基于多种通信方式的密码锁系统设计和实现通信工程专业

基于多种通信方式的密码锁系统设计 摘要：针对传统机械锁的各种缺点和重要部门安全性的要求，提出一种基于红外遥控的密码锁设计方案，通过此方案设计的密码锁电路可以满足安全性要求，也能适应特殊环境的使用需求。本文介绍的一种由8052编程实现的控制电路，具有按键指示，控制开锁，控制报警，遥控开锁等功能。红外遥控密码锁的应用研究主要应用了红外线编码及解码技术，并通过单片机实现密码的设置、修改及识别功能。设计电路主要有红外线编码电路、红外线解码电路和键盘及显示电路组成。具有保密性强，灵活性高，适用范围广，特别适合家庭，车库，工厂等场所。关键词：红外线，密码锁，AT89C51单片机AbstractEach kind of shortcoming which and Integral part security request locks in view of the traditional machinery ,proposed that one kind based on infrared remote controls combination lock design proposal, may satisfy the secure request through this project designs combination lock electric circuit, can also adapt the special environment use demand .This article introduced that one kind the control circuit which realizes by the 8052 programming, has the pressed key to instruct, control unblanking, control warning, functions and so on remote control unblanking, the infrared remote control combination locks applied research has mainly applied the infrared code and the decoding technology, and realizes the password establishment, the revision and the recognition function through the monolithic integrated circuit. The designa circuit mainly by the infrared encode circuit, the infrared decoding unblanking electric circuit and the keyboard and demonstration electricity the road is composed. Has secret, the flexibility is high , the applicable scope is broad, especially qualify family, garage, places and so on factory.Key word : infrared monolithic；combination lock；8052目录1 绪论11.1 课题背景11.2 选题背景及研究的目的与意义21.2.1 选题背景21.2.2 研究的目的与意义31.3 红外遥控密码锁国内外的研究现状及存在问题31.4 研究方法41.5 红外线的基本知识41.6 密码锁的发展趋势与特点52 方案设计62.1方案选择6方案一 通过区分控制电压来实现多路控制6方案二 通过不同频率来控制各路开关6方案三 由脉冲编码来实现多路控制7图2-3 编码控制方框图72.2方案论证73 红外密码锁的总体设计93.1系统的整体设计93.1.1遥控发射9图3-1遥控发射结构框图93.1.2 主机接收93.1.3 红外发射信号的编码103.1.4 接收信号的解码113.2 密码锁的主要功能124 红外密码锁硬件部分13表4-1 P3口的第二功能144芯片的可擦除性15图4-2 单片机AT89S51最小系统原理图16图4-3 电源电路16图4-4 复位电路174.1.2 74LS164芯片17图4-6 74LS164器件图184.2 红外发射与接收装置184.2.1 发射装置18图4-7 红外发射电路194.2.2 接收装置19图4-8红外接收图194.3各模块器件功能204.3.1 34矩阵键盘204.3.2 74LS164芯片214.3.3 数码管22表2 LED显示器的字段码（7段码）234.3.4发光二级管LED23(1)LED简介23(2)LED特性23图4-12 LED伏安特性图23 发光二极管(LED)的主要参数234.3.5 电磁继电器24(1)电磁继电器的工作原理和特性24(2)电磁式继电器的主要参数24(3). 