楼宇点对点全数字化可视对讲系统电气模块设计 - 图文

南华大学船山学院

毕业设计(论文)

题 目： 楼宇点对点全数字化可视对讲系统的电气模块设计 专业名称： 电子信息工程 指导教师： 陈忠泽 职 称： 教授 班 级： 2008级 学 号： 20089470110 学生姓名： 周国庆

2012年6月9日

南华大学船山学院毕业设计（论文）

楼宇点对点全数字化可视对讲系统的电气模块设计

摘要:社会的进步引起了人类生活方式和思维模式的改变，人们对于安全的重视越来越高。安防产业的市场前景越来越被看好，监控和数字服务是安防产业重要的技术支撑手段。楼宇对讲系统从90年代被引进国内，到现在中小城市都随处可见，智能楼宇对讲已经成为安防产业发展的潮流。楼宇对讲系统对于保障人民生活与社会安全具有重要意义，已经从普通对讲发展到可视对讲，可视对讲功能日益趋向于多样化、综合化以及人性化。以实时监控、控制、报警等特点深受广大小区用户的欢迎，并取得较大的经济效益与社会效益。当前，随着科学技术的发展和人们生产生活的提高，可视对讲系统将会广泛的应用于越来越多的住宅小区。

本论文涉及的是点对点全数字化可视对讲系统采用ARM内核的STM32作为核心控制器件。外围采用音频模块、视频模块、显示设备及键盘。来访者通过键盘按下“CALL”按键，控制器件可以把来访者的语音和视频信号传送到室内机，主人通过按下“ANSWER”按键便可与来访者通话。通过按下“OPEN”按钮，大门自动打开。当主人不在家时，还可“留言留影”。该系统具有实用性强、性价比高、抗干扰性好等优点。

关键词：可视对讲系统；STM32；音视频模块；门禁控制。

i

南华大学船山学院毕业设计（论文）

Design of electrical module for Point to point all.digital

video intercom Building system

ABSTRCAT:The progress of society caused by changes in human lifestyle and patterns of thought, the people of the importance of security is increasingly high. Market prospects of the security industry is increasingly optimistic about.Monitoring and digital service is the important technical support means of security industry. Building conversational system was introduced into China from 90s and up to now, it can be seen everywhere in small.medium.sized cities. Intelligent Building conversational System has become a trend in the security industry .The Building conversational system has great significance for the guaranty of people's lives and social security has been developed from ordinary intercom to visual intercom .Visual intercom function inclines to diversified, comprehensive and humanized. With the advantages of Real.time monitoring, control and alarm, it is widely welcomed by the majority of residential users and has achieved good social and economic benefits. With the development of science and technology and people's living standard, visual intercom will be more and more popular in the residential district.

This article is a topic about research on the Point to point all.digital video intercom system for intelligent building adopts ARM STM32 core as the core control device. The peripheral uses audio module, video module, the display device and keyboard. Press \button through the keyboard, the control device can transmitted visitors’ voice and video signals to the indoor machine. Masters can then press the \When they press the” OPEN\hen the master was not at home, the visitors can also leave some messages or pictures. The system obtained

ii

南华大学船山学院毕业设计（论文）

high opinion because of its Practical, high cost.effective, good interference resistance.

Key words ：Video intercom system; STM32; Audio and video modules; Entrance Control

目录

第一章 绪论 ................................................................................................1

1.1 楼宇点对点可视对讲系统设计课题背景 ............................................................... 1 1.2 近年来国内外研究现状 ........................................................................................... 1 1.3 楼宇可视对讲系统设计要求 ................................................................................... 2

第二章 楼宇可视对讲系统方案的总体论证................................................4

2.1 楼宇可视对讲系统的功能及分析 ........................................................................... 4 2.2 无线系统与有线系统的选择 ................................................................................... 6 2.3楼宇可视对讲系统信号的传输方式 ........................................................................ 6 2.4楼宇可视对讲系统方案设计 .................................................................................... 8 第三章 楼宇可视对讲系统硬件电路设计 .......................................................................... 10

3.1可视对讲系统处理器的选择 .................................................................................. 10 3.2 可视对讲系统流程图设计 ..................................................................................... 11 3.3可视对讲系统键盘设计 .......................................................................................... 14 3.4 可视对讲系统呼叫及摘挂机检测模块设计 ......................................................... 16 3.5可视对讲系统视频模块的设计 ............................................................................... 17 3.6可视对讲系统音频模块的设计 .............................................................................. 19 3.7可视对讲系统中音频信号放大处理模块设计 ...................................................... 20 3.8可视对讲系统的显示设计 ....................................................................................... 21 3.9可视对讲系统中的电磁门控锁的控制 .................................................................. 22

第四章 系统的仿真和调试 ........................................................................23

iii

南华大学船山学院毕业设计（论文）

总结 ...........................................................................................................24 致谢信........................................................................................................26 参考文献 ....................................................................................................27 附录一：室内机PCB板示意图 ..................................................................28 附录二：室外机PCB板示意图 ..................................................................29 附录三：室内机原理图 .................................................................................30 附录四：门口机原理图....................................................................................31

iv

南华大学船山学院毕业设计（论文）

第一章 绪论

1.1 楼宇点对点可视对讲系统设计课题背景

现代住宅小区的特点是用户集中、容量大、进行统一保安管理。随着人们生活水

平的提高，对现代小区的期望越来越高。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，但是真正符合小区的特点，为人们提供更加高效、简单、快捷的可视对讲系统并不多。可视对讲系统可以消除对讲系统“只闻其人，不见其声”的特点。从而大大地提高了室内用户对来访客的了解。

