蘆皓麟 宋曉松

（天津大學(xué)微電子學(xué)院 天津市 300072）

1 引言

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

利用無線門鈴可以很好地彌補有線門鈴的不足，用戶可以根據(jù)房屋實際情況在合適的位置安裝室內(nèi)的報警器接收端。我們通過調(diào)查測試發(fā)現(xiàn)，根據(jù)現(xiàn)有文獻所提供技術(shù)制造的無線門鈴，一般無法進行長距離的無線通信。此外，在進行多對一傳輸時，對于選定的發(fā)射端，按下按鈕，接收端有時不會接收到信號并做出響應(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，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)射端會對接收端產(chǎn)生信號干擾。同時，發(fā)生了明顯地耗電情況。這種不穩(wěn)定的工作狀態(tài)限制了無線門鈴的使用場景，降低用戶體驗效果。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文研究了以STC11F04E 單片機為控制核心，使用無線發(fā)射和接收模塊，對家用無線音樂門鈴電路進行改進優(yōu)化設(shè)計。使其可以進行遠距離通信，此外，多個發(fā)射、接收端之間，可以進行準確的一一或一多的信號傳輸，不受其他發(fā)射端的信號干擾，并能夠提供聲、光兩種提示信號，支持對音樂曲目進行更換以及提示燈光強的調(diào)節(jié)。同時，減小了門鈴體積，降低制造成本，大大提高了用戶體驗。

2 硬件電路設(shè)計

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

2.1 無線發(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)簡單、使用方便。PT2262 編碼芯片發(fā)出的編碼信號由地址碼、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。只有當發(fā)射端PT2262和接收端PT2272 的地址編碼完全相同時,二者才能配對使用，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 腳為編碼確認發(fā)送端，低電平有效。在工作過程中，如果14 腳恒為低電平，則編碼信號會一直通過17 腳串行輸出，只是編碼信號內(nèi)容會根據(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個引腳上。在多個發(fā)射端和一個接收端間進行傳輸時，選定一個發(fā)射端后，其他發(fā)射端的編碼信號雖然不能被PT2272 解碼芯片正確解碼，但會對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，我們希望當自復(fù)位開關(guān)按下時，PT2262發(fā)射信號，而當自復(fù)位開關(guān)彈起時，PT2262 停止發(fā)射信號，這樣對于降低干擾增大通信距離有著積極意義。在本設(shè)計中，采用將自復(fù)位開關(guān)連接在14 腳與地之間的方法，當開關(guān)按下時，14 腳接地，低電平有效，信號得以發(fā)送；當開關(guān)彈起時，14 腳不為低電平，信號停止發(fā)送。這樣不僅能減少信號干擾，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 超再生無線發(fā)射模塊電路

采用的超再生無線發(fā)射模塊內(nèi)部原理，其Data 腳為高電平時，頻率為315MHz 的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)送等幅高頻信號；為低平時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)字信號控制。

2.1.3 工作原理

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

整個發(fā)射端電路由3 節(jié)5 號干電池提供4.5V 電壓，電池的開關(guān)為整個電路的電源總開關(guān)，PT2262 的震蕩電阻OSC1 與OSC2引腳接1.2MΩ 電阻，編碼確認發(fā)射端14 腳通過自復(fù)位開關(guān)接電源負極，Dout 編碼發(fā)送端與超再生無線發(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，負極引腳通過120Ω 電阻后與14 腳相連。當自復(fù)位開關(guān)彈起時，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；當自復(fù)位開關(guān)按下時，14 腳接地成低高電平，LED 燈被點亮，此時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。

2.2 無線接收電路

2.2.1 解碼電路

由DF超再生無線接收模塊接收信號后（原理與發(fā)射模塊相同），將信號傳G 給解碼電路進行處理。解碼電路主要由 PT2272 芯片組成，是與PT2262 配對的解碼芯片。PT2272 解碼芯片接收到信號后，其地址碼需經(jīng)過兩次比較并且核對無誤后，VT 腳才輸出高電平，與此同時相應(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,編碼芯片也會連續(xù)發(fā)射。超再生接收模塊接收信號并解調(diào)后經(jīng)功率放大電路一級放大后送到PT2272，當PT2272 的VT 腳輸出高電平時，表示解碼有效。

2.2.2 功率放大電路

當通信距離較遠時，無線發(fā)射電路發(fā)射的信號會出現(xiàn)明顯的信號衰減現(xiàn)象，從而超再生接收模塊接收到的信號會出現(xiàn)一定程度上的失真，失真的信號無法被PT2272 解碼芯片準確解碼，使得無線音樂門鈴的通信距離受到一定限制。我們在超再生接收模塊后增加一個功率放大電路，經(jīng)過放大后的信號交由PT2272 解碼芯片解碼，實現(xiàn)遠距離的無線控制。

功率放大電路的核心為LM358 雙運算放大器，該運算放大器內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，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運算放大器即可，假設(shè)我們采用左側(cè)的運算放大器，工作時3 腳與接收端信號（待放大信號）輸出腳相連，2腳同電源負極（參考電位）相連 ，經(jīng)比較放大后的信號由1 腳輸出，這樣失真的高電平會被升高到接近電源電壓，低電平仍為低電平，從而實現(xiàn)信號放大的作用。

2.2.3 控制電路

控制電路的核心控制芯片采用STC11F04E 單片機，相比于現(xiàn)有技術(shù)中使用的STC89 系列單片機，具有高運算速度、低工作電壓以及方便燒寫、體積小、價格低等優(yōu)點，這對于縮小無線音樂門鈴體積、降低成本有著重要意義。單片機的I/O 腳可以檢測外界電壓變化，整個控制電路通過檢測外界電壓變化的次數(shù)實現(xiàn)對后續(xù)電路的控制。

