基于单片机控制的智能玩具娃娃.doc

基于单片机控制的智能玩具娃娃 摘要：随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大提高，智能玩具娃娃也将会随即进入生活中，方便家长照看小孩。本课题设计由硬件电路和软件编程的设计，通过联调，能够自动检测小孩在无家长看护的情况下,是否在指定区域内。由于小孩睡醒后会发出哭声，能够检测小孩是否睡醒。或在小孩睡醒后会爬行离开指定区域，娃娃会检测小孩是否在指定区域内，发出音乐提醒大人。通过这两个功能帮助大人照看小孩能力，当在做其他事情以便及时知道小孩的情况。本设计利用热释电红外传感器和BISS0001芯片组成红外检测电路。红外电路功能是利用热释电红外传感器特性，检测小孩是否在指定区域内，输出信号通过CPU进行处理，实现功能。声音检测电路利用驻极体话筒进行检测，输入符合TTL信号给单片机，单片机根据电压，判断小孩是否哭泣，并作出正确的处理。关键词：自动检测；智能玩具娃娃；红外检测电路；驻极体话筒Based on SCM control intelligent toy dollAbstract: With the continuous progress of science and technology, economic development, peoples living standards have greatly improved, and smart toys baby will also soon enter the life of the convenience of parents caring for children.The project design consists of hardware and software programming design, Through the alignment , Can automatic detection children in foster care without parents , whether in designated areas.As a child cries after waking up, able to detect whether the child woke up.Or after the child woke up crawling to leave the designated area, baby will detect whether a child in the specified area, given music to remind adults.With these two features to help adults and ability to care for children, as do other things in order to know the childs situation in a timely manner.This design uses pyroelectric infrared sensor and infrared detection circuit BISS0001 chips.infrared circuit function is the use of characteristics of pyroelectric infrared sensor to detect whether a child in the designated areas, the output signal through the CPU for processing, and function.Electret microphone sound detection circuit used for testing, enter a TTL signal to the microcontroller, microcontroller according to voltage, to determine whether a child cry, and make the right treatment.Keywords: Automatic detection; intelligent toy doll; Infrared detection electric circuit; Electret microphone 目录前言1第1章 总体方案设计21.1设计内容及要求21.2预期成果及组成框图2第2章 硬件设计32.1 单片机最小系统设计32.1.1 AT89C51功能特性描述32.1.2单片机的应用62.1.3单片机最小系统72.2热释电红外电路设计92.2.1热释电红外传感器92.2.2热释电传感器的基本原理102.2.3 红外热释电处理芯片BISS0001112.2.4 BISS0001的热释电红外开关应用电路图142.3 拾音电路设计152.3.1驻极体话筒152.3.2 拾音电路172.4 语音电路设计212.4.1 语音芯片212.4.2扬声器212.4.3 语音电路22第3章 软件设计233.1主程序设计233.2热释电红外电路设计243.2.1软件程序部分24第4章 系统软硬件调试254.1硬件部分254.2软件部分254.3软硬件联调27结束语29参考文献30致谢31附录一 程序清单32附录二 元器件清单35附录三 硬件电路图36附录四 玩具娃娃实物图38附录五 英文资料翻译39前言随着科学技术的快速发展，人们生活水平的提高，智能玩具也应用越来越广。