基于单片机控制的楼宇对讲机分机电路的设计

摘摘 要要 鉴于目前市场上已出现种类繁多的楼宇对讲机 本文论述了由 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 关关键键字字 对讲机 单片机 电路 i Abstract Since the present market has various kinds of building interphone this paper briefly introduces the composition of the building by AT89C51 extension circuit structure and interphone analyses the working process of building interphone extension of hardware and introduces the working principle of each part circuit Guests can ChanYuanLou through the digital keyboard choose to visit resident through the voice circuits realize the system function In addition residents can also open locks visitors through the electronic digital keyboard the resident called residents agreed to enter the building visitors to limit the illegal workers At the same time if encounter emergencies residents may also notify security personnel through this system has been timely support and processing Test results show that the circuit distortion rate below market similar products Through physical test and the type of simple structure convenient operation compact with good real time and quickness therefore has better practicability Key words interphone SCM electric circuit ii 目目 录录 摘 要 i Abstract ii 第一章 引 言 1 1 1 课题的背景和意义 1 1 2 近年来国内外研究的现状 1 1 3 课题研究内容 2 第二章 方案论证与选择 3 2 1 方案的论证 3 2 1 1 单片机 3 2 1 2 语音电路半双工与全双工 4 2 1 3 无线系统与有线系统 4 2 2 方案的总结 4 第三章楼宇对讲机分机电路的设计 6 3 1 主控电路的设计 6 3 1 1 低功耗收发器 MAX485 6 3 1 2 单片机 AT89C51 7 3 1 3 主控电路的设计 14 3 2 报警电路的设计 15 3 2 1 7407 的功能特点 16 3 2 2 报警电路的设计 17 3 3 开锁电路的设计 18 3 3 1 继电器的工作原理 18 3 3 2 开锁电路的设计 23 3 4 语音电路的设计 24 3 4 1 集成运算放大器的原理及特性 24 3 4 2 语音电路的设计 27 3 5 电源电路的设计 29 3 5 1 LM78 系列三端固定稳压器 30 3 5 2 电源电路的设计 32 3 6 软件设计 33 3 6 1 软件设计流程图 33 结 论 35 参考文献 36 致 谢 37 附录 1 楼宇对讲机分机电路原理图 38 附录 2 系统程序 39 英文资料 43 中文翻译 52 0 第第一一章章 引引 言言 1 1课课题题的的背背景景和和意意义义 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 30 M 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 近近年年来来国国内内外外研研究究的的现现状状 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 1 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 课课题题研研究究内内容容 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 2 第第二二章章 方方案案论论证证 与与选选择择 2 1 方方案案的的论论证证 2 1 1 单单片片机机 单片微型计算机 Single Chip Microcomputer 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 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 EPROM 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 3 低功耗空闲和掉电模式 2 1 2 语语音音电电路路 半半双双工工与与全全双双工工 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 无无线线系系统统与与有有线线系系统统 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 方方案案的的总总结结 