电子设计大赛之

“duang片机，给生活加特技”

题目：红外遥控开门

红外遥控开门

一、选题背景

华工北校宿舍的们是没有外置门把的，每次同学来敲门都要走到门口开房门，非常麻烦，如果出门忘记带钥匙就没办法从外面打开门。因此，使用红外遥控开门就能很方便实现门的自动开启。本课题要求使用红外遥控器控制来控制步进电机的转动，从而达到开门效果。通过51单片机设定密码锁，并对红外遥控器的信号进行解码，输入正确密码时可以开锁。主要是需要实现单片机最小电路的设计，红外接收电路的设计，步进电机驱动电路的设计以及液晶显示模块的电路设计等。

二、方案论证

2.1设计题目要求 

制作红外遥控开门装置，使得开关门可以通过红外遥控器控制步进电机转动来控制。

（1）当用上遥控器上锁后，需输入相应的开门密码，单片机判断后，若正确，蜂鸣器发出“滴滴”，代表开门，若错误，蜂鸣器发出较快的“滴滴滴滴”。

（2）在下次用遥控器上锁之前，直接按开门键即可开门。

（3）单片机断电之后，所设密码不会丢失。

（4）实现修改密码功能：以原密码修改旧密码，或者有更高层的密码可直接修改旧密码（类似于安全码）。

（5）平时不用时，单片机处于休眠模式（降低功耗），但接收到遥控器的消息后，单片机进入工作模式。

2.2方案设计与论证

2.2.1设计思路

单片机最小系统部分：设计使单片机运行起来的最小系统，控制外围电路；

红外信号解码部分：设计红外接收电路，与单片机连接，并编写解码程序利用单片机对红外信号进行解码；

显示部分：设计液晶与单片机连接的接口电路，编写控制液晶显示的程序，将开门过程的信息实时显示在液晶屏上；

报警部分：由单片机控制外围的蜂鸣器，当密码输入正确是，输出方波使其发出“滴滴”声，输入错误时，则发出较快“滴滴滴滴”；

电机驱动部分：设计步进电机驱动电路，当按下开门键时，由单片机控制其转；

信息保存部分：利用单片机内部自带的EEPROM，将密码实时写入EEPROM中，重新执行程序时从EEPROM中读取密码数据，实现掉电保存。

2.2.2设计方案论证与比较

（1）红外遥控电路：

方案一：使用红外发射管与红外接收管组合

红外发射管与接收管组合硬件电路简单，制作简便；但是需要外加电路对信号进行调制，增加按键电路，同时接收效率不高，难以实现题目要求

方案二：使用红外遥控器与红外一体接收管1838

红外遥控器内置调制电路，按下某个按键即发射出特定的调制信号，信号稳定，且传输效率高；红外一体接收管1838对红外遥控器发射的信号进行解调，并转换为数字信号输出到输出管脚，利用单片机可以很方便地对信号进行解码，同时外围电路设计简单。

综上所述，选择方案二。

（2）显示模块

方案一：使用LCD128液晶进行显示

LCD128是一款常用的中文图形点阵液晶，128x点阵，内含中文字库，可以显示SCAII码跟中文，同时，硬件电路简单，支持并行与串行操作时序，当使用串行操作时，只需要少量IO口便能进行控制，由单片机进行控制时需要遵守读写时序，能比较详细显示程序运行过程的信息。

方案二：是用移位寄存器74HC595与数码管配合显示

74HC595是一种8位串行输入，8位串行输入或并行输出的三态移位寄存器，利用74HC595可以大量节省单片机的IO口资源，实现对外数据的传输；数码管是多个发光二极管组成的“8”字形器件，通过8根管脚来控制内部对应二极管的亮与灭。但是数码管只能显示数字，且外围接口电路复杂，显示多位数字时需要不停进行动态扫描，显示效果单一。

综上所述，选择方案一。

（3）掉电保存模块

方案一：使用AT24C02作为外部ROM

AT24C02是一个串行的E2PROM，内部含256个8位字节，通过I2C总线进行操作，数据保密性好，能保存100年，操作简便，外部接口电路简单，需要遵守I2C协议与单片机进行通讯，能对单片机数据进行保存。

方案二：使用STC12C5A60S2内部自带的E2PROM

STC12C5A60S2将内部的Data Flash当做E2PROM，擦写次数达10万次以上，并且内部拥有相应的控制寄存器，可以很方便对程序执行过程中的数据进行保存，执行速度快，指令操作简单，不需要添加外围元件即能实现对数据的保存。

