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指导教师签名：

年　　月　　日

用单片机控制的多功能门铃

作者Tommy

指导教师

摘要：

本系统设计采用了宏晶科技公司型号为STC89C58RD的单片机作为多功能门铃系统的核心器件，由声光控制模块、显示模块、报警模块、语音留言模块、红外探测模块、温度测量模块、时钟模块等组成，根据声光控制模块和红外探测模块判断门外是否有人或不按门铃停留多久等信息，实现了控制楼道灯的亮灭，报警等功能,如果房主不在家，客人可以通过留言模块向房主留言，房主可以通过放音按键即可听到客人留言。

在实现了这些基本门铃功能之外，本设计还扩展了温度、时间实时显示在OLED显示屏上的功能，因此该系统具有功能丰富、实用性强等特点。

关键词：

单片机；

传感器；

OLED；

语音留言模块；

前言

门铃这个东西在我国古代很少提及，以前比较富裕的大户人家一般都在自己的大门口上挂上好看的门环，客人在叫门的时候即可拍击环下的门钉便可产生很大的声响，可它只有来访者叫门的作用。

在如今“门铃”不仅仅是只存在富裕的大户人家了，“门铃”的应用早已在普普通通的老百姓家里普及了。

功能丰富多样的门铃到处都是，门铃的用途也不单单是给门外的来客叫门用了。

在市面上我们看见的很大部分门铃可以分类归结为电子门铃，所谓电子门铃，顾名思义，就是用一些电子元件构成，通过电来驱动和运转的。

市场上大体存在这么几类电子门铃：

普通电子门铃、对讲门铃、可视门铃、感应门玲。

如今最昂贵也是科技含量最高的便是智能门铃了，它可以替代房主和客人对话，也能通过电话信息等手段通知出门在外的主人，甚至还能够记录来客的的相貌，当然防盗功能也是具备的。

想要设计一个既实惠又方便且具备人性化的门铃，我们就必须对市场上的门铃有个简单的了解。

普通电子门铃:

一般我们普通家庭使用的都是这种价格比较实惠的电子门铃，这种门铃体积比较小且非常节能，驱动电源用两节三伏的五号电池就可以了，响铃声音一般，大家都能接受。

缺点是功能比较单一，就只有一个响铃叫门的作用。

外形的设计也是中规中矩，大多数此类门铃外形的设计是矩形，颜色也是普通的白色，比较单调乏味。

对讲门玲:

在普通的电子门铃上增加一个对讲的功能即为对讲门铃，它的特殊之处就是有个连线式的接听话筒，来访者可以和户主隔着门对讲且声音也很清晰，但是此类门铃成本比较高，使一般的用户不会选择这种对讲门铃，而另一种门铃恰好解决了成本高这个问题，那就是多户式的对讲门铃，这种门铃一般都是一栋楼所有的用户公用的，这样既可以减少每个用户的费用，又能实现对讲的功能，相对来说比较合理。

可视门铃：

随着社会的发展，科技的进步，人们对门铃的要求也是越来越高，既要求能够听到来访者的声音，又要求能够看到来访者的相貌，于是一些厂家便设计出了可视门铃，但是这种很昂贵不说，实用性也不是很大，但它在色彩和外形的设计上都远远突破了保守的传统门铃。

综合以上几类门铃的优缺点、市场占有率、产品制作成本，本文提出了一种基于STC89C52单片机的的智能门铃设计方案，它是采用AT89C52单片机为核心器件，与DS1302、DS18B20、AT24C02、OLED、红外传感器、光敏电阻、咪头、矩阵键盘等器件模块共同组成硬件系统，在硬件系统中设有矩阵键盘和OLED显示屏，OLED可以显示时间、温度等丰富的信息，而通过矩阵键盘的输入可以在多级菜单中查看自己想要知道的内容，因此本文的设计系统具有良好的人机交互界面，功能多样，成本低廉，具有广阔的市场前景。

1方案论证与设计

1.1总体方案设计思想

根据智能门铃多功能、人性化等特点，本文采用模块化设计，将本系统分为多个模块，分别为键盘输入模块，声光控制模块，显示模块、报警模块、语音留言模块、红外探测模块、温度测量模块、时钟模块。

