基于單片機的樓宇直按可視對講門鈴系統
摘要： 該門鈴系統以單片機AT89C2051作為控制核心，配以視頻采集調理、呼叫鈴音產生調理、主機鍵盤、音頻輸入后置調理、開鎖及控制、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。
Abstract：
Key words :
城市居民樓單元入口大多數是敞開著的，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，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，這既影響了樓道內的衛生，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很好的解決了這些問題，該系統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工作原理
圖1為其工作原理框圖。該門鈴系統以單片機AT89C2051作為控制核心，配以視頻采集調理、呼叫鈴音產生調理、主機鍵盤、音頻輸入后置調理、開鎖及控制、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。當來人按下房號鍵時，呼叫鈴音產生模塊產生的鈴音信號經鈴音調理模塊調理后，一路經主機音頻輸入調理模塊調理送喇叭供來人聽鈴音；另一路經房號鍵送分機喇叭產生呼叫主人的鈴音，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過前置調理模塊調理后，由AI/O線傳到主機音頻輸入調理模塊調理后送喇叭供來人聽話，而來人的話音音頻信號經前置調理模塊調理后混入AI/O線，由分機音頻調理模塊從AI/O線取出調理后送耳機發聲，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。另外，主人還可按主動監視鍵，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硬件電路設計及實現
圖2所示為該樓宇直按可視對講門鈴系統硬件電路原理圖。
2.1 呼叫鈴音產生調理模塊設計及實現
鈴音信號可用軟件或硬件模擬合成，也可用集成音樂片。經綜合考慮，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振蕩電路以產生合成鈴音的所需的信號，該信號經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組成的鈴音調理模塊。當按下房號鍵時，鈴音信號經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 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，經按下的房號鍵直接送分機喇叭產生呼叫主人的鈴音。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
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，設計了由發光二極管LED構成的鍵盤光源系統。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。當光線強時，RS阻值很小，Q5截止，LED不發光，降低了功耗。當光線暗時，RS阻值很大，Q5的c極輸出電壓，LED發光。設計時每個LED并聯，這雖增加了主機鍵盤設計的復雜性，但解決了同類產品因LED串聯，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喇叭發出門鈴呼叫音，另一路經過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，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，無需其它外圍電路，簡化了系統電路設計。
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穩壓片的輸入電源；一是經D4單向截止提供音頻模塊輸入電源，再經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
開鎖模塊由圖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，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。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 輸出音頻前置調理模塊設計及實現
聲電轉換選用了靈敏度高的駐極體傳聲器，但經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線上送來的受控電源經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R31混合到AI/O線，經分機后置調理模塊取出調理后送耳機，供主人聽話。另外該信號還送入主機后置音頻調理模塊調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R32混合到AI/O線，經主機后置調理模塊取出調理后送喇叭，供來人聽話。
2.6 輸入音頻后置調理模塊設計及實現
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，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理。輸入音頻信號經R30濾直流后，由082D的同相端輸入，經第一級調理后由R36限流C17耦合，再經R29和C8濾波后，由LM386的3腳輸入，經過 20倍放大后由5腳輸出，由C9耦合到喇叭發聲。
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C8從AI/O線取出送第一級調理的同相端調理后，由C6耦合到由082D的第二個運放、R22、R23、C7組成的第二級比例運放的同相端進行調理，最后由C5耦合到耳機發聲。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軟件設計及實現
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
該門鈴系統在唐山市唐?？h等地安裝并經長期使用表明：其操作簡便，與同類產品或其它非單片機控制產品相比，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品或其它未使用單片機控制的產品在任何狀態下，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發出的聲音等缺陷。
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.
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