基于AT89C51单片机的红外线门控系统的设计

2017-09-28马健喆魏巍

电脑知识与技术 2017年24期

关键词：卷帘门数码管蜂鸣器

马健喆，魏巍

(太原理工大学信息工程学院，山西太原030024)

基于AT89C51单片机的红外线门控系统的设计

马健喆，魏巍

(太原理工大学信息工程学院，山西太原030024)

该文采用红外线为检测装置，基于AT89C51单片机设计实现了卷帘门自动升降控制系统。该系统主要由单片机及其外围电路、红外检测电路、步进电机控制电路等组成，通过卷帘门及其电机的选型来实现卷帘门的实际控制，并用步进电机模块对其进行模拟。实验结果表明，该文通过自动控制方式、设置蜂鸣器报警、设计密码锁，为避免因意外原因造成密码误输入设置了退格键，采用矩阵键盘作为密码键盘，保证了增加可选按键的数量，在软件设计中设置了相应循环和延时，增强了系统的安全性和可靠性。

单片机；红外感应；密码锁；步进电机

Abstract：The paper adopts infrared detection device,designs and realizes automatic lifting rolling door control system Based on AT89C51.The system mainly comprises microcontroller and its periphery circuits,infrared detection circuit,stepper motor con⁃trol circuit and so on,realizes the actual control of rolling door through the selection of rolling door and motor,and simulates by stepper motor module.The experiment results show the automatic control way can enhance the safety and reliability of infrared gate control system.The paper sets the buzzer alarm,designs the combination lock,sets the backspace key avoid of accidental pass⁃word input error,uses matrix keyboard as a password keyboard,ensures the increase in the number of optional keys,strengthens the security of the system.The corresponding circulation and time delay in the software design enhance the safety and reliability of the system.

Key words：Microcontroller;Infrared sensor;Combination lock;Stepper motor

1 概述

随着科技的进步，自动门控制系统越来越广泛地应用于银行、酒店、大型商场等公共场所或住宅，同时对其安全性及各方面性能的要求越来越高。本文采用红外线为检测装置，基于AT89C51单片机设计卷帘门自动升降控制系统。通过卷帘门及其电机的选型来实现卷帘门的实际控制，并用步进电机模块对其进行模拟。采用自动控制方式可以增强卷帘门的安全性和可靠性，密码输入与检查功能可以进一步增强所设计自动卷帘门系统的安全性和可靠性。

2 系统总体设计

本系统主要由单片机及其外围电路、红外检测电路、步进电机控制电路等组成。将单片机作为步进电机的控制器以实现卷帘门的自动控制。本文采用热释电红外探头结合红外处理芯片来接收人体红外信号，并通过设计相应测量电路将其转换为单片机可以接收的开关量信号输入到单片机中。

在单片机的控制下，结合扩展设备中的矩阵键盘进行密码输入与检测部分的设计，并在单片机的输出侧采用结合了驱动电路的步进电机作为门驱动装置，以最终实现通过单片机的控制的电机转动，从而完成卷帘门在红外感应到人体信号且密码输入成功条件下的启停和自动升降设计，表现为电机正转固定时间后，在人体信号消失前使卷帘门停留在最高处；人体信号消失后经过一段延时，电机进行与正转速率及时间相同的反转，同时设置有蜂鸣器报警以进一步加强系统的安全性。系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

3 系统硬件设计

3.1 硬件开发环境

本文采用51系列单片机中的AT89S51作为控制器，并结合相关扩展模块进行硬件设计。AT89C51具有体积小、价格低、性能强大、速度快、用途广、灵活性强、可靠性高、存储器ROM和RAM严格分工、采用面向控制的指令系统、I/O端口具有复用功能、硬件功能具有广泛的通用性等优点。AT89S51引脚配置图见图2。其中括号内为对应引脚的特殊功能，本文需要使用P3.2口的特殊功能来作为外部中断0的接口。

图2 AT89C51单片机引脚配置图

本文采用P0口用于动态数码管段选信号的输出，P1.0～P1.3口用于向驱动模块及对应的单片机输出控制信号，P1.4口连接蜂鸣器及对应电路，P2口用于矩阵键盘信号的输入，P3.0P3.1P3.6口用于动态数码管位选信号的输出，P3.2口用于外部中断0，P3.7口连接到传感器及测量电路以检测人体红外感应信号，其余I/O口暂不使用。

3.2 热释电红外探头及红外处理芯片选型

通过查阅参考文献并对实际情况进行考察，应用于门控系统的红外线阵列因需要较长的检测通道以识别人体信号，且需要较多传感器及较复杂算法配合，才能实现较准确的信号采集，故本文采用HC-SR501人体感应模块及测量电路来感应人体红外信号，并将其转换为单片机可以识别的电平信号。它的主要部件为LHI778热释电红外探头与BISS0001红外处理芯片。本文选用的HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778探头结合BISS0001红外处理芯片设计来感应与处理人体红外信号，具有灵敏度高、可靠性强、超低电压工作模式等特性。

3.3 步进电机选型与驱动电路设计

本文利用步进电机的正反转实现卷帘门的升降控制。由于难以对卷帘门进行软硬件设计和仿真、实现，故本文通过对步进电机进行设计与控制来模拟卷帘门的工作。本文采用TC1117芯片结合相应外围电路以组成步进电机驱动电路。

3.4 报警电路设计

本文通过单片机学习板附带的无源他激蜂鸣器及其外围电路，设计完成了声音报警功能。采用与蜂鸣器电路相连的单片机I/O口输出方波信号以控制蜂鸣器报警，所设计的蜂鸣器报警电路可见图3，其中J8连接到单片机的P1.6口。

