基于单片机AT89C2051
的楼宇直按可视对讲门铃系统的设计
XXX
（物理科学与信息工程学院，湖南吉首416000）
摘要
智能棒宇可视对讲系统是应用了单片机编程技术，串行通信、摄像及视频显示技术而设计的一种访客识别电控信息管理的智能系统。本文介绍了一种用单片机AT89C2501来控制的楼宇直按可视对讲门铃系统的工作原理，并给出了其完整的硬件电路和软件的设计方案与实现方法。为完善系统功能，特增加红外防盗模块，本文并对该模块进行详细的介绍。
关键词：可视对讲门铃；AT89C51单片机；音频和视频信号；串行通信Building straight by visible interphone doorbell system
design Based on AT89c51 Single Chip Microcomputer
XXX
(College of Physics Science and Information Engineering, Jishou,Hunan 416000)
Abstract
Intelligent great yu visible interphone system is applied the microcontroller programming techniques, serial communication, camera and video display technology and design a visitor recognition electronic information intelligent management system. This paper introduces a kind of control with single-chip computer AT89C51 visible the bell system works. And given its complete hardware circuit and software design and realization.
Keywords:Visible interphone doorbell; AT89C51 single chip microcomputer; video collecting and disphy;series communication
目录
摘要 ...................................................................................................................... I Abstract.................................................................................................................. I 第一章绪论.. (1)
第二章楼宇直按可视对讲门铃系统工作原理 (2)
2.1 系统模块组成 (2)
2.2 系统简单功能描述 (2)
第三章硬件电路设计及实现 (4)
3.1 呼叫铃音产生调理模块设计及实现 (5)
3.2 主机键盘、呼叫及摘挂机检测模块设计及实现 (5)
3.3 视频采集调理模块和视频及音频控制模块设计及实现 (6)
3.4 开锁及其控制模块设计及实现 (6)
3.5 输出音频前置调理模块设计及实现 (7)
3.6 输入音频后置调理模块设计及实现 (7)
第四章系统软件设计及实现 (8)
4.1 门口机模块软件设计 (8)
4.2 住户分机模块软件设计 (8)
4.3 键盘软件设计 (8)
第五章结束语 (10)
参考文献 (11)
第一章绪论
随着社会经济的发展．人们越来越追求自己的生活居住质量。可视对讲门铃突破了铃声叫人开门的原始功能，越来越受到了用户的欢迎和喜爱。由8051单片机控制实现的可视对讲门铃，可方便地实现门铃一响即时显示来人影像；双方相互通话；可随时查看室外情况．有多住户群防作用；具有报警功能，能发出报警声和报警信号；监视主动性，室内可监视室外情况，而来人则无法确定室内是否有人。在城市居民日常生活中，防盗门上的门铃用得比较频繁，但这种门铃不具有对讲功能，并且可视性也不好，这给市民的日常生活带来了诸多的不便。例如当有人按门铃时，房主一般走到f-I El，通过防盗门上所谓的“猫眼”来辨认来访者是谁，这不仅费劲．而且当来访者是你不愿接见的人时．由于走动到门口发出的脚步声已告知来访者你在家，有时碍于情面，你不得不接见来访者。
