毕业设计论文基于单片机的电子音乐门铃的设计.doc

基于基于单片机的电子音乐门铃的设计单片机的电子音乐门铃的设计 摘摘 要要 随着时代的前进和发展 控制智能化 仪器小型化 功耗微小化得到广泛关注 在这 些领域中 单片机起到了举足轻重的作用 这就把单片机的应用提升到重要的地位 单片 机应用系统设计就成为新的技术热点 近几年来 随着市场上智能化楼宇的不断升温 门铃系统已作为智能化办公室和智能 化住宅小区的一个重要组成部分 被各商家和用户所接受 人们已开始习惯用门铃系统代 替传统的铁钥匙去管理各通道门 这使门铃系统得到了飞跃性的发展 随着单片机技术的 飞速发展 通过单片机实现人们对物质生活的满足 这将会日益成为今后的一个重要发展 的方向 本设计是介绍了由AT89C51单片机来构成电子音乐门铃系统的工作过程 本系统主要 完成该电子门铃不仅具有普通电子门铃的功能 而且还具有一些扩展功能 它的工作状态 能够由用户自行设定等常规功能 并给来访者提供必要的语音和文字回应信息 此外 这 给人们生活提供了很大的便利 关键词 关键词 单片机 电子门铃 液晶显示 语音录放 The design of electronic music doorbell based on Single Chip Microprocessor Abstract With the progress of the times and development of intelligent control small machines micro power consumption get a wide concern In these areas Single chip microprocessor played a pivotal role which the MCU applications important to enhance the status of Single Chip Microprocessor applications designed to become the new hot technology In recent years with intelligent buildings on the market has been heating up the doorbell system has been as intelligent office and intelligent residential quarters of an important component of the traders and users to accept People have begun to use doorbell system used to replace the traditional iron keys to manage the access door rang the doorbell so that this system has been leap of development With the rapid development of Single Chip Microprocessor technology people will increasingly become an important future development direction through the material life of the meet It is introduced by the AT89C51 chip to a system of electronic music doorbell process This system is mainly to complete the electronic doorbell rang the doorbell not only a common electronic features but also has some extensions Its work by the state to set its own users such as conventional capabilities and visitors to provide the necessary response to the voice and text information in addition users can also visit a wide range of information enquiries Key words Single Chip Microprocessor Electronic doorbell LCD display Voice record play 目目 录录 引引 言言 1 第第 1 章章 绪论绪论 2 1 1 概述 2 1 2 课题的总体设计及思路 2 第第 2 章章 硬件电路设计硬件电路设计 4 2 1 硬件最小系统设计 4 2 1 1 核心芯片 AT89C51 简介 4 2 1 2 复位电路的设计 5 2 1 3 时钟电路的设计 6 2 1 4 存储器的分配 7 2 2 时钟电路的设计 8 2 2 1 DS1302 芯片简介 8 2 2 2 DS1302 结构框图与引脚介绍 8 2 2 3 DS1302 与单片机的硬件电路的设计 10 2 3 显示提示电路的设计 11 