红外遥控电子密码锁毕业论文.doc

山东科技大学学士学位论文 摘要摘 要 红外电子密码锁是一种以高强度密码序列为基础，在单片机上实现的密码开关。它以红外光作为信息媒体，从而实现了遥控。该锁具有使用方便、操作简单、价格低廉等特点，给人们的生活带来了极大方便。本文介绍由51系列单片机实现的控制电路，能完成开锁、出错报警、超次锁定等基本的密码锁的功能，并且能实现遥控、本机键盘开锁、声光提示等功能，具有保密性强、灵活性高、适用范围广，特别适合家庭、宾馆等场所，本设计应用于私家车库。 该系统采用单片机8051作为本设计的核心元件，利用红外线遥控原理和单片机串行发射、接收等功能而设计的一款有本机开锁和遥控开锁的电子密码锁，遥控距离为810m，同时具有较强的抗干扰能力。设计电路主要由红外线编码电路、红外线解码开锁电路、声光提示报警电路、键盘及显示电路组成。关键词：单片机;红外线;遥控开锁;车库门禁ABSTRACTInfrared electronic combination lock is a high strength password sequence as the foundation, in the single board computer to realize password switch. It with infrared light as information media so as to realize the remote control. This locks are easy to use, simple operation, low prices wait for a characteristic, to the life of people brought great convenience.This paper introduces microcontroller by 51 series of control circuit, can complete lock, error alarm, super times such basic combination lock locking, and can realize the function of remote control, the machine keyboard unlock, sound-light tip, and other functions, strong, high flexibility with secrecy, widely used, especially suitable for family, hotels, this design used in private garage.The system uses the monolithic the 8051 as the core components, this design using infrared remote control principle and SCM functions such as serial emission, and holds a paragraph of designed a lock and remote machine of electronic trick lock, the remote lock distance of 8 10m, also has strong anti-interference ability. Circuit design mainly by the infrared coding circuit, infrared decoding unlock circuit, sound-light alarm circuit, keyboard and a hint of show circuit.Keyword: SCM; Infrared ray; Remote lock; Garage entrance guardIII山东科技大学学士学位论文 目录目 录摘 要Abstract1 绪论11.1 课题来源及研究意义11.2 国内外发展现状21.3 课题研究内容31.4 本章小结32 系统总体设计42.1 系统构成框图42.2 基本功能设计43 红外遥控及通信原理概述63.1 红外线概述63.2 红外遥控基本原理93.3 采用单片机串行通信原理134 系统硬件设计194.1 硬件结构图194.2 8051单片机最小系统194.3 发送接收模块234.4 密码存储模块264.5 电源电路设计284.6 报警电路设计294.7 键盘显示模块305 系统软件设计315.1 系统总体控制模块315.2 I2C通讯模块345.3 发送接收模块366 技术难点及解决方案386.1 系统抗干扰措施386.2 系统节能措施417 设计总结42参考文献44附录46附录1 中英文翻译46山东科技大学学士学位论文 绪论1 绪论1.1 课题来源及研究意义随着社会科技和人们的生活水平的提高，如何实现家庭防盗特别是车库防盗这一问题也变的尤其的突出，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的亲昵。