本文介绍的楼宇防盗直按可视对讲门铃系统很好的解决了这些问题，该系统特别适于居民楼单元入口处防盗门安装使用。
第二章楼宇直按可视对讲门铃系统工作原理
2.1 系统模块组成
图2.1 楼宇直按可视对讲门铃系统工作原理框图
该门铃系统以单片机AT89C2051作为控制核心，配以视频采集调理、呼叫铃音产生调理、主机键盘、音频输入后置调理、开锁及控制、音频输出前置调理、呼叫检测、视频及音频控制、摘挂机检测等模块组成。
2.2 系统简单功能描述
当来人按下房号键时，呼叫铃音产生模块产生的铃音信号经铃音调理模块调理后，一路经主机音频输入调理模块调理送喇叭供来人听铃音；另一路经房号键送分机喇叭产生呼叫主人的铃音，同时送入呼叫检测模块，AT89C2051通过P17脚检测到门铃呼叫信号，其P16脚输出启动视频及音频信号到视频及音频控制模块，同时进行30s定时。若主人不在家或通过辨认不接见来人，则30s后P16脚输出关视频及音频信号；若决定接见来人，则摘机。AT89C2051通过P33脚检测到已摘机，则终止30s定时进入通话。主人的话音音频信号经过前置调理模块调理后，由AI/O线传到主机音频输入调理模块调理后送喇叭供来人听话，而来人的话音音频信号经前置调理模块调理后混入AI/O线，由分机音频调理模块从AI/O线取出调理后送耳机发声，完成通话。主人通过通话询问并从显示器中观察来人，决定接见则按下开锁键，AT89C2051检查到后其P15脚输出开锁信号到开锁控制模块，经AI/O线送到门口主机的开锁模块，控制防盗门电控锁动作，门被打开。主人挂机，AT89C2051通过P33脚检测到挂机，则P16脚输出关视频及音频信号，恢复收铃状态。另外，主人还可按主动监视键，来显示来人或查看门外的情况。
室外主机各电路模块的主要功能如下。
电源：负责给主控制器的各部分供电。
键盘：提供按键号码，有主控制器负责处理和传送按键信息等。
显示屏：用来屁示时间．呼叫号码等。
存储器：用来存储摄像头采集的视频，通话记录等。
视频控制：控制CMOS摄像头拍摄的信号，有主控制器控制其模拟量通道的开启。
对讲控制：控制音频信号的采集急模拟量通道的开启。
开锁控制：控制楼门门锁的开启与关闭。
第三章硬件电路设计及实现
b.室内分机
a.室外主机
图3.1 楼宇直按可视对讲门铃系统硬件电路原理图。
3.1 呼叫铃音产生调理模块设计及实现
铃音信号可用软件或硬件模拟合成，也可用集成音乐片。经综合考虑，选用可用于线性放大器和RC振荡器的六反相器4069、配以图2 a中R1～R11、C1～C4、Q1（9014）、Q4（A940）、D2来模拟合成铃音信号。其中C1、C2串联得到0.5μ电容，与R1、R2及4069的1、2两个反相器构成RC振荡电路以产生合成铃音的所需的信号，该信号经4069第3个反相器反相，R3限流送Q1的b极，放大后的信号一路由Q1的e极输出并经R5、R6和4069第6个反相器组成的线性放大器放大后，与Q1的c极输出的一路放大信号混合，再经4069第5个反相器反相，然后与C3从Q1的e极取得的另一路信号混合，最后由4069第4个反相器反相得到合成的模拟铃音信号输出。Q4、R7～R11、C4、D2为4069提供工作电源。当无房号键按下时，限流电阻R8断路，因R7的偏压，Q4截止；当按下房号键时，Q4导通，c极输出电压，一路经R9、R10分压，C4滤波提供4069的工作电压，起到了保护4069的作用；另一路经D2单向截止，R11降压后提供呼叫时LM386等的工作电压。
为提高输出铃音信号的驱动能力和传输距离，设计了图2a中由限流电阻R12～R14、Q2（9015）、Q3（8050）、D1、C5、C7组成的铃音调理模块。当按下房号键时，铃音信号经R12限流后由Q2的e极输入，c极输出到Q3的b极进行放大后从Q3的c极输出，一路由C5取出，经LM386再次放大后送主机喇叭供来人听呼叫铃音；另一路由C7取出混入HJK线，经按下的房号键直接送分机喇叭产生呼叫主人的铃音。D1起单向截止作用。
3.2 主机键盘、呼叫及摘挂机检测模块设计及实现
主机键盘所有房号键的一端连主机的HJK，另一端各自连对应分机的X0X。为便于来人在光线暗淡或夜间辨认房号键，设计了由发光二极管LED构成的键盘光源系统。其控制电路由图2a中的Q5（A940）、限流电阻R15和R16、偏压光敏电阻RS构成。当光线强时，RS阻值很小，Q5截止，LED不发光，降低了功耗。当光线暗时，RS阻值很大，Q5的c极输出电压，LED发光。设计时每个LED并联，这虽增加了主机键盘设计的复杂性，但解决了同类产品因LED串联，一个损坏，其余均不能再提供光源的缺陷。
