张浩鹏--毕业设计

兰州交通大学毕业设计（论文）摘 要由于现代建筑物建设规模越来越大，安全性和可靠性成为一个刻不容缓的难题，因此新型可视对讲系统的设计迫在眉睫。目前，可视对讲系统可以提供住户与访客之间双向可视对讲，从而增加住宅小区的安全可靠性，同时还节省大量时间，减少住户的生活压力而且提高了工作效率。一旦小区安装了该系统之后，不但提高了该小区的居住质量，也使得住户有更大的安全感，自然而然小区的住宅档次也得到提升,因此成为小康住宅不可缺少的配套设施。为了实现实时服务，并避免结构资源的浪费，所以选择单片机来进行整个系统的控制。本文首先对硬件电路进行分析，详细介绍了硬件电路各个部分的设计以及作用；然后根据硬件与需求设计软件；最后介绍了系统的操作流程及运行结果。在整个系统的设计中，与实际情况进行充分结合，使设计效果达到了最佳。在硬件系统设计中，完成了主要器件的选型和调试。控制模块选用了Atmel公司的低功耗微控制器芯片AT89C51，还对电源模块进行了选型和设计，完成了硬件系统的设计。采用本系统可有效降低可视对讲系统的管理成本，提高管理效率而且造价低廉，适合在住户使用，具有一定的实用价值。关键词：可视对讲；摄像头；AT89C51；门口机；室内分机- I -AbstractDue to the growing scale of construction on modern buildings, security and reliability become an urgent problem, and therefore the design of new video intercom system is imminent. Now video intercom system can offer two-way video intercom between tenants and visitors, thereby increasing the safety and reliability of residential areas, also save a lot of time, reduce the pressure of life and improved the efficiency. Once the district installed the system, not only to improve the quality of living in the community, but also makes households have a greater sense of security, naturally residential district grades also improved, thus becoming an indispensable residential facilities. To achieve real-time services and to avoid waste of resources structure, we select the MCU to control the entire system.Firstly, the analysis of the hardware circuit, a detailed description of the hardware design and the various parts of the system. Then according to the needs of software to design the hardware. Finally, the results of the operational processes and systems. In the design of the entire system, fully integrated with the actual situation, make the design to achieve the best results.In the hardware system design, selection and commissioning completed the main device. The control module selected ATMELs low-power micro-controller chip AT89C51, also on the power supply module of the selection and design, to complete the design of hardware