随着现代生活的节奏的加快，小区的物业管理显得尤为重要。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视频对讲呼叫住户，对方同意后方可进入楼内，从而限制了非法人员的进入。同时，若住户在家里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。当住户外出时，访客可以通过语音留言，住户回来时对讲可以提醒并告知住户。

1.2 近年来国内外研究现状

楼宇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、台湾等地区已经采用了近20年，国外的可视对讲产品主要有韩国和日本品牌。从1992年起，国外的楼宇产品制造商，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老越高，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、+信息化以及智能化楼宇监控是今后发展方向。

当前采用的可视对讲系统是通过遥控摄像机及辅助设备（如镜头、云台等）直接

第 1 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

监看被监控场所的情况，把被监控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到存储介质上，为突发时间的及时反应和以后的处理提供了方便条件和重要依据。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登网。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，然而随着产品的日趋标准化，工程安装、服务方面的成本居高不下，然而随着产品的日趋标准化，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，但是还有很多方面还不很成熟，未来楼宇可视对讲产品将向新的高度发展。

1.3 楼宇可视对讲系统设计要求

目前国内已经有很多可视门铃方面的产品，主流产品是有线方式，单向语音且模拟。相对于无线通信，有线通信具有以下特点：抗干扰能力强、信号传输稳定、信道容量大。通过有线可以较好的解决语音及视频信号在传输过程中的失真问题。随着当前人们生活水平的大幅度提高，人们对于居住环境的安全、方便提出了越来越高的要求，从追求简单的生存空间向着追求数量、质量、功能、服务等多重需求过渡。为满足人们日益增长的各种要求，采用有线方式传输，通过信号调制与解调来实现数字传输。

本文设计了一种基于嵌入式的STM32F103的一种新型的楼宇可视对讲系统。在本系统中，阐述了该系统的总体结构和工作原理，并对其中的数字通信、图像信息的处理、有线传输以及智能模块的各种控制等关键技术进行了详细的设计和实现。

本系统总体结构主要分为门口机和室内机两个部分，门口机和室内机分别包括不同的模块，而每个模块由不同的组件和外围电路组成。其中门口机和室内机都是基于STM32F103为处理器，通过处理器控制门口机和室内机的各个模块的组件及其外围电路的控制。

主要原理是通过处理器控制各个模块来实现可视对讲系统的基本功能。然后通过处理器利用软件控制各个分模块来完成。在各个模块完成各自功能得过程中，处理器主要完成的是对模块的软件控制。控制各个模块模拟与数字信号的变化，控制各个模

第 2 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

块之间的衔接和完成访问的先后顺序。通过控制各个模块在访问的过程中的室内机和门口机之间的相互通信。

本系统为全数字化可视对讲系统，音视频信号经过采集之后变换成数字信号进行传输。

首先是视频信号，为单向传输。在室外，视频模拟信号经过摄像头的采集和处理，通过主控芯片对其软件编程，实现模拟信号到数字信号的转变和视频信号的编解码。主控芯片通过同轴电缆以基带传输的方式把信号传送到室内机，室内机把图像信号输送到显示屏上显示。

其余的信号包括音频信号和控制信号，均为双向传输。在室内，模拟语音信号经过语音芯片的处理转换为数字信号以及控制操作经过处理器的处理转换为相应的控制信号(监视、摘挂机及开锁信号)，经过的处理和打包，再通过通信线传输，传送到室内控制模块把信号经过处理和解压之后传给室内机。 本系统设计要求主要要遵循以下几个原则：

（1）实用性和先进性：所设计的智能化对讲系统应该在体现实用的原则下，尽可能的采用先进的技术和方法，力求物尽其用，不虚设浪费。

（2）可靠性和稳定性：考虑技术先进的同时，应确保系统可靠稳定的运行。 （3）可扩展性和易维护性：为了适应用户要求，必须充分考虑系统的升级能力和扩展能力。同时系统应便于维护，尽可能的降低系统的运行和维护费用。 （4）具有高性能价格比，能够做到物有所值，追求物超所值。

预期目标：能够在保持语音通话的质量和稳定度。在视频方面，保持视频通话的流畅性和清晰度。具有检测报警和语音留言等功能。其中在无人到来的时候，摄像头处于低功耗待机状态。当检测有人到来时，自动开启摄像头模块，并准备进行视频通话。当主人不在家时，可以通过语音或者视频来留影、留言。

第 3 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

第二章 楼宇可视对讲系统方案的总体论证

2.1 楼宇可视对讲系统的功能及分析

楼宇点对点可视对讲系统是以可视对讲为基础，从基本需求出发，形成的方便、快捷的可视对讲系统。其中楼宇点对点可视对讲系统是为了满足人们对于安全、舒适的生活作为出发点。特别是为了日常的沟通和交流方便，应满足一些基本功能。从系统设计的角度出发：系统分为硬件部分和软件部分。从系统总体上分为室内机和门口机两个部分。从系统功能上划分为：呼叫对讲功能、视频通话功能、语音留言功能、电机控制开锁功能等等。为了满足社会需要还会添加防盗报警功能、紧急救助功能等等。从系统信号上分析分为：模拟信号和数字信号两大类。为了满足以上功能的实现，需要系统设计一些模块来支撑。为了达到语音对讲功能则需要语音模块。视频对讲则需要视频模块，还有就是当来访者访问室内用户需要键盘及显示模块。这几个模块为最基本的模块，也是楼宇点对点可视对讲系统中的重要模块。楼宇点对点可视对讲系统的其他的功能也就是在这两者基础上加上一些放大模块和控制部件，再和控制器进行连接，对控制器进行编程，即可实现以上功能。然而在实际的过程中，各个模块存在一定的联系。如在来访者访问室内用户时，应先通过摘挂机模块向室内用户发出信号，即通过信号变换和控制器之后，转换为电信号，即门铃。这时，如果室内用户在家即可按下应答，即可开启语音模块和视频模块，由于视频是单向，即室内用户可以看到来访者，来访者看不到室内用户。如果不在家，即可通过语音和视频留影留言。这样方便室内用户能够及时掌握来访者的信息。在这过程中，首先是用户通过键盘模块向室内用户申请访问，用户应答，通过语音及视频模块来实现对讲，再通过显示模块显示来访者的摸样。最后再通过键盘结束访问。通过下面的2.1.1图可以清楚的看到来访者访问室内用户的全部过程。