2 3 1 液晶显示原理 11 2 3 2 SMC1602 芯片简介 12 2 3 3 显示电路的设计 14 2 4 语音提示电路的设计 14 2 4 1 ISD 芯片简介 14 2 4 2 ISD1420 芯片特点及引脚介绍 15 2 4 3 存储芯片 AT24C02 简介 18 2 4 4 ISD1420 与单片机连接电路的设计 19 2 5 按键电路的设计 20 第第 3 章章 软件部分设计软件部分设计 21 3 1 主程序设计 21 3 2 相应子程序设计 22 3 2 1 按键扫描子程序设计 22 3 2 2 门铃键子程序设计 23 3 3 3 录音 RECORD 和播放 PLAY 程序设计 25 第第 4 章章 调调 试试 27 结论与展望结论与展望 29 致致 谢谢 30 参考文献参考文献 31 附录附录 A 总图 总图 32 附录附录 B 外文文献及译文 外文文献及译文 33 附录附录 C 主要参考文献及摘要主要参考文献及摘要 40 附录附录 D 源程序源程序 42 插图清单插图清单 图 1 1 设计框图 3 图 2 1 AT89C51 引脚图 4 图 2 2 复位电路的设计 6 图 2 3 时钟电路的设计 6 图 2 4 内部数据存储器 7 图 2 5 DS1302 结构框图 8 图 2 6 DS1302 引脚排列图 9 图 2 7 时钟芯片电路 10 图 2 8 1602 实物图 12 图 2 9 AT89C51 与 SMC1602 显示电路 14 图 2 10 ISD1420 功能块图 16 图 2 11 ISD1420 管脚排列 17 图 2 12 AT24C02 引脚图 18 图 2 13 ISD1420 与单片机的硬件电路 19 图 3 1 主程序流 程 21 图 3 2 按键扫描子程序 22 图 3 3 门铃键子程序 23 图 3 4 语音和显示子程序 1 流程图 24 图 3 5 语音和显示子程序 2 流程图 24 图 3 6 PLAY 键子程序 25 表格清单表格清单 表 2 1 复位后寄存器态 6 表 2 2 DS1302 的日历 时钟寄存器及其控制字 10 表 2 3 1602LCD 的引脚功能表 12 表 2 4 1602 液晶模块内部的控制器的 11 条控制指令 13 表 2 5 基本时序表 13 引引 言言 近几年来 随着市场上智能化楼宇的不断升温 门铃系统已作为智能化办公室和 智能化住宅小区的一个重要组成部分 被各商家和用户所接受 人们已开始习惯用门 铃系统代替传统的铁钥匙去管理各通道门 这使门铃系统得到了飞跃性的发展 在 2000 年 全世界的门铃系统销量比 1999 增长了接近 10 倍 占整个安防市场的 40 从以前的 叮咚 门铃 它价格便宜 性能可靠 耗电量少 安装也简便 然后 就有了音乐门铃 按下再也不是 叮咚 声 而是悦耳的音乐 让客人可以耐心的等 待 现在的门铃已经出现可视门铃 在屋里屋外都有可视机 并且可以对话 通过对 话 主人可以在里屋按动旋纽开门 这样主人就不用亲自出来开门了 很方便 目前市场上的门铃种类繁多 既有功能比较简单的 也有一些功能较强的 如可 视对讲门铃等 可视对讲门铃在现在已经很普遍 城市居民楼单元入口大多数是敞开 着的 这方便了居民的进出 但同时也给居民的生活带来了诸多的不便 例如 由于 任何人都可随意进入居民楼道内 因此在居民楼道内我们随处都能看到贴于墙上或楼 梯台阶上的各类纸质广告 也能看到印刷于墙上或楼梯台阶上的各类广告 这既影响 了楼道内的卫生 更影响了楼道的美观 楼宇防盗直按可视对讲门铃系统很好的解决 了这些问题 特别适于居民楼单元入口处防盗门安装使用 本文介绍的电子门铃则主 要从其它一些特殊功能的角度来设计 它通过对来访者提供一些LCD文字和语音的提 示 使它既能给来访者一个较好的感觉 又能使主人 不在家时 不错过一些来访者 本系统主要有语音提示 LCD显示提示 以及响铃 和外机按键等功能 其中本 设计的中心系统是由单片机AT89C51完成的 主要硬件电路有单片机 时钟与复位电 路 选择按键输入电路 存储电路 音频发生器 音频放大器 扬声器 1602LCD显 示电路以及ISD1420语音提示电路 并给出了其完整的硬件电路和软件的设计方案与实 现方法 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 概述 微型计算机的出现和大量使用将人类社会带入一个新的时代 单片微型计算机 简称单片机 在其中扮演着十分重要的角色 虽然它没有常见的 PC 那样大的体积和 重量 不会在办公桌和控制台上占据一个显要的位置 但它就像小小的螺丝钉一样 镶嵌在人们工作生活中需要计算 控制 测量等智能活动的各个角落 由于单片机的 控制功能强大 使用灵活 体积小 可靠性高 性价比高 用以产品化等特点 近年 来在智能仪器仪表 机电一体化 实时控制 分布式多机系统 家用电气等各个领域 都得到了广泛的应用 对各个行业的技术改造和产品的更新换代起着重要的推动作用 对人们生活质量的提高产生了深刻的影响 传统的门铃都是叮咚声 所具备的功能较少 也比较弱 而且结构很复杂 根本 不能满足这个飞速发展的社会的需要 而现在主要是一种无绳电话可视门铃对讲系统 包括门口机和室内机 所述门口 机与所述室内机相互连接 所述的门口机 包括摄像头及音频电路 所述室内机 包 括连接到电话线的第一通讯模块 还包括与所述室内机无线连接的移动终端 