继电器引脚图如图4-14所示。244.3.6报警器25图2-15 报警电路图254.3.7单片机硬件抗干扰255 系统的软件设计27图5-1 红外接收解码软件设计流程图285.1.2按键控制软件设计28（一）思路分析28（二）软件流程图29图5-2 红外遥控开关按键软件设计流程图295.2遥控发射部分程序设计29图5-3主程序流程图30图5-4 按键扫描程序流程图31图5-5 遥控器编码程序流程图325.3 主机接收部分程序设计32图5-6 主程序流程图33图5-7 解码接收程序流程图34图5-8 红外接收解码软件设计流程图35结论36致谢37参考文献381 绪论1.1 课题背景随着人们生活的不断进步，社会日益科技化，各种电子信息技术进入高速 发展阶段，包括信息系统技术微电子、计算机和现代通信技术、传感器技术，这 也包括红外线技术。 红外线 IrDA，简称 IR，是一种点对点的无线通讯方式，只能进行短距 离的无线数据的传输，且中间不能有障碍物。红外线又称红外光波，在电 磁波谱中，光波的波长范围为 0.01um 1000um;波长为 0.76um 1000um的光波为红外光(线)，红外线遥控是利用近红外光传送遥控指令的，波长 为 0.76um 1.5um;用近红外作为遥控光源，是因为目前红外发射器件与 红外接收器件的发光与受光峰值波长一般为 0.8um0.94um，在近红外光 波段内，二者的光谱正好重合，能够很好地匹配，可以获得较高的传输效 率及较高的可靠性。目前红外线得到了很普片的应用，如红外线鼠标，红外 线打印机，红外线键盘等等。本论文设计的是基于8052单片机的红外遥控密码锁。该锁采用 6 位数作为密码，红外遥控密码锁的应用研究主要应用了单片机的编程进行红外的编码与解码，并通过单片机实现密码的设置、修改及识别功能。红外通讯，顾名思义，就是通过红外线传输数据。在电脑技术发展早期，数 据都是通过线缆传输的，线缆传输连线麻烦，需要特制接口，颇为不便。于是后 来就有了了红外、蓝牙、等无线数据传输技术。红外通讯技术利用红外线来传 递数据，是无线通讯技术的一种。红外线的特征：红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍，由于红外线的直射特性，红外通讯技术不太适合传输障碍比较多的地方。因此，红外通讯技术多数情况下传输距离短、传输速率不高。 密码锁产生也是经历了一些阶段的，有传统的机械密码锁，电子密码锁，数字密 码锁等。随着科学技术的发展，一些以芯片特别是单片机为处理核心的新型密码锁开始不断出现。电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁等任务。本论文就以 AT89S51单片机 设计了一个红外遥控密码锁。 在 Proteus 软件上进行仿真，时鲜本设计的功能。Proteus 软件是一种低投资 的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和 多达 30 多个元件库。提供SchematicDrawing、SPICE 仿真与 PCB 设计功能，同 时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真 51 系列、AVR、PIC 等常用的 MCU， 并提供周边设备的仿真，例如 373、led、示波器等。Proteus 提供了大量的元件 库，有 RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分 SPI 器件、部分IIC 器件，编译方面支持 Keil 和 MPLAB 等编译器。 一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一 个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬，就建立一个完善的虚拟实验室。在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。1.2 选题背景及研究的目的与意义 1.2.1 选题背景随着科学技术的进步和社会经济的发展，电子密码锁取代传统的机械锁已 成为一种必然的趋势。以往基于单片机的密码锁系统，直接将编好的密码程序存 储在片内EPROM中，但不易实现密码的修改；如要完成修改密码功能，多采用片外串行E2PROM实现。本文研究并设计的一种基于单片机的红外遥控电子密码锁，不但具有普通密码锁智能控制上锁、开锁、报警等特点，而且在不扩展E2PROM 的情况下，可以实现 8 位密码任意修改的功能，节省了硬件资源，减小了系统体积，这是本设计的一个创新点。另外还增加了遥控开锁的特点。所以该系统不但成本低、保密性强，更适用于那些正常人体不宜接近的特殊场合，比如高辐射区、高传染区等。1.2.2 研究的目的与意义研究目的：本文主要介绍了基于AT89C51RC单片机的红外遥控密码锁的硬件及程序实现流程的具体设计。