武汉理工大学12级 智能楼宇课设.docx
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武汉理工大学12级智能楼宇课设
学科基础课群课程设计任务书
学生姓名：
杜向杰专业班级：
通信1205班
指导教师：
郭志强工作单位：
信息工程学院
题目:
楼宇对讲系统
任务:
设计一个包括房间号输入键盘、编码、解码、呼叫振铃，双工语音通信的电路系统。
要求:
用仿真软件对电路进行验证，使其满足以下功能要求：
1）设计出系统框图以及各单元的具体电路
2）键盘为4×3阵列
3）能够对按键进行编码和解码，并且可以仿真实现
时间安排：
序号
阶段内容
所需时间
1
方案设计
2天
2
硬件设计
3天
3
软件设计
3天
4
系统仿真
2天
5
系统调试
3天
6
答辩
1天
合计
14天
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
摘要1
Abstract2
1设计介绍3
1.1概述3
1.1.1系统的功能和原理3
1.1.2系统优点3
1.1.3系统性能的完善和提高4
1.2系统设计原则4
1.3楼宇对讲系统发展趋势5
2设计方案6
2.1方案一：
计算机控制楼宇对讲系统6
2.2方案二：
单片机控制楼宇对讲系统7
2.3方案确定7
3硬件电路设计8
3.1房间号输入键盘8
3.1.1电路连接8
3.1.2基本思路 9
3.2房间号显示9
3.3编译码模块10
3.4呼叫振铃11
3.5全双工通信12
3.6系统总电路及工作原理13
3.6.1工作原理13
3.6.2总电路图15
4电路所用芯片15
4.1AT89C5215
4.274LS13817
4.3LM38618
5仿真结果19
5.1房间号显示仿真19
5.2全双工语音通信仿真19
6总结与体会20
附录21
参考文献21
程序22
摘要
楼宇对讲即在楼宇建筑中起通话作用的一种设备，不少小区的住户，为开启防盗门方便，设有楼宇对讲系统。
楼宇对讲系统，具有连线少、户户隔离不怕短路、户内不用供电、待机状态不耗电、不用专用视频线、稳定性高、性能可靠、维护方便等特点。
楼门平时总处于闭锁状态，避免非本楼人员在未经允许的情况下进入楼内，本楼内的住户可以用钥匙自由的出入大楼。
当有客人来访时，客人需在楼门外的对讲主机键盘上按出欲访住户的房间号，呼叫欲访住户的对讲分机。
被访住户的主人通过对讲设备与来访者进行双向通话或可视通话，通过来访者的声音或图像确认来访者的身份。
确认可以允许来访者进入后，住户的主人利用对讲分机上的开锁按键，控制大楼入口门上的电控门锁打开，来访客人方可进入楼内。
来访客人进入楼后，楼门自动闭锁。
常见的楼宇对讲系统有直按式对讲系统、数字式对讲系统、可视式对讲系统三类。
楼宇由主机、分机、电控锁、电源盒和连接系统五部分构成。
关键词：
对讲系统，矩阵键盘，音频放大，单片机，74LS138，LM386
Abstract
Thecommunicationthatisinthebuildingupofarolecallsequipment，manyresidentsofthevillage，convenientforopenguardagainsttheft，hasthecommunicationsystem.Thecommunicationsystem，withlessattachment，familynotafraidshortcircuit，indoorisolationwithoutpowersupply，standbypowerconsumption，neednotspecialvideonotline，highstability，reliableperformance，convenientmaintenanceetc.Characteristics.Alwaysinalockedstatewent，avoidthepersonnelincantonesefaretimewithoutpermissionoftheapartmentbuildingincantonesefaretime，residentsoftheinsidewithakeyfreeaccesstothebuilding.Whentheguestcallsin，theguestmustinthebuildingjustoutsidethekeyboardtothehosttovisittheresidentroomnumber，calltovisittheresidentintercomextension.Theowneroftheresidentsvisitedbytalkbackequipmentandvisitorsatwo-wayconversationorvideocalling，throughthevisitorofsoundorimageconfirmedthevisitor'sidentity.Confirmthatcanallowvisitorsafterenteringthemasteroftheresidentsoftheintercomextensionlockbuttons，controlthedoorsofthebuildingentrycontrollocksopen，visittheguestmayentertheapartmentbuilding.VisitingguestsintoLouHou，wenttobeautomaticatresia.
