基于单片机的电子音乐门铃的设计

XX大学毕业设计（论文）基于单片机的电子音乐门铃的设计摘 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The design of electronic music doorbell based on Single Chip MicroprocessorAbstractWith the progress of the times and development of intelligent control,small machines, micro-power consumption get a wide concern. In these areas,Single chip microprocessor played a pivotal role,which the MCU applications important to enhance the status of Single Chip Microprocessor applications designed to become the new hot technology.In recent years,with intelligent buildings on the market has been heating up,the doorbell system has been as intelligent office and intelligent residential quarters of an important component of the traders and users to accept. People have begun to use doorbell system used to replace the traditional iron keys to manage the access door, rang the doorbell so that this system has been leap of development. With the rapid development of Single Chip Microprocessor technology,people will increasingly become an important future development direction, through the material life of the meet.It is introduced by the AT89C51 chip to a system of electronic music doorbell process. This system is mainly to complete the electronic doorbell rang the doorbell not only a common electronic features, but also has some extensions. Its work by the state to set its own users, such as conventional capabilities, and visitors to provide the necessary response to the voice and text information, in addition, users can also visit a wide range of information enquiries.Key words: Single Chip Microprocessor;Electronic doorbell;LCD display;Voice record-play目 录引 言1 第1章 绪论2 1.1 概述2 1.2课题的总体设计及思路2 第2章 硬件电路设计4 2.1 硬件最小系统设计4 2.1.1 核心芯片AT89C51简介4 2.1.2 复位电路的设计5 2.1.3 时钟电路的设计6 2.1.4 存储器的分配7 2.2 时钟电路的设计8 2.2.1 DS1302芯片简介8 2.2.2 DS1302结构框图与引脚介绍8 2.2.3 DS1302与单片机的硬件电路的设计10 2.3 显示提示电路的设计11 2.3.1 液晶显示原理11 2.3.2 SMC1602芯片简介12 2.3.3显示电路的设计14 2.4 语音提示电路的设计14 2.4.1 ISD芯片简介14 2.4.2 ISD1420芯片特点及引脚介绍15 2.4.3 存储芯片AT24C02简介18 2.4.4 ISD1420与单片机连接电路的设计19 2.5 按键电路的设计20 第3章 软件部分设计21 3.1 主程序设计21 3.2 相应子程序设计22 3.2.1 按键扫描子程序设计22 3.2.2 门铃键子程序设计23 3.3.3 录音（RECORD）和播放（PLAY）程序设计25 第4章 调 试27 结论与展望29 致 谢30 参考文献31 附录A：总图32 附录B：外文文献及译文33 附录C: 主要参考文献及摘要40 附录D: 源程序42 插图清单图1-1 设计框图3图2-1 AT89C51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2-5 DS1302结构框图8图2-6 DS1302引脚排列图9图2-7 时钟芯片电路10图2-8 1602实物图12图2-9 AT89C51与SMC1602显示电路14图2-10 ISD1420功能块图16图2-11 ISD1420管脚排列17图2-12 AT24C02引脚图18图2-13 ISD1420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3-6 PLAY键子程序25表格清单表2-1 复位后寄存器态6表2-2 DS1302的日历、时钟寄存器及其控制字10表2-3 1602LCD的引脚功能表12表2-4 1602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- 57 -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：“Please wait for a moment!”