【《基于STC89C52单片机的自动门和密码锁系统设计》8300字（论文）】

基于STC89C52单片机的自动门和密码锁系统设计摘要门在日常生活中的应用很广泛，随着科技的发展，现代社会中自动门的实际需求越来越高，即时响应和安全性能都需要严格要求，这次设计就是为了研究一款安全、普适的自动门系统。本文设计的是一种可以应用于公共区域的自动门。自动门使用红外线感应来辨认人体，检查人体的体温，转化成电信号传输给单片机，再使用微控制器驱使脉冲电机，从而控制门主动开启，当人进入后又能自我停闭。密码锁则是设计成后备功能，当门出现故障时，通过输入密码能重置电路，手动控制门的开启或关闭。本课题主要实现红外感测和密码锁的自动门系统。关键词：STC89C52；热释红外线传感器；密码锁；人体感应目录28822第1章绪论 1119511.1研究的背景 1255121.2研究的目的和意义 164361.2.1研究目的 1217381.2.2研究意义 1165391.3研究方案 217771第2章硬件系统设计 3124182.1系统框图 3202462.2最小系统模块 3119092.2.1STC89C52简介 337492.2.2最小系统电路 590012.3热释电红外感应模块 7303022.3.1热释电红外传感器原理 7317902.3.2BISS0001芯片 759882.4步进电机 9325122.4.1步进电机的特点 979082.4.2基本原理 9296372.5液晶显示模块 10280112.5.1LCD1602简介 1055782.5.2液晶显示模块电路 1087422.6按键输入模块 12236422.6.1矩阵键盘 122152.6.2矩阵键盘电路 1218582.7存储芯片模块 1342962.7.1存储芯片AT24C02 13298452.7.2存储模块电路 131027第3章软件系统设计 15126503.1程序语言及开发环境 15126923.2程序流程图设计 1514483.2.1自动门部分 156803.2.2密码锁部分 1631520第4章硬件组装与调试 20291194.1元器件的选择与测量 2088344.2元件的焊接与组装 20297694.2.1焊接前准备工作 20115064.2.2焊接完成通电前 21108614.2.3通电观察 22264374.3实物的调试和烧录 2319918第5章总结与展望 2519507参考文献 26PAGE25第1章绪论1.1研究的背景当今社会科技化和信息化程度越来越高，微处理器领域的应用越来越广泛，由微处理器为核心组成的应用深入人们的生活，成为不可或缺的一部分。通过微处理器的介入，人们的生活会更加便利。日常生活中最简单的开门，也需要更有效的简化。微处理器拥有适应性强，应用广泛，功能齐全等优点，所以优先选择微处理器为核心。这次设计选择以微处理器为核心的自动门，运用自动控制系统来简化开门的步骤，解放人们的双手，改变人们的生活，加快科技的发展。1.2研究的目的和意义1.2.1研究目的从概念上来说，自动门也是门的类别之一【1】。在门的功能上，人们对其产生新的需求，接着对门进行发展和完善，出现了自动门这个概念。自动门指的是：可以在人贴近时，把贴近的行动辨认成一种信号，通过这个信号决定开门。然后使用各种驱动装置打开，最后在人离去之后关闭。整个过程不需要人参与，完全是自动门系统独立完成。在二十世纪中期开始，自动门就出现在人类社会中进行应用。最初，用来控制门的驱动系统用的是油压式和空压式。但是这些驱动系统都存在速度控制不精准、能源利用效率低等缺点。在二十一世纪的今天，电子芯片逐渐融入我们的生活，故利用微处理器来操控自动门系统能带来更高的精确度和利用率。微处理器带来的是更小的单元和更稳定的控制，既简洁又安全。1.2.2研究意义自动门应用的最广的是自动平移门，也可以称为感应门。本次课题选择的研究对象就是自动平移门。自动平移门常见的构造样式包括用来识别的门前后红外线和机械驱动装置。当红外线感觉到人靠近自动门，给微处理器发送信息，然后微处理器驱使驱动装置来打开自动门。当红外线感应不到人之后，又将门关闭。生活中的应用是十分广泛的。室内开空调时，在有人进出的情况下，自动门能自动开关门，这样能节省空调能源，也能保护空间隐私。方便易管理的自动门成为学校、公司等一些人流量大的地方的首选。