基于STM單片機(jī)的遠(yuǎn)程控制智能語(yǔ)音門(mén)鈴系統(tǒng)設(shè)計(jì)【摘要】本文設(shè)計(jì)的是基于STM32的可遠(yuǎn)程推送的智能語(yǔ)音門(mén)鈴，旨在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能化、人性化、合理化的智能語(yǔ)音門(mén)鈴。本系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)為控制核心、加入人體熱釋紅外傳感器、光敏電阻傳感器、ISD4004語(yǔ)音模塊、GSM（SIM900A）短信模塊、LCD顯示器等其他外圍接口電路模塊，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)熱釋紅外感應(yīng)檢測(cè)來(lái)客狀態(tài)，來(lái)客超時(shí)逗留蜂鳴器報(bào)警，LCD顯示主人是否在家狀態(tài)，門(mén)鈴的開(kāi)啟與關(guān)閉，主人不在家時(shí)的來(lái)客語(yǔ)音留言，以及GSM短信報(bào)警通知等功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)的智能語(yǔ)音門(mén)鈴已達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，有主動(dòng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)報(bào)警防盜的特點(diǎn)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義?！娟P(guān)鍵字】STM32；語(yǔ)音留言；GSM短信報(bào)警目錄TOC\o"1-3"\h\u326391引言 3111231.1研究背景及其意義 3301941.2論文主要工作及內(nèi)容安排 3310612需求分析 373552.1可行性分析 4264402.1.1控制芯片的可行性選擇 4289512.1.2遠(yuǎn)程通信的可行性選擇 4164392.2功能需求 5210813系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 535523.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 5297523.2系統(tǒng)工作原理及功能要求 7272253.2.1系統(tǒng)工作原理 7288373.2.2系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)分析 7141194系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7238404.1STM32單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì) 7116884.2LCD1602液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì) 9102154.3高亮LED燈照明電路設(shè)計(jì) 971894.4蜂鳴器報(bào)警電路設(shè)計(jì) 10254644.5人體熱釋紅外感應(yīng)模塊電路設(shè)計(jì) 10316064.6光敏電阻傳感器模塊電路設(shè)計(jì) 1169684.7門(mén)鈴按鍵電路設(shè)計(jì) 11118254.8撥動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 12251494.9GSM（SIM900A）通信模塊電路的設(shè)計(jì) 12297284.10語(yǔ)音錄音模塊電路的設(shè)計(jì) 1355235系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 13185165.1初始化程序設(shè)計(jì) 14218735.2LCD1602液晶顯示程序設(shè)計(jì) 15158545.3門(mén)鈴按鍵和撥動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)程序設(shè)計(jì) 1754235.4紅外和光敏傳感采集觸發(fā)程序設(shè)計(jì) 17237285.5蜂鳴器報(bào)警程序設(shè)計(jì) 18245925.6GSM（SIM900A）短信通告程序設(shè)計(jì) 19172105.7語(yǔ)音錄音留言程序設(shè)計(jì) 2084606系統(tǒng)功能測(cè)試 21174247結(jié)束語(yǔ) 23引言研究背景及其意義隨著當(dāng)前社會(huì)科技的高速發(fā)展，智能化設(shè)備也逐漸進(jìn)入了我們的生活，智能家居的使用開(kāi)始普及，智能門(mén)鈴作為智能家居的一個(gè)重要組成成分，是不可或缺的?，F(xiàn)如今人們的安全意識(shí)也逐漸提升了，對(duì)安防設(shè)備需求也日益增長(zhǎng)，智能化的防盜門(mén)鈴起著重大作用。智能門(mén)禁安防系統(tǒng)在國(guó)外發(fā)展起步比較早，使用的普及度也比較高，最早在1984年美國(guó)就利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)門(mén)禁，報(bào)警，監(jiān)控等設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一連接管理，建成了第一座智能化門(mén)禁安防系統(tǒng)的大樓REF_Ref21786\w\h[1]。至此，許多西方的發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始研發(fā)自己的一套智能門(mén)禁安防系統(tǒng)。21世紀(jì)后，國(guó)外智能門(mén)禁安防系統(tǒng)的控制技術(shù)的發(fā)展達(dá)到了新的高度，國(guó)外現(xiàn)有的許多訪問(wèn)控制系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始提供TCP/IP網(wǎng)絡(luò)作為通過(guò)本地網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)連接方式。