基于單片機的樓宇直按可視對講門鈴系統(tǒng)的設計

0 引言

城市居民樓單元入口大多數(shù)是敞開著的，這方便了居民的進出，但同時也給居民的生活帶來了諸多的不便。例如，由于任何人都可隨意進入居民樓道內(nèi)，因此在居民樓道內(nèi)我們隨處能看到貼于墻上或樓梯臺階上的各類紙質廣告，也能看到印刷于墻上或樓梯臺階上的各類廣告，這既影響了樓道內(nèi)的衛(wèi)生，更影響了樓道的美觀。本文介紹的樓宇防盜直按可視對講門鈴系統(tǒng)很好的解決了這些問題，該系統(tǒng)特別適于居民樓單元入口處防盜門安裝使用。

1 樓宇直按可視對講門鈴系統(tǒng)工作原理

圖1 樓宇直按可視對講門鈴系統(tǒng)工作原理框圖

圖1為其工作原理框圖。該門鈴系統(tǒng)以單片機AT89C2051作為控制核心，配以視頻采集調(diào)理、呼叫鈴音產(chǎn)生調(diào)理、主機鍵盤、音頻輸入后置調(diào)理、開鎖及控制、音頻輸出前置調(diào)理、呼叫檢測、視頻及音頻控制、摘掛機檢測等模塊組成。當來人按下房號鍵時，呼叫鈴音產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的鈴音信號經(jīng)鈴音調(diào)理模塊調(diào)理后，一路經(jīng)主機音頻輸入調(diào)理模塊調(diào)理送喇叭供來人聽鈴音；另一路經(jīng)房號鍵送分機喇叭產(chǎn)生呼叫主人的鈴音，同時送入呼叫檢測模塊，AT89C2051通過 P17腳檢測到門鈴呼叫信號，其P16腳輸出啟動視頻及音頻信號到視頻及音頻控制模塊，同時進行30s定時。若主人不在家或通過辨認不接見來人，則30s 后P16腳輸出關視頻及音頻信號；若決定接見來人，則摘機。AT89C2051通過P33腳檢測到已摘機，則終止30s定時進入通話。主人的話音音頻信號經(jīng)過前置調(diào)理模塊調(diào)理后，由AI/O線傳到主機音頻輸入調(diào)理模塊調(diào)理后送喇叭供來人聽話，而來人的話音音頻信號經(jīng)前置調(diào)理模塊調(diào)理后混入AI/O線，由分機音頻調(diào)理模塊從AI/O線取出調(diào)理后送耳機發(fā)聲，完成通話。主人通過通話詢問并從顯示器中觀察來人，決定接見則按下開鎖鍵，AT89C2051檢查到后其P15腳輸出開鎖信號到開鎖控制模塊，經(jīng)AI/O線送到門口主機的開鎖模塊，控制防盜門電控鎖動作，門被打開。主人掛機，AT89C2051通過P33 腳檢測到掛機，則P16腳輸出關視頻及音頻信號，恢復收鈴狀態(tài)。另外，主人還可按主動監(jiān)視鍵，來顯示來人或查看門外的情況。

2 樓宇直按可視對講門鈴系統(tǒng)硬件電路設計及實現(xiàn)

b.室內(nèi)分機

a.室外主機

圖2 樓宇直按可視對講門鈴系統(tǒng)硬件電路原理圖

圖2所示為該樓宇直按可視對講門鈴系統(tǒng)硬件電路原理圖。

2.1 呼叫鈴音產(chǎn)生調(diào)理模塊設計及實現(xiàn)

