只要前叙的论文.doc

I 摘 要 现代社会 人们对家居用品的购买和使用都趋向于选择智能化的产品 如智 能洗衣机 智能热水器等 由于窗户是特殊家居用品 关系到家庭财产安全等重 要方面 因此人们都希望窗户能够起到防盗 防风雨等功能 所以 设计出能满 足市场需求具有多功能的智能窗户来代替传统的窗户是社会发展的必然趋势 而 智能窗的核心就是其控制器的设计 控制器性能的好坏 功能的实用与否 将决 定智能窗产品的质量 因此其控制器的设计将成为产品的关键所在 本次设计的智能窗控制器最基本的功能包括 能够实现在刮风下雨或有人企 图开窗入室时控制窗户进行自动关闭 并自动播放语音提示 能够进行煤气泄露 检测 火灾烟雾检测及播放相应语音报警提示并控制窗户自动打开 在冬天天气 较冷的情况下 除了对室外温度进行室内显示外 还在窗户上冻的情况下可以进 行加热化冻 本控制器的扩展功能为遥控功能 能够通过手持遥控器遥控开 关 窗户 遥控化冻等功能 系统设计采用语音功能强大的台湾凌阳公司的 SPCE061A 单片机进行控制 开发软件采用该公司推出的相应开发工具 nSP IDE 设计中将用到红外传感 器 振动传感器 风雨探头 烟雾探头 煤气探头等多种传感器 窗户的开与关 采用微型直流电机驱动 电机的驱动通过继电器来控制 温度测量采用当前较为 先进的 DS18B20 单线数字式温度传感器 化冻加热功能采用电热丝实现 用继电 器对其电路的通断进行控制 设计出的控制器实现了防盗 在有人企图开窗入室时进行语音报警 防风 雨 在刮风下雨情况下自动关闭窗户 煤气泄漏或室内有烟雾的情况下自动打 开窗户并进行语音提示 遥控开关窗户 遥控化冻等功能 关键词 智能窗 防盗 语音报警 遥控 II Abstract In modern society people tend to choose intelligent productions when they want to buy furniture Such as the intelligent washers the intelligent water heaters and so on On account of the windows are special furniture which are been connected to the safety of the family s property people expect that they have the functions of anti theft anti wind anti rain and so on Therefore it is cannot but a trend to design the intelligent windows with multifunction that can satisfy the market demand to substitute the conventional ones And the core of the intelligent window is the design of the controller The quality of the intelligent window lies on the controller s performance and the practicability of its functions So the design of the controller will be the key of the production The basic functions of the designed intelligent window controller include it can automatically closed the window in rain or strong winds or when someone attempt to break the window into the house with an automatic voice alarm It can detect the gas leaking and fire or smoke with voice reminder function and can open the window automatically When the weather is cold in the winter in addition to show the outdoor temperature indoor the system can also unfreeze the ice on the window automatically The extended function of the controller is the remote control function It can telecontrol the window to open or close and unfreeze the ice by a handle remote controller The controller part of the system is the SPCE061A MCU with formidable voice