所述室 内机还包括控制模块 视频发射模块以及用于在第一通讯模块和视频发射模块间切换 的电话开关模块 所述电话开关模块分别与控制模块和第一通讯模块连接 所述移动 终端包括与第一通讯模块无线连接的第二通讯模块以及与所述视频发射模块无线连接 的视频接收模块 其中所述第一通讯模块与第二通讯模块之间采用时分双工通讯 本 发明通过采用移动终端进行对讲和控制 使得可视门铃对讲可在任意位置进行同时具 备无绳电话功能 将来的门铃将会更智能化 更人性化 满足人类各种需要 本设计主要是针对门铃系统在语音提示中文 LCD 显示英文以及响铃 主要是各 种不同的音乐 功能的实现 1 2 课题的总体设计及思路 本次设计的系统是属于单片机实现功能的典型应用 通用性很强 在人们日常生 活中有着广泛的应用 本系统以单片机 89C51 为核心 其硬件电路由单片机 时钟与复位电路 选择按 键输入电路 存储电路 音频发生器 音频放大器 扬声器 LCD 显示电路以及语音 电路 主要功能是当主人在家时 将开关打在 IN 来访者来时按铃 语音提示 请稍后 马上就来开门 LCD 显示 Please wait for a moment 并且音乐响起 当主人不在家时 将开关打在 OUT 来访者来时按铃 语音提示 家里没人 请 留言姓名 谢谢 LCD 显示 Please visit me later 此时不响音乐 本设计主要由 单片机 AT89C51 构成核心电路 由 LM386 构成音频放大 由 1602LCD 构成显示电路 由 ISD1420 构成语音录放电路 系统带有选择按键控制功能 对主人是否在家提供主 观上的选择 当主人在家 但不愿意别人的打扰 这时也可以将选择按键控制为 OUT 这样大大不仅具有控制方便简单和灵活性大的特点 而且提高了人性化的特 点 从而大大提高了产品的质量 进行系统设计时应考虑如下问题 1 由 1602LCD 构成的显示电路 将要显示两句话 Please wait for a moment Please visit me later 这两句话的程序原代码设计 2 由 ISD1420 语音芯片构成语音提示电路中 录音和放音的过程 3 硬件电路的连接实现过程 硬件电路的设计框图如图 1 1 所示 时钟复位电路 AT89C51单 片机 音频放大器 按键输入电路 1602LCD显示电 路 扬声器 音频发生器 ISD1420语音提 示电路 图1 1 设计框图 第第 2 章章 硬件电路设计硬件电路设计 2 1 硬件最小系统设计 2 1 1 核心芯片 AT89C51 简介 该设计所用主要芯片是 AT89C51 现对各组成部分的情况介绍如下 中央处理器 内部数据存储器 内部程序存储器 定时器 串行口 中断控制系统 以及时钟复位 电路等等 AT89C51 芯片引脚图如图 2 1 所示 芯片引脚介绍 AT89C51 1 2 22 2120 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 RST VPD RXD P3 0 TXD P3 1 INTO P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 WR P3 6 RD P3 7 XTAL 2 XTAL 1 VSS VCC P0 0 AD 0 P0 1 AD 1 P0 6 AD 6 P0 5 AD 5 P0 4 AD 4 P0 3 AD 3 P0 2 AD 2 P0 7 AD 7 P2 0 A8 P2 1 A9 P2 2 A10 P2 3 A11 P2 4 A12 P2 5 A13 P2 6 A14 P2 7 A15 PSEN ALE PROG EA VPP P1 0 P1 1 图2 1 AT89C51引脚图 P0 口 P0 口是开漏双向口 可以写为 1 使其状态为悬浮用作高阻输入 P0 也可 以在访问外部程序存储器时作地址的低字节 在访问外部数据存储器时作数据总线 此时通过内部强上拉输出 1 P1 口 P1 口是带内部上拉的双向 I O 口 向 P1 口写入 1 时 P1 口被内部上拉为高 电平 可用作输入口 当作为输入脚时被外部拉低的 P1 口会因为内部上拉而输出电流 P1 口第 2 功能 T2 P1 0 定时 计数器 2 的外部计数输入 时钟输出 见可编程输出 T2EX P1 1 定时 计数器 2 重装载控制 P2 口 P2 口是带内部上拉的双向 I O 口 向 P2 口写入 1 时 P2 口被内部上拉为高 电平 可用作输入口 当作为输入脚时被外部拉低的 P2 口会因为内部上拉而输出电流 见 DC 电气特性 在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和 16 位 地址 MOVX DPTR 此时通过内部强上拉传送 1 当使用 8 位寻址方式 MOV Ri 访 问外部数据存储器时 P2 口发送 P2 特殊功能寄存器的内容 P3 口 P3 口是带内部上拉的双向 I O 口 向 P3 口写入 1 时 P3 口被内部上拉为高 电平 可用作输入口 当作为输入脚时被外部拉低的 P3 口会因为内部上拉而输出电流 见 DC 电气特性 P3 口还具有以下特殊功能 RXD P3 0 串行输入口 TXD P3 1 串行输出口 INT0 P3 2 外部中断 0 INT1 P3 3 外部中断 1 T0 P3 4 定时器 0 外部输入 T1 P3 