基于單片機(jī)的樓宇直按可視對(duì)講門(mén)鈴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言

城市居民樓單元入口大多數(shù)是敞開(kāi)著的，這方便了居民的進(jìn)出，但同時(shí)也給居民的生活帶來(lái)了諸多的不便。例如，由于任何人都可隨意進(jìn)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(tái)階上的各類(lèi)紙質(zhì)廣告，也能看到印刷于墻上或樓梯臺(tái)階上的各類(lèi)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(duì)講門(mén)鈴系統(tǒng)很好的解決了這些問(wèn)題，該系統(tǒng)特別適于居民樓單元入口處防盜門(mén)安裝使用。

1 樓宇直按可視對(duì)講門(mén)鈴系統(tǒng)工作原理

圖1 樓宇直按可視對(duì)講門(mén)鈴系統(tǒng)工作原理框圖

圖1為其工作原理框圖。該門(mén)鈴系統(tǒng)以單片機(jī)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(jī)鍵盤(pán)、音頻輸入后置調(diào)理、開(kāi)鎖及控制、音頻輸出前置調(diào)理、呼叫檢測(cè)、視頻及音頻控制、摘掛機(jī)檢測(cè)等模塊組成。當(dāng)來(lái)人按下房號(hào)鍵時(shí)，呼叫鈴音產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的鈴音信號(hào)經(jīng)鈴音調(diào)理模塊調(diào)理后，一路經(jīng)主機(jī)音頻輸入調(diào)理模塊調(diào)理送喇叭供來(lái)人聽(tīng)鈴音；另一路經(jīng)房號(hào)鍵送分機(jī)喇叭產(chǎn)生呼叫主人的鈴音，同時(shí)送入呼叫檢測(cè)模塊，AT89C2051通過(guò) P17腳檢測(cè)到門(mén)鈴呼叫信號(hào)，其P16腳輸出啟動(dòng)視頻及音頻信號(hào)到視頻及音頻控制模塊，同時(shí)進(jìn)行30s定時(shí)。若主人不在家或通過(guò)辨認(rèn)不接見(jiàn)來(lái)人，則30s 后P16腳輸出關(guān)視頻及音頻信號(hào)；若決定接見(jiàn)來(lái)人，則摘機(jī)。AT89C2051通過(guò)P33腳檢測(cè)到已摘機(jī)，則終止30s定時(shí)進(jìn)入通話。主人的話音音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)前置調(diào)理模塊調(diào)理后，由AI/O線傳到主機(jī)音頻輸入調(diào)理模塊調(diào)理后送喇叭供來(lái)人聽(tīng)話，而來(lái)人的話音音頻信號(hào)經(jīng)前置調(diào)理模塊調(diào)理后混入AI/O線，由分機(jī)音頻調(diào)理模塊從AI/O線取出調(diào)理后送耳機(jī)發(fā)聲，完成通話。主人通過(guò)通話詢(xún)問(wèn)并從顯示器中觀察來(lái)人，決定接見(jiàn)則按下開(kāi)鎖鍵，AT89C2051檢查到后其P15腳輸出開(kāi)鎖信號(hào)到開(kāi)鎖控制模塊，經(jīng)AI/O線送到門(mén)口主機(jī)的開(kāi)鎖模塊，控制防盜門(mén)電控鎖動(dòng)作，門(mén)被打開(kāi)。主人掛機(jī)，AT89C2051通過(guò)P33 腳檢測(cè)到掛機(jī)，則P16腳輸出關(guān)視頻及音頻信號(hào)，恢復(fù)收鈴狀態(tài)。另外，主人還可按主動(dòng)監(jiān)視鍵，來(lái)顯示來(lái)人或查看門(mén)外的情況。

2 樓宇直按可視對(duì)講門(mén)鈴系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

b.室內(nèi)分機(jī)

a.室外主機(jī)

圖2 樓宇直按可視對(duì)講門(mén)鈴系統(tǒng)硬件電路原理圖

圖2所示為該樓宇直按可視對(duì)講門(mén)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(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