鈴音信號可用軟件或硬件模擬合成，也可用集成音樂片。經(jīng)綜合考慮，選用可用于線性放大器和RC振蕩器的六反相器4069、配以圖2 a中R1～R11、C1～C4、Q1（9014）、Q4（A940）、D2來模擬合成鈴音信號。其中C1、C2串聯(lián)得到0.5μ電容，與R1、R2及 4069的1、2兩個反相器構成RC振蕩電路以產(chǎn)生合成鈴音的所需的信號，該信號經(jīng)4069第3個反相器反相，R3限流送Q1的b極，放大后的信號一路由 Q1的e極輸出并經(jīng)R5、R6和4069第6個反相器組成的線性放大器放大后，與Q1的c極輸出的一路放大信號混合，再經(jīng)4069第5個反相器反相，然后與C3從Q1的e極取得的另一路信號混合，最后由4069第4個反相器反相得到合成的模擬鈴音信號輸出。Q4、R7～R11、C4、D2為4069提供工作電源。當無房號鍵按下時，限流電阻R8斷路，因R7的偏壓，Q4截止；當按下房號鍵時，Q4導通，c極輸出電壓，一路經(jīng)R9、R10分壓，C4濾波提供 4069的工作電壓，起到了保護4069的作用；另一路經(jīng)D2單向截止，R11降壓后提供呼叫時LM386等的工作電壓。

為提高輸出鈴音信號的驅動能力和傳輸距離，設計了圖2a中由限流電阻R12～R14、Q2（9015）、Q3（8050）、D1、C5、C7組成的鈴音調(diào)理模塊。當按下房號鍵時，鈴音信號經(jīng)R12限流后由Q2的e極輸入，c極輸出到Q3的b極進行放大后從Q3的c極輸出，一路由C5取出，經(jīng) LM386再次放大后送主機喇叭供來人聽呼叫鈴音；另一路由C7取出混入HJK線，經(jīng)按下的房號鍵直接送分機喇叭產(chǎn)生呼叫主人的鈴音。D1起單向截止作用。

2.2 主機鍵盤、呼叫及摘掛機檢測模塊設計及實現(xiàn)

主機鍵盤所有房號鍵的一端連主機的HJK，另一端各自連對應分機的X0X。為便于來人在光線暗淡或夜間辨認房號鍵，設計了由發(fā)光二極管LED構成的鍵盤光源系統(tǒng)。其控制電路由圖2a中的Q5（A940）、限流電阻R15和R16、偏壓光敏電阻RS構成。當光線強時，RS阻值很小，Q5截止，LED不發(fā)光，降低了功耗。當光線暗時，RS阻值很大，Q5的c極輸出電壓，LED發(fā)光。設計時每個LED并聯(lián)，這雖增加了主機鍵盤設計的復雜性，但解決了同類產(chǎn)品因LED串聯(lián)，一個損壞，其余均不能再提供光源的缺陷。

設計的呼叫檢測模塊由圖2b中的D1、R2、R3、C1、Q1（9014）及AT89C2051的P17 腳及其上拉電阻R1構成。當來人按下房號鍵，由X0X線傳來的門鈴呼叫信號一路經(jīng)喇叭發(fā)出門鈴呼叫音，另一路經(jīng)過D1反向截止，R3與C1組成的充放電電路，由R2驅動Q1導通，使AT89C2051的P17腳的電平由高變低，完成呼叫檢測。設計的摘掛機檢測模塊由圖2b中的壓鍵開關、AT89C2051 的P33腳及其上拉電阻R6組成，一旦摘機，壓鍵開關轉換狀態(tài)，P33腳的電平由高變低，完成摘機檢測。反之，完成掛機檢測。

2.3 視頻采集調(diào)理模塊和視頻及音頻控制模塊設計及實現(xiàn)

視頻采集調(diào)理模塊選用工作電壓為DC12V，內(nèi)部自帶視頻調(diào)理的CCD攝像頭模塊，其輸出視頻信號傳輸距離遠，直接由圖2a中的C18取出后送VI線，無需其它外圍電路，簡化了系統(tǒng)電路設計。