我國(guó)的智能門(mén)禁安防系統(tǒng)發(fā)展起步的比較晚，最初通過(guò)模仿著國(guó)外的系統(tǒng)架構(gòu)和結(jié)合本土特點(diǎn)發(fā)展而來(lái)，但經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的企業(yè)智能門(mén)禁安防系統(tǒng)的控制技術(shù)的研究已經(jīng)非常成熟REF_Ref14264\w\h[1]。門(mén)禁安防系統(tǒng)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的機(jī)械鎖到鍵盤(pán)密碼門(mén)禁系統(tǒng)和IC卡刷卡系統(tǒng)，再到帶有藍(lán)牙、WIFI、NFC等多種智能設(shè)備，甚至可能具有人臉識(shí)別，指紋識(shí)別等特征REF_Ref21727\w\h[2],門(mén)禁功能也從單一化到多元化。目前，國(guó)內(nèi)的門(mén)禁系統(tǒng)主要有鍵盤(pán)密碼輸入式、射頻卡讀卡式、電子設(shè)備N(xiāo)FC讀卡式、指紋識(shí)別式、人臉識(shí)別式等控制手段，結(jié)合感應(yīng)、RFID、NFC、生物識(shí)別等技術(shù)，門(mén)禁系統(tǒng)的安全指數(shù)有很大的提高，同時(shí)報(bào)警安防技術(shù)也在不斷地提升，門(mén)禁報(bào)警系統(tǒng)也是門(mén)禁安全防范系統(tǒng)的重要組成成分。用智能門(mén)禁替代之前的傳統(tǒng)門(mén)禁，在很大程度上讓我們的生活變得更加便利，比如：出門(mén)不再需要時(shí)時(shí)帶著鑰匙或門(mén)卡，很大程度地減少入室盜竊的可能性。一些智能門(mén)鈴還增加了可視化系統(tǒng)和語(yǔ)音通信系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了防盜安全性。智能門(mén)禁系統(tǒng)不僅是我們的家庭安防系統(tǒng)設(shè)置的第一道防線，也是家庭內(nèi)部與外部環(huán)境信息交互的一種方式。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可遠(yuǎn)程通信的智能語(yǔ)音門(mén)鈴，在普通的智能門(mén)鈴上增加了語(yǔ)音留言模塊和GSM通信模塊，便于主人能夠及時(shí)得知客人來(lái)訪的原因和留下的重要信息，同時(shí)GSM進(jìn)行遠(yuǎn)程通告能在第一時(shí)間告知主人，來(lái)客的情況和報(bào)警情況。智能語(yǔ)音門(mén)鈴在一定程度上解決了門(mén)禁設(shè)備所帶來(lái)的隱患，增強(qiáng)了安全可靠性。論文主要工作及內(nèi)容安排本文主要介紹在“可遠(yuǎn)程推送的智能語(yǔ)音門(mén)鈴”的課題中所做的工作，詳細(xì)論述基于STM32的智能語(yǔ)音門(mén)鈴的原理及方案設(shè)計(jì)、硬件模塊的工作原理、外圍接口電路的設(shè)計(jì)、硬件模塊功能驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。內(nèi)容安排如下：第一章引言：簡(jiǎn)要闡述智能語(yǔ)音門(mén)鈴的研究背景，發(fā)展現(xiàn)狀及其具有的現(xiàn)實(shí)意義。第二章需求分析：主要分析智能語(yǔ)音門(mén)鈴的控制芯片和遠(yuǎn)程通信的選擇可行性和功能需求。第三章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)：主要闡述智能語(yǔ)音門(mén)鈴的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的工作原理及功能實(shí)現(xiàn)分析。第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：簡(jiǎn)要描述各個(gè)硬件模塊，說(shuō)明各硬件模塊電路原理設(shè)計(jì)和功能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：介紹系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)和代碼程序的流程。第六章系統(tǒng)功能測(cè)試：簡(jiǎn)要描述系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，逐一說(shuō)明各功能模塊的測(cè)試條件和結(jié)果，以及測(cè)試中遇到的問(wèn)題和解決方案。第七章結(jié)束語(yǔ)：總結(jié)可遠(yuǎn)程推送的智能語(yǔ)音門(mén)鈴課題所完成的工作，得到的啟發(fā)及展望。需求分析智能語(yǔ)音門(mén)鈴的推廣為我們的生活帶來(lái)了很大遍利，本設(shè)計(jì)從實(shí)用性強(qiáng)，操作方便，更為人性化的角度出發(fā)，旨在設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)防盜、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的智能語(yǔ)音門(mén)鈴。可行性分析控制芯片的可行性選擇在智能語(yǔ)音門(mén)鈴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要有以51單片機(jī)、STM32單片機(jī)等為控制核心，通過(guò)比較核心控制芯片的特性，總結(jié)他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。