基于单片机的电子音乐门铃的方案设计书.docx
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基于单片机的电子音乐门铃的方案设计书
摘要
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：
单片机；电子门铃；液晶显示；语音录放
ThedesignofelectronicmusicdoorbellbasedonSingleChipMicroprocessor
Abstract
Withtheprogressofthetimesanddevelopmentofintelligentcontrol,smallmachines,micro-powerconsumptiongetawideconcern.Intheseareas,Singlechipmicroprocessorplayedapivotalrole,whichtheMCUapplicationsimportanttoenhancethestatusofSingleChipMicroprocessorapplicationsdesignedtobecomethenewhottechnology.
Inrecentyears,withintelligentbuildingsonthemarkethasbeenheatingup,thedoorbellsystemhasbeenasintelligentofficeandintelligentresidentialquartersofanimportantcomponentofthetradersanduserstoaccept.Peoplehavebeguntousedoorbellsystemusedtoreplacethetraditionalironkeystomanagetheaccessdoor,rangthedoorbellsothatthissystemhasbeenleapofdevelopment.WiththerapiddevelopmentofSingleChipMicroprocessortechnology,peoplewillincreasinglybecomeanimportantfuturedevelopmentdirection,throughthemateriallifeofthemeet.
ItisintroducedbytheAT89C51chiptoasystemofelectronicmusicdoorbellprocess.Thissystemismainlytocompletetheelectronicdoorbellrangthedoorbellnotonlyacommonelectronicfeatures,butalsohassomeextensions.Itsworkbythestatetosetitsownusers,suchasconventionalcapabilities,andvisitorstoprovidethenecessaryresponsetothevoiceandtextinformation,inaddition,userscanalsovisitawiderangeofinformationenquiries.
Keywords:
SingleChipMicroprocessor;Electronicdoorbell;LCDdisplay;Voicerecord-play
插图清单
图1-1设计框图…………………………………………………………………………………3
图2-1AT89C51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2-5DS1302结构框图………………………………………………………………………8
图2-6DS1302引脚排列图……………………………………………………………………9
图2-7时钟芯片电路……………………………………………………………………………10
图2-81602实物图……………………………………………………………………………12
图2-9AT89C51与SMC1602显示电路……………………………………………………14
图2-10ISD1420功能块图……………………………………………………………………16
图2-11ISD1420管脚排列……………………………………………………………………17
图2-12AT24C02引脚图………………………………………………………………………18
图2-13ISD1420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3-6PLAY键子程序…………………………………………………………………………25
表格清单
表2-1复位后寄存器态…………………………………………………………………………6
表2-2DS1302的日历、时钟寄存器及其控制字……………………………………………10
表2-31602LCD的引脚功能表………………………………………………………………12
表2-41602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1章绪论
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：
“Pleasewaitforamoment!
”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：
“Pleasevisitmelater!
”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“Pleasewaitforamoment!
”“Pleasevisitmelater!
”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。
第2章硬件电路设计
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：
图2-1AT89C51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
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TCON
00H
B
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0—P3
0FFH
SCON
00H
IP
××000000B
SBUF
不定
IE
0×000000
PCON
0×××0000
本次设计复位电路，如图2-2所示。
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：
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：
图2-4内部数据存储器
2.2时钟电路的设计
2.2.1DS1302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。
2.2.2DS1302结构框图与引脚介绍
图2-5DS1302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】。
图2-6DS1302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2-2DS1302的日历、时钟寄存器及其控制字
寄存器名
命令字
取值范围
各位内容
写操作
读操作
7
6
5
4
3
2
1
0
秒寄存器
80H
81H
00~59
CH
10SEC
SEC
分寄存器
82H
83H
00~59
0
10MIN
MIN
时寄存器
84H
85H
01~12或00~23
12/24
0
10
HR
HR
日寄存器
86H
87H
01~28、29、30、31
0
0
10DATE
DATE
月寄存器
88H
89H
01~12
0
0
0
10M
MONTH
周寄存器
8AH
8BH
01~07
0
0
0
0
0
DAY
年寄存器
8CH
8DH
00~99
10YEAR
YEAR
2.2.3DS1302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
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