楼宇对讲机分机电路的设计.docx
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楼宇对讲机分机电路的设计
毕业设计（论文）
楼宇对讲机分机电路的设计
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2009年6月
摘要
鉴于目前市场上已出现种类繁多的楼宇对讲机,本文主要论述了由AT89C51单片机构成的楼宇对讲机分机电路的设计过程，分析了楼宇对讲机分机的硬件组成，并详细介绍了各部分电路的工作原理。
客人可以通过单元楼门口的数字键盘，选择欲访问的住户，通过语音电路，实现系统的对讲功能。
另外，住户还可以电控开启门锁，访客通过数字键盘呼叫住户，得到住户的同意后访客才能进入楼内，从而限制了非法人员的进入。
同时，若遇突发事件，住户亦可以通过该系统通知保安人员已得到及时的支援和处理。
测试结果表明,该线路失真率低于市场上同类产品。
同时该机型结构简单小巧,操作方便,具有良好的实时性和快速性,因此具有良好的实用性。
关键字：
楼宇，对讲机，单片机
Abstract
Sincethepresentmarkethasvariouskindsofbuildinginterphone,thispaperbrieflyintroducesthecompositionofthebuildingbyAT89C51extensioncircuitstructureandinterphone,analysestheworkingprocessofbuildinginterphoneextensionofhardware,andintroducestheworkingprincipleofeachpartcircuit.GuestscanChanYuanLouthroughthedigitalkeyboard,choosetovisitresident,throughthevoicecircuits,realizethesystemfunction.Inaddition,residentscanalsoopenlocks,visitorsthroughtheelectronicdigitalkeyboard,theresidentcalledresidentsagreedtoenterthebuilding,visitorstolimittheillegalworkers.Atthesametime,ifencounteremergencies,residentsmayalsonotifysecuritypersonnelthroughthissystemhasbeentimelysupportandprocessing.Testresultsshowthatthecircuitdistortionratebelowmarketsimilarproducts.Throughphysicaltestandthetypeofsimplestructure,convenientoperation,compactwithgoodreal-timeandquickness,thereforehasbetterpracticability.
Keywords:
building,interphone,SCM
第一章引言
1.1课题的背景和意义
楼宇对讲系统在国内的发展虽然时间不长，但由于其市场前景被商家们一致看好，时至今日，生产厂商已猛增至250家左右。
楼宇对讲已经与电视监控、防盗报警、门禁管理、智能停车场等共同组成了安防产业。
由于社会的进步，人类生活模式和思维模式的和改变，加之，随着经济的发展，社会阶层的分化加剧，社会治安情况的不容乐观，监控服务成为安防产业重要的技术支撑手段。
基于网络的可视对讲研究，将更加有利于提高市场竞争优势，提高自动化管理水平，提升管理效益。
可视对讲系统根据信道中传输的信号分为：
数字型和模拟型两种。
数字型系统传输的是数字信号如声音、图像数字信号，但数字信号要受到频率带宽和处理机运算速率的影响。
一般来说，数字信号传输中不可避免存在语音或图像信号的延时，出现语音或画面停顿现象。
如果采用高速处理器和优秀的压缩算法以及足够的带宽技术，例如：
采用DSP和FPGA作为处理机，工作在30M高速环境，并采用32位高速A/D和D/A转换芯片，同时采用优秀的语音和图像压缩算法，将可以生产出高性能的数字系统。
但是一个好的产品的市场推广价格因素具有重要的地位，数字系统由于需要高性能的芯片以及优秀的压缩算法，所以一般需要很高的价格，数字系统的市场价格大大高于模拟系统，这就是数字系统很难市场推广的理由。
而采用微处理器控制的模拟通信可视对讲系统却具有很大的市场，该系统在延时性、抗干扰性、低价位、易调试等方面具有显著的优势。
1.2近年来国内外研究的现状
对讲系统从上个世纪90年代兴起于日本和欧美，在欧美国家、香港、台湾等地区己经采用了近20年，国外的可视对讲产品主要有韩国和日本品牌。
自从1992年起，国外的楼宇对讲产品制造商，陆续到中国大陆开拓市场。
楼宇对讲产品最早进入国内市场的是单户型与单元型楼宇对讲产品，并且功能比较单一，只能简单实现访客系统的基本功能。
自从2000年以来，有实力的生产厂家集中
开发联网型楼宇智能产品，楼宇智能系统的集成度越来越高，首先实现了多门口机与多管理机系统，接着集成了安防报警、小区服务及信息发布等功能，另外还有一些厂家还集成了三表远抄、监控以及巡更等系统，产品的性能也有进一步提高。
对讲系统的数字化、网络化、信息化以及智能化是楼宇监控今后发展的主要方向。
当前采用的可视对讲系统是通过遥控摄像机及其辅助设备（如镜头，云台等）直接监看被监视场所的情况，把被监视场所的图像和声音传送到监控中心，用长时间录像机将图像记录在录像带上，为突发事件的及时反应和以后处理提供了方便条件和重要依据。
虽然闭路电视监控系统在银行、商场等公共场所应用广泛，但是在居住小区和楼宇公共安全防范系统中的应用却很少，一个重要的原因就是闭路电视监控系统所需的多画面分割器、长时间录像机等硬件设备价格昂贵。
随着可视对讲产品成本的进一步降低、市场继续扩大、新技术的不断引入，可视对讲产品的功能也日趋多元化。