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 4 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 5 第第三三章章楼楼宇宇对对讲讲机机分分机机电电路路的的设设计计 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 主主控控电电路路的的设设计计 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 低低功功耗耗收收发发器器 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 6 为其各引脚的逻辑功能 图 3 2 MAX485 引脚图 表表 3 1 MAX485 各各引引脚脚功功能能 MAX485名名称称功功能能 1RO接接收收器器输输出出 若若 A B200mA 则则 RO 为为高高电电平平 反反 之之则则为为低低电电平平 2RE接接收收器器输输出出使使能能 当当 RE 为为低低电电平平时时 RO 有有效效 当当 RE 为为高高电电平平时时 RO 为为高高阻阻状状态态 3DE驱驱动动器器输输出出使使能能 DE 为为高高电电平平时时 驱驱动动器器输输出出Y 与与 Z 有有效效 当当 DE 为为低低电电平平时时 驱驱动动器器输输出出为为高高阻阻 状状态态 当当驱驱动动器器输输出出有有效效时时 器器件件被被用用作作线线驱驱动动器器 在在高高阻阻状状态态下下 若若 RE 为为低低电电平平 则则器器件件被被用用作作线线 接接收收器器 4DI驱驱动动器器输输入入 DI 上上的的低低电电平平强强制制输输出出 Y 为为低低电电平平 而而输输出出 Z 为为高高电电平平 DI 上上的的高高电电平平强强制制输输出出 Y 为为 高高电电平平 而而输输出出 Z 为为低低电电平平 5GND接接地地 6A接接收收器器同同相相输输入入端端和和驱驱动动器器同同相相输输出出端端 7B接接收收器器反反相相输输入入端端和和驱驱动动器器反反相相输输出出端端 8Vcc正正电电源源 4 75V V Vcc c 5 25V 3 1 2 单片机单片机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 7 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 3 AT89C51 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 Idle Mode 和掉电方式 Power Down Mode 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 8 128 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 VCC 电源端 GND 接地端 2 外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1 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 4 AT89C51 引脚 信号 即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端 XTAL2 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 9 RST 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 ALE 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 PSEN 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 EA 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 P0 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 10 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 P1 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 P2 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 P3 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 11 表表 3 3 2 2 P P3 3 各各端端口口引引脚脚与与复复用用功功能能表表 端口引脚复用功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2INTO 外部中断 0 P3 3INTI 外部中断 1 P3 4T0 定时器 0 的外部输入 P3 5T1 定时器 1 的外部输入 P3 6WR 外部数据存储器写选通 P3 7RD 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 12 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 8 MAX690 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 13 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 P 2 P 3 P 4 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 