基于智能锁控制的安全防盗门.docx

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基于智能锁控制的安全防盗门

摘要

安全防盗门是人们在布置新家的必备物品。

本文介绍了一种基于单片机的智能防盗的设计方法。

利用智能锁，代替现有的钥匙，通过判断输入密码的正确与否，同时记录输入错误密码的次数，当3次以上时，门自动锁住，同时向用户发送警告信息。

当主人外出旅游时，可开始红外检测模块，一旦有人非法进入，将通过GSM模块发送信息通知用户，有效的挽回不必要的损失。

本次主要由智能锁模块，舵机模块，GSM手机模块，红外检测模块等部分构成。

运用理论并且结合实际进行了硬件制作，并达到了设计要求。

论文中主要介绍了几个模块和整体的工作方式。

关键字：

智能锁，舵机，GSM手机模块，红外对管，单片机

整体实物模拟装置

目录

摘要I

目录II

第1章绪论3

1.1选题背景3

1.2红外技术的发展历史及应用3

1.3单片机发展历程4

1.4本章小结5

第2章方案设计6

2.1方案设计6

第3章系统硬件设计7

3.1软硬件设计环境简介7

3.2智能锁电路8

3.2.124C02简介8

3.2.2智能锁电路设计10

3.3手机模块电路11

3.3.1TC35i简介11

3.3.2红外对管简介14

3.3.274LS00简介14

3.3.2舵机简介14

3.3.2手机模块电路设计14

3.4单片机控制电路17

3.4.1AT89S52简介17

3.4.2时钟电路与复位电路18

3.5显示电路19

3.5.1SMC1602液晶简介19

3.5.2显示电路设计21

3.7供电电源21

3.7.1电源简介21

3.7.2电源电路设计22

第4章系统软件设计23

4.1系统流程图23

第5章硬件制作与调试25

5.1所用仪器25

5.2焊接与调试过程25

附录：

实物风采26

结论28

参考文献29

致谢30

第1章绪论

1.1选题背景

安全防盗门是人们在布置新家的必备物品。

传统的防盗门存在名为防盗，实则还是让盗贼有机可趁，同时，当钥匙丢失或者不小心给不法分子获得后，其后果不言而喻。

基于这些原因，设计了这款智能安全防盗门。

1.2红外技术的发展历程及应用

自从1800年英国天文学家F·W·赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。

从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。

当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。

其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。

此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。

特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。

目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。

红外技术发展的先导是红外探测器的发展。

1800年，F·W·赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。

1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。

在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。

19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。

它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。

20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。

30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。

40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。

50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。

到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。

在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。

在红外技术的发展中，需要特别指出的是：

60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。

在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。

另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。

1.3单片机发展历程

单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。

随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。

当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。

而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。

事实上单片机是世界上数量最多的计算机。

现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。

手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。

而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。

汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！