如门口机模块中引入图像识别技术、指纹识别技术使系统更加人性化;采用音频和视频数字化技术、ARM嵌入式技术可以使系统直接接入宽带网络;采用蓝牙技术可以实现免布线的无线楼宇对讲系统等网。
目前，规模较大的生产厂家在销售、工程安装、服务方面的成本居高不下，然而随着产品日趋标准化，工程安装服务社会化，产品成本也会逐步降低。
总之，楼宇可视对讲产品的发展已经到了一个全新的阶段，但是还有很多方面不很成熟，未来楼宇可视对讲产品将向新的高度发展。
1.3课题研究内容
设计一款结构简单、操作方便、成本低的楼宇对讲机分机电路，以实现访客与住户对讲。
住户可遥控开启防盗门，同时，若有突发事件，住户亦可通过该系统通知保安人员以得到及时的支援和处理。
第二章方案论证与选择
2.1方案的论证
2.1.1单片机
单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer），简称单片机计算机。
就是将CPU、RAM、ROM、定时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机。
本设计室采用AT89C51单片机。
AT89C51是美国ATMAL声场的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMAL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。
AT89C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个十六位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但RAM，定时/计数器串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一硬件复位。
AT89C51主要性能参数：
●与MCS-51产品指令系统完全兼容
●4k字节可重擦写Flash闪速存储器
●1000次擦写周期
●全静态操作：
0Hz~20MHz
●三级加密程序存储器
●128*8字节内部RAM
●32个可编写I/O线
●2个十六位定时/计数器
●6个中断源
●可编程串行UART通道
●低功耗空闲和掉电模式
2.1.2语音电路半双工与全双工
半双工通信就是若使用同一根传输线既作接收又作发送，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据，这样的传送方式就是半双工制。
采用半双工方式时，通信系统每一端的发送器和接收器，通过收/发开关转接到通信线上，进行方向的切换，因此，会产生时间延迟，但其电路设计相对比较简单，而且节省资源，适合在楼宇对讲使用。
当数据的发送和接收分流，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工通信方式。
在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。
全双工方式无需进行方向的切换，因此，没有切换操作所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延误的交互式应用十分有利。
这种方式要求通讯双方均有发送器和接收器，同时，需要2根数据线传送数据信号。
虽然这种方式比较方便，但其电路设计相对复杂，而且应用在楼宇对讲中比较浪费。
2.1.3无线系统与有线系统
有线系统就是系统所需要的所有的零部件都是用看的见的电线进行连接的，这种方式比较浪费，而且在连接是的工作量比较大，但其工作性能比较可靠、稳定，适合应用于中小型电路。
无线系统就是没有了看的见的电线的连接，主要靠的就是无线的发射和接受装置进行信号的传输。
虽然这种方式使用比较方便，但其电路设计要比有线的复杂的多，而且性能不一定可靠。
由于本设计主要完成报警、开锁和语音通话三种功能，报警和通话部分对无线系统的要求比较高，要求无线系统使用起来比较可靠而且抗干扰能力较好，再就是对于楼宇对讲系统使用有线系统要比无线系统经济的多并安全可靠。
2.2方案的总结
综合上面的论述，从自己条件和总体硬件设计的成本以及便携性普及性考虑，主控制器选择ATMEL公司的AT89C51单片机，语音电路采用半双工的工作方式，在硬件电路设计上相对比较简单，整个系统采用有线连接，在性能上比较可靠。
无论从设计要求还是性能方面都能达到一个很好的效果。
第三章楼宇对讲机分机电路的设计
本设计主要包括系统硬件电路的设计和系统软件部分的设计，在硬件电路部分主要介绍硬件电路的组成、工作原理及所用到的部分元器件。
为了能直观的了解硬件电路部分的设计思想，现做出设计的流程框图如3-1所示。
图3-1硬件电路框图
主控电路采用单片机作为主芯片，当有信号输入时，振铃电路工作，由按键控制各分电路的工作，以实现设计要求。
3.1主控电路的设计
采用单片机作为主芯片，输入信号通过MAX485芯片的选择进入单片机，由按键控制进行选择工作方式，启动各分电路进行工作。
3.1.1低功耗收发器MAX485
MAX485是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器，芯片中具有一个驱动器和一个接收器。
MAX485的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。
驱动器具有短路电流限制，可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。
接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以保证逻辑高电平的输出。
图3-2是MAX485的引脚图表3-1为其各引脚的逻辑功能。
图3-2MAX485引脚图
表3-1MAX485各引脚功能
MAX485
名称
功能
1
RO
接收器输出：
若A>B200mA，则RO为高电平，反之则为低电平
2
RE
接收器输出使能，当RE为低电平时，RO有效；当RE为高电平时，RO为高阻状态
3
DE
驱动器输出使能，DE为高电平时，驱动器输出Y与Z有效，当DE为低电平时，驱动器输出为高阻状态；