设计的呼叫检测模块由图2b中的D1、R2、R3、C1、Q1（9014）及AT89C2051的P17 脚及其上拉电阻R1构成。当来人按下房号键，由X0X线传来的门铃呼叫信号一路经喇叭发出门铃呼叫音，另一路经过D1反向截止，R3与C1组成的
充放电电路，由R2驱动Q1导通，使AT89C2051的P17脚的电平由高变低，完成呼叫检测。设计的摘挂机检测模块由图2b中的压键开关、AT89C2051的P33脚及其上拉电阻R6组成，一旦摘机，压键开关转换状态，P33脚的电平由高变低，完成摘机检测。反之，完成挂机检测。
3.3 视频采集调理模块和视频及音频控制模块设计及实现
视频采集调理模块选用工作电压为DC12V，内部自带视频调理的CCD摄像头模块，其输出视频信号传输距离远，直接由图2a中的C18取出后送VI线，无需其它外围电路，简化了系统电路设计。
设计的视频及音频控制模块由图2b中的Q4～Q6（9014）、Q7（A940）、限流电阻R10～R15、偏压电阻R16、D3～D5、继电器、AT89C2051的P16脚及其上拉电阻R9组成。视频显示器选用工作电压为15V的国产4寸黑白扁平显像管模块。为控制VI线输入的视频信号，设计时选用单刀双掷电磁继电器并利用其常开触点，R15对继电器线圈起限流保护，D3起续流保护。待机时，P16脚输出高电平，Q4导通，Q5～Q7截止。当AT89C2051检测到呼叫信号或按主动监视键时，P16脚输出低电平，Q4截止，Q5导通使Q7导通，V+线送来的18V 直流电源经Q7的c极输出，一是提供继电器线圈工作电压和视频显示器15V稳压片的输入电源；一是经D4单向截止提供音频模块输入电源，再经D5单向截止由VK线给主机的摄像头和音频模块提供输入电源。Q6导通，继电器吸合给视频显示器提供视频信号。
3.4 开锁及其控制模块设计及实现
开锁模块由图2a中的3V稳压管Z1、限流电阻R37和R38、Q8（2073）、Q9和Q10（9014）组成。开锁控制模块由图2b中的压键开关、限流电阻R7和R8、Q2和Q3（9014）、AT89C2051的P15脚及其上拉电阻R6构成。待机时，即使摘机使压键开关转换状态，但P15脚输出高电平，Q2导通，Q3截止。因AI/O线上的直流电压高于Z1的稳定电压3V，Z1被击穿，其反向击穿电流使
Q10导通，从而使Q9的b极对地短路而导致Q8截止，电控锁线圈无电流输入，防盗门处于上锁状态。来人呼叫后，主人摘机并按下开锁键，P15脚输出低电平使Q2截止，Q3导通，AI/O接地，Z1无反向击穿电流输出，Q10截止，Q9导通使Q8导通，其c极连接的18V直流电源由e极输出给电控锁线圈，电控锁动作，打开防盗门，完成开锁。
3.5 输出音频前置调理模块设计及实现
声电转换选用了灵敏度高的驻极体传声器，但经传声器转换形成的音频电压信号较弱，不宜直接传输，为此需设计音频前置调理模块。为降低成本，采用三极管9014进行两级调理。主机声电转换电路及音频前置调理模块由图2a中的Q6、Q7、R31、R18～R27、C12～C14及传声器构成。由VK线上送来的受控电源经R18～R20分压，C12滤波为传声器提供工作电压。传声器转换成的音频信号经C13耦合到Q6的b极放大后，由c极直接输出到Q7的b极再次放大后，由C14从Q7的e极取出经R31混合到AI/O线，经分机后置调理模块取出调理后送耳机，供主人听话。另外该信号还送入主机后置音频调理模块调理后供来人听自己说话。模块中R21～R25为Q6、Q7的直流限流电阻，R26、R27分压为Q6提供b极工作电压。分机声电转换电路及音频前置调理模块由图2b中的R27～R35、Q8、Q9、C9～C11及传声器组成。其原理与主机的相同，C9滤掉音频信号的高频部分，放大后的音频信号由Q8的c极输出经R32混合到AI/O 线，经主机后置调理模块取出调理后送喇叭，供来人听话。
3.6 输入音频后置调理模块设计及实现
输入的音频信号，因传输衰减需再次调理，为此需设计后置调理模块。设计时，可选集成运放或专用音频集成放大器。这里选用了可用于音频信号放大的集成双运放082D和专用音频集成放大器LM386来设计。设计的主机输入音频后置调理模块由图2a中082D的第一个运放、R28～R36、LM386、C8～C11、C15～C17组成。由VK线送来的受控电源一路经C15、C16滤波，R33、R34分压提供082D反相端和同相端直流工作电压，另一路经R28降压，C10、C11滤波后提供LM386的工作电压。R35、R31、R32与082D的第一个运放接成双端输入求和运放作为第一级调理。输入音频信号经R30滤直流后，由082D的同相端输入，经第一级调理后由R36限流C17耦合，再经R29和C8滤波后，由LM386的3脚输入，经过20倍放大后由5脚输出，由C9耦合到喇叭发声。