综上所述，选择方案二。

2.3方案框图

三、硬件电路论述

3.1最小系统电路

图1 单片机最小系统电路

51单片机是一块芯片，单独时没办法进行工作。使得单片机能顺利工作的最少外围电路合称为最小系统，包括电源滤波模块，复位电路模块，时钟电路模块等。

3.1.1滤波电路

由于平时使用的5V电源并不是完全是直流成分，其中还包含了交流信号部分，为了剔除这部分噪声，在电源正极与负极之间并联了两个电容，其中104小电容可滤除高频信号，10uF电容可滤除低频信号，保证了流入单片机的电流基本上为直流电。

此外，在滤波电路旁并联一个LED，作为电源指示灯。其中1K电阻起到限流作用，防止LED被烧毁。

3.1.2复位电路                                           图2 滤波电路

程序在运行过程中，难免会发生错误，导致程序失控。此时通过一个复位按钮让程序从头开始执行，就能有效解决这个问题。51单片机有一个专门的复位管脚，当给管脚送一个高电平时，单片机就能复位，从头开始执行程序。

当电路稳定时，由于电容的隔直作用，RST引脚通过10K电阻接到低电平，不发生复位。当按下按键开关时，RST引脚瞬间变为高电平，芯片复位。

3.1.3时钟电路                                            图3 复位电路

51单片机工作的时候需要一个精准的时钟信号，根据这个信号执行指令，通过外接一个晶振与两个电容，与内部电路构成一个振荡器为芯片提供一个高频的时钟信号。其中，晶振的频率决定了单片机工作速度的快慢。

图4 时钟电路

3.2红外接收电路

                     图5 红外接收电路

红外一体接收头1838将红外遥控器发射的红外信号进行解调生成数字信号，并通过输出引脚OUT输出到单片机中。

3.3液晶显示电路

LCD128第三管脚用于设置对比度，通过改变10K电位器103的阻值就能实现对比度调节。PSB为时序选择端，接高电平时选择串行操作时序。RST为复位脚，低电平有效，此项目不需要复位功能，故接高电平。19与20 引脚分别是背光灯的正负极，正极的供电通过三极管9012来控制供电，单片机控制BG_VCC输出0时，三极管导通给背光灯供电，输出1时三极管截至，背光灯熄灭。

CS,SID,CLK则为液晶的控制引脚，直接由单片机IO口控制；CS为串行片选信号，置高电平选中芯片；SID为数据口，通过该管脚接受单片机的数据与指令；CLK为串行时钟，时钟信号由单片机产生。                图6 液晶接口电路 

控制时需要严格遵守时序图，串行时序图如下：

图7 串行操作时序图

数据传送分为3个字节：

第一字节——串口控制

RW位为1时表示数据从LCD到MCU，RW位为0时表示数据从MCU到LCD

RS位为1时表示数据为显示数据，RS位为0时表示数据为控制指令

第二字节——D7到D4表示数据字节的高四位

第二字节——D3到D0表示数据字节的低四位

具体工作时序的操作：

（1）将CS拉高选中LCD；

（2）将SCLK拉低，允许修改SID上的数据，为产生上升沿做准备；

（3）在SCLK为低电平期间修改SID的数据；

（4）将SCLK拉高，产生上升沿，LCD将SID上的数据读入；

（5）重复2到4步骤，直到24位数据传输完毕；

（6）将CS拉低取消选中。

 3.4步进电机驱动电路

    步进电机需要的驱动电流比较大，单片机无法直接驱动，因此选择ULN2003达林顿管来增大驱动电流，同时另外增加供电电压，使步进电机顺利转动。

                                            图8 步进电机驱动电路

四、整机电路

图9 整机电路图

五、软件原理论述

5.1红外解码程序

红外遥控器使用的是TC9012是一款专用红外发射集成电路，TC9012 的一帧数据中含有 32 位码，包含两次 8 位用户码， 8 位数据码和 8 位数据码的反码及最后位的同步位。引导码由 4.5ms 的载波和 4.5ms 的载波关断波形所构成，以作为用户码、数据码以及他们的反码的先导。

“ 1”和“ 0”的区分取决于脉冲之间的时间，称之为脉冲位置调制方式。

发射码格式与数据参数如下图所示：

图10 TC9012发射码格式

图11 数据参数示意图

    数据解码过程用到了单片机内部资源的外部中断与定时器中断，采用单片机外部中断的下降沿触发，识别非常灵敏，可以准确捕捉每个跳变信号；同时，使用8位定时器自动重装模式，准确计算出脉冲信号的持续时间，从而得到红外信号数据。