孩子们都非常喜欢毛绒动物玩具，可惜这些玩具和孩子没有交流，而有些智能娃娃像人类一样懂得喜怒哀乐，能自我感知坐着、趴着、仰面躺、右侧面躺、左侧面躺和倒立等体位变化，会哭会笑，可让喜欢毛绒玩具的孩子得到一种特殊的快乐。会给孩子唱儿歌、背唐诗、说英语、哼催眠曲，玩玩互动游戏。 智能玩具已经把毛绒玩具、橡胶娃娃、芯片、数码技术等不同行业的一些产品整合在了一起，不仅孩子爱玩，而且能达到很强的寓教于乐的效果。智能玩具不仅仅是一个玩具，它可以将4种产品合而为一：一个功能创新的智能玩具、一只懂喜怒哀乐会说话的玩具熊、一部有情感交流的早教机以及一个卡通造型的儿童音箱。通过人工智能技术，让孩子在与智能娃娃的交流互动中获得快乐、提高智商。 深圳市创智者玩具有限公司是最早研发智能玩具的企业之一，其研发的智多熊智能玩具系列产品是目前中国大陆地区销量最大的，且畅销新加坡和澳大利亚。智多熊的产品升级更新很快，其每个新产品常常成为同行竞争模仿的对象。在行业有“先有智多熊，再有智能玩具”的说法。 智能玩具游戏不只是玩，而是对孩子进行教育的好形式。智能玩具游戏能培养婴幼儿良好的性格，是对幼儿进行思想品德教育的有效手段。幼儿在游戏中可以通过玩具智能的功能来模仿成人对劳动和一切事物，体验着人们的思想感情，可以逐步认识社会的道德行为准则和风尚。智能玩具游戏能对幼儿进行美育教育。丰富多彩的游戏，为幼儿获取美感创造了条件，幼儿在游戏中，不仅能感受到美，而且能提高审美能力，并能学习用各种手段去创造美。本课题设计由硬件电路和软件编程的设计，通过联调，能够自动检测小孩在无家长看护的情况下,是否在指定区域内。由于小孩睡醒后会发出哭声，能够检测小孩是否睡醒。或在小孩睡醒后会爬行离开指定区域，娃娃会检测小孩是否在指定区域内，发出音乐提醒大人。通过这两个功能帮助大人照看小孩能力，当在做其他事情以便及时知道小孩的情况。整个题目学生可以掌握电子设计的基本流程，了解单片机方面的电路设计过程及软件编写方面的知识。第1章 总体方案设计1.1设计内容及要求1.掌握PROTEL的使用方法和单片机软件KEIL的使用方法；2.了解单片机方面的电路设计过程及软件编写方面的知识；3.利用热释电红外传感器和BISS0001芯片组成红外检测电路。红外电路功能是利用热释电红外传感器特性，检测小孩是否在指定区域内，输出信号通过CPU进行处理，实现功能；4.声音检测电路利用驻极体话筒进行检测，输入符合TTL信号给单片机，单片机根据电压，判断小孩是否哭泣，并作出正确的处理。1.2预期成果及组成框图1.玩具娃娃主要应用在小孩睡醒后爬行离开或短时间内无人看护的情况下。2.当玩具娃娃检测到小孩哭声时，则会发出悦耳音乐声，哄小孩并且提醒大人。3.当玩具娃娃在短时间内无法检测到小孩在指定区域内，则自动发出语音信号提醒家长。4.硬件电路组成框图如图1-2。 声音报警电 路红外检测电路驱动STC89C51声音检测电路复位时钟图1-2 硬件电路组成框图第2章 硬件设计2.1 单片机最小系统设计2.1.1 AT89C51功能特性描述AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件的可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，窜行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止所有部件工作直到下一个硬件复位。管脚如图2-1。 图2-1 单片机管脚图（1）AT89C51引脚功能说明： Vcc：电源电压 GND：地 P0口：PO口是一组8位漏极开路行双向I/O口，也既地址/数据总线复用口。可作为输出口使用时，每位可吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入输入端用。在访问外部数据存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，PO口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求接上拉电阻。 P1口：P1口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流（I）。Flash编程和程序校验期间，P1口接收8位地址。 P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输入缓冲极可以驱动（输入或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时和作为输出口，作输出口时，因为存在内部上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部存储器或1位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口线的内容（也既特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高地址和其他控制信号。 P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。作输出端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除可作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口还接收一些用于Flas 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输出。