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基于单片机的多用户门铃毕业设计论文
基于单片机的多用户门铃毕业设计论文
摘要
小区的安全受到越来越多人的重视，多用户门铃得到广泛应用。
本文针对小区公寓楼的门铃进行设计，来访者只需要在楼下按下住户的门铃，相应住户家里的门铃就会响起，住户听到门铃的响起，可以按下室内开关控制楼下大门的开启。
本文采用单片机AT89C51作为中央处理芯片，介绍了多用户门铃的设计及其软硬件调试结果。
该多用户门铃方便了人们的生活，大大提高了小区的安全性，满足人们的生活需求。
同时这个课题添加了报警的功能，进一步完善门铃的功能。
关键词：
多用户门铃；单片机；AT89C51；报警；
ABSTRACT
ThesafetyofCommunitydrawingmoreandmoreattention,multi-userdoorbellbeingwidelyapplied.Aimingatthevillageapartmentblocktodesign,thedoorbellofvisitorsonlyneedtopressresidentdoorbelldownstairsandcorrespondinghouseholdswillringthedoorbellofhome.Hearingthebellrang,theresidentscanpressindoorswitchcontroldoorsdownstairsopen.Thispapermainlyintroducesthedesignideaofhowtheuserthedoorbellproductionmethodsandthewholemanufactureprocess,multi-userdoorbelladoptssingle-chipmicrocomputerAT89C51ascentralprocessingchip,thismulti-userdoorbellconvenientstopeople'slife,greatlyimprovesthevillageofsecurity,satisfypeople'slivingneeds.Keywords:
Multi-userdoorbell；single-chipmicrocomputer；AT89C51;Alarm
1前言
门铃在日常生活中已是随处可见了，特别是在城镇和大城市中，几乎是每家每户都有使用。
随着人们生活水平的提高，小区的安全受到越来越多人的重视，得到一种简便实用的门铃控制，不但可以保障小区的安全，而且能够提高人们的效率。
本设计主要介绍了基于单片机的多用户门铃（四用户门铃）电路的设计，从画电路图开始到编写单片机C语言程序再到仿真再到绘制PCB板，本设计详细的介绍了整个设计的思路和制作流程，并且对使用到的软件（KEIL、PROTEUS）的使用方法和操作流程都有详细的说明。
该多用户门铃以单片机AT89C51作为中央处理芯片，详细介绍了AT89C51的管脚结构和每个管脚的作用及各自的连接方法，使得该系统的功能扩展比较方便。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，并且在掉电状态保存存储数据的特点，正是因为AT89C51具有以上的特点，所以很适合作为本次设计的中央处理芯片。
1.1多用户门铃的概述
由最初的手动敲门，到铃铛门铃，在到本设计制作的基于单片机的多用户门铃，这是门铃的一个发展历程。
从最简单的门铃，到基于单片机的多功能门铃这是门铃的进步。
随着科技的发展，人们生活水平的提高，生活节奏的加快。
为了适应人们对门铃更高的要求，会不断有功能更加强大的门铃被研制出来。
本设计制作的基于单片机的多用户门铃是以芯片AT89C51为中央处理器芯片。
主要完成对不同楼层用户之间的门铃应答。
来访者只需要在楼下大门上的门铃按下相应住户的门铃，相应住户家里的门铃就会响起。
住户听到门铃的响起，知道有来访者。
可以按下室内开关，室内开关可以控制楼下大门的开启。
该多用户门铃方便了人们的生活，提高了小区的安全性。
2单片机简介
2.1单片机的发展史
（1）第1阶段（1971年—1978年）,以MCS-48系列为代表,称4位单片机。
在片内：
CPU有4位或8位；ROM有1KB或2KB；RAM有64B或128B；只有并行接口,无串行接口；只有1个8位的定时/计时器；中断源只有2个。
在片外：
寻址范围只有4KB；芯片引脚有40个。
（2）第2阶段（1978年—1983年）,以MCS-51系列为代表,称8位单片机。
在片内：
CPU有8位；ROM有4KB或8KB；RAM有128B或256B；有串/并行接口；有2个或3个16位的定时/计时器；中断源有5至7个。
在片外：
寻址范围有64KB；芯片引脚有40个。
（3）第3阶段（1983年以后）,以MCS-96系列为代表,称16位单片机。
在片内：
CPU有16位；ROM有8KB；RAM有232B；有串/并行接口；有4个16位的定时/计时器；中断源有8个；增加了D/A和A/D转换电路。
在片外：
寻址范围有64KB；芯片引脚有48个或68个[1]。
以上MCS-51系列以其优良的性价比,在我国得到了广泛的应用。
3设计要求与方案
3.1设计要求