单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。

我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影，它主要是作为控制部分的核心部件。

它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。

单片机芯片单片机是靠程序运行的，并且可以修改。

通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。

一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！

但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！

只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！

1.4本章小结

红外线是近年来兴起的高端技术，对红外线设备的设计和研究，对今后生产生活有积极的影响。

防盗门是人们装修购置房屋的必需品。

所以在本文以下内容中我要结合单片机，运用红外对管原理去设计一个基于单片机的安全智能防盗门的方案。

第2章方案设计

2.1方案设计

本设计方案是首先通过密码锁模块（单片机1）输入密码，当密码正确时，同时控制手机模块（单片机2）和红外舵机模块（单片机3）手机模块上的液晶显示“dooropen！

”，同时，舵机控制的模拟门打开。

当密码输入错误并且次数大于3时，密码锁模块控制手机模块发送报警信息给用户，提示房屋可能遭遇盗窃（前提：

用户手机号码已经设定完毕）。

手机模块上另有两个按键，为开门和关门，当主人进入屋内后可通过这两个按键控制防盗门的开闭状态。

同时，模块上集成了红外报警系统，可安装于窗户等窃贼可能进入的地方。

当房屋内无人时，可开启红外报警系统。

此时，时时检测着是否有人非法闯入房屋，一旦非法进入，触发红外检测，通过手机模块发送报警信息给用户，并且同时触发报警灯和报警铃。

（本程序中只检测一次，一旦触发就报警，但再次触发时，不会报警，需复位下，目的是为了防止反复的报警造成资源的浪费。

）

系统设计框图

第3章系统硬件设计

3.1软硬件设计环境简介

软件环境：

本设计主要用Protel电子设计软件进行电子线路的设计，电路原理图见附录1。

Protel电子线路设计软件是在TANGO基础上改进的电路CAD软件，它在原理图文件格式、印制板文件格式、原理图器件库文件格式、印制板封装库文件格式、原理图编译和网络表转换与检查等方面保持了与TANGO版本一致或兼容的前提下，对原TANGO版本做了一些改动。

Protel电子线路设计软件由原理图编辑、印制板设计、原理图输出、印制板输出、原理图器件库编辑和其他应用程序组成。

电路原理图的设计是印制电路板设计中的第一步，也是非常重要的一步。

电路原理图设计得好坏将直接影响到后面的工作。

首先，原理图的正确性是最基本的要求，因为在一个错误的基础上所进行的工作是没有意义的；其次，原理图应该布局合理，这样不仅可以尽量避免出错，也便于读图、便于查找和纠正错误；最后，在满足正确性和布局合理的前提下应力求原理图的美观。

电路原理图的设计过程可分为以下几个步骤：

1、设置电路图纸参数及相关信息

根据电路图的复杂程度设置图纸的格式、尺寸、方向等参数以及与设计有关的信息，为以后的设计工作建立一个合适的工作平面。

2、装入所需要的元件库

将所需的元件库装入设计系统中，以便从中查找和选定所需的元器件。

3、设置元件

将选定的元件放置到已建立好的工作平面上，并对元件在工作平面上的位置进行调整，对元件的序号、封装形式、显示状态等进行定义和设置，以便为下一步的布线工作打好基础。

4、电路图布线

利用Protel所提供的各种工具、命令进行画图工作，将事先放置好的元器件用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，布线结束后，一张完整的电路原理图基本完成。

5、调整、检查和修改

利用Protel所提供的各种工具对前面所绘制的原理图做进一步的调整和修改。

6、补充完善

对原理图做一些相应的说明、标注和修饰，增加可读性和可观性。

7、保存和打印输出

这部分工作主要是对设计完成的原理图进行保存，包括存盘、打印输出等，以供以后的工作中使用。

本设计硬件系统主要由智能锁电路、手机模块电路、单片机控制电路、矩阵键盘电路、时钟电路与复位电路、显示电路、供电电源电路组成。

下面对系统的各组成电路部分一一做介绍。

3.2智能锁电路简介

3.2.124C02简介

24C02是一个2K位串行CMOSEEPROM，内部含有256个8位字节，CATALYST公司先进的CMOS技术实质上减少了器件的功耗，CAT24WC02有一个16字节页写缓冲器，该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。

特性：

●与400KhzIIC总线兼容

●1.8到6.0伏特工作电压范围

●低功耗CMOS技术

●写保护功能：

当WP为高电平时进入写保护状态

●页写缓冲器

●自定时擦写周期

●1,000,000编程/擦除周期

●可保存数据100年

●8脚DIP、SOIC、或TSSOP封装

●温度范围：

商业级、工业级和汽车级

管脚配置

管脚描述：

连接电路图如下：

3.2.2智能锁电路设计

3.3手机模块电路

3.3.1TC35i简介

TC35i新版西门子工业GSM模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块,工作在EGSM900和GSM1800双频段,电源范围为直流3.3～4.8V,电流消耗——休眠状态为3.5mA，空闲状态为25mA，发射状态为300mA（平均），2.5A峰值；可传输语音和数据信号,功耗在EGSM900（4类）和GSM1800（1类）分别为2W和1W,通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。

SIM电压为3V/1.8V，TC35i的数据接口（CMOS电平）通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s～115kb/s,自动波特率为1.2kb/s～115kb/s。

