基于STC單片機(jī)的家用無(wú)線音樂(lè)門鈴改進(jìn)設(shè)計(jì)

蘆皓麟 宋曉松

（天津大學(xué)微電子學(xué)院 天津市 300072）

1 引言

“常見的門鈴有無(wú)線門鈴和有線門鈴，其中有線門鈴的室內(nèi)報(bào)警部分只能安裝在房門附近，當(dāng)房主距離房門較遠(yuǎn)時(shí)，可能會(huì)不能及時(shí)聽到門鈴的響聲，給生活帶來(lái)很多不便”[1]，因此，隨著電子通信技術(shù)的普及，無(wú)線門鈴技術(shù)也在不斷發(fā)展，產(chǎn)品也受到越來(lái)越多消費(fèi)者的青睞。

利用無(wú)線門鈴可以很好地彌補(bǔ)有線門鈴的不足，用戶可以根據(jù)房屋實(shí)際情況在合適的位置安裝室內(nèi)的報(bào)警器接收端。我們通過(guò)調(diào)查測(cè)試發(fā)現(xiàn)，根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)所提供技術(shù)制造的無(wú)線門鈴，一般無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)距離的無(wú)線通信。此外，在進(jìn)行多對(duì)一傳輸時(shí)，對(duì)于選定的發(fā)射端，按下按鈕，接收端有時(shí)不會(huì)接收到信號(hào)并做出響應(yīng)，工作狀態(tài)不穩(wěn)定。只有將其他發(fā)射端開關(guān)全部關(guān)閉時(shí)，按下選定發(fā)射端的按鈕，接收端才可正常工作。換言之，即使沒(méi)有按下發(fā)射按鈕，發(fā)射端只要處于通電狀態(tài)，不同發(fā)射端會(huì)對(duì)接收端產(chǎn)生信號(hào)干擾。同時(shí)，發(fā)生了明顯地耗電情況。這種不穩(wěn)定的工作狀態(tài)限制了無(wú)線門鈴的使用場(chǎng)景，降低用戶體驗(yàn)效果。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文研究了以STC11F04E 單片機(jī)為控制核心，使用無(wú)線發(fā)射和接收模塊，對(duì)家用無(wú)線音樂(lè)門鈴電路進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。使其可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，此外，多個(gè)發(fā)射、接收端之間，可以進(jìn)行準(zhǔn)確的一一或一多的信號(hào)傳輸，不受其他發(fā)射端的信號(hào)干擾，并能夠提供聲、光兩種提示信號(hào)，支持對(duì)音樂(lè)曲目進(jìn)行更換以及提示燈光強(qiáng)的調(diào)節(jié)。同時(shí)，減小了門鈴體積，降低制造成本，大大提高了用戶體驗(yàn)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以STC 單片機(jī)為核心，由無(wú)線發(fā)射電路、無(wú)線接收電路、功率放大電路、編碼解碼電路、按鍵電路、單片機(jī)控制電路等構(gòu)成。

2.1 無(wú)線發(fā)射電路

2.1.1 PT2262 編碼電路

編碼電路采用PT2262 芯片，該芯片是一種采用CMOS 工藝制造的通用的編解碼電路,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便。PT2262 編碼芯片發(fā)出的編碼信號(hào)由地址碼、同步碼、數(shù)據(jù)碼組成。通常情況下一般使用8 位地址碼和4 位數(shù)據(jù)碼，這時(shí)編碼電路PT2262 和解碼PT2272的第1 至8 腳為地址設(shè)定腳，有懸空、接正、接地三種狀態(tài)可供選擇，從而有3^8=6561 組不重復(fù)的地址編碼。只有當(dāng)發(fā)射端PT2262和接收端PT2272 的地址編碼完全相同時(shí),二者才能配對(duì)使用，最終編譯好的地址碼和數(shù)據(jù)碼從 17 腳串行輸出。

PT2262 編碼芯片的14 腳為編碼確認(rèn)發(fā)送端，低電平有效。在工作過(guò)程中，如果14 腳恒為低電平，則編碼信號(hào)會(huì)一直通過(guò)17 腳串行輸出，只是編碼信號(hào)內(nèi)容會(huì)根據(jù)地址碼、數(shù)據(jù)碼的變化而變化。目前現(xiàn)有的技術(shù)大多采用上述方法，將自復(fù)位開關(guān)接在地址碼的8個(gè)引腳上。在多個(gè)發(fā)射端和一個(gè)接收端間進(jìn)行傳輸時(shí)，選定一個(gè)發(fā)射端后，其他發(fā)射端的編碼信號(hào)雖然不能被PT2272 解碼芯片正確解碼，但會(huì)對(duì)PT2272 解碼芯片的解碼工作產(chǎn)生干擾，其表現(xiàn)為通信距離明顯縮短。因此，我們希望當(dāng)自復(fù)位開關(guān)按下時(shí)，PT2262發(fā)射信號(hào)，而當(dāng)自復(fù)位開關(guān)彈起時(shí)，PT2262 停止發(fā)射信號(hào)，這樣對(duì)于降低干擾增大通信距離有著積極意義。在本設(shè)計(jì)中，采用將自復(fù)位開關(guān)連接在14 腳與地之間的方法，當(dāng)開關(guān)按下時(shí)，14 腳接地，低電平有效，信號(hào)得以發(fā)送；當(dāng)開關(guān)彈起時(shí)，14 腳不為低電平，信號(hào)停止發(fā)送。這樣不僅能減少信號(hào)干擾，增加通信距離，還能降低功耗，滿足節(jié)能環(huán)保的要求。

