是将输出端接一个 LED，将模块用报纸 盖住，然后人离开这个房间，等 2 分钟后看看模块是否还是一直有输出。 三、模块不接负载时能正常工作，接上负载后工作紊乱，出现这种现象一种原因 是由于电源的电量容量较小而负载比较耗电，负载工作时引起的电压波动会导致模块误动 作。另一种原因是负载通电工作时会产生干扰，例如继电器或者电磁铁等感性负载会产生 反向电动势，315M 发射板工作时会有电磁辐射等都会影响模块。解决办法如下：A、电源 部分加电感滤波。B、采用负载和模块使用不同的电压的方法，例如：负载使用 24V 工作电 压，模块使用 12V 工作电压，其间用三端稳压器隔离。C: 使用更大容量的电源。 四、人体感应模块应在室内使用并且使用时避免阳光、强烈灯光直接照射，如果 工作环境有强大的射频干扰，可以采用屏蔽措施。若遇有强烈气流干扰，关闭门窗或阻止 对流。感应区尽量避免正对着发热电器和物体以及容易被风吹动的杂物和衣物。 五、人体感应模块建议安装在密封的盒里，否则可能一直会有输出信号。 六、如果实验时有要求人体感应模块的探测角度小于 90 度，可以通过用不透明胶纸遮 挡住镜片或裁剪缩小镜片来实现。 七、人体感应模块应采用双元探头，人体的四肢脚和头部运的动方向与感应灵敏度之 间有着密切的联系，而且红外模块的特性决定了其无法精确控制感应距离。 八、模块中的探头（PIR）既可以装焊在电路板的另一面，同时也可将探头用双芯屏 蔽线有限延长，长度在 20 厘米以内为宜。 北京林业大学本科毕业论文(设计) 2.2.32.2.3 电器参数和图片电器参数和图片 表表 2.22.2 HC-SR501HC-SR501 人体感应模块电气参数人体感应模块电气参数 产品型号HC-SR501 人体感应模块 工作电压范围直流电压 4.5-20V 静态电流 50uA 电平输出高 3.3 V /低 0V 触发方式L 不可重复触发/H 重复触发(默认重复触发) 延时时间0.5-200S(可调)可制作范围零点几秒-几十分钟 封锁时间2.5S(默认)可制作范围零点几秒-几十秒 电路板外形尺寸 32mm*24mm 感应角度100 度锥角 工作温度-15-+70 度 感应透镜尺寸直径:23mm(默认) 图图2-22-2 人体感应模块人体感应模块 1.工作电压：DC5V 至 20V 2.静态功耗：65 微安 3.电平输出：高 3.3V，低 0V 4.延时时间：可调(0.3 秒18 秒) 北京林业大学本科毕业论文(设计) 5.封锁时间：0.2 秒 6.触发方式：L 不可重复，H 可重复，默认值为 H(跳帽选择) 7.感应范围：小于 120 度锥角，7 米以内 8.工作温度：-15+70 度 模块特性： 1、这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为 10UM 左右的红外辐 射必须非常敏感。 2、为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片， 使环境的干扰受到明显的控制作用。 3、被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极 化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应 相互抵消，于是探测器无信号输出。 4、一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是 两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。 5、菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距(感应距离)，从而产生不同的监控 视场，视场越多，控制越严密。 触发方式： L 不可重复，H 可重复。可跳线选择，默认为 H。 A.不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变 为低电平。 B.可重复触发方式： 即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围 内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平(感应模块检 测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时 时间的起始点)。 北京林业大学本科毕业论文(设计) 可调封锁时间及检测距离调节： 1、封锁时间：感应模块在每一次感应输出后(高电平变为低电平)，可以紧跟着设置一个 封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。