設計的視頻及音頻控制模塊由圖2b中的Q4～Q6（9014）、Q7（A940）、限流電阻R10～R15、偏壓電阻R16、D3～D5、繼電器、 AT89C2051的P16腳及其上拉電阻R9組成。視頻顯示器選用工作電壓為15V的國產(chǎn)4寸黑白扁平顯像管模塊。為控制VI線輸入的視頻信號，設計時選用單刀雙擲電磁繼電器并利用其常開觸點，R15對繼電器線圈起限流保護，D3起續(xù)流保護。待機時，P16腳輸出高電平，Q4導通，Q5～Q7截止。當 AT89C2051檢測到呼叫信號或按主動監(jiān)視鍵時，P16腳輸出低電平，Q4截止，Q5導通使Q7導通，V+線送來的18V直流電源經(jīng)Q7的c極輸出，一是提供繼電器線圈工作電壓和視頻顯示器15V穩(wěn)壓片的輸入電源；一是經(jīng)D4單向截止提供音頻模塊輸入電源，再經(jīng)D5單向截止由VK線給主機的攝像頭和音頻模塊提供輸入電源。Q6導通，繼電器吸合給視頻顯示器提供視頻信號。

2.4 開鎖及其控制模塊設計及實現(xiàn)

開鎖模塊由圖2a中的3V穩(wěn)壓管Z1、限流電阻R37和R38、Q8（2073）、Q9和Q10（9014）組成。開鎖控制模塊由圖2b中的壓鍵開關、限流電阻R7和R8、Q2和Q3（9014）、AT89C2051的P15腳及其上拉電阻R6構成。待機時，即使摘機使壓鍵開關轉換狀態(tài)，但P15腳輸出高電平，Q2導通，Q3截止。因AI/O線上的直流電壓高于Z1的穩(wěn)定電壓3V，Z1被擊穿，其反向擊穿電流使Q10導通，從而使Q9的b極對地短路而導致Q8截止，電控鎖線圈無電流輸入，防盜門處于上鎖狀態(tài)。來人呼叫后，主人摘機并按下開鎖鍵，P15腳輸出低電平使Q2截止，Q3導通，AI/O接地，Z1無反向擊穿電流輸出，Q10截止，Q9導通使Q8導通，其c極連接的18V直流電源由e極輸出給電控鎖線圈，電控鎖動作，打開防盜門，完成開鎖。

2.5 輸出音頻前置調(diào)理模塊設計及實現(xiàn)

聲電轉換選用了靈敏度高的駐極體傳聲器，但經(jīng)傳聲器轉換形成的音頻電壓信號較弱，不宜直接傳輸，為此需設計音頻前置調(diào)理模塊。為降低成本，采用三極管9014進行兩級調(diào)理。主機聲電轉換電路及音頻前置調(diào)理模塊由圖2a中的Q6、Q7、R31、R18～R27、C12～C14及傳聲器構成。由VK線上送來的受控電源經(jīng)R18～R20分壓，C12濾波為傳聲器提供工作電壓。傳聲器轉換成的音頻信號經(jīng)C13耦合到Q6的b極放大后，由c極直接輸出到Q7的 b極再次放大后，由C14從Q7的e極取出經(jīng)R31混合到AI/O線，經(jīng)分機后置調(diào)理模塊取出調(diào)理后送耳機，供主人聽話。另外該信號還送入主機后置音頻調(diào)理模塊調(diào)理后供來人聽自己說話。模塊中R21～R25為Q6、Q7的直流限流電阻，R26、R27分壓為Q6提供b極工作電壓。

分機聲電轉換電路及音頻前置調(diào)理模塊由圖2b中的R27～R35、Q8、Q9、C9～C11及傳聲器組成。其原理與主機的相同，C9濾掉音頻信號的高頻部分，放大后的音頻信號由Q8的c極輸出經(jīng)R32混合到AI/O線，經(jīng)主機后置調(diào)理模塊取出調(diào)理后送喇叭，供來人聽話。

2.6 輸入音頻后置調(diào)理模塊設計及實現(xiàn)