第 4 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

来访者键盘模块 不应答门铃留影留言 应答音视频模块对讲键盘模块结束图2.1.1为来访者访问的流程图

通过上图可以清晰的了解来访者访问的全部过程，而通过图2.1.2为点对点楼宇对讲系统的基本结构，可以清晰的了解室内机和室外机的相互联系。以及室内机是如何相互沟通的。通过两个图相互补充可以了解室外机是如何室内机联系以及来访者是如何访问的。本设计以此图为基础，下面将详细介绍系统工作原理以及单元电路的设计。

语音对讲 电机开锁室内机视频监控 留影留言 室外机视频通话

图2.1.2楼宇点对点对讲系统的基本结构

第 5 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

在分析完室内机与室外机之间的联系和来访者如何访问室内用户之后，再分析一下系统信号的变换过程。系统主要包括音频信号和视频信号两个部分，在音频模块中，当收到控制器的信号后，门口机开启音频模块。即采集音频信号，这时采集的是模拟信号，经过A/D转换和外围辅助电路的设计，完成从模拟信号到数字信号的变换。再通过控制器处理后，经室内机里的音频模块和其外围电路的变换为模拟信号。而视频信号和音频信号有区别，其完成A/D和D/A主要是通过软件编程控制视频模块来实现。采用算法对信号进行压缩和编解码。音频和视频信号的变换过程如图2.3所示:

模拟信号ADC数字信号DAC模拟信号

图2.1.3为系统信号的变换过程

2.2 无线系统与有线系统的选择

有线系统就是系统所需要的所有零部件都是用看的见的电线进行连接的，这种方式比较简便，虽然在连接时的工作量比较大，但是其工作性能比较可靠、稳定，适合应用于点对点及中小型电路。所以选择有线系统。

无线系统就是不用电线的连接，主要靠的是无线的发射和接收装置进行信号的传输。这种设计安装和拆卸都很简单，在设计上也比有线的复杂些，但是无线最大的问题就是很容易受到外界的电磁波干扰，造成信号不稳定。

2.3楼宇可视对讲系统信号的传输方式

在系统设计过程中，有两个重要的信号需要传输。其分别是语音信号和视频信号。对于其他的报警信号、门机控制信号只需经过处理器的处理即可。而语音信号和视频信号作为本系统最重要的两个信号，其传输的方式[1]需要考虑系统特点以及要求等等。 首先，音频信号传输方式。音频信号传输方式，通常分为三种：音频不作任何改变的基带传输方式；通过调频或者调幅传输方式；把音频信号转变成数字信号的音频信号的数字化传输方式。

1、音频不作任何改变的传输方式：由于音频信号不需要转为其它的传输方式，所以，音频信号的电路简单，制造成本低，被现在楼宇对讲系统所普遍采用，但其缺点是：传输距离短，一旦受到外界干扰而不容易消除，需要独立的音频信号传输线。 2、通过调频或者调幅把音频信号转换成射频信号的传输方式：此种方式被广泛用

第 6 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

在广播和电视的音频信号传输中，其特点是：音频信号传输距离远，使用调频方式传输的音频信号抗干扰能力强，价格相对比第一种方式要高，但可以同时传输多路调制的音频信号。

3、把音频信号转变成数字信号的音频信号的数字化传输方式：此种传输方式是把音频信号完全转换成数字信号，其音频信号的质量取决于音频信号的采集精度，采集精度越高，数据量越大。数字信号在传输过程中，不会有任何丢失。但在实际运用中，由于数字音频信号数据量相对较少，在一条线中可以传输多路数字语音信号，或者可同时传输其它的数据或图像信号。

根据以上三种传输方式的特点，本系统选择是第三种传输方式，其理由是：本系统要求的是全数字楼宇对讲系统，故其音频信号需为数字信号传输。数字信号数据量较小，且在传输过程中不存在信号的丢失。

其次，视频信号的传输方式，通常可分为以下几种：视频信号的基带传输方式；把视频信号调制成射频信号的传输方式；视频信号转换成数字信号的传输方式。 1、视频信号的基带传输方式：

这种视频传输方式对摄像头出来的图像不作任何的处理，直接通过同轴电缆传输，其特点是：视频信号不作任何改变，省略了视频信号转换电路，降低了相关设备的生产成本，缺点是信号传输距离短，虽经放大，但其传输距离一般不超过1KM，基带传输的视频信号一旦受到干扰，就难以消除。 2、把视频信号调制成射频信号的传输方式

此种传输方式把视频信号转换成射频信号，经放大后，使用同轴电缆最远距离可达5KM，但其传输设备需要相关的调制和解调电路，成本较高。 3、视频信号转换成数字信号的传输方式

这种视频传输方式是视频信号的数字化传输，但由于视频信号转换成数字信号时，数据量过大，相关转换设备成本过高。

本系统选择是第一种传输方式，即通过摄像头把图像采集之后，通过同轴电缆传输。中间有处理器控制。这种传输方式被现在的楼宇对讲系统普遍采用。第二种传输方式由于采用射频信号传输以及较多的调制和解调电路，成本较高，被广泛用于电视信号的传输。而第三种传输方式把视频信号转换成数字信号，存在数据量大、信号处理复杂等，一般情况下不采用。

