1、 目 录 摘要 . 1 Abstract . 1 1 引言 . 2 2 设计要求 . 2 3 系统组成 . 3 3.1 设计理论基础 . 3 3.2 方案论证与比较 . 4 4 系统硬件的设计 . 4 4.1 传感器选取与测试 . 4 4.1.1 热敏电阻 . 4 4.1.2 驻极体 . 5 4.2 调理电路的设计 . 5 4.2.1 传感器 . 5 4.2.2 语音放大电路 . 6 4.2.3 比较电路 . 7 4.2.4 状态记忆电路 . 8 4.3 输出与驱动电路设计 . 8 4.3.1 语音集成电路 . 8 4.3.2 LED 显示电路 . 9 4.3.3 单片机控制电路 . 10 4
2、.4 PCB 设计 . 11 5 系统软件设计 . 12 5.1 状态机 . 12 5. 2 系统流程图 . 13 6 系统测试及结果 . 14 6.1 系统测试方法 . 14 6.2 单元电路测试 . 14 6.2.1 传感器测试 . 14 6.2.2 放大电路测试 . 14 6.2.3 比较电路测试 . 15 6.3 系统测试 . 16 6.3.1 语音放大电路测试 . 16 6.3.2 吹熄条件测试电路中的比较电路测试 . 17 6.3.3 语音输出测试 . 17 7 结论 . 18 8 致谢 . 18 参考文献 . 19 附录 . 20 附录 1：语音录制电路图 . 20 附录 2：原
3、理图 . 21 附录 3：实物图 . 22 附录 :4：源程序 . 23 带伴奏的电子蜡烛设计 1 带伴奏的电子蜡烛设计 职业技术教育学院 应用 电子技术教育专业 汪美青（ 07440112） 指导老师：汪劲 摘要 ： 蜡烛最初作为一种照明工具 ， 在人类发展史中起着重要的作用。随着 人们物质生活提高， 蜡烛 已 不再单纯地局限于照明 的 用 途，而已 成为人们营造浪漫温馨生活空间的装饰品和艺术品 。随着电子技术的发展，电子生日 蜡烛 已成为一种电子礼品，其功能也在不断拓展。本毕业设计在电子生日蜡烛的功能基础上，增加了适时伴奏生日快乐歌和鼓掌的功能，以较好地营造生日气氛。毕业设计的系统主要由传
4、感器、放大电路、比较电路，驱动电路、单片机控制电路及语音电路等模块组成，由火烧热敏电阻仿 真点蜡烛，风吹驻极体仿真吹蜡烛。在软件设计上引入了状态机的思想，使程序结构清晰化。 关键词 ：电子礼品；单片机；状态机；语音；控制 A design method of electronic candle with accompaniment Wang Mei-Qing Director wang Jing Abstract： As a kind of initially lighting tools, candle plays an important role in the human develop
5、ment history. With the progress of science and technology, candle is no longer simply confined to lighting as personal consumption goods, and it still can become decoration or art for building romantic and warm living space. Electronic birthday candle has already become a kind of electronic gifts wi
6、th the development of electronic technology, and its functions have been expanded. Graduate design system mainly consists of sensors, amplifying circuit, drive circuit, comparative circuit, a single chip microcomputer control circuit and voice circuit module. Thus, the function of accompanying the s
7、ong of “happy birthday“ and applause is added timely, in order to construct birthday atmosphere preferably. In this system, it can be used to simulate light candle that the temperature of sensor raise to a preset value when the fire is closed to thermistor, and electrets are used to simulated blowin
