單片機(jī)+ISD1760智能家用語音喚醒系統(tǒng)設(shè)計(jì) 附論文+源碼

在節(jié)奏過快的生活中，人們承受的精神和心理壓力十分巨大,這就使得現(xiàn)代人都希望在當(dāng)代繁忙而枯燥的工作和學(xué)習(xí)中能身心愉悅的生活。隨著信息化發(fā)展水平的逐步提高，智能化系統(tǒng)越來越受到人們的重視。市場上普遍的鬧鐘只是一種到了人們設(shè)定的時(shí)間就被令人煩躁的聲音而吵醒的機(jī)械化鬧鐘，機(jī)械化的鬧鐘不僅將熟睡的人們從夢中驚醒，影響了人們起床的心情，還影響了人們的身體健康。因此，人性化的喚醒系統(tǒng)顯得尤為重要，它以多種方式聯(lián)動(dòng)，可對(duì)光線亮度、語音提示和人體感應(yīng)等諸多喚醒元素進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整或設(shè)定，盡可能將對(duì)人的刺激減低到最低限度，讓睡眠中人在設(shè)定的時(shí)間里自然醒來[1]。

目前，市場上越來越多小型普遍的電子產(chǎn)品的功能不斷地被更替，這一現(xiàn)狀由于智能化電子產(chǎn)品的出現(xiàn), 毋庸置疑鬧鐘就是一個(gè)典型代表。普通的響鈴鬧鐘設(shè)計(jì)缺乏的是人性化關(guān)懷這一理念,比如人們還在熟睡中就會(huì)被刺耳的鬧鈴叫醒，這種喚醒方式不僅會(huì)使人感到厭煩、渾身不舒服，更重要的是會(huì)影響人們的身體健康，因此，人性化的智能喚醒系統(tǒng)顯得相當(dāng)不可忽視。近年來，智能系統(tǒng)的研究已經(jīng)帶領(lǐng)社會(huì)進(jìn)入了更為人性化的領(lǐng)域，這一現(xiàn)狀引起了國內(nèi)外學(xué)者及企業(yè)的廣泛重視。國內(nèi)，浙江大學(xué)提出了一種人性化控制的智能家居若干關(guān)鍵技術(shù)研究；中國信息界提出的一款智能鬧鐘，每天早上能夠溫柔的喚醒熟睡中的人們；另外，杭州電子科技大學(xué)、吉林大學(xué)、山東大學(xué)等眾多學(xué)者也進(jìn)行了智能喚醒系統(tǒng)的相關(guān)研究。其研究成果填補(bǔ)了國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的多項(xiàng)空白，為人性化的智能家居設(shè)計(jì)提供了新的思路和技術(shù)支持，在很大程度上推動(dòng)了國內(nèi)智能化系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)步[2]。國外有一款地毯鬧鐘Reggie，這款鬧鐘功能是在喚醒時(shí)倘若不站上去，那么它就會(huì)一直響直到將人們喚醒，如此就解決了起床困難戶的問題；Baboomi智能鬧鐘，這款智能化的設(shè)計(jì)既有為鬧鐘充電的功能，在一定程度上又有震動(dòng)的功能。臨睡前在枕頭下放置智能鬧鐘的震動(dòng)設(shè)備，早上熟睡的人就會(huì)被它人性化地震動(dòng)聲音而慢慢喚醒，這種傳達(dá)起床信息的方式更加智能化；倘若在智能手機(jī)上安裝智能鬧鐘的App，也可以實(shí)現(xiàn)智能化的語音鬧鐘，通過設(shè)置起床時(shí)間，在早上就能感受到舒適地被喚醒。

針對(duì)目前功能比較大眾化的鬧鐘設(shè)計(jì)中存在的人性化關(guān)懷不夠,以及沒有充分考慮到消費(fèi)者的使用體驗(yàn)等問題[3-5],本設(shè)計(jì)做出了進(jìn)一步的改進(jìn)，主要體現(xiàn)在在喚醒系統(tǒng)的視覺、聽覺等方面。家用智能喚醒系統(tǒng)，可根據(jù)人們預(yù)先設(shè)定的起床時(shí)間，慢慢調(diào)整周圍的光照鬧鐘響起喚醒熟睡中的人們，同時(shí)，以溫柔的語音提示當(dāng)天的室外溫度來提醒人們穿衣厚度指數(shù)等。本系統(tǒng)不僅能滿足普通人的喚醒需求，也能滿足老年人以及有耳疾的殘疾人的喚醒需求。