综合以上，本系统两种信号采用的传输方式为：音频传输采用把音频信号转变成数字信号的音频信号的数字化传输方式。而视频传输则采用视频信号的基带传输方式。

第 7 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

2.4楼宇可视对讲系统方案设计

根据系统的功能分析，以及信号传输方式的选择可以确定系统的基本结构图。通过结构图来确定室内机和门口机的各自功能以及互相的通信方式。

该系统【2】由两部分组成：室内机部分和门口机部分。室内机结构图其主要由室内机控制器、显示设备、通话设备、门铃和报警、开锁等控制信号输入键组成。室内机控制器的作用与门口机控制器作用类似，显示设备用于显示门口视频，户主可根据不同的情况选择不同的控制按键。室内控制器的主要功能就是当有来访者访问时，通过处理器与室外机建立联系，并通过按键来控制室外机。室内机结构图如图2.4.1所示：

门铃报警键开锁键通话机显示屏 振铃信号 报警信号 开锁信号音频信号视频信号

图2.4.1室内机结构设计

通信线音频信号处理器 同轴电缆 视频信号 门口机结构图如图2.4.2示，其主要包括：门口机控制器、键盘、摄像头、喇叭、麦克、报警装置等几部分。该系统中视频信号为单向传输，在室内可以观察到门口的情况，在门口无法查看室内情况，所以门口机接收到的信号中没有视频信号；键盘用于输人房间号；摄像头用于捕捉门口视频信号；喇叭和麦克用于户主和访客进行语音交流；报警装置用于当户主遇到特殊情况时报警。

第 8 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

门开锁信号键盘 呼叫信号音频信号/数字信号 通信线处理器 报警信号报警系统 视频信号摄像头视频信号 同轴电缆音频模块 音频信号

图2.4.2室外机结构设计

第 9 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

第三章 楼宇可视对讲系统硬件电路设计

3.1可视对讲系统处理器的选择

在设计可视对讲系统的过程中，基本模块的的运行，需要处理器去控制。而处理器作为本系统的重要组成部分，在选择处理器上必须从信号的分析入手，综合考虑功耗、后期升级、处理速度等各个方面。最后确定控制器的类型及型号。

本系统选择的处理器是STM32F103，下面将介绍STM32F103[5]的一些情况及作为处理器的一些说明。

1、信号分析：由于在信号采集中有两种信号分别为音频信号和视频信号。对于音频信号，其中语音信号的采样频率为16bit/s，这就要求处理器的处理频率较高。当语音模块处理完之后，还要将语音信号送到室内机，这就要求处理机自带ADC。而视频信号则需要高速的图像编码和解码功能，需要处理器具有高速的处理功能。视频信号的采集频率为30帧/s,则需要时钟频率达到24MHZ，所以当在处理图像信号时，处理器必须具有高速的处理能力。而STM32F103具有最高72MHZ工作频率，在存储器的0的等待周期访问时可达1.25DMisp的能力。而STM32F103采用的Thumb指令集架构的子集，包括了所有的16位和32位的Thumb.2基本指令。同时采用哈佛处理器结构，在取指的同时可以读取/存储数据。

2、低功耗和节能：当室外机无来访者访问的时候，室外机应处于休眠省电状态而不会影响唤醒后的正常运行。而当室外机有来访者访问的时候应迅速从低功耗状态脱离。STM32F103具有2.0V到3.6V的工作电压范围兼容主流的电池技术，如锂电池和镍氢电池，封装还设有一个电池工作模式专用引脚Vbat。以72MHz频率从闪存执行代码，仅消耗 27mA电流。低功耗模式共有四种，可将电流消耗降至两微安。从低功耗模式快速启动也同样节省电能；启动电路使用STM32内部生成的8MHz信号，将微控制器从停止模式唤醒用时小于6微秒。从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。

3、可靠的复位电路和多种时钟选择：上电复位和掉电锁定功能，确保芯片只在电压规定的范围内运行，如果芯片误操作和偏离正常运行，看门狗定时器就会复位。STM32F103有3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入，还有1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电

第 10 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

机控制的PWM高级控制定时器 ，有2个看门狗定时器（独立的和窗口型的）以及系统时间定时器：24位自减型计数器 。通过以上定时器不仅可以确保程序正常运行，而且可以保证编程资源的丰富性。

4、宽电压供电：STM32F103系列芯片可以工作在宽的电压范围内，从2V到5V，特别适用于电池供电的场合，可以容忍的I/O管脚。

5、存储器：语音和视频信号的同时输入，需要不断访问存储器。这就需要存储器有大的空间。而STM32F103拥有从64K或者128K字节的闪存程序存储器和高达20K字节的SRAM。

6、多通道模数转换器(A/D)：STM32F103拥有2个12位模数转换器和1us转换时间（多达16个输入通道）。转换范围在：0至3.6V。具有双采样和保持功能。可以充分的保证快速的数据转换。

此外，STM32F103还有26/37/51/80个I/O口，所有I/O口一颗映像到16个外部中断；几乎所有的端口均可容忍5V信号。还有CAN总线、USB、9个通信口等等。

通过以上条件的分析，STM32F103基本上满足系统设计需求，并且还留有一定的裕量，作为后期的技术升级。选择STM32F103可以充分达到设计所需的硬件要求。

3.2 可视对讲系统流程图设计

在设计其他的模块之前，需要对系统的整个工作流程有一个大致的了解。通过对系统工作过程的了解来确定系统的工作模块以及分析系统各个模块的联系。本系统分为门口机和室内机两个部分。通过门口机和室内机流程图可以看到访问系统的全过程。下面分别为门口机和室内机的流程图：