鈴音信號(hào)可用軟件或硬件模擬合成，也可用集成音樂(lè)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(lái)模擬合成鈴音信號(hào)。其中C1、C2串聯(lián)得到0.5μ電容，與R1、R2及 4069的1、2兩個(gè)反相器構(gòu)成RC振蕩電路以產(chǎn)生合成鈴音的所需的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)4069第3個(gè)反相器反相，R3限流送Q1的b極，放大后的信號(hào)一路由 Q1的e極輸出并經(jīng)R5、R6和4069第6個(gè)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(hào)混合，再經(jīng)4069第5個(gè)反相器反相，然后與C3從Q1的e極取得的另一路信號(hào)混合，最后由4069第4個(gè)反相器反相得到合成的模擬鈴音信號(hào)輸出。Q4、R7～R11、C4、D2為4069提供工作電源。當(dāng)無(wú)房號(hào)鍵按下時(shí)，限流電阻R8斷路，因R7的偏壓，Q4截止；當(dāng)按下房號(hào)鍵時(shí)，Q4導(dǎo)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(hù)4069的作用；另一路經(jīng)D2單向截止，R11降壓后提供呼叫時(shí)LM386等的工作電壓。

為提高輸出鈴音信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力和傳輸距離，設(shè)計(jì)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(dāng)按下房號(hào)鍵時(shí)，鈴音信號(hào)經(jīng)R12限流后由Q2的e極輸入，c極輸出到Q3的b極進(jìn)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(jī)喇叭供來(lái)人聽(tīng)呼叫鈴音；另一路由C7取出混入HJK線，經(jīng)按下的房號(hào)鍵直接送分機(jī)喇叭產(chǎn)生呼叫主人的鈴音。D1起單向截止作用。

2.2 主機(jī)鍵盤(pán)、呼叫及摘掛機(jī)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

主機(jī)鍵盤(pán)所有房號(hào)鍵的一端連主機(jī)的HJK，另一端各自連對(duì)應(yīng)分機(jī)的X0X。為便于來(lái)人在光線暗淡或夜間辨認(rèn)房號(hào)鍵，設(shè)計(jì)了由發(fā)光二極管LED構(gòu)成的鍵盤(pán)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(gòu)成。當(dāng)光線強(qiáng)時(shí)，RS阻值很小，Q5截止，LED不發(fā)光，降低了功耗。當(dāng)光線暗時(shí)，RS阻值很大，Q5的c極輸出電壓，LED發(fā)光。設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)LED并聯(lián)，這雖增加了主機(jī)鍵盤(pán)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，但解決了同類(lèi)產(chǎn)品因LED串聯(lián)，一個(gè)損壞，其余均不能再提供光源的缺陷。

設(shè)計(jì)的呼叫檢測(cè)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(gòu)成。當(dāng)來(lái)人按下房號(hào)鍵，由X0X線傳來(lái)的門(mén)鈴呼叫信號(hào)一路經(jīng)喇叭發(fā)出門(mén)鈴呼叫音，另一路經(jīng)過(guò)D1反向截止，R3與C1組成的充放電電路，由R2驅(qū)動(dòng)Q1導(dǎo)通，使AT89C2051的P17腳的電平由高變低，完成呼叫檢測(cè)。設(shè)計(jì)的摘掛機(jī)檢測(cè)模塊由圖2b中的壓鍵開(kāi)關(guān)、AT89C2051 的P33腳及其上拉電阻R6組成，一旦摘機(jī)，壓鍵開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，P33腳的電平由高變低，完成摘機(jī)檢測(cè)。反之，完成掛機(jī)檢測(cè)。