当震荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平使机器复位。 ALE：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节，即使不访问外部字节，ALE仍时钟震荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟脉冲或用于定时目的。要注意的是：每次访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还要输入编程脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令可激活。此外，此引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应该置ALE无效。 AT89C51由外部程序取指令（或数据）时，每个机器周期两次 有效，既输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 信号不出现。 EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 XTAL1：震荡器反向放大器及内部时钟的输入端。 XTAL2：震荡器反向放大器的输出端。 时钟震荡器：AT89C51中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英或陶瓷震荡器一起构成自激震荡器震荡电路如图。外接石英晶体（或陶瓷震荡器）及电容C1、C2接在放大器的震荡回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有非常严格的要求，但电容的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡工作的稳定性、起震的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐使用30pF10pF，而如果使用陶瓷谐振器建议选择40pF10pF。若采用外部时钟，则外部时钟脉冲接到XTAL1端，既内部时钟发生器的输入端，XTAL2悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频的触发器后作为内部时钟信号的所以外部时钟的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续的时间和最大低电平持续的时间应符合产品技术条件的要求。（2）单片机的串行接口MCS-51单片机内部有一个全双工的串行接收和发射缓冲器（SBUFF），这两个在物理上独立的接收发射器，即可以接收也可以发射数据，但接收缓冲器只可以读出不能写入，而发送缓冲器只能写入不能读出，它们的地址是99H。这个通信口即可以用于网络通信，亦可以实现串行异步通信，还可以构成同步移位寄存器使用。如果在串行口的输入输出引脚上加上电平转换器，就可以方便的构成标准的RS-232接口。2.1.2单片机的应用由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：(1)单片机在智能仪表中的应用(2)单片机在机电一体化中的应用(3)单片机在实时控制中的应用(4)单片机在分布式多机系统中的应用 (5)单片机在人类生活中的应用 单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面，另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能通过单片机来实现了。这种用软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是对传统控制技术的一次革命。 A：由单片机组成控制器的结构和特点： 单片微型计算机是微型计算机发展中的一个重要分支，是把构成一台微型计算机的主要部件如中央处理器(CPU)、存储器(RAM/ROM)和各种功能I/O接口集成在一块芯片上的单芯片微型计算机(Single Chip Micro Computer),简称单片机.由于它的结构与指令功能都是按工业控制要求设计的,且近年来单片机着力扩展了各种控制功能如A/D、PWM等,因此我们更多时候称其为一个单片形态的微控制器(Single Chip Micro Controller),或直接称其为微控制器(Micro Controller)。 B：用单片机组成的微机控制系统具有以下特点: 1.受集成度限制,片内存储器容量较小,一般片内ROM小于48K字节,片内RAM小于256字节;但可在外部进行扩展,如MCS51系列单片机的片外可擦可编程只读存储器(EPROM)、静态随机存储器(SRAM)可分别扩展至64K字节。 2.可靠性高。单片机芯片本身是按工业控制环境要求设计的,其抗工业噪声的能力优于一般通用CPU;程序指令及其常数、表格固化在ROM中不易破坏;常用信号通道均在一个芯片内,故可靠性高。 3.易扩展。片内具有计算机正常运行所必须的部件,芯片外部有许多供扩展用的总线及并行、串行输入/输出端口,很容易构成各种规模的微机控制系统。 4.控制功能强 为了满足工业控制要求,单片机的指令系统中有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。