整个系统的工作原理初步设定为：

声光控制模块作为一个独立模块，当在白天时，该模块将不会对外界的声响作出处理，也就不会控制楼道灯亮；

当到晚上时，只要外界传来的声音强度达到一个值时，该模块将会感应到外界的声音，由单片机处理，将楼道灯点亮。

红外探测模块实时探测门外是否有人活动，当探测到人在门外时将会在OLED显示模块上显示闪烁的“检测到人”的字样，并且当有人在门外超过30S还不按门铃的话，单片机将会触发报警模块，使其作出报警，报警时间为5秒；

当客人在30s之内按了门铃，则单片机使报警系统在5分钟之内不进行门外有人超过时间不按门铃报警。

当房主不在家时，客人可以通过录音模块留言，房主回来时即可以通过留言模块的放音键知道客人的留言。

系统在实现了门铃的这些基本功能外，还应在其功能上增加时间显示、温度测量、房主提示、生日提醒、闹钟设置等扩展功能。

其各模块的关系如图1所示。

图1控制系统整体框图

1.2单片机处理模块方案

本文采用单片机作为多功能门铃系统的中心部件，它不仅是数据处理器，又是协调整机工作的控制器，所以选择一款型号合适的单片机显得尤为重要。

方案一：

采用ST公司生产的STM32F103RBT6芯片，该芯片资源丰富，拥有128K容量的Flash、20K容量的静态随机存储器（SRAM）、2个硬件SPI接口、3个串口、1个USB接口、1个CAN、2个12位的模数转换器、1个内置的实时时钟、多达51个能用IO口引脚，并且所有的IO口都可以作为外部中断。

方案二：

选用宏晶科技公司型公司生产的STC89C58RD单片机，STC89C58RD是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有32K字节的能够反复擦写的Flash只读程序存储器和1280个字节的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准的MCS-51指令系统，单片机内部置有通用的8位中央处理器和Flash存储单元。

方案比较：

方案一的STM32F103RBT6这是一款偏高级别的32位单片机，处理速度极快，对于嵌入式应用和一些要求实时处理特别强的系统设计较为合适，而对于一般的应用就显得有点大材小用了,且该芯片价格较高，不太适合学生群体应用。

方案二是一款偏低端的8位单片机，对于一般的系统设计应用该芯片的资源足够，而且价格比较低廉适合学生群体采用，故选择方案二。

1.3显示界面方案

选用数码管显示，这种方案只能显示数字，不能显示一些字符，不能显示汉字，与本系统设计的要求不符。

采用lcd1602作为显示，这种方案只能显示数字和字符，且只能显示32个字符，与题目要求不符。

方案三：

采用lcd12864，带中文字库的128X64是一种拥有4位或8位并行、2线或3线串行的多种接口方式，内置国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；

它的分辨率为128×

64,内部置有8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集.该模块接口方式灵活简单并且操作指令十分的方便，所以完全可以利用这一点设计成全部是汉字的友好的UI交互界面。

方案四：

采用oled点阵显示屏，该显示屏的分别率为128×

64,体积小，节能，能显示多种颜色，但是如果要显示字符和汉字等需要自己制作字库，写驱动程序。

方案比较:

首先方案一与方案二不能显示中文字符都排除不采纳，方案三的lcd12864体积太大，颜色单一，且价格比oled点阵显示屏贵，故选择方案四。

1.4输入模块方案

采用独立键盘，独立键盘硬件制作比较简单，且驱动程序也比较好写些，但是占用IO口比较多，不适用于单片机处理器IO口较少，但又需要很多按键的系统设计。

采用矩阵键盘，矩阵键盘扫描程序比独立键盘复杂，但占用处理器的IO口较少，并且有较多的输入按键。

根据本系统设计的扩展功能，如生日提醒、闹钟设置、房主提示均需要很多按键设置，故选择方案二。

1.5其他模块方案

对于时钟模块、温度测量模块、红外探测模块、语音留言模块都没有什么特殊的要求，均采用市场上比较流行的产品，分别为DS1302、DS18B20、HC-SR501、ISD1760主要器件构成。

2系统硬件设计

2.1总体硬件电路设计描述

多功能门铃设计的硬件电路包括单片机最小系统、红外探测电路、语音留言电路、报警电路、显示电路、继电器驱动电路、声光控制电路、矩阵键盘输入电路、时钟电路、温度测量电路、AT24C02数据保存电路等。