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：“Please visit me later!”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“Please wait for a moment!”“Please visit me later!”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2-1 AT89C51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0INT1(P3.3)外部中断1T0(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21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，ALEPSEN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PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0P30FFHSCON00HIP000000BSBUF不定IE0000000PCON00000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1.2MHz12MHz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20pF100pF之间取值，但在60pF70pF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2.2.1 DS1302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。2.2.2 DS1302结构框图与引脚介绍图2-5 DS1302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2-6 DS1302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。2DS1302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5l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】。3DS1302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COHFDH，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2-2 DS1302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76543210秒寄存器80H81H0059CH10SECSEC分寄存器82H83H0059010MINMIN时寄存器84H85H0112或002312/24010HRHR日寄存器86H87H0128、29、30、310010DATEDATE月寄存器88H89H011200010MMONTH周寄存器8AH8BH010700000DAY年寄存器8CH8DH009910YEARYEAR2.2.3 DS1302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低功率的电池备份。VCC2在双电源系统中提供电源，在这种运行方式下VCC1连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。DS1302由两者中的较大者供电。当VCC2大于VCC1+0.2v时，VCC2给DS1302供电。当VCC2小于在单片机系统中使用VCC1的时候，DSl302由VCC1供电。在本设计中，以AT89C51为主器件，DS1302为从器件，RST接在主器件P3.2上，此引脚为高位的时候，选中该芯片，对其进行操作。串行数据线I/O与串行时钟线SCLK分别接在P3.1和P3.0上，所有的单片机地址、命令及数据均通过这两条线传输。在此设计中，主器件在总线上产生时钟脉冲，寻址信号，数据信号，而从器件则相应接受数据，送出数据。对DS1302的每一次读写都需要16个时钟脉冲，前8个脉冲输入操作地址和读写命令。电路图如图2-7所示。图2-7 时钟芯片电路2.3 显示提示电路的设计2.3.1 液晶显示原理1液晶显示原理液晶显示器利用液晶的物理特性，通过外加电压对显示区域进行控制，可以显示字符或图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，广泛用于便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等领域。2液晶显示器的分类液晶显示的分类方法很多，按显示方式可分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度、彩色显示等。如果根据驱动方式，可以分为静态驱动(static)、单纯矩阵驱动(simple Matrix)和主动矩阵驱动(Active Matrix)等三种【5】。3液晶显示器各种类形的显示原理(1)线段的显示点阵图形式液晶由M*N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，则每行由16字节，共16*8=128个点组成。