本课题集成了密码锁功能，电子密码锁作为备用功能，当红外传感器无法正常工作时，使用电子密码锁输入正确密码时，门也会打开【2】。1.3研究方案系统主要由STC89C52微处理器及其外围电路、红外检测电路、步进电机控制电路、控制方式切换电路等部分组成[3]。当红外线感觉到人靠近自动门，给微处理器发送信息，然后微处理器驱使驱动装置来打开自动门。当红外线感应不到人之后，又将门关闭。如果门处于关闭的状态时，又接收到人的红外信号，会直接逆转开门，当自动门系统出问题时，可开启手动模式。显示设备使用1602液晶，提供锁状态和输入密码的显示；密码输入设备选用4*4的矩阵键盘，16枚按钮的数量足够满足本课题的要求；密码存储使用EEPROM芯片，本设计使用的EEPROM芯片型号是AT24C02，通过IIC协议和微处理器进行数据传输。

第2章硬件系统设计2.1系统框图这次课题的系统框图如图2-1所示，本次课题基于STC89C52微处理器，集成了红外、指示灯、脉冲电机、密码锁等模块。图2-1系统框图2.2最小系统模块2.2.1STC89C52简介（1）概述STC89C52微处理器总计40个管脚。管脚分配如下，2个全双工接口和2个外部中断串口，2个读写串口和3个十六位可编译计时器，还有32个双向外部IO接口。STC89C52微处理器包括特殊管脚芯片封装、塑料方块平面封装及塑料双列直插式封装等三类方式，用以适配各种场合的要求。（2）主要功能特性与MCS51指令系统兼容；8k可反复擦写Flash存储器(>1000次）；256x8bit内部存储器；32个可编程双向I/O口；3个16位定时/计数器；全静态工作：时钟频率0-24MHz；2个串行中断；2个外部中断源；通用异步串行口（UART）；低功耗闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；EEPROM功能；（3）8051微处理器的管脚功能MCS-51系列微处理器其外部管脚排列如图2-2所示。图2-2STC89C52管脚图其中本次设计中用到的各管脚的功能为:①主电源管脚VCC（40脚），供电电压5V；GND（20脚），接地；②外部振荡器管脚XTAL1（19脚），反相放大器的输入端。接外部晶体振荡器的一个管脚。XTAL2（18脚），时钟模块的输入端，也是反相放大器的输出端。接外部晶体振荡器的另一个管脚。这两个管脚用来组成晶体振荡器电路。③控制信号线RESET（9脚），高电平，连接复位电路。EA（31脚）,用来选择内部存储器或外部存储器。该管脚为低时，选用外部存储器；该管脚为高时，选用内部存储器。本次设计要保证微处理器是从内部读取并运行就得让EA端口接VCC保持高电平。④多功能I/O口管脚8051微处理器有（P0、P1、P2、P3）4个可编程双向I/O口，每组I/O口都可作为一个输入口或者输出口，其中：P0口（32～39脚），8位双向IO口。P1口（1～8脚），8位双向IO口。P2口（21～28脚），8位双向I/O口。P3口（10～17脚），8位双向I/O口。它有两种功能，第一种功能等同于P1口；作为第二功能使用时，每一位都有特定用途，其特殊用途如图2-3所示。图2-3P3口第二用途2.2.2最小系统电路STC89C52的最小系统如图2-4所示。最小系统电路包括STC89C52微处理器和三个不同的电路，第一种是晶体振荡器回路，第二种是复位回路，第三种是电源回路。晶体振荡器回路由两个电容C2、C3和一个晶体振荡器X1构成。在最小系统晶体振荡器内电容C1、C2选择30pf，在整个最小系统晶体振荡器中起到起振作用。晶体振荡器X1能够取值24M，晶体振荡器X1取值越高，微处理器起步运行速率就越快。在整个回路中，晶体振荡器部分一般放在靠近微处理器的地方。微处理器复位回路的作用就类似于计算机的重启。计算机死机时，要想恢复，就得按下重启按键，然后计算机便会重新启动。微处理器也是一样，在微处理器系统运行产生故障时，使用复位按键，微处理器内部的程序便会重新启动。复位回路由一个极性电容C1与一个普通电阻R3组成。系统连接通电后，RESET管脚呈现高，电容C1和电阻R3的RC值来决定高电平持续多久。所以选取合适的RC值就能做到成功的复位，在这里电容C1大小选取10uF，电阻R3选取10K。