第 11 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

开始键盘识别有键按下 Y验证IDNN收到OK信号N超时Y接通视频 N是否接通音频 Y接通音频N超时 Y开门 N 报警N 挂机NN 超时Y开门Y报警 YY

图3.2.1为门口机工作流程图

第 12 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

开始初始化 有数据Y接收数据 N验证ID码 Y接通视频并发送OK信号N 是否摘机N发送音频信号并接通音频YNN超时Y开锁N报警N挂机 NN超时发开锁信号 Y发报警信号Y发挂机信号

图3.2.2为室内机工作流程图

第 13 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

通过门口机和室内机的流程图可以看到系统工作的整个流程。访问者通过键盘向室内用户申请访问，键盘通过扫描之后，由控制器控制发送ID信号与室内机进行匹对，如相同，则确定访问室内用户。室内用户通过控制器发送“答应”信号。这时，控制器控制开启摄像头，室内用户通过显示模块可以看到来访者的摸样，通过确认之后，双方可以通过语音对讲，对讲完之后。室内用户可以通过控制器控制电机开门。最后摘挂机之后，完成整个访问过程。在这过程之中，系统分别展示了各个模块的功能和作用，以及在系统的流程图的顺序。通过流程图可以知道系统分别需要以下模块：键盘、呼叫及摘挂机模块、视频模块、语音对讲模块、视频显示模块、电机开锁模块等。通过流程图还可以确定设计各个模块的顺序。

3.3可视对讲系统键盘设计

在楼宇对讲中，键盘作为来访者访问室内用户的首要步骤，当来访者通过按键按下键盘，系统通过键盘扫描，确定键盘的按下的按键，再通过处理器的处理，送到显示模块显示。在键盘设计过程中要考虑键盘的一些特性和键盘的一些功能设计。首先在键盘的设计上分为矩阵式键盘和独立式键盘。其中，独立式键盘特点是所有的键盘共地。即当有键按下时，即被拉为低电平，扫描检测到信号。而矩阵式键盘和独立式键盘不同，其在键盘中按键数量较多时，可以减少对I/O口的占用。其通过来回扫描的方式，来检测键盘的按下。在键盘设计过程中，还要考虑按键的抖动及连击等。 1、键抖动及消除

键盘按键一般都采用触点式按键开关。当按键被按下或释放时，按键触点的弹性会产生一抖动现象。即当按键按下时，触点不会迅速可靠地接通，当按键释放时，触点也不会立即断开，而是要经过一段时间的抖动才能稳定下来，抖动时间视按键材料的不同一般在5ms~10ms之间。

键抖动可能导致计算机将一次按键操作识别为多次操作，为克服这种由键抖动所致的误判，本设计采用软件延时法，这样可以简化硬件设计。软件延时法即：当判定按键按下时，用软件延时10ms~20ms,等待键稳定后重新再判断一次，以躲过触点抖动期。 2、键连击的处理

当我们按下某键时，对应的功能便会通过键盘分析程序得以执行。如果在操作者释放键之前，对应的功能得以多次执行，如同操作者在不断操作一样，这种现象就称为连击。连击现象软件方法来解决，当某键被按下时，首先进行软件去抖动处理，确认键被近下后，便执行对应的功能，执行完后不是立即返回，而是等待键释放之后再

第 14 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

返回，从而使一次按键只被响应一次，避免连击现象。

除了考虑以上内容以外，还要考虑键盘数字键和功能键的设计。下图为键盘列表图：

表3.3.1键盘功能列表 1 5 9 群呼 2 6 0 监控 3 7 呼叫 取消 4 8 挂机 确认 以上为键盘设计的方法和键盘功能的展示。键盘作为访问室内用户的渠道，键盘的设计及软件部分的控制显得尤为重要。特别是软件部分的控制，是键盘控制的关键之所在。下图为键盘模块的原理图：

图3.3.2为键盘模块的原理图

本设计中键盘的工作原理：本次设计键盘工作的查询方式，矩阵式键盘的查询工作原理如下：如图3.2.6.1所示，4列线，4行线。列线通过上拉电阻连接到电源上；因此当无键按下时，各列线均为高电平。当行线有低电平输出时，表明有键按下，相应的列线上会出现低电平。根据此原理，CPU对整个键盘进行扫描。所谓扫描，即CPU不断轮流对行线置低电平，然后检查列线输入状态，确定按键情况。在确定有键按下后，先把第一条行线置为低电平、其余的行线置为高电平，再读入相应的值。若第一条行线为低， 若出现为：0111、1011、1101、1110。则分别表示对应的键按下。若全1，则证明按下的键不在该行，应进行下一行的扫描。下一行扫描时，判断方法同前。扫描键盘的时间很短，仅为几微秒，而按一次键至少需要几十毫秒，所以只要有键按下，就可以马上判断出是哪个键被按下，从而很快执行相应的功能。上述为键盘工作原理的介绍，其访问室内机的过程以及键盘的抖动及消除和键盘的连击都由软件进行处理控制。

第 15 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

3.4 可视对讲系统呼叫及摘挂机检测模块设计

在来访者访问室内用户时，首先是通过键盘访问室内用户。这其中需要经过信号的检测和语音的呼叫，故其需要呼叫及摘挂机模块。

呼叫检测模块由图中的D3、R10、R11、C16、Q3及STM32F103的PE1脚及其上的上拉电阻R11构成。当来访者按下门铃开关，由CN的7脚的HJ线传来的门铃呼叫信号一路经扬声器发出门铃呼叫声，另一路经过D3反向截止，R10与C16组成的充放电电路，由R11驱动三极管Q3导通，使STM32F103得PE1脚由高电平变为低电平，完成呼叫检测。另一端，S1连接着语音模块，当完成呼叫检测之后，通过按下S1按键即可实现语音通话。在图中，由于9014的饱和电流为5mA，当电源接上10K的电阻，即5V/10k?0.5mA。即小于饱和电流。R10和R11为Q3提供偏置电压。