一般来说,单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。 5.一般的单片机内无监控程序或系统管理软件,软件开发工作量大。但近年来已开始出现了片内固化有BASIC解释程序及FROTH操作系统的单片机,使单片机系统的开发提高了一个新水平。此外,单片机成本低、集成度高、控制功能多,可灵活地组装成各种智能控制装置,并能有针对性设计成专用系统,解决从简单到复杂的各种需要,实现最佳的性价比。特别是单片机与传统机械产品相结合,使原有机械产品的结构简化、控制智能化。如数控机床就是典型实例。近年来,单片机发展极快,其产量占微机产量的70%以上。目前，至少有50个系列400余种机型，性能和结构各不相同,INTEL、MOTOROLA、ZILCG等公司都有系列单片微型计算机。国内普及的几乎都是INTEL公司的产品。2.1.3单片机最小系统最小系统包括单片机的基本供电、时钟电路和复位电路。 (1) 时钟和时钟电路 时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。STC89C51单片允许的时钟频率的典型值12MHz或11.0592MHz，也可以是6MHz。本设计采用12MHz。单片机时钟电路图如图2-2。图2-2 单片机时钟电路接到晶振两端的瓷片电容作用是使振荡器起振和对f 微调补偿，典型值为30pF，本设计中选用30pF瓷片电容。当单片机加电以后延迟约10ms的时间振荡器起振产生时钟，不受软件控制（XTAL2输出幅度为3V左右的正弦波）。(2) 复位和复位电路计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位引脚是RST，当振荡器起振后，该引脚上出现2个周期的高电平，是器件复位，只要RST保持高电平，单片机保持复位状态。单片机复位方式有二种：上电复位（如图2-3）、人工复位（如图2-4）。其中电容一般为10uF的电解电容。 图2-3上电复位电路 图2-4 上电复位和开关复位所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统。AT89C51单片机属于MCS51系列，其片内不能集成时钟电路所需的晶体振荡器，也没有复位电路，在构成最小系统时必须外接这些部件。89C51单片机片内有4KB的ROM/EPROM，因此，只需外接晶体振荡器和复位电路就可以构成最小系统如图3-3所示。该最小系统的特点如下：（1）由于片内没有扩展存储器和外设，P0、P1、P2、P3都可以作为用户I/O接口使用。（2）片内数据存储器有128B，地址空间为00H7FH，没有片外数据存储器。（3）内部有4KB的程序存储器，地址空间为0000H0FFFH，没有片外程序存储器，EA/Vpp应接高电平。（4）可以使用两个定时/计数器T0/T1，一个全双工的串行通信接口，5个中断源。单片机最小系统是指单片机要工作所必须保证的最低配置，如图2-5。图2-5 单片机最小系统电路2.2热释电红外电路设计2.2.1热释电红外传感器热释电器件是利用某些材料的热释电效应制成的红外检测元件，如图2-6所示为热释电红外传感器。早在1938 年就曾有人提出过利用热释电效应探测红外辐射的想法, 但长期没有得到重视。直到20世纪60年代才开始认真研究这个问题。尤其是近20年来,无论从材料还是器件的研究方面都得到迅速发展。特别是陶瓷热释电材料, 不但有良好的热释电特，而且可以大批量生产,成本低。同时, 随着技术的不断改进, 使热释电红外传感器的结构日臻完善,体积越来越小。而且灵敏度和可靠性都得到提高, 应用更方便。从而使当今热释电红外传感器的应用不断扩大,不但用于国防军事, 而且在工业和民用电子电器产品中都得到广泛应用。由于应用的广泛,国外厂商一直在克服器件的缺点上进行卓有成效的努力。红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感。在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。图2-6 热释电红外传感器红外传感器主要分两大类, 一类是光电型, 一类是热敏型。前者利用光电效应工作, 响应速度快, 检测特性好。但需要冷却, 使用不方便。而且器件的检测灵敏度与红外波长有关。而热释电器件属于后者, 它工作在室温条件下, 检测灵敏度很高, 而且与辐射波长无关, 可探测功率只受背景辐射的限制。而且热释电器件响应也很快, 应用又方便。因此, 热释电红外传感器是光电型传感器无法取代的。2.2.2热释电传感器的基本原理 在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外传感器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。被动式红外探头的工作原理及特性如下：人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出波长约10m左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10m左右的红外线而进行工作的。人体发射的10m左右的红外线通过菲涅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，后续电路经检测处理后就产生报警信号。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10m左右的红外辐射必须非常敏感。