systems, and interfaces to connect various parts of the circuit for a certain amount of explanation on the part of function and effect of the device is analyzed.Using this system can effectively reduce the cost of management video intercom system, improve management efficiency and low cost, suitable for use in single households, has some practical value.Key Words: Video intercom, Camera, AT89C51, Door machine, Indoor extension- IV -目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 论文的选题背景和研究意义11.2 国内外研究现状11.3 主要研究内容12 可视对讲系统总体设计32.1 总体结构32.2 集成开发环境Keil uVision332.3 仿真软件Proteus43 可视对讲系统硬件设计53.1 单片机模块53.1.1 芯片简述53.1.2 晶体振荡电路53.1.3 复位电路53.2 视频模块63.2.1 摄像头介绍63.2.2 摄像头分类63.2.3 摄像头工作原理73.2.4 摄像头模块硬件电路图83.3 显示器模块83.4 语音对讲模块93.5 电源模块103.6 主电路仿真114 可视对讲系统软件设计124.1 室内机结构框图134.2 门口机结构框图145 系统运行结果155.1 视频模块155.2 语音对讲模块155.3 整体实物图16结 论17致 谢18参考文献19兰州交通大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 论文的选题背景和研究意义智能小区是极速发展的计算机通信网络技术与新型房地产业相结合的产物。因此，伴随着网络通信技术的快速发展，它所带来的应用及前景是无可限量的。智能小区的内涵非常广泛，而可视对讲系统又是新型智能小区中必不可少的设施。该系统不仅可以实现可视对讲系统的呼叫、可视、对讲等功能外，甚至可以把小区监控系统、内部通讯系统（小区内各个住户可以通过可视对讲系统与该小区任意住户进行可视对讲）、报警系统加以集成，这样就可以使得本系统的性价比得到一个更大的提升1。一旦小区安装了该系统之后，不但提高了该小区的居住质量，也使得住户有更大的安全感，自然而然小区的住宅档次也得到提升2。不仅如此，该系统不仅能使用户与访客进行言语交流，而且还能通过用户室内机的LCD（Liquid crystal display）屏幕上清晰的看到来访者。可视对讲系统使住户不出家门就可以对访客是谁一目了然，从而可以有效地预防非法人员进入住宅楼内3。这样很大程度的方便了用户的使用，也间接满足了住户在安全方面的需求。因此有着广阔的应用前景4。1.2 国内外研究现状可视对讲起源于20世纪80年代末到90年代的欧洲，经台湾然后再由香港传入中国深圳。该阶段被认定为可视对讲的雏形，即非可视非联网单语音多线制系统。随着科学技术的进一步发展，随后又慢慢出现了非可视、非联网单元总线制对讲系统。该阶段的可视对讲系统仅具备开锁，通话等简单功能，住户通过对讲通话根据访客的声音来判断是否可以开门。但缺点是：住户无法仅仅通过声音来判断到访者是否有威胁，所以缺少可视系统。此外，小区内各个单元独立，无法实现整个小区大面积组网。21世纪初至今，由于单元型的对讲产品无法满足中国蓬勃发展的需求，所以又出现了新型的可视对讲产品5。该阶段的可视对讲采用了总线技术，实现音视频的同时传输，使小区大范围内的音视频联网成为可能，并且有助于小区统一管理，协调运行。但是目前可视对讲具有信道少、布线复杂、抗干扰能力差、传输距离短等缺点6。1.3 主要研究内容本设计主要在可视对讲控制系统和语音对讲模块进行了设计，控制系统的选择将决定整个系统的整体结构。(1) 控制系统的设计，该系统采用AT89C51芯片进行控制各个系统模块的集中控制。如：来客提醒模块、视频模块、对讲模块、报警模块等。AT89C51是一种性能较高、功耗较低的CMOS 8位微控制器，其具有8K的系统Flash存储器，而且可以手动编程。Atmel 公司生产的该产品利用了高密度且非易失性存储器制造技术，并且与工业80C51产品在引脚和指令方面完全兼容7。