一款智能家用喚醒系統(tǒng)必須具備基本的電子時(shí)鐘功能，這可以根據(jù)不同的需求設(shè)定不同的操作從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。智能鬧鐘在設(shè)定的起床時(shí)間還沒到達(dá)之前，自動(dòng)調(diào)光燈由暗變亮，鬧鐘開始響鈴，并進(jìn)入語音提醒模式，和普通鬧鐘相比較有很大的創(chuàng)新。如果人們還未從熟睡中醒來，那么鬧鐘就會(huì)持續(xù)響起直至手動(dòng)關(guān)閉鬧鐘。本智能家用喚醒系統(tǒng)核心硬件是以STC89C51單片機(jī)為主控芯片，根據(jù)主控芯片的外圍接口這一特點(diǎn)，在外圍加以其他硬件電路，然后根據(jù)單片機(jī)的指令設(shè)計(jì)要求，在編譯軟件中采用C語言設(shè)計(jì)程序，并通過執(zhí)行一定的程序來實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度檢測、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、PWM波調(diào)光、具有語音提醒功能的鬧鐘模塊、顯示和按鍵模塊等幾個(gè)部分組成。STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)作為主控模塊，時(shí)間、日期信息的采集由DS1302時(shí)鐘芯片來完成，溫度的獲取用DS18B20溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)，時(shí)間和溫度等的顯示主要是在LCD12864液晶顯示器中完成的；通過按鍵完成日期、時(shí)間的初始化設(shè)置和鬧鐘的設(shè)定；借助PWM波的變化實(shí)現(xiàn)喚醒燈自動(dòng)調(diào)光；采用語音模塊完成鬧鐘喚醒和溫度提醒功能。家用智能喚醒系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì)如圖2所示�？傮w原理圖以單片機(jī)STC89C51為核心的控制電路[6]，外圍輔以時(shí)鐘電路、溫度傳感器電路、PWM喚醒燈電路、液晶顯示電路及語音播報(bào)電路等。通過按鍵設(shè)置鬧鐘，單片機(jī)將溫度傳感器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘傳來的信息處理后送到液晶顯示器顯示，在設(shè)定的時(shí)間提前一段時(shí)間單片機(jī)控制喚醒燈打開，語音模塊與單片機(jī)進(jìn)行通信協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。

圖2 系統(tǒng)原理圖

主控制模塊以基于STC89C51單片機(jī)為核心，這是智能家用喚醒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最重要的部分，一個(gè)能夠正常工作的單片機(jī)系統(tǒng)是在核心芯片上加入一些外圍電路組成的。最小系統(tǒng)和按鍵控制電路是控制模塊設(shè)計(jì)中的兩個(gè)主要部分，控制模塊負(fù)責(zé)整體電路的主要工作，通過操作按鍵和單片機(jī)控制電路的運(yùn)行。

晶振電路和復(fù)位電路是單片機(jī)最小系統(tǒng)必不可少的部分[7]。單片機(jī)正常工作時(shí)的工作速度是由晶振電路提供的，這種工作速度是由晶振電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。在理論上，STC89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)本應(yīng)使用的是和系統(tǒng)相配的晶振，然而在本系統(tǒng)中選取的是比較接近的12MHz晶振。由于單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，因此，只需要一個(gè)晶振和兩個(gè)電容連接在單片機(jī)外面的電路中就可實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘電路，電容一般選用的是30pF的容量就可以滿足要求，圖中C1和C2電容的作用就是為了使單片機(jī)能夠迅速的起振，并且能夠使單片機(jī)工作時(shí)的頻率達(dá)到穩(wěn)定。晶振的一端接XTAL2（19），另一端接的是XTAL2（18），兩個(gè)電容并聯(lián)接于振蕩源之間，工作時(shí)能更好的為單片機(jī)服務(wù)。智能家用喚醒系統(tǒng)的各個(gè)部件在處于初始化狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)可由此開始工作進(jìn)行操作，這一系列是復(fù)位電路提供的條件，復(fù)位電路是單片機(jī)的準(zhǔn)備工作，包括上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種模式。在按鍵復(fù)位中，電容C3取值一般為10uF,電阻R取值約為10KΩ，K5是為實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位而設(shè)置的。然而，在上電復(fù)位中，由單片機(jī)運(yùn)行后給定的高低電平直接實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。