function manufactured by the Lingyang Company in Taiwan The exploiting software is the tool nSP IDE correspond to the MCU of the Lingyang Company The used transducers in this design include infrared transducer vibration transducer wind rain transducer smoke detect header gas detect header and so on A miniature direct current electric machinery is used to drive the opening or closing of the window and the electric machinery is droved by a relay The 1 wire digital thermometer DS18B20 is adopted for the temperature surveying The unfreezing heating circuit is achieved by a galvanothermy silk controlled by a relay The designed controller has achieved the functions of anti theft with voice alarm III when someone attempt to break the window into the house open the window automatically with voice awoke when there is smoke or gas leaking in the house telecontrol the window to be opened or closed and the ice be unfreezed and so on Key words Intelligent window controller Anti theft Voice alarm Remote control IV 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 引言 1 1 1 课题背景 1 1 2 课题研究的意义 1 1 3 课题的主要内容 2 第 2 章 系统方案介绍 3 2 1 系统总体框图 3 2 2 61 板 资源介绍 4 2 2 1 SPCE061A 单片机 4 2 2 2 输入 输出 I O 接口 10 2 2 3 音频输入 输出接口 11 2 2 4 电源接口 11 2 2 5 外部复位 12 2 2 6 时钟电路 13 2 2 7 在线调试器 PROBE 和 EZ PROBE 接口 14 2 3 凌阳音频 15 2 3 1 声音文件的格式 15 2 3 2 语音压缩编码 16 2 3 3 常用的应用程序接口 API 17 2 3 4 音频文件的录制与压缩 18 2 3 传感器 21 2 4 遥控接收发射芯片 23 2 5 微型直流电机 24 2 6 继电器 24 2 6 1 继电器简介 24 V 2 6 2 继电器的检测 25 2 6 3 本系统所用继电器的选择 26 2 7 光耦 26 2 7 1 光电耦合器简介 26 2 7 2 光电耦合器的检测 26 2 7 3 本次设计所用光耦的选择 27 第 3 章 硬件电路设计 28 3 1 传感器输出信号处理电路 28 3 1 1 电压信号转换电路 28 3 1 2 3 3V 电压提供电路 29 3 2 加热丝驱动电路 30 3 3 电机驱动电路 30 3 3 1 驱动部分 31 3 3 2 悬空高电平处理电路 32 3 4 温度测量及显示部分 33 第 4 章 软件设计 35 4 1 主程序设计 35 4 1 1 主程序流程图 35 4 1 2 主程序清单 36 4 2 语音子程序的设计 36 4 2 1 语音播放程序 36 4 2 2 语音播放中断程序 38 4 3 遥控程序设计 40 4 4 传感器检测及控制程序设计 41 4 5 延时子程序设计 41 第 5 章 结论 43 参考文献 44 致 谢 45 VI 附 录 46 1 第 1 章 引言 1 1 课题背景 随着经济社会的发展 人民的生活水平不断提高 对家居用品的选择也越来 越趋向于现代化 市场上的家居用品也在逐步走向智能化 在欧洲等较发达国家 智能窗已经是现代家居中重要组成部分 智能窗的科技水平已经较成熟并在走向 更加优化更加智能化更加符合居民实际要求的的方向发展 近几年在国内市场也 上出现了具有自动关闭 防盗等功能的智能型窗户 虽然在很多方面和欧洲等发 达国家的智能窗还有一定的差距 但在基本满足人民需求的前提下智能窗的设计 也一直在得到改进 国内生产商的典型代表如宁波蓝光实业股份有限公司 该厂 生产的 蓝光 智能窗具有防盗报警 防风防雨 防蚊 防重击 防霉除味 童 锁等功能 在市场上的反应叫好 在生活水平较高的城市深圳 智能窗的市场更 是火爆 预计几年内在国内各大城市智能窗的市场将会迅速壮大 