图3.4.1呼叫检测模块图

由图3.4.2可知，以及下图的压键开关、STM32F103的PE2及其上拉电阻R13构成摘挂机检测模块，当主人摘机后压键开关转换状态，摘挂机模块主要由处理器控制PE2引脚，控制开关接通或者接地，来完成PE2脚的电平由高变低，完成摘机检测。反之，完成挂机检测。

第 16 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

图3.4.2摘挂机检测模块图

通过摘挂机检测模块图可知，其中5V电压接1K的限流电阻，可以通过限流电阻保证电流的在IO口的范围之内，10uF的电容为复位电容。摘挂机模块主要是通过AIO来控制开关是接地还是处于高电平。再向处理器的PE2引脚发送信号，处理器通过软件完成摘挂机的过程。摘挂机模块的主要功能：当来访者进行访问的时候，需经过摘挂机模块向室内机提出访问。当室内机答应请求，即通过控制器件向摘挂机模块发出信号。这时双方可以进行通话。然后通话结束，同样也是通过摘挂机模块完成。

3.5可视对讲系统视频模块的设计

本系统采用的是视频对讲，这就需要视频模块作为支撑。视频模块则以采集视频信号为主，视频由于存在信息量大，以及压缩编解码等过程。为了保证采集所需的信号具有清晰、以及信号编程可压缩等特点，需要视频模块采集帧率达到30帧/秒，信噪比低等特点。根据系统设计要求和传输方式知，视频模块具有A/D转换功能、图像压缩及编解码功能。为了确保通话中不出现迟钝、黑屏等现象，需要传感器每秒采集图像的帧数较高。通过视频模块采集之后，直接由同轴电缆传输到室内机，中间有处理器控制。其中在图像传输过程中，通信方式采用的是FSK（频移键控）方式。本系统选择的OV7670。其内部含有软件控制的A/D转换和数字信号处理以及图像缩放等功能。

OV7670是CAMERCHIP图像传感器，具有体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影响数据。OV7670的VGA图像最高可达到30帧/秒，当图像达到30帧/秒时，处理器的频率需要达到24MHZ。OV7670的信噪比为46dB，

第 17 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

动态范围为52dB。具有自动增益控制和镜头失光补偿等功能。根据OV7670的时序图，采集一帧数据需要5个时钟周期，30帧数据则需要150个时钟周期。由于OV7670的输入时钟频率为24Mhz，故采集30帧数据所需时间为6.25us。

图3.5.1为OV7670的管脚图

上图3.5.1为OV7670的引脚图，首先，通过控制器选中OV7670的片选引脚HREF，这时OV7670处于选中状态。然后控制SIOD和SIOC两个引脚采集视频信号，这时的视频信号是模拟信号，由于视频信号较大，把信号暂时存放在OV7670的存贮器。在采集信号的同时，控制器控制行同步和帧同步以及闪光灯的控制输出。然后通过内部增益控制之后，送到内部模拟信号处理转换成RGB三种颜色，通过内部A/D转换后，变成数字信号。通过内部的DSP和FIFO处理之后，输出数字视频信号。最终通过同轴电缆的基带传输方式传送到视频显示模块显示。由于视频信号存在信息量大、编解码等过程。为了保证信号在同轴电缆传输的可靠性，在OV7670采集完信号之后，加了一个74HC00的逻辑控制器和一个AL422B的FIFO的存储芯片。通过AL422B的缓存处理之后，保证视频模块传给控制芯片数据的速率。

根据上述参数说明，和信号在OV7670的变换过程，可以知道OV7670完全可以满足系统的设计要求，具有低功耗、信噪比低、以及镜头失光补偿等一系列特点，可

第 18 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

以充分满足设计的需要。

3.6可视对讲系统音频模块的设计

在楼宇可视对讲系统中，最基本的功能就是语音功能。语音功能则需要语音模块来实现。根据系统的设计要求和传输方式，在选择语音芯片的时需要同时考虑芯片的性价比高、通话清晰且稳定、外围电路简单等一些特点。还需考虑语音的还原程度和量化噪声的的干扰。本系统采用的是ISD4002，来访者先通过摘挂机模块向室内用户申请访问，当室内用户发出应答信号之后，即通过控制器向ISD4002发出信号，ISD4002采集完信号之后，再通过放大、滤波等一系列内容后，送到处理器，然后通过处理器完成一系列的过程。

ISD4002采用了2.7V~3.3V单片语音录放电路，录放时间长、高质量的、自然的语音还原技术。其采样频率为8Khz，典型带宽为3.4Khz。工作电流为25.30mA，维持电流为1uA，具有自动降噪技术等功能。通过采样频率可以知道其采取数据的频率完全在处理器芯片之下。工作电流较低，可以减少系统的功耗。

图3.6.1为音频模块原理图

由图3.6.1所示，图中Vccd和VccA分别为芯片的模拟和数字电路使用的电源总线。通过C14和C17的电容耦合和滤波可以消除电源带来的干扰。Vssa和Vssd为芯片内部的模拟和数字电路的地线。ANAIN+和ANAIN.为ISD4002的同相和反相输入端，输入端可以差分驱动。