屏上的64*l6个显示单元与显示RAM区1024个字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如，屏的第一行的亮或暗，由R人M区的000H00FH的16字节的内容决定，当(000H)=FFH时，屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当(3FFH)=FFH时，屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFHF、(001H)=00H、(002H)=00H、(00EH)=00H、(00FH)=00H时，在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。(2)字符的显示用LCD显示一个字符时，因为一个字符由6*8或8*8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“l”，其他的为”0”，(为“1”的点亮，为”0”的不亮)，这样就组成了某个字符。对于内带字符发器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，并在此处送上该字符对应的代码即可。(3)汉字的显示汉字的显示一般采用图形方式。事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码，每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5右边为2、4、6，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节，直到32B显示完，就可以在LCD上得到一个完整汉字16。2.3.2 SMC1602芯片简介字符型液晶显示模块是专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式LCD，目前常用的有16*1、16*2、20*2和40*2行等。下面以1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法，实物如图2-8所示【16】。图2-8 1602实物图11602LCD的引脚功能表2-3 1602LCD的引脚功能表编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地 9D2数据 2VDD电源正极 10D3数据 3VL液晶显示偏压 11D4数据 4RS数据命令选择 12D5数据 5R/W读/写选择 13D6数据 6E使能信号 14D7数据 7D0数据 15BLA背光源正极 8D1数据 16BLK背光源负极1602LCD采用标准14脚(无背光)或8脚(带背光)接口，各引脚功能如表2-3所示。VL为液晶显示器对比度调整端，接电源正极时对比度最弱，接地时对比度最高。若对比度过高会产生“鬼影”，使用时可以通过一只10K电阻来调整对比度。RS为寄存器选择端，RS为高电平时选择数据寄存器，为低电平时选择指令寄存器。R/W为读写信号线，为高电平时进行读操作，为低电平时为写操作。当Rs和R/W同为低电平时可以写人指令或者显示地址；当RS为低电平、R/W为高电平时可以读忙信号；当RS为高电平、R/W为低电平时可以写人数据。E为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。D0D7为8位双向数据线。21602LCD的指令说明及时序1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2-4所示。表2-4 1602液晶模块内部的控制器的11条控制指令序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001/3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L/6置功能00001DLNF/7置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址8置数据存储器地址001显示数据存储器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CDRAM或DDRAM读数11读出的数据内容1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置。I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移。S：屏幕上所有文字是否左移或者右移，高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示；C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标；B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位。S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令。DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线；N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示；F：低电平时显示5*7的点阵字符，高电平时显示5*10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址。BF：忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据；低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。与SMC1602芯片的时序如表2-5所示。表2-5 基本时序表读状态输入RS=L、R/W=H、E=H输出D0D7=状态字写指令输入RS=L、R/W=L、D0D7=指令码，E=高脉冲输出无读数据输入RS=H、R/W=H、E=H输出D0D7=数据写数据输入RS=H、R/W=L、D0D7=数据，E=高脉冲输出无2.3.3显示电路的设计如图2-9所示，单片机AT89C51与芯片SMC1602的显示电路。