设计的功能主要有两个：
（1）当有人来访时，实现系统手动发出”叮咚”的门铃响声；
（2）当有危险或者异常发生时，可通过按钮实现报警提示；
3.2方案一
根据设计要实现的功能，用一个简单的单片机驱动一个负载，根据选择负载的不同，可以实现不同的门铃响起不同的音乐，从而达到多用户控制的功能，具体控制方案如图3.1。
由于芯片和负载的选择过于繁多，考虑到电路的简单性，经济性与实用性，该方案还需进一步改进。
图3.1方案一
3.3方案二
考虑小区门铃要求的简单、经济、耐用等特点，选择AT89C51的P2口作为驱动端口，从而减少的芯片的数目，简化电路。
该方案可以驱动八个负载，本文选择四个，其余端口可作为扩展时使用。
具体控制方案如图3.2。
图3.2方案二
本设计选用第二种方案，即可实现多用户门铃的控制，技术含量、成本、设计周期也低，并且根据中央芯片检测门铃按钮是否按下。
当按下时，单片机控制扬声器发出”叮咚”的提示音，当有危险或者异常的情况下，由用户手动按下按钮提醒邻居或者房子里的人有危险需撤离，此设计适合本人此阶段自身的设计水平[9]。
4系统硬件设计
门铃设计硬件电路包括单片机、晶振电路、复位电路和负载电路等[8]。
现将各硬件及电路介绍如下：
4.1AT89C51芯片
4.1.1AT89C51芯片引脚排列
AT89C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布可参照单片机引脚。
P0.0～P0.7P0口8位双向线（在引脚的32～39号端子）；P1.0～P1.7 P1口8位双向线（在引脚的1～8号端子）；P2.0～P2.7 P2口8位双向线（在引脚的21～28号端子）；P3.0～P3.7 P3口8位双向线（在引脚的10～17号端子）。
40号管脚VCC：
电源+5V输入。
20号管脚GND：
接地。
芯片AT89C51封装引脚排列如图4.1。
图4.1AT89C51芯片引脚排列
4.1.2AT89C51芯片引脚功能介绍
VCC：
电源电压；
GND：
地；
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当
P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写1时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址1时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入1后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
引脚具体说明如表4-1所示。
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/
：
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FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
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。
然而要注意:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
：
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
信号将不出现。
/VPP：
当
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,
将内部锁定为RESET；当
端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚可用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
片内晶振电路反向放大器输出端接CPU内部时钟电路。
XTAL2：
片内晶振电路反向放大器输出端。
表4-1AT89C51引脚说明
引脚
功能特性
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INTO（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时/计数器1外部输入）
4.1.3AT89C51的主要性能参数
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（2）2k字节可重擦写闪速存储器
（3）1000次擦写周期
（4）2.7V-6V的工作电压范围
（5）全静态操作:
0Hz-24MHz
（6）两级加密程序存储器
4.2晶振电路
晶体振荡器，简称晶振。
在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。
由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。
这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。
晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率[5]。
ATAL1和XTAL2T89S51引脚X与晶体振荡器及电容C2、C1按图4-2所示方式连接。
晶振、电容C1／C2及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在0～33MHz之间，电容C1、C2取值范围在5～30pF之间。
根据实际情况，对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程度及温度稳定性。
如果使用石英晶体，推荐电容使用30PF±10PF，而如使用陶瓷振荡器建议选择40PF±10PF。
本设计中采用12MHZ的晶振作为系统的外部晶振，电容取值为30pF。
晶振电路原理图如图4.2所示。
图4.2晶振电路原理图
4.3复位电路
当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。
为了确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。
一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。
由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。
电阻给电容充电，电容的电压缓慢上升直到VCC，没到VCC时芯片复位脚近似低电平，于是芯片复位，接近VCC时芯片复位脚近高电平，于是芯片停止复位，复位完成。
选择+5V的电源和10uF的极性电容外加一个10K的电阻就组成了复位电路，复位电路原理图如图4.3所示。
图4.3复位电路原理图
4.4负载电路
负载电路主要是由一个PNP型三极管和一个2k欧电阻外加一个蜂鸣器组成的。
当芯片有电平的变化就会使蜂鸣器导通，使其工作发出蜂鸣声，从而实现门铃的作用。
考虑功耗低，经济性能高，本文所选的蜂鸣器为无源蜂鸣器，其额定电压为1.5V，工作电压范围为1.0-1.7V，最大电流0.2A，电阻6-10欧。
经实测元件知其电阻为10欧姆。
根据图4-4所构成的电路图计算如下：
假设蜂鸣器在额定电压下工作，则
集电极电流
根据集电极电流满足所选三极管的要求，最终选择PNP型S8550三极管。
其耗散功率0.625W，S8550放大倍数40-140,集电极电流0.5A,集电极--基极电压40V,集电极--发射极击穿电压25V,集电极-发射极饱和电压0.6V。
本设计购买的三极管放大倍数为100。
根据放大倍数
基极电流
基极电阻
为了保证电路工作的可靠性，将电阻选大一些，且根据常用的电阻型号选择220欧姆的电阻。
室内门铃电路原理图如图4.4所示。
图4.4室内门铃电路原理图
4.5元件分类和清单
基于单片机的多用户门铃的设计，所需要的元件的所属分类和清单列表如表4-2所示。
表4-2所需元件分类
元件名称
所属类
所属子类
元件个数
AT89C51
MicroproceBsorICs
8051Family
1
CAP
Capacitors
Generic
2
CAP-ELEC
Capacitors
Generic
1
CRYSTAL
Miscellaneous
-
1
RES
Resistors
Generic
14
PNP
Transistors
Bipolar
4
SPEAKERER
Speakers&Sounders
-
5
BUTTON
Switches&Relays
Switches
9
LED-RED
Optoelectronics
LEDs
9
5系统软件设计
5.1多用户门铃设计的流程图
根据设计所要实现的功能，考虑到编程简洁，容易达到要求，多用户门铃的程序流程图如图5.1所示。
图5.1程序流程图
5.2门铃程序的编写
程序主要完成的是在运行的时候给端口P1和P3置高电平，并且判断各个开关是否被按下，如若被按下就执行相应的程序，给相应的管脚提供相应的电平，并且调用延时程序并以达到门铃响起或者LED灯点亮的效果。
这就是这个程序需要完成的功能，根据电路图需要达到的效果，编写的C语言程序可以满足以上的所有要求。
本设计的基于单片机的多用户门铃程序如附录C所示。
6仿真与调试
6.1KeilC51编译软件
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解[6]。
首先，打开keil编译软件，然后在菜单栏上找到Project并选择NewProject，在给工程命名并且保存工程，保存完成之后会弹出单片机芯片的选择框，找到芯片AT89C51并且这样就完成了在keil中新建工程的操作。
如图6.1所示。
图6.1在keil中新建工程
工程新建完成之后，在新建一个文本文件，并把程序录入到该文本文件当中。
多用户门铃程序录入如图6.2所示。
程序录入完成之后在菜单栏上找到File然后选择save保存，在弹出保存框里给文件命名，并且需要将该文件的后缀名修改成.c格式，如图6.3所示。
图6.2录入门铃程序
图6.3保存程序
把文件添加到工程中，首先在SourceGroup1点击右键找到AddFilestoGroup就把文件添加到工程中了，如图6.4所示。
图6.4把文件添加到工程
