基于ST7537HS1的多功能可視對(duì)講門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
目前比較流行的門禁系統(tǒng)大都采用485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，少部分廠家采用了抗干擾能力較強(qiáng)的工業(yè)控制總線(如CAN等)[1]。這些總線方式最大的問題就是必須重新布線，這給安裝工作帶來了很大麻煩，成本也比較高。本設(shè)計(jì)利用現(xiàn)有的電力線路進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸，實(shí)現(xiàn)了一套具有指紋識(shí)別、智能開鎖、可視對(duì)講、語音留言、智能報(bào)警的多功能家居門禁系統(tǒng)。
1 ST7537HS1調(diào)制解調(diào)器簡介[2]
家庭自動(dòng)化調(diào)制解調(diào)器ST7537HS1是用模擬CMOS技術(shù)制作的，在半雙工模式中利用載頻123.45 kHz傳送和接收數(shù)據(jù)的家庭專用調(diào)制解調(diào)器，它的速率可達(dá)1 200 b/s。由于移幅鍵對(duì)噪聲和擴(kuò)頻很敏感，線路復(fù)雜、價(jià)格昂貴，所以ST7537利用移頻鍵來傳輸。把從電力線過來的傳輸和接收數(shù)據(jù)所必須的各種功能塊都包含在芯片上，除了這個(gè)集成電路以外，外部器件僅需有線驅(qū)動(dòng)器、變壓器，再加上準(zhǔn)備和解釋數(shù)據(jù)信息的微控制器。傳輸數(shù)據(jù)與額定內(nèi)部信息數(shù)據(jù)以1 200 b/s異步進(jìn)入FSK調(diào)制器。在調(diào)制器中，數(shù)據(jù)變換為2個(gè)頻率(133.05 kHz表示“0”，131.85 kHz表示“1”)，這2個(gè)頻率由廉價(jià)的頻率為11.059 2 MHz的晶振產(chǎn)生。
在發(fā)送部分，從FSK調(diào)制器來的調(diào)制信號(hào)經(jīng)開關(guān)電容帶通濾波器濾波后限制輸出頻譜和減少諧波器件的輸出電平。傳輸通道最后需要一個(gè)從電源放大器發(fā)出反饋信號(hào)的運(yùn)算放大器。
在接收部分，進(jìn)來的信號(hào)進(jìn)入RAI輸入口后，信號(hào)被開關(guān)電容帶通濾波器首次濾波。這個(gè)濾波器以載頻為中心，帶通范圍大約為12 kHz。濾波器的輸出信號(hào)以20 ｄB增益級(jí)放大，放大了的信號(hào)進(jìn)入混頻器進(jìn)行降頻變頻。最后，中心頻率為5.4 kHz的中頻帶通濾波器使信號(hào)在進(jìn)入FSK解調(diào)器前改善了信噪比，此中頻濾波器輸出口通過一個(gè)能取消接收信道偏移的外部電容與FSK解調(diào)器入口相連。此外，ST7537還有2個(gè)重要的功能：載波檢測(cè)和監(jiān)控功能。
2 系統(tǒng)概述[3]
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
可視對(duì)講門禁系統(tǒng)是一個(gè)基于多單片機(jī)通信的網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
由系統(tǒng)框圖可以看出，系統(tǒng)主要由門口機(jī)和室內(nèi)機(jī)組成，門口機(jī)和室內(nèi)機(jī)之間通過電力線通信。安裝該裝置時(shí)，只需將電力線接口模塊插到電網(wǎng)中即可使用，簡單方便，無需重新布線。
2.2 系統(tǒng)的工作過程
系統(tǒng)的工作過程為：當(dāng)來人在樓宇入口通過室外機(jī)按下住戶房號(hào)鍵時(shí)，控制器將其轉(zhuǎn)變成ID碼發(fā)送給室內(nèi)機(jī)，室內(nèi)機(jī)接收到與自己相同的ID碼后進(jìn)入工作狀態(tài)，控制電子門鈴產(chǎn)生鈴聲，同時(shí)開放可視對(duì)講，并且對(duì)視頻信號(hào)和音頻信號(hào)進(jìn)行30 s定時(shí)。若主人不在家，則30 s后啟動(dòng)模擬摘掛機(jī)電路并播放提示音提示訪客留言；若通過視頻辨認(rèn)不接見來人，則關(guān)閉視頻及音頻信號(hào)；若決定接見來人，則摘機(jī)。若室內(nèi)機(jī)檢測(cè)到已經(jīng)摘機(jī)，則終止30 s定時(shí)進(jìn)入通話狀態(tài)。主人的話音通過室內(nèi)機(jī)的麥克風(fēng)傳輸?shù)介T口機(jī)的通話控制模塊處理后送揚(yáng)聲器；而來人的話音則通過門口機(jī)的麥克風(fēng)傳輸?shù)绞覂?nèi)機(jī)通話控制模塊后送揚(yáng)聲器，完成通話。主人若接見來人，則按下開鎖鍵，室內(nèi)機(jī)檢查到后，輸出開鎖信號(hào)到門口機(jī)的開鎖模塊，電控鎖動(dòng)作，門被打開。主人掛機(jī)，室內(nèi)機(jī)檢測(cè)到掛機(jī)信號(hào)，則輸出關(guān)閉視頻及音頻信號(hào)，復(fù)位到初始狀態(tài)。
除以上基本功能外，系統(tǒng)還具備語音留言、指紋開鎖、智能報(bào)警和設(shè)置無人狀態(tài)等功能。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 硬件設(shè)計(jì)