表表 3 3 3 3 寄寄存存器器的的复复位位状状态态 寄存器复位状态寄存器复位状态 PC0000HTMOD00H ACC00HTCON00H PSW00HTL000H SP07HTH000H DPTR0000HTL100H P0 P3FFHTH100H IPXxx00000BSCON00H IE0 xx00000BPCON0 xx00000B 3 1 3 主主控控电电路路的的设设计计 图 3 9 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 其发出的信号便通过 MAX485 芯片传送给单片机 AT89C51 单片机接收 到该信号后就会在程序的控制下在P2 3 管脚上产生一高电平 再通过电阻为三 极管提供基极电流 三极管导通 振铃工作 发出声音 呼叫住户 住户听到铃 声后 可选择 3 种操作方式 报警 开锁和语音通话 报警 即是住户遇到 危险时可通过该动作及时通知小区保安 以得到及时的援助 开锁 即是 给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 以上三种操作 不论住户进行哪种操作 单片机再主程序的控制下 在 14 P2 4 管脚上产生一低电平 占线指示灯亮 表明住户分机正在工作 在单片机应用系统设计中 单片机对键盘的控制有3 种方式 1 程序控制扫描方式 这种方式只有单片机空闲时 才可调用键盘扫描子程序 查询键盘的输入状 态是否改变 2 定时扫描方式 单片机对键盘的扫描也可采用定时扫描方式 即单片机每隔一定的时间对键 盘扫描一次 在这种方式中 通常采用单片机内部的定时器 产生10ms 的定 时中断 CPU 响应定时中断请求后对键盘进行扫描 以查询键盘是否有键按下 3 中断扫描方式 虽然采用程序查询与定时对键盘的扫描方式时的程序编制简单 但一个单片 机系统在运行时的大多数时间里键盘基本是不工作的 为了进一步提高CPU 的工作效率 可采用中断方式 当键盘有键动作时产生中断 CPU 响应键盘 中断后 执行键盘中断程序 判别键盘按下键的键号 并做相应处理 本设计中按键采用中断扫描方式 即当有按键按下时 振铃停止 同时启动 分电路工作 图 3 9 主控电路原理图 3 2报报警警电电路路的的设设计计 报警电路完成的是向小区保安报警的电路 其设计是采用压电式蜂鸣器进行 报警 而蜂鸣器是采用 7407 芯片进行驱动 使其能够工作 15 3 2 1 7407的的功功能能特特点点 图 3 10 7407 引脚图 其中 1A 6A 为输入引脚 1Y 6Y 为输出引脚 7407 为集电极开路输出的六组同相驱动器 其外部引脚图及内部框图分别 如 3 10 和 3 11 所示 图 3 11 7407 内部结构框图 7407 工作时的极限值 电源电压 7V 输入电压 5 5V 输出截止态电压 30V 工作环境 0 70 贮存环境 65 150 16 表 3 4 3 5 3 6 分别介绍了 7407 的工作条件 静态特性和动态特性 表表 3 4 7407 的的工工作作条条件件 最小额定最大单位 电源电压 Vcc4 7555 25V 输入高电平电压 Vh2V 输入低电平电压 Vl0 8V 输出截止态电压 Vo30V 输出低电平电 流 ol40mA 表表 3 5 7407 的的静静态态特特性性 参数测试条件最大单位 Vik 输入钳位电压 VCC 最小 Iik 12mA 1 5V Io 输出截止态电流Vcc 最小 Vil 0 8V Vo 30V250uA Vol 输出低电平电压Vcc 最小 Vih 2V Iol 16mA0 4V Ii 最大输入电压时电流Vcc 最大 Vi 5 5V1mA Iih 输入高电平电流Vcc 最大 Vih 2 4V40uA Iil 输入低电平电流Vcc 最大 Vil 0 4V 1 6mA Icch 输出高电平时电源电 流 Vcc 最大41mA Iccl 输出低电平时电源电 流 Vcc 最大30mA 表表 3 6 7407 动动态态特特性性 参数测试条件最大单位 输出由低电平到高电平传输延迟时间10nS 输出由高电平到低电平传输延迟时间 Vcc 5V Cl 15pf Rl 110 30nS 3 2 2 报报警警电电路路的的设设计计 本电路所设计的报警电路是单频音报警电路 其电路设计相对比较简单 其发音元件通常可以采用压电蜂鸣器 这种蜂鸣器只需在其两引线上加 3V 15V 的直流电压 就可以产生 3kHz 左右的蜂鸣震荡音响 比电研式蜂鸣器 17 结构简单 耗电少 更适合在单片机应用系统中使用 压电式蜂鸣器约需 10mA 的驱动电流 因此 可以使用TTL 系列集成电 路 7407 低电压驱动 也可以使用一个晶体三极管驱动 在本设计中采用 7407 低电压驱动 其电路原理图如图3 12 所示 图 3 12 报警电路原理图 图中 驱动器的输入端接单片机 当单片机的输出口输出低电平时 7407 的输出为低电平 是压电式蜂鸣器引线获得将近5V 的直流电压 而产生 蜂鸣音响 当单片机的输出口输出为 高电平时 7407 的输出端升高到 5V 压电式蜂鸣器的两引线之间的直流电压降至接近0V 发音停止 3 3 开开锁锁电电路路的的设设计计 开锁电路完成遥控开启门锁的功能 采用继电器实现 继电器有多种分类 下面先介绍一些常用的继电器 3 3 1 继继电电器器的的工工作作原原理理 继电器是一种电子控制器件 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制系 统 又称输出回路 通常应用于自动控制电路中 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 一 常见几种继电器 1 电磁继电器 18 电磁式继电器一般由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等组成的 只要在线圈两 端加上一定的电压 线圈中就会流过一定的电流 从而产生电磁效应 