5 定时器 1 外部输入 WR P3 6 外部数据存储器写信号 RD P3 7 外部数据存储器读信号 ALE 地址锁存使能 在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节 在正常情 况 ALE 输出信号恒定为 1 6 振荡频率并可用作外部时钟或定时 注意每次访问外部数 据时一个 ALE 脉冲将被忽略 ALE 可以通过置位 SFR 的 auxlilary0 禁止置位后 ALE 只 能在执行 MOVX 指令时被激活 PSEN 程序存储使能 当执行外部程序存储器代码时 PSEN 每个机器周期被激活 两次 在访问外部数据存储器时 PSEN 无效访问内部程序存储器时 PSEN 无效 EA 当此脚为低电平时 对 ROM 的操作限定在外部程序存储器 而它为高电平时 则对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始 并可延续至外部程序存储器 XTAL1 晶体 1 反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入 XTAL2 晶体 2 反相振荡放大器输出 1 2 1 2 复位电路的设计 复位是单片机的初始化操作 其主要功能是把 PC 初始化为 0000H 使单片机从 0000H 单元开始执行程序 除了进入系统的正常初始化之外 当由于程序运行出错或 操作错误使系统处于死锁状态时 为了摆脱困境 也需要按复位键以重新启动 在振荡器工作时将 RST 脚保持至少两个机器周期高电平 12 时钟模式为 24 个振 荡器周期 6 时钟模式为 12 振荡器周期 可实现复位 为了保证上电复位的可靠 RST 保持高电平的时间至少为振荡器启动时间通常为几个毫秒再加上两个机器周期复位后 振荡器以 12 时钟模式运行当已通过并行编程器设置为 6 时钟模式时除外 单片机在 RESET 为高电平控制下 程序计数器 PC 和特殊功能寄存器的复位如 表 2 1 所示 单片机的复位并不影响芯片内部 RAM 状态 只要 RESET 引脚保持高 电平 单片机将循环复位 在复位有效期间内 ALE PSEN 将输出高电平 1 表 2 1 复位后寄存器状态 寄存器复位状态寄存器复位状态 PC0000HTMOD00H ACC00HTCON00H B00HTL000H PSW00HTH000H SP07HTL100H DPTR0000HTH100H P0 P30FFHSCON00H IP 000000BSBUF不定 IE0 000000PCON0 0000 本次设计复位电路 如图 2 2 所示 20 F 10k RESET VCC RES 图2 2 复位电路 2 1 3 时钟电路的设计 时钟电路产生与单片机工作所需要的时钟信号 单片机本身就是一个复杂的同步 时序电路 为了保证同步工作方式的实现 电路应在唯一的时钟信号控制下严格的按 时序进行工作 而时序所研究的则是指令执行中各信号之间的相互时间的关系 在 51 芯片内部有一个高增益反向放大器 其输入端为芯片引脚 XTAL1 输出端 引脚为 XTAL2 在芯片的外部通过这两个脚跨接晶体振荡器和微调电容 形成反馈电 路 就构成一个稳定的自激振荡器 6 如图 2 3 所示 30pF 30pF 12MHZ XTAL1 XTAL2 图2 3 时钟电路的设计 内部程序存振荡晶体可在 1 2MHz 12MHz 之间选择 电容值无严格要求 但在电 容值取值对振荡频率输出的稳定性 大小 振荡电路起振速度有少许影响 CX1 CX2 可在 20pF 100pF 之间取值 但在 60pF 70pF 时振荡器有较高的频率稳定性 本设计 选取晶振为 12MHz 电容为 30pH 2 2 1 4 存储器的分配 AT89C51 的内部共有 256 个数据存储器单元 通常把着 256 个单元按其功能划分 为两部分 低 128 单元和高 128 单元 其中内部数据存储器的分配情况如图 2 4 所示 特殊功能 寄存器 数据 缓冲区 位寻址区 128位 工作寄存器区 4组R0 R7 FFH 80H 7FH 30H 2FH 20H 1FH 10H 图 2 4 内部数据存储器 2 2 时钟电路的设计 2 2 1 DS1302 芯片简介 在以单片机为核心构成的装置中 经常需要一个实时的时钟和日历 以便对一些 实时发生事件记录时给予时标 实时时钟芯片便可起到这一作用 过去多用并行接口 的时钟芯片 如 MC146818 DS12887 等 它们已能完全满足单片机系统对实时时钟 的要求 但是这些芯片与单片机接口复杂 占用地址 数据总线接线多 芯片体积大 占用空间多 近年来串行接口的各种芯片在单片机系统中应用愈来愈多 串行接口的 实时时钟芯片也出现了不少 DS1302 是一个综合性能较好且价格便宜的串行接口实时 时钟芯片 2 2 2 DS1302 结构框图与引脚介绍 电源控制 实时时钟 输入移位 寄存器 命令和 控制逻辑 31 8 RAM 振荡器 和分频器 RST SCLK VCC1 VCC2 GND I O DATA BUS ADDRESS BUS 图2 5 DS1302结构框图 1 结构框图与引脚介绍 DS1302 原理框图见图 2 5 所示 DS1302 是一种高性能 低功耗的实时时钟芯片 附加有 31 字节静态 RAM 采用 SPI 三线接口与 CPU 进行同步通信 并可以采用突发 方式 