1 2 课题研究的意义 在智能窗市场必然走向壮大的同时也会给各生产商带来激烈的竞争 各种各 具特色的智能窗产品将会很快出现在市场上 因此设计出符合市场要求的更为方 便更为先进的大众化智能窗家居是不败于激烈竞争的关键所在 而智能窗的核心 部分就是其控制器 因此研究新型智能窗控制器具有较大的经济意义和社会意义 现代社会 人们大多时间总是在外工作忙碌 而天气变化无常 风雨莫测 社会秩序也不太稳定 入室盗窃案件时有发生 因此让家里的窗户带有自动关闭 防盗等功能是用户生命财产安全的基本保障 城市生活中罐装煤气或管道煤气已深入寻常百姓家庭 是生活中不可缺少的 部分 但由于使用不当或设备老化等原因导致的煤气泄露极大得威胁着人们的生 命财产安全 尤其是在夜里人们熟睡的情况下 如果不能对煤气泄露进行语音报 警提示用户 后果将不堪设想 另外 电是当今人们生活中更不可缺的能源 现 代家具或家庭用品很多都是采用电源 用电不安全就容易导致火灾的发生 若在 无人在家的情况下不采取相应措施提醒人们尽快消除火灾 用户的财产将会遭受 2 毁灭性的损失 因此若系统具有煤气泄漏报警 火灾烟雾报警 并自动打开窗户 的功能是用户生命财产安全的前提 具有重要意义 1 3 课题的主要内容 本次设计的智能窗控制器主要要求实现在刮风下雨或有人企图开窗入室的情 况下 控制窗户进行自动关闭 并自动播放语音提示 起到防盗作用 能够进行 煤气泄露检测 火灾烟雾检测及播放相应语音报警提示并控制窗户自动打开 对 室外温度进行室内显示 在窗户上冻的情况下可以进行加热化冻等功能 3 第 2 章 系统方案介绍 本章首先进行智能窗控制器系统总体设计方案的介绍 然后对方案中的各部 分依次进行详细说明 其中主要包括单片机 传感器 语音文件 微型直流电机 遥控技术等部分 2 1 系统总体框图 系统的总体设计框图如图 2 1 所示 主要由传感器 A D 转换器 单片机 微处理器 遥控电路 报警电路 驱动电路以及温度显示等部分组成 系统 由单片机进行控制 传感器采集到模拟信号后由 A D 转换器将其转换为单片机可 以接收的数字信号 遥控器发射出遥控信号给遥控接收电路再传送给单片机处理 单片机接收到信号后 软件自动控制执行相关命令 如语音报警 输出驱动信号 驱动电机 微型直流电机 正反转等 单片机 传 感 器 部 分 温度显示 遥 控 器 A D 转 换 驱动电路 语音报警 电 机 及 加 热 丝 图2 1 智能窗控制器总体设计框图 由于本次设计涉及到很多语音功能 而台湾凌阳公司的 SPCE061A 单片机具 有强大的语音处理能力 另外 SPCE061A 内部自带 A D D A 等 现在凌阳公司 在市场上的产品一般为带有 SPCE061A 单片机芯片 电源电路 语音输入输出电 路 复位电路 I O 口插排 在线调试及程序下载接口等资源丰富的 61 板 4 因此本次设计所选的也是凌阳公司的 61 板 所有传感器采用数字式传感器 即传感器输出均为开关信号 当没有检测到 信号时 输出为高电平 检测到信号立即输出低电平 且输出低电平为非锁存型 即为瞬间低电平 遥控芯片采用无线遥控发射接收芯片 SC2262 和 SC2272 驱动窗户开关的电机采用微型直流电机 其正反转驱动窗户的开与关 加热化冻通过电热丝来实现 其电路的通断通过继电器来控制 2 2 61 板 资源介绍 61 板 带有丰富的资源 除了主芯片 SPCE061A 单片机外 还有输入 输出 I O 接口排线 音频输入 输出接口 电源电路 外部复位电路 在线调试器 PROBE 和 EZ PROBE 接口等 这些资源的存在使 SPCE061A 单片机的开发较为方便 2 2 1 SPCE061A 单片机 随着单片机集成技术的发展 其应用领域得到不断扩展 由传统的控制扩展 为控制处理 数据处理以及数字信号处理 DSP 等领域 凌阳的 16 位单片机为 适应这种发展趋势 推出了它的带有数据处理功能的 nSP 系列微处理器芯 片 SPCE061A 是继 SPCE500A 后的新款 16 位 nSP 系列单片机之一 16 位 nSP 系列单片机可以在较宽的电源电压范围 2 6 5 5V 及系统时钟频率范 围 0 375 24 576MHz 内工作 除了数据总线被增致 16 位而提高了工作速度外 nSP 系列 16 位单片机内部集成了更多的系统外围资源 其中大容量 ROM 及 静态 RAM 红外通信接口 RS 232 通用异步全双工串行接口 10 位 A D 及 D A 转换 内置式带自动增益控制的扩音器输入通道 32768Hz 实时时钟以及低电压 复位 低电压监测系统 另外 nSP 家族中有些系列嵌入了 LCD 控制驱动和 DTMF 发生器功能等 对于 SPCE061A 的全双工异步通信的串行接口 可实现多机 通信 组成分布式控制系统 红外收发通信接口 可用于近距离的双机通信或制 作红外遥控装置 A D D A 转换接口可以方便用于各种数据的采集 处理和控 制输出 并且可以将它们与 nSP 的 DSP 运算功能结合在一起实现语音识别 功能 使其方便的应用于语音识别领域 由此可见 nSP 系列在数字信号处 理和语音识别应用领域中是很有特色的 5 1 SPCE061A 封装形式及管脚说明 OSC32O 12 OSC32I 13 XTE ST 14 VDD 15 XICE 