红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。红外线遥控电子密码锁是一种新型的现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术等诸多新技术。它是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施，适用各种场合，如银行、宾馆、机房、军械库、办公间、智能化小区、工厂、家庭等。在数字技术网络技术飞速发展的今天，红外遥控电子密码锁技术得到了飞速的发展。它早已超越了单纯的门道及钥匙管理，逐渐发展成为一套完整的出入管理系统。它在工作环境安全、人事考勤管理等行政管理工作中发挥着巨大的作用。在该系统的基础上增加相应的辅助设备可以进行电梯控制、车辆进出控制，物业消防监控、餐饮收费、私家车库管理等，真正实现区域内一卡智能管理。红外遥控具有许多优点，例如红外线发射装置采用红外发光二极管，遥控发射器易于小型化且价格低廉；采用数字信号编码和二次调制方式，不仅可以实现多路信息的控制，增加遥控功能，提高信号传输的抗干扰性，减少误动作，而且功率消耗低；红外线不会向室外泄露，不会产生信号串扰；反应速度快、传输效率高、工作稳定可靠等。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。所以红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。在本设计中应用于私家车库门禁系统，可以在不下车的情况下对车库门进行开锁，方便实用而且节约成本，安全性还很高。1.2 国内外发展现状日常生活中，锁具被广泛使用，锁具的发展大致可分为五个阶段:古代的木质锁、古代的机械锁、近代的机械锁、普通的电子密码锁和未来的家用电子锁、遥控电子锁、以及用于特定场合的安全密码锁，而智能锁将会成为以后的发展趋势。目前，市场上比较先进的智能锁有IC卡密码锁、射频卡密码锁、红外遥控密码锁、指纹识别密码锁和瞳孔识别密码锁等。IC卡密码锁成本低、体积小，卡片本身无需电源等有点占领一定的市场份额，但由于有机械接触，会产生接触磨损，而且使用不太方便，一定程度上限制了它的应用；射频卡密码锁是非接触式密码锁，成本也不太高，体积跟IC卡密码锁相比，卡片使用感应电源，重量很轻，技术成熟，受到广泛的欢迎，但是与IC卡密码锁相比，成本偏高；指纹识别密码锁和瞳孔识别密码锁可靠性、安全性是目前门禁系统中最高的，但是成本昂贵，还没进入大众化使用阶段。红外遥控密码锁系统的成本与接触式密码锁系统相当，而且可以进行近距离遥控，遥控距离大约8-10米，远大于射频卡密码锁的遥控距离，能耗很低，可以使用普通碱性电池供电，使用十分方便。其市场前景将非常广阔。1.3 课题研究内容本课题旨在设计一个用户私家车库遥控开锁的门禁系统，主要工作和研究内容如下:采用单片机8051作为本设计的核心元件，利用红外线遥控原理和单片机串行发射、接收等功能而设计的一款能够应用于私家车库门禁系统的具有本机开锁和遥控开锁的电子密码锁。1.4 本章小结本章介绍了红外遥控密码锁技术的课题背景，红外技术在现代生活中的应用以及该课题的国内外研究现状，探讨与确定研究本课题的主要内容。61 山东科技大学学士学位论文 系统总体设计2 系统总体设计2.1 系统构成框图本系统采用单片机8051作为本设计的核心元件，利用红外线遥控原理和单片机串行发射、接处等功能而设计的一款有本机开锁和遥控开锁的应用于车库门禁的电子密码锁，遥控距离为810m，同时具有较强的抗干扰能力。当密码输入出错能立即报警，且能实现本机键盘开锁。系统的组成框图见图 2.1： 8051CPU红外接收头头红外发射器键 盘LED显示报警器 复 位电磁锁晶 振图2.1 红外遥控电子密码锁的基本结构2.2 基本功能设计红外遥控电子密码锁的基本设计主要分为如下五个部分。2.2.1 密码设置及修改用户在第一次使用密码锁的时候可以自定义设置密码，这需要在本机完成。具体操作过程如下：首先长按“*”3秒，然后再逐个输入5位密码，最后按“#”号确认即可，将编好的密码程序存储在EPROM中，可防止掉电。本设计中我们编入密码为12345。当然我们还可根据需要在EPROM中存入更多的密码，供用户选择。修改密码时，需长按“*”号3秒，有声音提示，然后输入旧密码，再按下“#”，然后输入新密码再按“#”确认即可。2.2.2 密码显示为了帮助用户确信是否有键按下，我们特在电路中设置了模拟显示电路；而为了防止密码外泄，显示时，并不是显示用户按下的数字符号，而是以发光二极管的亮灭来提醒用户是否有键按下。有键按下，发光二极管亮0.5秒，没有键按下，发光二极管灭。这样既巧妙地提醒了用户又保护了用户密码，此本设计可靠性优点之一。