（1）51單片機(jī)基本組成：①8位\t"/item/51%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA/_blank"CPU②程序存儲(chǔ)器（\t"/item/51%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA/_blank"ROM）\t"/item/51%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA/_blank"尋址空間64KiB③數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（\t"/item/51%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA/_blank"RAM）尋址空間64KiB④4組8位共32個(gè)輸入輸出口⑤5至6個(gè)\t"/item/51%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA/_blank"中斷源，分2個(gè)優(yōu)先級(jí)⑥\t"/item/51%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA/_blank"全雙工\t"/item/51%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA/_blank"串行口特性：有比較齊全的按位操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行邏輯功能運(yùn)算，功能比較完備，且有一個(gè)雙重功能的地址區(qū)間可靈活使用，指令也便于編程。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛，小巧易攜帶缺點(diǎn)：功能有限，I/O高電平無(wú)輸出能力，保護(hù)能力差STM32單片機(jī)基本組成：①32位CPU②片上集成32-512KB的\t"/item/stm32/_blank"FLASH存儲(chǔ)器，6-64KB的\t"/item/stm32/_blank"SRAM存儲(chǔ)器③串行調(diào)試（SWD）和\t"/item/stm32/_blank"JTAG接口④12通道DMA控制器⑤3個(gè)12位的us級(jí)的\t"/item/stm32/_blank"A/D轉(zhuǎn)換器（16通道）特性：內(nèi)部集成JTAG/SW調(diào)試功能，32k到512k的FLASH以及I2C，USB，CAN，數(shù)模轉(zhuǎn)化的功能，并有休眠、停止、待機(jī)三種低功耗模式，最多高達(dá)112個(gè)的快速\t"/item/stm32/_blank"I/O端口，最多多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，最多多達(dá)13個(gè)通信接口REF_Ref1877\w\h[3]。優(yōu)點(diǎn)：高性能，低成本，低功耗，最大程度的集成整合缺點(diǎn)：多路信號(hào)處理需多片DSP并行處理綜合對(duì)比51單片機(jī)和STM32單片機(jī)的特性，優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇以STM32單片機(jī)為控制核心，能有更多的存儲(chǔ)空間和管腳得以利用，且STM32具有高度兼容性，靈活性極高，能夠很好地驅(qū)動(dòng)其他硬件模塊的使用。遠(yuǎn)程通信的可行性選擇遠(yuǎn)程無(wú)線通信中一般采用藍(lán)牙，WIFI，GSM等無(wú)線協(xié)議，對(duì)比這三種方案的技術(shù)特征選用所需的遠(yuǎn)程通信模塊。藍(lán)牙工作頻率為2.4GHZ，通信范圍大約15米，數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps，采用的是雙工傳輸方式，需要安卓APP通過(guò)藍(lán)牙串口控制DSP對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行A/D(D/A)變換，進(jìn)行模數(shù)（數(shù)模）轉(zhuǎn)換信號(hào)，與手機(jī)完成通信。優(yōu)點(diǎn)：普及性高，應(yīng)用廣，成本低廉，低功耗，抗干擾能力強(qiáng)缺點(diǎn)：速度慢，距離信號(hào)受限，WIFI工作頻率為2.4GHZ，通信范圍大約為100米，數(shù)據(jù)傳輸速率為54Mbps，由基于AP創(chuàng)建的基礎(chǔ)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)連接完成信息傳輸。優(yōu)點(diǎn)：速度快，可多人連線使用，傳輸范圍較廣，可穿墻百米傳輸缺點(diǎn)：成本高，需要單獨(dú)顯卡GSMGSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積廣，可跨市、跨省，跨國(guó)傳送，GSM有8路輸入通道，每一路通道都可以自動(dòng)撥打電話和發(fā)送短信進(jìn)行報(bào)警，GSM模塊能夠直接通過(guò)AT指令和插入sim卡實(shí)現(xiàn)與手機(jī)之間的通信。優(yōu)點(diǎn)：功耗低，高速度，較藍(lán)牙、WIFI傳輸范圍最廣缺點(diǎn)：延時(shí)較長(zhǎng)基于本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸，是要向主人匯報(bào)報(bào)警信息情況，綜合以上的比較，選擇GSM模塊發(fā)送短信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，不僅在技術(shù)上能夠減少對(duì)APP的開(kāi)發(fā)，而且通信的距離較遠(yuǎn)，能夠更好地起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果。功能需求可遠(yuǎn)程推送的智能語(yǔ)音門(mén)鈴的主要功能需求有核心控制系統(tǒng)、傳感器感應(yīng)系統(tǒng)、按鍵撥動(dòng)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)、語(yǔ)音留言系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)。