按鍵控制電路中，設(shè)置了五個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需的要求，按鍵在設(shè)計(jì)中能夠起到控制外部電路的作用，不同的操作實(shí)現(xiàn)不同的功能。本設(shè)計(jì)中使用的按鍵不多，僅需五個(gè)按鍵系統(tǒng)所需要的功能即可完成。按鍵有四個(gè)接腳，兩個(gè)相連的之間導(dǎo)通，按鍵其中一端接單片機(jī)的I/O接口，另一端可以接電源，也可以接地端，此系統(tǒng)中按鍵另一端是接地的，低電平完成按鍵的操作，這樣的接法程序是比較簡單且系統(tǒng)也相對(duì)穩(wěn)定。五個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)的功能分別有確認(rèn)返回、加一、減一、鬧鐘開關(guān)及喚醒燈開關(guān)，按鍵K1、K2、K3、K4和K5分別與單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P1.4引腳連接，控制模塊電路圖如圖3所示。

圖3 控制模塊電路圖

實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的基本模塊，在數(shù)字時(shí)鐘所具備的功能下才能實(shí)現(xiàn)鬧鐘的設(shè)定。時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì)需要采用時(shí)鐘芯片DS1302，這款芯片可以精確的計(jì)數(shù)，具有農(nóng)歷和陽歷轉(zhuǎn)換的功能，可以編程接口，與此同時(shí)還具有掉電保存等功能，在編寫程序時(shí)能夠?qū)ζ浔容^方便的進(jìn)行程序控制[8]。與直接使用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能相比，DS1302時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)的功能很便捷，程序簡單易編寫，穩(wěn)定性好、容易控制、時(shí)間精度高等。由于單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器雖然沒有使用芯片，但是實(shí)現(xiàn)的時(shí)間誤差較大，不能滿足系統(tǒng)要求。所以系統(tǒng)完成時(shí)鐘電路的首選芯片就是DS1302時(shí)鐘芯片。

DS1302時(shí)鐘芯片與單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，僅需要SCLK、I/O和RST三條線連接的方式，可以實(shí)現(xiàn)以一對(duì)多的方式傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或數(shù)據(jù)。DS1302比同類的芯片性能好，功耗低能更好的為系統(tǒng)的運(yùn)行減少不必要的負(fù)荷。時(shí)鐘模塊有兩個(gè)電源，在Vcc2 不能正常運(yùn)行時(shí)，時(shí)鐘依然能在Vcc1的作用下維持原來的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。若兩個(gè)電源大小不一，則使用其中較大的一個(gè)電源為電路供電，Vcc1采用3V的紐扣電池，Vcc2主電源使用的是整個(gè)系統(tǒng)的電源。DS1302時(shí)鐘芯片需要使用32.768KHz的晶振，晶振電路可產(chǎn)生計(jì)時(shí)脈沖。為了對(duì)所傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，DS1302工作時(shí)復(fù)位腳就需要被置為高電平，反之，數(shù)據(jù)的傳送就會(huì)被停止導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能繼續(xù)傳輸。

