基于单片机AT89C51楼宇呼叫系统的设计.docx

1、基于单片机AT89C51楼宇呼叫系统的设计本科毕业论文题 目 基于单片机AT89C51的楼宇呼叫系统的设计学 院 工学院 专 业 农业电气化与自动化 毕业届别 2011届 姓 名 刘锐增 指导教师 张开启 职 称 讲师 安徽工业大学教务处制二一 年 六 月目录目录 1摘要 21 绪论 31.1 概述 31.1.1课题背景和意义 31.1.2 本课题研究内容 41.2 方案论证与选择 51.2.1 方案的分析与论证 51.2.2 方案的总结 62 楼宇呼叫系统各部分电路设计 72.1 主控电路的设计 72.1.1单片机AT89C51 72.1.2 主控电路的设计 72.2 电源电路的设计 82.

2、2.1 LM78系列集成三端稳压器 82.2.2 电源电路的设计 92.3 开锁电路的设计 92.3.1 继电器的工作原理 92.3.2 开锁电路的设计 102.4 键盘电路的设计 112.4.1 常用键盘接口 112.4.2 主机键盘电路的设计 122.5 语音通话电路的设计 122.5.1 集成运算放大器的原理及特性 132.5.2 语音通话电路的设计 142.6 系统总线设计 162.6.1 模拟开关CD4067 162.6.2 系统工作原理介绍 172.6.3 系统总线设计 173 控制部分 193.1 单片机控制系统介绍 193.2 程序部分 193.2.1 键盘的程序设计 19结

3、论 22参考文献 23致 谢 24附 录 25基于单片机的楼宇呼叫系统的设计谈守娟（安徽工业大学 工学院 农业电气化与自动化07级）摘要:鉴于目前市场上已出现种类繁多的楼宇呼叫系统，本文主要论述了由AT89C51单片机构成的楼宇呼叫系统电路的设计过程，分析了楼宇呼叫系统的硬件组成，并详细介绍了各部分电路的工作原理。客人可以通过按下单元楼门口的键盘，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。而且，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

4、。关键字：呼叫系统，单片机Abstract: Given the current market, it has been building a wide variety of call system, this paper discusses the composition of the AT89C51 microcontroller circuit building calling system design process, analysis of the building calling systems hardware components, and detailed the vari

5、ous parts of the circuit works. Guests can press the cell floor in front of the keyboard, select the desire of households to access, through the voice circuit, intercom system functions. In addition, residents can also open the electric door locks, visitor calling households through the numeric keyp

6、ad to get the consent of residents to enter the building after the visitors, thus limiting the entry of illegal workers. Moreover, the model structure is simple compact, easy to operate, has good real-time and fast, so it has good practicality. Keywords: call system, SCM 1 绪论1.1 概述1.1.1课题背景和意义随着改革开放

7、的深入和市场经济的迅速发展、提高，城市流动人口大量增加，带来许多不安定因素，社会治安形势严峻，刑事案件特别是入室盗窃、抢劫案件居高不下。针对这一日益突出的社会安全问题，中央提出对社会治安进行综合治理，并把创建安全文明小区作为社会治安综合治理的一项重要内容。基于我国目前的现状，以安全技术防范为主，辅以视频、通讯、网络系统将成为小区智能化系统的主流。住宅小区的特点是用户集中，容量大，统一保安管理，而且国内大部分地区经济收入不高，因此小区安防系统必须满足安全可靠、经济有效、集中管理 的要求，虽然目前市场上有各种各样的安防系统，但是真正符合小区特点、适合小区使用的产品并不多。楼宇对讲系统作为这样的产品

8、，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 。 随着居民住宅的不断增加，小区的物业管理就显得日趋重要。其中访客登记及值班看门的管理方法已不适合现代管理快捷、方便、安全的需求。楼宇对讲系统是在各单元口安装防盗门，小区总控中心的管理员总机、楼宇出入口的对讲主机、电控锁、闭门器及用户家中的可视对讲分机通过专用网络组成。以实现访客与住户对讲，住户可遥控开启防盗门，各单元梯口访客再通过对讲主机呼叫住户，对方同意后方可进入楼内，从而限制了非法人员进入。同时，若住户在家发生抢劫或突发疾病，可通过该系统通知保安人员以得到及时的支援和处理。我

