基于STC单片机的家用无线音乐门铃改进设计

芦皓麟 宋晓松

（天津大学微电子学院 天津市 300072）

1 引言

“常见的门铃有无线门铃和有线门铃，其中有线门铃的室内报警部分只能安装在房门附近，当房主距离房门较远时，可能会不能及时听到门铃的响声，给生活带来很多不便”[1]，因此，随着电子通信技术的普及，无线门铃技术也在不断发展，产品也受到越来越多消费者的青睐。

利用无线门铃可以很好地弥补有线门铃的不足，用户可以根据房屋实际情况在合适的位置安装室内的报警器接收端。我们通过调查测试发现，根据现有文献所提供技术制造的无线门铃，一般无法进行长距离的无线通信。此外，在进行多对一传输时，对于选定的发射端，按下按钮，接收端有时不会接收到信号并做出响应，工作状态不稳定。只有将其他发射端开关全部关闭时，按下选定发射端的按钮，接收端才可正常工作。换言之，即使没有按下发射按钮，发射端只要处于通电状态，不同发射端会对接收端产生信号干扰。同时，发生了明显地耗电情况。这种不稳定的工作状态限制了无线门铃的使用场景，降低用户体验效果。

针对现有技术的不足，本文研究了以STC11F04E 单片机为控制核心，使用无线发射和接收模块，对家用无线音乐门铃电路进行改进优化设计。使其可以进行远距离通信，此外，多个发射、接收端之间，可以进行准确的一一或一多的信号传输，不受其他发射端的信号干扰，并能够提供声、光两种提示信号，支持对音乐曲目进行更换以及提示灯光强的调节。同时，减小了门铃体积，降低制造成本，大大提高了用户体验。

2 硬件电路设计

该系统以STC 单片机为核心，由无线发射电路、无线接收电路、功率放大电路、编码解码电路、按键电路、单片机控制电路等构成。

2.1 无线发射电路

2.1.1 PT2262 编码电路

编码电路采用PT2262 芯片，该芯片是一种采用CMOS 工艺制造的通用的编解码电路,结构简单、使用方便。PT2262 编码芯片发出的编码信号由地址码、同步码、数据码组成。通常情况下一般使用8 位地址码和4 位数据码，这时编码电路PT2262 和解码PT2272的第1 至8 脚为地址设定脚，有悬空、接正、接地三种状态可供选择，从而有3^8=6561 组不重复的地址编码。只有当发射端PT2262和接收端PT2272 的地址编码完全相同时,二者才能配对使用，最终编译好的地址码和数据码从 17 脚串行输出。

PT2262 编码芯片的14 脚为编码确认发送端，低电平有效。在工作过程中，如果14 脚恒为低电平，则编码信号会一直通过17 脚串行输出，只是编码信号内容会根据地址码、数据码的变化而变化。目前现有的技术大多采用上述方法，将自复位开关接在地址码的8个引脚上。在多个发射端和一个接收端间进行传输时，选定一个发射端后，其他发射端的编码信号虽然不能被PT2272 解码芯片正确解码，但会对PT2272 解码芯片的解码工作产生干扰，其表现为通信距离明显缩短。因此，我们希望当自复位开关按下时，PT2262发射信号，而当自复位开关弹起时，PT2262 停止发射信号，这样对于降低干扰增大通信距离有着积极意义。在本设计中，采用将自复位开关连接在14 脚与地之间的方法，当开关按下时，14 脚接地，低电平有效，信号得以发送；当开关弹起时，14 脚不为低电平，信号停止发送。这样不仅能减少信号干扰，增加通信距离，还能降低功耗，满足节能环保的要求。

2.1.2 DF 超再生无线发射模块电路

采用的超再生无线发射模块内部原理，其Data 脚为高电平时，频率为315MHz 的高频发射电路起振并发送等幅高频信号；为低平时315MHz 电路停止工作，因此，电路工作与否完全受PT2262 的17 脚输出的数字信号控制。