一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据 实时时钟可以提供秒 分 时 日 星期 月和年 一个月小于 31 日时可自动调整 包括闰年 有效至 2100 年 可以采 用 12h 或 24h 方式计时 采用双电源供电 可设置备用电源充电方式 同时提供了对 后备电源进行涓流充电的能力 7 个附加字节的暂存寄存器 包括移位寄存器 控制逻 辑 振荡器 实时时钟和 RAM 芯片为 8 引脚小型 DIP 封装 引脚排列如图 2 6 所示 3 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC2 X1 X2 GND VCC1 SCLK IO RST 图2 6 DS1302引脚排列 DS1302 具有一个可编程的涓流充电器 主电源和备份电源的双电源引脚 7 个附 加字节的暂存寄存器 包括移位寄存器 控制逻辑 振荡器 实时时钟和 RAM 引脚 描述如下 GND 电源地 VCC1 在单电源供电系统中的电源引脚 在双电源系统中接备份电源 VCC2 在双电源供电系统中的主电源引脚 DS1302 由 VCC1 和 VCC2 两者中 较大者供电 当 VCC2 小于 VCC1 时 VCC1 给 VCC2 供电 SCLK 串行接口的同步时钟 I O 双向数据线引脚 RST 复位信号 在一个读写期间必须保持高电平 X1 X2 连接一个标准的 32768HZ 石英晶体 DS1302 也可用外部振荡器驱动 这时 X1 引脚连接外部振荡器信号 X2 悬浮 2 DS1302 功能 命令字节 每次数据传输由命令字节开始 MSB 位 7 必须是逻辑 1 若该位是 0 则禁止操作 DS1302 位 6 为 0 时选择实时时钟 日历数据 位 6 为 l 时选择 RAM 数据 位 5 l 选择操作的寄存器 LSB 位 0 选择写操作 逻辑 0 或读操作 逻辑 l 复位和时钟控制 数据传输的启动是由 RST 置为高电平开始的 RST 启动控制 逻辑 允许地址 命令序列送入移位寄存器 一个时钟周期是一个下降沿紧跟一个上升 沿 数据输入的时候 在时钟上升沿数据必须有效 如果 RST 变低 所有数据传送即 被终止 I 0 引脚到一个高阻状态 在电源上电过程中 RST 必须保持逻辑 0 直到 VCC 大于 2 0V 在 RST 由 0 变 1 的过程中 SCLK 必须是逻辑 0 数据输入 输入命令字节 8 个时钟周期之后 在下 8 个时钟周期的上升沿输人 数据 若有额外的 SCLK 周期是不予理睬的 数据输入开始位是位 0 数据输出 输入读命令字节 8 个时钟周期之后 在下 8 个时钟周期的下降沿数 据被送出 注意 第一个数据位被送出发生在写命令字节最后一位的第一个下降沿 数据输出开始位为位 0 4 3 DS1302 的寄存器 DS1302 共有 12 个寄存器 其中有 7 个寄存器与日历 时钟相关 存放的数据位 为 BCD 码形式 其日历 时间寄存器及其控制字如表 2 2 所列 此外 DS1302 还有年份寄存器 控制寄存器 充电寄存器 时钟突发寄存器及与 RAM 相关的寄存器等 时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存 器内容 DS1302 与 RAM 相关的寄存器分为两类 一类是单个 RAM 单元 共 31 个 每个单元组态为一个 8 位的字节 其命令控制字为 COH FDH 其中奇数为读操作 偶数为写操作 另一类为突发方式下的 RAM 寄存器 此方式下可一次性读写所有的 RAM 的 31 个字节 命令控制字为 FEH 写 FFH 读 表 2 2 DS1302 的日历 时钟寄存器及其控制字 命令字各位内容寄存器名 写操作读操作 取值范围 76543210 秒寄存器80H81H00 59CH10SECSEC 分寄存器82H83H00 59010MINMIN 时寄存器84H85H01 12 或 00 2312 24010HRHR 日寄存器86H87H01 28 29 30 310010DATEDATE 月寄存器88H89H01 1200010MMONTH 周寄存器8AH8BH01 0700000DAY 年寄存器8CH8DH00 9910YEARYEAR 2 2 3 DS1302 与单片机的硬件电路的设计 DS1302 与单片机的连接仅需要 3 条线 即 SCLK I O RST VCC2 在单电源与 电池供电的系统中提供低电源并能提供低功率的电池备份 VCC2 在双电源系统中提 供电源 在这种运行方式下 VCC1 连接到备份电源 以便在没有主电源的情况下能保 存时间信息以及数据 DS1302 由两者中的较大者供电 当 VCC2 大于 VCC1 0 2v 时 VCC2 给 DS1302 供电 当 VCC2 小于在单片机系统中使用 VCC1 的时候 DSl302 由 VCC1 供电 在本设计中 以 AT89C51 为主器件 DS1302 为从器件 RST 接在主器件 P3 2 上 此引脚为高位的时候 选中该芯片 对其进行操作 串行数据线 I O 与串行时钟线 SCLK 分别接在 P3 1 和 P3 0 上 所有的单片机地址 命令及数据均通过这两条线传输 在此设计中 主器件在总线上产生时钟脉冲 寻址信号 数据信号 而从器件则相应 接受数据 送出数据 对 DS1302 的每一次读写都需要 16 