2.3 視頻采集調(diào)理模塊和視頻及音頻控制模塊設(shè)計(jì)及實(shí)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(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，直接由圖2a中的C18取出后送VI線，無(wú)需其它外圍電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)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(guó)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(hào)，設(shè)計(jì)時(shí)選用單刀雙擲電磁繼電器并利用其常開(kāi)觸點(diǎn)，R15對(duì)繼電器線圈起限流保護(hù)，D3起續(xù)流保護(hù)。待機(jī)時(shí)，P16腳輸出高電平，Q4導(dǎo)通，Q5～Q7截止。當(dāng) AT89C2051檢測(cè)到呼叫信號(hào)或按主動(dòng)監(jiān)視鍵時(shí)，P16腳輸出低電平，Q4截止，Q5導(dǎo)通使Q7導(dǎo)通，V+線送來(lái)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(jī)的攝像頭和音頻模塊提供輸入電源。Q6導(dǎo)通，繼電器吸合給視頻顯示器提供視頻信號(hào)。

2.4 開(kāi)鎖及其控制模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

開(kāi)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(kāi)鎖控制模塊由圖2b中的壓鍵開(kāi)關(guān)、限流電阻R7和R8、Q2和Q3（9014）、AT89C2051的P15腳及其上拉電阻R6構(gòu)成。待機(jī)時(shí)，即使摘機(jī)使壓鍵開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，但P15腳輸出高電平，Q2導(dǎo)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(dǎo)通，從而使Q9的b極對(duì)地短路而導(dǎo)致Q8截止，電控鎖線圈無(wú)電流輸入，防盜門(mén)處于上鎖狀態(tài)。來(lái)人呼叫后，主人摘機(jī)并按下開(kāi)鎖鍵，P15腳輸出低電平使Q2截止，Q3導(dǎo)通，AI/O接地，Z1無(wú)反向擊穿電流輸出，Q10截止，Q9導(dǎo)通使Q8導(dǎo)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(dòng)作，打開(kāi)防盜門(mén)，完成開(kāi)鎖。

2.5 輸出音頻前置調(diào)理模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

聲電轉(zhuǎn)換選用了靈敏度高的駐極體傳聲器，但經(jīng)傳聲器轉(zhuǎn)換形成的音頻電壓信號(hào)較弱，不宜直接傳輸，為此需設(shè)計(jì)音頻前置調(diào)理模塊。為降低成本，采用三極管9014進(jìn)行兩級(jí)調(diào)理。主機(jī)聲電轉(zhuǎn)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(gòu)成。由VK線上送來(lái)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(zhuǎn)換成的音頻信號(hào)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(jī)后置調(diào)理模塊取出調(diào)理后送耳機(jī)，供主人聽(tīng)話。另外該信號(hào)還送入主機(jī)后置音頻調(diào)理模塊調(diào)理后供來(lái)人聽(tīng)自己說(shuō)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(jī)聲電轉(zhuǎn)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(jī)的相同，C9濾掉音頻信號(hào)的高頻部分，放大后的音頻信號(hào)由Q8的c極輸出經(jīng)R32混合到AI/O線，經(jīng)主機(jī)后置調(diào)理模塊取出調(diào)理后送喇叭，供來(lái)人聽(tīng)話。

2.6 輸入音頻后置調(diào)理模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

輸入的音頻信號(hào)，因傳輸衰減需再次調(diào)理，為此需設(shè)計(jì)后置調(diào)理模塊。設(shè)計(jì)時(shí)，可選集成運(yùn)放或?qū)Ｓ靡纛l集成放大器。這里選用了可用于音頻信號(hào)放大的集成雙運(yùn)放082D和專(zhuān)用音頻集成放大器LM386來(lái)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的主機(jī)輸入音頻后置調(diào)理模塊由圖2a中082D的第一個(gè)運(yùn)放、R28～R36、LM386、 C8～C11、C15～C17組成。由VK線送來(lái)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(gè)運(yùn)放接成雙端輸入求和運(yùn)放作為第一級(jí)調(diào)理。輸入音頻信號(hào)經(jīng)R30濾直流后，由082D的同相端輸入，經(jīng)第一級(jí)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(guò) 20倍放大后由5腳輸出，由C9耦合到喇叭發(fā)聲。

