基于紅外遙控的門禁系統(tǒng)

1、電子設(shè)計(jì)大賽之“duang片機(jī)，給生活加特技”題目：紅外遙控開門 紅外遙控開門一、選題背景華工北校宿舍的們是沒有外置門把的，每次同學(xué)來敲門都要走到門口開房門，非常麻煩，如果出門忘記帶鑰匙就沒辦法從外面打開門。因此，使用紅外遙控開門就能很方便實(shí)現(xiàn)門的自動(dòng)開啟。本課題要求使用紅外遙控器控制來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到開門效果。通過51單片機(jī)設(shè)定密碼鎖，并對(duì)紅外遙控器的信號(hào)進(jìn)行解碼，輸入正確密碼時(shí)可以開鎖。主要是需要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)最小電路的設(shè)計(jì)，紅外接收電路的設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及液晶顯示模塊的電路設(shè)計(jì)等。二、方案論證2.1設(shè)計(jì)題目要求 制作紅外遙控開門裝置，使得開關(guān)門可以通過紅外遙控器控制

2、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來控制。（1） 當(dāng)用上遙控器上鎖后，需輸入相應(yīng)的開門密碼，單片機(jī)判斷后，若正確，蜂鳴器發(fā)出“滴滴”，代表開門，若錯(cuò)誤，蜂鳴器發(fā)出較快的“滴滴滴滴”。（2） 在下次用遙控器上鎖之前，直接按開門鍵即可開門。（3） 單片機(jī)斷電之后，所設(shè)密碼不會(huì)丟失。（4） 實(shí)現(xiàn)修改密碼功能：以原密碼修改舊密碼，或者有更高層的密碼可直接修改舊密碼（類似于安全碼）。（5） 平時(shí)不用時(shí)，單片機(jī)處于休眠模式（降低功耗），但接收到遙控器的消息后，單片機(jī)進(jìn)入工作模式。2.2方案設(shè)計(jì)與論證2.2.1設(shè)計(jì)思路單片機(jī)最小系統(tǒng)部分：設(shè)計(jì)使單片機(jī)運(yùn)行起來的最小系統(tǒng)，控制外圍電路；紅外信號(hào)解碼部分：設(shè)計(jì)紅外接收電路，與單片機(jī)連

3、接，并編寫解碼程序利用單片機(jī)對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行解碼；顯示部分：設(shè)計(jì)液晶與單片機(jī)連接的接口電路，編寫控制液晶顯示的程序，將開門過程的信息實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上；報(bào)警部分：由單片機(jī)控制外圍的蜂鳴器，當(dāng)密碼輸入正確是，輸出方波使其發(fā)出“滴滴”聲，輸入錯(cuò)誤時(shí)，則發(fā)出較快“滴滴滴滴”；電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分：設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)按下開門鍵時(shí)，由單片機(jī)控制其轉(zhuǎn)；信息保存部分：利用單片機(jī)內(nèi)部自帶的eeprom，將密碼實(shí)時(shí)寫入eeprom中，重新執(zhí)行程序時(shí)從eeprom中讀取密碼數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)掉電保存。2.2.2設(shè)計(jì)方案論證與比較（1）紅外遙控電路：方案一：使用紅外發(fā)射管與紅外接收管組合紅外發(fā)射管與接收管組合硬件電路簡(jiǎn)單，制作

4、簡(jiǎn)便；但是需要外加電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，增加按鍵電路，同時(shí)接收效率不高，難以實(shí)現(xiàn)題目要求方案二：使用紅外遙控器與紅外一體接收管1838紅外遙控器內(nèi)置調(diào)制電路，按下某個(gè)按鍵即發(fā)射出特定的調(diào)制信號(hào)，信號(hào)穩(wěn)定，且傳輸效率高；紅外一體接收管1838對(duì)紅外遙控器發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出到輸出管腳，利用單片機(jī)可以很方便地對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，同時(shí)外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。綜上所述，選擇方案二。（2）顯示模塊方案一：使用lcd12864液晶進(jìn)行顯示lcd12864是一款常用的中文圖形點(diǎn)陣液晶，128x64點(diǎn)陣，內(nèi)含中文字庫，可以顯示scaii碼跟中文，同時(shí)，硬件電路簡(jiǎn)單，支持并行與串行操作時(shí)序，當(dāng)使用串行操

