基于AVR单片机的自动语音欢迎系统

编号本科生毕业设计基于AVR单片机的自动语音欢迎系统AUTOMATICPRONUNCIATIONSYSTEMBASEDONAVRPROCESSOR二一二年六月毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺所呈交的毕业设计基于AVR单片机的自动语音欢迎系统，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担作者签名年月日长春理工大学本科毕业设计I摘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OT0001AVR语音芯片ISD1400长春理工大学本科毕业设计IIABSTRACTTHISARTICLEFOCUSESONTHESYSTEMOFAUTOMATICSPEECHWELCOMEDBASEDONTHEAVRMICROCONTROLLERTHEATMEGA16MICROCONTROLLERASAMICROCONTROLLERCONTROLTHEISD1400VOICECHIPTOREALISZEVOICEBROADCASTINGAUTOMATICSENSINGANDAUTOMATICCONTROLARETHETWOKEYELEMENTSOFTHISDESIGNAUTOMATICSENSINGANDSIGNALAMPLIFIERMODULEWILLTURNTHEPYROELECTRICINFRAREDSENSORDETECTIONOFTHEINFRAREDSIGNALTOHUMANBODYINTOELECTRICALSIGNAL,THROUGHTHESPECIALCIRCUITOT0001MAKESTHESIGNALLEVEL2ENLARGEDAUTOMATICCONTROLMODULEUSESOFAVRMICROCONTROLLEREXTERNALINTERRUPTIONPINANDDATACONTROLPINTOACHIEVETHECONTROLOFTHEVOICECHIPCIRCUITWHENTHEMICROCONTROLLERINTERRUPTPINRECEIVESTHEHIGHLEVEL,THEMICROCONTROLLERCONTROLSPROGRAMTOREALISZEVOICEBROADCASTINGKEYWORDSPVROELECTRICINFRAREDSENSOROT0001AVRPRONUNCIATIONCHIPISD1400长春理工大学本科毕业设计I目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题意义112国内外研究现状113本文主要内容2第2章系统方案设计321单片机选型322语音模块423传感器5第3章系统模块原理简介631ATMEGA16单片机简介6311芯片特点6312工作模式6313引脚图及介绍6314AVR单片机的复位和中断处理732热释电传感器介绍10321菲涅尔透镜10322热释电传感器的原理10323热释电传感器的内部结构11324引脚说明11325热释电传感器输出特性1233OT0001信号处理集成芯片介绍13331OT0001芯片特点13332OT0001引脚13333内部框图13334工作原理1434ISD1400语音芯片介绍15341概述15342ISD1420特性15343功能描述16344管脚图及描述16长春理工大学本科毕业设计II345操作模式18第4章系统的硬件设计2141ATMEGA16最小系统21411复位电路22412晶振电路2242信号放大电路2343语音控制电路2344电源电路24第5章自动语音欢迎系统软件设计2551主程序流程2552中断服务程序流程2653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1章绪论11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。12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13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2章系统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21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21系统框图21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ROM52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。22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480K1400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64K和8OK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648，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523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3章系统模块原理简介31ATMEGA16单片机简介311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。312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。313引脚图及介绍PB0XCKT12INAO4S5M7RE9DLGFVUTMEGA图313ATMEGA16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PC5TDI、PC3TMS与PC2TCK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。