設(shè)計(jì)的分機(jī)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(gè)運(yùn)放與R24～R27構(gòu)成雙端輸入求和運(yùn)放作為第一級(jí)調(diào)理，輸入音頻信號(hào)經(jīng)C8從AI/O線取出送第一級(jí)調(diào)理的同相端調(diào)理后，由C6耦合到由082D的第二個(gè)運(yùn)放、R22、R23、C7組成的第二級(jí)比例運(yùn)放的同相端進(jìn)行調(diào)理，最后由C5耦合到耳機(jī)發(fā)聲。其中第一級(jí)運(yùn)放直流工作電壓由Q8的e極提供，第二級(jí)運(yùn)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(duì)講門(mén)鈴室系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)軟件主要完成門(mén)鈴呼叫信號(hào)、摘掛機(jī)、按鍵檢測(cè)及相應(yīng)控制信號(hào)的輸出，完成來(lái)人呼叫后及主動(dòng)監(jiān)視30s定時(shí)等功能。用MCS-51語(yǔ)言編寫(xiě)的程序如下：

ORG 0000H
MAIN: MOV SP,#65H
HP: CLR 24H ;清呼叫標(biāo)志位
JNB P3.3,MONK ;摘機(jī)呼叫無(wú)效
JB P1.7,MONK ;呼叫檢測(cè)
SETB 24H ;置呼叫標(biāo)志位
LJMP DSH30s
MONK: JB P1.3,HP ;主動(dòng)監(jiān)視檢測(cè)
DSH30s: CLR P1.6 ;允許對(duì)講和視頻顯示
MOV 75H,#40 ;30s定時(shí)
DSH: MOV 76H,#150
DSH1: JNB 24H,DLY ;呼叫定時(shí)判斷
JNB P3.3,SPK ;摘機(jī)檢測(cè),若摘機(jī)則轉(zhuǎn)允許通話
DLY: CALL DELY5ms ;調(diào)5ms定時(shí)
DJNZ 76H,DSH1
DJNZ 75H,DSH
CVS: SETB P1.6 ;定時(shí)到,未摘機(jī)則關(guān)視頻和對(duì)講
LJMP HP
SPK: CLR 24H
UNLK: JB P1.4,HP1 ;開(kāi)鎖檢測(cè)
CLR P1.5 ;輸出開(kāi)鎖信號(hào)
CALL DELY5ms
SETB P1.5 ;恢復(fù)通話
HP1: JNB P3.3,UNLK ;掛機(jī)檢測(cè)
LJMP CVS
DELY5ms: MOV 73H,#13 ; 5ms定時(shí)
DLY1: MOV 74H,#191
DJNZ 74H,$
DJNZ 73H,DLY1
RET

4 結(jié)束語(yǔ)

該門(mén)鈴系統(tǒng)在唐山市唐?？h等地安裝并經(jīng)長(zhǎng)期使用表明：其操作簡(jiǎn)便，與同類(lèi)產(chǎn)品或其它非單片機(jī)控制產(chǎn)品相比，具有可靠性好，故障率低，綜合性?xún)r(jià)比高，一戶(hù)能同時(shí)安裝兩臺(tái)分機(jī)，且具有呼叫后才能摘機(jī)通話和開(kāi)鎖等特點(diǎn)，這很好地解決了同類(lèi)產(chǎn)品或其它未使用單片機(jī)控制的產(chǎn)品在任何狀態(tài)下，摘機(jī)即可通話、開(kāi)鎖、視頻顯示以及來(lái)人可從室外主機(jī)的喇叭聽(tīng)到室內(nèi)發(fā)出的聲音等缺陷。

參 考 文 獻(xiàn)：
[1]夏方林,基于單片機(jī)AT89C51的單戶(hù)可視對(duì)講門(mén)鈴室內(nèi)分機(jī)的設(shè)計(jì),微計(jì)算機(jī)信息, 2004,10.
[2] AT89C2051單片機(jī)資料
[3] 王港元,電子技能基礎(chǔ),成都科技大學(xué)出版社,1999.