个时钟脉冲 前 8 个脉冲输 入操作地址和读写命令 电路图如图 2 7 所示 10pF 10pF 32 768 kHz VCC2 X1 X2 GND VCC1 SCLK IO R S T 5V 3 6V P30 P31 P32 图2 7 时钟芯片电路 2 3 显示提示电路的设计 2 3 1 液晶显示原理 1 液晶显示原理 液晶显示器利用液晶的物理特性 通过外加电压对显示区域进行控制 可以显示字 符或图形 液晶显示器具有厚度薄 适用于大规模集成电路直接驱动 易于实现全彩 色显示的特点 广泛用于便携式电脑 数字摄像机 PDA 移动通信工具等领域 2 液晶显示器的分类 液晶显示的分类方法很多 按显示方式可分为段式 字符式 点阵式等 除了黑白 显示外 液晶显示器还有多灰度 彩色显示等 如果根据驱动方式 可以分为静态驱 动 static 单纯矩阵驱动 simple Matrix 和主动矩阵驱动 Active Matrix 等三种 5 3 液晶显示器各种类形的显示原理 1 线段的显示 点阵图形式液晶由 M N 个显示单元组成 假设 LCD 显示屏有 64 行 每行有 128 列 每 8 列对应 1 字节的 8 位 则每行由 16 字节 共 16 8 128 个点组成 屏上的 64 l6 个显示单元与显示 RAM 区 1024 个字节相对应 每一字节的内容和显示屏上相 应位置的亮暗对应 例如 屏的第一行的亮或暗 由 R 人 M 区的 000H 00FH 的 16 字 节的内容决定 当 000H FFH 时 屏幕的左上角显示一条短亮线 长度为 8 个点 当 3FFH FFH 时 屏幕的右下角显示一条短亮线 当 000H FFHF 001H 00H 002H 00H 00EH 00H 00FH 00H 时 在屏幕的顶部显示一条由 8 段亮 线和 8 条暗线组成的虚线 2 字符的显示 用 LCD 显示一个字符时 因为一个字符由 6 8 或 8 8 点阵组成 既要找到和显示 屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字节 还要使每字节的不同位为 l 其他 的为 0 为 1 的点亮 为 0 的不亮 这样就组成了某个字符 对于内带字符发 器的控制器来说 显示字符就比较简单了 可以让控制器工作在文本方式 根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数找出显示 RAM 对应的地址 设立光标 并在 此处送上该字符对应的代码即可 3 汉字的显示 汉字的显示一般采用图形方式 事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码 每个 汉字占 32B 分左右两半 各占 16B 左边为 1 3 5 右边为 2 4 6 根据 在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示 RAM 对应的地址 设立光标 送上要显示的汉字的第一字节 光标位置加 1 送第二个字节 换行按列对齐 送第三 个字节 直到 32B 显示完 就可以在 LCD 上得到一个完整汉字 16 2 3 2 SMC1602 芯片简介 字符型液晶显示模块是专门用于显示字母 数字 符号等的点阵式 LCD 目前常 用的有 16 1 16 2 20 2 和 40 2 行等 下面以 1602 字符型液晶显示器为例 介绍其 用法 实物如图 2 8 所示 16 图 2 8 1602 实物图 1 1602LCD 的引脚功能 表 2 3 1602LCD 的引脚功能表 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地 9D2数据 2VDD电源正极 10D3数据 3VL液晶显示偏压 11D4数据 4RS数据 命令选择 12D5数据 5R W读 写选择 13D6数据 6E使能信号 14D7数据 7D0数据 15BLA背光源正极 8D1数据 16BLK背光源负极 1602LCD 采用标准 14 脚 无背光 或 8 脚 带背光 接口 各引脚功能如表 2 3 所示 VL 为液晶显示器对比度调整端 接电源正极时对比度最弱 接地时对比度最高 若对比度过高会产生 鬼影 使用时可以通过一只 10K 电阻来调整对比度 RS 为寄存器选择端 RS 为高电平时选择数据寄存器 为低电平时选择指令寄存 器 R W 为读写信号线 为高电平时进行读操作 为低电平时为写操作 当 Rs 和 R W 同为低电平时可以写人指令或者显示地址 当 RS 为低电平 R W 为高电平时可 以读忙信号 当 RS 为高电平 R W 为低电平时可以写人数据 E 为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 D0 D7 为 8 位双向数据线 2 1602LCD 的指令说明及时序 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 如表 2 4 所示 表 2 4 1602 液晶模块内部的控制器的 11 条控制指令 序号指令RSR WD7D6D5D4D3D2D1D0 1清显示0000000001 2光标返回000000001 3置输入模式00000001I DS 4显示开 关控制0000001DCB 5光标或字符移位000001S CR L 6置功能00001DLNF 