当驱动器输出有效时，器件被用作线驱动器，在高阻状态下，若RE为低电平，则器件被用作线接收器
4
DI
驱动器输入DI上的低电平强制输出Y为低电平，而输出Z为高电平，DI上的高电平强制输出Y为高电平，而输出Z为低电平
5
GND
地
6
A
接收器同相输入端和驱动器同相输出端
7
B
接收器反相输入端和驱动器反相输出端
8
Vcc
正电源4.75V≤Vcc≤5.25V
3.1.2单片机AT89C51
AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。
片内带有一个4KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）。
它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。
片内的FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。
因此AT89C51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。
1．单片机内部框图
单片机内部框图如图3-3所示：
图3-3AT89C51结构框图
AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式：
空闲方式（IdleMode）和掉电方式（PowerDownMode）。
在这空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。
在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。
2．其主要性能
●4KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除）
●全静态工作：
0Hz～24MHz
●3级程序存储器保密
●128×8字节内部RAM
●32条可编程I/O线
●2个16位定时器/计数器
●6个中断源
●可编程串行通道
●片内时钟振荡器
3．功能说明
AT89C51的引脚结构图，有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式。
AT89C51的引脚功能如下
（1）主电源引脚
①VCC：
电源端。
②GND：
接地端。
（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
①XTAL1：
接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。
当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的
图3-4AT89C51引脚
信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
②XTAL2：
接外部晶体的另一个引脚。
在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。
采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。
（3）控制或与其他电源复用引脚RST，ALE/PROG，EA/Vpp
①RST：
复位输H入端。
当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
②ALE/PROG：
当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。
即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。
因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。
该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。
另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。
③PSEN：
程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。
当AT89C51/LV51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次PSEN有效（即输出2个脉冲）。
但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
④EA/Vpp：
外部访问允许端。
要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），则EA端必须保持低电平（接到GND端）。
然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存EA端的状态。
当EA端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。
在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。
（4）输入/输出引脚P0.0~P0.7，P1.0~P1.7，P2.0~P2.7和P3.0~P3.7。
①P0端口（P0.0～P0.7）：
P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。
在Flash编程时，P0端口接收指令字节：
而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
②P1端口（P1.0～P1.7）：
P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。
在对Flash编程和程序校验时，P1接收低8位地址。
③P2端口（P2.0～P2.7）：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到最高电位，这时可用作输入口。