论文中给出了红外发送器与红外接收器的设计电路以及电子密码锁的典型设计电路部分和具体应用方法， 并且通过对红外线信号的发射和接收的详细研究，设计出了一种对遥控信号进行准确译码方法和电路。 研究意义：根据用户的要求和需要，主要为了解决当前市场上无遥控密码锁的问题，以提高门禁系统的可靠性和安全性，适应市场需要而设计的该红外红遥控密码锁系统。该系统具有普通电子密码锁功能的同时，还增加了遥控功能。该锁采用6位数作为密码，总密码组有106组，完全满足用户对密码安全性高的要求。该系统具有较强的实际应用价值，所涉及的技术包括：红外载波数据传输技术、单片机控制技术、红外遥控系统编码及译码技术、电路设计与演示板制作技术等。以上技术的成熟程度决定了红外遥控密码锁的可靠性。1.3 红外遥控密码锁国内外的研究现状及存在问题我国的红外密码锁从无到有，从小到大；从仿制到自主研发，经过多年的发展，如今我国的红外密码锁行业已初具规模，并在 GMP 相应领域认证的几年中获得了长足发展。新产品日益增多，技术水平有了很大的改进，但不可否认我国相关行业的总体水平与国外还存在着不少的差距， 近 60%的产品达不到发达国家上世纪 80 年代的水平，先进大型的设备主要依赖进口，出口额还不足总产值的 5%，进口额却与总产值大抵相当，与发达国家相去甚远。 从产品结构看，我国密码锁品种约有 1300 多种，配套数量少，缺少高精度和大型化产品，不能满足市场需求。产品质量差距表现在产品性能低，稳定性和可靠性差，外观造型不美观，表面处理粗糙，许多元器件质量差，寿命短、可靠性低，影响了整体产品的质量；机械性能落后，大多精度低、速度慢、平稳性差；控制水平低、自动性差、故障率高。1.4 研究方法本课题采用查阅文献与实证研究相结合的方法， 通过查阅相关的文献了解到相关课题的理论知识，由此构建出了完成此课题所必备的理论基础。在理论知识的基础上，通过一系列的实验，综合采用观察法，比较分析法，数量分析法，并通过相应的市场调查，综合考虑了整个系统的安全性，可靠性，灵敏性以及经济性从而确定了整体方案。1.5 红外线的基本知识所谓红外线是指波长超过红色可见光的电磁辐射，利用红外辐射实现的无线数据传输，称为红外线技术。红外线波长一般是在750nm至1mm之间，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。红外通讯一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75um至25um之间。红外数据协会（IRDA）成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通讯效果，红外通讯协议将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输。红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。红外通信具有保密性强，息容量大，结构简单等特点，既可以是室内使用，也可以在野外使用，由于它具有良好的方向性，常被用于国防边界哨所与哨所在之间的保密通信，但红外射束易受尘埃、雨水等物质的吸收，如何在野外环境下克服这些物质的吸收，增强红外射束信号的强度是重要的研究课题。1.6 密码锁的发展趋势与特点密码锁产生也是经历了一些阶段的，有传统的机械密码锁，电子密码锁，数字密码锁等。随着科学技术的发展，一些以芯片特别是单片机为处理核心的新型密码锁开始不断出现。电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁等任务。本论文就以8052单片机设计了一个红外遥控密码锁2 方案设计2.1方案选择方案一 通过区分控制电压来实现多路控制图2-1 电压控制方框图如图2-1，本方案在工作时，发射部分当按键按下时，控制电压生成电路根据不同的按键产生不同的电压，从而控制红外发射管发出信号的强弱；接收部分接收到不同强弱的信号，将其放大，再由电压比较电路分辨出不同大小的电压，并实现对不同路开关的控制。 本方案遥控的距离比较近，且容易受到干扰，控制电压不易区分。方案二 通过不同频率来控制各路开关图2-2 频率控制方框图如图2-2，本方案工作时，发射部分的频率生成电路根据按键的不同产生相应的出频率，经过调制电路调制后，由红外发射管发射出红外信号；红外接收管接收到红外信号，经过解调、放大、整形后，将信号传入单片机，单片机根据输入信号频率的不同，来控制不同的开关电路。本方案的优点是遥控距离较远，抗干扰能力强，但是由于它是通过区分频率来控制多个电路，故不易实现对其控制路数的扩展。方案三 由脉冲编码来实现多路控制图2-3 编码控制方框图如图2-3，本方案的发射部分将各个按键按下时产生的脉冲信号进行编码，再经过调制，由红外发射管发射出红外信号；接收时，接收到的红外信号经过解调电路，放大电路后，再进行解码，然后再由单片机来实现多路控制。本方案具有抗干扰能力强，遥控距离远，工作稳定等特点，对多路控制的扩展也较容易实现。