Commonbuildinginterphonesystemhavestraightbytypetalkbacksystem，digitaltalkbacksystem，visualtypeintercomthreecategories.Buildingthehost，extension，electriccontrollock，powerboxandconnectionsystemfiveparts.
Keywords:
talkbacksystem，thekeyboard，theaudioamplifier，scm，74LS138，LM386
1设计介绍
1.1概述
随着社会的发展，安全、舒适和先进的居住环境已成为现代化住宅小区（或智能化住宅小区）的基础，而住宅小区楼宇对讲系统则是营造这基础的一个重要组成部分。
住宅小区楼宇对讲系统有可视与非可视型。
系统把楼宇的入口、住户的通讯包含在同一网络中，成为防止住宅受非法侵入的重要防线，有效的保护了住户的人身和财产安全。
1.1.1系统的功能和原理
楼宇对讲系统是采用单片机编程技术、双工对讲技术、而设计的一种访客识别电控信息管理的智能系统。
楼门平时总处于闭锁状态，避免非本楼人员在未经允许的情况下进入楼内。
本楼内的住户可以用钥匙或密码开门自由出入。
当有客人来访时，客人需在楼门外的对讲主机键盘上按出被访住户的房间号，呼叫被访住户的对讲分机，接通后与被访住户的主人进行双向通话。
1.1.2系统优点
总线制，有自保护功能，极为可靠，维护方便。
分机为独立保护分机，短路等故障仅影响本分机而对本层其它用户不造成任何影响。
门口机与室内分机等，款式大方、美观、豪华。
系统具有安全性和抗破坏性：
因总线不进户基本杜绝总线短路机会，进户线短路不影响其他用户和系统；系统待机时总线及进户线均不带电；总线短路自动保护并有相应提示音；电控锁输出保护不烧线圈不怕短路；电源设交流在线指示，输出短路保护；多种电自动关机功能，节电又安全。
高度兼容性：
各系统分机性能一致均可互相使用，分机不用选号，安装更换方便，也给物业生活上省了不少麻烦。
简洁性：
非可视系统三芯总线二芯进户线，低功耗设计。
可维护性：
多种故障和错误自动声光提示。
准确快捷，即使不用万用表也可判断多数故障所在，一体化和模块化设计的部件更换简单方便。
1.1.3系统性能的完善和提高
以单元型可视对讲系统为例，从技术上，一般都采用以下措施来提高产品性能与档次：
1.采用认同红外拾取技术，人来自动上电，解压能源，延长寿命，增加可靠性。
2.具备夜视功能：
当外部光照降到一定程度时（或调节起控点，以适应不同使用环境），系统自动启动红外辅助光源照明（人眼不可见），帮助摄像机拾取清晰影像;同时启动键盘操作照明装置，一般以LED或白光灯以及荧光方式点亮键盘，以方便夜间操作。
3.低功能待机：
待机时CCD对讲电路处于休眠状态，系统功耗小于20mA，系统寿命大大延长。
4.双工对讲：
使语言清晰宏亮连贯；如采用特殊处理电路，声像串扰小、不自激、不失真。
5.采用总线式布线，使信号大大减少，走路工作量大大降低，且易标准化和施工。
另外，总线式的量一个特点是：
分户线上有隔离或保护装置，在总线没有破坏的情况下，某一用户分机损坏，不会影响系统正常使用。
6.还可采用最新数码语音技术，提供语音使用帮助或全程提示问候，使产品人性化，并可更换语音内容。
7.为适应以下系统升级需要，可视对讲系统应具有以下扩展功能：
可连接管理中心，组成小区区域联防系统；
可预设火灾、匪警、紧急求救等自动报警功能等。
1.2系统设计原则
1.采用先进、成熟/实用的技术。
在技术上要追求先进，使用是要简便实用。
2.系统应具备集中统一的管理能力，使物业管理提供方便。
根据我国现行的管理体制，公共安全管理是集中统一管理的，因此，要求系统应具有多级集中统一的管理中心，并实施科学化的管理，是安全防范技术发挥最佳效用。
3.系统应具有开发性。
可扩性。
兼容性和灵活性。
随着产品和技术的进步，系统也要不断的升级和提高。
因此，要求系统具有结构开放。
信息传输兼容性强。
终端互换性高、系统网络清晰和组网简单等特点。
4.系统设计和产品选择应标准化、规范化。
随着经济全球化进程的加快，先进的技术和设计思想将会不断被引进，与国际接轨乃大势所趋。