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路主要是為了能夠準(zhǔn)確的顯示電子時(shí)鐘等信息。通過與單片機(jī)連接，將用軟件實(shí)現(xiàn)功能，然后經(jīng)過顯示器顯示需要的時(shí)間信息。DS1302時(shí)鐘芯片與單片機(jī)的通信接口由3條線組成，VCC接在系統(tǒng)電源上，GND接在地端， RST復(fù)位管腳與單片機(jī)的P2.2端口連接，實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘電路在復(fù)位時(shí)由低電平跳變成高電平并啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，SCLK管腳與P2.1端口連接，時(shí)鐘輸入端將記錄的脈沖信號(hào)存入時(shí)鐘芯片，I/O管腳與P2.0端口連接，數(shù)據(jù)線輸入輸出記錄的時(shí)間數(shù)據(jù)。根據(jù)電路的需求，可在三線上加上拉電阻，由于P2口內(nèi)部的緣故，本系統(tǒng)連接的單片機(jī)P2接口也可不加電阻。DS1302時(shí)鐘電路在設(shè)計(jì)中的原理圖如圖4所示。

圖4 時(shí)鐘電路原理圖

為了使測得溫度值更加精確，DS18B20溫度傳感器的高精度性能就成了溫度檢測模塊選取的標(biāo)準(zhǔn)。這款傳感器屬于數(shù)字式傳感器，而且在進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送時(shí)僅僅一條數(shù)據(jù)線就可以實(shí)現(xiàn)，最重要的一點(diǎn)是它與單片機(jī)連接的時(shí)候顯得更加簡單方便，也鑒于此類傳感器的結(jié)構(gòu)簡單易懂，不需外圍的電路輔助完成所需的功能。若采用熱敏電阻和A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)溫度采集，就需選用標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定的電阻才可完成設(shè)計(jì)要求，并且檢測的數(shù)值可靠性較差。在經(jīng)過比較論證后，選用DS18B20能更好的滿足設(shè)計(jì)需求，它的分辨率比起同類型的傳感器更高更精確，所以溫度檢測模塊選用了DS18B20型號(hào)的傳感器。

DS18B20溫度檢測模塊在設(shè)計(jì)中用于采集溫度，早晨人們在經(jīng)過鬧鐘喚醒后通過語音系統(tǒng)提醒當(dāng)前的溫度。溫度模塊采集溫度值后，經(jīng)過與單片機(jī)通信將所檢測的示數(shù)傳送到顯示器顯示，最后由ISD1760語音模塊播報(bào)溫度值。DS18B20與單片機(jī)的通信只需將DS18B20的信號(hào)線I/O口與單片機(jī)的其中一個(gè)雙向端口I/O口相連即可。在焊接時(shí)必須注意將電源端VDD和地端GND焊接牢固[9]，如果VDD沒有接好，那么傳感器就只會(huì)傳送一個(gè)固定不變的溫度值，就不能檢測當(dāng)前的溫度。在設(shè)計(jì)中，傳感器須與本設(shè)計(jì)選用的主機(jī)STC89C51單片機(jī)連接，其中U3為溫度檢測控制芯片DS18B20。I/O(2)管腳與單片機(jī)的P3.7端口連接可以傳輸信號(hào)，溫度模塊電路圖如圖5所示。

圖5 DS18B20溫度檢測電路原理圖

本設(shè)計(jì)使用的ISD1760是一款語音錄放功能強(qiáng)大的語音芯片。與其他語音芯片相比較，ISD1760不僅實(shí)現(xiàn)了較為方便的錄放音，還具備了一些較智能的提示功能，在一定程度上音質(zhì)也有了很大的改善。ISD1760芯片的新功能比較多，能全方位的提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。此外，該芯片在錄放音時(shí)音質(zhì)清晰明了，幾乎不存在噪音干擾。與使用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)的鬧鐘比較，在通過語音芯片完成的語音鬧鐘播報(bào)更能體現(xiàn)出人性化的一面，也更體現(xiàn)了ISD1760芯片功能的強(qiáng)大。這款芯片有兩種實(shí)現(xiàn)模式，一類是用硬件直接錄放音，另一類是采用四線協(xié)議與單片機(jī)通信，智能家用喚醒系統(tǒng)使用了第二種情況，通過軟件編譯實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)功能。在主控單片機(jī)與 ISD1760進(jìn)行通信時(shí)，所采用的是通過四線SPI協(xié)議來完成的，而且?guī)缀跛�有的操作都可以通過SPI協(xié)議來完成[10]，因此，錄放音模塊可以作為一種新形式完成播報(bào)。SPI協(xié)議四線接口功能描述如表2所示。