通过对ISD4002引脚的介绍，可以知道当控制器通过向ISD4002的片选端SS发

第 19 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

送低电平信号，即可以选中ISD4002。这时信号为模拟信号，然后再利用同向模拟输入和反向模拟输入，去采集信号，通过串行输入端，控制信号的存储。存储的信号为数字信号。通过信号引脚SCLK为控制信号的存储位置，SCLK为当信号采集之后，当处理器给高电平时，数据所存。当处理器给低电平时，数据传送给处理器。 通过以上引脚的介绍，可以知道ISD4002通过音频采集，再通过SPI协议与STM32F103进行通信，通过微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降动作，因此对ISD4002而言，在时钟止升沿锁存MOSI引脚的数据，在下降沿将数据送至MISO引脚，协议步骤：所有串行数据传输开始于SS下降沿，SS在传输期间必须保持为低电平，在两条指令之间则保持高电平。数据在时钟上升沿移入，在下降沿移出。SS变低，输入指令和地址后，ISD才能开始录放工作。

3.7可视对讲系统中音频信号放大处理模块设计

音频信号在传输过程中存在衰减的过程。为了保持信号的清晰和稳定，为此需设计输入音频信号的放大模块。即在ISD4002采集完信号之后，把信号送到放大模块，通过放大模块放大，来保证信号的稳定。为了设计简单，可以选用通用的集成运算放大器来设计，但所需外围器件较多，并且音频放大效果不理想。为此选用具有所需外围器件少，工作电压为4V~12V，低电压和低功率等特点的专用音频集成功率放大器LM386，并且采用放大倍数为20倍的典型接法。如图3.2.4所示，C1从IN.端口取出输入音频信号经C4和R1滤波后，由LM386的3脚输入，经过20倍放大后由5脚输出，再经C5和R2滤波后，由C3进行耦合，谐波失真小的平膜动圈式耳机发声，完成通话动作。在耳机两边加上100uF的电容可以滤除电路带给耳机的杂波干扰。

图3.7.1为LM386的外围电路图

第 20 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

3.8可视对讲系统的显示设计

由于本系统可视对讲为单向可见，即室内可见。视频模块在采取的是视频信号之后，通过STM32F103控制，再经同轴电缆传输，由显示器上显示。而在呼叫模块中，也会存在呼叫显示等等，这时需要数码管进行显示。本系统视频模块显示采用的是TFT液晶显示模块。

先通过OV7670的采集，然后再通过STM32F103的控制，最后在LCD液晶模块上显示。下图为LCD液晶显示模块的管脚图：

图3.8.1为TFT的引脚图

下面将介绍信号在LCD模块的变换过程：首先，处理器选中LCD的片选信号端LCD_CS，这时TFT液晶模块可以接收信号，然后再通过LCD_WR和LCD_RD两个引脚来读取信号，通过控制器由控制同轴电缆向LCD模块传送到视频信号。通过视频模块内部的寄存器配置在屏幕上显示视频图像。在图中可以看到5V的电源接了一个104的电容，是为了滤除电源中的杂波干扰。

通过以上引脚介绍，可以得知：在视频模块采集完图像信号后，通过处理器控制片选引脚端，控制视频模块采集图像信号，再通过LCD_RD可以从OV7670里面读出图像信号，16位双向数据线可以与同轴电缆相连直接传送数据。为了保证系统的低功耗，可以通过软件编程控制当室内用户摘挂机同时LCD的显示。用户摘挂机之后，LCD随后也处于待机状态。

第 21 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

3.9可视对讲系统中的电磁门控锁的控制

由于在可视对讲系统中，室内机可以通过处理器控制电机开锁。处理器控制的是电磁门的开关。采用开关控制的电磁门控锁是感性负载，并且工作电压是交流220V，额定电流是1A。设计中可以采用可控硅的无触点和继电器的有触点控制两种方式。从系统工作的长时间性和稳定可靠性考虑，如果采用有触点的交流继电器控制，将有可能产生小火花并可能引起触点氧化，严重时将引起不必要的控制出错。从感性负载和经验考虑，如果采用分立的可控硅控制存在易损坏的情况，并需要额外考虑可控硅散热问题。设计中最终考虑采用固态继电器，使用固态继电器虽然在成本上提高了一些，但是可靠性好并且基本上不需要维护，散热问题也不需要考虑，在某种意义上又节省了成本。在选用交流固态继电器时，需要考虑电流的裕度，经验上讲，对于阻性负载，实际上工作电流只能是固态继电器额定电流的60%，对于感性负载，实际工作电流只能是额定电流的40%。固态继电器的电流裕度越大，可靠性越好。另外，为了保护固态继电器，在交流220V电源输入端并联压敏电阻，当电压峰值过高时，将自动短路输入电源，从而保护内部电路。本系统采用的是控制芯片控制电机来实现开锁。固态继电器输出控制如图3.9.1所示：

图3.9.1固态继电器输出控制图

通过上述分析和固态继电器输出控制图可知，采用固态继电器的控制电磁门开锁。采用固态继电器从成本角度出发，可以降低成本，提高性价比。从安全角度出发，基本上不用维护，而且可靠性好。

第 22 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

第四章 系统的仿真和调试

Proteus软件具有仿真功能，可以通过Proteus画出原理图，加载程序到处理器，完成对实物的模拟仿真。由于受Proteus元件库条件所限，本次仿真中并未给出全部仿真。根据电路的特性，本次仿真中给出了摘挂机模块模拟电路的仿真。摘挂机模块仿真图如图4.1所示。在仿真过程中通过向D1发送上升沿脉冲信号，使D1导通。R4和R3分别为三极管提供静态工作电压和稳定电流。通过多次仿真测试，整个电路运行良好，并未出现二极管烧毁或扬声器不响的状况。

图4.1为摘挂机模块仿真

第 23 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

总结

经过几个月的不懈努力，系统理论上基本上达到预期的要求，得到如下结论： 1、 系统总体方案设计正确、可行。所设计的有线可视对讲系统软硬件部分的主要功能模块可行，以微处理器为核心的系统具备强大的功能，完备的开发手段和丰富的资源储备。智能系统从总体上分成音频模块、视频模块、图像显示及控制部分四部分是合理的。

