基于单片机的宿舍门闩系统改造.pdf

设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期基于单片机的宿舍门闩系统改造曾新红，曾文金（广州航海学院，广州 510725）学校学生的宿舍门是老式的门闩结构，无法实现里锁外开，这就常常导致一个人出去了，门内锁了，如要进去，需要里面的同学拉动门闩进行开门，日常出入很不方便。鉴于此，学生利用所学专业知识，对宿舍门闩系统进行改进设计。1设计方案门禁系统中执行机构选用舵机，控制单元选用89C52 单片机，采用红外传感器，感应门的开合状态。89C52 控制单元在接收到信号处理后，输出 PWM 脉冲信号，舵机根据脉冲信号的脉宽实现角度的变化，转动一定的角度，带动传动机构，使驱动门闩处于开启或闭合状态。此种设计简单，对传统门的改造程度小，加入一个刚性传动杆即可实现门闩与舵机的联结。控制方式简单，仅需要输出一定的脉宽信号，即可实现电动机的转动，成本小，易于实现。图 1 为简易门闩系统控制框图。图 1门禁系统总体结构框图2控制系统模型及模块的选用控制系统实物模型设计如图 2 所示。系统设计中，电源模块选用 2 节 18650 锂电池，采用线性稳压器，输入+7.2 V 直流电压，经过 DC-DC 稳压器输出+5、+3.3 V 电压。DC-DC 电路结构图如图 3所示。DC-DC 稳压器采用 AMS117-3.3 V、AMS117-5V 芯片，电压经过调整可以输出 3.3 V 稳定电压，供给RFID-RC522 射频模块；5 V 稳定电压供给 52 单片机、红外感应模块、按键声光报警模块和舵机。基金项目：广州市高等教育教学研究和改革项目（2022JXGG092）；大学生创新强校项目（C2206001240，C2301002787）第一作者简介：曾新红（1976-），女，硕士，副教授。研究方向为电气工程及其自动化。摘要：鉴于学校宿舍门是用门闩上锁，学生出入行走不便，为此设计一款以 89C52 单片机为控制器、RFID-RC522 为门禁感应装置、舵机为执行机构的宿舍门禁系统。通过构建系统设计方案、选择硬件模块，对各模块进行相应的程序设计，完成门闩系统的改造。设计的系统可实现录卡、消卡、陌生卡报警功能。不但可以使用校园卡，还可将卡片信息通过 NFC 写入手机，实现手机开门。经过测试验证，该装置实现内外简便电动开门，极大地方便学生出入。关键词：单片机；舵机；宿舍；门闩；系统改造中图分类号院TP23文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0127-04Abstract:In view of the fact that the door of the school dormitory is bolted,it is inconvenient for students to get in and out.For this reason,a dormitory access control system is designed with 89C52 Micro-controller Unit(MCU)as the controller,RFID-RC522 as the access control device and steering gear as the actuator.Through the construction of the system design scheme,theselection of hardware modules,and the corresponding program design of each module,the transformation of the latch system iscompleted.The designed system can realize the alarm functions of recording card,eliminating card and stranger card.Not only thecampus card can be used,but also the card information can be written into the mobile phone through NFC to open the door ofthe mobile phone.After testing and verification,a simple internal and external electric door opening device is realized,whichgreatly facilitates the entry and exit of students.Keywords:Micro-controller Unit(MCU);steering gear;dormitory;door latch;system transformation单片机STC89C52 模块RFID 读写卡模块按键模块红外感应模块舵机声光报警模块电源模块DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.031127-2023 年 25 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application图 2门闩控制系统实物模型图图 3DC-DC 电路结构图射频模块采用 RC-522。RC522 利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在 13.56 MHz 下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。模块引出了 8 个管脚供用户使用。将 RFID-RC522 模块与 52 单片机最小系统板接口相连。表 1 为接口分配。表 1RFID-RC522 模块接口红外感应模块选用 TCRT5000 红外传感器，采用74HC14 芯片。74HC14 是一款高速 CMOS 器件，实现 6路施密特触发反相器，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。当 TCRT5000 红外信号得到反射的时候，信号输出为 1，LED 灯亮；当红外信号没有受到阻挡反射的时候，电位信号输出为 0，LED 灯灭。红外感应模块输出接入单片机 P2.6 接口。