2.2方案论证方案一通过对控制电压的区分来控制多个电路的开关，对电压的准确度要求较高，而电压在电路中容易受到噪音等因素的干扰，同时，红外信号在传递过程中也会受到电磁波等干扰，影响其信号的强度，从而影响接收部分在比较电压时对电压的判断。另外，发射部分中没有调制，导致接收距离很近，使其在遥控中的实用性也很小。方案二采用频率来区分不同按键并实现多路控制，在传递过程中，信号的频率很难受到影响，经过调制后，红外发射管发出的红外信号有很强的抗干扰能力，接收距离也较远，但频率产生电路产生出的频率需要比调制出的信号频率小得多，在一定范围内，产生出的频率还要有相当的间隔，这就使本方案在控制路数上受到一定的限制，工作效果也不好。方案三同样使用了调制电路，使其具有抗干扰能力强和接收距离远的特点，和方案二不同的是，采用脉冲编码来区分不同的按键，这样接收部分接收到的信号经过解调、放大、解码后能够准确的区分开来，编码时通过不同的逻辑组合，再由单片机来控制开关电路，就能够控制很多路，扩展起来也比较方便。综合比较三个方案，本人觉得方案三最可行，故选用方案三来完成设计3 红外密码锁的总体设计3.1系统的整体设计本设计主要是以AT89C51单片机为核心，硬件设计电路主要由34矩阵键盘、74LS164芯片、数码管、发光二级管、LED、电磁继电器、报警器等组成，并具有两大部分的软件设计，包括遥控发射和主机接收部分。通过定时器T1（P3.5）口，利用定时中断来发射信号。定时器1中断服务程序的功能是：红外管发射的信号需经过高频（采用38.5KHZ）调制载波才可发射出去，利用定时器1的定时作用，在发射高频脉冲时，通过定时对P3.5口的取反的操作，使发射信号调制成38.5KHZ的高频，再经过红外发射二级管发射，发射距离为8-10米。接收时利用P3.2口（外部中断0）的下降沿触发中断来接收信号，并通过P3.3口来判断高低电平。外部中断0的中断服务程序的功能是：由接收第一位码的下降沿触发中断后，对第一位（起始位）码的码宽进行验证。若第一位低电平码的脉宽小于2ms，将作为错误帧处理。当间隔位的高电平脉冲宽大于3ms时，结束接收，然后根据累加器A中的脉冲数，执行相应的功能操作。3.1.1遥控发射遥控发射器主要由AT89C51单片机，红外发射二级管，矩形键盘，数码显示管及复位电路等组成。该部分的结构图如图3-1所示。AT89C51红外发射显 示复 位晶 振键 盘图3-1遥控发射结构框图3.1.2 主机接收主机接收部分主要由AT89C51单片机，红外接收头，矩形键盘，数码显示管，报警器，电磁锁及复位电路等组成。该部分的结构图如图3-2所示。AT89C51红外接收头显 示复 位晶 振键 盘电磁锁报警器图3-2主机接收结构框图3.1.3 红外发射信号的编码遥控器信息码是由AT89S51单片机的定时器T1调制成38.5KHZ红外载波信号，而关键是它的编码，在这里遥控器的编码采用脉冲个数编码格式，不同的脉冲个数代表不同的操作码信息，最少为2个脉冲（采用2个），其它信息码的脉冲个数逐个递增。为了使接收尽量可靠，第一位码宽为3ms，其余码宽为1ms，码间距为1ms，遥控码数据间隔大于10ms。遥控器上每个键都有唯一的一个键号，单片机通过查得按下键的键值发约定个数的脉冲。遥控器的编码格式如图3-3所示。频率为38.5KHZ，即周期约为26us,第一位码需115个脉冲周期，其余为38个脉冲周期，结束帧至少为385个脉冲周期。 0编码输出格式 115个 38个 26us 3ms 1ms 1ms按键1编码输出格式 115个 38个 38个 3ms 1ms 1ms 1ms 1ms两帧信号之间的输出格式 一帧信号 两帧信号间隔 一帧信号 115个 38个 38个 115个 38个 3ms 1ms 1ms 至少为10ms 3ms 1ms 1ms图3-3遥控器编码图3.1.4 接收信号的解码接收信号的解码是根据红外线接收器输出脉冲帧的格式来进行解码的，即用累加器A分别对符合条件的负跳变脉冲进行计数。当红外线接收器输出脉冲帧数据时，第一位码的低电平将启动中断程序，实时接收数据帧。在接收数据帧时，根据发射帧的格式将对第一位（起始）码的码宽进行验证。若第一位低电平码的脉冲宽小于2ms，将作为错误码处理。当间隔位的高电平脉冲大于3ms时，结束接收，然后根据累加器A中的脉冲个数，执行相应的操作。 停止位10ms 1ms 10ms 3ms 1ms 图3-4遥控解码图3.2 密码锁的主要功能(1)设定密码：在该设计中设定了一组原始密码：123456，用户可以通过矩形键盘的修改键来修改原始密码。(2)密码输入有效显示：为了确信是否有键按下以及防止密码外泄，在电路中设置了数码管显示，即在显示时并不是显示用户按下的数字符号，而是在输入一位时，数码管则显示一个字符“ H”， 这样既巧妙地提醒了用户又保护了用户密码。(3)错误报警：当用户输入的密码连续三次出现密码错误时，系统会长期报警不止，这时必须按复位方可停止。(4). 遥控开锁：这是本论文设计中的最大特点之处，用户可以不必在主机上输入密码开锁。