8、g out the candle. The method of program design introduced state machines thoughts, to make the structure of program simplify and readable. Keyword: electronic candle； microcontroller； state machine； voice； control 带伴奏的电子蜡烛设计 2 1 引言 在远古时代，人们需要照明时，就使用被雷击过并着火的树枝。随着人类智慧的发展，人们开始用纤维物做成灯芯， 只要 不断供油，它就会长明不灭。
9、说到蜡烛，人们认为它的发明应归功于意大利奥维亚多附近的伊特拉斯坎人。这是因为，考古学家在他们的墓葬里找到了迄今最早的一支蜡烛。不过那时的蜡烛，所用的原料与现在的截然不同，它的是在动物身上 油脂中浸泡过的棉麻线。这就是说，蜡烛至少有 2000 年的历史了。 蜡烛最初作为一种照明工具 ,在人类发展史中起着重要的作用。随着人类社会进步和科学技术的发展 ,人们对蜡烛的消费不再单纯地局限于照明作用 ,现代的蜡烛除照明外 ,还能成为人们营造浪漫温馨生活空间的装饰品和艺术品 1。 但普通蜡烛在点燃时，会产生大量黑烟，而且燃烧时间较短，明火也不是十分安全。随着科学技术的不断发展以及市场的需求，厂商运用电子技术
10、设计并生产出了形式各异，功能多样的电子音乐蜡烛。这种蜡烛是在电子仿真蜡烛上，装上电子音乐发音元件，使之在燃烧时 发出优美动听的乐曲，如生日快乐、圣诞曲、婚礼曲等。它是一种富有情趣的送礼佳品。它的外形美观，仿真效果逼真。 生日蜡烛就是其中的一种用法。生日的时候，在蛋糕上点蜡烛源之于古希腊，人们在祭祀月亮女神阿尔特弥的时候，就要点燃橡木火把，后来演变成供奉甜饼并点燃蜡烛。随着时间的推移，古希腊人在庆祝他们孩子的生日时，也总爱在餐桌上摆上糕饼等物，并在上面放很多点燃的小蜡烛，还增加了一项新的活动 吹灭这些燃亮的蜡烛。他们相信燃亮着的蜡烛具有神秘的力量，如果这时让过生日的孩子在心中许下一个愿望，然后一
11、口气吹灭所 有蜡烛的话，那么这个孩子的美好愿望就一定能够实现，于是吹蜡烛成为生日宴上有着吉庆意义的小节目，以后逐渐的发展到不论孩子还是成年人甚至老人的生日宴会或晚会都有出蜡烛这项有趣的活动。直至今天，人们依然用这种方式庆祝生日。 现在的电子生日蜡烛不仅安全性提高，还具有环保性，应用前景也十分广阔。 2 设计要求 设计一 个仿真电子生日蜡烛 ， 具有“点燃”和“吹熄”功能。具体要求： （ 1）“点燃”时播放生日快乐歌，“吹熄”后音乐自动停止，转换成鼓掌声； （ 2） 驻极体接收到的气流信号有时间要求，产生的有效气流宽度至少在30ms； （ 3） 驻极体 MIC 对语音信号敏感度低，而对吹气灵敏度
12、要求较高。 带伴奏的电子蜡烛设计 3 3 系统组成 3.1 设计理论基础 根据设计要求，系统主要由点亮条件测试电路、熄灭条件测试电路、控制电路、音乐存储与驱动电路等几部分组成。 （ 1）点亮条件测试电路 本模块主要采用热敏电阻作为传感器 2，接收到点燃信号后经由运算放大器组成的比较器，产生一有效脉冲输入给触发器，使得触发器状态翻转，作为控制点亮蜡烛的条件。 （ 2）熄灭条件测试电路 本模块主要采用驻极体 MIC 作为传感器，给 MIC 吹气，驻极体话筒输出的音频信号经放大、滤 波后输入，产生对吹气的低频语音信号敏感，而对讲话的高频语音信号不敏感的信号，经比较产生一有效边沿的脉冲信号控制触发器，
13、使得触发器状态翻转，作为吹熄蜡烛的条件。 （ 3）控制电路 本模块主要是根据点亮条件与熄灭条件控制音乐输出和 LED 显示。如果点亮电路起作用，“蜡烛”点亮，同时控制第一段语音的播放，即唱生日快乐歌；在该状态下，对着 MIC 吹，如果熄灭电路起作用，“蜡烛”吹熄，控制第二段语音的播放，即响起鼓掌声。 （ 4）音乐存储与驱动电路 本模块主要是音乐存储电路，将两段音乐录制进芯片当中，当“蜡烛”被点亮时，通过 单片控制小灯亮，并且循环播放第一段语音，即生日快乐歌；当单片机给一个“蜡烛”被吹灭时的信号时，单片机控制灯灭，并且第一段语音停止，转而播放第二段语音，即鼓掌声。因为芯片本身带输出放大电路，故输