在本设计中，SMC1602芯片主要是显示主人所要传达给来访者的信息，当来访者按下门铃按钮时，芯片自动提取信息英文提示来访者，主人在/不在家的信息，并且告知来访者是否继续等待【10】。图2-9 AT89C51与SMC1602的显示电路2.4 语音提示电路的设计2.4.1 ISD芯片简介单片机控制系统通常使用发光二极管LED、数码管、液晶显示器、蜂鸣器等进行状态/结果显示、故障报警。近年来随着语音电路的迅速发展，语音芯片已经以其直观、生动、与单片机接口方便等优势，越来越广泛的应用于单片机控制系统中了。ISD1420为美国ISD公司出品的优质单片语音录放电路，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（DAST TM）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音的再现。不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。在本设计中，ISD1420语音芯片主要承当提示的作用，主人在提示语录入芯片中，当来访者按下门铃按钮时，芯片自动提取信息提示来访者，主人在/不在家的信息。下面详细介绍了ISD1420语音芯片与单片机的接口，给出了具体的电路图和驱动软件及芯片外围的驱动电路和具体参数14。2.4.2 ISD1420芯片特点及引脚介绍1 芯片特点及结构简图ISD1420芯片采用直接模拟存储技术，且录放音质极好，并有一定的混响效果；它的外围元件简单，仅需简单的阻、容元件即可组成简单的录、放电路；单电源供电，典型电压+5V。待机时低功耗(0.5A)，放音电流15mA；放音时间20s，可扩充级联；可持续放音，也可分段录放，最小分段：205/160段=0.1255/段，可分段160段；录、放次数达10万次；断电信息存储，无需后备电池，信息可存储100年；不需要专用的编程器及语音开发器；高优先级录音，低电平或负边沿放音。使用方便的单片录放系统，外部元件最少重现优质原声，没有常见的背景噪音放音可由边沿或电平触发无耗电信息存储，省掉备用电池信息可保存100年，可反复录放10万次无需专用编程或开发系统较强的分段选址能力可处理多达160段信息具有自动节电模式录或放后立即进入维持状态，仅需0.5A电流单一5伏电源供电ISD1420功能块图如图2-10所示。2 引脚介绍ISD142O芯片封装有DIP硬封装和COB软封装两种形式，均为28引脚(如图2-11)。VCCA，VCCD(电源)为了减小片内噪声，模拟电路和数字电路在ISD1400内部是分开的，这些电源总线在封装上也是分开的。为了减小噪声，提高声音质量，这两个电源引脚应离电源尽可能的近，而且电源的去耦电容应离引脚越近越好。VSSA，VSSD(地线)与电源相类似，模拟电路和数字电路在芯片内部使用分离的地线以减小噪声。这两个引脚的连接线应尽可能地靠近芯片；此外，地线应尽可能的粗。REC(录音)REC是低电平有效信号输入。无论REC何时变低管子都开始录音，且在录音期间REC应始终保持低电平。与回放输入信号(PLAYE或PLAYL)相比，REC有优先权，即在放音过程中，如果REC变低，则电路马上由放音过程转为录音过程，反之则不行。当REC变高或存储空间变满时录音过程结束。一个信息结束标记(EOM)会出现在录音截止的地方，这样就能保证以后的放音有正确的结束点。PLAYE(回放，边缘触发)当一个低电平跳变出现在这个引脚时，回放过程开始。当遇到信息结束标记(EOM)或存储空间的末尾时，回放过程结束。在回放过程中PLAYE变高并不能中断回放过程。图2-10 ISD1420功能块图PLAYL(回放，电平触发)当这个引脚的电平由高变低时，回放过程开始，回放过程持续到PLAYL由高变低或遇到EOM。RECLED(录音LED输出)在录音过程中RECLED输出变低，该输出可用于驱动一个LED以提供正在录音的提示信息。MIC(话筒输入)MIC把其输入信号传给片上预放大器，片上自动增益控制(AGC)电路控制片上预放大器的增益从-15至24之间变化。外部话筒输入应通过电容交流耦合至本引脚，电容值和本引脚上的片内10k电阻决定了芯片的低频截止频率。MIC REF(话筒基准)MIC REF输入是话筒预放大器的反相端输入，它提供了较好的噪声抑制比和较高的共模抑制比。AGC(自动增益控制)AGC动态地调整预放大器的放大倍数以扩大话筒输入的范围。AGC功能允许更大范围的声音输入，从小声耳语到很大的声音都能得到很好的录音效果，并在整个范围内保持小的失真率。ANA OUT(模拟输出)本引脚向用户提供预放大器的输出，预放大器的电压放大倍数由AGC引脚的电压所决定。ANA IN(模拟输入)ANA IN引脚把输入信号传给片内以便录音，对于话筒输入模式，ANA IN引脚应通过外部电容连接到ANA OUT引脚。如果外部输入信号的来源不是话筒，则输入信号可通过电容直接耦合给ANA IN。图2-11 ISD1420管脚排列图XCLKISD1400系列对外部的时钟输入，其内部有下拉元件，一旦接入外部时钟，内部时钟自动失去作用。如果没有用则该引脚应当接地，另外，如不是要求时钟信号特别精确，一般不推荐使用外部时钟输入，内部时钟已经能使芯片很好地工作。SP+，SP-(扬声器输出)SP+和SP-引脚提供了扬声器的直接驱动功能，而输出电阻只有16。对于直接驱动的扬声器来说，也可以只用一个输出端，但是双端极性的输出比单端输出的功率高了4倍。此外，当使用SP+和SP-时，扬声器耦合电容就没有必要了，单端连接则需要在SP+端和扬声器之间连接交流耦合电容。在录音期间扬声器输出端保持高阻状态。A0A7(地址输入)地址输入用于芯片有分段录音时，不同的地址端口对应不同的录音片断，这是分段录音和选择段落回放的保证。2.4.2 分段录音和放音简介由于分段录音和放音涉及到芯片的一些参数设定和查表，系统介绍需较多篇幅，因此本文不再给出详尽的解释，而只用一些简单的例子加以说明。例子中所涉及到的参数不作详细的说明，只求能说明问题即可。首先说明，地址并不是存储信息的序号，它是芯片存储区的指针，实际上，它和单片机的存储区地址是类似的。以ISD1420为例，此芯片的存储时间为20秒，最小录音时间为100ms，因此可以分段的总数为200.1=200段。