电源部分则是采用5V的电压供电，直接用USB连接，可接手机充电器或者移动电源。特别注意的是，由于程序直接放在微处理器内部，所以要保证微处理器是从内部读取并运行就得让EA端口接VCC保持高电平。图2-4微处理器最小系统2.3热释电红外感应模块2.3.1热释电红外传感器原理该传感器主要是用一种热释电系数较高的材料，如\t"/item/%E7%83%AD%E9%87%8A%E7%94%B5%E7%BA%A2%E5%A4%96%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"钽酸锂、硫酸三甘钛、锆钛酸铅系陶瓷等材料制成的探测元件，尺寸为2*1mm【4】。每个探测器中将两个探测元件反极性串联，用来避免温度升高而产生的干扰。探测元件吸收红外辐射，转化为微弱的电压信号，然后经过场效应管放大后输出。一般在探测器前方装一个菲涅尔透镜，这是一种特殊光学系统透镜，该元件用来提高探测器的探测灵敏度，与放大电路配合可以将信号放大70dB以上，可以探测到最多20米范围人的运动。探测原件的波长灵敏度在0.2um~20um之间，而人体辐射的红外线中心波长为9um~10um。传感器上方设置了一个滤光镜片，这个滤光片可通过的光波长为7um~10um，正好与人体红外辐射的探测范围相适应。这样制成的红外线传感器就可专门用作探测人体辐射。该原理的红外传感器优点在于本身不发射任何类型的辐射，功耗较小，体积也很小，价格低廉。但是缺点也同样存在，红外穿透能力差，容易受到其他热源干扰。2.3.2BISS0001芯片这次课题中配合热敏红外传感器的芯片是BISS0001。BISS0001如图2-5所示。这款集成电路在处理传感信号上拥有高性能，配合热敏红外传感器构成自动化的热敏红外开关，可用于自动控制电路。图2-5BISS0001芯片BISS0001管脚图如图2-6所示。图2-6BISS0001管脚图BISS0001的管脚功能如表2-1所示。表2-1BISS0001管脚功能端口管脚注释1A触发方式控制端2V0控制信号输出端3RX输出定时控制器T定时时间为：TX＝50×103RXCX4CX5Ri锁定时间控制器Ti锁定时间Ti＝24RiCi6Ci7VSS电源正端8VRF参考电压及复位端,使用时一般接VDD9VC触发禁止端。VC＜VR，禁止触发；VC＞VR，允许触发。（VR＝0.2VDD）10IB偏置电流设置端11VDD电源正、负端12OUT2第二级运放的输出端13IN2-第二级运放的反相输入端14IN1+第一运放的同相输入端15IN1-第一运放的反相输入端16OUT1第一运放的输出端BISS0001工作原理BISS0001集成电路有以下几个数模部分混合组成。其中有封锁时间定时器、运算放大器、延迟时间定时器、电压比较器和状态控制器。电路运行原理如下，热释电红外传感器接收到人体的红外辐射，输出电信号，然后由管脚14输入BISS0001，在内部处理之后，再从2脚输出探测信号。外接电阻R9和电容C6的RC值一同决定了输出脉冲信号的宽度。BISS0001内部电路中再由一个运算放大器处理后，放大后再输出。2.4步进电机2.4.1步进电机的特点这次设计选用的步进电机28BYJ48，其优点和缺点如表2-2所示【5】。表2-2步进电机的优缺点优点缺点动态响应块，优秀的起停、反转和变速只能通过脉冲电源供电结构简单，易控制成本存在振荡和失步现象可直接驱动负载自身的噪音和振动较大较宽的转速范围难以运转到高转速2.4.2基本原理如图2-7所示，步进电机是由环形脉冲、功率放大等部分组成的控制系统。图2-7驱动控制系统方框图步进电机又被称为脉冲电机，常见的是反应式步进电机，是一种数字控制电动机。本质上是一种将数字控制信号转化为角位移的驱动器件。每接收一个电脉冲信号，角位移就变化一个单位，电机也随之转一个角度，所以十分适合用微处理器来控制。2.5液晶显示模块2.5.1LCD1602简介密码锁模块需要显示密码，故选择液晶显示模块。本次设计选择体积小、功耗低的液晶显示屏LCD1602【6】。LCD1602的主要参数如表2-3所示。LCD1602可以显示2行16个字符。可以显示阿拉伯数字、英文大小写和常用符号，进一步还可以自定义简单的中文。本次设计只需要阿拉伯数字即可。