因此，系统设计和产品选择必须走标准化，规范化的道路。
5.系统本身的安全性、可靠性、容错性。
系统本身的安全性非常重要，应具有很强的防破坏能力。
由于系统面临用户的数量众多，设备的可靠性是非常重要的指标。
同时，用户的层次和素质不齐将导致系统在使用过程中产生误操作。
因此，要求系统具备有较强的容错性和自检功能。
6.合理的性能价格比。
在系统设计时，应多为用户着想，在上述前提下，尽量提高性能价格比。
1.3楼宇对讲系统发展趋势
可视对讲行业发展到今天，产品从简单的通话、开锁等功能发展到现在有了简单的信息发布、防盗报警等功能，从黑白可视对讲发展到彩色可视对讲，应该说有了不小的进步。
但是，随着人民对小区的安防管理和物业管理要求的不断提高，楼宇对讲系统也将不断发展，从而不再是简单的对讲系统。
数字化发展，走向系统集成融合。
智能化发展，优化的，符合IT规律的系统结构。
2设计方案
2.1方案一：
计算机控制楼宇对讲系统
在此方案中，系统运用计算机编写程序来实现对楼宇对讲系统的控制。
来访者可通过楼下单元门前的主机方便的呼叫住户并对话，住户在房间内控制楼门的开闭。
此系统在功能模块上可分为：
计算机管理中心、门口主机、语音分机电控锁和电源，如下图：
图2-1计算机控制楼宇对讲系统框图
计算机管理系统是该系统的核心，它控制着门口主机和每一户分机。
主机控制着每一户分机的输入信号，语音信号等。
分机是一种语音对话系统，可与主机进行对话，也具有锁控等功能。
UPS的主要功能是保持在通话过程中不断电。
正常情况下处于充电状态，当小区断电时其开始工作，作为对讲系统的电源保持通话。
电控锁主要由电磁线圈构成，只要按下分机上的开锁按键就能给其通电，从而使电磁机构带动连杆动作，使大门打开。
2.2方案二：
单片机控制楼宇对讲系统
本方案电路设计简单，系统采用单片机控制，有人来访时访客按下外面的键盘呼叫住户，其信息被传送到单片机，单片机对传入信号进行编码并送到室内机，住户也可以通过这种方式将信号传到外界，实现互相通话。
其框图如图2-2：
图2-2单片机控制楼宇对讲系统框图
2.3方案确定
将以上两种方案比较得知：
方案一系统功能强大，小区的主机可以随时接受住户的报警信号然后再报告给保安室，不仅增强了安全系统更是大大的方便了住户，大大减少了住户下楼的麻烦。
但其服务范围广，系统复杂，成本过高。
第二个方案采用单片机进行设计，虽然只能进行住户和访客之间的一对一的通话，但电路设计简单，易于调试，操作简单，实用性强，成本低，故本实验采用第二种设计方案。
3硬件电路设计
3.1房间号输入键盘
3.1.1电路连接
按照要求，需要设计一个4乘3的键盘，把“单片机系统“区域中的P1.1－P1.7端口用7芯排线连接到“4X3行列式键盘”区域中的l1－l4，h1－h3端口上；如图3-1所示：
图3-1键盘硬件电路图
3.1.2基本思路
采用查询式的键盘处理程序。
首先判断键盘有无按键按下，即把所有行线P1.4-P1.7设置为低电平，然后检测各列的状态，若列线不全为高电平，则表示键盘中有按键被按下；若所有的列线为高电平，说明键盘中无按键被按下。
在确认有键盘按下后，即可查询具体按键的位置，其方法是依次将行线设置为低电平，再逐行检查各列的电平状态。
若某列为低电平，则该列行与行线交叉处的按键就是闭合的按键。
由于是4*3的键盘显示，按键逐次链接P1.1-P1.7。
具体代码见附件。
3.2房间号显示
当有人在房间号输入键盘上按下某一个按键时，在数码管上将会显示被按下的按键所对应的房间号，此部分的功能通过一个4位的数码显示管和AT89C52单片机一起完成。
其中，数码管的位选线e1，e2，e3分别与单片机的P2.0-P2.2相连，段选线d1~d7分别与单片机的P0.0-P0.7相连。
这样，通过对烧到单片机中程序的设计，就可以实现在数码管上显示房间号显示的功能。
具体电路图如下：
图3-2房间号显示硬件电路图
3.3编译码模块
编译码部分是由矩阵键盘，AT89C52单片机，两个74LS138共同组成的，在程序设计中，将4*3键盘的12个按键依次编码为12个房间号，房间号编码：
0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，0100，0101，0110，0111;对应房间号：