由红外探测电路、语音留言电路、报警电路、继电器驱动电路、声光控制电路等实现门铃的一些基本功能，如红外线探测门外是否有人，超过规定时间不按门铃报警，声音和光线控制楼道灯的亮灭，客人留言给不在家的户主等功能。

而矩阵键盘输入电路、时钟电路、温度测量电路、AT24C02数据保存电路、显示电路等都是为门铃系统设计的扩展功能服务的，如时间和温度的显示，闹钟和生日的提醒等功能。

它们的功能既是独立的，也是有机整合一起相互影响的。

现将各硬件电路介绍如下。

2.2STC89C58RD单片机的介绍

STC89C58RD单片机是一种功耗低、性能高的CMOS8位微控制处理器，具备容量多达32K字节Flash存储器。

在该芯片内部置有灵巧的8位中央处理器和在线系统可编程Flash，能够为大多数嵌入式控制应用系统提供有效的解决方案。

它具有以下的标准参数：

32K字节的Flash，1280字节RAM数据存储器，32个IO端口，1个看门狗定时器，3个16位可编程定时/计数器中断，2个可编程的外部中断，共有8个中断源，1个全双工串行口。

STC89C58RD引脚说明如图2所示。

图2STC89C58RD引脚

2.3单片机最小系统

单片机最小系统是由复位电路，时钟电路，单片机三部分构成。

51单片机的最小系统电路如图3所示。

图351单片机最小系统

2.4声光感应电路

该模块电路主要由驻极体话筒、三极管、lm358p运放、光敏电阻等元器件组成。

具体的工作原理：

光控部分为当白天光照强度强时，光敏电阻阻值非常小，则在运放的反相输入端输入高电平，输入的高电平与设置的参考电压一比较，运放输出低电平；

同理，当在晚上时光敏电阻阻值变大，在运放的反相输入端输入低电平，与参考电压比较，运放输出高电平。

声控部分：

当有声音时，微弱的信号经过三极管放大变成高电平，与设置的参考电压比较，运放输出低电平，同理，当没有声音时，运放输出高电平。

由单片机判断光控部分和声控部分输出的高低电平，从而让单片机控制楼道灯白天灯灭不受声音控制，晚上根据有无声音来控制楼道灯的亮灭。

声光感应电路如图4所示。

图4声光感应电路图

2.5报警电路

报警电路主要由8550三极管、蜂鸣器等组成，其工作原理为当在该电路基极输入端输入低电平时，三极管饱和导通，促使蜂鸣器发声。

其电路如图5所示。

图5报警电路

2.6显示电路

显示电路主要元件采用的是成品模块oled点阵显示屏，该显示屏具有高分辨率、超小体积、超广可视角、超低功耗、兼容三伏和五伏的IO电平等优点，兼容3.3V和5V控制芯片的I/O电平高分辨率高分辨率高分辨率,,，，，的可由单片机模拟SPI总线控制驱动该显示屏。

oled点阵显示屏实物图如图6所示。

图6oled点阵显示屏

2.7语音留言电路

语音留言电路采用的ISD1760芯片，ISD1700系列是华邦公司最新生产的高质量语音录放芯片，该系列芯片具备很多新功能，如多信息管理系统,双运作模式和可定制的信息操作指示音效。

在该系列芯片内部含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等。

它的录放音的次数可达十万次，储存的数据在断电的情况下可以保存一百年以上。

控制方式和录音输入方式以及放音输出方式均有两种，最多能够处理255段信息，具备各种各样的工作状态提示，不同的采样频率对应着不同的录放时间，该系列芯片具有音质清晰、应用广泛、价格实惠等特点。

该语音留言电路如图7所示。

图7语音留言电路

2.8红外探测电路

该电路采用的是HC-SR501人体红外感应模块，HC-SR501人体红外感应模块是基于红外线技术的自动控制模块，采用原装进口探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。

其工作原理：

当有人在感应区域内活动时则输出高电平，人离开了感应区域则输出低电平。

它具有功耗低、工作电压范围宽、全自动感应等特点。

HC-SR501人体红外感应模块实物如图8所示。

图8HC-SR501人体红外感应模块HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用原装进口探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。

HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用原装进口探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。