为了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尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的限制作用。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作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接受。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。菲尼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。2.2.3 红外热释电处理芯片BISS0001（1） 芯片BISS0001如图2-7,BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，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。 图2-7 BISS0001芯片（2） 管脚图如图2-8。图2-8 BISS0001芯片管脚（3）内部框图如图2-9。图2-9 内部框图（4）BISS0001工作原理 BISS0001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。图2-10 不可重复触发工作方式图2-10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。不可重复触发工作方式下的波形。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。 图2-11可重复触发工作方式图2-11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周期结束后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2-12 应用线路图 2.2.4 BISS0001的热释电红外开关应用电路图图2-12中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。图中R6可以调节放大器增益的大小，原厂图纸选10K，实际使用时可以用3K，可以提高电路增益改善电路性能。输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，R9/R10可以用470欧姆，C6/C7可以选0.1U。2.3 拾音电路设计2.3.1驻极体话筒（1）概述驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。（2）构造与原理 驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有三根。即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。(3)极性判别关于驻极体电容式话筒的检测方法是：首先检查引脚有无断线情况，然后检测驻极体电容式话筒。驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。驻极体话筒的内部结构如图2-13。由声电转换系统和场效应管两部分组成。它的电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线，漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一电容作信号输出；漏极输出有两根引出线，漏极D经一电阻接至电源正极，再经一电容作信号输出，源极S直接接地。所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。将万用表拨至R1k档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。(4)灵敏度的检测在收录机、电话机等电器中广泛应用的驻极体话筒，其灵敏度直接影响送话和录放效果。这类话筒灵敏度的高低可用万用表进行简单测试。将万用表拨至R100档，两表笔分别接话筒两电极（注意不能错接到话筒的接地极），待万用表显示一定读数后，用嘴对准话筒轻轻吹气（吹气速度慢而均匀），边吹气边观察表针的摆动幅度。吹气瞬间表针摆动幅度越大，话筒灵敏度就越高，送话、录音效果就越好。若摆动幅度不大（微动）或根本不摆动，说明此话筒性能差，不宜应用。对于三根引脚驻极体电容式话筒检测方法同上，只是黑表棒接输出引脚2脚，红表棒接引脚3脚。(5)工作原理 驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q)，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化。我们知道电容上电荷的公式是QCV，反之VQ/C也是成立的。驻极体总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。由于场效应管时有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作。(6)驻极体话筒选配驻极体话筒价格很低，损坏后做更换处理，关于驻极体话筒选配要注意以下几点两根和三根引脚的驻极体话筒之间不能直接替代，一般情况下也不做改动电路的代替。