5、作時(shí)，只需要少量io口便能進(jìn)行控制，由單片機(jī)進(jìn)行控制時(shí)需要遵守讀寫時(shí)序，能比較詳細(xì)顯示程序運(yùn)行過程的信息。方案二：是用移位寄存器74hc595與數(shù)碼管配合顯示74hc595是一種8位串行輸入，8位串行輸入或并行輸出的三態(tài)移位寄存器，利用74hc595可以大量節(jié)省單片機(jī)的io口資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)外數(shù)據(jù)的傳輸；數(shù)碼管是多個(gè)發(fā)光二極管組成的“8”字形器件，通過8根管腳來控制內(nèi)部對(duì)應(yīng)二極管的亮與滅。但是數(shù)碼管只能顯示數(shù)字，且外圍接口電路復(fù)雜，顯示多位數(shù)字時(shí)需要不停進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，顯示效果單一。綜上所述，選擇方案一。（3）掉電保存模塊方案一：使用at24c02作為外部romat24c02是一個(gè)串行的e2prom

6、，內(nèi)部含256個(gè)8位字節(jié)，通過i2c總線進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)保密性好，能保存100年，操作簡(jiǎn)便，外部接口電路簡(jiǎn)單，需要遵守i2c協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通訊，能對(duì)單片機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。方案二：使用stc12c5a60s2內(nèi)部自帶的e2promstc12c5a60s2將內(nèi)部的data flash當(dāng)做e2prom，擦寫次數(shù)達(dá)10萬次以上，并且內(nèi)部擁有相應(yīng)的控制寄存器，可以很方便對(duì)程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，執(zhí)行速度快，指令操作簡(jiǎn)單，不需要添加外圍元件即能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的保存。綜上所述，選擇方案二。紅外遙控器發(fā)射信號(hào)2.3方案框圖紅外信號(hào)接收電路單片機(jī)最小系統(tǒng)內(nèi)部信息比較過程液晶顯示部分密碼正確密碼錯(cuò)誤提示鈴響，電機(jī)

7、轉(zhuǎn)動(dòng)報(bào)警三、硬件電路論述3.1最小系統(tǒng)電路圖1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路51單片機(jī)是一塊芯片，單獨(dú)時(shí)沒辦法進(jìn)行工作。使得單片機(jī)能順利工作的最少外圍電路合稱為最小系統(tǒng)，包括電源濾波模塊，復(fù)位電路模塊，時(shí)鐘電路模塊等。3.1.1濾波電路由于平時(shí)使用的5v電源并不是完全是直流成分，其中還包含了交流信號(hào)部分，為了剔除這部分噪聲，在電源正極與負(fù)極之間并聯(lián)了兩個(gè)電容，其中104小電容可濾除高頻信號(hào)，10uf電容可濾除低頻信號(hào)，保證了流入單片機(jī)的電流基本上為直流電。此外，在濾波電路旁并聯(lián)一個(gè)led，作為電源指示燈。其中1k電阻起到限流作用，防止led被燒毀。3.1.2復(fù)位電路 圖2 濾波電路程序在運(yùn)行過程中，難免

8、會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致程序失控。此時(shí)通過一個(gè)復(fù)位按鈕讓程序從頭開始執(zhí)行，就能有效解決這個(gè)問題。51單片機(jī)有一個(gè)專門的復(fù)位管腳，當(dāng)給管腳送一個(gè)高電平時(shí)，單片機(jī)就能復(fù)位，從頭開始執(zhí)行程序。當(dāng)電路穩(wěn)定時(shí)，由于電容的隔直作用，rst引腳通過10k電阻接到低電平，不發(fā)生復(fù)位。當(dāng)按下按鍵開關(guān)時(shí)，rst引腳瞬間變?yōu)楦唠娖?，芯片?fù)位。3.1.3時(shí)鐘電路 圖3 復(fù)位電路51單片機(jī)工作的時(shí)候需要一個(gè)精準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)這個(gè)信號(hào)執(zhí)行指令，通過外接一個(gè)晶振與兩個(gè)電容，與內(nèi)部電路構(gòu)成一個(gè)振蕩器為芯片提供一個(gè)高頻的時(shí)鐘信號(hào)。其中，晶振的頻率決定了單片機(jī)工作速度的快慢。圖4 時(shí)鐘電路3.2紅外接收電路 圖5 紅外接收電路紅外一體

9、接收頭1838將紅外遙控器發(fā)射的紅外信號(hào)進(jìn)行解調(diào)生成數(shù)字信號(hào)，并通過輸出引腳out輸出到單片機(jī)中。3.3液晶顯示電路lcd12864第三管腳用于設(shè)置對(duì)比度，通過改變10k電位器103的阻值就能實(shí)現(xiàn)對(duì)比度調(diào)節(jié)。psb為時(shí)序選擇端，接高電平時(shí)選擇串行操作時(shí)序。rst為復(fù)位腳，低電平有效，此項(xiàng)目不需要復(fù)位功能，故接高電平。19與20 引腳分別是背光燈的正負(fù)極，正極的供電通過三極管9012來控制供電，單片機(jī)控制bg_vcc輸出0時(shí)，三極管導(dǎo)通給背光燈供電，輸出1時(shí)三極管截至，背光燈熄滅。cs,sid,clk則為液晶的控制引腳，直接由單片機(jī)io口控制；cs為串行片選信號(hào)，置高電平選中芯片；sid為數(shù)據(jù)口