314AVR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31中断向量表向量号程序地址（2）中断源中断定义10001RESET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JTAGAVR复位2002INT0外部中断请求03004INT1外部中断请求14006TIMER2COMP定时器/计数器2比较匹配5008TIMER2OVF定时器/计数器2溢出600ATIMER1CAPT定时器/计数器1事件捕捉700CTIMER1COMPA定时器/计数器1比较匹配A800ETIMER1COMPB定时器/计数器1比较匹配B9010TIMER1OVF定时器/计数器1溢出10012TIMER0OVF定时器/计数器0溢出11014SPI,STCSPI串行传输结束12016USART,RXCUSART，RX结束13018USART,UDREUSART数据寄存器空1401AUSART,TXCUSART，TX结束1501CADCADC转换结束1601EEE_RDYEEPROM就绪17020ANA_COMP模拟比较器18022TWI两线串行接口19024INT2外部中断请求220026TIMER0COMP定时器/计数器0比较匹配21028SPM_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I1，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,PORTXN0B00输出高电平DDXN,PORTXN0B11两种状态之间进行切换时，上拉电阻使能DDXN,PORTXN0B01或输出低电平DDXN,PORTXN0B10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10PUD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DDXNPORTXNPUDI/O上拉电阻说明00XINPUTNO高阻太（HIZ）010INPUTYES被外部拉低时将输出电流011INPUTNO高阻太（HIZ）10XOUTPUTNO输出低电平（吸收电流）11XOUTPUTNO输出高电平（输出电流）32热释电传感器介绍321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32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321菲涅尔透镜实物图长春理工大学本科毕业设计11322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10L0Q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R10N、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814UM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。323热释电传感器的内部结构323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12324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324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7514M源极电压通常为0411V，R47K输出信号电压通常大于20V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324常见的热释电红外传感器外形325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（3LSFVFB21）其中F是输出信号频率（HZ），是人体移动速度（M/S），是光学系BFB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05（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0088HZ24。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。33OT0001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。331OT0001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332OT0001引脚图332OT0001引脚图长春理工大学本科毕业设计14333内部框图图3330T001内部框图334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VM05VDD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VH07VDD、VL03VDD，所以，当VDD5V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334（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334（B）可重复触发工作方式34ISD1400语音芯片介绍341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。342ISD1420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（DASTTM）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（DIRECTANALOGSTRORAGETECHNOLOGY），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05A的保持电流。9、单一电源供电。343功能描述语音质量ISD1400系列提供64K和80K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EEPROMISD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。344管脚图及描述344ISD1420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（VCCAVCCD）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（MICREF）MICREF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47UF的取值能较好的满足需要。模拟输出（ANAOUT）前置放大器的电压增益由AGC管脚上的电平决定。模拟输入（ANAIN）ANAIN将输入的信号传送到录音电路。对于麦克输入，ANAOUT脚必须通过外部电容连接到ANAIN脚。