2.1.2 DF 超再生無(wú)線發(fā)射模塊電路

采用的超再生無(wú)線發(fā)射模塊內(nèi)部原理，其Data 腳為高電平時(shí)，頻率為315MHz 的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)送等幅高頻信號(hào)；為低平時(shí)315MHz 電路停止工作，因此，電路工作與否完全受PT2262 的17 腳輸出的數(shù)字信號(hào)控制。

2.1.3 工作原理

無(wú)線發(fā)射電路主要由 PT2262 編碼芯片和超再生無(wú)線發(fā)射模塊組成。

整個(gè)發(fā)射端電路由3 節(jié)5 號(hào)干電池提供4.5V 電壓，電池的開關(guān)為整個(gè)電路的電源總開關(guān)，PT2262 的震蕩電阻OSC1 與OSC2引腳接1.2MΩ 電阻，編碼確認(rèn)發(fā)射端14 腳通過(guò)自復(fù)位開關(guān)接電源負(fù)極，Dout 編碼發(fā)送端與超再生無(wú)線發(fā)射模塊的Data 腳相連，用于數(shù)據(jù)傳輸。PT2262 的A0 腳電源正極相連，LED 二極管的正極引腳與電源正極連接，負(fù)極引腳通過(guò)120Ω 電阻后與14 腳相連。當(dāng)自復(fù)位開關(guān)彈起時(shí)，14 腳為高電平，其17 腳為低電平，315MHz的高頻發(fā)射電路不工作；當(dāng)自復(fù)位開關(guān)按下時(shí)，14 腳接地成低高電平，LED 燈被點(diǎn)亮，此時(shí)PT2262 僅A0 腳為高電平，其余地址腳均懸空，第17 腳為高電平，315MHz 的高頻發(fā)射電路工作，輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號(hào)。

2.2 無(wú)線接收電路

2.2.1 解碼電路

由DF超再生無(wú)線接收模塊接收信號(hào)后（原理與發(fā)射模塊相同），將信號(hào)傳G 給解碼電路進(jìn)行處理。解碼電路主要由 PT2272 芯片組成，是與PT2262 配對(duì)的解碼芯片。PT2272 解碼芯片接收到信號(hào)后，其地址碼需經(jīng)過(guò)兩次比較并且核對(duì)無(wú)誤后，VT 腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平，如果發(fā)送端的自復(fù)位開關(guān)一直按下,編碼芯片也會(huì)連續(xù)發(fā)射。超再生接收模塊接收信號(hào)并解調(diào)后經(jīng)功率放大電路一級(jí)放大后送到PT2272，當(dāng)PT2272 的VT 腳輸出高電平時(shí)，表示解碼有效。

2.2.2 功率放大電路

當(dāng)通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，無(wú)線發(fā)射電路發(fā)射的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)明顯的信號(hào)衰減現(xiàn)象，從而超再生接收模塊接收到的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一定程度上的失真，失真的信號(hào)無(wú)法被PT2272 解碼芯片準(zhǔn)確解碼，使得無(wú)線音樂(lè)門鈴的通信距離受到一定限制。我們?cè)诔偕邮漳K后增加一個(gè)功率放大電路，經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)交由PT2272 解碼芯片解碼，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無(wú)線控制。

功率放大電路的核心為L(zhǎng)M358 雙運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。在電路中只需使用一個(gè)運(yùn)算放大器即可，假設(shè)我們采用左側(cè)的運(yùn)算放大器，工作時(shí)3 腳與接收端信號(hào)（待放大信號(hào)）輸出腳相連，2腳同電源負(fù)極（參考電位）相連 ，經(jīng)比較放大后的信號(hào)由1 腳輸出，這樣失真的高電平會(huì)被升高到接近電源電壓，低電平仍為低電平，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的作用。

