基于单片机控制的智能玩具娃娃.docx
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基于单片机控制的智能玩具娃娃
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
BasedonSCMcontrolintelligenttoydoll
Abstract:
Withthecontinuousprogressofscienceandtechnology,economicdevelopment,people'slivingstandardshavegreatlyimproved,andsmarttoysbabywillalsosoonenterthelifeoftheconvenienceofparentscaringforchildren.
Theprojectdesignconsistsofhardwareandsoftwareprogrammingdesign,Throughthealignment,Canautomaticdetectionchildreninfostercarewithoutparents,whetherindesignatedareas.Asachildcriesafterwakingup,abletodetectwhetherthechildwokeup.Orafterthechildwokeupcrawlingtoleavethedesignatedarea,babywilldetectwhetherachildinthespecifiedarea,givenmusictoremindadults.Withthesetwofeaturestohelpadultsandabilitytocareforchildren,asdootherthingsinordertoknowthechild'ssituationinatimelymanner.
ThisdesignusespyroelectricinfraredsensorandinfrareddetectioncircuitBISS0001chips.infraredcircuitfunctionistheuseofcharacteristicsofpyroelectricinfraredsensortodetectwhetherachildinthedesignatedareas,theoutputsignalthroughtheCPUforprocessing,andfunction.Electretmicrophonesounddetectioncircuitusedfortesting,enteraTTLsignaltothemicrocontroller,microcontrolleraccordingtovoltage,todeterminewhetherachildcry,andmaketherighttreatment.
Keywords:
Automaticdetection;intelligenttoydoll;Infrareddetectionelectriccircuit;Electretmicrophone
目录
前言1
第1章总体方案设计2
1.1设计内容及要求2
1.2预期成果及组成框图2
第2章硬件设计3
2.1单片机最小系统设计3
2.1.1AT89C51功能特性描述3
2.1.2单片机的应用6
2.1.3单片机最小系统7
2.2热释电红外电路设计9
2.2.1热释电红外传感器9
2.2.2热释电传感器的基本原理10
2.2.3红外热释电处理芯片BISS000111
2.2.4BISS0001的热释电红外开关应用电路图14
2.3拾音电路设计15
2.3.1驻极体话筒15
2.3.2拾音电路17
2.4语音电路设计21
2.4.1语音芯片21
2.4.2扬声器21
2.4.3语音电路22
第3章软件设计23
3.1主程序设计23
3.2热释电红外电路设计24
3.2.1软件程序部分24
第4章系统软硬件调试25
4.1硬件部分25
4.2软件部分25
4.3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。
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
2.1.1AT89C51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MOVX@DPTR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MOVX@RI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30pF±10pF，而如果使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10pF。
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（SingleChipMicroComputer）,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（SingleChipMicroController）,或直接称其为微控制器（MicroController）。
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4—8K字节,片内RAM小于256字节;但可在外部进行扩展,如MCS—51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MCS―51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00H―7FH，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0000H―0FFFH，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10μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10μm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10μm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2-7BISS0001芯片
（2）管脚图如图2-8。
图2-8BISS0001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。
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