基于單片機(jī)的紅外遙控自動(dòng)開(kāi)門系統(tǒng)

胡斌 陳玉青 陳鋒

摘? 要：針對(duì)大學(xué)宿舍門沒(méi)有外置門把的情況，當(dāng)有同學(xué)忘帶鑰匙敲門必須走到門口開(kāi)門，十分不便，文章設(shè)計(jì)了一種紅外遠(yuǎn)程遙控自動(dòng)開(kāi)門系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為主控制器，主要運(yùn)用紅外遙控模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)、關(guān)門的功能，當(dāng)接收到遙控端發(fā)出的開(kāi)關(guān)門指令信號(hào)波，單片機(jī)輸出對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)開(kāi)、關(guān)門，同時(shí)LCD液晶進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示。正常模式下，可實(shí)現(xiàn)門外人的進(jìn)門請(qǐng)求，勿擾模式下門鈴無(wú)法響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);紅外遙控;自動(dòng)門;步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào)：TP368.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）22-0041-03

Abstract： University dormitory doorsusually have no external door handles， which might make it very inconvenient for some students to open the door for roommates who forget the keys. Thus， this paper designed an infrared remote control automatic door system. The system uses STC89C52 SCM（Single Chip Microcomputer） as the main controller， and mainly uses the infrared remote control module to realize the functions of remote opening and closing. When receiving the opening and closing instruction signal wave sent by the remote control terminal， the microcontroller outputs the corresponding electrical impulse signal to control the stepper motor to turn forward and backward to realize opening and closing. Meanwhile， the LCD displays the real-time status. Under normal mode， the doorbell can not respond to the door request.

Keywords： SCM （Single Chip Microcomputer）; infrared remote control; automatic door; stepper motor

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，越來(lái)越多的科技創(chuàng)新產(chǎn)品應(yīng)用于日常生活當(dāng)中。而對(duì)于自動(dòng)門這一設(shè)計(jì)，最常見(jiàn)的是位于大型商場(chǎng)、酒店等公共場(chǎng)所的平移式和旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)門[1-2]。而隨著科技的發(fā)展，目前也出現(xiàn)了具有自動(dòng)報(bào)警、人臉識(shí)別和指紋解鎖功能的自動(dòng)門，由于價(jià)格較高，性能還有待提高并沒(méi)有大規(guī)模的應(yīng)用，所以自動(dòng)門更多還是用于大型公共場(chǎng)所和高端場(chǎng)所，沒(méi)有廣泛運(yùn)用于普通家庭中去[3]。而目前大學(xué)宿舍門主要存在的問(wèn)題是沒(méi)有外置門把，當(dāng)有人敲門或忘帶鑰匙時(shí)需要門內(nèi)的人走到門口開(kāi)門，并且大部分宿舍是上床下桌的設(shè)計(jì)，給室內(nèi)開(kāi)門的人帶來(lái)許多麻煩，基于此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于大學(xué)宿舍的，以單片機(jī)STC89C52作為主控制器，通過(guò)紅外遙控發(fā)射和接收實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)、關(guān)門功能的自動(dòng)門系統(tǒng)[4]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，很好地解決了大學(xué)宿舍開(kāi)門十分麻煩的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為核心控制器，用戶可通過(guò)紅外遙控按鍵發(fā)出相應(yīng)指令的紅外信號(hào)，位于門內(nèi)的一體化紅外接收頭接收并經(jīng)解碼后送入單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)開(kāi)門的功能。同時(shí)設(shè)有按鍵門鈴模塊，當(dāng)門外有人想要進(jìn)門可以按下按鍵發(fā)出請(qǐng)求，同時(shí)門鈴響起，門內(nèi)的人可以自主判斷是否同意進(jìn)入并通過(guò)紅外遙控控制。在勿擾模式下，門鈴無(wú)法響應(yīng)。系統(tǒng)主要組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊采用單片機(jī)最小系統(tǒng)，以STC89C52為核心控制器，可直接在線編譯或通過(guò)通信串口進(jìn)行編譯。選用12MHz頻率的內(nèi)部時(shí)鐘電路和按鍵復(fù)位方式。單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊電路圖如圖2所示。

2.2 紅外遙控模塊

2.2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

紅外遙控模塊由紅外發(fā)射部分和紅外接收部分組成。發(fā)射部分采用一體化的紅外遙控器，直接通過(guò)遙控按鍵發(fā)出紅外信號(hào)。接收部分采用HX1838接收頭，其內(nèi)部包含紅外接收二極管和高增益放大電路、濾波器、解調(diào)器，能實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的接收、放大、濾波、解碼[5]。它具有低功耗、高靈敏度的特性，最大紅外遙控距離可達(dá)到15m，接收紅外載波頻率為38KHz。在與單片機(jī)的連接電路中，只需將紅外接收頭電源端通電接地端接地，輸出端與單片機(jī)的外部中斷P3.2口相連，下降沿觸發(fā)外部0解碼，由外部中斷0控制步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作[6]。紅外遙控模塊硬件電路如圖3所示。

2.2.2 程序設(shè)計(jì)