片上Flash允许程序存储器在可以对系统编程，亦适于常规编程器。单在芯片上，拥有8位灵巧的CPU和系统可编程Flash，使得AT89C51为众多应用系统提供超有效、高灵活的解决方案8。(2) 语音通讯模块的设计，该模块采用美国ISD公司于2001年推出的一种单片820秒语音录放电路ISD1820，它的大致结构与同类产品ISD1110完全相同，采用CMOS技术，内含防混淆滤波器、振荡器、自动增益控制、话筒前置放大、扬声器驱动及Flash阵列。通过改进，使其改变为简单的喊话功能，完成该可视对讲系统设计中访客和主人的通话功能。2 可视对讲系统总体设计2.1 总体结构系统硬件部分由可视对讲模块、来客提醒模块、单片机模块组成，主要电路有单片机最小系统电路，电源电路，语音对讲电路，视频显示电路等。在器件的选择时，充分考虑其成本和可靠性，同时为系统扩展留有余地。在整个系统设计中用到了集成开发环境Keil uVision3和最新的电路系统仿真软件Proteus。系统总体结构如图2.1所示。图2.1 系统总体框图2.2 集成开发环境Keil uVision3可视对讲系统以AT89C51作为MCU，运用简单C语言作为编程语言，系统采用Keil uVision3作为程序编译软件。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。Keil Vision3包括Keil Vision3集成开发环境与RealView编译器。支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核处理器，自动配置启动代码，集成Flash烧写模块，强大的 Simulation设备模拟，性能分析等功能，与ARM之前的工具包ADS等相比，RealView编译器的最新版本可将性能改善超过20%。其编程主界面如图2.2所示。图2.2 软件调试工具界面2.3 仿真软件Proteus仿真软件选用英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件Proteus。它不仅具有其它仿真软件的仿真功能，还可以对单片机及外围器件进行仿真，极大方便了我们的工作。它目前是市场上比较好的仿真单片机及外围器件的软件。虽然目前为止，国内的推广才刚刚起步，但已受到绝大多数单片机爱好者、从事单片机课程教学的教师、致力于基于单片机的基本应用以及开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是全球著名的仿真软件，不论是从原理图分布、代码调试到单片机与外围电路组装仿真，还是一键切换到进行PCB的设计，真正意义上实现了从概念转换为产品的完整设计。是目前世界上唯一一个能将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，Proteus的处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年该软件又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。3 可视对讲系统硬件设计本系统硬件设计包括单片机模块、视频模块、显示器模块、语音对讲模块、电源模块。控制模块选用单片机AT89C51为核心完成对其它模块的控制；视频模块选用OV7670视屏模块；显示模块选用LCD显示屏TFT；电源模块为其余模块供电，并且经过5V稳压芯片和3.3V稳压芯片使7.2V蓄电池输出其它器件需要的额定电压。3.1 单片机模块3.1.1 芯片简述MCS-51指令系统的89C51是高性能、低电压的CMOS 8位单片机，片内含256 bytes的数据存储器(RAM)和可反复擦写的32k bytes的程序存储器(PEROM)。该单片机采用ATMEL公司非易失性存储和高密度技术生产，片内有Flash存储单元和8位中央处理器9。3.1.2 晶体振荡电路管脚：18脚（XLAT2）晶振电路输出脚 19脚（XLAT1）晶振电路输入脚时钟方式有外部方式和内部方式，本次设计采用的方式为内时钟方式，接线方式如图3.1所示。图3.1 晶振电路图此次设计晶体振荡器采用的是12MHz，电容C1、C2通常为30pf，起到频率微调的作用。3.1.3 复位电路管脚：9脚(RST)复位输入端。复位电路是高电平有效，使单片机在死机时再次回到初始状态。上电时，为了考虑振荡器的起振时间，必须在晶振工作后2个机器周期的高电位才可复位单片机。电路如图3.2所示。图3.2 复位电路图3.2 视频模块3.2.1 摄像头介绍摄像头(Camera)又被称之为电脑眼、电脑相机等，它经常被作为一种视频输入设备，目前被广泛的运用于实时监控及远程医疗、视频会议等方面。