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。4 红外密码锁硬件部分4.1 芯片的介绍4.1.1 AT89C51的介绍设计是以AT89C51单片机为核心的。AT89C51单片机是由ATMEL公司推出的AT89系列的单片机。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。(1).它的性能与主要特点如下：与MCS-51微控制器产品系列兼容。片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器（Flash Memory）。全静态工作：0Hz-24KHz三级程序存储器保密锁定存储器可循环写入/擦除1000次。宽工作电压范围：Vcc可为2.7V-6V。1288位内部RAM。 32条可编程I/O线。两个16位定时器/计数器。中断结构具有5个中断源和2个优先级。可编程全双工串行通道。 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。(2)AT89C51引脚介绍图4-1 AT89C51引脚排列图主要引脚（图4-1）的具体描述如下:Vcc: 电源。提供掉线、空闲、正常+5V工作电压。Vss(GND): 接地。P0口: P0口可以作普通的双向I/O口使用，也可以在访问外部存储器时用作低8位地址线和数据总线。P1口: P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，向P2口管脚写入1后，被内部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时，被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。P1口还具备第二功能。P2口: P2口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，向P2口管脚写入1后，被内部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。在访问外部程序存储器和外部数据存储器时，可作为地址总线的高位字节。P3口:也是一个双向功能口既可以作普通输入输出口使用，也可以按每一位的定义实现第二功能操作。P3口的第二功能,如表2-1所示。表4-1 P3口的第二功能 口 线第二功能信 号 名 称 P3.0 RXD串行输入口 P3.1 TXD串行输出口 P3.2 /INT0 外部中断0 P3.3 /INT1 外部中断1 P3.4 T0 定时器/计数器0 P3.5 T1 顶时器/计数器1 P3.6 /WR外部数据存储器写选通 P3.7 /RD 外部数据存储器读选通RST: 复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间ALE/PROG: 当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。/PSEN: 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP: 当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1: 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2: 来自反向振荡器的输出。3芯片的可擦除性AT89C51单片机还具有芯片擦除性，整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。(4).单片机AT89S51最小系统原理图图4-2 单片机AT89S51最小系统原理图(5).电源电路为了使芯片能够正常工作，所以这里需要选择+5V的直流电源。如图2-3所示电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。它由电源变压器B，桥式整流电路D1D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C4和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成的。图4-3 电源电路220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805(三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件)的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。(6).复位电路复位电路又分为上电复位和按键复位。按键复位除了复位开关外，还有1个10K的电阻，1个10F的电解电容，以及1个200的电阻。10K电阻连接芯片的RST脚和地；10F电容与200电阻和复位开关并联，然后连接芯片的RST脚和+5V电源。