如果想从第10秒处开始录音，则所需地址为100.1=100，换算为二进制地址1100100，因此只要按上述给定地址配置芯片地址引脚(A0A6)的状态，然后按一般情况进行录音即可。放音与录音类似，重要的是配置好地址状态。ISD1420的地址线有7根，很多情况下用不了这么多根地址线，而且单片机输出端口也提供不了如此多的地址线。为了解决这个问题，我们可以简单地把一些低位地址线接地而只用高位地址线，这样我们就可以得到大片的而且很实用的录音区域，并且减小了对单片机的控制线需求。以ISD1420为例，如果我们把A0A3全部接地，那末我们得到的最小分段间隔为2秒，而且只需4根地址线即可选完这几个区域。如果把A4也接地，分段间隔则为4秒。当系统上电时有时会出现意料之外的录音过程，而这个意外的录音过程会妨碍以前的声音进行回放，一个伪EOM标记会出现在存储空间的开始部分。为了防止这种现象的发生，在控制端(REC和VCC)之间并联一个电容(大约为0.001F)即可。它使控制端的电压同步拉起，一旦电压变高，电压上拉部分将保持高电平直到人为地使电压变低，从而防止伪EOM标记的产生。既然这种异常现象与使用者的印刷线路板的电容有关，因此不是每个人都会遇到这种情况。但为了使电路稳定工作，这个电容是必须的。(1)录音把REC端信号置低电平，就开始了一个从芯片的开始存储空间录音的过程，如果保持低电平，录音过程会一直保持到存储空间满为止。(2)边缘触发形式的放音PLAYE置低电平就开始了一个回放过程，放音从存储空间的开始部分或选定的段开始放音。PLAYE变高电平对放音过程没有影响，放音会持续到遇到EOM信号为止。(3)电平触发形式的放音PLAYL置低开始了一个回放过程，但在放音过程中，PLAYL要一直保持低电平，放音过程会持续到遇到EOM信号为止。如果在遇到EOM信号之前变高，放音即结束12。2.4.3 存储芯片AT24C02简介在本设计中，AT24C02存储芯片主要用于保存来访者的人数。AT24C02串行EZPROM以其体积小、性能优、使用灵活和方便而受到人们的青睐，广泛应用在测控系统以及各类智能仪表中用于保存特征参数和各种检测数据，使数据得到可靠保护而不会由于停电、干扰等原因使其丢失。同时，在各种便携式智能仪表中使用，因此有着广泛的应用前景。1 存储芯片AT24C02的引脚图及性能DS1302引脚如图2-12所示。AT24C02是一种串行CMOSEPROM电擦除只读存储器，采用总线结构，其只要主要指标如下：工作电压：2.56V工作电流：3mA存贮容量：256*8bit静态电流：70A自同步页写周期：10ms 数据保持时间：100年图2-12 AT24C02引脚图2数据的传送EPROM用两根线连接到单片机的PC总线接口或普通I/O口线上，使单片机与EPROM两者之间构成了主从关系，数据传送所需的时钟信号和各种控制信号均由单片机产生。在传送过程中，每个动作的执行都是在SCL为高电平期间进行。因此，在此期间SDA线上的数据必须保持稳定。数据的更迭必须在SCL为低电平时进行。SCL高电平期间SDA线上的任何变化信号均被理解为控制信号：SDA由高变低意味着读/写操作的开始，SDA由低变高则表示读/写工作的结束。启动信号发出后，E2PROM收到的第一个字节为指令代码。其中高4位D7D4为器件标志AT24C02固定为1010；D3Dl用于器件寻址；D0指出数据传送的方向。D0=1为读模式，D0=0为写模式，并由此决定后面的数据是由单片机发出还是由E2PROM发出；如果是写模式，还需再发送片内地址字节。在数据传送过程中，每一个字节均是从高位到低位顺序发送，在每个字节的结尾，数据接收方应向数据发送方回送一个应答信号，以表示读/写的继续，肯定应答为低电平。如果此时单片机回送高电平，并且紧接着发生停止信号，则表示整个过程结束。2.4.4 ISD1420与单片机连接电路的设计由于本设计只需要录音和放音，故ISD1420电路只需要工作在地址模式，A7为低电平，A0A7 全部为地址输入引脚。本设计设置三段录音，录音时间分别为4s、5s、11s，对应的地址单元分别是：00H1FH、20H47H、48HA0H，故只需要三条地址线就可以了，连接方式是P2.6对应A6、P2.5对应A5、P2.3对应A3。ISD1420的REC录音引脚为低电平时，开始录音，该电平信号由单片机的P2.4引脚控制。录音时，先通过单片机送出地址00H或20H或48H，选好录音段，然后置P2.4引脚为低电平即可录音。用户录制的语音每一段结束后，芯片自动设有段结束标志(EOM)，芯片录满后设有溢出标志(OVF)。利用ISD1420的录音指示端RECLED并接发光二极管可显示录音状态。平时呈高电平，录音时呈低电平，二极管发光；录音完成后灯熄灭表示录音结束。硬件电路如图2-13，它主要包括三大部分：响铃电路、录音放音电路和存储电路。图2-13 ISD1420与单片机的硬件电路2.5 按键电路的设计在本设计中，将有室内机和室外机，其中室内机一共有三个功能，一、选择旋钮，主人选择“IN”或是“OUT”；二、录音按钮，主人可以事先录制语言提示，更人性化；三、播放按钮，主人播放来访者留言；室外机有一个按铃按钮、扬声器（语音提示来访者主人的信息）以及LCD显示提示来访者主人的英文信息。按键图如图2-14所示。（a）(b)图2-14 按键电路图K1按键是录音键，主人录制留言，当主人按下按键时，就开始录音；K2键是播放键，主人按键，可以听到来访者的留言；K3键是来访者的按铃键；K4是主人选择是否在家按键，当主人在家是，将开关打在VCC，键盘扫描到高电平时，播放主人录制的留言1，以及显示留言1；当家里没人时，将开关打在GND，键盘扫描到低电平时，播放主人录制的留言2，以及显示留言2【18】。第3章 软件部分设计3.1 主程序设计系统应用程序由主程序及子程序两大部分组成。主程序流程图如图3-1所示。主程序主要用来完成系统的初始化、时间显示和按键扫描等工作。图3-1 主程序流程图先扫描按键，若没有按键，则从时钟芯片中读出数据显示时间；若有按键，则跳转到相应按键的子程序；按键主要有K1键（录音功能）、K2键（播放功能）、K3键（门铃按键）、K4键（选择功能）。3