2.2.3 本机键开锁 当用户键入正确密码后，再按确认键“#”号，便会自动开锁。但用户键入密码时应注意：数字与数字之间的间隔时间最多为3秒，例如密码为12345，当键入第一个数字1后应在3秒内键入第二个数字2，否则，就会视为无效。如果键入完密码后不按“#”号，系统会当做放弃开锁处理。2.2.4 密码错误报警 当用户键入错误密码时，系统就会报警，由扬声器发出5秒报警声。当连续三次出现密码错误时，则系统会报警3分钟且3分钟内锁无法打开。此乃安全可靠性能之一。2.2.5 遥控开锁此锁用于私家车库，用户可以不下车，只要手执遥控器，键入正确密码，便会自动开锁；如果密码错误，同样也会报警。这是本设计优越性能之三。山东科技大学学士学位论文 红外遥控及通信原理概述3 红外遥控及通信原理概述3.1 红外线概述3.1.1 红外线的概念及物理性质红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于1800年发现，他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快，因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧存在看不见的光线，这就是红外线。太阳光谱上红外线的波长大于可见光，波长为0.751000m。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.751.50m之间；中红外线，波长为1.506.0m之间；远红外线，波长为6.0l000m 之间。 在光谱中波长自0.76至400m的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（273）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。近红外线或称短波红外线，波长0.761.5m，穿入人体组织较深，约510毫米；远红外线或称长波红外线，波长1.5400m，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于2毫米。红外线具有热效应，穿透云雾的能力强(波长较长，易于衍射)。3.1.2 红外线辐射源区分红外线辐射源可分为4个部分1）白炽发光区（Actinic range）：或称“光化反应区”，由白炽物体产生的射线，自可见光域到红外域。如灯泡（钨丝灯），太阳。2）热体辐射区（Hot-object range）：由非白炽物体产生的热射线，如电熨斗及其它的电热器等，平均温度约在400左右。 3）发热传导区（Calorific range）：由滚沸的热水或热蒸汽管产生的热射线。平均温度低于200，此区域又称为“非光化反应区”。 4）温体辐射区（Warm range）：由人体、动物或地热等所产生的热射线，平均温度约为40左右。 站在照相与摄影技术的观点来看感光特性：光波的能量与感光材料的敏感度是造成感光最主要的因素。波长愈长，能量愈弱，即红外线的能量要比可见光低，比紫外线更低。但是高能量波所必须面对的另一个难题就是：能量愈高穿透力愈强，无法形成反射波使感光材料撷取影像，例如X光，就必须在被照物体的背后取像。因此，摄影术就必须往长波长的方向“近红外线”部份发展。以造影为目标的近红外线摄影术，随着化学与电子科技的进展，演化出下列三个方向： 1）近红外线底片：以波长700nm900nm的近红外线为主要感应范围，利用加入特殊染料的乳剂产生光化学反应，使此一波域的光变化转为化学变化形成影像。2）近红外线电子感光材料：以波长7002,000nm的近红外线为主要感应范围，它是利用以硅为主的化合物晶体产生光电反应，形成电子影像。3）中、远红外线热像感应材料：以波长3,00014,000nm的中红外线及远红外线为主要感应范围，利用特殊的感应器及冷却技术，形成电子影像。3.1.3 红外线的应用红外线是一种光线，具有普通光的性质，可以以光速直线传播，强度可调，可以通过光学透镜聚焦，可以被不透明物体遮挡等等。特别制造的半导体发光二极管，可以发出特定波长（通常是近红外）的红外线，通过控制二极管的电流可以很方便地改变红外线的强度，达到调制的目的，在现代电子工程应用中，红外线常常被用做近距离视线范围内的通讯载波，最典型的应用就是电视机的遥控器。使用红外线做信号载波的优点很多：成本低、传播范围和方向可以控制、不产生电磁辐射干扰，不受干扰等等。红外线是一种光线，但不同于普通可见光，它不会被察觉。可以使用一对红外线发射与接收的装置，构成红外线的对射系统，称为主动式红外线应用系统。当红外线收发装置之间的隐形光路被阻挡时，接收装置可以立即察觉到，发出警示信号。利用这种对射系统，可以很方便地构建各种隐蔽的防盗警戒布控，还可以用于各种设备的安全防护或者自动控制方面。可以使用非常微弱的红外光线，达到信号通讯的目的。