表1 協(xié)議接口功能描述

語音模塊起到響鈴功能，并能提醒人們溫度和穿衣的建議。ISD1760的工作方式分別為獨(dú)立方式和SPI協(xié)議方式。本系統(tǒng)采用了SPI工作模式，在單片機(jī)作為主控機(jī)時(shí)，ISD1760作為從機(jī)，若需要播報(bào)不同的語音段，就會(huì)通過單片機(jī)發(fā)送不同的指令來控制播報(bào)。ISD1760芯片是在8KHz采樣率下的錄音，錄音經(jīng)過麥克風(fēng)輸入，為了使得到的聲音效果比較好，選擇了喇叭來播報(bào)，同時(shí)，電路選取合適的電阻和電容來配合語音模塊完成各項(xiàng)功能 。在ISD1760語音芯片被SPI總線控制時(shí)，系統(tǒng)中采用STC89C51單片機(jī)的P3口完成與之通信，STC89C51單片機(jī)與ISD1760語音芯片通信時(shí)接口不多，僅需四條線即可，語音芯片的MISO管腳接單片機(jī)的P3.2引腳，此管腳可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出，ISD1760輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)可以從MISO引腳被單片機(jī)接收存儲(chǔ)；語音芯片MOSI管腳與單片機(jī)的P3.3口通信時(shí)，此管腳實(shí)現(xiàn)的就是數(shù)據(jù)的輸入，所需的讀入操作和放音地址都是從ISD1760的MOSI管腳輸入的；語音芯片的SCLK與單片機(jī)的P3.4端口通信時(shí)，SCLK主要是實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘輸入的；P3.5管腳接語音芯片的片選引腳/SS，此管腳主要是用來控制芯片是否選通。SP+和SP-端口分別接外接喇叭的正負(fù)極。語音模塊電路原理圖如圖6所示，其中U4為語音芯片。

圖6語音模塊電路圖

系統(tǒng)采用LCD123864液晶作為顯示模塊，常用的12864液晶模塊有藍(lán)色背光和綠色背光、有無字庫的[11]，本次設(shè)計(jì)中所用的是藍(lán)色有字庫的液晶顯示器，具有兩類接口方式，一種是四位或八位的并行接口，另一種是二線或三線的串行接口。 12864液晶可以顯示設(shè)計(jì)中所需的時(shí)間、日期、溫度及鬧鐘圖標(biāo)等內(nèi)容，這比1602功能明顯強(qiáng)的多。相對(duì)而言，一般的顯示器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定的缺陷，會(huì)消耗大量的電量，然而LCD12864液晶顯示器耗電量卻比其它的顯示器耗電量小很多，所需的電壓也容易滿足。液晶顯示器的工作溫度范圍能夠滿足中溫度采集所需的溫度值，并且能較準(zhǔn)確的顯示。LCD12864的硬件設(shè)計(jì)相對(duì)而言比較簡單，顯示所需程序在一定程度上比較容易編譯實(shí)現(xiàn)，而且價(jià)格合適，所以此系統(tǒng)采用了這款顯示器。

顯示模塊中采用12864液晶顯示器，由于設(shè)計(jì)中需要的時(shí)間、日期等內(nèi)容都能通過這款顯示器來實(shí)現(xiàn)，所以12864液晶顯示器是設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要的模塊。12864顯示器是數(shù)字式的接口，能在顯示屏上顯示智能鬧鐘的數(shù)據(jù)，與單片機(jī)系統(tǒng)連接時(shí)采用了并行接口。顯示模塊主要是將單片機(jī)發(fā)送來的時(shí)間數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理并由顯示器顯示，還能在設(shè)置鬧鐘后鬧鐘圖標(biāo)也能顯示出來。在液晶顯示器和單片機(jī)連接時(shí)，顯示器的數(shù)據(jù)線DB0(7)-7(14)與單片機(jī)的P0.0-P0.7相連接，并需要10K的上拉電阻。VO端口接一個(gè)103的電位器，改變電位器的阻值液晶顯示器的亮度有所變化。PSB引腳高電平時(shí)選擇并口，低電平時(shí)選擇串口的接法，引腳NC不需要接任何管腳。液晶顯示模塊原理圖如圖7所示。