10、，通過該管腳接受單片機(jī)的數(shù)據(jù)與指令；clk為串行時(shí)鐘，時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。 圖6 液晶接口電路 控制時(shí)需要嚴(yán)格遵守時(shí)序圖，串行時(shí)序圖如下：圖7 串行操作時(shí)序圖數(shù)據(jù)傳送分為3個(gè)字節(jié)：第一字節(jié)串口控制rw位為1時(shí)表示數(shù)據(jù)從lcd到mcu，rw位為0時(shí)表示數(shù)據(jù)從mcu到lcdrs位為1時(shí)表示數(shù)據(jù)為顯示數(shù)據(jù)，rs位為0時(shí)表示數(shù)據(jù)為控制指令第二字節(jié)d7到d4表示數(shù)據(jù)字節(jié)的高四位第二字節(jié)d3到d0表示數(shù)據(jù)字節(jié)的低四位具體工作時(shí)序的操作：（1） 將cs拉高選中l(wèi)cd；（2） 將sclk拉低，允許修改sid上的數(shù)據(jù)，為產(chǎn)生上升沿做準(zhǔn)備；（3） 在sclk為低電平期間修改sid的數(shù)據(jù)；（4） 將sclk拉高，

11、產(chǎn)生上升沿，lcd將sid上的數(shù)據(jù)讀入；（5） 重復(fù)2到4步驟，直到24位數(shù)據(jù)傳輸完畢；（6） 將cs拉低取消選中。 3.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電流比較大，單片機(jī)無法直接驅(qū)動(dòng)，因此選擇uln2003達(dá)林頓管來增大驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)另外增加供電電壓，使步進(jìn)電機(jī)順利轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖8 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路四、整機(jī)電路圖9 整機(jī)電路圖五、軟件原理論述5.1紅外解碼程序紅外遙控器使用的是tc9012是一款專用紅外發(fā)射集成電路，tc9012 的一幀數(shù)據(jù)中含有 32 位碼，包含兩次 8 位用戶碼， 8 位數(shù)據(jù)碼和 8 位數(shù)據(jù)碼的反碼及最后位的同步位。引導(dǎo)碼由 4.5ms 的載波和 4.5ms 的載波關(guān)斷波

12、形所構(gòu)成，以作為用戶碼、數(shù)據(jù)碼以及他們的反碼的先導(dǎo)?！?1”和“ 0”的區(qū)分取決于脈沖之間的時(shí)間，稱之為脈沖位置調(diào)制方式。發(fā)射碼格式與數(shù)據(jù)參數(shù)如下圖所示：圖10 tc9012發(fā)射碼格式圖11 數(shù)據(jù)參數(shù)示意圖數(shù)據(jù)解碼過程用到了單片機(jī)內(nèi)部資源的外部中斷與定時(shí)器中斷，采用單片機(jī)外部中斷的下降沿觸發(fā)，識(shí)別非常靈敏，可以準(zhǔn)確捕捉每個(gè)跳變信號(hào)；同時(shí)，使用8位定時(shí)器自動(dòng)重裝模式，準(zhǔn)確計(jì)算出脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，從而得到紅外信號(hào)數(shù)據(jù)。具體操作過程：（1） 接收到下降沿信號(hào)時(shí)計(jì)算是否為9ms，若是，則認(rèn)為是啟動(dòng)信號(hào)；（2） 依次接收數(shù)據(jù)線上的32為數(shù)據(jù)，將其數(shù)據(jù)參數(shù)暫時(shí)存入數(shù)組中，等到數(shù)據(jù)接收完畢，接收標(biāo)志位置1

13、；（3） 接收標(biāo)志位為1時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將32位數(shù)據(jù)合為4字節(jié)數(shù)據(jù)，存入數(shù)組中；（4） 判斷第三字節(jié)與第四字節(jié)是否互為反碼，是則認(rèn)為數(shù)據(jù)接收正確（5） 將數(shù)據(jù)碼返回給調(diào)用函數(shù)。5.2單片機(jī)內(nèi)部e2prom操作程序stc12c5a60s2系列單片機(jī)內(nèi)部集成了的eeprom是與程序空間是分開的，利用isp/iap技術(shù)可將內(nèi)部data flash當(dāng)eeprom，擦寫次數(shù)在10萬次以上。eeprom可分為若干個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包含512字節(jié)。在用戶程序中，可以對(duì)eeprom進(jìn)行字節(jié)讀/字節(jié)編程/扇區(qū)擦除操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擦除操作是按扇區(qū)進(jìn)行的。單片機(jī)內(nèi)部的e2prom有專門的寄存器對(duì)其進(jìn)行管理，包括數(shù)