7置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址 8置数据存储器地址001显示数据存储器地址 9读忙标志或地址01BF计数器地址 10写数到 CGRAM 或 DDRAM10要写的数据内容 11从 CDRAM 或 DDRAM 读数11读出的数据内容 1602 液晶模块的读写操作 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的 指令 1 清显示 指令码 01H 光标复位到地址 00H 位置 指令 2 光标复位 光标返回到地址 00H 指令 3 光标和显示模式设置 I D 光标移动方向 高电平右移 低电平左移 S 屏幕上所有文字是否左移或者右移 高电平表示有效 低电平则无效 指令 4 显示开关控制 D 控制整体显示的开与关 高电平表示开显示 低电平表示关显示 C 控制光标 的开与关 高电平表示有光标 低电平表示无光标 B 控制光标是否闪烁 高电平闪 烁 低电平不闪烁 指令 5 光标或显示移位 S C 高电平时移动显示的文字 低电平时移动光标 指令 6 功能设置命令 DL 高电平时为 4 位总线 低电平时为 8 位总线 N 低电平时为单行显示 高电 平时双行显示 F 低电平时显示 5 7 的点阵字符 高电平时显示 5 10 的点阵字符 指令 7 字符发生器 RAM 地址设置 指令 8 DDRAM 地址设置 指令 9 读忙信号和光标地址 BF 忙标志位 高电平表示忙 此时模块不能接收命令或者数据 低电平表示不忙 指令 10 写数据 指令 11 读数据 与 SMC1602 芯片的时序如表 2 5 所示 表 2 5 基本时序表 读状态输入RS L R W H E H输出D0 D7 状态字 写指令输入RS L R W L D0 D7 指令码 E 高脉冲输出无 读数据输入RS H R W H E H输出D0 D7 数据 写数据输入RS H R W L D0 D7 数据 E 高脉冲输出无 2 3 3 显示电路的设计 如图 2 9 所示 单片机 AT89C51 与芯片 SMC1602 的显示电路 在本设计中 SMC1602 芯片主要是显示主人所要传达给来访者的信息 当来访者按下门铃按钮时 芯片自动提取信息英文提示来访者 主人在 不在家的信息 并且告知来访者是否继续 等待 10 AT89C51 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 RST VPD RXD P3 0 TXD P 3 1 INTO P 3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 WR P3 6 RD P3 7 XTAL2 XTAL1 VSS P1 0 P1 1 VCC P0 0 P0 1 P0 6 P0 5 P0 4 P0 3 P0 2 P0 7 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 ALE PROG EA VPP PSEN VCC VSS VL R W RS E BLA BLK DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 SMC1602 图 2 9 AT89C51 与 SMC1602 的显示电路 2 4 语音提示电路的设计 2 4 1 ISD 芯片简介 单片机控制系统通常使用发光二极管 LED 数码管 液晶显示器 蜂鸣器等进行 状态 结果显示 故障报警 近年来随着语音电路的迅速发展 语音芯片已经以其直观 生动 与单片机接口方便等优势 越来越广泛的应用于单片机控制系统中了 ISD1420 为美国 ISD 公司出品的优质单片语音录放电路 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音的再现 不仅语音质量优胜 而且断电语音保护 在本设计中 ISD1420 语音芯片主要承当提示的作用 主人在提示语录入芯片中 当来访者按下门铃按钮时 芯片自动提取信息提示来访者 主人在 不在家的信息 下 面详细介绍了 ISD1420 语音芯片与单片机的接口 给出了具体的电路图和驱动软件及 芯片外围的驱动电路和具体参数 14 2 4 2 ISD1420 芯片特点及引脚介绍 1 芯片特点及结构简图 ISD1420 芯片采用直接模拟存储技术 且录放音质极好 并有一定的混响效果 它的外围元件简单 仅需简单的阻 容元件即可组成简单的录 放电路 单电源供 电 典型电压 5V 待机时低功耗 0 5 A 放音电流 15mA 放音时间 20s 可扩充 级联 可持续放音 也可分段录放 最小分段 205 160 段 0 1255 段 可分段 160 段 录 放次数达 10 万次 断电信息存储 无需后备电池 信息可存储 100 年 不 需要专用的编程器及语音开发器 高优先级录音 低电平或负边沿放音 使用方便的单片录放系统 外部元件最少 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 10 万次 无需专用编程或开发系统 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 5 A 电流 单一 5 伏电源供电 ISD1420 功能块图如图 2 10 所示 