16 XICECLK 17 XICESDA 18 VSS 19 PVIN 20 DAC1 21 DAC2 22 VREF2 23 VSS 24 AGC 25 OPI 26 MICOUT 27 MICIN 28 PFUSE 29 NC 30 NC 31 NC 32 MICP 33 VCM 34 VRTPAD 35 VDD 36 VMIC 37 VSS 38 NC 39 NC 40 IOA0 41 IOA1 42 IOA2 43 IOA3 44 IOA4 45 IOA5 46 IOA6 47 IOA7 48 VSS 49 VSS 50 VDDH 51 VDDH 52 IOA8 53 IOA9 54 IOA10 55 IOA11 56 IOA12 57 IOA13 58 IOA14 59 IOA15 60 XROMT 61 VSS 62 XSL EEP 63 IOB15 64 IOB14 65 IOB13 66 IOB12 67 IOB11 68 PVPP 69 NC 70 NC 71 NC 72 NC 73 NC 74 VDDH 75 IOB10 76 IOB9 77 IOB8 78 IOB7 79 IOB6 80 IOB5 81 NC 82 NC 83 NC 84 IOB4 1 IOB3 2 IOB2 3 IOB1 4 IOB0 5 XRESB 6 VDD 7 VCP 8 VSS 9 NC 10 NC 11 SPCE061A 图2 2 LQFP80 封装 84 脚 SPCE061A 封装形式为 PLCC84 共 84 个引脚 它的排列如图 2 2 所示 在 84 个引脚中有空脚 15 个 其余管脚功能说明见表 2 1 表 2 1 管脚功能表 6 IOA0 IOA15 41 48 53 54 60 脚 I O 口 A 共 16 个 IOB0 IOB15 5 1 81 76 68 64 脚 I O 口 B 共 16 个 OSC31I 13 脚 32768Hz 晶振输入管脚 OSC31O 12 脚 32768Hz 晶振输出管脚 ORESB 6 脚 复位输入 XICE 16 脚 ICE 使能端 XICECLK 17 脚 ICE 时钟端 XICESDA 18 脚 ICE 数据脚 PVIN 20 脚 程序保密设定脚 接 GRD PFUSE 29 脚 程序保密设定脚 接 5V DAC1 21 脚 音频输入通道 1 DAC2 22 脚 音频输入通道 2 VREF2 23 脚 2V 参考电压输出脚 AGC 25 脚 语音输入自动增益控制引脚 OPI 26 脚 Microphone 的第二运放输入脚 MICOUT 27 脚 Microphone 的第一运放输入脚 MICN 28 脚 Microphone 的负向输入脚 MICP 33 脚 Microphone 的正向输入脚 VRTPAD 35 脚 A D 转换外部参考电压输入脚 VCM 34 脚 ADC 参考电压输出脚 VMIC 37 脚 Microphone 电源 XSLEEP 63 脚 睡眠状态指示脚 VCP 20 脚 锁相环压控振荡器的阻容输入 XROMT PVPP XTEST 61 69 14 脚 出厂测试用引脚 悬空即可 VDDH 51 52 75 脚 I O 电平参考 VDD 7 脚 PLL 锁相环电源 VSS 9 脚 锁相环地 VSS 19 24 脚 模拟地 VSS 38 49 50 62 脚 数字地 VDD 15 36 脚 数字电源 2 SPC061A 单片机性能 表 2 2 列出了凌阳 16 位单片机产品的简要介绍 目前主要是 nSP 系列 表 2 2 凌阳的 16 位单片机产品一览 7 系列型号型号用途 SPCExxxSPCE500A SPCE060 SPCE061 主要用于发声和语音识别领域 SPT660SPT6601 SPT6602 主要用于用于通信领域中带 LCD 驱动的来 电辩识功能 SPMC903SPMC701一般目的的控制器 nSP 系列单片机如下有如下优点 体积小 集成度高 可靠性好且易于扩展 nSP 系列把各功能部件模块化地集成在一个芯片里 内部采用总线结构 因而减少了各功能部件之间的连线 提高了其可靠性和抗干扰能力 另外 模块 化的结构易于系统扩展 以适应不同用户的需求 具有较强的中断处理能力 nSP 系列的中断系统支持 10 个中断向量及 10 余个中断源 适合实时应 用领域 高性能价格比 nSP 系列片内带有高寻址能力的 ROM 静态 RAM 和多功能的 I O 口 另 外 nSP 的指令系统提供具有较高运算速度的 16 位 16 位的乘法运算指令 和内积运算指令 为其应用增添了 DSP 功能 使得 nSP 家族运用在复杂的 数字信号处理方面既很便利 又比专用的 DSP 芯片廉价 功能强 效率高的指令系统 nSP 系列指令系统的指令格式紧凑 执行迅速 并且其指令结构提供了 对高级语言的支持 这可以大大缩短产品的开发时间 低功耗 低电压 SPCE061A 是 16 为 nSP 系列之主要产品之一 是目前使用的最多的一款 nSP 单片机 它的性能如下 16 位 nSP 微处理器 工作电压范围 VDD 为 2 4 3 6V CPU VDDH 为 2 4 5 5V CPU 时钟 0 32MHz 49 152MHz 内置 2KB SRAM 32KB FLASH 可编程音频处理 