（1）核心控制系統(tǒng)：這部分包括對(duì)傳感器感應(yīng)系統(tǒng)、按鍵撥動(dòng)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)、語(yǔ)音留言系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)等其他外圍電路的控制。（2）按鍵撥動(dòng)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)：這部分主要是根據(jù)主人是否在家而改變門(mén)鈴的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)以及改變LCD液晶顯示屏的顯示文字。（3）傳感器感應(yīng)系統(tǒng)：這部分包括這部分包括熱釋紅外傳感器感應(yīng)是否有人狀態(tài)以及光敏電阻傳感器感應(yīng)光線強(qiáng)度狀態(tài)。（4）語(yǔ)音留言系統(tǒng)：這部分主要是來(lái)客選擇是否需要留言和主人聽(tīng)取錄音留言。（5）防盜系統(tǒng)：這部分包括來(lái)客超時(shí)逗留蜂鳴器報(bào)警和GSM短信通知報(bào)警。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)可遠(yuǎn)程推送的智能語(yǔ)音門(mén)鈴主要是由STM32單片機(jī)核心電路、LCD液晶顯示模塊電路、門(mén)鈴按鍵電路、人體熱釋紅外感應(yīng)模塊電路、光敏電阻傳感器模塊電路、高亮LED燈照明電路、撥動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路、蜂鳴器報(bào)警電路、GSM（SIM900A）通信模塊電路、ISD4004語(yǔ)音錄音模塊電路等組成，總體方案設(shè)計(jì)框圖如下圖3-1所示。STM32單片機(jī)核心電路STM32單片機(jī)核心電路是整個(gè)硬件部分最為核心重要的部分，通過(guò)串口連接與其他硬件模塊電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。STM32單片機(jī)具有復(fù)位電路、低電壓檢測(cè)、調(diào)壓器、精準(zhǔn)的RC振蕩器等強(qiáng)大集成功能REF_Ref14555\w\h[4]，能夠很好地結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息交換傳輸，以便于實(shí)現(xiàn)基于GSM短信模塊的遠(yuǎn)程推送的智能語(yǔ)音門(mén)鈴的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。LCD液晶顯示模塊電路LCD液晶顯示模塊電路主要是通過(guò)主人撥動(dòng)二擋開(kāi)關(guān)模擬門(mén)鎖的開(kāi)啟與關(guān)閉，然后LCD顯示屏能夠直觀地反應(yīng)主人是否在家狀態(tài)。人體熱釋紅外感應(yīng)模塊電路熱釋紅外感應(yīng)模塊電路通過(guò)檢測(cè)人體來(lái)反映是否來(lái)人狀態(tài)，然后傳輸信號(hào)數(shù)據(jù)給LCD顯示屏改變狀態(tài)，并且感應(yīng)超時(shí)逗留的報(bào)警信號(hào)給蜂鳴器報(bào)警和GSM遠(yuǎn)程傳輸報(bào)警信息。光敏電阻傳感器模塊電路光敏電阻傳感器模塊電路是與高亮LED燈照明電路組合使用的，通過(guò)光敏電阻傳感器檢測(cè)外部環(huán)境的光照強(qiáng)度來(lái)控制輸出高低電平，以此控制LED燈的亮滅。門(mén)鈴按鍵電路門(mén)鈴按鍵電路即是來(lái)客通過(guò)按下按鍵，蜂鳴器鳴叫來(lái)起到門(mén)鈴效果。撥動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路撥動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路是通過(guò)上下?lián)軇?dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)改變門(mén)禁的開(kāi)啟與關(guān)閉狀態(tài)，并且傳輸信號(hào)到LCD顯示屏直接顯示。高亮LED燈照明電路高亮LED燈比普通的白熾燈消耗能量較少，亮度大，在黑暗時(shí)很夠起到很好的補(bǔ)光效果。蜂鳴器報(bào)警電路蜂鳴器鳴叫分為門(mén)鈴按下，蜂鳴器短暫鳴叫和長(zhǎng)時(shí)間逗留引發(fā)蜂鳴器報(bào)警，蜂鳴器需要通過(guò)三級(jí)管放大電流才能鳴叫，蜂鳴器報(bào)警需要有一定的延時(shí)時(shí)間以警示。GSM（SIM900A）通信模塊電路GSM（SIM900A）通信主要是在報(bào)警情況下，主人能夠第一時(shí)間接收到報(bào)警信號(hào)，快速地得知家中門(mén)口的情況并采取措施解決。GSM傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)，方便主人在何時(shí)何地都能接收?qǐng)?bào)警信號(hào)。ISD4004語(yǔ)音錄音模塊電路在主人家不在家的情況下，來(lái)客到訪時(shí)沒(méi)有攜帶手機(jī)不便聯(lián)系主人家，可以進(jìn)行語(yǔ)音錄音留下重要信息，以便于主人能夠回到家第一時(shí)間聽(tīng)取留言了解情況。圖3-1總體方案設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)工作原理及功能要求系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)基于STM32單片機(jī)為主控芯片，由LCD顯示屏、按鍵、撥動(dòng)開(kāi)關(guān)、蜂鳴器、發(fā)光二極管、紅外傳感模塊、光敏電阻傳感器、語(yǔ)音模塊、GSM短信模塊等外圍接口電路設(shè)計(jì)而成。