此功能可以实现(感应输出时间和封 锁时间)两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中 产生的各种干扰。(默认封锁时间 2.5S) 2、调节检测距离 光敏控制： 模块预留有位置，可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。光敏控制为可选功能,出厂 时未安装光敏电阻。 模块优缺点： 优点： 本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。 北京林业大学本科毕业论文(设计) 缺点： 容易受各种热源、光源干扰 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。 易受射频辐射的干扰。 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。 模块抗干扰： 1、防小动物干扰 2、防电磁干扰 3、防强灯光干扰 2.32.3 STC89C51STC89C51 单片机单片机 2.3.12.3.1 基本介绍基本介绍 51 单片机是指所有兼容 Intel 8031 指令系统的单片机的统称。该系列的单片机始祖 是 Intel 系列的 8031 单片机，后来随着 Flash 技术的发展，8031 单片机取得了长足的发展 与进步，成为应用的最多的 8 位单片机之一，其代表型号是 ATMEL 公司的 AT89 系列， 它广泛应用于各行各业的测控系统之中。很多公司目前都有 51 系列的兼容机型推出，预 计在今后很长的一段时间内将占有大量市场。51 单片机是相对基础入门的一个单片机，同 时还是应用的最多的一种。这里需要特别注意的是 52 系列的单片机一般不具备自编程能 力。 2.3.22.3.2 基本功能基本功能 8 位 CPU4kbytes 程序存储器(ROM) (52 为 8K) 128bytes 的数据存储器(RAM)（52 有 256bytes 的 RAM） 32 条 I/O 口线拥有 111 条指令，大部分为单字节指令 北京林业大学本科毕业论文(设计) 图图2-32-3 2323个引脚个引脚 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、最终结果以及欲显示的数据； 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，石英晶体和微调电容需要外接。最佳振荡频率为 6M 12M。 北京林业大学本科毕业论文(设计) 2.3.32.3.3 仿真功能仿真功能 电脑仿真 Proteus 自从有了单片机的同时也就有了开发系统，随着单片机的发展开发系统也在 不断的进步。keil 是一种先进的单片机集成开发系统，它代表着汇编语言单片机开发系统 的现阶段最新技术，首创多项便利技术，将开发的编程/仿真/调试/加密等过程同时完成， 中间不须再进行任何编译或汇编16。 功能特性 1，可以仿真 63K 程序空间,接近 64K 的 16 位地址空间； 2，可以仿真 64Kxdata 空间,全部 64K 的 16 位地址空间； 3，可以真实仿真全部 32 条 IO 脚； 4，完全兼容 keilC51 UV2 调试环境,可以通过 UV2 环境进行单步,断点, 全速等操作； 5，可以使用 C51 语言或者 ASM 汇编语言进行调试 ； 6，可以非常方便地进行所有变量观察,包括鼠标取值观察,即鼠标放在某 变量上就会立 即显示出它此的值； 7，可选 使用用户晶振，支持 040MHZ 晶振频率； 8，片上带有 768 字节的 xdata,您可以在仿真时选 使用他们,进行 xdata 的仿真； 9，可以仿真双 DPTR 指针； 10，可以仿真去除 ALE 信号输出. ； 11，自适应 300-38400bps 的所有波特率通讯； 12，体积非常细小,非常方便插入到用户板中.插入时紧贴用户板,没有连接电缆,这样可 以有效地减少运行中的干扰,避免仿真时出现莫名其妙的故障； 北京林业大学本科毕业论文(设计) 13，仿真插针采用优质镀金插针,可以有效地防止日久生锈,选择优质园脚 IC 插座，保 护仿真插针，同时不会损坏目标表上的插座. ； 14，仿真时监控和用户代码分离,不可能产生不能仿真的软故障； 15，RS-232 接口不计成本采用 MAX202 集成电路,串行稳定稳定可靠,绝非一般三极管 的简易电路可比。 功能限制 仿真器占用单片机串口及定时器 2，与 Keil C(PC)通讯，故不支持串口及定时器 2 的仿 真功能。全速运行时单片机串口及定时器 2 可供用户使用。 使用方法 1将仿真器插入需仿真的用户板的 CPU 插座中，仿真器由用户板供电； 2将仿真器的串行电缆和 PC 机接好，打开用户板电源； 3通过 keil C 的 IDE 开发仿真环境 UV2 下载用户程序进行仿真、调试。 