101，102，201，202，301，302，401，402，501，502，601，602；AT89C52单片机的P1口通过对矩阵键盘的扫描，得到编码，然后从P3.4-P3.7将编码输出给两个74LS138组成的4输入—12输出的译码部分。
经过译码器的译码，将线路选择到具体的房间，从而保证振铃电路以及全双工通话电路的顺利进行。
编译码部分硬件电路图如下。
图3-3编译码部分硬件电路图
3.4呼叫振铃
呼振铃叫部分的核心是“与门”和蜂鸣器。
当一个房间被译码后选中时，此输出线为低电平，然后经过一个“非门”和单片机2的P1.1共同连接到“与门”上。
输出端接到蜂鸣器上，这样，选中的房间中的蜂鸣器就会发出响声。
然后，在主人听到响声，按下“摘机键”后。
P1.1变为低电平。
这样就结束了蜂鸣器的鸣叫。
开始下一阶段的全双工通信。
呼振铃叫的硬件电路图如下。
图3-4呼叫振铃硬件电路图
3.5全双工通信
双工通信又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息的信息交互方式。
是指在同一时刻信息可以进行双向传输，和打电话一样，说的同时也能听，边说边听。
这种发射机和接收机分别在两个不同的频率上（两个频率差有一定要求）能同时进行工作的双工机也称为异频双工机。
在本次的实验电路中，我采用两个LM386（音频功率放大器）实现客人与主人的全双工语音通信。
其中由LM386组成的简单音频功率放大电路如下图所示：
图3-5音频功率放大电路图
在音频功率放大电路中，2、3脚分别为反相、同相输入端;5脚为输出端;6脚为正电源端;4脚接地;7脚为旁路端,可外接旁路电容以抑制纹波。
客人的声音信号通过一个变阻器后加到了同相输入端，变阻器可以起到调节声音大小的作用，声音信号经过音频功率放大器的放大，从5脚输出端输出，在输出端接R3、C3构成串联补偿网络与呈感性的负载（扬声器）相并,最终使等效负载近似呈纯阻,以防止高频自激和过压现象。
这样，声音信号就能较好的传送给主人用户。
主人用户的声音信号传送给客人的过程也同上所述。
全双工语音通信的硬件电路图如下。
图3-6全双工语音通信的硬件电路图
3.6系统总电路及工作原理
3.6.1工作原理
该系统的功能是实现一个包括房间号输入键盘、编码、解码、呼叫振铃，双工语音通信的电路系统。
我设计的电路图是建立在AT89C52单片机，74LS138芯片，和LM386芯片上的。
首先，建立一个单片机最小系统，刷入相关的拨号和编码的程序，使4×3的矩阵键盘通过P1口的按键扫描，将结果保存在单片机中，并且通过P0和P2与数码显示管的相连，具体是P0接上上拉电阻（即排阻）使其可以作为输出端口使用。
然后以P0口作为段选线，选择数码管显示的具体数字。
P2口是作为位选线来使用，功能是选择哪一个数码管亮。
这样就完成了数码管显示房间号的模块了。
由于事先已经在代码中将4*3键盘的12个按键依次编码为12个房间号，房间号编码：
0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，0100，0101，0110，0111;对应房间号：
101，102，201，202，301，302，401，402，501，502，601，602；所以，在P3口的P3.4-P3.7就可以将编码输出，输出到由两个74LS138译码器组成的4输入—12输出的译码部分。
从而选中从键盘上摁下的房间号。
当一个房间号被选中时，由蜂鸣器组成的振铃电路就会工作了，用户听到自己房间的铃声响起时，就可以选择要不要摘机，当用户选择摘机时，蜂鸣器停止发出响声，与此同时，建立在客人和主人之间的全双工的语音通信就开始了，而全双工的语音通信模块是两个由LM386（音频功率放大器）组成的简单音频功率放大电路实现的。
客人的声音信号通过一个变阻器后加到了输入端，变阻器可以起到调节声音大小的作用，声音信号经过音频功率放大器的放大，从输出端传送给主人用户。
主人用户的声音信号也通过相似的过程传送给客人。
这样，整个楼宇对讲系统的功能就实现了。
3.6.2总电路图
系统的总硬件电路图如下图所示：
图3-7总硬件电路图
4电路所用芯片