2.1.3 工作原理

无线发射电路主要由 PT2262 编码芯片和超再生无线发射模块组成。

整个发射端电路由3 节5 号干电池提供4.5V 电压，电池的开关为整个电路的电源总开关，PT2262 的震荡电阻OSC1 与OSC2引脚接1.2MΩ 电阻，编码确认发射端14 脚通过自复位开关接电源负极，Dout 编码发送端与超再生无线发射模块的Data 脚相连，用于数据传输。PT2262 的A0 脚电源正极相连，LED 二极管的正极引脚与电源正极连接，负极引脚通过120Ω 电阻后与14 脚相连。当自复位开关弹起时，14 脚为高电平，其17 脚为低电平，315MHz的高频发射电路不工作；当自复位开关按下时，14 脚接地成低高电平，LED 灯被点亮，此时PT2262 仅A0 脚为高电平，其余地址脚均悬空，第17 脚为高电平，315MHz 的高频发射电路工作，输出经调制的串行数据信号。

2.2 无线接收电路

2.2.1 解码电路

由DF超再生无线接收模块接收信号后（原理与发射模块相同），将信号传G 给解码电路进行处理。解码电路主要由 PT2272 芯片组成，是与PT2262 配对的解码芯片。PT2272 解码芯片接收到信号后，其地址码需经过两次比较并且核对无误后，VT 脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端的自复位开关一直按下,编码芯片也会连续发射。超再生接收模块接收信号并解调后经功率放大电路一级放大后送到PT2272，当PT2272 的VT 脚输出高电平时，表示解码有效。

2.2.2 功率放大电路

当通信距离较远时，无线发射电路发射的信号会出现明显的信号衰减现象，从而超再生接收模块接收到的信号会出现一定程度上的失真，失真的信号无法被PT2272 解码芯片准确解码，使得无线音乐门铃的通信距离受到一定限制。我们在超再生接收模块后增加一个功率放大电路，经过放大后的信号交由PT2272 解码芯片解码，实现远距离的无线控制。

功率放大电路的核心为LM358 双运算放大器，该运算放大器内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。在电路中只需使用一个运算放大器即可，假设我们采用左侧的运算放大器，工作时3 脚与接收端信号（待放大信号）输出脚相连，2脚同电源负极（参考电位）相连 ，经比较放大后的信号由1 脚输出，这样失真的高电平会被升高到接近电源电压，低电平仍为低电平，从而实现信号放大的作用。

2.2.3 控制电路

控制电路的核心控制芯片采用STC11F04E 单片机，相比于现有技术中使用的STC89 系列单片机，具有高运算速度、低工作电压以及方便烧写、体积小、价格低等优点，这对于缩小无线音乐门铃体积、降低成本有着重要意义。单片机的I/O 脚可以检测外界电压变化，整个控制电路通过检测外界电压变化的次数实现对后续电路的控制。

当按下选曲按钮时，其所对应的I/O 口电压发生变化，单片机检测到特定I/O 电压变化后会最初应答，应答的结果使得对应的I/O 口电压发生变化，从而接收板上的音乐随之切换；由于音乐在播放过程中其音量会有大小的变化，其功率也会发生变化，从而对单片机I/O 脚的输出功率造成影响，其结果使得LED 灯随着音乐播放而闪烁，增强了观赏价值。其中语音播放模块可通过USB 线拷贝歌曲，实现歌曲的自由更换，通过将6、7、8 脚中的任意一脚置为低电平可播放对应歌曲，即可自由切换3 首歌曲。SPK+与SPK-通常接8Ω1W 的喇叭实现声音外放，并可通过串联电位器调节声音大小。

2.2.4 工作原理

接收端电路主要包括无线接收模块、功率放大电路、解码电路、控制电路以及信号提示电路。

整个接收端电路由3 节5 号电池供电4.5V，电池的开关为整个电路的电源总开关，LM358 的3 脚与超再生接收模块的2、3 脚相接，2 脚与电源负极相接，经比较放大的信号由1 脚输出与PT2272的DIN 编码接收端相连。PT2272 的振荡电阻OSC1 与OSC2 引脚接200KΩ，A0 脚直接接电源正极，其余脚悬空。当发射端的电路按钮被按下时，PT2262 与PT2272 地址码相同，PT2272 得以正确解码，VT 脚输出非锁存的高电平信号。