本系統(tǒng)的工作原理為：利用人體熱釋紅外傳感器檢測(cè)人體，開(kāi)啟智能語(yǔ)音門(mén)鈴的驅(qū)動(dòng)控制電路，當(dāng)檢測(cè)到有人時(shí)，人體熱釋紅外傳感器就會(huì)傳遞信號(hào)給STM32單片機(jī)核心控制電路，STM32單片機(jī)控制電路會(huì)驅(qū)動(dòng)智能語(yǔ)音門(mén)鈴系統(tǒng)作出反應(yīng)，當(dāng)主人在家，按下門(mén)鈴按鍵就會(huì)有響應(yīng)來(lái)提示主人，當(dāng)主人不在家，門(mén)鈴不響應(yīng)，且逗留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)使智能語(yǔ)音門(mén)鈴進(jìn)入防盜報(bào)警程序。系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)分析門(mén)禁開(kāi)關(guān)的模擬和住戶在家狀態(tài)切換主人通過(guò)撥動(dòng)二擋開(kāi)關(guān)物理模擬門(mén)禁的開(kāi)啟與關(guān)閉，并且實(shí)現(xiàn)住戶在家狀態(tài)的切換，若門(mén)禁關(guān)閉，則LCD液晶顯示屏顯示文本信息為“Nobady”，表明住戶不在家，若門(mén)禁開(kāi)啟，則LCD液晶顯示屏顯示為“Somebady”，表明住戶在家。來(lái)客狀態(tài)的檢測(cè)初始化為無(wú)人，LCD液晶顯示器顯示為“Writingforyou”字樣，當(dāng)紅外傳感器感應(yīng)有人時(shí)，紅外指示燈會(huì)亮起，并且紅外傳感器會(huì)傳輸信號(hào)給LCD顯示器，轉(zhuǎn)換字樣為“Welcometoyou”，天黑時(shí)，紅外傳感器和光敏電阻同時(shí)作用，有人靠近時(shí)，紅外指示燈亮起，高亮LED燈閃爍并保持常亮，能起到一定的補(bǔ)光效果。門(mén)鈴響應(yīng)和逗留超時(shí)報(bào)警當(dāng)住戶在家時(shí)，客人按下按鍵，蜂鳴器響應(yīng)門(mén)鈴，提示主人開(kāi)門(mén)，若住戶不在家，按下按鍵，蜂鳴器則不叫?？腿硕毫魞煞昼娮笥遥澍Q器就會(huì)長(zhǎng)鳴起到報(bào)警作用。（4）GSM短信遠(yuǎn)程通告當(dāng)有來(lái)客時(shí)，紅外傳感器檢測(cè)到人體，GSM會(huì)發(fā)送“Somebadyiscoming”短信息給主人，當(dāng)客人逗留超時(shí)，不僅蜂鳴器長(zhǎng)鳴能夠起到警示來(lái)人的作用，而且GSM會(huì)發(fā)送“Warning”短信息提示主人有報(bào)警信號(hào)，主人能在第一時(shí)間提高警惕。（5）語(yǔ)音留言當(dāng)主人不在家時(shí)，來(lái)客沒(méi)有攜帶手機(jī)且想要告知主人家某些信息的情況下，可通過(guò)按下錄音鍵進(jìn)行留言，同時(shí)主人家回到家時(shí)可通過(guò)按下播放鍵聽(tīng)取留言信息。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要為各個(gè)硬件模塊的簡(jiǎn)要描述介紹，以及各個(gè)模塊電路的原理設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。24843STM32單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)STM32單片機(jī)采用的是STM32F103C8T6芯片，該芯片為ARMCortex-M3內(nèi)核芯片，其可大大簡(jiǎn)化外設(shè)電路設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)成品和設(shè)計(jì)成品，具有ADC、串口通信、PWM輸出和按鍵檢測(cè)功能REF_Ref14555\w\h[5]。STM32單片機(jī)核心電路主要是由STM32F103C8T6主控芯片，正向低壓降穩(wěn)壓器、JTAG調(diào)試接口、電源按鍵開(kāi)關(guān)、電源直流供電，電容元件等器件組成的STM32核心電路板，因使用的STM32F103C8T6為貼片嵌在STM32核心電路板上，不能直接與PC端的串口實(shí)現(xiàn)程序燒寫(xiě)，所以要利用USB轉(zhuǎn)TTL下載器完成，核心電路板上的PA9（TXD1）、RA10（RXD1）、GND管腳分別與USB轉(zhuǎn)TTL下載器的RXD、TXD、GND管腳相連，外部電源供電進(jìn)行燒錄程序，同時(shí)板上的直流供電模塊也為整個(gè)硬件系統(tǒng)供電。STM32單片機(jī)核心電路的接口原理圖如圖4-1，實(shí)物圖如圖4-2。圖4-1STM32單片機(jī)核心電路的接口原理圖圖4-2STM32單片機(jī)核心電路的實(shí)物圖16904LCD1602液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)LCD1602液晶顯示器是使用比較廣泛的一種字符型液晶顯示模塊，其內(nèi)部由字符型液晶顯示屏，控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路HD44100，還有少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等組成REF_Ref11225\w\h[6]。LCD顯示器模塊的V0、VSS管腳與電位器相連，可以用電位器調(diào)節(jié)LCD的清晰度，LCD顯示器模塊的電源正極VDD、數(shù)據(jù)/命令選擇RS、讀寫(xiě)選擇RW、使能端E、8位雙向數(shù)據(jù)線D0~D7管腳分別與STM32單片機(jī)核心板的5V電源、PB5、PB6、PB7、PB8~PB15管腳相連。LCD1602液晶顯示電路原理圖如圖4-3，LCD1602液晶顯示器實(shí)物圖如圖4-4所示。圖4-3LCD1602液晶顯示電路原理圖圖4-4LCD1602液晶顯示器實(shí)物圖14065高亮LED燈照明電路設(shè)計(jì)高亮LED燈照明電路由4個(gè)并排的LED燈、三極管8050組合而成，LED燈是高電平有效的，STM32單片機(jī)PA5引腳連接三極管8050，控制PA5引腳的電平驅(qū)動(dòng)光敏三極管，光敏三極管8050驅(qū)動(dòng)LED燈的亮滅，當(dāng)在白天或光線較強(qiáng)時(shí)，三極管截止，LED燈不亮，在天黑或光線較弱時(shí)，三極管導(dǎo)通，LED燈亮。