2.9扩展电路

扩展电路包括时钟电路、温度测量电路、数据保存电路，是在实现了门铃的一些基本功能之后添加的一些扩展电路，在下文当中将会一一介绍。

2.9.1时钟电路

该电路采用的是DS1302时钟芯片为主要元件构成，DS1302是性能高、功耗低、带有随机数据存储器的实时时钟电路，它能够对年、月、日、周日、时、分、秒进行精确的计时，并且还具备闰年补偿的功能，工作电压的范围为2.5V到5.5V。

与处理器进行同步通信采用的是三线接口，并且能够采用突发的方式一次性传送多个字节的时钟信号或数据。

单片机可以通过模拟I2C总线控制驱动该芯片。

时钟电路如图9所示。

图9时钟电路

2.9.2温度测量电路

该电路采用的是DS18B20温度传感器为主要元件构成，DS18B20具有独特的单线接口，即CPU与DS18B20只需要一个接口便可以完成数据的接收与发送，测量温度范围为－55℃～+125℃，固有测温误差为1度。

它具有体积小，抗干扰能力强，精度高等优点。

该电路如图10所示。

图10温度测量电路

2.9.3数据保存电路

该电路采用的是AT24C02为主要元件构成，AT24C02实质是一个容量为2K位串行的CMOSE2PROM，内部包含256个字节的存储单元，单片机可以通过模拟IIC总线接口进行操作。

数据保存电路主要的作用就是对本系统的一些扩展功能当中的一些重要的数据保存下来，这样在掉电之后就不会丢失数据了。

数据保存电路电路如图11所示。

图11数据保存电路

3系统软件设计

在系统硬件设计好之后，要想整个系统的各功能协调工作起来，就必须进行软件设计，系统的功能是硬件和软件共同实现的，硬件是系统的身躯，软件就是系统的灵魂。

本文的系统软件设计是在keil平台上进行的，编程语言为C语言。

由于本文系统的设计功能比较多，所以在软件的编写上采用模块化编程，模块化编程的好处就是条理清晰、容易编写和调试，并且还可以提高软件的可靠性和减少软件的故障率。

由于本文设计的功能较多，所以软件设计是本文系统设计的难点，因此必须有一个良好的软件系统架构，在这个架构上再扩展其他的功能，本文的软件设计是通过oled点阵显示屏显示一个两级菜单，根据菜单的引导，从而实现操作者想要的功能，因此本文系统具有良好的UI交互界面。

3.1主程序流程图

本文设计的主程序包含一个主菜单，主菜单又有四个子菜单，每个子菜单都有特定的功能，如“显示界面”的子菜单可以实现温度的读取和显示、时间的读取和显示、开启红外探测并根据相应的情况判断是否报警；

“房主提示”的子菜单可以在房主外出不在家时通过“提示”按键告诉客人：

“房主不在家，有事请留言”的文字信息；

“生日提醒”的子菜单的功能则是可以输入房主每个家庭成员的生日，然后如果当天是该家庭成员中某一员的生日就会通过oled显示屏显示提醒；

而“闹钟设置”的子菜单则是具有时间提醒的功能了。

主程序流程图如图13所示。

图13主程序流程图

3.2显示界面子程序流程图

显示界面子程序主要是完成温度的读取并且显示、时间的读取并显示、还有开启红外探测、开启生日提醒等功能。

具体流程图如图14所示。

图14显示界面程序流程图

3.3声光控制子程序流程图

楼道灯的亮灭是由咪头感应外界的声响，然后产生外部中断0，再在中断服务子程序里根据光敏电阻判断是白天还是黑夜，从而做出相应的处理控制的。

声光控制中断服务子程序如图15所示。

图15声光控制中断服务子程序流程图

3.4门铃中断服务子程序流程图

门铃的声响是由门铃按键产生外部中断1，在中断服务程序里驱动蜂鸣器发出来的。

门铃中断服务子程序如图16所示。

图16门铃中断服务子程序流程图

4调试

在所有的单片机应用系统当中，调试包括硬件调试和软件调试，只有硬件和软件都调试成功了，系统才能正常的工作。

在调试过程中需要不断地找出单片机系统中的问题，并当场解决这些问题，然后再重复前面的操作，直到单片应用系统完全能够正常工作为止。

系统的硬件调试和软件调试是相结合在一起的，有很多的硬件故障是在调试软件时才被发觉和解决的。

一般我们是选择把单片机应用系统中很明显的硬件故障先排除，然后再和软件结合起来调试。

4.1硬件调试

第一步：

在给硬件电路板通电之前，应该用数字万用表检查电路是否有短路断路的现象，并认真的检查元器件的型号和引脚的焊接顺序是否正确。

一定要注意是否把电源给接错或短路了，对于那些有极性的元器件是否把极性的引脚接反了，如二极管和电解电容这些极性元件的引脚是否接正确，集成电路和晶体管的引脚是否焊接对，最后轻轻的按一按元器件，看看它们的焊点是否有松动，等等，这些都是需要检查注意的。