2 引脚介绍 ISD142O 芯片封装有 DIP 硬封装和 COB 软封装两种形式 均为 28 引脚 如图 2 11 VCCA VCCD 电源 为了减小片内噪声 模拟电路和数字电路在 ISD1400 内部是分开的 这些电源总线在封装上也是分开的 为了减小噪声 提高声音质量 这两个电源引脚应离电源尽可能的近 而且电源的去耦电容应离引脚越近越好 VSSA VSSD 地线 与电源相类似 模拟电路和数字电路在芯片内部使用分 离的地线以减小噪声 这两个引脚的连接线应尽可能地靠近芯片 此外 地线应尽 可能的粗 REC 录音 REC 是低电平有效信号输入 无论 REC 何时变低管子都开始录音 且在录音期间 REC 应始终保持低电平 与回放输入信号 PLAYE 或 PLAYL 相比 REC 有优先权 即在放音过程中 如果 REC 变低 则电路马上由放音过程转为录音 过程 反之则不行 当 REC 变高或存储空间变满时录音过程结束 一个信息结束标 记 EOM 会出现在录音截止的地方 这样就能保证以后的放音有正确的结束点 PLAYE 回放 边缘触发 当一个低电平跳变出现在这个引脚时 回放过程开 始 当遇到信息结束标记 EOM 或存储空间的末尾时 回放过程结束 在回放过程 中 PLAYE 变高并不能中断回放过程 采样时钟计时内部时钟 放大 模拟转换 器 放大 平滑滤 波器 抗混频 滤波器 预 放 大 电源调理 地址缓存器件控制 128K永久 性多级存 储阵列 自动 增益 控制 解 码 器 VCCA VSSAVSSD VCCD XCLK ANA IN ANA OUT MIC MIC REF AGC SP SP REC PLAYL RECLED PLAYE A0A1 A7 图2 10 ISD1420功能块图 PLAYL 回放 电平触发 当这个引脚的电平由高变低时 回放过程开始 回 放过程持续到 PLAYL 由高变低或遇到 EOM RECLED 录音 LED 输出 在录音过程中 RECLED 输出变低 该输出可用于 驱动一个 LED 以提供正在录音的提示信息 MIC 话筒输入 MIC 把其输入信号传给片上预放大器 片上自动增益控制 AGC 电路控制片上预放大器的增益从 15 至 24 之间变化 外部话筒输入应通过电 容交流耦合至本引脚 电容值和本引脚上的片内 10k 电阻决定了芯片的低频截止 频率 MIC REF 话筒基准 MIC REF 输入是话筒预放大器的反相端输入 它提供了 较好的噪声抑制比和较高的共模抑制比 AGC 自动增益控制 AGC 动态地调整预放大器的放大倍数以扩大话筒输入的 范围 AGC 功能允许更大范围的声音输入 从小声耳语到很大的声音都能得到很好 的录音效果 并在整个范围内保持小的失真率 ANA OUT 模拟输出 本引脚向用户提供预放大器的输出 预放大器的电压放 大倍数由 AGC 引脚的电压所决定 ANA IN 模拟输入 ANA IN 引脚把输入信号传给片内以便录音 对于话筒输 入模式 ANA IN 引脚应通过外部电容连接到 ANA OUT 引脚 如果外部输入信号的 来源不是话筒 则输入信号可通过电容直接耦合给 ANA IN ISD1420 A0 A1 A2 A3 A4 A5 NC NC A6 A7 NC VSSD VSSA SP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 VCCD REC XCLK RECLED PLAYE PLAYL NV ANA OUT ANA IN AGC MIC REF MIC VCCA SP 图2 11 ISD1420管脚排列图 XCLK ISD1400 系列对外部的时钟输入 其内部有下拉元件 一旦接入外部时 钟 内部时钟自动失去作用 如果没有用则该引脚应当接地 另外 如不是要求时钟 信号特别精确 一般不推荐使用外部时钟输入 内部时钟已经能使芯片很好地工作 SP SP 扬声器输出 SP 和 SP 引脚提供了扬声器的直接驱动功能 而输出 电阻只有 16 对于直接驱动的扬声器来说 也可以只用一个输出端 但是双端极性 的输出比单端输出的功率高了 4 倍 此外 当使用 SP 和 SP 时 扬声器耦合电容就没 有必要了 单端连接则需要在 SP 端和扬声器之间连接交流耦合电容 在录音期间扬 声器输出端保持高阻状态 A0 A7 地址输入 地址输入用于芯片有分段录音时 不 同的地址端口对应不同的录音片断 这是分段录音和选择段落回放的保证 2 4 2 分段录音和放音简介 由于分段录音和放音涉及到芯片的一些参数设定和查表 系统介绍需较多篇幅 因此本文不再给出详尽的解释 而只用一些简单的例子加以说明 例子中所涉及到的 参数不作详细的说明 只求能说明问题即可 首先说明 地址并不是存储信息的序号 它是芯片存储区的指针 实际上 它和单片机的存储区地址是类似的 以 ISD1420 为 例 此芯片的存储时间为 20 秒 最小录音时间为 100ms 因此可以分段的总数为 20 0 1 200 段 如果想从第 10 秒处开始录音 则所需地址为 10 0 1 100 换算为二 进制地址 1100100 因此只要按上述给定地址配置芯片地址引脚 A0 A6 的状态 然后 按一般情况进行录音即可 放音与录音类似 重要的是配置好地址状态 ISD1420 的地址线有 7 根 很多情况下用不了这么多根地址线 而且单片机输出 端口也提供不了如此多的地址线 为了解决这个问题 我们可以简单