P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@DPTR指令）时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器内容）在整个访问期间不会改变。
在对Flash编程和程序校难期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。
④P3端口（P3.0～P3.7）：
P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到最高电位，这时可用作输入口。
P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。
在AT89C51中，P3端口还用于一些复用功能，如表3-2所列。
在对Flash编程和程序校验地，P3还接收一些控制信号。
4．单片机的时钟电路
MCS-51单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。
单片机内部虽有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。
MCS-51单片机的时钟产生方式有两种。
表3-2P3各端口引脚与复用功能表
端口引脚
复用功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INTO（外部中断0）
P3.3
INTI（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
（1）内部时钟方式
利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。
常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡与电容购成稳定的自激振荡器，如图3-5所示。
晶体可在1.2~12MHZ之间选择。
MCS-5单片机在通常应用下，使用振荡频率为6MHz的石英晶体，而12MHz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用。
对电容值无严格要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有多少影响。
C1和C2可在20~100PF之间取值，一般取30PF左右。
（2）外部时钟方式
在由单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的合用外部振荡脉冲作为各单自片机的时钟。
外部时钟方式中是把外部振荡信号源直接接入XTAL1或XTAL2。
由于HMOST和CHMOS单片机外部时钟进行的引线不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。
HMOS型单片机由XTAL2进入，外部振荡信号接至XTAL2，而内部反相放大器的输入端XTAL1应接地。
由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故还要接一上接电阻。
CHMOS型单片机由XTAL2进入，外部振荡信号接至XTAL1，而XTAL2可不接地，如图3-6所示。
图3-5使用片内振荡电路的时钟电路图3-6外部时钟电路
5．复位电路和复位状态
（1）MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键复位键两种方式。
最简单的复位电路如图3-7所示。
上电瞬间，RC电路充电，RST引线端出现正脉冲，只要RST端保持10mS以上的高电平，就能使单片机有效地复位。
在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。
如果这些芯片复位端的复位电平的要求一致，则可以将复位信号与之相连。
图3-7简单复位电路图3-8MAX690组成的复位电路
在实际的应用系统中，为了保证单片机可靠地工作，常采用“看门狗”监视单片机的运行。
采用MAX690的复位电路如图3-8所示，该电路具有上电复位和监视MCS-51单片机的P3.3的输出功能。
一旦P3.3不输出高低电平交替变化的脉冲，MAX690就会自动产生一复位信号使单片机复位。
（2）复位状态
复位电路的作用是使单片机执行复位操作。
复位操作主要是把PC初化为0000H，使单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。
程序存储器的0003H单元即MCS-51单片机的外部中断0的中断处理程序的入口地址。
留出的0000H～0002H个单元地址，仅能够放置一条转移指令，因此，MCS-51单片机的主程序的第一条指令通常情况下是一条转移指令。
除PC之外，复位还对其它一些特殊功能的寄存器有影响，它们有复位状态如表3-3所示。
利用它们的复位状态，可以减少应用程序中的初始化编程。
由表3-3可知，除SP=07H，P0～P4四个锁存器均为FFH外，其它所有的寄存器均为0，很好记忆。
记住他们的复位状态，对于熟悉单片机的操作，减少应用程序中的初始化编程是十分必要的。
单片机的复位不影响片内RAM的状态（包括通用寄存器Rn）。
P1、P2、P3、P4共有4个8位并行I/O口，它们引线为：
P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7、P3.0～P3.7，共32条引线。
这32条引线可以全部用做I/O线，也可将其中部分用做单片机的片外总线。
表3-3寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TCON
00H
PSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH0
00H
DPTR
0000H
TL1
00H
P0-P3
FFH
TH1
00H
IP
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