衔铁就会 在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯 从而带动衔铁的动触点与 静触点 常开触点 吸合 当线圈断电后 电磁的吸力也随之消失 衔铁就会在 弹簧的反作用力返回原来的位置 使动触点与原来的静触点 常闭触点 吸合 这样吸合 释放 从而达到了在电路中的导通 切断的目的 对于继电器的 常开 常闭 触点 可以这样来区分 继电器线圈未通电时处于断开状态的 静触点 称为 常开触点 处于接通状态的静触点称为 常闭触点 2 热敏干簧继电器 热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关 它由感温磁环 恒磁环 干簧管 导热安装片 塑料衬底及其他一些附件组成 热敏干簧继电器不用线圈励磁 而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作 恒磁环能 否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的 3 固态继电器 SSR 固态继电器是一种两个接线端为输入端 另两个接线端为输出端的四端器件 中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离 固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型 按开关型式可分为常开 型和常闭型 按隔离型式可分为混合型 变压器隔离型和光电隔离型 以光电隔 离型为最多 SSR 成功地实现了弱信号 Vsr 对强电 输出端负载电压 的控制 由 于光耦合器的应用 使控制信号所需的功率极低 约十余毫瓦就 正常工作 而且 Vsr 所需的工作电平与 TTL HTL CMOS 等常用集成电路兼容 可以实 现直接联接 这使 SSR 在数控和自控设备等方面得到广泛应用 在相当程度上 可取代传统的 线圈 簧片触点式 继电器 简称 MER SSR 由于是全固态电子元件组成 与MER 相比 它没有任何可动的机械 部件 工作中也没有任何机械动作 SSR 由电路的工作状态变换实现 通 和 断 的开关功能 没有电接触点 所以它有一系列MER 不具备的优点 即工作高可靠 长寿命 有资料表明SSR 的开关次数可达 108 109 次 比一 般 MER 的 106 高几百倍 无动作噪声 耐振耐机械冲击 安装位置无限制 19 很容易用绝缘防水材料灌封做成全密封形式 而且具有良好的防潮防霉防腐性能 在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳 这些特点使SSR 可在军事 如飞 行器 火炮 舰船 车载武器系统 化工 井下采煤和各种工业民用电控设 备的应用中大显身手 具有超越MER 的技术优势 交流型 SSR 由于采用过零触发技术 因而可以使SSR 安全地用在计算机 输出接口上 不必为在接口上采用MER 而产生的一系列对计算机的干扰而烦 恼 此外 SSR 还有能承受在数值上可达额定电流十倍左右的浪涌电流的特点 二 主要参数与选用 功率固态继电器的特性参数包括输入和输出参数 下面以北京科通继电器总 厂生产的 GX 10F 继电器为例 列出输入 输出参数 详见表3 7 根据输入 电压参数值大小 可确定工作电压大小 如采用TTL 或 CMOS 等逻辑电平控 制时 最好采用有足够带载能力的低电平驱动 并尽可能使 0 电平低于 0 8 V 如在噪声很强的环境下工作 不能选用通 断电压值相差小的产品 必需选 用通 断电压值相差大的产品 如选接通电压为8 V 或 12 V 的产品 这样不 会因噪声干扰而造成控制失灵 输出参数的项目较多 现对主要几个参数说明如 下 表表 3 7 继继电电器器输输入入 输输出出参参数数 参数值参数名称 单位 最小典型最大 直流控制电压 V 3 214 输入电流 mA 20 接通电压 V 3 2 关断电压 V 1 5 反极向保护电压 V 15 绝缘电阻 109 输入端 介质耐压 V 1500 额定输出电压 V 25250 额定输出电流 A 10 浪涌电流 A 100 过零电压 V 15 输出压降 V 2 0 输出端 输出漏电流 mV 10 20 接通电间 ms 10 关断时间 ms 10 工作频率 Hz 4 770 功率损耗 W 1 5 关断 dV dT V uS 200 晶闸管结温 110 工作温度 20 80 1 额定输入电压 它是指定条件下能承受的稳态阻性负载的最大允许电压有效值 如果受控负 载是非稳态或非阻性的 必需考虑所选产品是否能承受工作状态或条件变化时 冷热转换 静动转换 感应电势 瞬态峰值电压 变化周期等 所产生的最 大合成电压 例如负载为感性时 所选额定输出电压必须大于两倍电源电压值 而且所选产品的阻断 击穿 电压应高于负载电源电压峰值的两倍 如在电源电 压为交流 220V 一般的小功率非阻性负载的情况下 建议选用额定电压为 400V 600V 的 SSR 产品 但对于频繁启动的单相或三相电机负载 建议选用额 定电压为 660V 800V 的 SSR 产品 2 额定输出电流和浪涌电流 额定输出电流是指在给定条件下 环境温度 额定电压 功率因素 有无散 热器等 所能承受的电流最大的有效值 一般生产厂家都提供热降额曲线 如周 围温度上升 应按曲线作降额使用 浪涌电流是指在给定条件下 室温 额定电压 额定电流和持续的时间等 不会造成永久性损坏所允许的最大非重复性峰值电流 交流继电器的浪涌电流为 额定电流的 5 10 倍 一个周期 直流产品为额定电流的 1 5 5 倍 一秒 在 选用时 如负载为稳态阻性 SSR 可全额或降额 10 使用 对于电加热器 接 触器等 初始接通瞬间出现的浪涌电流可达3 倍的稳态电流 因此 SSR 降 额 20 30 使用 对于白织灯类负载 SSR 应按降额 50 使用 并且还应加 上适当的保护电路 对于变压器负载 所选产品的额定电流必须高于负载工作电 流的两倍 