本系统在硬件调试的初始阶段就出现过声光控制模块不起作用，不能根据声音和光照度的变化产生有效的高低电平变化，使单片机不能获取传感器感应的信息也就失去了声光控制的能力，后来经过仔细检查，发现是声光控制模块当中的信号放大电路的关键元件三极管引脚接错了，把三极管的引脚接正确后，声光控制模块能够正常实现功能。

第二步：

接通电源之后，首先看看电路板是否出现异常的现象，比如电路板冒出烟雾、难闻的气味、放电的声光、器件发热发烫等。

假如有这些现象，不要慌张，应当马上断开电源，等故障排除后再闭合电源。

我在按照上文提到的一二步来进行硬件调试时候，发现用来驱动蜂鸣器发声的三极管有发烫的现象，我立马关闭电源，检查电路发现原来把该三极管的发射极引脚接到电源电压上了，导致三极管被烧坏，换了一个三极管并且把引脚接正确后，三极管正常工作，能够驱动蜂鸣器发声。

在检查继电器的驱动电路之后，发现继电器不能由单片机控制吸合或断开，经过仔细检查发现继电器的驱动电路没有加上拉电阻，导致放大的驱动电流不能够驱动继电器，加了一个10K阻值的电阻后，继电器驱动电路正常。

4.2软件调试

软件调试有两种方法，第一种方法为在线调试,第二种方法为离线调试。

第一种方法一般需要仿真系统的支持,而第二种方法不需要硬件仿真器，直接借助软件仿真器即可；

而在本次系统设计中，我用的是keil开发平台来调试的，借助于keil软件的单步或跟踪调试的功能，检查出各个程序模块的错误并在修改正确之后，再开始统调程序。

5结论

此次的毕业设计从选题到硬件作品的完成共耗时3个月之久,其中遇到几个很棘手的问题,但是在自己坚持不懈的努力和老师同学的帮助下都一一解决，实现了多功能门铃的红外探测、语音留言、声光控制、报警、温度测量、时钟显示等功能，达到了设计所需要的要求。

本次设计的多功能门铃具有方便简单、实用性强、安全系数高、功能丰富等特点。

如在实用性上它能实时根据声音的大小和光照度的强弱来控制楼道灯的亮灭，当户主不在家时，来访者可以语音留言给户主，户主回来时按放音键即可听到来访者的留言；

在安全系数上来讲，本系统设计具有红外探测的装置，当有人在门外不按门铃超过30S便会报警，并且在5S后自动停止报警并清除计时重新开始红外探测。

因此本系统设计的实用性和安全性都很高。

除了多功能门铃设计的一些基本功能外，其扩展功能也是本设计的一大亮点，如户主外出时可以根据OLED点阵显示屏上显示的实时温度决定是否添加衣物，不知道时间日期时可以查看OLED点阵显示屏上显示的时间，还可以把每个家庭成员的生日输入到该系统，如果当天是某个家庭成员的生日则会在OLED点阵显示屏上标明提醒，非常的人性化。

总的来说对此次的设计还是比较满意的，唯一不足之处就是在PCB板的设计上是把每个功能模块分块独立的制作出来的，而不是把所有的功能模块都整合在一块板上，采用这种方式的优点是利于硬件的制作与调试，缺点是当把各个功能模块整合起来时需要一些杜邦线的连接，因此整个硬件系统外表不是很美观，这也是该设计的一大遗憾之处吧。

参考文献

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辽宁工程技术大学出版社，2005

附录

附录一:

整体原理图

附录二:

部分程序源码

/*主程序*/

/******************************************************************/

#include<

reg52.h>

#include"

soundlight.h"

detection.h"

key.h"

#incl