由于红外线发光二极管的发光强度很容易被控制，因此通过简单的电路就可以产生出受特定频率调制的调幅红外光，这种具有特征的红外光线，即使非常微弱，也可以从环境杂射光中被识别并分离出来，达到很好的通讯效果，典型的应用领域有遥控、音频通讯、PC数据通讯等。红外线又是一种热辐射，任何一定温度的物体都会向外辐射，温度不同辐射光波（电磁波）的波长也不同，而常温下的热辐射通常就是红外线的波长范围。比如人体的正常体温为37度左右，其热辐射的波长约为10m，属于远红外线的范围，但体温变化时，辐射光的波长也会随之变化。根据这一原理，可以通过检测热辐射的光波长，测量温度，这就是非接触式体温计的测量原理；也可以通过探测特定空间中，一定波长范围内红外光线的位置移动，识别空间范围内是否有移动人体存在，达到安全警戒或者自动控制的目的，如：被动式红外线入侵探测、自动门、自动水龙头、自动路灯、火灾探测等，都是这一原理；还可以通过红外成像以及红外摄影的技术，构成夜视装置。红外线是一种电磁波，当它通过放射方式辐射到物体时，被物体吸收的辐射能传递给物体内的原子、分子等粒子，使这些粒子发生不规则运动，引起物体的升温作用，称为远红外线的一次效应，也称为增温效应。产生一次效应的同时，物体也随之发生其他的化学、物理等改变，这称之为物体吸收远红外线辐射后产生的二次效应，也称为继发效应。红外线对人体皮肤、皮下组织具有强烈的穿透力。外界红外线辐射人体产生的一次效应可以使皮肤和皮下组织的温度相应增高，促进血液的循环和新陈代谢，促进人的健康 。红外线理疗对组织产生的热作用、消炎作用及促进再生作用已为临床所肯定，通常治疗均采用对病变部位直接照射。近红外微量照射治疗对微循环的改善效果显著,尤以微血流状态改善明显，从而对改善机体组织、重要脏器的营养、代谢、修复及功能有积极作用。近年来，由于检测设备的完善及研究的深入，人们对红外线的物理性能及其生物学效应有了比较全面的认识，获得了许多进展。红外线特别是远红外线已被广泛运用在医疗保健产业中，与日常生活有关的各种红外线产品也大量出现。3.2 红外遥控基本原理红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。发射机一般由指令键(或操作杆)、指令编码系统、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。当按下指令键或推动操作杆时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载体进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定指令编码信号。接收电路一般由接收电路、放大电路、调制电路、指令译码电路、驱动电路、执行电路(机构)等几部分组成。接收电路将发射器发出的已调制的编码指令信号接收下来，并进行放大后送解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制。 3.2.1 红外遥控的应用范围由于红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿过障碍物去控制被控对象的能力，所以，在设计家用电器的红外线遥控器时，不必要像无线电遥控器那样，每套要有不同的遥控频率或编码，所以同类产品的红外线遥控器，可以有相同的遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况。这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外线遥控提供了极大的方面。由于红外线为不可见光，因此对环境影响很小，再由红外光波动波长远小于无线电波的波长，所以红外线遥控不会影响其他家用电器，也不会影响临近的无线电设备。3.2.2 红外遥控系统基本原理1）红外遥控系统 通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，如图3.1所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。 图3.1 红外线遥控系统框图 2）遥控发射及编码 当发射按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以下特征： 采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.56ms、间隔0.565ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.56ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图3.2所示。 图3.2 遥控码的“0”和“1” （注：所有波形为接收端的与发射相反） 上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射，如图3.3所示。 