14、出端接上喇叭即可。 系统总体框图如图 3-1 所示。 传感器1传感器2比较电路放大电路比 较 电 路触发器L E D显 示电 路语 音电 路控制器图 3-1 系统总体框图 带伴奏的电子蜡烛设计 4 3.2 方案论证与比较 (1) 控制电路设计方案 单片机 3以编程来实现控制，易于修改；单片机的可扩展性强，易于增加其它功能的实现，所以系统采用单片机实现控制器。因为 51 系列单片机资料丰富，教学也以它为例，对该系列的单片机编程较为熟悉， 所以选用 51 单片机设计控制器。 (2) 音乐存储设计方案 按任务要求，一次生日快乐歌和鼓掌声的执行时间需要约 20 秒； ISD1420语音芯片 4有 20
15、 秒语音录放电路；此外，有模拟处理存储方式，使录放音质保真性较高，抑制背景噪音能力强，且断电后语音内容不丢失。电路内部由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。 ISD1420 语音芯片能满足设计要求。 (3) 仿真点亮的方案选取 方案一：传感器采用光敏电阻。该方式采用非接触式仿真，通过光线的亮暗控制仿真蜡烛与语音芯片。该方 式优点是触发点亮动作较简单；缺点为光线太亮会触发动作，即点亮蜡烛。 方案二：传感器采用热敏电阻。利用热敏电阻的阻值随温度变化的原理，可采用热敏电阻仿真点蜡烛的过程。其优点为仿真点蜡烛的动作逼真，信号检测稳定；缺点是火焰直接接触传感
16、器，传感器易于损毁。 经过方案比较，权衡其优缺点，采用热敏电阻通过加热的方式仿真蜡烛点亮。 (4) 仿真吹熄的方案选取 方案一：传感器采用驻极体 MIC，信号放大电路采用三极管或场效应管 5，该方式的优点是原理清晰，结构简单；缺点是构成比较电路需要的元器件较多，故其成本较高，且三极 管的稳定性不好，其性能会随温度的变化而发生改变， 方案二：传感器采用驻极体 MIC，信号放大电路采用运算放大器，由运放构成比较电路比较简单，该方式的优点是稳定性好，多运放的集成电路中多余的运放可应用于其它的用途，因此，在电路系统设计中可降低成本；其不足之处在于 不能够改变内部电路 ，设计不够灵活。 经过方案比较，采
17、用对驻极体吹气仿真蜡烛吹熄，放大电路采用 LM324. 4 系统硬件的设计 4.1 传感器选取与测试 4.1.1 热敏电阻 热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的 温度 敏感元器件 。 热敏电阻由半导体陶瓷 材料组成，温度 变化， 引起电阻变化 。 带伴奏的电子蜡烛设计 5 热敏电阻包括正温度系数（ PTC）和负温度系数（ NTC）热敏电阻，以及临界温度热敏电阻（ CTR） 本设计采用线性负温度系数的热敏电阻，其 电阻 -温度特性 如图 4-1 所示，在有效温度区域电阻随温度线性变化。 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0123456Rt/kt / 图 4-1 电阻 -温度特性曲线
18、4.1.2 驻极体 (a)驻极体的极性问题 驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。由声电转换系统和场效应管两部分组成。它的电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线，漏极 D 接电源正极，源极 S 经 电阻接地，再经一电容作信号输出；漏极输出有两根引出线，漏极 D 经一电阻接至电源正极，再经一电容作信号输出，源极 S 直接接地。所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。 在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极 D 和源极 S。 将万用表拨至 R1k 档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。
19、再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。 (b)驻极体灵敏度测量 将万用表拨至 R 100 档，两表笔分别接话筒两电极（注意不能 错接到话筒的接地极），待万用表显示一定读数后，用嘴对准话筒轻轻吹气（吹气速度慢而均匀），边吹气边观察表针的摆动幅度。吹气瞬间表针摆动幅度越大，话筒灵敏度就越高，送话、录音效果就越好。若摆动幅度不大（微动）或根本不摆动，说明此话筒性能差，不宜应用。 4.2 调理电路的设计 4.2.1 传感器 (1).传感器 1 选择负温度系数的热敏电阻，其连接如图 4-1 所示。考虑电路的工作范围， Rt 选用负温度系数，即随着温度的升高， R