在紅外遙控模塊子程序中，通過(guò)下降沿觸發(fā)外部中斷0開(kāi)始執(zhí)行。由于紅外發(fā)射的信號(hào)碼由引導(dǎo)碼和用戶碼組成，在觸發(fā)中斷后，單片機(jī)首先通過(guò)是否接收到了引導(dǎo)碼來(lái)判斷是否接收到紅外信號(hào)。在接收完引導(dǎo)碼后，開(kāi)始接收真正的用戶碼。用戶碼包含32位的地址碼、地址反碼、數(shù)據(jù)碼、數(shù)據(jù)反碼，其中反碼的設(shè)計(jì)有效提高了紅外通信的準(zhǔn)確率。由于采取的編碼方式遵循NEC協(xié)議，用戶碼中二進(jìn)制數(shù)字“0”和“1”的區(qū)別在于間隔時(shí)長(zhǎng)[7]。在等待0.565ms脈寬過(guò)去，通過(guò)間隔的高電平時(shí)長(zhǎng)來(lái)識(shí)別接收到的用戶碼，之后存入單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，定時(shí)器清零。

2.3 LCD液晶顯示模塊

2.3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用LCD1602對(duì)開(kāi)門關(guān)門以及勿擾模式進(jìn)行狀態(tài)顯示。在硬件電路設(shè)計(jì)中將數(shù)據(jù)通信引腳D0-D7分別與單片機(jī)P0口相連，3個(gè)主要控制引腳分別與P2.5、P2.6、P2.7相連。LCD液晶顯示模塊電路圖如圖4所示。

2.3.2 程序設(shè)計(jì)

在單片機(jī)接收并處理了紅外遙控模塊的指令信息并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的同時(shí)，LCD1602液晶顯示模塊進(jìn)行狀態(tài)的顯示。LCD液晶顯示模塊首先進(jìn)行顯示屏的初始化操作，初始化時(shí)要清屏并進(jìn)行光標(biāo)的復(fù)位，然后檢測(cè)此時(shí)LCD是否處于在忙的狀態(tài)，如果不處于忙的狀態(tài)則通過(guò)發(fā)送地址碼，相應(yīng)地址位置光標(biāo)閃爍并顯示所設(shè)定的狀態(tài)內(nèi)容。

2.4 步進(jìn)電機(jī)控制模塊

2.4.1 硬件電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)門和關(guān)門的效果，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)門上對(duì)應(yīng)機(jī)械裝置來(lái)代替人手的動(dòng)作。系統(tǒng)選用28BYJ48步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件[8]，選用ULN2003作為驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)輸出電流的放大。由于選用的是步進(jìn)電機(jī)是四相驅(qū)動(dòng)的，只需用到其中的4個(gè)輸入端口和4個(gè)輸出端口。具體連接電路圖如圖5所示。

2.4.2 程序設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由脈沖信號(hào)控制的，每發(fā)出一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。由于選用的是28BYJ48步進(jìn)電機(jī)，它工作于八拍相序下，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，步距角較小，可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度較高，更加精準(zhǔn)地定位于自動(dòng)門開(kāi)關(guān)角度。在程序設(shè)計(jì)中，按照此步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)相序，當(dāng)發(fā)出開(kāi)門指令時(shí)調(diào)用正轉(zhuǎn)相序，關(guān)門指令即調(diào)用反轉(zhuǎn)相序。

2.5 按鍵門鈴模塊

通過(guò)按鍵門鈴模塊實(shí)現(xiàn)門外人的進(jìn)門請(qǐng)求，正常模式下，當(dāng)有人按下按鍵發(fā)出進(jìn)門請(qǐng)求，門鈴響應(yīng)，選用有源蜂鳴器實(shí)現(xiàn)門鈴響應(yīng)這一功能。按鍵門鈴模塊主要由按鍵、蜂鳴器、9012三極管和外接電阻組成，按鍵和蜂鳴器的響應(yīng)通過(guò)所連接端口的高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)，這里預(yù)設(shè)為低電平有效，按鍵接在單片機(jī)P2.0口，蜂鳴器與P2.1口相連。具體硬件電路圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分采取模塊化程序設(shè)計(jì)的方式，由主程序依次調(diào)用紅外遙控子程序、LCD液晶子程序、按鍵門鈴子程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序。而根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的主要程序流程為：首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，對(duì)紅外中斷、LCD顯示初始化，然后進(jìn)入按鍵門鈴模塊進(jìn)行按鍵的掃描及蜂鳴器的響應(yīng)，在勿擾模式下即使按鍵按下蜂鳴器也不響應(yīng)，正常模式下用戶自主判斷是否同意，并按下遙控按鍵發(fā)出相應(yīng)紅外信號(hào)，紅外信號(hào)到達(dá)紅外接收模塊觸發(fā)外部中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序進(jìn)行紅外信號(hào)的解碼與存儲(chǔ)，單片機(jī)輸出相應(yīng)控制信號(hào)脈沖對(duì)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)作出指示，并進(jìn)入LCD液晶顯示模塊顯示。系統(tǒng)主程序如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文是基于STC89C52單片機(jī)為控制核心的紅外遠(yuǎn)程自動(dòng)開(kāi)門系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)分模塊進(jìn)行。其中核心模塊就是紅外遠(yuǎn)程遙控模塊，采用紅外一體化接收頭和遙控器作為主要元件實(shí)現(xiàn)紅外遙控的通信功能，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可用于實(shí)現(xiàn)大學(xué)宿舍的紅外遠(yuǎn)程自動(dòng)開(kāi)、關(guān)門功能，具有很好的實(shí)用性和推廣價(jià)值。在當(dāng)今手機(jī)用量劇增的時(shí)代，手機(jī)的功能已經(jīng)滲透到了生活的各大領(lǐng)域，本系統(tǒng)也可以加上手機(jī)APP控制模塊，實(shí)現(xiàn)不受距離限制的遠(yuǎn)程自動(dòng)開(kāi)、關(guān)門，并且更好的解決了忘帶鑰匙的問(wèn)題。

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