圖7 液晶顯示模塊電路圖

調(diào)光模塊設(shè)計(jì)中，采用了較為簡單的三極管驅(qū)動(dòng)LED電路�？紤]到設(shè)計(jì)需要，因?yàn)槿龢O管驅(qū)動(dòng)成本低，而且容易控制和實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，所以最終選用了大功率三極管驅(qū)動(dòng)喚醒燈模塊[12]。由于STC89C51單片機(jī)不具備PWM配置，因此通過單片機(jī)軟件產(chǎn)生PWM波并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光的功能，喚醒燈的本質(zhì)是利用PWM對(duì)LED中的正向電流進(jìn)行調(diào)節(jié)來完成的。減小LED電流將起到調(diào)節(jié)LED光輸出強(qiáng)度的作用，然而，正向電流的變化也會(huì)改變LED的亮度，因?yàn)長ED的亮度會(huì)隨著電流的變化而變化[13]。模擬早晨日光的效果是通過與單片機(jī)連接產(chǎn)生PWM波，LED發(fā)光二極管亮度會(huì)由暗變亮，直到亮度達(dá)到最大。

三極管是放大電流的器件，它分為兩類，一類是NPN型，一類是PNP型，設(shè)計(jì)中采用了NPN型，這種三極管理解起來很容易。三極管的放大作用是小的基極電流變化引起大的集電極電流變化，并且基極電流與集電極電流成正比。若基極電流由零開始增大時(shí)，在三極管沒有達(dá)到飽和前，那么LED的亮度就會(huì)隨著變亮。LED的亮度受到電流控制，通過控制電流改變LED的亮度[13]。

本系統(tǒng)LED光源用三極管來放大電流，LED燈串聯(lián)一個(gè)上拉電阻限流來保護(hù)二極管。電流通斷的變化用NPN型三極管實(shí)現(xiàn)，PWM波由單片機(jī)的P3.6輸出，低電平有效。在單片機(jī)上電后設(shè)置鬧鐘時(shí)間，在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)調(diào)光電路開始啟動(dòng)，喚醒燈模擬日光直到達(dá)到最亮，調(diào)光電路原理圖如圖8所示。

圖8 調(diào)光電路原理圖

在智能家用喚醒系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用Keil C51軟件作為編譯軟件，這款編譯軟件擁有功能強(qiáng)大的開發(fā)調(diào)試工具，軟件里包括各種各樣的函數(shù)可以容易的調(diào)用。單片機(jī)軟件的開發(fā)系統(tǒng)能夠完成編輯、編譯、調(diào)試和仿真等這一系列開發(fā)流程。程序在經(jīng)過編譯后，就能體會(huì)到此軟件編譯軟件生成代碼效率是相當(dāng)高，語句簡潔易懂。

該智能家用喚醒系統(tǒng)軟件部分所用的編程語言是C語言，由于C語言結(jié)構(gòu)比較豐富，程序設(shè)計(jì)時(shí)相對(duì)而言比較容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)C語言所能夠適用的范圍大而且靈活方便。其中，最主要的因素C語言是大學(xué)期間一直應(yīng)用的編程語言，這種語言相對(duì)匯編語言而言比較簡單易懂。因此，本次設(shè)計(jì)的軟件任務(wù)最終決定選用C語言編程來完成。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，系統(tǒng)軟件各部分功能必須按要求編程。智能家用喚醒系統(tǒng)的軟件部分主要包括：單片機(jī)主控部分、LCD12864液晶顯示部分、時(shí)鐘控制部分、語音播報(bào)、溫度檢測部分、調(diào)光及按鍵部分等[14]。主程序?qū)δ�塊進(jìn)行初始化，而后調(diào)用DS1302時(shí)間處理子程序、讀溫度、處理溫度、顯示、按鍵及語音錄放子程序等模塊。系統(tǒng)的整體程序流程圖如圖9所示。