當按下選曲按鈕時，其所對應(yīng)的I/O 口電壓發(fā)生變化，單片機檢測到特定I/O 電壓變化后會最初應(yīng)答，應(yīng)答的結(jié)果使得對應(yīng)的I/O 口電壓發(fā)生變化，從而接收板上的音樂隨之切換；由于音樂在播放過程中其音量會有大小的變化，其功率也會發(fā)生變化，從而對單片機I/O 腳的輸出功率造成影響，其結(jié)果使得LED 燈隨著音樂播放而閃爍，增強了觀賞價值。其中語音播放模塊可通過USB 線拷貝歌曲，實現(xiàn)歌曲的自由更換，通過將6、7、8 腳中的任意一腳置為低電平可播放對應(yīng)歌曲，即可自由切換3 首歌曲。SPK+與SPK-通常接8Ω1W 的喇叭實現(xiàn)聲音外放，并可通過串聯(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線接收模塊、功率放大電路、解碼電路、控制電路以及信號提示電路。

整個接收端電路由3 節(jié)5 號電池供電4.5V，電池的開關(guān)為整個電路的電源總開關(guān)，LM358 的3 腳與超再生接收模塊的2、3 腳相接，2 腳與電源負極相接，經(jīng)比較放大的信號由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。當發(fā)射端的電路按鈕被按下時，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。

VT 腳與STC11F04E 的I/O 口P1.5 相連，通過檢測P1.5 口的電平變化來判斷發(fā)射端按鈕是否被按下。STC11F04E 的RES 復(fù)位腳通過自復(fù)位開關(guān)與電源正極相連，系統(tǒng)可通過自復(fù)位按鈕手動復(fù)位；I/O 口P1.4 腳通過另一個自復(fù)位開關(guān)與電源正極相連，通過檢測I/O 口P1.4 由低電平變?yōu)楦唠娖降拇螖?shù)來切換歌曲；I/O 口P1.0與一個LED 燈通過120Ω 接地，I/O 口P1.1、P1.2、P1.3 分別與語音模塊的6、7、8 腳相連，當檢測到P1.5 腳電平由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，P1.0 腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，LED 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，播放對應(yīng)歌曲。10KΩ 的電位器與揚聲器串聯(lián)接在語音模塊對應(yīng)兩引腳處，通過改變電位器的阻值可實現(xiàn)音樂聲音大小的變化。

此外，一套門鈴可由多個發(fā)射端和多個接收端組成，以滿足不同房型的要求。設(shè)計原理和上述一對一的原理相同。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，并在對應(yīng)的數(shù)據(jù)腳和VT 腳輸出高電平。因此，對于一對多、多對一的門鈴系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)實際要求采用不同狀態(tài)的地址編碼即可，從而實現(xiàn)多對一的無線控制。

3 軟件電路設(shè)計

本系統(tǒng)利用STC11F04EI/O 口的電平檢測功能進行設(shè)計，I/O檢測到由于按鍵導(dǎo)致的電平變化后會做出相應(yīng)應(yīng)答，對后面電路進行控制，從而實現(xiàn)按鍵對于整個電路的間接控制。

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

4 結(jié)果與總結(jié)

4.1 測試結(jié)果

按照上述方案設(shè)計出無線音樂門鈴，并進測試，得到如下結(jié)果：

（1）實現(xiàn)了門鈴發(fā)射和接收端之間的無線控制，使報警器發(fā)出聲音；

（2）實現(xiàn)了遠距離通信，在按鈕和接收端距離直線6m 情況下成功進行信號傳輸；

（3）實現(xiàn)了按鈕和報警器之間一對多、多對一的精確控制，且多個發(fā)射端之間不會再產(chǎn)生相互干擾；

（4）實現(xiàn)了報警器多個音樂曲目自由切換、聲音大小的調(diào)節(jié)以及提示燈隨一起聲音亮起，并在一定時間之后自動熄滅。

4.2 設(shè)計總結(jié)

目前有關(guān)無線音樂門鈴的設(shè)計大多采用STC89 系列單片機，存在著多個門鈴?fù)瑫r工作時產(chǎn)生的信號干擾以及無線通信信號嚴重衰減造成的通信距離縮短的問題，并且在產(chǎn)品體積、制造成本、功耗等方面有所不足。本設(shè)計針對以上不足做了如下改進：

（1）本設(shè)計中的控制電路使用了STC11F04E 單片機，作為STC89 系列單片機的升級版，它具有高運算速度、低工作電壓以及方便燒寫、體積小、價格低的優(yōu)點，這對于縮小無線音樂門鈴體積、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 腳通過自復(fù)位開關(guān)接地，使得只有當按鈕按下時發(fā)射端才會發(fā)出信號并被接收端PT2272 解碼芯片解碼。這樣發(fā)射端電路處于間歇發(fā)射信號的工作狀態(tài)，加強發(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，其他發(fā)射端處于關(guān)斷狀態(tài)，不會對信號傳輸產(chǎn)生信號干擾。同時降低了發(fā)射端電路功耗，有利于節(jié)能環(huán)保。

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

5 結(jié)語

本文以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，針對出現(xiàn)的不足，改進設(shè)計了家用無線音樂門鈴，對發(fā)射端電路進行改進并在接收端增加運算放大器。這樣不僅具有無線門鈴基本功能，而且在用戶安裝多塊發(fā)射、接收模塊時，實現(xiàn)了多對一、一對多的精確信號傳輸，消除其他發(fā)射端電路的信號干擾，并解決了通信距離短的問題，實現(xiàn)了遠距離通信。同時，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，用戶體驗更好，具有良好的推廣應(yīng)用價值。