3.1.1 門口機(jī)設(shè)計(jì)
門口機(jī)安裝在樓宇的入口處，如圖2所示。具有指紋開鎖、呼叫按鍵、對(duì)講、攝錄像等功能，它以AT89C51單片機(jī)作為核心，配以指紋識(shí)別[4]、視頻采集與控制、矩陣按鍵、電力線接口、電控開鎖等模塊組成。系統(tǒng)采用TI公司的定點(diǎn)DSP芯片TMS320C642完成指紋信息的采集、預(yù)處理和識(shí)別。指紋傳感器采用FPS2000。視頻采集的攝像頭選用CCD(Chang-Coupled Device)攝像頭，工作電壓為12 V直流電壓，由系統(tǒng)電源供電，裝在單元樓門特制的防護(hù)門上。矩陣按鍵選用3×4行列式非編碼鍵盤，用鍵盤掃描方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元12個(gè)住戶按鍵的選擇控制，從而控制相應(yīng)繼電器的閉合和斷開，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)和音頻信號(hào)的采集傳輸。用戶可以通過指紋開鎖，也可通過室內(nèi)機(jī)發(fā)送開鎖信號(hào)實(shí)現(xiàn)開鎖。
3.1.2 室內(nèi)機(jī)設(shè)計(jì)
室內(nèi)機(jī)安裝在用戶室內(nèi)，具有對(duì)講、圖像顯示、報(bào)警、錄放音、電控開鎖等功能如圖3所示。主要由視頻顯示模塊、電控開鎖、語音通路、語音錄放、模擬摘掛機(jī)和振鈴電路、報(bào)警模塊等幾部分組成。視頻顯示采用7″彩色液晶顯示。語音錄放使用ISD25120完成播放語音提示和留言信息存儲(chǔ)。當(dāng)家中無人時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模擬摘掛機(jī)并自動(dòng)播放語音提示訪客留言。當(dāng)系統(tǒng)掛機(jī)后來客長時(shí)間在門口逗留可發(fā)出報(bào)警音。[!--empirenews.page--]
3.1.3 電力線接口模塊設(shè)計(jì)[2]
電力線接口模塊由線驅(qū)動(dòng)器和線接口組成，其主要功能為：
(1)發(fā)送模式中，將ST7537送來的傳送信號(hào)(ATO)放大和濾波；
(2)接收模式中，從電力線給ST7537的接收口提供接收信號(hào)；
(3)有抵制尖峰脈沖和過載的保護(hù)電路。
電力線接口模塊框圖如圖4所示。
圖4中，線驅(qū)動(dòng)器起放大ST7537的輸出信號(hào)（ATO）的作用。為了使線驅(qū)動(dòng)器適用于電力線，使用了線接口。在線接口中，使用了變壓器，其功能為：
(1)把其他電路與電力線隔離開；
(2)把傳輸信號(hào)送到電力線上去；
(3)從電力線中提取出接收信號(hào)；
(4)濾除傳輸信號(hào)中的諧波。
電力線接口模塊的電路原理圖如圖5所示。
圖中復(fù)合晶體管Q6、Q4、Q3、Q1組成推挽式放大器。電阻R1、R8可使放大器獲得最佳性能。當(dāng)RX/TX=0(接收模式)時(shí)，ST7537輸出信號(hào)PABC=1和PABC=0使雙極型晶體管Q5和Q6截止，切斷了功率放大器的電源，功放不工作。
變壓器由1個(gè)主繞組和2個(gè)副繞組組成。繞組比例為4：1：1，其參數(shù)為：L1繞組9.4μH；L2繞組140 μH；C4=7.2 nF(在實(shí)際工作中選擇6.8 nF最接近這個(gè)值)。為了防止非線形畸變，C11的線性必須非常好，C12濾除從電力線過來的50/60 Hz的信號(hào)，并有短路保護(hù)功能。當(dāng)相位不知時(shí), 使用附加電容C13加到C12上去，組成放電回路，避免發(fā)生觸電危險(xiǎn)。
為了避免尖峰信號(hào)對(duì)電路的破壞，采用了一個(gè)雙向穩(wěn)壓管，當(dāng)電壓值等于大于穩(wěn)壓管電壓時(shí)，穩(wěn)壓管就會(huì)短接到地，從而保護(hù)接口電路的器件不會(huì)被燒壞。
系統(tǒng)主電源采用220 V交流供電，經(jīng)過變壓器、二極管等器件組成整流穩(wěn)壓電路后，輸出 12 V/2 A直流電，對(duì)用戶分機(jī)和門口機(jī)進(jìn)行供電。同時(shí)還配置有不間斷電源，在遇到短時(shí)間的停電時(shí)仍能保證可視對(duì)講門口機(jī)的正常使用。
3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用單片機(jī)匯編語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，分室內(nèi)機(jī)和門口機(jī)兩部分，由系統(tǒng)不同狀態(tài)的處理和切換組成，主要實(shí)現(xiàn)待機(jī)、信號(hào)采集、開鎖控制、語音錄放、報(bào)警等功能[5]。指紋識(shí)別采用專門的DSP芯片完成。門口機(jī)和室內(nèi)機(jī)的程序流程圖如圖6所示。
該可視對(duì)講門禁系統(tǒng)采用了ST7537家庭自動(dòng)化調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)了信號(hào)在電力線中的傳輸，不需要另外鋪設(shè)通信線路，也不占用頻帶，是一種現(xiàn)有條件下實(shí)現(xiàn)可視對(duì)講門禁的簡單有效方法。
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