表2-3LCD1602的主要参数类别主要技术参数显示内容16×2个字符芯片工作电压4.5—5.5V工作电流2.0mA模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95×4.35(W×H)mm2.5.2液晶显示模块电路在液晶模块的电路设计中，具体液晶模块电路图如图2-8所示。图2-8液晶模块电路图LCD1602的8位地址总线和STC89C52的P0连接，具体的各管脚连接和功能如表2-4所示。表2-4LCD1602各管脚连接和功能管脚注释1GND液晶工作的电源输入脚2VCC3GND可与10K的可变电阻器相连接入地端，调整该可变电阻器的阻值就可调整液晶的对比度。4P27液晶的寄存器控制脚5P28液晶的读写控制脚6P26液晶的使能脚7~14P0口液晶的数据/地址8位总线15VCC液晶的背光电源脚16GND2.6按键输入模块2.6.1矩阵键盘微处理器中应用最多的键盘是独立键盘和矩阵键盘【7】。其中独立键盘程序设计较为简单，硬件电路设计也不庞杂，用于空间要求不高的电路中；矩阵键盘则有很大的区别，首先缺点在于硬件电路和程序算法相较独立键盘更加繁琐，但是矩阵键盘的优势也很明显，节省端口资源。在本次设计中，STC89C52端口利用率高，所以在这里我选择了4*4矩阵键盘作为密码锁的输入，仅仅需求C52的8个I/O口，便可以完成对16个按键的扫描。2.6.2矩阵键盘电路4*4矩阵键盘共有16个按键，在电路中只需8位I/O口就可以实现16种功能。矩阵按键电路如图2-9所示。图2-9矩阵按键电路对这16个按键，将其中10个按键设置为0~9的数字；剩下6个按键分别是确定、取消、删除、手动关锁、修改密码、管理员密码这六个功能按键。2.7存储芯片模块2.7.1存储芯片AT24C02本次设计存储芯片选择美国Atmel公司生产的低功耗CMOS型AT24C02存储芯片，内含256×8位存储空间，拥有抗干扰能力强、体积小、读写速度快和擦写次数多等优点。该芯片采用在线编程，在数据的实时存取这方面十分有利【7】。2.7.2存储模块电路（1）存储模块用来存储密码锁的密码，具体电路图如图2-10所示。图2-10存储模块电路图AT24C02的管脚连接和具体功能如表2-5所示。表2-5AT24C02的管脚连接和功能管脚注释1GND控制芯片的7位二进制地址是10100002GND3GND4GND电源输入脚8VCC5SCL漏极开路设计。在连接到微处理器的同时，还要加上2个10K的上拉电阻。6SDA7GND不使用芯片的写保护功能，使芯片处于正常的读写状态

第3章软件系统设计3.1程序语言及开发环境本次设计的软件部分在Keil5上完成。在和电子有关的专业上，学习微处理器大部分都是从51系列微处理器上开始学；开发语言是从C语言开始学。所以选择在Keil上进行软件编程和仿真调试。KeilC51是KeilSoftware公司的51系列微处理器，开发系统方面选择的是C语言。C语言易学易用，电子专业本科阶段也学过该语言，方便做软件系统方面的设计。3.2程序流程图设计3.2.1自动门部分本次设计的自动门可以在人接近时，使用红外线感应来辨认人体，检查人体的体温，转化成电信号传输给微控制器，再使用微控制器驱使脉冲电机，从而控制门主动开启，当人进入后又能自我停闭。然后通过各种驱动系统开启门，最后在人离开之后关闭门。整个过程不需要人参与，完全是自动门系统独立完成。步进电机作为驱动装置，在转轴上DIY一个小自动旋转门，实现自动开启、关门的效果。自动门运转的流程图如图3-1所示。图3-1自动门程序流程图3.2.2密码锁部分本部分的流程图如图3-2所示，最先开始进行液晶的初始化，其中包括功能的初始化和显示内容的初始化。然后进行的是密码的初始化，如果存储芯片是新的，就录入程序设计好的密码“123456”；否则就将密码从存储芯片中读取出来，保存在微处理器的一个数组中。后续可以作为用作对比键盘输入密码的正误，进入手动模式，即可手动开关门和修改密码。图3-2密码锁程序流程图（1）液晶程序设计如图3-3，先固定设置好第一个显示的地方。比如第0行第2列，然后就依次显示内容，比如显示“state”时，先显示“s”，再是“t”,然后一位一位到“e”才算完成。在定位了第一个显示的位置后，每显示一个字符，液晶会自动跳到下一个位置，但是一般情况不加延时，就会显得是同时出现在液晶屏上了。图3-3液晶显示流程图（2）矩阵键盘的扫描流程矩阵键盘的扫描程序流程图如图3-4所示。如果有按键按下时，程序进行按键扫描时，先进行行扫描，再进行列扫描；行列一起比对后，就能确定被按下的是哪个按键。图3-4矩阵键盘扫描流程图