圖9 流程圖

本系統(tǒng)功能是通過軟件和硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。子程序設(shè)計(jì)包括顯示、時(shí)間、溫度、語音、調(diào)光及按鍵等。各個(gè)模塊所實(shí)現(xiàn)的功能大體可由模塊的流程圖表示，主要介紹顯示、時(shí)間和溫度的工作流程。由于程序較長，所以程序?qū)⒃诟戒洸糠种幸阅�塊的形式全部列出。

LCD顯示子程序的設(shè)計(jì)，程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)需要的信息的顯示，顯示包括時(shí)間及溫度等信息。需要在寫程序時(shí)注意它的讀寫控制指令，對(duì)顯示進(jìn)行初始化，調(diào)用時(shí)間、溫度及農(nóng)歷轉(zhuǎn)公歷等子程序的調(diào)用，將溫度值和時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為液晶字符顯示。通過液晶顯示程序能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)鐘的實(shí)時(shí)顯示以及溫度值的顯示，可以實(shí)現(xiàn)萬年歷功能。使用串口方式將液晶顯示與控制芯片通信，程序比并口方式簡單易實(shí)現(xiàn)。子程序LCD12864顯示模塊子程序的流程圖如圖10所示。

圖10 LCD子程序流程圖

DS1302子程序的設(shè)計(jì),在將時(shí)鐘初始化后寫入時(shí)鐘的初值，時(shí)鐘模塊開始計(jì)時(shí)并讀出數(shù)據(jù)送至顯示器顯示，其流程圖如圖11。

     圖11 DS1302子程序流程圖

DS18B20溫度子程序，主要包括初始化，檢測溫度的存在與否，進(jìn)行讀寫操作并轉(zhuǎn)換讀取溫度，其程序流程圖如圖12所示。

圖12 溫度子程序流程圖

智能家用喚醒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)較大，因而這對(duì)焊接方面而言更是不容輕視。在龐大的電路系統(tǒng)中，在焊接時(shí)出現(xiàn)一點(diǎn)的失誤，后續(xù)的檢測及調(diào)試就不會(huì)順利地進(jìn)行，而且電路在焊接時(shí)線比較多，要盡量避免線與線之間的干擾，若影響較大則會(huì)對(duì)電路造成短路現(xiàn)象[15]。

硬件模塊電路調(diào)試是為了檢測電路中是否會(huì)出現(xiàn)電路不通等情況，同時(shí)也是在檢測各個(gè)元器件之間的連接是否正確。先檢測電源部分的電路，然后依次檢測實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、溫度檢測模塊、顯示模塊及語音模塊等，主要檢測各引腳的連接。經(jīng)過模塊測試后再進(jìn)行整體測試，在該設(shè)計(jì)硬件調(diào)試的過程中，遇到以下問題：

第一，當(dāng)確保硬件電路連接無誤后，系統(tǒng)上電啟動(dòng)后LCD12864不顯示，這樣的情況可能是硬件電路中存在錯(cuò)焊或虛焊，也可能芯片插反導(dǎo)致短路。解決的方法：首先，檢查芯片的供電電壓是否5V，檢查電路有沒有問題；然后，調(diào)節(jié)控制背光的電位器，電位器阻值不合適也會(huì)使所顯示出來的光亮有一定的差異；最后，顯示不是很穩(wěn)定，應(yīng)將單片機(jī)的31引腳接高電平。

第二，電路工作一段時(shí)間后芯片會(huì)發(fā)熱，經(jīng)過仔細(xì)地用萬用表檢查電路，發(fā)現(xiàn)有短路現(xiàn)象。由于在液晶顯示器所接的排阻短路導(dǎo)致此種情況出現(xiàn)，解決的辦法：斷掉短路部分重新連接。