晶体振荡器 系统处于备用状态下 时钟处于停止状态 耗电仅为 2 A 3 6V 8 2 个 16 位可编程定时器 计数器 可自动预置初始计数值 2 个 10 位 DAC 数 模转换 输出通道 32 位通用可编程输入 输出端口 14 个中断源可来自定时器 A B 时基 2 个外部时钟源输入 键唤醒 具备触键唤醒的功能 使用凌阳音频编码 SACM S240 方式 2 4K 位 秒 能容纳 210 秒的语音数据 锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号 32768Hz 实时时钟 7 通道 10 位电压模 数转换器 ADC 和单通道声音模 数转换器 声音模 数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制 AGC 功能 具备串行设备接口 具有低电压复位 LVR 功能和低电压监测 LVD 功能 内置在线仿真电路 ICE In Circuit Emulator 接口 具有保密能力 具有 WatchDog 功能 由具体型号决定 3 SPCE061A 内核 SPCE061A 的内核结构由总线 算术逻辑运算单元 寄存器组 中断系统及 堆栈等部分组成 下面对各部分作简要说明 算术逻辑运算单元 ALU SPCE061A 的 ALU 在运算能力上很有特色 它不仅能做 16 位基本的算术逻辑 运算 也能做带移位操作的 16 位算术逻辑运算 同时还能做用于数字信号处理 的 16 位 16 位的乘法运算和内积运算 寄存器组 SPCE061A 的 CPU 寄存器组里有 8 个 16 位寄存器 可分为通用型寄存器和专 用型寄存器两大类别 通用型寄存器包括 R1 R4 作为算术逻辑运算的源及目 标寄存器 专用型寄存器包括 SP BP SR PC 是与 CPU 特定用途相关的寄存 器 数据总线和地址总线 SPCE061A 是 16 位单片机 它具有 16 位数据线和 22 位地址线 由此决定其 基本数据类型是 16 位的 word 型 而不是 8 位的 Byte 型 因而每次存储 9 器都是按 word 操作的 22 位地址线最多可寻访 4M 字的存储容量 地址线中 的高 6 位 A16 A21 来自段寄存器 SR 中的 6 位代码段 CS Code Segment 和 6 位数据段 DS Data Segment 选择字段 低 16 位 A0 A15 则来自内部寄存器 通常 地址线的高 6 位称为存储器地址的页选 简称页码 Page 而低 16 位 则称为存储器地址的偏移量 Offset nSP 通过对段 Segment 的编码 来实现存储器页的检索 即是说 Segment 的含义与 Page 的含义是等同的 因而 通过 Segment 与 Offset 的配合即可产生 22 位地址线 4 SPCE061A 的片内存储器 SPCE061A 的片内存储器地址映射如图 2 3 所示 61 单片机有 2KB 的 SRAM 和 32KB 的 FLASH 2KB 的 SRAM 地址范围是 0 x0000 0 x07FF 32KB 的内嵌式 FLASH 从地址 0 x8000 开始划分为 128 页 每页存储容量为 256B 全部 32K FLASH 均 可在 ICE 工作方式下被编程写入或被擦除 SRAM 外部 SRAM 保留空间 I O 端口 系统端口 零页 ROM 保留空间 中断向量 第 1 页 ROM 第 63 页 ROM 图 2 3 SPCE061A 片内存储器地址映射 5 SPCE061A 定时 计数器 A D DAC SPCE061A 有两个 16 位的定时 计数器 TimerA 和 TimerB 它们的主要区别 0 x000000 0 x0007FF 0 x000800 0 x003FFF 0 x004000 0 x006FFF 0 x007000 0 x007FFF 0 x00FBFF 0 x00FFF5 0 x00FFFF 0 x010000 0 x3FFFFF 10 是时钟源不一样 TimerA 的时钟源是由两个时钟源 ClkA 和 ClkB 经过一个与门 相与而成 而 TimerB 的时钟源仅为时钟源 A 定时 计数器的使用配置单元包括 P TimerA Data P TimerA Ctrl P TimerB Data P TimerB Ctrl 由于篇幅所 限 具体配置及其功能本文不作详细介绍 SPCE061A 内置 8 通道 10 位模 数转换器 其中 7 个通道用于将模拟量信号 如电压信号 转换成数字量信号 可以直接通过引线输入 另一个通道只用于 语音输入 即通过内置自动增益控制放大器的麦克风通道 MIC IN 输入 SPCE061A 采用逐次逼近式原理实现模数转换 A D SPCE061A 提供的音频输出方式为双通道 DAC 方式 在此方式下 DAC1 DAC2 转换输出的模拟量电流信号分别通过 AUD1 和 AUD2 管脚输出 输出 的数字量分别写入 P DAC1 和 P DAC2 单元 1 2 2 2 输入 输出 I O 接口 在 61 板 上有两组 I O 口插排 即 IOA0 15 和 IOB0 15 共 32 位 每一 位均可以单独编程定义成握手信号的输入或输出端口 通常 每一个 I O 口位会 受 3 个向量位来控制 