4.1AT89C52
在众多的单片机系列中，AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系列可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适用于常规编程。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案。
AT89C52具有以下标准功能：
8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，一个响亮2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
AT89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。
故此选用AT89C52单片机。
图4-1AT89C52外部引脚图
AT89C52单片机的主要性能参数
• 8K字节可重擦写Flash闪速存储器
• 1000次可擦写周期
• 全静态操作：
0Hz-24MHz
• 三级加密程序存储器
• 256×8字节内部RAM
• 32个可编程I/O口线
• 3个16位定时/计数器
• 8个中断源
• 可编程串行UART通道
• 低功耗空闲和掉电模式
4.274LS138
74LS138芯片是常用的3-8线译码器，ls是ttl的，他的coms版本叫74HC138。
常用在单片机和数字电路的译码电路中，本实验选用的就是74LS138芯片
图4-274LS138外部引脚图
图4-374LS138真值表
4.3LM386
LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要应用于低电压消费类产品。
为使外围元件最少,电压增益内置为20。
但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至 200。
输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。
图4-4LM386外部引脚图
图4-5典型应用电路
5仿真结果
5.1房间号显示仿真
图5-1房间号显示仿真
5.2全双工语音通信仿真
图5-2全双工语音通信仿真
6总结与体会
课程设计已经结束，在这次课设中，我感触颇深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次彩灯循环显示控制电路的课程设计，我认识到一个电路的设计需要多方面周全的考虑，也要经过多次的反复修改，才能达到设计要求。
本设计的主题是楼宇对讲系统，它采用的是AT89C52单片机控制整个系统，音频信号的传输采用的是编码解码的方式。
当来访者在门口键盘输入住户号码后，住户被呼叫，主人摘机后通话系统开始工作，访客与住户可以互相通话。
该系统电路设计简单，方便实用，成本低。
在用proteus画电路图和仿真过程中，我用了很长时间，尤其是在画总电路图时，出了很多错误，对于排线和布局也不是很好，在调试过程中，对于错误的地方的检测方法也是非常重要的，要通过对原理图的分析，把系统分成不同功能的电路模块，通过逐一测量找出故障模块，然后再对故障模块内部加以测量找出故障，查找故障，分析故障和排除故障，这种分析问题的方法对我有很大的帮助。
在设计过程中，我学习了单片机的应用，深入的认识到单片机到实际应用中的优越性，是高精度、高稳定性、低成本设计要求的首选设备，并掌握了利用C语言编程的方法，巩固了大学以来学过的很多知识。
然而同时，在设计过程中也遇到了很多的困难，但是我们不能气馁不能遇到困难就退缩，我们要勇于面对困难并想方设法的去战胜它，我们才有可能赢得最后的胜利。
通过本次设计，我熟悉了我们专业可能需要掌握的知识并初步得了解了需要学习的技能，对我以后的学习和将来的工作有者极大的好处同时也起着很大的激励作用，告诉我自己永远不能满足，永远还有很多你不知道的东西需要去学习。
在设计过程中碰到许多不同的问题，与理论有所差距，明白理论和实践还是有差距的，我们不
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