声光报警、按键模块中，为了能够人为控制系统，改变其控制单元执行的程序及辨别控制器的状态，需要外加蜂鸣器、LED 灯对系统状态进行提示，外加 4 个按键对系统进行控制。为了简化系统，将声光报警模块和按键模块集成在一个万用板当中，声光报警模块选用 5 V 有源蜂鸣器，使用 9012 三极管，控制三极管基极，当控制信号为 0 时，三极管导通，蜂鸣器响，LED 灯亮；当控制信号为 1 时，三极管关断，蜂鸣器不响，LED灯灭。4 个按键一端接地，当按键按下的时候，拉低单片机对应引脚的信号，使其变为 0。4 个按键对应的功能分别为：按键一（控制删除卡片信息）、按键二（启用刷卡功能）、按键三（读入卡片信息）、按键四（跳过射频模块直接启动舵机）。焊接后的实物图如图 4 所示。在焊接的时候，为防止蜂鸣器短接，并且为了方便焊接，特此，将 5 V 接口焊在蜂鸣器附近，使控制信号与地之间空一位，防止焊接手艺不精导致短接。图 4声光报警尧按键模块执行机构采用舵机（MG996R）。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，在航天、航海、工业机器人等方面广泛应用，其主要是由外壳、电路板、驱动马达、减速器与位置检测元件构成，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。将舵机与常见的球头、拉杆等与门闩组成联动结构，图 5 为门闩传动结构实物图。图 5门闩传动结构3系统软件设计控制系统软件设计中包括了 RFID-RC522 射频卡的通信程序设计、舵机控制程序设计、红外感应程序设计、按键程序及声光报警程序等。射频卡的通信，是应对复位应答、防冲突机制、卡片选择等方面进行代码编程。其通信流程及代码可由相应型号官方手册查到。18650锂电池DC-DC+3.3 V+5 V+7.2 VGND RC522 接口 STC89C52 单片机接口 RC522 与单片机引脚对应接线 3.3 V 3.3 V RST P1.0 GND GND NC(IRQ)悬空 MIS0 P1.1 MOSI P1.2 SCK P1.3 NSS(SDA)P1.4 128-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期舵机控制程序设计：启用单片机的定时器产生脉冲，通过改变脉冲信号的数值改变脉宽，用单片机内部的定时器产生舵机启动所需要的脉冲信号。舵机程序如图 6 所示。图 6舵机程序红外感应程序设计：红外感应模块对单片机控制系统输出信号 0 或 1，当探测到红外信号被反射回来（即门被关闭），则红外模块输出为 1；当无法探测到返回的红外信号（即门被打开），则红外模块输出为 0。由此判断红外感应装置的信号即可。按键程序：为了消除抖动，在按键程序中加入延时，在按键按下的时候等待 20 ms 再判断一次是否按下，这样能有效地防止按键抖动或者是静电导致的按键误动作。程序如图 7 所示。图 7按键程序声光报警程序：由于声光报警模块集合为一个模块，在驱动蜂鸣器的同时也可以驱动 LED 灯，因此仅需一个程序即可实现声光双控。删除存储信息功能程序：设置按键一，删除全部数据。程序如图 8 所示。图 8删除存储信息功能程序读写卡功能程序如图 9 所示。图 9读写卡功能程序初始化程序如图 10 所示。129-2023 年 25 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application图 11主程序流程框图图 10初始化程序除上述程序外，还需设计 RFID 运行程序、主程序等。主程序是通过扫描红外感应装置和按键的状态，识别外部信号的输入，通过 if 语句，对红外感应装置和按键状态进行判断，当系统识别到任一条件吻合时，即实现该项功能，主程序流程框图如图 11 所示。4实物模型调试接通电源，指示灯亮起，程序开始运行，按下刷卡按钮，程序进入录入信息功能，将通行卡录入进去后，首先蜂鸣器会响 1 声，等待 1 s 后连响 2 声，拿开卡片，响 1 声信号亮 1 下，完成卡片信息写入，表示通行卡录入成功，接着按下读卡键进入读卡程序。将录入的通行卡放到感应器上，芯片收到通行卡的信号后，信号灯亮起，蜂鸣器响 1 声，然后舵机动作，完成开门操作。此外，除了用通行卡开门，还可以通过长按开门键来完成开门操作。等待 2 s 后，信号灯亮起，蜂鸣器响 1 声，然后舵机动作，完成开门操作。当红外感应器感应到门处于合上的状态时，芯片收到红外感应器的信号，信号灯亮起，舵机动作，完成关门操作。按下删除键，所有信息清除，回归初始化。系统实现的功能：淤正常刷卡使用功能；于删除卡片信息功能，即卡片靠近控制器，按下删除按钮，蜂鸣器响1 声，Led 灯闪亮 1 次，删除存储的卡片信息；盂陌生卡报警功能，即刷卡后，如控制器无卡片信息，LED灯闪亮 3 次，蜂鸣器响 3 次，提醒用户该卡为未录入信息卡；榆录卡功能，即按下按键三，LED 灯闪亮 1 次，蜂鸣器响 1 声，可录入卡片信息，放上卡片，检测到有卡，蜂鸣器响 1 声，LED 灯闪亮 1 次，等待 1 s，随后蜂鸣器响 2 声，LED 灯闪亮 2 次，录入卡片信息，拿开卡片，蜂鸣器响 1 声，LED 灯闪亮 1 次，即完成信息录入，按下按键二，退出录卡模式，进入正常运行模式，刷卡即可开门；虞按下按键四，门内用户可以直接开门，当门打开时，红外感应门开启，舵机不动作，当门闭合时，红外感应器检测到门关闭，舵机动作上锁。5结束语经过测试，系统能够正常运转，实现预期目标，可以很方便实现内锁外开。还可将卡片信息通过 NFC 写入手机，实现手机开门，出行人员只需要带一部手机即可完成开门，解决了出行人员容易忘记带钥匙的问题。而且也可以通过写入的功能，将校园卡信息写入，使其成为开门的钥匙。经过改造的门闩系统，极大地方便了宿舍人员的出入。参考文献院1 孙浩天.某小型无人车载狙击系统设计与分析D.南京：南京理工大学，2018.2 冯兴阳，张剑家.高功率窄脉冲半导体激光器模块的研究J.长春理工大学学报（自然科学版），2015，38（1）：6-9.3 施兴祖.小型低空飞艇中的数据采集、控制与实现D.上海：上海交通大学，2009.4 何颖洁.基于 USB 接口的可见光实时音视频传输系统设计与实现D.南京：南京邮电大学，2014.5 基于 RC522 的非接触式 IC 卡读卡器设计（含程序）EB/OL.https：/ 张毅刚.单片机原理及应用C51 编程+Proteus 仿真M.北京：高等教育出版社，2012：11.7 RC522 RFID 射频模 块介绍EB/OL.https:/