一个是方向向量位 控制着 I O 口位的输入 输出方向 第二个是方式 或称属性 向量位 控制着 I O 口采用什么样的方式进行输入输 出 最后一个则是数据向量位 它一方面用来进行口位数据的输入或输出 另一 方面与属性向量位结合在一起可以对口位进行复合功能的设置 当设置为输入口时 分为悬浮输入或非悬浮输入 非悬浮输入又可设置为上 拉输入或是下拉输入 在 5V 情况下 上拉电阻为 150K 下拉电阻为 110K 设置 为输出口时 可以选择同向输出或者反向输出 B 口的 IOB0 IOB10 除了可以作为普通的并行 I O 口外 还有一些其它特殊 的功能 例如 IOB6 口位作为特殊功能 IRRX 即红外通信的数据接收端口 这些 特殊的功能必须经过正确设置后方可使用 详细特殊功能及选择控制方法可参见 相关文献 2 2 3 音频输入 输出接口 61 板 具有强大的语音处理能力 在板上带有语音输入 MIC 端 并带有自 动增益控制 AGC 音频输出接口 J3 一个 2pin 的外接喇叭插针 SPCE061A 提 供的音频输出方式为双通道 DAC 方式 在此方式下 DAC1 DAC2 转换输出的模 11 拟量电流信号分别通过 AUD1 和 AUD2 管脚输出 经语音集成放大器 SPY0030A SPY0030A 是凌阳公司的一款芯片 相当于 LM386 但比 LM386 音质好 它可以工作在 2 4 6 0V 范围内 最大输出功率可达 700mW 而 LM386 必须工作 在 4V 以上 而且功率只有 100mW 放大后输出语音 输出的数字量分别写入 SPCE061A 的 P DAC1 和 P DAC2 单元 SPN SPP VSS INN VDD CE VREF ACIN SPY0030A SPEAKER 0 1u 1u 100u R1 VDD RES1 图 2 4 音频输出原理图 由于此次设计没有用到音频输入部分 所以本文只对音频输出部分电路做简 单介绍 SPY0030 是凌阳公司开发的专门用于语音信号放大的芯片 音频输出电路如图 2 4 所示 音频信号由 ACIN 输入到 SPY0030 进行放大输 出 2 2 2 4 电源接口 61 板 上带有一个 2pin 式电源接口插针 内核 SPCE061A 的工作电压为 3 3V 而 I O 端口的电压可以选择 3 3V 也可以选择 5V 所以在板子上具有两种 工作电压 5V 和 3 3V 这两种电平的选择通过跳线 J5 可在 61 板 上找到 来选择 61 板 采用 3 节 5 号电池进行供电 由 J10 接入 如原理图 2 5 所示 其 中的前后两组电容用来去耦滤波 使其供给芯片的电源更加干净平滑 为了获得 标准的 3 3V 电压 在板子上加入 SPY0029 三端稳压器 SPY0029 是凌阳公司生 12 产的一款稳压器 两个二极管 是为防止误将电源接反造成不必要损失而设置的 电源不能接反 因为反向电压超过一定的值 二极管将会被损坏 达不到保护的 目的 后面的零电阻及其电源 地分成不同的几路是为减少电磁干扰设置的 VI 2 GND 1 VO 3 U3 SPY0029 SOT 89 1 2 J10 CON2 C34 104 C36 104 C33 220u C35 220u D3 DIODE D4 DIODE R140 R150 R160 R170 R190 R210 R220 5V V5V3 VSS VDD A VSS VDD P VDD VDDH3 AVSS1 AVSS2 图 2 5 电源部分原理图 2 2 5 外部复位 复位是对 61 板 内部的硬件初始化 61 板 本身具有上电复位功能 即通电就自动复位 另外还具有外部复位电路 在复位引脚上外加一个低电平即 按下板上的 RESET 键就可令其复位 RESB SPC061ARESET 4 7K 0 1uF 3 3V 13 图 2 6 复位电路 SPCE061A 的复位电路如图 2 6 所示 在 RESB 端加上一个低电平就可令其复 位 该电路具有手动和上电复位两种方式 2 2 6 时钟电路 SPCE061A 时钟电路采用晶体振荡器电路 系统时钟连接图如图 2 7 所示 XI R XO SPCE061A 32768H z 20pf20pf 图 2 7 SPCE061A 与振荡器的连接 外接晶振频率采用 32768Hz SPCE061A 的时钟信号 Fosc 和 CPU 工作信号 CPUCLK 均来自时钟系统 2 2 7 在线调试器 PROBE 和 EZ PROBE 接口 在 61 板 上有两个在线程序下载调试接口 J4 和 J11 分别称作 PROBE 接 口和 EZ PROBE 接口 通过跳线来选择采用哪种方式 两种接口需要用到的下载 线也不同 61 板 下载线 PC 机的连接方法如图 2 8 所指示 其中 CONNECT LINE 即为 EZ PROBE 下载方式 本次设计过程中均采用此接口下载及在线调试程 序 若要下载程序进入 SPCE061A 单片机 则在下载进程结束后关闭 61 板 电 源之前将跳线 短路器 拔下 否则关闭 61 板 电源后程序将跑飞而不能存 储在 SPCE061A 的 ROM 中 14 图 2 8 61 板 下载线 PC 机三者之间的 连接图 ICE 基本运作方式是通过控制 clock 及通过 ICE 喂入指令方式 来控制 