图3.3 遥控信号编码波形图 遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在4563ms之间，图3.4为发射波形图。 图3.4 遥控连发信号波形 当一个键按下超过36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲,发射代码由一个引导码（9ms）,一个结果码（4.5ms）,低8位地址码（9ms18ms）,高8位地址码（9ms18ms）,8位数据码（9ms18ms）和这8位数据的反码（9ms18ms）组成。如果键按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连发码）将仅由起始码（9ms）和结束码（2.25ms）组成。 图3.5引导码 图3.6 连接码3 遥控信号接收 接收电路可以使用一种集红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。接收器对外只有3个引脚：Out、GND、Vcc与单片机接口非常方便，如图3.7所示。 图3.7 接收器 1脉冲信号输出接，直接接单片机的IO口； 2GND接系统的地线（0V）； 3VCC接系统的电源正极（+5V）。3.3 采用单片机串行通信原理3.3.1 串行通信基础在实际工作中，CPU与其外部设备之间常常要进行信息的交换，一台计算机与其他的计算机之间有时也要交换信息，所有这些信息交换均可称为“通信”。通信的基本方式可分为并行通信和串行通信两种，本设计选取串行通信，如图3.8所示为串行通信的示意图。而按照串行数据的传输方式，串行通信可分为异步传送和同步传送两类，本设计选取异步传送方式，如图3.9所示为异步通信的字符帧格式。 图3.8 串行通信的示意图第n个字符第n+1个字符起始位停止位停止位起始位8位数据奇偶校验数据0/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/100110/10/1 图3.9 异步通信的字符帧格式 由图3.9可见，异步传输方式中的每个字符由4个部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。一个字符由起始位开始，停止位结束。这4个部分组成异步传输中的一帧，即异步传输以帧为单位进行。 l 起始位：起始位为0信号，占用一位，用来通知接收设备的字符帧开始来到。线路上在不传送字符时，应保持为1。接收端不断检测线路的状态， 若连续为1以后又侧到一个0，就知道是发来一个新的字符帧，马上应准备接收。字符帧的起始位还被用来同步接收端的时钟以保证以后的接收正确进行。l 数据位：起始位后面紧接着的就是数据位，它可以是5位、6位、7位或8位，由于串行通信的代价是与数据的位数成比例，所以要根据需要来确定数据的位数，本设计取8位数据，即一帧数据传11位数据，其中一位起始位，8位数据位，一位奇偶校验位，一位停止位。发送时，总是最低位先传送。l 奇偶校验位：位于数据之后，只占有一位。奇偶校验位在信息发送中用处很大，它可以用来检验信息传送过程中是否有错。它的状态长由发送端的奇偶校验电路自动根据发送字符中“1”的个数来确定。本设计采用奇偶校验，即咋传输信息中，若“1”的个数为奇数，则奇偶校验位为0，若“1”的个数为偶数，则奇偶校验位为1。l 停止位：用来表征一个字符的结束，高电位有效。接收端收到停止位时，就表明这一字符帧已接收完毕，同时，也为接收下一个字符帧做好准备只要收到0就是新的字符帧的起始位。3.3.2 串行通信中串行I/O和数据的实现数据的串行转换通常都是用硬件手段 一种称为通用异步接收器/发送器UART来实现的。UART的硬件结构如图3.10所示。 图3.10 硬件UART逻辑框图硬件UART由3部分组成：接收部分，发送部分和控制部分，它既能进行到串行的转换，又能进行串行到并行的转换。同时接收和发送都具有双缓冲结构。（1）接收部分接收时，由RXD送来的串行数据先进入接收移位寄存器，变成并行数据后传送给接收数据缓冲器，在控制信号的作用下并行数据通过数据总线送给CPU。接收的关键问题是如何实现接收字符信息的再同步。在UART处于工作状态时，接收部分始终检测着RXD线，一旦发现线路上出现低电平信号，便开始一个字符数据的同步过程。UART使用外部时钟CLOCK来同步接收的字符，外部时钟周期Tc和数据Td之间的关系为： Tc = Td /K ( K=16或64)若K=16，意味着在每一个时钟脉冲的上升沿采样RXD线，若发现低电平，再连续采样8次（一个CLOCK采样一次），如果都是“0”便确认起始位开始，这样便从第9个CLOCK开始，每隔16个时钟周期采样一次数据线作为输入数据位。接收部分在对奇偶校验位和停止位进行了处理，有效的字符数据被装入接收数据缓冲器，如图3.11所示。