基于單片機的樓宇直按可視對講門(mén)鈴系統的設計

0 引言

城市居民樓單元入口大多數是敞開(kāi)著(zhù)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，因此在居民樓道內我們隨處能看到貼于墻上或樓梯臺階上的各類(lèi)紙質(zhì)廣告，也能看到印刷于墻上或樓梯臺階上的各類(lèi)廣告，這既影響了樓道內的衛生，更影響了樓道的美觀(guān)。本文介紹的樓宇防盜直按可視對講門(mén)鈴系統很好的解決了這些問(wèn)題，該系統特別適于居民樓單元入口處防盜門(mén)安裝使用。

1 樓宇直按可視對講門(mén)鈴系統工作原理

圖1 樓宇直按可視對講門(mén)鈴系統工作原理框圖

圖1為其工作原理框圖。該門(mén)鈴系統以單片機AT89C2051作為控制核心，配以視頻采集調理、呼叫鈴音產(chǎn)生調理、主機鍵盤(pán)、音頻輸入后置調理、開(kāi)鎖及控制、音頻輸出前置調理、呼叫檢測、視頻及音頻控制、摘掛機檢測等模塊組成。當來(lái)人按下房號鍵時(shí)，呼叫鈴音產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的鈴音信號經(jīng)鈴音調理模塊調理后，一路經(jīng)主機音頻輸入調理模塊調理送喇叭供來(lái)人聽(tīng)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(shí)送入呼叫檢測模塊，AT89C2051通過(guò) P17腳檢測到門(mén)鈴呼叫信號，其P16腳輸出啟動(dòng)視頻及音頻信號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)辨認不接見(jiàn)來(lái)人，則30s 后P16腳輸出關(guān)視頻及音頻信號；若決定接見(jiàn)來(lái)人，則摘機。AT89C2051通過(guò)P33腳檢測到已摘機，則終止30s定時(shí)進(jìn)入通話(huà)。主人的話(huà)音音頻信號經(jīng)過(guò)前置調理模塊調理后，由AI/O線(xiàn)傳到主機音頻輸入調理模塊調理后送喇叭供來(lái)人聽(tīng)話(huà)，而來(lái)人的話(huà)音音頻信號經(jīng)前置調理模塊調理后混入AI/O線(xiàn)，由分機音頻調理模塊從AI/O線(xiàn)取出調理后送耳機發(fā)聲，完成通話(huà)。主人通過(guò)通話(huà)詢(xún)問(wèn)并從顯示器中觀(guān)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)鎖信號到開(kāi)鎖控制模塊，經(jīng)AI/O線(xiàn)送到門(mén)口主機的開(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，AT89C2051通過(guò)P33 腳檢測到掛機，則P16腳輸出關(guān)視頻及音頻信號，恢復收鈴狀態(tài)。另外，主人還可按主動(dòng)監視鍵，來(lái)顯示來(lái)人或查看門(mén)外的情況。

2 樓宇直按可視對講門(mén)鈴系統硬件電路設計及實(shí)現

b.室內分機

a.室外主機

圖2 樓宇直按可視對講門(mén)鈴系統硬件電路原理圖

圖2所示為該樓宇直按可視對講門(mén)鈴系統硬件電路原理圖。

2.1 呼叫鈴音產(chǎn)生調理模塊設計及實(shí)現

鈴音信號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(xiàn)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。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(gè)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(gè)反相器組成的線(xiàn)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(gè)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(gè)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(wú)房號鍵按下時(shí)，限流電阻R8斷路，因R7的偏壓，Q4截止；當按下房號鍵時(shí)，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(shí)LM386等的工作電壓。

為提高輸出鈴音信號的驅動(dòng)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組成的鈴音調理模塊。當按下房號鍵時(shí)，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(jìn)行放大后從Q3的c極輸出，一路由C5取出，經(jīng) LM386再次放大后送主機喇叭供來(lái)人聽(tīng)呼叫鈴音；另一路由C7取出混入HJK線(xiàn)，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(pán)、呼叫及摘掛機檢測模塊設計及實(shí)現

主機鍵盤(pán)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(lái)人在光線(xiàn)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(pán)光源系統。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(xiàn)強時(shí)，RS阻值很小，Q5截止，LED不發(fā)光，降低了功耗。當光線(xiàn)暗時(shí)，RS阻值很大，Q5的c極輸出電壓，LED發(fā)光。設計時(shí)每個(gè)LED并聯(lián)，這雖增加了主機鍵盤(pán)設計的復雜性，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(lái)人按下房號鍵，由X0X線(xiàn)傳來(lái)的門(mén)鈴呼叫信號一路經(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驅動(dòng)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(kāi)關(guān)、AT89C2051 的P33腳及其上拉電阻R6組成，一旦摘機，壓鍵開(kāi)關(guān)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 視頻采集調理模塊和視頻及音頻控制模塊設計及實(shí)現