輸入的音頻信號，因傳輸衰減需再次調(diào)理，為此需設計后置調(diào)理模塊。設計時，可選集成運放或專用音頻集成放大器。這里選用了可用于音頻信號放大的集成雙運放082D和專用音頻集成放大器LM386來設計。設計的主機輸入音頻后置調(diào)理模塊由圖2a中082D的第一個運放、R28～R36、LM386、 C8～C11、C15～C17組成。由VK線送來的受控電源一路經(jīng)C15、C16濾波，R33、R34分壓提供082D反相端和同相端直流工作電壓，另一路經(jīng)R28降壓，C10、C11濾波后提供LM386的工作電壓。R35、R31、R32與082D的第一個運放接成雙端輸入求和運放作為第一級調(diào)理。輸入音頻信號經(jīng)R30濾直流后，由082D的同相端輸入，經(jīng)第一級調(diào)理后由R36限流C17耦合，再經(jīng)R29和C8濾波后，由LM386的3腳輸入，經(jīng)過 20倍放大后由5腳輸出，由C9耦合到喇叭發(fā)聲。

設計的分機輸入音頻后置調(diào)理模塊由圖2b中的082D、C5～C8、R20～R27組成。082D的第一個運放與R24～R27構成雙端輸入求和運放作為第一級調(diào)理，輸入音頻信號經(jīng)C8從AI/O線取出送第一級調(diào)理的同相端調(diào)理后，由C6耦合到由082D的第二個運放、R22、R23、C7組成的第二級比例運放的同相端進行調(diào)理，最后由C5耦合到耳機發(fā)聲。其中第一級運放直流工作電壓由Q8的e極提供，第二級運放同相端直流工作電壓由R20、R21 分壓提供。

3 樓宇直按可視對講門鈴室系統(tǒng)軟件設計及實現(xiàn)

單片機軟件主要完成門鈴呼叫信號、摘掛機、按鍵檢測及相應控制信號的輸出，完成來人呼叫后及主動監(jiān)視30s定時等功能。用MCS-51語言編寫的程序如下：

ORG 0000H
MAIN: MOV SP,#65H
HP: CLR 24H ;清呼叫標志位
JNB P3.3,MONK ;摘機呼叫無效
JB P1.7,MONK ;呼叫檢測
SETB 24H ;置呼叫標志位
LJMP DSH30s
MONK: JB P1.3,HP ;主動監(jiān)視檢測
DSH30s: CLR P1.6 ;允許對講和視頻顯示
MOV 75H,#40 ;30s定時
DSH: MOV 76H,#150
DSH1: JNB 24H,DLY ;呼叫定時判斷
JNB P3.3,SPK ;摘機檢測,若摘機則轉允許通話
DLY: CALL DELY5ms ;調(diào)5ms定時
DJNZ 76H,DSH1
DJNZ 75H,DSH
CVS: SETB P1.6 ;定時到,未摘機則關視頻和對講
LJMP HP
SPK: CLR 24H
UNLK: JB P1.4,HP1 ;開鎖檢測
CLR P1.5 ;輸出開鎖信號
CALL DELY5ms
SETB P1.5 ;恢復通話
HP1: JNB P3.3,UNLK ;掛機檢測
LJMP CVS
DELY5ms: MOV 73H,#13 ; 5ms定時
DLY1: MOV 74H,#191
DJNZ 74H,$
DJNZ 73H,DLY1
RET

4 結束語

該門鈴系統(tǒng)在唐山市唐海縣等地安裝并經(jīng)長期使用表明：其操作簡便，與同類產(chǎn)品或其它非單片機控制產(chǎn)品相比，具有可靠性好，故障率低，綜合性價比高，一戶能同時安裝兩臺分機，且具有呼叫后才能摘機通話和開鎖等特點，這很好地解決了同類產(chǎn)品或其它未使用單片機控制的產(chǎn)品在任何狀態(tài)下，摘機即可通話、開鎖、視頻顯示以及來人可從室外主機的喇叭聽到室內(nèi)發(fā)出的聲音等缺陷。

參 考 文 獻：
[1]夏方林,基于單片機AT89C51的單戶可視對講門鈴室內(nèi)分機的設計,微計算機信息, 2004,10.
[2] AT89C2051單片機資料
[3] 王港元,電子技能基礎,成都科技大學出版社,1999.