（2）发送部分UART的发射过程由发送数据缓冲器接收CPU送来的并行数据，然后并行送至发送移位寄存器，并在发送时钟和发送控制电路控制下通过TXD线一位一位的发送出去。起始位，停止位是由UART在发送时自动添加上去的。UART发送完一帧后产生中断请求，CPU相应后可以吧下一个字符送到发送数据缓冲器，重复上述过程。 图3.11 接收数据的字符同步过程（3）控制部分UART在发送时，电路自动检测发送字符位中“1”的个数，并在奇偶校验上添加“1”或“0”，使得“1”的总数（包括奇偶校验位）为偶数（奇校验时为奇数），如图3.12（a）所示。UART在接收时，电路对字符和奇偶校验位中的“1”的个数加以检测，如“1”的个数为偶数（奇校验时为奇数），则表明数据传输正确：如“1”的个数为奇（奇校验时为偶数）则表明数据在传输过程中出现错误，如图3.12（b）所示。 （a） （b） 图 3.12 收发两端的奇偶校验电路3.3.3 串行口的选择及波特率的计算（1）MCS-51单片机串行接口的工作方式有4种，由SCON中的SM0,SM1定义，编码及功能如表3-1所示，本设计选择串行口工作方式3. 表3.1 串行口工作方式SM0 SM10 00 11 01 1工作方式方式0方式1方式2方式3说明移位寄存器8位UART9位UART9位UART波特率由定时器控制由定时器控制fOSC/32或 fOSC/64fOSC/12（2）波特率的设置当串行口工作在方式3时，波特率由下式确定，即（3.1）其中，fOSC选12，T1的初值为0F4H,SMOD=0,则式（3.1）为 （3.2） 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计4 系统硬件设计4.1 硬件结构图系统以单片机8051为核心。系统结构框图如图4.1所示。本系统的功能设计目标应该包括以下几个方面：红外发射功能模块，红外线接收转换模块、单片机模块、蜂鸣器报警功能模块、密码存储功能模块，开锁功能模块等。下面详细介绍一下各单元的硬件电路和实现的功能。图4.1 系统结构框图4.2 8051单片机最小系统4.2.1 单片机概述单片微型计算机（Single-chip Microcomputer）简称单片机，它是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。MCS51是指由大名鼎鼎的美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8032等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增减改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。4.2.2 8051单片机引脚图图4.2 8051芯片引脚图4.2.3 8051芯片各引脚的功能8051系列各种芯片的引脚是互相兼容的，8051，8751和8031均采用40脚双列直播封装型式。当然，不同芯片之间引脚功能也略有差异。8051单片机是高性能的单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。各引脚功能简要说明如下：1） 电源: VCC (40脚)芯片电源，接+5V； VSS - （20脚）接地端；注：用万用表测试单片机引脚电流一般为0v或者5v，这是标准的TTL电平，但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0v-5v之间，其实这之是万用表反映没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电流还是保持在0v或者5v的。2) 时钟: XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚）晶体振荡电路反相输入端和输出端。时钟电路引脚XLAL2(18脚)：接外部晶体和微调电容的一端。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外时钟脉冲，要检查8051的振荡电路是否正确工作，可用示波器查看XLAL2端是否有脉冲信号输出。时钟电路引脚XLAL1(19脚)：接外部晶体的微调电容的另一端。在片内它是振荡电路方相放大器的输入端。采用外部时钟时，该引脚必须接地。3) 控制线: 控制线共有4根， RST/VPD（9脚）:复位/备用电源。RST是复位信号输入端，高电平有效。当输入端保持两个机器周期，即24个时钟振荡周期的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是VPD,即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障降低到低电平规定值时，将5V电源自动接入RST端，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，使电源正常后能继续正常运行。 