这个电容的数值与ANAIN内部的30K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ANAIN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A0A7全部为地址位，A0A7的数值将作为本次录音或放音操作的起始地址。A0A7全部为纯输入引脚，不会象操作模式中A0A7还可能输出内部地址信息。输入的A0A7的信息在PALYEPLAYL或REC的下降沿被电路锁存到内部使用。地址输入（A0A7）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。输入的地址被当作当前录音或放音的起始地址。这些地址管脚全部为输入管脚，与操作模式中能输出地址信息不同。地址输入在信号PLAYE，PLAYL或REC的下降沿被锁存。345操作模式ISD1420内部具备有多种操作模式，并能以最少的元件实现较多的功能。下面将详细描述，操作模式的选择使用地址管脚来实现，但实际的地址在ISD1420的有效地址外部。当地址的最高两位A7，A6为高电平时，其余的地址位将变成状态标志位而不再是地址位。因此操作模式和寻址模式不能兼容，长春理工大学本科毕业设计19也就是说不能同时使用。注意对于ISD1400系列最高的地址位都是9脚和10脚。（1）地址模式当至少A7，A6有一位为0时，器件进入地址模式。在地址模式中，A0A7由低位向高位排列，每位地址代表125毫秒的寻址，160个地址覆盖20秒的语音范围，录音及放音功能均从设定的起始地址开始，代表结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段结束位置插入结束标志（EOM）；而放音时遇到EOM标志及自动停止放音。（2）操作模式当A7，A6全部为1时，器件进入操作模式。ISD1420内部具有多种操作模式，并能以最少的元器件实现较多的功能，下面将详细描述。操作模式的选择通过使能地址管脚来实现，但实际的地址在ISD1420的有效地址外部。当地址的最高两位A7，A6为高电平时，其余得地址位将变成为标志位而不是地址位，因此，操作模式和地址模式不能兼容，也就是说不能同时使用。在使用操作模式时必须注意两点第一，所有的操作开始于地址0，也就是ISD1420的起始地址。以后的操作根据操作模式的不同可以从其它地址开始。另外在操作模式中当A41，从录音变换到放音而不是由放音变换到录音，期间地址指针复位到0。第二，操作模式的执行必须是A7，A6为高电平在PALYL，PLAYE或REC变为低电平时开始执行。当前的操作模式将一直有效，直到下一次有效控制信号变低，并取样地址线上的信息开始新的操作A0信息检索A1删除EOM结尾标志。A1操作模式允许多次记录的信息组合成一个信息结束标志，只出现在最后录制信息的结尾，当配置成这种模式后多次录制的信息在放音时会形成连续的信息。A3循环播放操作模式能够实现自动连续的信息播放，播放的信息处于地址空间的开始。A4连续寻址。在通常的操作中当放音操作遇到结尾标志EOM时地址指针将复原到0，A4操作模式将禁止地址指针的复位，允许信息能连续录制和播放。当电路处于静止状态而不是处于录音或放音状态，即可设置该脚为低电平将地址指针复位。A2和A5没有使用录音时序图长春理工大学本科毕业设计20图345（A）录音时序图放音时序图图345（B）放音时序图长春理工大学本科毕业设计21第4章系统的硬件设计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10UM左右的红外信号转化为电信号，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。为了实现其指标对系统的硬件做相应的设计，我们用ATMEGA16作为控制核心，通过放大电路触发信号是单片机产生的中断控制语音模块。41ATMEGA16最小系统单片机最小系统主要有晶振电路，复位电路等。即XTAL1和XTAL2管脚接外部73728MHZ的晶振作为系统的时钟源，系统复位。按键S1和按键S2是本系统的模式选择按键，分别对应模式1，模式2这样单片机就可以控制语音芯片的地址段，可以播放不同地址段所存储的语音内容。按键S1为单片机复位键。按键S2为录音控制键，如果单片机触发引脚接受到放大后的高电平信号，AVR单片机根据中断请求执行函数由PA口选择语音芯片播放门内还是门外语音。PB0XCK/TINA3OS5M678RE9DLGFVUTMEGAHZPFUW长春理工大学本科毕业设计2241ATMEGA16系统图411复位电路复位电路使CPU和系统的其他功能都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。电路由电容串联电阻构成,由图并结合“电容电压不能突变“的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定典型的单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位一般都推荐C取10UF,R取82K当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平SWPBV10KFT411复位电路412晶振电路典型的晶振取110592MHZ因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合/12MHZ产生精确的US级时歇,方便定时操作特别注意对于31脚EA/VPP,当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行8MHZ3PXAL412晶振电路长春理工大学本科毕业设计2342信号放大电路DSG为热释电红外传感器，OT0001为热释电红外传感器放大芯片，如图42所示热释电DSG输出的微弱信号直接送至OT001的14脚进行前置放大，放大后输出的信号再由C2、R5耦合至OT0001的13脚进行二级放大。V9EST8IB107D6OUN34AKMKYUFCOTG图42热释电红外传感信号放大电路图43语音控制电路AVR单片机的PB0,PB1,PB2引脚与语音芯片的PLAYL,PLAYE,REC引脚相连，分别控制语音芯片的电平放音、触发放音、录音的状态。单片机的PA0PA7引脚与语音芯片的A0A7引脚对应相连，这样单片机就可以控制语音芯片的地址段，可以播放不同地址段所存储的语音。按键S1为单片机复位键。按键S2为录音控制键。LPFXPEARI图43语音电路长春理工大学本科毕业设计2444电源电路由于选用的ATMEGA16单片机和语音芯片ISD1420的工作电压都为5V。本设计用变压器将220V的市压降至9V电压，经桥式电路整流和电容滤波得到9直流电压，