高亮LED燈照明電路原理圖如圖4-5所示。圖4-5高亮LED燈照明電路原理圖17610蜂鳴器報(bào)警電路設(shè)計(jì)蜂鳴器報(bào)警電路采用的是5V有源蜂鳴器，在高電平時(shí)有效，用三極管8050驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的鳴叫。STM32單片機(jī)的PA4引腳連接三極管8050，,控制PA5引腳的電平驅(qū)動(dòng)三極管，控制器控制的引腳為高電平，則三極管導(dǎo)通，蜂鳴器鳴叫，否則三極管截止，蜂鳴器不叫。蜂鳴器報(bào)警電路原理圖如圖4-6所示。圖4-6蜂鳴器報(bào)警電路原理圖30968人體熱釋紅外感應(yīng)模塊電路設(shè)計(jì)人體熱釋紅外感應(yīng)模塊電路由三極管9012驅(qū)動(dòng)熱釋紅外模塊并控制感應(yīng)燈，紅外感應(yīng)模塊的OUT信號(hào)輸出端連接STM32單片機(jī)的PA2引腳，人體熱釋紅外傳感器在一定范圍內(nèi)檢測(cè)到人體所發(fā)出的紅外線為高電平，三極管導(dǎo)通，感應(yīng)燈亮起，否則三極管截止，感應(yīng)燈不亮。熱釋紅外感應(yīng)模塊電路原理圖如圖4-7所示，人體熱釋紅外感應(yīng)模塊實(shí)物圖如圖4-8所示。圖4-7熱釋紅外感應(yīng)模塊電路原理圖圖4-8人體熱釋紅外感應(yīng)模塊實(shí)物圖6383光敏電阻傳感器模塊電路設(shè)計(jì)光敏電阻傳感器將采集的光信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)光敏電阻的阻值轉(zhuǎn)換為電流變化，由運(yùn)算放大器LM393構(gòu)成電壓比較器電路，輸出對(duì)應(yīng)的高低電平信號(hào)REF_Ref14865\w\h[7]。光敏電阻傳感器模塊的數(shù)字量輸出端DO直接與STM單片機(jī)的PA0引腳相連，通過(guò)傳感器檢測(cè)外界的光線強(qiáng)度來(lái)控制高低電平。光照較強(qiáng)時(shí)，輸出低電平，感應(yīng)指示燈不亮，較弱時(shí)，輸出高電平，感應(yīng)指示燈亮起。光敏電阻傳感器模塊電路原理圖如圖4-9，實(shí)物圖如圖4-10所示。圖4-9光敏電阻傳感器模塊電路原理圖圖4-10光敏電阻傳感器實(shí)物圖17011門(mén)鈴按鍵電路設(shè)計(jì)門(mén)鈴按鍵每按下一次，信號(hào)就發(fā)生一次跳變。按鍵松開(kāi)狀態(tài)設(shè)置為高電平，按下即轉(zhuǎn)換為低電平。門(mén)鈴按鍵電路原理圖如圖4-11所示。圖4-11門(mén)鈴按鍵電路原理圖11489撥動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)上下?lián)軇?dòng)開(kāi)關(guān)能夠改變電路的不同接通狀態(tài)。撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的三個(gè)端口，中間為公共端，撥到上邊，即上邊接通，STM32單片機(jī)控制的引腳為高電平；撥到下邊，即下邊接通，單片機(jī)控制的引腳為低電平。撥動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路原理圖如圖4-12所示。圖4-12撥動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路原理圖11489GSM（SIM900A）通信模塊電路的設(shè)計(jì)GSM（SIM900A）通信模塊有一個(gè)天線座插口、SIM卡座，通過(guò)串口通信與上位機(jī)連接，使用SIMCOM公司提供的AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)打電話和發(fā)短信的功能REF_Ref14937\w\h[8]。STM32單片機(jī)核心板上的PA2（TXD2）、PA3（RXD2）與GSM模塊的5VR、5VT連接，共地，GSM模塊的VCC_MCU接入(輸入)5V，VCC接入(輸入)5V，同時(shí)需要插入一張SIM卡可實(shí)現(xiàn)短信通信。GSM（SIM900A）通信模塊電路原理圖如圖4-14，實(shí)物圖如圖4-15所示。圖4-14GSM（SIM900A）通信模塊電路原理圖圖4-15GSM（SIM900A）通信模塊實(shí)物圖11489語(yǔ)音錄音模塊電路的設(shè)計(jì)語(yǔ)音錄音模塊主要包括語(yǔ)音芯片ISD4004、音頻功率放大器LM386REF_Ref14999\w\h[9]，耳機(jī)插口和揚(yáng)聲器插口和喇叭，能夠完成語(yǔ)音信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和還原，實(shí)現(xiàn)錄放音功能。ISD4004語(yǔ)音模塊通過(guò)SPI接口與控制器通信，ISD4004的AUDOUT管腳是音頻輸出管腳，音頻輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合電容C1送入LM386音頻功率放大器，將放大的信號(hào)送入揚(yáng)聲器中，其中芯片上的SS引腳、MOSI引腳、MISO引腳、SCLK引腳分別是片選引腳、SPI總線輸入端、SPI總線輸出端和串行時(shí)鐘腳，為了能夠正確發(fā)送指令，SS引腳需處于低電平，但兩條指令之間SS引腳需處于高電平，STM32處理器通過(guò)MOSI引腳向芯片發(fā)送指令，通過(guò)MISO引腳向ISD4004發(fā)送指令，SCLK為SPI的數(shù)據(jù)傳輸提供時(shí)鐘信號(hào)，在時(shí)鐘上升沿傳輸給ISD4004，在下降沿傳輸給STM32處理器REF_Ref15162\w\h[10]。按下REC鍵錄音，語(yǔ)音信號(hào)就會(huì)通過(guò)LM386功放放大音頻，然后按下PLAY鍵，我們可以從喇叭中得到清晰的錄音信息，模塊上還有耳機(jī)插口和麥克風(fēng)接口，可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)錄放音。