3.5 矩阵键盘电路设计

本文为了增加允许输入的密码位数，采用矩阵键盘而非独立按键来设置15位可选密码及退格键。矩阵键盘需要结合相应的程序算法才能实现按键位置的精确检测，而常用的扫描方法包括逐行扫描法、行列扫描法两类。本文采用行列扫描法实现矩阵键盘的检测，所设计的矩阵键盘电路见图4。

图3 报警电路

3.6 动态数码管电路设计

为使所设计系统的运行状态更加清晰可见，本文结合单片机学习板上的3-8译码器74LS138与驱动模块74HC245、八位动态数码管及其外围电路设置了动态数码管显示功能。译码器是一种能将输入的数据翻译成对应输出信号的元件，而74LS138可以根据输入的3路地址信号进行8路输出通道的选通。

74HC245是一种具有双向三态输出的八路信号收发器，通常用于提升计算机的负载驱动能力。其工作电压范围较宽，通常在3V～5.5V之间，而输入电压在-0.5V～逻辑电源电压+0.5V之间，因此可以直接连接到单片机的IO口。

相对静态数码管而言，动态数码管将所有段选线并联在一起，而每个数码管是否有效由三根位选线来控制。本文的数码管采用动态扫描显示方式，即以较高频率向各位数码管轮流送出字形码和相应的位选码，同时利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用以使肉眼观察时产生八位数码管均在显示信息的感觉。结合相应外围电路，最终设计得到动态数码管显示电路如图5。

图4 矩阵键盘电路

图5 动态数码管显示电路

3.7 紧急停止按钮电路设计

本文采用自锁开关来完成紧急停止按钮电路的设计。当自锁开关的按钮被第一次按下后，开关接通并保持(即自锁)；在第二次按下后开关断开，同时开关按钮弹回原处，因此可以非常方便地实现紧急停止和停止后的恢复运行。紧急停止按钮电路如图6所示，其中STOP端口连接单片机的外部中断0口(P3.2口)。

图6 紧急停止按钮电路

3.8 电源电路设计

本文单片机系统需要5V电源进行供电，而部分模块需要被施加12V电压才能正常运行，故设计了一种可将220VAC的市电转换为12V与5V直流电的电源电路，如图7所示。

图7 电源电路

4 系统软件设计

4.1 软件开发环境和开发语言

本文采用keilμVision4进行程序编写，并使用PZ-ISP普中自动下载软件将所编写程序输入到单片机。在Keil软件的仿真中应注意仿真中的晶振频率为11.0592MHz(可以通过将其他晶振接入晶振插孔中以改变该频率)；仿真器上的复位按钮只能使仿真芯片而非目标系统复位；因仿真中单片机31脚(/EA/VPP)已接至高电平，仿真过程中只能使用片内ROM，但仿真器对应的外部引脚与仿真芯片的31脚并不相连，故该仿真器仍可用于带有外部ROM的单片机系统(其CPU的/EA引脚接至低电平)。

本文采用C语言中的C51来完成具体程序的编写任务。为了增强对单片机硬件的操作能力，C51编译器扩展了适合于MCS-51单片机硬件的数据类型、存储类型、存储模式、指针类型和中断函数等，以使单片机C语言程序保持C语言程序本身不依赖计算机硬件系统的特点，而只需要略加补充有关硬件的操作，就可以在不同的计算机系统间进行快速移植。

4.2 软件设计

本文采用如图8所示的程序总体流程图进行设计，具体步骤如下：

1)在感应到人体信号前电机停止，矩阵键盘全部按键按下均无效；

2)在感应到人体信号后进入密码输入检测程序，其间如果密码输入错误可以通过退格键进行退格；若在密码输入完毕前连续30秒没有按键按下，则本次循环结束，系统进入下一次循环；

3)六位密码输入完毕后与预先设定的密码进行比对，若正确，则进入电机运行程序，以肉眼可见速度正转数秒后停止(对应卷帘门逐渐开启)，直到人体感应信号消失(对应人已进门)后继续延时一小段时间，随后电机开始反转，反转速率与时间和正转时相同(对应开启的卷帘门重新关闭)；期间若紧急停止按钮(对应外部中断)被按下，则电机立即停止转动，而当紧急停止按钮被再次按下(即自锁开关恢复原状态)，中断结束，电机以原状态恢复运行。若密码输入错误，则执行短报警程序，而连续输入错误三次，则启动不返回的长报警程序(即对应报警直至被断电关闭)。在电机运行完毕或短报警结束后，重复执行步骤(2)、(3)，直至手动断电。

5 结论

本文主要以AT89C51单片机的软硬件设计为基础，结合人体红外感应模块及测量电路、步进电机及驱动电路、蜂鸣器电路、矩阵键盘电路、电源电路等外部扩展来实现单片机控制下的步进电机启停与正反转功能，从而模拟对实际卷帘门的启停和升降控制。本文通过自动控制方式增强了红外线门控系统的安全性和可靠性，设置了蜂鸣器报警，设计了密码锁，为避免因意外原因造成密码误输入设置了退格键，采用矩阵键盘作为密码键盘，保证了增加可选按键的数量，增强了系统安全性。在软件设计中设置了相应循环和延时，保证在人走出感应范围前，门始终停留在顶端，并在人走出这一区域后继续保持一小段时间停止状态才开始下降，有利于解决门夹人问题，提高了系统可靠性。针对基于单片机和人体红外感应模块无法通过220V市电直接供电的问题，设计了相应的电源电路，将市电转化为5V与12V的直流电，使系统可以直接连接电源插座正常工作，减少了门控系统对环境的要求。