PSEN（29脚）:外ROM读选通信号。 ALE/PROG（30脚）:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fosc的1/6。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。在CPU访问片外数据存储器时，会丢失一个脉冲。平时不访问外存储器时，ALE端也可1/6的振荡频率固定输出正脉冲，因而ALE也可以用作对外输出时钟或定时信号。如果你想看一下8051芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有，则8051基本上是好的。ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL。此引脚的第二功能PROG是对片内带有4K EPROM的8751固化程序时，作为编程脉冲输入端。 EA/Vpp（31脚）:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。当EA引脚接高电平时，CPU访问片内EPROM并执行内部程序存储器中的指令，但在程序计数器PC的值超过OFFFH时，将自动转向执行片外程序存储器内的程序 。当输入信号EA引脚接低电平时，CPU只访问外部EPROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内ROM的8031，必须外扩EPROM，此时必须将EA引脚接地。此引脚的第二功能Vpp是对8751片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压输入端。4) I/O线： 8051共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。 P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。 P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。 P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。P3口第二功能：P3.0 /RXD 串行输入口 P3.1/TXD 串行输出口P3.2 /INT0外部中断0（低电平有效P3.3/INT1 外部中断1（低电平有效） P3.4 /T0 定时计数器0 P3.5/T1 定时计数器1 P3.6/ WR 外部数据存储器写选通（低电平有效）P3.7 /RD 外部数据存储器读选通（低电平有效）4.3 发送接收模块4.3.1遥控发射模块遥控发射电路利用通用的红外发射管，遥控发射装置是利用8051单片机作为控制部分，控制图中的发光二极光发射出红外线，从而使本机中的红外接收部分感应，然后解码，对照接收到的信号是否正确，如果正确就正常开锁，完成遥控开锁任务。遥控发射电路如图4.3。遥控开锁部分的具体过程如下：当使用遥控器时，按下数字键，将从串行发射口P3.1送出的数据反馈到P1.1口进行内部调制，调制的规则是“0”电平调制，“1”电平不调制，从P1.2口送出，再以波长为940nm的红外光经过红外发射二极管发射出去。然后，在本机控制电路中的8051的P3.0口接有与红外发光二极管配套的接收头，将接收的光信号转换成电信号数据。最后，通过系统与内部原先设置的数据进行比较确认，如果一致便可开锁，如果不一致放弃开锁。图4.3 遥控发射电路4.3.2 接收模块本机键开锁电路如图4.4所示，8051作为本电路的核心，P0口与P1.0，P1.1，P1.2外接本机键盘，P3.0口外接红外接收头，P1.3口外接报警信号放大器，用来放大报警信号，驱动扬声器，P1.7口外接开锁电磁驱动电路，P1.5外接密码设置键，E2PROM内存有密码，P2.0口用发光二极管显示按键是否按下，本电路由遥控发射器、接收器、键盘组成，本机采用了10个按键作为密码输入键，同时也采用了遥控器开锁。图4.4 本机键开锁电路本机实现有以下功能：1.当没有接收到遥控信号时，由键盘输入密码，当5位有效密码输入正确时按“#”号确认，P1.7口输出高电平使电磁锁动作，完成开锁,同时,电路进入延时状态，延时5秒钟后,电路将自动恢复到初始闭锁状态。2.当5位有效密码输入正确但没有“#”号键确认时，电路将自动恢复到初始和闭锁状态。3.在输入5位有效密码时,必须按照先后序输入，如顺序错误或密码不对时，将无法开锁,并同时发出5秒钟的报警信号,用以提醒用户。4.若连续3次输入错误，系统会报警3分钟且3分钟内无法打开。5.输入密码时,首位密码正确输入后，电路将开始自动计时，每位密码数之间的输入间隔应在3秒内。否则将输入超时处理,系统自动放弃，恢复到初始状态。4.4 密码存储模块图4.5 AT24C02电路原理图为了保存用户设置的密码，该系统使用AT24C02用来保存用户设置的密码，防止掉电复位。