对于负载为感应电机 所选SSR 的额定电流值应为电机运转电流的 2 4 倍 SSR 的浪涌电流值应为额定电流的10 倍 固态继电器对温度的敏感性很强 工作温度超过标称值后 必须降热或外加 21 散热器 例如额定电流为 10A 的 JGX 10F 产品 不加散热器时的允许工作电流 只有 10A 3 继电器主要产品技术参数 额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压 根据继电器的型 号不同 可以是交流电压 也可以是直流电压 直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻 可以通过万能表测量 吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流 在正常使用时 给定的 电流必须略大于吸合电流 这样继电器才能稳定地工作 而对于线圈所加的工作 电压 一般不要超过额定工作电压的1 5 倍 否则会产生较大的电流而把线圈 烧毁 释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流 当继电器吸合状态的电流减 小到一定程度时 继电器就会恢复到未通电的释放状态 这时的电流远远小于吸 合电流 触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流 它决定了继电器能控 制电压和电流的大小 使用时不能超过此值 否则很容易损坏继电器的触点 4 继电器测试 1 测触点电阻 用万能表的电阻档 测量常闭触点与动点电阻 其阻值应为0 而常开触 点与动点的阻值就为无穷大 由此可以区别出那个是常闭触点 那个是常开触点 2 测线圈电阻 可用万能表 R 10 档测量继电器线圈的阻值 从而判断该线圈是否存在着 开路现象 3 测量吸合电压和吸合电流 找来可调稳压电源和电流表 给继电器输入一组电压 且在供电回路中串 入电流表进行监测 慢慢调高电源电压 听到继电器吸合声时 记下该吸合电压 和吸合电流 为求准确 可以试多几次而求平均值 4 测量释放电压和释放电流 22 也是像上述那样连接测试 当继电器发生吸合后 再逐渐降低供电电压 当 听到继电器再次发生释放声音时 记下此时的电压和电流 亦可尝试多几次而取 得平均的释放电压和释放电流 一般情况下 继电器的释放电压约在吸合电压的 10 50 如果释放电压太小 小于1 10 的吸合电压 则不能正常使用了 这样会对电路的稳定性造成威胁 工作不可靠 5 继电器的电符号和触点形式 继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示 如果继电器有两个线圈 就画 两个并列的长方框 同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号 J 继电器的触点有两种表示方法 一种是把它们直接画在长方框一侧 这种表示法 较为直观 另一种是按照电路连接的需要 把各个触点分别画到各自的控制电路 中 通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号 并将触点组 编上号码 以示区别 5 继电器的触点有三种基本形式 1 动合型 H 型 线圈不通电时两触点是断开的 通电后 两个触点就 闭合 以合字的拼音字头 H 表示 2 动断型 D 型 线圈不通电时两触点是闭合的 通电后两个触点就断 开 用断字的拼音字头 D 表示 3 转换型 Z 型 这是触点组型 这种触点组共有三个触点 即中间是 动触点 上下各一个静触点 线圈不通电时 动触点和其中一个静触点断开和另 一个闭合 线圈通电后 动触点就移动 使原来断开的成闭合 原来闭合的成断 开状态 达到转换的目的 这样的触点组称为转换触点 用 转 字的拼音字 头 z 表示 3 3 2 开开锁锁电电路路的的设设计计 本设计的开锁电路采用继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 则适合于采用继电器隔离的开关量输出电路 由于继电器线圈需要 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 本设计师采用的外接7407 驱动器 继电器线圈是感性负 载 当电路开断时会出现电感性浪涌电压 所以 在继电器两端要并联一个泄流 23 二极管以保护继电器 图 3 13 为本设计开锁电路的原理图 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 继电器线圈有电流通过 则继电器动作 反之 当单片机输出口输出高电平时 继电器上无电流通过 开关恢复到原始状态 图 3 13 开锁电路原理图 3 4 语语音音电电路路的的设设计计 语音电路的设计主要是采用集成运算放大器 其电路设计相对比较简单 而 且具有较好的抗干扰能力 3 4 1 集集成成运运算算放放大大器器的的原原理理及及特特性性 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 中间 放大 级 输出级 电平移动级 补偿和过载保护电路等 组成 根据其结构特点 一般利用差动电路抑制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 成框图如图 3 14 所示 输入级中间级输出级 偏置电路 24 图 3 14 集成运算放大器组成框图 输入级 要求输入电阻高 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 一 集成电路运算放大器的参数 1 输入失调电压 VIO 一个理想的集成运放 当输入电压为零时 输出电压也应为零 不加调零装置 但实际上它的差分输入级很难做到完全对称 通常在输入电压为零时 存在一定 的输出电压 在室温 25 及标准电源电压下 输入电压为零时 为了使集成运 放的