視頻采集調理模塊選用工作電壓為DC12V，內部自帶視頻調理的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(xiàn)，無(wú)需其它外圍電路，簡(jiǎn)化了系統電路設計。

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(xiàn)輸入的視頻信號，設計時(shí)選用單刀雙擲電磁繼電器并利用其常開(kāi)觸點(diǎn)，R15對繼電器線(xiàn)圈起限流保護，D3起續流保護。待機時(shí)，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(dòng)監視鍵時(shí)，P16腳輸出低電平，Q4截止，Q5導通使Q7導通，V+線(xiàn)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(xiàn)圈工作電壓和視頻顯示器15V穩壓片的輸入電源；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(xiàn)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(kāi)鎖及其控制模塊設計及實(shí)現

開(kāi)鎖模塊由圖2a中的3V穩壓管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構成。待機時(shí)，即使摘機使壓鍵開(kāi)關(guān)轉換狀態(tài)，但P15腳輸出高電平，Q2導通，Q3截止。因AI/O線(xiàn)上的直流電壓高于Z1的穩定電壓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(xiàn)圈無(wú)電流輸入，防盜門(mén)處于上鎖狀態(tài)。來(lái)人呼叫后，主人摘機并按下開(kāi)鎖鍵，P15腳輸出低電平使Q2截止，Q3導通，AI/O接地，Z1無(wú)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(xiàn)圈，電控鎖動(dòng)作，打開(kāi)防盜門(mén)，完成開(kāi)鎖。

2.5 輸出音頻前置調理模塊設計及實(shí)現

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理模塊。為降低成本，采用三極管9014進(jìn)行兩級調理。主機聲電轉換電路及音頻前置調理模塊由圖2a中的Q6、Q7、R31、R18～R27、C12～C14及傳聲器構成。由VK線(xiàn)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(xiàn)，經(jīng)分機后置調理模塊取出調理后送耳機，供主人聽(tīng)話(huà)。另外該信號還送入主機后置音頻調理模塊調理后供來(lái)人聽(tīng)自己說(shuō)話(huà)。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(xiàn)，經(jīng)主機后置調理模塊取出調理后送喇叭，供來(lái)人聽(tīng)話(huà)。

2.6 輸入音頻后置調理模塊設計及實(shí)現

輸入的音頻信號，因傳輸衰減需再次調理，為此需設計后置調理模塊。設計時(shí)，可選集成運放或專(zhuān)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(zhuān)用音頻集成放大器LM386來(lái)設計。設計的主機輸入音頻后置調理模塊由圖2a中082D的第一個(gè)運放、R28～R36、LM386、 C8～C11、C15～C17組成。由VK線(xiàn)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)運放接成雙端輸入求和運放作為第一級調理。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。

設計的分機輸入音頻后置調理模塊由圖2b中的082D、C5～C8、R20～R27組成。082D的第一個(gè)運放與R24～R27構成雙端輸入求和運放作為第一級調理，輸入音頻信號經(jīng)C8從AI/O線(xiàn)取出送第一級調理的同相端調理后，由C6耦合到由082D的第二個(gè)運放、R22、R23、C7組成的第二級比例運放的同相端進(jìn)行調理，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(mén)鈴室系統軟件設計及實(shí)現

單片機軟件主要完成門(mén)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(lái)人呼叫后及主動(dòng)監視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 ;清呼叫標志位
JNB P3.3,MONK ;摘機呼叫無(wú)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(dòng)監視檢測
DSH30s: CLR P1.6 ;允許對講和視頻顯示
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 ;摘機檢測,若摘機則轉允許通話(huà)
DLY: CALL DELY5ms ;調5ms定時(shí)
DJNZ 76H,DSH1
DJNZ 75H,DSH
CVS: SETB P1.6 ;定時(shí)到,未摘機則關(guān)視頻和對講
LJMP HP
SPK: CLR 24H
UNLK: JB P1.4,HP1 ;開(kāi)鎖檢測
CLR P1.5 ;輸出開(kāi)鎖信號
CALL DELY5ms
SETB P1.5 ;恢復通話(huà)
HP1: JNB P3.3,UNLK ;掛機檢測
LJMP CVS
DELY5ms: MOV 73H,#13 ; 5ms定時(shí)
DLY1: MOV 74H,#191
DJNZ 74H,$
DJNZ 73H,DLY1
RET

4 結束語(yǔ)

該門(mén)鈴系統在唐山市唐?？h等地安裝并經(jīng)長(cháng)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)安裝兩臺分機，且具有呼叫后才能摘機通話(huà)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控制的產(chǎn)品在任何狀態(tài)下，摘機即可通話(huà)、開(kāi)鎖、視頻顯示以及來(lái)人可從室外主機的喇叭聽(tīng)到室內發(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(hù)可視對講門(mén)鈴室內分機的設計,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(xué)出版社,1999.