智能家用喚醒系統(tǒng)是多功能的設(shè)計(jì)，當(dāng)前的日期、時(shí)間和溫度都能被液晶顯示器顯示。由于喚醒系統(tǒng)所需的功能較多，因此它的程序編寫也較為復(fù)雜,所以在編寫程序時(shí)各個(gè)模塊的程序相當(dāng)重要，子程序和主程序之間在連接和調(diào)試時(shí)就需要注意邏輯問題。在保證硬件電路無誤時(shí)，對(duì)軟件開始調(diào)試。首先，將系統(tǒng)的整體主程序框架寫出，主流程分為幾個(gè)子程序，分別是溫度、時(shí)鐘、語音、顯示等系列；然后，每個(gè)子程序開始調(diào)試，完成各部分的軟件功能；最后，系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試完成設(shè)計(jì)功能。在經(jīng)過多次的修改程序并調(diào)試完所有的程序后，在實(shí)物上進(jìn)行驗(yàn)證。在調(diào)試過程中遇到了一些問題，在修改時(shí)間時(shí)，農(nóng)歷的顯示沒有自動(dòng)調(diào)整對(duì)應(yīng)上。針對(duì)這一問題，在調(diào)試時(shí)把其他的程序設(shè)置斷點(diǎn)并暫時(shí)屏蔽，將農(nóng)歷轉(zhuǎn)換的子程序進(jìn)行獨(dú)立調(diào)試。這時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)調(diào)用時(shí)間自動(dòng)調(diào)整不能完成更新，十進(jìn)制和十六進(jìn)制的處理不太合理導(dǎo)致時(shí)間出現(xiàn)混亂。最后經(jīng)過進(jìn)制之間的修改調(diào)整使得時(shí)間能正常顯示。

本系統(tǒng)的誤差來源：第一，DS1302時(shí)鐘芯片本身的問題，這個(gè)可以通過測試，確定在一定時(shí)間內(nèi)誤差是多少，可用程序調(diào)節(jié)彌補(bǔ)誤差；第二，系統(tǒng)的外圍器件等帶來的誤差，因此在焊接時(shí)元器件布局要合理，保證線路質(zhì)量，最大程度的減小誤差。第三，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，溫度值的轉(zhuǎn)換沒有經(jīng)過精確的計(jì)算導(dǎo)致溫度的讀取出現(xiàn)了問題，精度不準(zhǔn)，測量的數(shù)值有所偏差，因此需精確計(jì)算溫度，采用軟件實(shí)現(xiàn)。

6結(jié)束語

通過本次智能家用喚醒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，人性化的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得越來越重要。這款基于單片機(jī)的智能喚醒系統(tǒng)從硬件和軟件兩大方面解決了普通鬧鐘的不足，在加入光度調(diào)節(jié)從而使熟睡中的人們能夠在設(shè)定的時(shí)刻醒來。鬧鐘會(huì)在設(shè)定時(shí)間前將喚醒燈打開，調(diào)節(jié)人體生物鐘，在人們淺睡眠時(shí)鬧鐘響起并播報(bào)溫度等信息。該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制芯片，外接時(shí)鐘電路、語音電路、溫度采集電路、自動(dòng)調(diào)光電路等來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。這款智能喚醒系統(tǒng)不僅能夠更人性化的喚醒熟睡中的人們，還能提高人們的工作效率。這次設(shè)計(jì)中，智能家用喚醒系統(tǒng)在仿真時(shí)能夠很好的結(jié)合軟硬件的設(shè)計(jì)，但是在實(shí)際中由于外界因素的干擾，智能喚醒系統(tǒng)無法精確的檢測出溫度示數(shù)，也由于軟件設(shè)計(jì)中延遲不當(dāng)會(huì)影響時(shí)間的不準(zhǔn)確。在實(shí)際操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差，只有不斷地改進(jìn)調(diào)試，在經(jīng)過整體的優(yōu)化才能有所改善。這款較人性化的智能鬧鐘設(shè)計(jì)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了為我們服務(wù)的功能，但難免總是會(huì)存在一定的弊端，溫度模塊檢測的溫度是室內(nèi)溫度，可以通過不斷改進(jìn)測量室外溫度，可以在本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上引入紅外遙控，從而更人性化的為人們服務(wù)。