设计的分机输入音频后置调理模块由图2b中的082D、C5～C8、R20～R27组成。082D的第一个运放与R24～R27构成双端输入求和运放作为第一级调理，输入音频信号经C8从AI/O线取出送第一级调理的同相端调理后，由C6耦合到由082D的第二个运放、R22、R23、C7组成的第二级比例运放的同相端进行调理，最后由C5耦合到耳机发声。其中第一级运放直流工作电压由Q8的e极提供，第二级运放同相端直流工作电压由R20、R21分压提供。
第四章系统软件设计及实现
4.1 门口机模块软件设计
本系统的软件部分主要采用主程序调用各个子程序而实现。程序流程图如图2所示。子程序主要包括键盘扫描子程序．键盘识别子程序，显示子程序，错误处理子程序，延时子程序等。门口机最主要的任务之一是对视频和通话通道进行控制管理，因此门口机可以与住户或着管理中心进行通话，同时还提供了另外一个通道专门给住户和管理中心通话或者住户与住户之间的通话．每个通道的通话时间由管理中心进行编程设定。门口机除了连接一个开门控制器外，还增加了一个连锁开门控制器。开门命令的来源有门口机键盘，住户分机以及管理机。也就是说，从门u机键盘输入密码可以控制开门，住户分机和管理机传来的开门命令也可以进行开门控制。
4.2 住户分机模块软件设计
住户分机是整个楼字智能可视对讲系统中最重要的部分之一。住户分机作为系统中一个节点。有自身的输入和输出，其输入包括报警信号的输入，音频控制信号的输入，输出包括发送信号，音频控制信号，扬声器控制信号，住户分机负责对住户的门窗监控，提供信心服务，安全报警，与访客或者其他住户进行通话以及管理员进行可视对讲等服务。
住户分机主程序的功能是通过调用功能模块，检测系统输入，然后根据系统状态进行判断处理．程序在进入主循环之前，首先要进行一些必要的初始化键盘显示初始化．各种输出状态初始化。还需要初始化相关的标志位。另外。有些芯片的上电位复位时间较长，CPU在完成上电复位后，必须等待一定时间．才能对这些芯片进行初始化，否则芯片的初始化可能会无效，导致芯片不能正常工作。住户分机主程序流程图如图3所示。
4.3 键盘软件设计
单片机不断扫描键盘端口。当发现有键按下时，首先要判断是否是抖动引起的，如果是正确是按键按下，先计算当前按下的键值，然后根据键值执行相应的操作，键盘程图如图4所示。
单片机软件主要完成门铃呼叫信号、摘挂机、按键检测及相应控制信号的输出，完成来人呼叫后及主动监视30s定时等功能。用MCS-51语言编写的程序如下：
ORG 0000H
MAIN: MOV SP,#65H
HP: CLR 24H ;清呼叫标志位
JNB P3.3,MONK ;摘机呼叫无效
JB P1.7,MONK ;呼叫检测
SETB 24H ;置呼叫标志位
LJMP DSH30s
MONK: JB P1.3,HP ;主动监视检测
DSH30s: CLR P1.6 ;允许对讲和视频显示
MOV 75H,#40 ;30s定时
DSH: MOV 76H,#150
DSH1: JNB 24H,DLY ;呼叫定时判断
JNB P3.3,SPK ;摘机检测,若摘机则转允许通话
DL Y: CALL DELY5ms ;调5ms定时
DJNZ 76H,DSH1
DJNZ 75H,DSH
CVS: SETB P1.6 ;定时到,未摘机则关视频和对讲
LJMP HP
SPK: CLR 24H
UNLK: JB P1.4,HP1 ;开锁检测
CLR P1.5 ;输出开锁信号
CALL DELY5ms
SETB P1.5 ;恢复通话
HP1: JNB P3.3,UNLK ;挂机检测
LJMP CVS
DELY5ms: MOV 73H,#13 ; 5ms定时
DLY1: MOV 74H,#191
DJNZ 74H,$
DJNZ 73H,DLY1
RET
第五章结束语
其操作简便，与同类产品或其它非单片机控制产品相比，具有可靠性好，故障率低，综合性价比高，一户能同时安装两台分机，且具有呼叫后才能摘机通话和开锁等特点，这很好地解决了同类产品或其它未使用单片机控制的产品在任何状态下，摘机即可通话、开锁、视频显示以及来人可从室外主机的喇叭听到室内发出的声音等缺陷。
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