14、據(jù)寄存器iap_data、地址寄存器iap_addrh和iap_addrl、命令寄存器iap_cmd、命令觸發(fā)寄存器iap_trig、命令寄存器iap_contr，具體地址如下圖所示：圖12 與e2prom相關(guān)的寄存器（1） iap_data : isp/iap操作時(shí)的數(shù)據(jù)寄存器。isp/iap 從flash讀出的數(shù)據(jù)放在此處，向flash寫的數(shù)據(jù)也需放在此處（2） iap_addrh : isp/iap 操作時(shí)的地址寄存器高八位。iap_addrl : isp/iap 操作時(shí)的地址寄存器低八位。（3） iap_cmd模式選擇：圖13 模式選擇相關(guān)位（4） iap_trig: 在iapen(i

15、ap_contr.7) = 1 時(shí),對(duì)iap_trig先寫入5ah,再寫入 a5h,isp/iap 命令才會(huì)生效。（5） 命令寄存器iap_contr：iapen: isp/iap功能允許位。 0：禁止iap讀/寫/擦除data flash/eeprom1: 允許iap讀/寫/擦除data flash/eepromswbs: 軟件選擇從用戶應(yīng)用程序區(qū)啟動(dòng)(送0)，還是從系統(tǒng)isp監(jiān)控程序區(qū)啟動(dòng)isp監(jiān)控程序區(qū)啟動(dòng)監(jiān)控程序區(qū)啟動(dòng)程序區(qū)啟動(dòng)(送1)。要與swrst直接配合才可以實(shí)現(xiàn)swrst: 0: 不操作； 1: 產(chǎn)生軟件系統(tǒng)復(fù)位，硬件自動(dòng)復(fù)位。cmd_fail: 如果送了 isp/iap命令,

16、并對(duì)iap_trig送5ah/a5h觸發(fā)失敗,則為1,需由軟件清零圖14 等待時(shí)間設(shè)置表具體操作過程：（1） 操作控制寄存器，使能iap功能，設(shè)置cpu等待時(shí)間；（2） 關(guān)閉中斷，防止中斷打擾數(shù)據(jù)寫入或讀出；（3） 向命令寄存器寫入操作命令，若為寫指令，還需向數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)；（4） 向地址寄存器寫入要操作的地址；（5） 向觸發(fā)寄存器寫入觸發(fā)命令5ah和a5h；（6） 關(guān)閉iap功能，若為讀指令，則將數(shù)據(jù)返回。六、總結(jié)經(jīng)過了半個(gè)月的努力，編程序，調(diào)試電路，組合測(cè)試以及寫論文，總算將這個(gè)比賽項(xiàng)目做完了。在不落下功課的情況下爭(zhēng)分奪秒地完成賽題確實(shí)很不容易，但是最后的成果出來了，基本的功能也都實(shí)現(xiàn)

17、了，雖然創(chuàng)新方面做得不足，但也是蠻高興的。剛開始賽題發(fā)布的時(shí)候，看到abc三個(gè)賽題，心里不會(huì)完全不知道從哪開始，因?yàn)楹僭诩依飳W(xué)過單片機(jī)，賽題基本跟協(xié)會(huì)布置的作業(yè)很相近。所以有了較大的信心，代碼以前寫過有一些可以直接移植就比較方便。當(dāng)然，問題還是不少，主要是在密碼鎖這部分內(nèi)容比較難以控制，以前寫過的程序因?yàn)槭褂昧舜罅康膅oto語句導(dǎo)致可讀性很差，難以重新使用，所以此次就嚴(yán)格控制goto的使用，在編寫程序的同時(shí)用注釋分隔開，達(dá)到了較好的可讀性。因?yàn)檎{(diào)試電路時(shí)做得比較仔細(xì)，所以焊接部分做得比較快，功能也都能實(shí)現(xiàn)。然后就是寫論文部分，因?yàn)橐郧皼]有接觸過論文的寫法，格式都不懂，寫起來就挺費(fèi)勁的，而且還要自己學(xué)習(xí)繪制電路圖，這就需要借助altium designer，但又沒學(xué)過，因此就只能從頭學(xué)起，畫畫電路圖還好，但是pcb就沒辦法弄了，而且元件庫還是網(wǎng)上下載的，所以，這方面以后還要好好學(xué)學(xué)。除此之外，還要查閱