在"OptionforTarget"对话框中，选中“Output”选项卡中的“CreateHEXFile”选项和“Debug”选项卡中的“Use：
ProteusVSMSimula”选项。
点击Buildtarget编译C语言程序，检查程序是否有错，没错可以直接调用生成的.HEX文件。
有错就改正程序中的错误，直到没有错误提示才能调用生成的HEX文件。
本次设计的门铃程序通过编译，没有错误和提醒。
如图6.5所示。
图6.5编译程序
图6.5编译程序时出现的提示翻译为：
（1）Linking：
连接中。
（2）ProgramSize:
data=13.0xdata=0code=552：
程序大小：
内部数据=13.0字节，外部数据=0字节，代码=552字节。
（3）creatinghexfilefrom"wzh"：
创建名为“wzh”的HEX文件。
（4）"wzh"-0Error（s）,0Warning（s）：
“wzh”文件有0个错误，0个警告。
6.2PROTEUS仿真软件
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具（仿真软件）。
它不仅具有其它仿真软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者和单片机爱好者的青睐。
在编译方面，它支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器[7]。
Proteus软件除了可以编辑设计电路原理图，还可以进行电路仿真。
首先在画好的电路原理图中选中需要编写程序的芯片，并单击鼠标左键，打开EditionComponent对话框，设置单片机晶振频率为12MHZ，在此窗口中的programfile栏中，选择之前用keil软件生成的KEIL生成的HEX文件。
在Proteus的菜单栏中选择file并SaveDesig选项，保存设计。
在Proteus的菜单栏中，打开Debug下拉菜单，在菜单中选中Usestart/restartdebugging选项，这样proteus中绘制的电路原理图就可以链接上，keil中生成的HEX文件进行仿真了。
打开proteus软件，在File的下拉菜单中找到NewDesign新建Proteus并选择A4版面，然后保存，这样就完成proteus的新建了。
如图6.6所示。
图6.6新建proteusA4版面
把元件排布好后，使用导线将各个元件连接起来，最后绘制完成电路原理图，本设计的门铃电路原理图如图6.7所示。
图6.7在proteus中绘制电路原理全图
6.3仿真说明与分析
在proteus里仿真时，首先把画好的电路原理图，链接上keil中生成的.HEX文件进行仿真。
在Proteus的菜单栏中，打开Debug下拉菜单，在菜单中选中Usestart/restartdebugging选项。
准备就绪可以直接仿真。
按下相应的开关，观察电路的相应状态。
当按下开关k1时，LS1就会相应的响起。
按下开关k2时门铃LS2就会相应的响起，以此类推。
当按下开关k5至k8的任意一个时LED灯就会点亮,并且延时0.5s，LED灯点亮就表示大门的开启。
当按下连接外部中断INT0的按钮时，扬声器LS5会发出警报的响声，8个红色led灯也会顺时针旋转闪烁，每次都是点亮3个红色LED灯，仿真运行时然后会不停循环点亮。
在整个仿真中，已经实现了各个功能和达到了预期的效果。
仿真结果如图6.8所示。
图6.8软件仿真结果
7电路板制作
7.1PCB的制作过程
7.1.1PCB的布局和3D视图
在Proteus软件中提供了从原理图设计到简单PCB制作以及仿真[11]，因为我的PCB涉及的元器件不多，所以我们选择Proteus中的ARES套件来进行绘制PCB，从Proteus中的ISIS套件中编译网表连接到ARES中进行布局，经过半个小时的小心布局，我的布局情况具体如下图7.1：
图7.1布局全图
为了清楚的看到我们的布局是否合理与美观，Proteus软件提供了3D视图功能[12]，大家可以很直观的看到自己的布局情况，我的3D视图如下图7.2：
图7.23D视图效果
7.1.2PCB的布线与铺地铜
布好局就要开始布线了，虽然在Proteus软件中提供了自动布线功能，但是自动布线之后还是要自己手动修改一些不如意的地方，因为我的设计不复杂，所以我选择自己手动布线，然后给PCB的顶层和底层进行铺地网络的铜皮，这是为了增加电路板的抗干扰性，布好线与铺好铜之后的效果图分别如下图7.3和7.4：
图7.3布线效果图
图7.4铺地效果图
7.2电路元器件的搜集
为了更好的完成毕业设计，我特意从实习公司带回一些小器件，列如：
电阻、电容、LED灯等等，但是还缺少AT89C51芯片、万能板、按钮、蜂鸣器等等，所以我利用周六到北京的中发电子市场去配了这些，顺便了解一下电子世界，去了之后确实有很大的见识和收获。
尽管我尽力的想把毕业设计做得更好一点，但是做出实物确实有点困难，对于我的这个设计而言，最大的困难是制造PCB板实物和烧写程序到单片机中，没能做出实物是毕业设计的一大遗憾，但是通过此次设计，我收获真的很大。
下面我将我搜集的一些主要电子元器件通过图片放上来，具体如下图：
图7.5万能板
图7.6
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