上电复位电路的组成有：一个10F的电解电容连接单片机芯片AT89S51的第9脚RST和+5V电源， 10K电阻的一个引脚连接单片机芯片AT89S51的第9脚RST，另一个引脚接地。RESET（9引脚）连接一个复位电路，用来产生上电自动复位和按钮开关复位。图4-4 复位电路RESET（9引脚）连接一个复位电路，用来产生上电自动复位和按钮开关复位。(7).晶振电路这里的振荡电路就是由1个12MHz的晶振和2个33pF的瓷介电容构成的振荡电路。晶振连接芯片的XTAL1和XTAL2两个引脚，2个电容串联后并联在晶振的两端，同时，2个电容还需要接地。4.1.2 74LS164芯片在显示部分，运用LED静态显示，静态显示方式编程简单，但占用单片机I/O口线多适合于显示器位数较少的场合。AT89C51单片机应用系统中，当串行口空闲时，可用来拓展并行I/O口(这里设定串行口工作在移位寄存器方式0状态下)，作为LED静态显示接口。在这里运用74LS164来扩展并行I/O口，节约单片机资源。74LS164是一个串行输入并行输出的移位寄存器。并带有清除端。引脚排练图以及逻辑图如图2-2所示。74LS164是串行输入、并行输出的移位寄存器，其引脚功能如下：A、B串行输入端。Q0-Q7并行输入端。/MR清除端。CP时钟脉冲输入端。在脉冲上升沿实现移位；当CP=0、/MR=1时，输出保持不变。74LS164 引脚定义图74LS164逻辑图图4-6 74LS164器件图4.2 红外发射与接收装置红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成。红外发射装置又可由键盘电路、电源和应用电路组成。通常为了使信号能更好的被传输发送端将基带二进制信号调制为脉冲串信号，通过红外发射管发射。红外接收装通常由一红外接收头组成的接收电路。4.2.1 发射装置常用的发射器为红外发光二级管它是录像机、影碟机、音响装置、空调器等各类红外遥控系统中不可缺少的电子器件，它将脉冲编码遥控指令用红外发光二极管发射红外线去控制受控装置时，受控装置中均有相应的红外光电转换元件，通过这个转换把相应的光信号转换为电信号。这里采用红外发光二极管如 SE303PH303，外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93m ）。管压降约1.4V ，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值电流 ，就能增加红外光的发射距离。提高峰值电流的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度。减小脉冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。红外发射电路如图2-5所示。图4-7 红外发射电路4.2.2 接收装置常用的红外接收装置有如红外接收二极管，光电三极管等。实用中已有红外发射和接收配对的二级管。在本设计中采用红外一体化接收头HS0038，接收头图如图(12)所示。它有如下优点：一体化的红外接收装置将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一身，并且输出可以让单片机识别的TTL 信号，这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作，方便使用。接收头连接图及红外接收电路图如图3-6所示。HS0038 黑色环氧树脂封装，不受日光、荧光灯等光源干扰，内附磁屏蔽功耗低，灵敏度高。在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达35 m。它能与TTL、COMS 电路兼容。HS0038 为直立侧面收光型。它接收红外信号频率为38KHZ,周期约26s，同时能对信号进行放大、检波、整形，得到TTL 电平的编码信号。三个管脚(1、2、3)分别是地、5 V 电源、解调信号输出端。 图4-8红外接收图4.3各模块器件功能4.3.1 34矩阵键盘在单片机运用系统中，经常使用简单的键盘和BCD拨码盘作为系统的输入。键盘由一组常开的按键组成，可以通过键盘输入数据或命令。每个按键都被赋予一个代码，称为键码。键码分为编码键盘和非编码键盘。编码键盘是通过一个编码电路识别闭合键的键码，而非编码键盘是通过软件来识别键盘的。通常因由于机械触点的弹性作用，触点在闭合和断开瞬间的电接触情况不稳定，造成了电压信号的抖动现象，键抖动的时间一般为510ms。为了避免一次闭合引起CPU多次处理，通常回采取去抖动措施。非编码键盘有独立式键盘和行列式(矩阵)键盘。由于前者在按键较多时会站用较多的I/O口，因此采用行列式(矩阵)键盘。矩阵键盘及其接口行列式键盘又叫矩阵键盘，是将I/O线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线和列线的交叉点上，它是通过检测键盘有无闭合以及查找闭合键的键号，一般采用扫描法。