第4章硬件组装与调试4.1元器件的选择与测量本次设计的元器件主要有：STC89C52微处理器、热释电红外感应、BISS0001芯片、12Mhz晶体振荡器、电阻、电容、按键、开关、5V电源、液晶1602、步进电机、存储芯片AT24C02、LED。这些元器件在仿真完后，直接按照类型和型号在电子元件的网店就可以买到。其中焊接需要注意电容、LED和自锁开关的正负极；注意芯片的版本；注意电阻、电容、晶体振荡器的大小。4.2元件的焊接与组装4.2.1焊接前准备工作首先是制作电路图，以STC89C52为核心，将各个电路模块围绕着STC89C52组装。这次组装电路布局较为紧凑，故选择双层PCB焊接。焊接过程中有几点需要注意。在组装前，所有的元器件尽量检查一遍参数和正负，用万用表测试一下好坏，确保元器件合格。集成电路组装时，方向要保持一致。设计完电路图之后，应在仿真软件上制作PCB并进行仿真。设计PCB时排版尽量保持简洁无误，做到不穿插不重叠。定制好的PCB板和元器件都装备好后，应先表明元器件和PCB板相应位置的正负方向，方便检查和调试。具体PCB板如图4-1所示。图4-1双层PCB板4.2.2焊接完成通电前焊接开始后，将各个元器件分类插入。注意电阻的大小和电容、开关的正负。这次焊接我选择将完整的电路焊接完毕后，再一次性进行调试。如图4-2所示，将芯片、电容、电阻、按键和开关等元器件装好后，不要急着通电。再次检查部分元器件正负，用万用表检查元器件连通情况，防止接触不良。图4-2焊接完成的电路4.2.3通电观察先排查电路中各种可能发生的错误，排查完毕后接通电源（先关闭电源旁的开关）。接通电源后先观察整块电路中，是否有LED不发光；元器件发热烧坏；电源是否短路断路；1602液晶不发光等现象。如果发现异常，立刻断开电源。我在实际焊接过程中，在通电和打开开关后，出现了LED和1602液晶都不亮的情况。我先断开电源，重新对照电路图检查电路，认为元器件参数和正负无误。紧接着我又排查了芯片，测试了管脚和更换了新芯片，PCB还是不通电。最后我挨个元器件在网上查找资料，最后排查到了自锁开关，发现自锁开关也是有方向的。我检查自己的PCB板，发现自锁开关焊反了，在解焊和重新焊接自锁开关后，通电成功。通电后的PCB板如图4-3所示。图4-3通电后的PCB板4.3实物的调试和烧录（1）我选择用软件KeilC51进行编程。如图4-4所示，先建立一个先的project，接着在该工程下建立新的item，在此进行C语言的编程。结束后在设置中勾选“生成hex”，进行bulid【8】。图4-4Keil编程面板（2）成功生成hex后，我打开软件STCISP，这是一款针对STC系列微处理器设计的下载编程烧录软件，支持STC89系列。如图4-5所示，在STCISP中MUCType下选中我的微处理器STC89C52RC，再选中连接的COM端口，波特率保持默认。然后点击打开程序文件，找到目录下的hex文件，选中。最后点击下载/编程。图4-5STCISP烧录面板在烧录过程中，点击下载/编程后，界面一直卡在“在检测目标微处理器”的状态，在等待了一会后还是没有进行烧录，我发觉出现了故障。在经过查阅资料后，发现故障是软件的设计缺陷：STC89C52烧录时，可能需要冷启动。冷启动就是给微处理器断一次电，或者直接按电源开关就可以了。果然，我重开了开关后，软件就开始烧录程序了。烧录完程序后，我对自动门模块和密码锁模块逐步进行测试，确认各模块的工作状态和功能的完整性。发现有设计上的缺陷后，就对程序进行修改，直到满足设计要求为之。

第5章总结与展望通过几个月的努力，我完成了这次毕业设计的任务。设计了一款附带密码锁功能的自动门系统。我在做这个设计的过程中，参考了很多成功案例，从中受益良多。虽然自动门和密码锁的设计思路都不是全新的，但是自己着手开发设计一个完整的自动门系统，添加了密码锁功能，对我来说是一次对大学生涯所学知识的完善和总结，是一次难得的实践机会。在设计初，关于自动门是否要添加密码锁功能这一问题，我进行了思考。自动门的应用都是在公共场合，例如学院楼大门、医院大门、便利店大门等人流