2.2.3 控制電路

控制電路的核心控制芯片采用STC11F04E 單片機(jī)，相比于現(xiàn)有技術(shù)中使用的STC89 系列單片機(jī)，具有高運(yùn)算速度、低工作電壓以及方便燒寫、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于縮小無(wú)線音樂(lè)門鈴體積、降低成本有著重要意義。單片機(jī)的I/O 腳可以檢測(cè)外界電壓變化，整個(gè)控制電路通過(guò)檢測(cè)外界電壓變化的次數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)電路的控制。

當(dāng)按下選曲按鈕時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的I/O 口電壓發(fā)生變化，單片機(jī)檢測(cè)到特定I/O 電壓變化后會(huì)最初應(yīng)答，應(yīng)答的結(jié)果使得對(duì)應(yīng)的I/O 口電壓發(fā)生變化，從而接收板上的音樂(lè)隨之切換；由于音樂(lè)在播放過(guò)程中其音量會(huì)有大小的變化，其功率也會(huì)發(fā)生變化，從而對(duì)單片機(jī)I/O 腳的輸出功率造成影響，其結(jié)果使得LED 燈隨著音樂(lè)播放而閃爍，增強(qiáng)了觀賞價(jià)值。其中語(yǔ)音播放模塊可通過(guò)USB 線拷貝歌曲，實(shí)現(xiàn)歌曲的自由更換，通過(guò)將6、7、8 腳中的任意一腳置為低電平可播放對(duì)應(yīng)歌曲，即可自由切換3 首歌曲。SPK+與SPK-通常接8Ω1W 的喇叭實(shí)現(xiàn)聲音外放，并可通過(guò)串聯(lián)電位器調(diào)節(jié)聲音大小。

2.2.4 工作原理

接收端電路主要包括無(wú)線接收模塊、功率放大電路、解碼電路、控制電路以及信號(hào)提示電路。

整個(gè)接收端電路由3 節(jié)5 號(hào)電池供電4.5V，電池的開關(guān)為整個(gè)電路的電源總開關(guān)，LM358 的3 腳與超再生接收模塊的2、3 腳相接，2 腳與電源負(fù)極相接，經(jīng)比較放大的信號(hào)由1 腳輸出與PT2272的DIN 編碼接收端相連。PT2272 的振蕩電阻OSC1 與OSC2 引腳接200KΩ，A0 腳直接接電源正極，其余腳懸空。當(dāng)發(fā)射端的電路按鈕被按下時(shí)，PT2262 與PT2272 地址碼相同，PT2272 得以正確解碼，VT 腳輸出非鎖存的高電平信號(hào)。

VT 腳與STC11F04E 的I/O 口P1.5 相連，通過(guò)檢測(cè)P1.5 口的電平變化來(lái)判斷發(fā)射端按鈕是否被按下。STC11F04E 的RES 復(fù)位腳通過(guò)自復(fù)位開關(guān)與電源正極相連，系統(tǒng)可通過(guò)自復(fù)位按鈕手動(dòng)復(fù)位；I/O 口P1.4 腳通過(guò)另一個(gè)自復(fù)位開關(guān)與電源正極相連，通過(guò)檢測(cè)I/O 口P1.4 由低電平變?yōu)楦唠娖降拇螖?shù)來(lái)切換歌曲；I/O 口P1.0與一個(gè)LED 燈通過(guò)120Ω 接地，I/O 口P1.1、P1.2、P1.3 分別與語(yǔ)音模塊的6、7、8 腳相連，當(dāng)檢測(cè)到P1.5 腳電平由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，P1.0 腳由低電平變?yōu)楦唠娖剑琇ED 燈亮起，P1.1、P1.2、P1.3 三腳根據(jù)P1.4 腳電平變化次數(shù)選擇其一為低電平，其余為高電平，播放對(duì)應(yīng)歌曲。10KΩ 的電位器與揚(yáng)聲器串聯(lián)接在語(yǔ)音模塊對(duì)應(yīng)兩引腳處，通過(guò)改變電位器的阻值可實(shí)現(xiàn)音樂(lè)聲音大小的變化。

此外，一套門鈴可由多個(gè)發(fā)射端和多個(gè)接收端組成，以滿足不同房型的要求。設(shè)計(jì)原理和上述一對(duì)一的原理相同。只要PT2272解碼芯片與PT2262 編碼芯片的地址碼相同，PT2272 即可正確解碼，并在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)腳和VT 腳輸出高電平。因此，對(duì)于一對(duì)多、多對(duì)一的門鈴系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際要求采用不同狀態(tài)的地址編碼即可，從而實(shí)現(xiàn)多對(duì)一的無(wú)線控制。

3 軟件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用STC11F04EI/O 口的電平檢測(cè)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，I/O檢測(cè)到由于按鍵導(dǎo)致的電平變化后會(huì)做出相應(yīng)應(yīng)答，對(duì)后面電路進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)按鍵對(duì)于整個(gè)電路的間接控制。