在这里设计了一34的矩阵键盘。如图3-7所示。(1) 先向所有的行线输出0，列线输出1，然后检测各列线的按键状态，由相应的列线读入累加器A中。有键按下时，对应的列线输入0，无键按下时所有的列线输入为1。(2) 若有键闭合，依次从行线上逐列输出0，然后依次检测各列线的状态。若为1，说明闭合键不在该列；若有的为0，则说明闭合键在该列与行线的交点上。由于每个按键所有的行号与列号不相同，所以每个按键按行号加列号的值赋予了一个键号。 图4-9 矩阵键盘图4.3.2 74LS164芯片在显示部分，运用LED静态显示，静态显示方式编程简单，但占用单片机I/O口线多适合于显示器位数较少的场合。AT89C51单片机应用系统中，当串行口空闲时，可用来拓展并行I/O口(这里设定串行口工作在移位寄存器方式0状态下)，作为LED静态显示接口。在这里运用74LS164来扩展并行I/O口，节约单片机资源。74LS164是一个串行输入并行输出的移位寄存器。并带有清除端。引脚排练图以及逻辑图如图2-8所示。 74LS164 引脚定义图 74LS164逻辑图 图4-10 74LS164器件图引脚说明：74LS164是串行输入、并行输出的移位寄存器，其引脚功能如下：A、B串行输入端。Q0-Q7并行输入端。/MR清除端。CP时钟脉冲输入端。在脉冲上升沿实现移位；当CP=0、/MR=1时，输出保持不变。4.3.3 数码管单片机运用系统中，使用的显示器主要有LED（发光二级管显示器）和LCD（液晶显示器）。这两种显示器成本低廉，配置灵活，与单片机接口方便。LED显示器结构与原理：LED显示器是由发光二级管显示字段的显示器件有共阴极与共阳极两种，如图4-11所示。其中7只发光二级管(a-g7段)构成字符“8”，另外还有一只小数点发光二级管dp。当某个发光二级管的阳极为高电平时，发光二级管点亮。当人为控制某几段发光二级管点亮就能显示某个数码或字符。LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。LED显示器的字码段(7段码)如表2所示。图4-11 LED显示器显示字符共阴极字段码共阳极字段码显示字符共阴极字段码共阳极字段码03FHC0H96FH90H106HF9HA77H88H25BHA4HB7CH83H34FHB0HC39HC6H466H99HD5EHA1H56DH92HE79H86H67DH82HF71H8EH707HF8HP73H8CH87FH80H熄灭00HFFH 表2 LED显示器的字段码（7段码）4.3.4发光二级管LED(1)LED简介发光二极管简称为LED。由镓(Ga)与砷(AS)、磷(P)的化合物制成的二极管，其核心是PN结。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；而红外二极管在正向导通时会发出红外光。常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。(2)LED特性发光二极管的反向击穿电压约5伏。主要特性是正向导通、反向截止、击穿特性。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流，以防止击穿。 图4-12 LED伏安特性图 发光二极管(LED)的主要参数最大正向电流Ifm: 允许加的最大正向直流电流，超过此值LED损坏。正向工作电流IF: 指LED正常发光时的正向电流值。正向工作电压VF: 在给定的正向电流下测得的工作电压。最大反向电压VRm: 允许加的最大反向电压，超过此值LED可能被击穿损坏。伏安特性: LED的电压与电流的关系可用图4-12表示。4.3.5 电磁继电器在开锁部分采用电磁继电器。通过单片机来控制其线圈的通断电，从而控制其触点的吸和与断开。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。一般用符号“J”表示。(1)电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。驱动电路如图2-11所示(2)电磁式继电器的主要参数额定工作电压: 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。在这采用直流电压(+5V)的工作电压来驱动。 直流电阻: 是指继电器中线圈的直流电阻. 吸合电流: 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。图4-13 电磁继电器驱动电路图(3). 继电器引脚图如图4-14所示。图4-14 继电器引脚图4.3.6报警器在报警部分，使用扬声器。从单片机发出的引脚(P2.3)控制信号，经一个三极管放大后再驱动扬声器，使整个系统产生报警。报警电路如图4-15所示。图2-15 报警电路图4.3.7单片机硬件抗干扰 在单片机硬件电路的设计中，采用一些措施来提高单片机系统工作的可靠性。 (1).接地。给单片机系统提供良好的保护地线，从而提高系统的抗干扰能力。 隔离与屏蔽 (2).隔离。一般是通过使用光电隔离器件将单片机的输入输出隔离开，从而有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，使传输通道的信噪比大大提高。屏蔽则是用来隔离空间辐射的，对噪声特别大的部件，如开关电源用金属盒罩起来，可减少对单片机系统的干扰。 (3).PCB综合布局和布线。PCB电路板的设计要本着尽量控制噪声源、尽量减小噪声的传播与耦合和尽量减少敏感元件对干扰噪声的拾取这三大原则进行。具体设计时，应结合PCB设计的相关规则进行合理的布局和布线。(4).硬件“看门狗”技术。若失控的程序进入“死循环”，一般采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过硬件“看门狗”电路不断检测程序循环运行时间，当发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，对单片机进行复位操作，脱离“死循环”。5系统的软件设计5.1 软件设计单片机上电复位后，首先对其内部定时器，串口初始化，并开启串口中断，然后监测P2口， P2口有一引脚输入为低电平并维持1S以上时进入自学习状态，用定时器及软件计数的方法，测量INT0引脚上输入高，低电平的宽度。INT0引脚平时为高电平，当接受到红外信号时，由于一体化红外接收头的反向作用，INT0引脚下跳至低电平，此为引导码，将测的高低电平的宽度保存在存储器中，并每次测得的低电平的宽度与引导码低电平宽度比较，若相等则识别为遥控命令码，存储后结束。再监测P2口，若为低电平并维持1S以上，为退出自学习状态。软件的设计要实现三部分的功能，具体的说明和框图如下5.1.1 红外接收解码软件设计（一）思路分析红外遥控接收采用一体化红外接收头，它将红外接收二极管、放大、解调、整形等电路安装在一起，只有三个引脚。红外接收头的信号输出端接单片机的INT0脚。单片机中断INT0在红外脉冲下降沿时产生中断。在中断期间启动定时器0进行计数，直到下一个负脉冲到来，将计数结果取出处理。电路使用12MHz晶振，定时器为1US计数一次。理论上代码“0” 的定时计数值为1125 (0x465)代 码 “1” 的定时计数值为 2250(0x8ca)，但考虑到单片机晶振的误差，中断的延时，遥控器晶振的误差，测到的结果不一定等于理论值，只要范围在0x3000x480就为有效的“0”码，计数值在Ox7000x8ee之间为有效的“1”码。（二）流程图图5-1为红外接收解码软件设计流程图，红外遥控程序使用单片机中断0和定时器0。处理红外遥控程序（INTO中断）开定时器0？取出定时器0的计数值，重新计数接收完16位？记录“0”或“1”，接收位数加1保存接收数据，红外接收有效数据“0”或“1”？返回设置并开定时器0定时器0清零，重新计数图5-1 红外接收解码软件设计流程图5.1.2按键控制软件设计（一）思路分析学习型红外遥控开关的按键不仅控制输出的断开和接通，还控制单片机进行红外遥控学习。平时单片机处在按键检测和红外遥控检测状态，我们按住红外遥控开关的按键大于3秒就进入学习状态。在学习状态，我们释放按键，这时学习指示灯D1点亮。按一下红外遥控器的任意一个按键 ，如果学习成功 ，指示灯熄灭；如果在大约30秒内学习不成功，指示灯由点亮转为闪烁，表示学习失败，这时可以按一下红外遥控开关的任何一个按键或遥控器的任意键停止闪烁，返回平时扫描检测状态；如果没有上述动作则大约15秒自动返回。如果学习成功，按一下红外遥控器的对应按键就可以控制输出的断开和接通。平时按住按键小于2秒控制单片机的输出的断开和接通，这时学习指示灯没有点亮，对应的输出端有变化。（二）软件流程图红外遥控开关的按键软件设计流程图如图5-2所示：清零定时器1学习(指示灯亮)控制开关延时8毫秒处理按键程序是按键？成功?短按?长按？返回指示灯闪烁指示灯熄灭写EEPROM图5-2 红外遥控开关按键软件设计流程图 5.2遥控发射部分程序设计该部分主要分为主程序、按键扫描程序以及遥控编码脉冲发射程序。（1）主程序主要是对定时器T1定时的方式的设定、计数器的初始化等。主程序程序流程图如图5-3所示。图5-3主程序流程图（2） 按键扫描程序在此设计的是3行4列的矩阵键盘。程序流程图如图5-4所示。图5-4 按键扫描程序流程图（3）遥控编码脉冲发射程序；遥控器的编码采用脉冲个数编码格式，不同的脉冲个数代表不同的操作码信息。程序流程图如图5-5所示。图5-5 遥控器编码程序流程图5.3 主机接收部分程序设计主机程序部分主要分为主程序、按键扫描程序以及解码接收程序。主程序中主要是对外部中断0的设定以及一些存储单元的清零等初始化工作。主程序程序流程图如图5-6所示。图5-6 主程序流程图解码接收程序利用外部中断0的中断服务程序实现的。外部中断0服务子程序流程图如图5-7所示图5-7 解码接收程序流程图图5-8为红外接收解码软件设计流程图，红外遥控程序使用单片机中断0和