这种话筒没有型号之分，相同引脚数的话筒可以代替，只是存在性能上的差别。驻极体话筒的四种连接方式如图2-13所示。图2-13 四种连接方式2.3.2 拾音电路拾音电路有单管放大电路和A/D转换电路两部分组成。拾音就是把声音收集的过程。简单分为单个人拾音和声演唱拾音或合唱拾音，还有简单的常用乐器拾音。最简单的人声拾音是用一个MIC录一个人的声音，把MIC调为心形，或超心形指向，让人的嘴直接对着话筒即可。近讲效应：声源离MIC的距离越近，MIC所拾取的低频部分就越多，说话的时候离MIC越近，你所听到的声音的低频就越丰满，但是，如果你离MIC太近的话，就会使MIC产生过多的低频谐波共振，从而导致低频的变形、失真。（1） 单管放大电路三极管是放大电路的主要元器件，通过放大电路可以把弱小电流或电压信号加以放大。对放大电路的基本要求是：要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)，尽可能小的波形失真。静态工作点是指放大电路没有输入信号时，在给定电路参数下，晶体管各极直流电流、电压的数值（IB、IC、UCE）。静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影响。如果静态工作点过低，则容易产生截止失真，输出电压Uo的上半周被削顶。静态工作点偏高，放大器加入交流信号后容易产生饱和失真，输出电压Uo的下半周被削顶，改变电路的参数，如基极电阻RB、集电极电阻RC、电源电压VCC等都会引起静态工作点的变化。静态工作点可由电压表、电流表测得，也可单独使用电压表测取URC、URE、UCE值，间接求得IB、IC。需要说明的是，最佳静态工作点的位置不是绝对的，如果信号幅值很小，静态工作点偏高或偏低也不一定会失真。但是如果输入信号的幅值较大，静态工作点应该靠近负载线的中点。因此，确切地说，产生失真是输入信号幅值和静态工作点不匹配产生的。放大电路的动态分析是指放大电路在有信号输入（Ui 0）时的工作状态。动态分析主要是计算电压放大倍数 、输入电阻Ri、输出电阻Ro等。驻极体话筒MIC将拾取的声音信号转换成电信号后，由C1引入，经Q1音频放大后，至A/D转换器，经过单片机控制，扬声器输出声音信号。第一部分为单管放大电路如图2-14。图2-14 单管放大电路图（2） A/D转换电路随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制。通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等),要使计算机或数字仪表能识别。处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析。处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。 将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器(简称A/D转换器或adc,analog to digital converter)；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(简称D/A转换器或dac,digital to analog converter)；A/D转换器和D/A转换器已成为信息系统中不可缺的组成部分，为确保系统处理结果的精确度，A/D转换器和D/A转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，A/D与D/A转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量A/D与D/A转换器的重要技术指标。该电路主要应用ADC0804规格的A/D转换器，如图2-15。图2-15 A/D转换器管脚图随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/D和D/A转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。所谓A/D 转换器就是模拟/数字转换器（ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。信号输入端可以是传感器或转换器的输出，而ADC 的数字信号也可能提供给微处理器，以便广泛地应用。拾音电路部分也由A/D转换电路组成。如图2-16。图2-16 A/D转换电路2.4 语音电路设计2.4.1 语音芯片 语音芯片又称：语音IC，又被叫做声音芯片，如图2-17。 语音芯片定义：将语音信号通过采样转化为数字，存储在IC的ROM中，再通过电路将ROM中的数字还原成语音信号。 普通语音芯片放音功能实质上是一个DAC过程，而ADC过程资料是由电脑完成，其中包括对语音信号的采样、压缩、EQ等处理。 录音芯片包括ADC和DAC两个过程，都是由芯片本身完成的，包括语音数据的采集、分析、压缩、存储、播放等步骤。 ADC=Analog Digital Change 模数转换 DAC= Digital Analog Change 数模转换 音质的优劣取决于ADC和DAC位数的多少。例如：九芯电子语音芯片的NV010-NV340系列芯片,最低从10秒到340秒，根据控制方式取决段落多少。 图2-17 语音芯片2.4.2扬声器如图2-18所示，扬声器在音响设备中是一个最薄弱的器件，而对于音响效果而言，它又是一个最重要的部件。扬声器的种类繁多，而且价格相差很大。