當(dāng)接收電路啟動(dòng)后，整個(gè)電路處于對(duì)P1.7 腳I/O 口、P1.6 腳I/O 口以及RES 復(fù)位口的檢測(cè)狀態(tài)：RES 復(fù)位口為高電平時(shí)，單片機(jī)復(fù)位，程序從開始執(zhí)行；P1.4 口變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，歌曲會(huì)切換；P1.5 腳為高電平時(shí)，表明有人按下門鈴 ，此時(shí)P1.0 腳從低電平變?yōu)楦唠娖?，LED 燈亮起，P1.2-P1.4 腳會(huì)根據(jù)上面切換結(jié)果選擇一腳為低電平，其余兩腳為高電平，播放對(duì)應(yīng)曲目；P1.5 腳為低電平時(shí)，表明無(wú)人按下門鈴，此時(shí)P1.0 腳保持低電平，LED 燈不亮，P1.2-P1.4 腳均為高電平，無(wú)音樂(lè)；音樂(lè)播放結(jié)束之后，系統(tǒng)重新回到檢測(cè)狀態(tài)。

4 結(jié)果與總結(jié)

4.1 測(cè)試結(jié)果

按照上述方案設(shè)計(jì)出無(wú)線音樂(lè)門鈴，并進(jìn)測(cè)試，得到如下結(jié)果：

（1）實(shí)現(xiàn)了門鈴發(fā)射和接收端之間的無(wú)線控制，使報(bào)警器發(fā)出聲音；

（2）實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離通信，在按鈕和接收端距離直線6m 情況下成功進(jìn)行信號(hào)傳輸；

（3）實(shí)現(xiàn)了按鈕和報(bào)警器之間一對(duì)多、多對(duì)一的精確控制，且多個(gè)發(fā)射端之間不會(huì)再產(chǎn)生相互干擾；

（4）實(shí)現(xiàn)了報(bào)警器多個(gè)音樂(lè)曲目自由切換、聲音大小的調(diào)節(jié)以及提示燈隨一起聲音亮起，并在一定時(shí)間之后自動(dòng)熄滅。

4.2 設(shè)計(jì)總結(jié)

目前有關(guān)無(wú)線音樂(lè)門鈴的設(shè)計(jì)大多采用STC89 系列單片機(jī)，存在著多個(gè)門鈴?fù)瑫r(shí)工作時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)干擾以及無(wú)線通信信號(hào)嚴(yán)重衰減造成的通信距離縮短的問(wèn)題，并且在產(chǎn)品體積、制造成本、功耗等方面有所不足。本設(shè)計(jì)針對(duì)以上不足做了如下改進(jìn)：

（1）本設(shè)計(jì)中的控制電路使用了STC11F04E 單片機(jī)，作為STC89 系列單片機(jī)的升級(jí)版，它具有高運(yùn)算速度、低工作電壓以及方便燒寫、體積小、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于縮小無(wú)線音樂(lè)門鈴體積、降低成本有著重要意義。

（2）本文創(chuàng)新性地將發(fā)射端的PT2262 編碼芯片的14 腳通過(guò)自復(fù)位開關(guān)接地，使得只有當(dāng)按鈕按下時(shí)發(fā)射端才會(huì)發(fā)出信號(hào)并被接收端PT2272 解碼芯片解碼。這樣發(fā)射端電路處于間歇發(fā)射信號(hào)的工作狀態(tài)，加強(qiáng)發(fā)射端和接收端的精確控制，保證在按下選定的發(fā)射端時(shí)，其他發(fā)射端處于關(guān)斷狀態(tài)，不會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生信號(hào)干擾。同時(shí)降低了發(fā)射端電路功耗，有利于節(jié)能環(huán)保。

（3）通過(guò)在接收端與PT2272 之間添加信號(hào)放大器，將接收端的微弱信號(hào)放大后再傳送到PT2272 解碼芯片解碼，明顯提高了通信距離，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無(wú)線控制，更加滿足日常生活的需要。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)出現(xiàn)的不足，改進(jìn)設(shè)計(jì)了家用無(wú)線音樂(lè)門鈴，對(duì)發(fā)射端電路進(jìn)行改進(jìn)并在接收端增加運(yùn)算放大器。這樣不僅具有無(wú)線門鈴基本功能，而且在用戶安裝多塊發(fā)射、接收模塊時(shí)，實(shí)現(xiàn)了多對(duì)一、一對(duì)多的精確信號(hào)傳輸，消除其他發(fā)射端電路的信號(hào)干擾，并解決了通信距離短的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離通信。同時(shí)，縮小了產(chǎn)品體積，降低功耗和制造成本。更好地滿足了家庭日常生活的需要，應(yīng)用范圍更廣泛，用戶體驗(yàn)更好，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。