CPU 的运行及缓存器资料和内存资料的存取 因此必须透过控制缓存器值的设 定来控制目前 CPU 的动作 每个相连接的不同 ICE 模块都拥有自己独特的 3 bit ID 当 PC 在传送 control 信号时都会先传送该 3 bit ID 只有 ICE 本身 的 ID 和 control 信号的 ID 相同时才会执行该命令或回传资料 61 板上的 74HC244 主要在我们选用下载线的时候起作用 主要起缓存的作用和完成 SDA 是作为数据回送还是数据下传的选择 下载区原理图如图 2 9 所示 3 15 1A1 2 1A2 4 1A3 6 1A4 8 2A1 11 2A2 13 2A3 15 2A4 17 1Y1 18 1Y2 16 1Y3 14 1Y4 12 2Y1 9 2Y2 7 2Y3 5 2Y4 3 1OE 1 2OE 19 VCC 20 GND 10 U4 74HC244 R27 33 R23 33 R24 33 R25 3 3K R26 33 R28 3 3K C39 104 C38 500p D5 3 3V 1 2 3 4 5 J11 CON5 1 2 3 4 5 J4 CON5 1 2 3 J5 CON3 ICE SDA ICE SCK BUSY OE1N VSS VSS PD1 ICE SDA PDD VDD EZ PROBE PROBE 图 2 9 下载区原理图 2 3 凌阳音频 设计中将要用到大量的语音文件 所以这里先介绍凌阳音频文件及语音文件 的制作及压缩等 通常我们所说的音频是指频率在 20Hz 20KHz 的声音信号 分为波形声音 语音 和音乐三种 2 3 1 声音文件的格式 音频文件通常分为两类 声音文件和 MIDI 文件 声音文件是指通过录音设 备录制的原始声音 直接记录了真实声音的二进制采样数据 通常文件较大 MIDI 文件是一种音乐演奏指令序列 相当于乐谱 由于其不包含声音数据 其 文件尺寸较小 16 声音文件的格式 WAVE 文件 WAV WAVE 文件用三个参数来表示声音 采样位数 采样频率和声道数 用计算 机进行录制 WAVE 文件时采样位数一般采用 8 位和 16 位两种 AIFF 文件 AIF AIFF Audio 文件 Audio MPEG 文件 MP1 MP2 MP3 RealAudio 文件 RA RM RAM MIDI 文件 MID RMI 2 3 2 语音压缩编码 通过对资料的压缩 达到高效率存储和转换资料的目的 以最小的资料率来 表达和传送声音信息 未经压缩编码的音频资料量很大 必须经过资料的压缩 以便用较少的资源建立更多的信息 表 2 3 是不同音频质量等级的编码技术标准 频响 表 2 3 不同音频质量等级的编码技术标准 信号类型频率范围 Hz 采样率 KHz 量化精度 位 电话话音200 340088 宽待音频 AM 质量 500 70001616 调频广播 FM 质量 20 15k37 816 高质量音频 CD 质量 20 20k44 116 1 音频压缩编码常见的有以下几种 波形编码 特点 高话音质量高码率 适合于高保真音乐及语音 参数编码 特点 压缩比大 计算量大 音质不高 廉价 混合编码 特点 波形编码与参数编码的混合体 2 压缩分无损压缩和有损压缩 17 无损压缩一般指 磁盘文件 压缩比低 2 1 4 1 而有损压缩则是指 音 视频文件 压缩比可高达 100 1 3 凌阳音频压缩根据不同的压缩比可分为以下几种 SACM A2000 压缩比为 8 1 8 1 25 8 1 5 SACM A480 压缩比为 80 3 80 4 5 SACM A240 压缩比为 80 1 5 按音质排序 A2000 A480 A240 2 3 3 常用的应用程序接口 API 1 概述 表 2 4 列出的是凌阳音频的几种算法 表 2 4 ACM lib 库中模块及其算法类型 模块名称 Model Index 语音压缩编码率类型资料采样 率 SACM A200016kb s 20kb s 24kb s16kHz SACM S480 S7204 8kb s 7 2kb s16kHz SACM S2402 4kb s16kHz SACM MS01 音乐合成 16kb s 20kb s 24kb s 16kHz SACM DVR A2000 16kb s 的资料率 8kHz 的采样率 用于 ADC 信道 录音功能 16kHz 我们知道麦克风输入所生成的 WAVE 文件占用的存储空间很大 对于单片机 来说想要存储大量的信息显然是不可能的 而凌阳的 SPCE061A 提出了解决的方 法 即 SACM LIB 该库将 A D 编码 解码 存储及 D A 做成响应的模块 对于 每个模块都有其应用程序接口 API 所以只需了解每个模块所要实现的功能及其 参数的内容 然后调用该 API 函数即可实现该功能 例如 在程序中插入语音提 示 或连续播放一段语音或音乐 也可以根据自己需要的空间或使用范围选择适 合自己的算法 由于本次设计只用到了 SACM A2000 算法 所以这里只简单介绍该算法的 18 API 函数 其它算法相应的 API 函数与该算法下的 API 函数相似 2 SACM A2000 算法 其相关 API 函数如下所示 Void SACM A2000 Initial int Init Index 初始化 