近些年来，随着互联网技术的飞速发展，网络速度的迅猛提高，再加上感光成像器件技术的逐步发展并大量运用在各种各样摄像头的制造上，这使得普通家庭可以将其运用在家庭的各个方面。同时近几年CAMERA被大量应用于移动手机，随之也致使感光成像技术的进一步提高，例如30万象素，80万象素，130万象素，200万象素等。本设计中采用的摄像头模块是内置式组件，它是先进、节能的高精度的器件。该产品支持8/10位数字传输JPEG图像和YCbCr接口。其小巧的体积，让设计人员即使在最小的应用中仍可以增加摄像模块。由于具有高度集成的特点，新型的摄像模块不再需要配备任何外部器件，可以被简便地应用在移动电话和各种可视监控或楼宇可视对讲设计中。3.2.2 摄像头分类摄像头可分为两类：数字式和模拟式。(1) 数字式直接将视频捕捉单元和摄像单元集成在一起的摄像头是数字摄像头，然后通过固定USB接口或串、并口连接到宿主主机上。现在摄像头市场上基本以数字摄像头为主，而最新型数据传输接口的USB数字摄像头又在数字摄像头中独占鳌头，在移动手机上是直接通过I/O与宿主主机连接，然后经过宿主主机的编辑链接后以数字信号的形式输出到显示屏上显示出来。目前摄像头市场上主流的摄像头均为数字式摄像头。本次设计采用价格相对低廉且功率低的OV7670数字摄像头，其拥有30万象素足以满足小区内可视对讲的需求。摄像头实物图如图3.3所示。图3.3 摄像头实物图(2) 模拟式模拟摄像头把视频采集模块接收的视频模拟信号转换成数字信号，并且将其存储到系统内存里。模拟摄像头采集到的视频信号一定经过固定的的视频捕捉卡将模拟信号经过模数转换转换成数字模式，并进行压缩后才能转换到宿主主机上运用，经过宿主主机的编辑，最后通过显示屏显示和输出。整个过程所涉及的硬件比较复杂，而且搭建困难，所以逐渐在摄像头方面失去优势。3.2.3 摄像头工作原理摄像头的大致工作原理为：物体通过镜头生成的光学图像投射到后面已经安装好的图像传感器的表面上，然后转变为可以传输的电信号，经过模数转换(A/D)后变为数字图像信号，再送到数字信号处理器(DSP)中进行特定的加工处理，再通过USB接口或者I/O接口传输到电脑中进行处理，通过显示屏就能看到摄像头前的图像了。摄像头工作流程图如图3.4所示。图3.4 摄像头工作流程图3.2.4 摄像头模块硬件电路图摄像头硬件电路如图3.5所示。图3.5 摄像头硬件电路图3.3 显示器模块显示器(Display)一般也被叫做监视器或者显示屏，是电脑和其他各种宿主主机的I/O设备，也叫做输入输出设备。它是将物镜接收到的电子信号通过特定的传输转换设备显示到目标屏幕上再反射到工作人员眼睛的必不可少的显示工具。本次毕业设计采用的为2.8寸TFT液晶显示屏，262K色宽视角，分辩率为240*320。实物如图3.6所示。图3.6 显示屏实物图人类从早期的黑白屏幕到现在的色彩世界，显示器度过了艰辛并且非常漫长的历程，随着显示器及其它附属器件技术的飞速发展，显示器也产生了非常多的种类。常见的显示器可分为：CRT、LCD、LED、3D以及等离子等，本设计采用LCD显示器。液晶显示器简称LCD，有很多液晶粒子在显示器内部，而且它们按一定的规律排列成特定的形状，它们每一面都有不同的颜色：绿色，红色，蓝色。这是色彩的三原色，能搭配成任意的其他颜色，当显示器一旦收到电脑的显示数据时，会立即控制每个液晶粒子转动，然后通过不同颜色的面来组合成不同的图像和颜色。也正是因为这样，导致的后果就是液晶显示屏的可视角度不高，色彩不够艳。但是液晶显示器具有辐射小、占地小、机身薄等优点，给人以一种健康产品的美好形象。3.4 语音对讲模块语音对讲模块采用性价比相对较高的ISD 1820录放电路，该电路具有高质量、自然的语音还原、35V供电等功能。本设计使其在直通模式下工作，直通开关闭合，对话筒说话会从喇叭里扩音播放出来，构成喊话器功能，由于该模式下的话筒放大同时经过AGC自动增益调节和带通滤波器，其音质比通常的话筒放大器要好很多，而且不会出现喇叭过载的情况。要完成智能小区可视对讲系统，必须要有两套该设备才可实现住户与访客之间的语音交流，再加上有视频可观测到门口机前人的面部图像，使得住户可以有一个安全舒适的居住环境，万一遇到可疑人员，住户可随时联系管理中心或者直接报警。具体实物图如图3.7所示。图3.7 语音对讲模块该模块可以完成简单的对讲功能，再将接线稍微改进一下，就可以进行录音功能，但是不能长时间存储是该模块的一个不足之处。3.5 电源模块本设计所涉及的系统正常工作时，工作电压为5V和3.3V。由于采用7.2V蓄电池作为独立电源供电，所以必须加稳压电路进行降压处理。