9、国住宅智能化不断发展，基于计算机应用技术、现代通讯技术和自动化控制技术的楼宇智能化系统快速发展。其中，楼宇对讲系统应用较为普遍，语音对讲已经进入千家万户。近年来，在国内一线城市的一些高端楼盘项目中，数字可视对讲系统投入应用。 楼宇可视对讲系统相对于传统对讲产品更加智能、安全。目前技术与系统设计已相对较为成熟，楼宇可视对讲系统将会成为智能建筑小区的基本配置。随着楼宇智能化产业的发展，楼宇可视化对讲产品成本降低，市场应用得以提速扩大。国内房地产市场竞争激烈，开发商为打造精品住宅，在住宅智能化方面投入有所增加。针对一些大型住宅小区，楼宇对讲系统采用网络架构联网，实现了数字、语音、图像的快速传输，多路

10、同时互通。为住宅小区安防、智能化管理提供了必要的载体。住宅小区物业管理的安全保卫部门通过小区安全呼叫管理机，可以对小区住宅楼安全呼叫系统的工作情况进行监视。如有住宅楼被非法打开、安全呼叫主机或线路出现故障，小区安全呼叫管理主机会发出报警信号。小区物业管理部门与住户或住户与住户之间可以用该系统进行通话，如物业部门通知住户交各种费用、住户通知物业管理部门对住宅设施进行维修、住户在紧急情况下向小区的管理人员或邻里报警求救等。楼宇呼叫系统是一种用于高层住宅、公寓大厦、户间信息传递、防盗门铃控制和在紧急情况下住户向楼宇值班室报警的设备。它以功能其全、性能可靠及容量大、造型美观、安装使用方便而深受广大用户

11、欢迎，并且也在安全生活小区中得到了广泛的应用。系统主要由主机、分机、电源、电控锁等组成，根据类型可分为直按式、数码式、数码式户户通、直按式可呼叫、数码式可视呼叫、数码式户户通可视呼叫等。1.1.2 本课题研究内容楼宇呼叫系统是一种用于高层住宅、公寓大厦、户间信息传递、防盗门铃控制和在紧急情况下住户想楼宇值班室报警的设备。它以功能及全、性能可靠其容量大、造型美观、安装使用方便而深受广大用户欢迎，并且也在安全生活小区中得到了广泛的应用。本课题要求设计一款结构简单、操作方便、成本低的非可视楼宇呼叫系统。来访者可通过楼下单元门前的主机方便的呼叫住户。一、本设计的工作方式楼门平时总处于闭锁状态，避免非本

12、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，客人需在楼门外的呼叫机键盘上按下欲访住户的房间号，呼叫欲访住户的分机。被访住户的主人通过呼叫设备与来访者进行双向通话，通过来访者的声音确认来访者的身份。确认可以允许来访者进入后，住户的主人利用呼叫分机上的开锁按键，控制大楼入口门口的电控门锁打开，来访客人方可进入楼内。来访客人进入楼后，楼门自动闭锁。系统不仅增强了高层住宅安全保卫工作，而且大大方便了住户，减少许多不必要的上下楼麻烦。二、楼宇呼叫系统的基本结构1、主机：主机是楼宇呼叫系统的控制核心部分，每一户分机的传输信号以及电锁控制信号等都通过主机的控制。2

13、、分机：分机是一种呼叫话机，一般都是与主机进行呼叫，它可分为可视分机，非可视分机，本设计采用非可视分机。具有电锁控制功能和监视功能，一般安装在用户家里的门口处，主要方便住户与来访者呼叫交谈。3、电源：将220V居民用电经降压整流提供给电路与单片机一个稳定的电压。4、电控锁：它的内部结构主要由电磁机构组成。用户按下分机上的电锁键就能使电磁线圈通电，从而使电磁机构带动连杆动作，就能控制大门的打开。5、闭门器：它是一种特殊的自动闭门连杆机构。它具有调节加速度和作用力度，使用方便、灵活。1.2 方案论证与选择1.2.1 方案的分析与论证1、对于单片机的选择：根据本课题设计要求本机芯片选用MCS-51