ISD4004語(yǔ)音錄音模塊電路原理圖如4-16，實(shí)物圖4-17如圖所示。圖4-16ISD4004語(yǔ)音錄音模塊電路原理圖圖4-17ISD4004語(yǔ)音錄音模塊實(shí)物圖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)選用KeiluVision5開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)程序，主要實(shí)現(xiàn)門(mén)禁開(kāi)關(guān)模擬、住戶在家狀態(tài)切換、來(lái)客狀態(tài)檢測(cè)、門(mén)鈴響應(yīng)和逗留超時(shí)報(bào)警、語(yǔ)音錄音留言、GSM短信遠(yuǎn)程通告等系列功能，因此，軟件部分應(yīng)該包括初始化程序、LCD1602液晶顯示程序、門(mén)鈴按鍵和撥動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)程序、紅外和光敏傳感采集觸發(fā)程序、蜂鳴器報(bào)警程序、GSM（SIM900A）短信通告程序、語(yǔ)音錄音留言程序。該系統(tǒng)的程序流程圖如下圖5-1所示。圖5-1系統(tǒng)程序流程圖16904初始化程序設(shè)計(jì) 該部分主要是STM32核心單片機(jī)外設(shè)時(shí)鐘的使能、I/O初始化、外部中斷初始化、串口配置。14065LCD1602液晶顯示程序設(shè)計(jì)LCD1602液晶顯示模塊內(nèi)部的控制器有11條控制指令REF_Ref15250\w\h[11]，如圖5-2所示，其中指令10和指令11分別是寫(xiě)入數(shù)據(jù)內(nèi)容和讀出數(shù)據(jù)內(nèi)容。LCD的寫(xiě)、讀操作時(shí)序圖如圖5-3所示REF_Ref15250\w\h[11]。LCD1602液晶顯示器要顯示字符，首先要檢測(cè)LCD是否處于忙碌狀態(tài)，在不忙狀態(tài)下，才能寫(xiě)入指令讀出數(shù)據(jù)，LCD內(nèi)部顯示地址如圖5-4所示，向LCD1602寫(xiě)入字符串，要設(shè)定字符的初始位置，用（x，y）設(shè)定，x表示列，y表示行，在LCD1602顯示器第一行第一個(gè)開(kāi)始顯示字符，寫(xiě)入的數(shù)據(jù)應(yīng)為0x80，在第二行第一個(gè)開(kāi)始顯示字符，寫(xiě)入的數(shù)據(jù)應(yīng)為0xc0。LCD液晶顯示子程序流程圖如圖5-5所示。圖5-2LCD液晶顯示模塊內(nèi)部控制指令圖5-3LCD的寫(xiě)、讀操作時(shí)序圖圖5-4LCD內(nèi)部顯示地址圖5-5LCD液晶顯示子程序流程圖 門(mén)鈴按鍵和撥動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)門(mén)鈴按鍵和撥動(dòng)開(kāi)關(guān)都是通過(guò)改變電路的接通或斷開(kāi)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。按鍵按下表示接通，開(kāi)啟蜂鳴器鳴叫，按鍵松開(kāi)表示斷開(kāi)，不接通電路，所以通過(guò)控制引腳的高低電平就可實(shí)現(xiàn)門(mén)鈴的開(kāi)啟與關(guān)閉，按鍵初始化為高電平，按下設(shè)置電平為低電平；撥動(dòng)開(kāi)關(guān)是上下?lián)軇?dòng)的，先初始化為高電平，表示上邊接通，門(mén)鎖關(guān)閉，撥下下邊接通，為低電平，門(mén)鎖開(kāi)啟。30968紅外和光敏傳感采集觸發(fā)程序設(shè)計(jì) 人體熱釋紅外傳感器有可重復(fù)觸發(fā)的特點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)到有人時(shí)，傳感器輸出高電平，若一直處于傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)，就會(huì)維持高電平，若離開(kāi)不在檢測(cè)范圍內(nèi)，將延時(shí)幾秒鐘才能將高電平轉(zhuǎn)換為低電平。初始化IO口，用GPIO庫(kù)函數(shù)讀取傳感器的OUT引腳輸出的電平就能判斷傳感器是否有檢測(cè)到人體，并設(shè)置標(biāo)志位來(lái)判斷。紅外采集子程序流程圖如圖5-6所示。光敏電阻傳感器也是讀取DO引腳輸出的電平判斷光線強(qiáng)度，由傳感器檢測(cè)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出A0，模擬量信號(hào)接入LM393比較器后，即可與LM393比較器芯片2號(hào)引腳所接的電位器分壓后的模擬電壓進(jìn)行比較，進(jìn)而得出DO數(shù)字信號(hào)，輸出高低電平REF_Ref31165\w\h[12]，并將得到的信息傳輸給高亮LED燈，控制LED燈輸出的電平，設(shè)置標(biāo)志位來(lái)判斷。光敏采集子程序流程圖如圖5-7所示。圖5-6紅外采集子程序流程圖圖5-6光敏采集子程序流程圖17011蜂鳴器報(bào)警程序設(shè)計(jì)通過(guò)控制STM32單片機(jī)引腳PA4來(lái)控制蜂鳴器的鳴叫，蜂鳴器的使用頻率為100HZ。配置IO口，使用IO定時(shí)翻轉(zhuǎn)電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴叫，進(jìn)入定時(shí)器中斷則設(shè)置為高電平，蜂鳴器鳴叫，設(shè)置為低電平，不鳴叫。首先要設(shè)定超時(shí)報(bào)警的時(shí)間，超過(guò)這個(gè)時(shí)長(zhǎng)，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)打開(kāi)蜂鳴器和報(bào)警標(biāo)志信號(hào)，蜂鳴器長(zhǎng)鳴，再延時(shí)一定時(shí)間，標(biāo)志位取反，關(guān)閉蜂鳴器。