20、t 阻值减小。所以， Ui带伴奏的电子蜡烛设计 6 随温度的升高而减小。 图 4-1 温度 /电压转换电路 (2). 传感器 2 选择信驻极体，其负极接地，正极接一限流电阻后与电源 VCC连接，组成拾音电路，经电容 C1 耦合后得到语音信号，其电路连接如图 4-2 所示。 图 4-2 驻极体拾音电路 4.2.2 语音放大电路 图 4-2 电路中驻极体输出的是一个微弱的交流信号，约为 8mV，所以需要将它进行放大，放大倍数约为 100，电路采用二级放大，每一级的放大倍数约为20dB。为节约电路成本，电路设计采用单电源，所以，应使电路工作于 Vcc/2的静态点，即在放大器的同相端设置一个 Vcc/
21、2 电压，为此，得到语音放大电路如图 4-3 所示。由电路分析可得到，在输入一定幅度的正弦信号时，各点波形如图 4-3 中的 A、 B、 C、 D 所示。 如果电源电压 Vcc 工作在 5V，设定输出 U0 最小值在 2V以下为有效信号，即放大后的幅度应大约 0.5V，保留一定余量，在毕业设计中，选取二级放大，每一级放大器的放大倍数为 10，可以保证在一定输入时，能输出合适的 U0. 图 4-3 中 R18 与 C3 组成了一个低通滤波器，其作用为滤去语音中的高频成分，保留语音中的低频成分 6。电路实现了对讲话的语音信号不太灵敏，而对吹气的信号较为灵敏的功能。 带伴奏的电子蜡烛设计 7 V c
22、 cR 8R 9R 1 2iUR 1 4R 1 3V c cM I C+2/C CV+-+R 1 1R 1 0+-+R 1 7OUR 1 6R 1 42/C CVR 1 5+BCDA+R 1 8C 1C 2C 3图 4-3 语音放大电路 4.2.3 比较电路 设计采用运算器设计比较电路，实现模拟信号到数字信号的转换，该电路工作在开关状态。提高电路的抗干扰能力，采用迟滞比较器，如图 4-4（ a）所示，其特性曲线如图 4-4（ b）所示，可以计算出迟滞比较器的二个阈值 UTH-和 UTH+分别为： OREFTH URR RURR RU 65 565 6 （ 1） )(65 565 6 OR E
23、FTH URR RURR RU （ 2） 在电路中，在常温下， Rt 阻值较大，反相输入端输入 R1 与 Rt 分压后的信号 Ui较大， U0 输出低电平；升温后，随 Rt 减小， Ui减小，当 Ui 减小到 UTH-时，输出 U0 变为高电平。当温度再次升高， Ui增加到 UTH+时，输出 U0 再次变为低电平。 +-+V c cV c cR tR 1R 2R 7R 3R 4R E FUOUiUR 5R 6R 5THU THU iUO（ a） (b) 图 4-4 迟滞比较器组成的蜡烛点亮仿真电路 (a)及迟滞比较器特性曲线 (b) 在语音信号检测通路中的比较电路中，与图 4-4(a)所示电路
24、原理一样，只是带伴奏的电子蜡烛设计 8 输入的信号变成了语音的低频部分。 4.2.4 状态记忆电路 状态记忆电路在系统中有两个作用，其一为使得电路开机后，输出处于初始状态；其二为输入有效电平后，将输入值记忆，提供电路状态转换与否的依据。 状态记忆采用 D 触发器 7芯片 CD4013 实现。如图 4-5 所示，火烧热敏电阻仿真点火及吹驻极体仿真吹熄蜡烛都是短暂的动作，它们接收到的信号也是短暂的，所以就用 D 触发器来对这两个状态进行锁存，使得这两个状态能维持，直到再次触发再改变状态。当 U01 提供一次上升沿，则 D 触发器状态翻转一次，即 J1 由低电平跳变到高电平或从高电平跳变到低电平。另
25、一路 D 触发器有相同的工作过程。 在如图 4-5 电路中，为了实现初始状态的控制，输出 J1 为低电平， J3 为高电平，则在 RD 端接上由电容与电阻组成的复位电路 8，实现上电复位，上电复位时间为约 50ms。 图 4-5 状态记忆电路 4.3 输出与驱动电路设计 4.3.1 语音集成电路 语音芯片分为可编程芯片与固化芯片。固化语音芯片的语音内容不能修改，可编程语音芯片的内容可以根据用户的需要进行自行修改。本设计采用可编程芯片，在语音芯片中录制了生日快乐歌和鼓掌声。语音录制电路如附录一所示。 按任务要求，一次生日快乐歌和鼓掌声的执行时间需要约 20 秒，而 ISD1420语音芯片刚好具有 20 秒的录放容量，所以，本设计选择了 ISD1420 芯片。 芯片的 28管脚是 VCC，通过接一个 PNP型的三极管，基极接电阻后接到单 片机来给语音芯片供电，使得音乐在播放时可随时让它停止； A7-A0为语音电路的地址口，分段录音时的下段录音开始地址可由关系式求得，其关系式为 : TQ=0.125（ 128A7+64A6+32A5+16A4+8A3+4A2+2A1+A0） s （ 3） 第一段语音时长为 14s, 从 0 秒开始录制 ,地址设置为 00000000；第二段语音