14、系列单片机AT89C51， 这种芯片用CMOS 工艺制造，功耗低；I/O端口有较大的带载能力，拉出电流可达25mA，可简化外围电路；执行速度高；且具有程序加密性好、价位低廉等优点。在本系统中经软件编程，完成以下功能：键盘输入识别、语音通讯、按键开锁等。2、对于键盘的选择：直按式对讲系统主机上每个住户设置一个呼叫按键，每个按键通过呼叫线与相对应的住户连接，直接按该住户呼叫键即可直接呼叫住户，直观好用，但无保密功能。该类楼宇对讲系统的连接系统，除了送话线、受话线、开锁线、地线四根共用线外，每个住户需要一根呼叫连接线，如该楼有20个住户，则需要20根呼叫线。该类呼叫系统主机成本较低，但连接系统成本较

15、高，且电路连接线较多，连接复杂。数码式对讲系统主机上设置09十个数字按键，内置编码识别系统，每个住户设置一组数字编码，输入该住户的密码，才能呼叫该户，如果不知道该户编码，无法呼叫，具有一定的保密功能，避免用户被无故打扰。该类对讲系统全部用户通过一根呼叫共用线即可与主机连接，输入数字后，编码系统识别后呼叫相应的用户。3、关于语音电路的选择：该类楼宇对讲系统主机成本较高，但连接系统连接线少，成本低，只需呼叫线、送话线、受话线、开锁线、地线五根共用线。半双工通讯方式是指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。在全双工方式下，通讯系统的每一端都设

16、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，没有切换时间所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延迟的交互式应用十分有利。这种方式要求通讯双方有发送器和接收器，同时需要两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系统中比较浪费。4、关于接线系统的选择：有线系统就是系统所需要的所有的零部件都是看得见的电线进行连接的，这种方式比较浪费，而且在连接时的工作量比较大，但其工作性能比较可靠、稳定，适合应用于中小型电路。无线对讲系统没有电线的连接，主要靠无限的发射和接收装置进行信号的传输。具有机动灵活，操作简便，语音传

17、递快捷，使用经济之特点。可实现高效、即时的处理各种事件，最大限度地减少可能造成的损失。建设楼宇内无线对讲系统对于安全保卫，设备维护，物业管理等各项管理工作将带来极大的便利。虽然这种方式比较方便，但其电路设计要比有线系统复杂的多，而且性能不一定可靠。由于本设计主要完成开锁和语音通话等简单的功能，系统地用户较少，相比较而言，设计选用有线系统保证可靠的信号传输和语音通讯。1.2.2 方案的总结本课题设计一个基于单片机AT89C51的非可视楼宇呼叫系统，完成键盘处理、对讲、电控开锁等功能的控制，根据以上叙述结合本课题设计要求，该系统门口主机键盘选用直按式键盘接口，语音通讯系统选用半双工语音通讯方式以及

18、有线对讲系统。图1-1所示为系统结构框图。2 楼宇呼叫系统各部分电路设计2.1 主控电路的设计2.1.1单片机AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。并且与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方

19、案。1. AT89C51主要特性： 与MCS-51微机控制系列产品兼容。 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1万次写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-16MHz 三级程序存储器锁定 宽工作电压范围：Vcc可为+2.7V+6V。 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容2. 管脚说明：AT89C51的引脚结构图，有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式。外形及引脚排列如图所示1、 电源及时钟引脚：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2。2、 控制引脚：/PSEN、ALE/PROG、/EA/VPP、RESET（即RST）。3、 I/O引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8为I/O

20、的外部引脚。2.1.2 主控电路的设计图2-1为分机主控电路设计图，本设计采用AT89C51单片机作为控制芯片，具体操作功能通过编写程序来实现当单元楼梯口访客通过对讲机呼叫住户时，其发出的信号传给单片机，AT89C51单片机接收到该信号后就会在程序控制下的管脚上产生一个高电平，振铃工作，发出声音，呼叫住户。住户听到铃声后可选择两种操作方式：开锁和语音通话。“开锁”是单片机主控电路发出命令，直接打开单元门，让访客进来；“语音通话”即是给单片机发出命令，控制语音电路工作，以实现住户与访客的语音通话。以上两种操作，不论住户进行哪种操作，单片机在主程序的控制下在管脚上产生一低电平，占线指示灯亮，表明用