主控电路AT89C51和语音对讲模块采用5V电压供电。5V稳压芯片选择LM7805，该芯片采用三端集成，三个端子分别为输入端，输出端和接地端，方便实用。来客提醒模块和视频模块均采用3.3V供电，所以必须再将最初的7.2V蓄电池进行降压处理。LM7805稳压芯片电路图如图3.8所示。图3.8 5V稳压芯片电路3.6 主电路仿真在搭建硬件电路前，首先做了一系列仿真实验，由于在仿真软件Proteus中无视频模块和语音对讲模块，所以决定用发光二极管代替。仿真图如图3.9所示。图3.9 电路仿真截图4 可视对讲系统软件设计本章介绍了软件的设计过程，其中以主流程图为主，还分别介绍了门口机和室内主机的结构框图。在主流程图中分别显示了来客提醒模块、视频模块、语音对讲模块、报警和打开门禁。主程序流程图如图4.1所示。图4.1 主程序流程图在整个系统过程中，当有人按下门口机来客提醒按钮时，室内的扬声器响起音乐，当室内无人时，扬声器会在单片机的控制下响一段时间，而室内有人时，住户按下视屏按钮即可打开视屏（此时扬声器还在响，而且访客不知道室内是否有人，给住户一定的隐私）观察访客的外貌确定是否让该访客进入单元门。不论住户确定或者不确定访客的身份时，住户按下语音对讲按钮即可与访客进行双向对讲（此时来客提醒铃将会强制关闭），进一步确定访客身份。若发现访客对自己有威胁，则可直接按下报警按钮连接管理中心，向管理中心报警，也可直接拨打报警电话。当确定访客安全之后则可按下门控按钮，让访客进入单元门。4.1 室内机结构框图室内主机主要有可视对讲和非可视对讲两大类产品。随着产品的不断丰富，许多还具备了安防报警、监控等功能。对讲机的外观类似于常见的面包电话机但是趋向于多样化。超薄免提壁挂即将成为一种发展趋势，但流行最广的任然是壁挂式黑白机。从发展来看低档配套多为对讲分机，中档以黑白可视对讲机居多，而带安防报警的彩色机在高档楼盘中应用较多。住户室内机应当具有以下功能：呼叫功能：该室内机可以直接呼叫管理中心。对讲功能：当有访客呼叫时，住户可以和访客进行对讲通话。可视功能：当门口机前有访客呼叫时，住户可以看到是谁在呼叫，从而决定是否要开启公共大门电子锁。开门功能：当确认访客信息后，可通过按下开门键打开公共大门的电子锁。室内机结构框图如图4.2所示。图4.2 室内机结构框图4.2 门口机结构框图目前无论何种方式的室内机（对讲室内机或可视室内机），大多数用户都要求使用可视门口机。门口主机作为楼宇对讲系统的关键设备，因此，厂家在功能、稳定性、外观上是进行了激烈的竞争。另外，读头成本降低和ID卡技术使感应门禁技术可以在门口主机上实现刷卡开锁等功能结构框图如图4.3所示。图4.3 门口机结构框图除此之外，为了方便用户使用，许多产品还可以提供呼叫提示、铃声提示、按键提示等功能，使得门口主机的性能越来越完善。一般门口机应当具有以下功能：自动切断功能：若访客呼叫住户而住户无应答或者室内无人时，呼叫系统将在一段时间后自动切断。此举可以提高对讲系统的使用效率。监视功能：门口机上安装有数字摄像头，采集接受到的视频图像可以清楚地传达到室内机的显示器上，住户通过视频可以判断来客是否有威胁，以及决定是否为其开启公共大门电子锁。5 系统运行结果本可视对讲系统设计可完成来客提醒、视频模块、语音对讲模块、威胁报警、自动开锁五大功能。各个部分由主控电路来控制，通过继电器的通断来决定是否打开还是关闭各个模块。5.1 视频模块视频模块主要完成住户对该访客的识别，保护住户的安全。显示器可以将摄像头采集到的来客的样子显示在显示器上，住户通过判断从而决定是否开门让访客进入。视频模块如图5.1所示。图5.1 视频模块5.2 语音对讲模块语音对讲模块中绿色部分为麦克风，旁边黑色为扬声器。当有人对着麦克风说话时，扬声器会发出声音，方便住户了解访客，从而决定是否要打开门禁让访客进入。语音对讲模块如图5.2所示。图5.2 语音对讲模块5.3 整体实物图完成的整体实物图如图5.3所示。图5.3 整体实物图结 论本文首先调查了解了目前可视对讲系统的研究背景和发展现状，发现目前的可视对讲系统具有造价高且无具体芯片厂家向其提供服务的缺点。根据此背景本设计通过常用的AT89C51芯片进行控制来实现该可视对讲系统。本设计一开始先介绍了可视对讲系统的主要组成部分，包括门口机、室内机以及管理中心。然后分别介绍了组成该系统的各个模块，如单片机单元、视频模块以及语音对讲模块。通过AT89C51单片机的控制来实现各个模块的强制通断以及延时。在仿真电路上，由于视屏模块，音频模块无法在仿真中出现，只能退而求其次采用发光二极管来代替，通过发光二极管的通断，来判断该输出口是否导通。然后进行实物制作，经过大量的调试，然后完成了该可视对讲系统的制作。本设计完