硬件说明 1、使用用户板的晶振：仿真器晶振旁有两组跳线用来切换内部晶振和用户板晶振，当 两个短路块位于仿真器晶振一侧时，默认使用仿真板上的晶振（11.0592MHz）, 当两个短 路块位于电容一侧时，使用用户板的晶振。 2、为便于调试带看门狗的用户板，仿真器的复位端未与用户板复位端相连；故仿真器 的复位按钮只复位仿真器，不复位用户板；若要复位用户板，请使用用户板复位按钮。 北京林业大学本科毕业论文(设计) 2.3.42.3.4 晶振电路，复位电路与引脚图晶振电路，复位电路与引脚图 图图2-42-4 复位电路复位电路 图图2-52-5 晶振电路晶振电路 北京林业大学本科毕业论文(设计) 图图2-62-6 引脚图引脚图 北京林业大学本科毕业论文(设计) 2.42.4 语音模块语音模块 2.4.12.4.1 迎宾语音模块迎宾语音模块 本模块是通过单片机驱动语音芯片，语音芯片中存有“欢迎光临”的 MP3，然后语音芯片 驱动扬声器，发出迎宾音乐。单片机驱动语音芯片有两种控制模式，此次设计选用的是串 行控制模式。 语音芯片的类型有许多，在本设计中采用的是 ISD4004-08 语音芯片/录音芯片。该芯片可 以自己录想要的音。 ISD4004 系列工作电压 3V,单片录放时间 8 至 16 分钟,音质好,适用 于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用 CMOS 技术,内含振荡器、防混淆滤波器、 平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有 操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI)送入8。芯片采用多电平直接 模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再 现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和 金属声。采样频率可为 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片 内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存 100 年(典型值),反复录音 10 万次。这款芯 片操作简单移动，你在单片机编写录音程序，调用语音芯片录音，录音成功后语音芯片会 返回当前录进去的音的地址给你，你可以用一个变量来储存，以后要播放声音时可以编写 程序播放这个地址的声音。由于各种技术问题，所以我的设计中并没有采用录音，而是在 线下载 MP3 到芯片中。 北京林业大学本科毕业论文(设计) 图图2-82-8 串行模式引脚图串行模式引脚图 2.4.22.4.2 防盗语音模块防盗语音模块 相对于迎宾模块，本模块相对简单一些，三极管驱动蜂鸣器发出报警信号。不过相对 于迎宾语音模块，本模块有一些小改动，那就是设置布防后整个语音模块有 20 秒的缓冲， 是因为考虑到在实际应用中如果在启动布防后直接调用语音模块，那可能会把主人当做入 侵者，所以设计了这一较为人性化的功能。 蜂鸣器是一种结构一体化的电子讯响器，在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用 “FM”、“LB”、“JD”等）表示。供电方式是直流电压供电，其能以某个固定频率发出 声音，如嘀嘀嘀，嘟嘟嘟等。蜂鸣器根据激发方式不同主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂 鸣器两种类型，通常在计算机、复印机、报警器、儿童玩具、打印机、汽车电子设备、电 话、定时器等电子产品中起到发声器件的作用。 北京林业大学本科毕业论文(设计) 由于自激蜂鸣器是通过直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，所有只需对 驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音。这里只对必须用 1/2duty 的方波信号进行驱动的他激蜂鸣器进行说明。 单片机驱动他激蜂鸣器的方式主要有两种：一种是利用 PWM 输出口直接驱动，另一种 是利用 I/O 定时翻转电平所产生的驱动波形对蜂鸣器进行驱动。 PWM 输出口直接驱动是利用 PWM 输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。 在单片机的软件设置中有几个系统寄存器是用来设置 PWM 口的输出的，可以设置占空比、 周期等等，通过设置这些寄存器产生符合蜂鸣器要求的频率的波形之后，只要打开 PWM 输 出，PWM 输出口就能输出该频率的方波，这个时候利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了。