Void SACM A2000 ServiceLoop void 获取语音资料 填入译码队列 Void SACM A2000 Play int Speech Index int Channel int Ramp Set 播放 Void SACM A2000 Stop void 停止播放 Void SACM A2000 Pause void 暂停播放 Void SACM A2000 Resume void 暂停后恢复 Void SACM A2000 Volume Volume Index 音量控制 Unsigned int SACM A2000 Status void 获取模块 Void SACM A2000 InitDecode int Channel 译码初始化 Void SACM A2000 Decode int void 译码 Void SACM A2000 FillQueue unsigned int encoded data 填充队列 Unsigned int SACM A2000 TestQueue void 测试队列 Call F FIQ Service SACM A2000 中断服务函数 2 3 4 音频文件的录制与压缩 1 WAVE 文件的录制 此系统包括多个语音文件 如 SPCE061A 检测到振动传感器输出信号时发出 的语音报警 检测到烟雾传感器输出信号时发出的语音报警等 语音文件均是通 过 PC 机录入后经过压缩的 具体过程如下 打开 Windows 附件中的 录音机 在文件菜单中选择新建 修改文件录制属性 点击文件菜单下的属性项 在弹出窗口中点击立即 转换 在弹出窗口中 在格式下拉中选择语音文件的正确格式 一般默认 PCM 即 可 在属性下拉下选择 8 000KHz 16 位 单通道 15KB 秒 属性下各量的意 义可见前文凌阳语音部分 设置好属性后 便可开始录制语音 通过 MICPHONE 录入想要播放的语音 19 录音完 将语音文件 WAVE 文件 WAV 另存为一个适当路径 录 音就算全部结束 2 语音文件的压缩 录制完的语音文件是 WAVE 文件 其容量太大 单片机不可能有此大内存来 存放 所以必须经过压缩 将其容量减小 才可以存入单片机 减小占用内存量 WAVE 文件的压缩是通过凌阳公司提供的 Compress Tool 工具来实现的 具体压 缩方法语音压缩主要有两种方法即 DOS 下和 Windows 下的压缩 由于 Windows 下的压缩操作比较方便 不易出错 这里只介绍该压缩方法 图 2 10 是凌阳公司的音频压缩工具界面 根据需要可以选择一个或多个 WAVE 文件进行压缩 如图 4 11 所示 点击后调入想要压缩的 WAVE 文件 文件 选择后出现如图 4 12 所示的界面三 压缩方法在下拉下选 A2000 24kb s 便可 以进行压缩 压缩后得到 24k 压缩生成文件 从图 4 13 中与原 WAVE 文件进行 比较可知 压缩后的文件大小比原文件小得多 图 2 10 凌阳音频压缩工具界面一 20 图 2 11 压缩工具界面二 图 2 12 压缩工具界面三 21 图 2 13 压缩工具界面四 到此压缩过程结束 压缩完后得到 24K 和 out 两个文件 想要压缩的语 音文件可以在图 4 12 所示的地址中找到 在调试程序时将语音文件 24K 文件 调入 RESOURCE FILE 栏中 这样就完成了对语音文件的添加 这里很容易发生调 入错误 将 24K 文件调入 SOURCE FILE 栏中 因为调试程序时需要调入其它许 多一些相关的文件都是调入 SOURCE FILE 栏中 会容易因为习惯性动作而发生错 误 4 2 3 传感器 设计中将要用的传感器较多 有红外传感器 振动传感器 烟雾探头 煤气 探头 风雨传感器 温度传感器等 为方便软件设计 所有传感器输出均为开关 信号 SPCE061A 检测到传感器输出信号跳变就执行相关指令 完成相关功能 1 红外传感器 系统中将要用到红外传感器实现监测有无人经过窗户的功能 本次选用的红 外传感器具有反应灵敏 监测准确等特点 当无人经过窗户时 传感器输出的是 22 高电平 当有人经过窗户时 其输出立即跳变为低电平 SPCE061A 单片机接收 到跳变信号后 控制语音系统输出语音信号提醒主人 并将自动关闭窗户 5 2 振动传感器 当有人企图破窗入室时 必对窗户产生剧烈振动 因此只需要一个对振动产 生感应的振动传感器就可以产生信号给予单片机 本次设计选用的振动传感器具 有高灵敏度 当无振动时 其输出为一高电平 当有振动传到其上时 其输出立 即跳变为低电平 将振动传感器紧贴窗户安装在室内 只要小偷碰撞到窗户 传 感器就给予单片机信号 进而单片机给予语音系统控制信号使其输出相应语音报 警提示 并将自动关闭窗户 3 烟雾探头 当家庭室内产生火灾时 给予及时的报警是十分重要和必要的 因产生火灾 时必定会产生大量的烟雾 所以在室内安装上对烟雾产生感应的烟雾探头 当有 烟雾产生时 传感器输出由高电平立即跳变为低电平 单片机接收到信号后输出 语音控制信号 语音系统发出报警 并将自动打开窗户 6 4 煤气探头 现代家庭使用煤气 天然气 液化石油气已经是相当普及 使用完毕忘记关 闭煤气罐 或煤气输送管道 不仅将会造成浪费更重要的是会对人体产生伤害甚 至中毒 尤其在夜间人们入睡后 忘