    具体操作过程：

（1）接收到下降沿信号时计算是否为9ms，若是，则认为是启动信号；

（2）依次接收数据线上的32为数据，将其数据参数暂时存入数组中，等到数据接收完毕，接收标志位置1；

（3）接收标志位为1时，启动数据转换，将32位数据合为4字节数据，存入数组中；

（4）判断第三字节与第四字节是否互为反码，是则认为数据接收正确

（5）将数据码返回给调用函数。

5.2单片机内部E2PROM操作程序

STC12C5A60S2系列单片机内部集成了的EEPROM是与程序空间是分开的，利用ISP/IAP技术可将内部Data Flash当EEPROM，擦写次数在10万次以上。EEPROM可分为若干个扇区，每个扇区包含512字节。在用户程序中，可以对EEPROM进行字节读/字节编程/扇区擦除操作。数据存储器的擦除操作是按扇区进行的。

单片机内部的E2PROM有专门的寄存器对其进行管理，包括数据寄存器IAP_DATA、地址寄存器IAP_ADDRH和IAP_ADDRL、命令寄存器IAP_CMD、命令触发寄存器IAP_TRIG、命令寄存器IAP_CONTR，具体地址如下图所示：

图12 与E2PROM相关的寄存器

（1）IAP_DATA : ISP/IAP操作时的数据寄存器。

ISP/IAP 从Flash读出的数据放在此处，向Flash写的数据也需放在此处

（2）IAP_ADDRH : ISP/IAP 操作时的地址寄存器高八位。

IAP_ADDRL : ISP/IAP 操作时的地址寄存器低八位。

（3）IAP_CMD模式选择：

图13 模式选择相关位

（4）IAP_TRIG: 在IAPEN(IAP_CONTR.7) = 1 时,对IAP_TRIG先写入5Ah,再写入    A5h,ISP/IAP 命令才会生效。

（5）命令寄存器IAP_CONTR：

IAPEN: ISP/IAP功能允许位。 

0：禁止IAP读/写/擦除Data Flash/EEPROM

1: 允许IAP读/写/擦除Data Flash/EEPROM

SWBS: 软件选择从用户应用程序区启动(送0)，还是从系统ISP监控程序区启动ISP监控程序区启动监控程序区启动程序区启动(送1)。

要与SWRST直接配合才可以实现

SWRST: 0: 不操作； 1: 产生软件系统复位，硬件自动复位。

CMD_FAIL: 如果送了 ISP/IAP命令,并对IAP_TRIG送5Ah/A5h触发失败,则为1,需由软件清零

图14 等待时间设置表

具体操作过程：

（1）操作控制寄存器，使能IAP功能，设置CPU等待时间；

（2）关闭中断，防止中断打扰数据写入或读出；

（3）向命令寄存器写入操作命令，若为写指令，还需向数据寄存器写入数据；

（4）向地址寄存器写入要操作的地址；

（5）向触发寄存器写入触发命令5AH和A5H；

（6）关闭    IAP功能，若为读指令，则将数据返回。

六、总结

经过了半个月的努力，编程序，调试电路，组合测试以及写论文，总算将这个比赛项目做完了。在不落下功课的情况下争分夺秒地完成赛题确实很不容易，但是最后的成果出来了，基本的功能也都实现了，虽然创新方面做得不足，但也是蛮高兴的。

刚开始赛题发布的时候，看到ABC三个赛题，心里不会完全不知道从哪开始，因为寒假在家里学过单片机，赛题基本跟协会布置的作业很相近。所以有了较大的信心，代码以前写过有一些可以直接移植就比较方便。当然，问题还是不少，主要是在密码锁这部分内容比较难以控制，以前写过的程序因为使用了大量的goto语句导致可读性很差，难以重新使用，所以此次就严格控制goto的使用，在编写程序的同时用注释分隔开，达到了较好的可读性。因为调试电路时做得比较仔细，所以焊接部分做得比较快，功能也都能实现。

然后就是写论文部分，因为以前没有接触过论文的写法，格式都不懂，写起来就挺费劲的，而且还要自己学习绘制电路图，这就需要借助Altium Designer，但又没学过，因此就只能从头学起，画画电路图还好，但是PCB就没办法弄了，而且元件库还是网上下载的，所以，这方面以后还要好好学学。除此之外，还要查阅其他的相关资料，力求用简洁的语言表述自己的电路方案也不容易。

通过此次比赛，我更加了解到，学习电设真的不是一样容易的事情，除了要学得多，还得要能很好地表达自己，在遇到不懂的知识要学会如何查阅获取资料，并且需要耐心，制作过程中需要很细心，一点都不能马虎，否则可能就会前功尽弃，而且要尽可能在实验前找到错误所在，增加项目的成功几率。

感谢协会能举办这次活动，每次活动都会让自己有意想不到的收获，希望以后继续努力下去，不断提高自己的实践能力。

参考文献

[1]郭天祥.  新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展.  北京：电子工业出版社，2009

[2]数据手册http://www.alldatasheet.com/ 下载本文