电路原理图如图4.5所示。单片机8051的P3.4接AT24C02的SCL口作为它的串行移位时，8051的P3.5接AT24C02的SDA口作为它的串行数据或地址输入输出。该电路要注意的是SCL、SDA必须加上一上拉电阻，阻值为10k。红外遥控器（钥匙）的用户名（钥匙身份）和密码存放在AT24C02中，当需要更改或读取用户名和密码时，只需对AT24C02里的数据更改或读取。AT24C02芯片介绍：(1)在介绍AT24C02前，先介绍一下I2C总线。I2C总线使用两根信号线来进行数据传输，一根是串行数据线(SDA)，另一根是串行时钟线(SCL)。它允许若干兼容器件共享总线。总线上所有器件要依靠SDA发送的地址信号寻址，不需要片选线。任何时刻总线只能由一个主器件控制，各从器件在总线空闲时启动数据传送，由I2C总线仲裁来决定哪个主器件控制总线。I2C总线数据传输的最高速率为400kbps，标准速率为100kbps。SDA与SCL为双向I/O线，都是开漏极端(输出1时，为高阻抗状态)。因此I2C总线上的所有设备的SDA、SCL引脚都要外接上拉电阻。I2C总线的协议如下：a) 只有在总线非忙时才被允许进行数据传送。b) 在数据传送时，当时钟线为高电平，数据线必须为固定状态，不允许有跳变。时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被当作总线的启动或停止条件。（2）AT24C02芯片介绍。AT24C02是美国ATMEL公司生产的I2C串行E2PROM。它为可用电擦除、可编程只读存储器，自定时写周期，包括自动擦除典型时间为5ms。芯片2.7V至6V的工作电压，可擦写100万次，数据保存可长达100年，提供8脚DIP和SOIC封装。AT24C02允许在一个写周期内同时对1字节到1页的若干字节进行编程写入，一页的大小取决于芯片内寄存器的大小。a.管脚介绍：WP：写保护。将该管脚接VCC，E2PROM就实现写保护（只读）。将该管脚接地或悬空，可以对器件进行读写操作。SCL：串行时钟脚串行输入输出数据时，该脚用于输入时钟。SDA：串行数据/地址输入脚双向串行数据/地址脚，用来输入输出数据。该脚为射（漏）极开路输出，需接上拉电阻。A0A1A2：片选或页选地址输入。用于芯片寻址。AT24C02内部无连接。b.器件地址的约定：主器件在发送启动命令后开始传送，主器件发送相应的从器件的地址，8位从器件地址的高4位固定为1010。接下来的3位（见表4.1）用来定义存储器的地址，对于AT24C02位无意义。最后一位为读写控制位。“1”表示读操作，“0”表示写操作。表4.1 AT24C02从器件寻址1010XXXR/Wc.应答信号每次数据传送成功后，接收器件发送一个应答信号。当第九个时钟信号产生时，接收器件将SDA下拉为低，通知已经接收到8位数据。4.5 电源电路设计本系统的电源部分使用LM7805芯片进行稳压后提供单片机5V的电压。其本机电源部分电路的设计如图4.6所示。图4.6 本机电源电路图该电源部分电路，使用整流桥，可以输入直流或是交流9V电源，然后再通过7805稳定到5V供单片机工作。固定式三端稳压电源7805是由输出脚Vo，输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+5V，它属于LM78XX系列的稳压器，输入端接电容可以进一步的滤波，输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响，电路的稳定性也比较好。为了使遥控器方便携带，本设计遥控端使用CR2025扣式电池供电，该电池特点体积小收，寿命长。4.6 报警电路设计本系统设计时考虑到防盗而设计了声光报警电路，由蜂鸣器发声进行报警，红色发光二极管持续闪烁。 图4.8 (a) 蜂鸣器报警 (b) LED显示报警蜂鸣器接在CPU的引脚P1.3上，通过PNP型三极管做电流放大，因此可以通过单片机控制蜂鸣器的频率及蜂鸣时间。当输入错误的密码进行开锁时，由P1.3口输出低电平使得PNP型三极管导通，蜂鸣器两端加电，由蜂鸣器发出5秒的报警声，当连续三次出现密码错误时，则系统会长时间报警，此举为了防止别人非法试探开锁。蜂鸣器及LED报警电路如图4.8。具体连接可参考图4.4。4.7 键盘显示模块按键方式分为独立式和矩阵式两种，本设计采用独立式按键结构，共设置了10个按键。独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。它的电路配置灵活，软件结构简单。键盘电路如图4.9。图4.9 独立式键盘结构显示没有采用液晶显示，而是用发光二极管来代替，这主要是从节约成本考虑。在遥控发送部分用到一个LED灯，用来显示有键按下；在主机部分用到两个，一个黄色，用于显示有键按下，另一个为红色用于报警。山东科技大学学士学位论文 系统软件设计5 系统软