21、户分机正在工作。在单片机系统应用中，单片机对键盘的控制方式有程序控制扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式三种。本设计中案件采用中断扫描方式，既当有按键被按下时，振铃呼叫用户，同时启动分电路工作。2.2 电源电路的设计本设计电源电路主要为主控电路和语音电路提供稳定的电压，由于单片机的工作电压时+5V，而语音电路的正常工作电压是+12V，所以电源电路设计采用LM7805和LM7812分别来生成所需电压。下面先介绍一下这两种芯片。2.2.1 LM78系列集成三端稳压器78xx系列集成电路的外形如图A所示，芯片上自带一孔、散热片，使用时应用螺钉将其固定在铝质散热片上，以利散热。图1使LM78系列的典型

22、应用电路，这个电路非常简单，在电路的输入和输出关系比较明确的情况下，一般在在电路图中不再标明集成块的引脚序号。C1为输入电容，一般情况下可省去不接，但当集成块远离整流滤波电路时，应接入一只0.33uF左右的电容器，其作用是改善纹波和抑制输入的过电压。C2为输出电容器，只要接抑制0.1uF左右的电容器就可以改善负载的瞬态响应，在实际应用电路中，C2往往使用大容量的电解电容，目的是使输出直流电压更加平滑，但此时如果集成块的输入端出现短路故障，输入端上的大电容储存的电荷将通过集成块内部的输出调整管得发射机基极PN结放电，瘾大电容释放的能量较大有可能会造成集成块的损坏。为解决这一矛盾，可在集成块的输入

23、端与输出端之间反接一只二极管，见图2-3中的VD。这个二极管可在电路出现输入端短路故障时为电容C4提供放电通路，以保护集成稳压器。2.2.2 电源电路的设计本设计采用交流220V供电，由于在本设计中需要+5V和+12V直流电，所以在电源电路设计中需要有两路电源输出。电源电路设计如图2-3所示：220V/50HZ的交流电进入本电路中，首先经过变压器进行变压，由交流220V变为14V，交流14V进入电桥电路进行整流，然后交流电整流为直流电，再进行电容的滤波后进入12V集成三端稳压器7812，生成+12V直流电，来满足语音电路电源的需要，然后送入5V集成三端稳压器7805，生成+5V直流电，供给单片

24、机使用。另外本电路还选用了+12V蓄电池一块，它在有220V交流电输入时不工作或者被充电，在停电时输出+12V电压支持本设计的电路继续工作一段时间，图中270欧电阻为电池的充电电阻，它使初始充电电流不至于过大而损坏电池。2.3 开锁电路的设计开锁电路完成开启门锁的功能，采用继电器实现。继电器有多种分类，下面先介绍一下继电器在本系统中的应用。2.3.1 继电器的工作原理继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统，通常应用于控制系统中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。2.3.2 开锁电路的设计本设计的开锁电路采用继

25、电器控制的开关量输出电路，开关量输出电路常常控制着动力设备的启停。如果设备的启停负荷不太大，而且启停操作的响应速度也要求不高，则适合于继电气隔离的开关量输出电路。由于继电器首先需要一定的电流才能动作，所以必须在单片机的I/O口与继电器线圈之间接7407或75452P等驱动器，本设计采用外接7407驱动器。本设计所用继电器是直流电磁式继电器，图2-4为本设计开锁电路的原理图，继电器的动作由单片机AT89C51的P1.0端控制，单片机的输出口通过驱动器7407控制继电器线圈。当单片机输出口的输出为低电平时，继电器线圈有电流流过，则继电器动作；反之，当单片机输出口输出高电平时，继电器上无电流流过，开

26、关恢复到原始状态。继电器K由晶体管9013驱动，9013可以提供300mA的驱动电流，适合于继电器工作电流小于300mA的场合。Vcc的电压范围是630V。光电耦合器使用TIL117。TIL117有较高的电流传输比，最小值为50%。晶体管9013的电流放大倍数大于50。当继电器线圈工作电流为300mA时，光电耦合器需要输出大于6.8mA的电流，其中9013基极对地的电阻分流约0.8mA。输入光电耦合器的输入电流由7047提供，电流约为20mA。二极管D 的作用是保护晶体管T。当继电器K吸合时，二极管截止，不影响电路工作。继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，这时晶体管T已经截止，所以会在线圈的