音频电能通过电磁，压电或静电效应，使其纸盆或膜片振动并与周围的空气产生共振（共鸣）而发出声音。按换能机理和结构分动圈式（电动式）、电容式（静电式）、压电式（晶体或陶瓷）、电磁式（压簧式）、电离子式和气动式扬声器等，电动式扬声器具有电声性能好、结构牢固、成本低等优点，应用广泛；按声辐射材料分纸盆式、号筒式、膜片式 ；按纸盆形状分圆形、椭圆形、双纸盆和橡皮折环；按工作频率分低音、中音、高音，有的还分成录音机专用、电视机专用、普通和高保真扬声器等；按音圈阻抗分低阻抗和高阻抗；按效果分直辐和环境声等。 扬声器分为内置扬声器和外置扬声器，而外置扬声器即一般所指的音箱。内置扬声器是指MP4播放器具有内置的喇叭，这样用户不仅可以通过耳机插孔还可以通过内置扬声器来收听MP4播放器发出的声音。具有内置扬声器的MP4播放器，可以不用外接音箱，也可以避免了长时间配带耳机所带来的不便。2.4.3 语音电路语音电路包含三极管，扬声器和音乐芯片。其中9012三极管为驱动放大作用。如图2-18。图2-18 语音电路第3章 软件设计3.1主程序设计红外检测电路：红外检测电路主要利用热释电红外传感器结合BISS0001芯片和电阻电容等组成检测电路。检测电路能够检测2米，检测角度为110度以内是否有小孩。声音检测电路：声音检测电路主要有驻极体话筒和运算放大器构成。驱动电路：驱动电路主要实现对扬声器的驱动。STC89C51：利用STC89C51构成单片机小系统，系统包括时钟电路和复位电路。单片机小系统完成整个系统的控制。软件流程图如图3-1。图3-1 软件流程图3.2热释电红外电路设计3.2.1软件程序部分#include#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit adrd=P37; /IO口定义sbit adwr=P36;sbit adcs=P32;sbit sound=P27;sbit red=P24; /红外检测输入 1有人 0无人uchar adval; /AD转换数值,AD转换次数取20次平均值uint j,k;void delay(uint i) /延时程序 for(j=i;j0;j-) for(k=125;k0;k-);第4章 系统软硬件调试4.1硬件部分1、观察检查原理图和焊接电路是否相同，观察焊点有无短路、虚焊、断路现象。2、热释电红外电路测试用万用表检测热释电红外输出部分，万用表红表笔接热释电红外输出端，黑表笔接地，开始测试。当热释电红外检测到有人的时候输出高电压，当一段时间内检测到无人的时候输出为低电平。若无法达到以上两个要求，则做相应的调整，调节相应的滑动电阻使之满足要求。3、驻极体话筒电路测试 电路接通后，用万用表测试驻极体话筒电路部分的输出端，可以对准话筒进行相应的测试。当说话时候，万用表测得输出部分为低电平。当一直没有说话声音时，则测的输出部分为高电平。4、整体测试与调试通过联调，能够实现自动检测: (1)当有人时候，并没有声音的情况下，扬声器不发出音乐。(2)当在没有声音，检测不到人的情况下，热释电红外在指定区域内检测不到人，扬声器则发出音乐声。 (3)当先对准驻极体话筒讲话时候，扬声器则发出音乐声。 通过以上三条做相应的调试，能够满足要求，实现相应的功能。4.2软件部分在编写软件时，先对热释电红外部门进行编写，所以在编写程序时，参考了相关的资料，通过自己最终的努力编写出比较合适的程序。是的满足当检测不到人的时候，通过单片机控制扬声器，能够满足扬声器发出音乐，在检测到人的情况下，扬声器则不发出任何声音。软件采用keil c51软件进行编写程序并进行仿真运行。 图4-1 程序编写截图(1)在软件中编辑程序，如图4-1。(2)编辑结束后对软件的正确性进行仿真，如图4-2。 图4-2 程序仿真截图（3）直至出现以上的结果即没有错误，没有警告（但并不代表可以实现功能，只是说明没有语法错误），如图4-3。图4-3 程序运行结果截图驻极体话筒电路部分，也参考了相关的程序。当有声音输入时候，通过单片机控制，能够最终满足扬声器发出音乐声音，当没有声音输入时，则不发出音乐。以上两个部分都做完了，就可以对其联调了，红外电路功能是利用热释电红外传感器特性，检测小孩是否在指定区域内，输出信号通过CPU进行处理，实现功能。声音检测电路利用驻极体话筒进行检测，输入符合TTL信号给单片机，单片机根据电压，判断小孩是否哭泣，并作出正确的处理。4.3软硬件联调通过下载器把软件下载到单片机中，并对进行检测，刚开始查阅了很多资料看如何下载程序到单片机中。后来通过同学的帮助指导，最终解决了问题。通过下载程序，软硬件整体调试，不停的测试，联调，最后系统调试整机完成，剩下的就是对程序做一些更详细的注释，格式的调整。看似一个简单的设计，实现起来却费了好大的功夫，不仅是在硬件设计上，还是在软件设计与调试上，都有着很多的技巧在里面。最后当联调都实现好了就可以开始安装了。于设计做的是玩具娃娃，当然得把所做的设计放进娃娃里面。但并不能证明放进玩具娃娃里面后能够完成调试成功。由于要考虑布局设计，所以得把带有热释电红外传感激的部分安装进娃娃正面的前端部分，使得能够满足娃娃正对着人体的时候，热释电红外能够检测到人体是否能够在指定的区域内，然后再把带有驻极体话筒和单片机的板子进行放入，放在玩具娃娃的背面靠近外端部分。整体安装好了则可以开始进行整体的调试了。刚开始试验的时候，热释电红外一直检测不到人，扬声器则不停的发出音乐声，经过不停的调试，最终克服困难，实现要求。由通过这次毕业设计，不仅使我的动手能力得到进一步提高，在电子元器件的选择上有了新的认识，在软件设计上也又有了新