比 如频率为 2000Hz 的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为 500s，这样只需要把 PWM 的周期设 置为 500s，占空比电平设置为 250s，就能产生一个频率为 2000Hz 的方波，通过这个 方波再利用三极管就可以去驱动这个蜂鸣器了。 而利用 I/O 定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来 做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动 蜂鸣器了。比如为 2500Hz 的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为 400s，这样只需要驱动蜂 鸣器的 I/O 口每 200s 翻转一次电平就可以产生一个频率为 2500Hz，占空比为 1/2duty 的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。 由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的 I/O 口是无法直接驱动的*（但 AVR 可以驱动小功率蜂鸣器），所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流 就可以了。 蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极 管和一个电源滤波电容。 1蜂鸣器 发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发 声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直 流/方波）等。这些都可以根据需要来选择。 2续流二极管 北京林业大学本科毕业论文(设计) 滤波电容 蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬变，因此必须有一个续流二极管提供续 流。否则，在蜂鸣器两端会产生几十伏的尖峰电压，可能损坏驱动三极管，并干扰整个电 路系统的其它部分。 3滤波电容 滤波电容 C1 的作用是滤波，滤除蜂鸣器电流对其它部分的影响，也可改善电源的交 流阻抗，如果可能，最好是再并联一个 220uF 的电解电容。 4三极管 三极管 Q1 起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极 低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。 北京林业大学本科毕业论文(设计) 第三章第三章 实验实验 3.13.1 电路设计电路设计 3.1.13.1.1 电路的原理图电路的原理图 图图 3-13-1 红外感应门铃原理图红外感应门铃原理图 北京林业大学本科毕业论文(设计) 图图 3-23-2 红外感应门铃实物图红外感应门铃实物图 3.1.23.1.2 电路的组成部分电路的组成部分 如图所示，供电方式是一个 DC 插头，也可以接电池盒。总开关用的是自锁开关，自 锁开关电路中起到电源的开关作用，常开的其中一脚接 DC 电源插口电源脚，常开的另一 脚接电路的 VCC。自锁开关的左侧有 3 个轻触按钮，摁下自锁开关后，摁左边的按钮，黄 灯亮，门铃开启迎宾功能，然后摁右边的按钮，电路复位。摁中间的按钮，门铃启动防盗 功能，有 20 秒的缓冲，绿灯闪烁，20 秒过后红灯亮，检测到人蜂鸣器会工作。 正中间的单片机是电路核心，STC89051 单片机，负责处理电路中的各种电流电荷电平 信号，下方的晶振是控制单片机执行程序速度的，左侧一个语音芯片，里面存有欢迎光临 的 MP4 文件，语音芯片连接扬声器，构成迎宾功能的语音模块。右上方是热释电传感器 HC-SR501，作为电路的人体感应模块。左侧是三极管驱动蜂鸣器，作为报警功能的语音模 块。其他的一些原件，例如色环电阻和电容，就不做详述。 北京林业大学本科毕业论文(设计) 3.23.2 电路原理图、电路原理图、PCBPCB 板图的设计板图的设计 3.2.13.2.1 使用相关软件的介绍使用相关软件的介绍 当前电子技术发展日新月异，电子绘图和制板技术专业化程度越来越高，电子 CAD 技术 已经成为专业基础技术。Protel 99 SE 共分 5 个模块，分别是原理图设计、PCB 设计、自 动布线器、原理图混合信号仿真、PLD 设计。美国 ACCEL technologies 公司于 1988 年推 出了当时非常受欢迎的电子线路 CAD 软件包TANGO