蜂鳴器報(bào)警子程序流程圖如圖5-7所示。圖5-7蜂鳴器報(bào)警子程序流程圖11489GSM（SIM900A）短信通告程序設(shè)計(jì) 該部分主要使用AT指令和延時(shí)函數(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)送短信功能。AT 指令是手機(jī)、GSM/GPRS模塊通訊中最常用的控制指令，通過(guò)它可以控制很多的通信行為，如撥叫號(hào)碼、按鍵控制等REF_Ref15364\w\h[13]。本設(shè)計(jì)初始化GSM模塊，選定波特率為9600bit/s，先發(fā)送“AT+CSCS”指令建立連接，再發(fā)送“AT+CMGF”指令為1，表示設(shè)置短信消息格式為文本模式，然后發(fā)送“AT+CMGS”指令，添加短信接受號(hào)碼發(fā)送短信息，最后將所要發(fā)送的短信內(nèi)容用字符串寫(xiě)入。短信收發(fā)的主要AT指令參數(shù)如表5-1所示REF_Ref15453\w\h[14]，短信發(fā)送子程序流程圖如圖5-8所示。表5-1短信收發(fā)的主要AT指令參數(shù)圖5-8短信發(fā)送子程序流程圖11489語(yǔ)音錄音留言程序設(shè)計(jì) ISD4004采用SPI同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。ISD4004芯片有如下操作規(guī)則：串行外設(shè)接口，SPI協(xié)議設(shè)定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK下降沿動(dòng)作，在時(shí)鐘上升沿鎖存MOSI引腳數(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳REF_Ref15580\w\h[15]。上電順序，器件延時(shí)TPUD（8kHz采樣時(shí)，約為25ms）后才能開(kāi)始操作，所以用戶發(fā)完上電指令后，必須等待TPUD，才能發(fā)出下一條操作指令REF_Ref15580\w\h[15]。例如，從00處開(kāi)始放音，應(yīng)遵循如下時(shí)序：①發(fā)POWERUP命令；②等待TPUD（上電延時(shí)）；③發(fā)地址值為00的SETPLAY命令；④發(fā)PLAY命令。芯片從00地址開(kāi)始放音，放音結(jié)束后，進(jìn)入中斷，停止放音。如果從00處開(kāi)始錄音，則按以下時(shí)序：①發(fā)POWERUP指令；②等待TPUD（上電延時(shí)）；③發(fā)POWERUP命令；④等待2倍TPUD；⑤發(fā)地址值為00的SETREC命令；⑥發(fā)REC命令。芯片從00地址開(kāi)始錄音，當(dāng)出現(xiàn)信息溢出時(shí)，進(jìn)入中斷，錄音停止。ISD4004的錄放音子程序流程圖如圖5-9所示。圖5-9ISD4004的錄放音子程序流程圖系統(tǒng)功能測(cè)試基于STM32的可遠(yuǎn)程推送的智能語(yǔ)音門(mén)鈴，主要是由USB轉(zhuǎn)TTL下載器連接上位機(jī)和STM32單片機(jī)核心電路，將KeiluVision5環(huán)境下編寫(xiě)的程序燒寫(xiě)到STM32單片機(jī)核心板上，逐一對(duì)硬件模塊功能進(jìn)行測(cè)試，因人體熱釋紅外傳感器要檢測(cè)到是否有人狀態(tài)的變化和光敏電阻傳感器檢測(cè)光線亮度，所以要分為有人，無(wú)人，光線較亮和光線較暗的環(huán)境下組合測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中要保證模塊與模塊之間的數(shù)據(jù)、信息傳輸?shù)耐暾?，能夠成功?shí)現(xiàn)智能語(yǔ)音門(mén)鈴的正常運(yùn)作，圖6-1為硬件實(shí)物圖。表6-1為各個(gè)模塊功能的測(cè)試用例。圖6-1硬件實(shí)物圖表6-1各個(gè)模塊功能的測(cè)試用例測(cè)試模塊功能測(cè)試條件（環(huán)境）測(cè)試結(jié)果門(mén)鈴功能按鍵按下蜂鳴器響一聲不按按鍵蜂鳴器不響LCD液晶顯示屏向上撥動(dòng)開(kāi)關(guān)（門(mén)禁關(guān)閉）LCD液晶顯示屏第二行顯示字符串“Nobady”向下?lián)軇?dòng)開(kāi)關(guān)（門(mén)禁開(kāi)啟）LCD液晶顯示屏第二行顯示字符串“Somebady”人體熱釋紅外傳感器檢測(cè)到人體（有人靠近）感應(yīng)燈亮起，LCD液晶顯示屏第一行顯示字符串“Welcometohome”未檢測(cè)到人體（無(wú)人靠近）感應(yīng)燈不亮，LCD液晶顯示屏第一行顯示字符串“Writingforyou”光敏電阻傳感器光線較暗檢測(cè)到人體高亮LED燈閃爍照明未檢測(cè)到人體高亮LED燈不亮光線較亮檢測(cè)到人體高亮LED燈不亮未檢測(cè)到人體高亮LED燈不亮蜂鳴器報(bào)警逗留時(shí)間超過(guò)報(bào)警設(shè)定時(shí)長(zhǎng)蜂鳴器長(zhǎng)鳴抱警逗留時(shí)間未超過(guò)報(bào)警設(shè)定時(shí)長(zhǎng)蜂鳴器不叫GSM發(fā)送報(bào)警信號(hào)插入SIM卡，連接手機(jī)端報(bào)警信號(hào)發(fā)出，發(fā)送短信測(cè)試模塊功能測(cè)試條件（環(huán)境）測(cè)試結(jié)果語(yǔ)音錄音留言按下REC鍵進(jìn)行錄音按下PLAY鍵進(jìn)行放音測(cè)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題：①LED液晶顯示器的第二行無(wú)法正常地顯示出完整的字符串。解決方法：設(shè)置第二行第一個(gè)字符顯示的位置為0xc0。測(cè)試結(jié)果：能正常顯示字符串。②當(dāng)發(fā)起報(bào)警信號(hào)時(shí)，GSM會(huì)一直不間斷地發(fā)送短信，不斷電無(wú)法停止。解決方法：設(shè)置一個(gè)短信發(fā)送的標(biāo)志位，當(dāng)報(bào)警時(shí)滿足條件，發(fā)送短信內(nèi)容，發(fā)送完后取反，使其不滿足