27、两端产生较高的感应电压。这个感应电压的极性是上负下正，正端接在Tde集电极上。当感应电压与Vcc之和大于晶体管T的集电极反向耐压时，晶体管T就有可能损坏。加入二极管D之后，继电器线圈产生的感应电流由二极管D流过，因此不会产生很高的感应电压，晶体管T得到了保护。2.4 键盘电路的设计键盘是基本的输入设备，在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。下面介绍键盘的工作原理，键盘接口类型及其按键识别方法。2.4.1 常用键盘接口单片机常用键盘接口分别为独立式键盘接口，和行列式键盘接口。独立式键盘接口每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态判断哪个按键

28、被按下。在按键数目较多时，独立键盘电路需用较多的输入口线且电路结构复杂，故此键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。行列式（也称矩阵式）键盘适用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。很明显，在按键数目较多的场合，行列式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。在行列式键盘接口电路中，如果内部有上拉电阻，则外部电路的上拉电阻可以省去。一、 键盘的工作方式键盘工作方式的选取根据实际应用系统中CPU工作的忙闲情况而定，其原则是既要保证能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常键盘工作方式有3种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。1. 编程扫描方式：只有当

29、单片机空闲时，才调用键盘扫描子程序，反复的扫描键盘，等待用户从键盘上输入命令或数据，来响应键盘的输入请求。2. 定时扫描工作方式：每个一定的时间对键盘扫描一次。通常利用单片机内的定时器，产生10ms的定时中断，CPU响应定时器溢出中断请求，对键盘进行扫描，在有键按下时识别出该键，并执行相应键的处理功能程序。3. 中断工作方式：只有在键按下时，才执行键盘扫描程序并执行该按键功能程序，如果无键按下，单片机将不理睬键盘。2.4.2 主机键盘电路的设计键盘工作过程如下框图2-5所示，首先键盘的工作方式可以采取中断工作方式，当只有键按下时，才执行键盘扫描程序，否则，单片机将不予理睬键盘。其次采用线反转法

30、确定具体的键号。最后实现按键的功能，执行键处理程序。综上所述可以采用28行列式（矩阵式）键盘，如图2-6所示，键盘扫描工作方式的工作过程如下：1. 在键盘扫描子程序中，首先判断键盘上有无按键按下。其方法为P0口8位输出全为0，读P2口状态，若P2口全为1，则说明键盘无按键按下；若不全为1，则说明键盘可能有按键按下。用软件延时10ms来消除按键抖动的影响。确实有按键按下时，进行下一步。2. 求按下键的键号。根据前面介绍的扫描法，逐列置0扫描，读入行线的状态，最后确定按键的位置。3. 等待按键释放后，再进行按键功能的处理操作。 2.5 语音通话电路的设计语音电路的设计主要是采用集成运算放大器，其电

31、路设计相对简单，而且具有较好的抗干扰能力。2.5.1 集成运算放大器的原理及特性1、集成电路运算放大器集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入阻抗和低输出阻抗的多级直接耦合放大电路。它的种类很多，电路也不一样，但结构有共同之处。一般由输入级、输出级、中间（放大）级、电平移动级，补偿过载保护电路等组成。根据其结构特点，一般利用差动电路包括温漂在内的共模干扰，利用电流源解决弱电流偏置问题，利用有源负载提高开环增益。集成运算放大器的组成如框图2-7所示。输入级：要求输出电阻高，差模放大倍数高，抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强。都采用差分放大电路。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。偏置电路：为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。2、模拟选通放大器F3140A和F3140BF3140是一种多功能的集成运算放大器，其各管脚功能如表2-1 所示。表2- 1 F3140各个管脚的功能管脚号23615478符号IN-IN+OUTOA+OA-V+V-S功能输入输出调零电源选通F3140的工作状态受选通端S控制，当S端低电位时，无论输入端有无信号输入，输出端均无信号输出，即F3140被阻断；当S端高电位时，F3140将信号