2、软硬件均采用“模块化设计思想”。硬件采用模块逐步设计方式，根据功能插接相应的模块软件。软件是把每一把具体功能子程序做成一个模块，硬件中加入哪个模块，主程序会自动检测新硬件并调用相应的子程序以完成该模块功能。同时模块化的设计也为系统功能扩展提供了方便。

3、本系统最重要的功能是视频对讲功能。通过视频对讲的沟通，使主人得到确切的信息，更实用，更安全。

本论文完成了软硬件主要功能模块设计，为进一步设计开发及功底扩展打下了良好的基础。由于时间的关系和水平有限，设计中仍存在着一些缺陷和不足，还有待于在今后的设计过程中进一步完善。

当然，楼宇对讲系统的开发是一个实践应用性很强的课题，要使其产品化，能够经受住实际应用的严格考验，还要进行许多深入细致的工作，而且随着科技水平的不断提高，对智能住宅小区的智能管理系统必然会有不断的增长要求。

通过本文的工作，提出了如下几点展望：

1、增加了自动拨号报警功能。系统探测到窃贼窃入室或火灾等信息后，按事先设定的电话号码自动拨号，拨通后自动播放报警信息，以有效地减少报警时间。

2、电子密码锁。电子密码锁应用超级编解码技术、光电感应或指纹识别等技术，可用程序方式加密和解密，入门使用密码、指纹或磁卡等。电子密码锁取代了传统的锁匙，使用方便。尤其使用密码入门，密码修改方便，多次修改只能用特殊方法解码，因此又可防止非法进入。

3、电子遥控技术。用于控制室内设备的自动开启与关闭，如预热热水器、打开空调、入门处门灯等。给用户以现代化生活的方便与感受。

4、自动控制技术。室外温度、湿度、空气新鲜度、阳光照度等气象条件的自动监测：室内温度、湿度、空气新鲜度、室外照度、亮度等室内环境条件的自动调节：厨房炊具、炉具、餐具等自动处理，程序作菜、定制菜谱、电话定制、卫生间排风、除

第 24 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

臭、冲水、浴盆水温、水流大小的自动控制，各种家用电器的协调优化与控制管理，随机跟踪，不定时播放，如电话铃响，背景音乐与主人室内活动的伴随，窗户开启通风换气等的自动控制，软过滤系统等，空调系统，制冷、制热的自动控制。 随着人们对生活质量要求的不断提高，楼宇可视对讲系统的功能也将日趋完善.在新的产品化的管理系统中，人们将会越来越多的体验到现代生活的气息。

第 25 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

致谢信

感谢我的母校南华大学，是它为我提供了良好的学习环境和生活环境，让我的大学生活多姿多彩，为我的人生留下精彩的一笔。还要感谢父母20多年来的养育之恩以及对我生活和学习各方面的支持。本论文从查阅资料到定稿，历时数周。在此对陈忠泽老师表达诚挚的感谢。在系统设计方案设计和论文写作过程中，陈老师给我提供了许多的帮助和指导。设计之余，陈老师还教给我很多为人处事的道理和工作经验。在我做毕业设计过程中，陈老师对待工作的热情，对待学生认真负责的态度，给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。同时感谢在大学四年中给我授课的各位老师，正是由于你们的传道受业，让我学到了专业知识和为人处事的道理。

最后我还要衷心感谢我的室友和同班同学。不仅在我毕业设计的完成过程中，还是在这四年的大学生活中，大学中经历的各种坎坷曲折，是你们的包容和理解，给予我很多无私的帮助和支持，我再次深表谢意。

第 26 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

参考文献

[1]樊昌信.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2007 [2]宋谦.楼宇对讲系统设计分析[J].安防科技，2005

[3]康华光.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005 [4]候正信，杨喜.可视门铃实现。电子测量技术[J]，2003年04期

[5]意法半导体.STM32中文参考手册.第十版.意法半导体（中国）投资公司，2010 [6]高怀文.移动通信集成电路手册[M].北京：人民邮电出版社，2000 [7]沙占友.单片机外围电路[M].北京：人民邮电出版社，2002

[8]宋岩.译Cortex.M3权威指南[M].北京;北京航空航天大学出版社，2008

[9]顾乐建.高守乐.基于嵌入式系统的网络数字监控系统[M].计算机技术与应用,2005 [10]赵乃卓.新型智能住宅小区的数据采集与监控系统的研究[J].辽宁工程大学,2005 [11]刘丹.基于信息系统的智能小区研究[J].厦门大学,2001

[12]高美娟.李凯等基于ARM的网络远程家居视频监控系统[M].微计算机信息，2008 [13]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京航空航天大学出版,2011 [14]王港元.电子技能基础[M].成都：成都科技大学出版社，1999 [15]张柒荣. 王为民 柴建民 《家庭电子》 2004 第5期

[16]马明建等.数据采集与处理技求[M].西安交通大学出版社.1998

[17]Using the high.density STM32F10xxx FSMC peripheral to drive external memories. From: www.st.com

[18]ARM Architecture Reference Manual Thumb.2 Supplement Copyright ?2004,2005 ARM Limited.

[19]Cortex.M3 Technical Reference Manual Copyright 2005,2006 ARM Limited. [20]Computer Bus, Coax and Fiber Media Utilization in Multiple Function, Multiformat Digital Facilities Design.

第 27 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

附录一：室内机PCB板示意图

第 28 页 ，共 34 页

南华大学船山学院毕业设计（论文）

附录二：室外机PCB板示意图

第 29 页 ，共 34 页

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vhpr.html