VT 脚与STC11F04E 的I/O 口P1.5 相连，通过检测P1.5 口的电平变化来判断发射端按钮是否被按下。STC11F04E 的RES 复位脚通过自复位开关与电源正极相连，系统可通过自复位按钮手动复位；I/O 口P1.4 脚通过另一个自复位开关与电源正极相连，通过检测I/O 口P1.4 由低电平变为高电平的次数来切换歌曲；I/O 口P1.0与一个LED 灯通过120Ω 接地，I/O 口P1.1、P1.2、P1.3 分别与语音模块的6、7、8 脚相连，当检测到P1.5 脚电平由低电平变为高电平时，P1.0 脚由低电平变为高电平，LED 灯亮起，P1.1、P1.2、P1.3 三脚根据P1.4 脚电平变化次数选择其一为低电平，其余为高电平，播放对应歌曲。10KΩ 的电位器与扬声器串联接在语音模块对应两引脚处，通过改变电位器的阻值可实现音乐声音大小的变化。

此外，一套门铃可由多个发射端和多个接收端组成，以满足不同房型的要求。设计原理和上述一对一的原理相同。只要PT2272解码芯片与PT2262 编码芯片的地址码相同，PT2272 即可正确解码，并在对应的数据脚和VT 脚输出高电平。因此，对于一对多、多对一的门铃系统设计中，根据实际要求采用不同状态的地址编码即可，从而实现多对一的无线控制。

3 软件电路设计

本系统利用STC11F04EI/O 口的电平检测功能进行设计，I/O检测到由于按键导致的电平变化后会做出相应应答，对后面电路进行控制，从而实现按键对于整个电路的间接控制。

当接收电路启动后，整个电路处于对P1.7 脚I/O 口、P1.6 脚I/O 口以及RES 复位口的检测状态：RES 复位口为高电平时，单片机复位，程序从开始执行；P1.4 口变为高电平时，歌曲会切换；P1.5 脚为高电平时，表明有人按下门铃 ，此时P1.0 脚从低电平变为高电平，LED 灯亮起，P1.2-P1.4 脚会根据上面切换结果选择一脚为低电平，其余两脚为高电平，播放对应曲目；P1.5 脚为低电平时，表明无人按下门铃，此时P1.0 脚保持低电平，LED 灯不亮，P1.2-P1.4 脚均为高电平，无音乐；音乐播放结束之后，系统重新回到检测状态。

4 结果与总结

4.1 测试结果

按照上述方案设计出无线音乐门铃，并进测试，得到如下结果：

（1）实现了门铃发射和接收端之间的无线控制，使报警器发出声音；

（2）实现了远距离通信，在按钮和接收端距离直线6m 情况下成功进行信号传输；

（3）实现了按钮和报警器之间一对多、多对一的精确控制，且多个发射端之间不会再产生相互干扰；

（4）实现了报警器多个音乐曲目自由切换、声音大小的调节以及提示灯随一起声音亮起，并在一定时间之后自动熄灭。

4.2 设计总结

目前有关无线音乐门铃的设计大多采用STC89 系列单片机，存在着多个门铃同时工作时产生的信号干扰以及无线通信信号严重衰减造成的通信距离缩短的问题，并且在产品体积、制造成本、功耗等方面有所不足。本设计针对以上不足做了如下改进：

（1）本设计中的控制电路使用了STC11F04E 单片机，作为STC89 系列单片机的升级版，它具有高运算速度、低工作电压以及方便烧写、体积小、价格低的优点，这对于缩小无线音乐门铃体积、降低成本有着重要意义。

（2）本文创新性地将发射端的PT2262 编码芯片的14 脚通过自复位开关接地，使得只有当按钮按下时发射端才会发出信号并被接收端PT2272 解码芯片解码。这样发射端电路处于间歇发射信号的工作状态，加强发射端和接收端的精确控制，保证在按下选定的发射端时，其他发射端处于关断状态，不会对信号传输产生信号干扰。同时降低了发射端电路功耗，有利于节能环保。

（3）通过在接收端与PT2272 之间添加信号放大器，将接收端的微弱信号放大后再传送到PT2272 解码芯片解码，明显提高了通信距离，实现了远距离无线控制，更加满足日常生活的需要。

5 结语

本文以现有技术为基础，针对出现的不足，改进设计了家用无线音乐门铃，对发射端电路进行改进并在接收端增加运算放大器。这样不仅具有无线门铃基本功能，而且在用户安装多块发射、接收模块时，实现了多对一、一对多的精确信号传输，消除其他发射端电路的信号干扰，并解决了通信距离短的问题，实现了远距离通信。同时，缩小了产品体积，降低功耗和制造成本。更好地满足了家庭日常生活的需要，应用范围更广泛，用户体验更好，具有良好的推广应用价值。