它支持Text和PDU格式的SMS（ShortMessageService,短消息）,可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。

 TC35i由供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口等6部分组成。

作为TC35i的核心基带处理器主要处理GSM终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。

TC35i硬件设计：

TC35i模块有40个引脚，通过一个ZIF（ZeroInsertionForce，零阻力插座）连接器引出。

这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。

TC35i的第1～5引脚是正电源输入脚通常推荐值4.2V，第6～10引脚是电源地。

11、12为充电引脚，可以外接锂电池，13为对外输出电压（共外电路使用），14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻，用于锂电池充电保护控制。

15脚是启动脚IGT，系统加电后为使TC35i进入工作状态,必须给IGT加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms。

16～23为数据输入/输出，分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。

tc35i模块的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-TRS232接口标准。

它有固定的参数：

8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300bps~115kbps之间可选，默认9600。

硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集。

其中18脚RxD0、19脚TxD0为TTL的串口通讯脚，需要和单片机或者PC通讯。

TC35i使用外接式SIM卡,24～29为SIM卡引脚，SIM卡同TC35i是这样连接的:

SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通过SIM卡阅读器与TC35i的同名端直接相连，ZIF连接座的CCIN引脚用来检测SIM卡是否插好，如果连接正确，则CCIN引脚输出高电平，否则为低电平。

  TC35i的第32脚SYNC引脚有两种工作模式，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35i的工作状态，可用AT命令AT+SYNC进行切换，本模块使用的是后一种。

当LED熄灭时,表明TC35i处于关闭或睡眠状态；当LED为600ms亮/600ms熄时，表明SIM卡没有插入或TC35i正在进行网络登录；当LED为75ms亮/3s熄时，表明TC35i已登录进网络，处于待机状态。

30、31、32脚为控制脚，其中30为RTCbackup，31为Powerdown，32为SYNC。

 35～38为语音接口，35、36接扬声器放音。

37、38可以直接接驻极体话筒来采集声音（37是话筒正端，39是话筒负端）

TC35I开发技巧：

模块的供电电压如果低于3.3V会自动关机。

同时模块在在发射时，电流峰值可高达2A。

同时在此电流峰值时，电源电压（送入模块的电压）下降值不能超过0.4V。

所以该模块对电源的要求较高，电源的内阻+FFC联接线的电阻必需小于200mΩ。

单片机通过两根I/O口控制TC35的开关机、复位等，通过串口与TC35进行数据通信，通信速率为9600Kbps，采用8位异步通讯方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位。

TC35模块输入输出的TTL正电平逻辑不是+5V，而是+2.9V，因此必要时加端口保护。

3.3.2红外对管简介

常用的红外发光二极管（如SE303·PH303），其外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93um）。

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Ip，就能增加红外光的发射距离。

提高Ip的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度т，一些彩电红外遥控器，其红外发光管的工作脉冲中空比约为1/4~1/3；一些电气产品红外遥控器，其占空比是1/10。

减小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。

常见的红外发光二极管，其功率分为小功率（1mW~10mW）、中功率（20mW~50mW）和大功率（50mW~100mW以上）三大类。

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。

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一电转换元件，如红外按收二极管，光电三极管等。

实用中已有红外发射和接收配对的二极管。

电路图如下：

3.3.374LS00简介

内部电路图：

功能表：

3.3.4舵机简介

舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。

其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定

位。

位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。

一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。

依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。

舵机为求转速快、耗电小，於是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达。

为了适合不同的工作环境，有防水及防尘设计的舵机；并且因应不同的负载需求，舵机的齿轮有塑胶及金属之区分，金属齿轮的舵机一般皆为大扭力及高速型，具有齿轮不会因负载过大而崩牙的优点。

较高级的舵机会装置滚珠轴承，使得转动时能更轻快精准。

滚珠轴承有一颗及二颗的区别，当然是二颗的比较好。

目前新推出的FET舵机，主要是采用FET（FieldEffectTransistor）场效电晶体。

FET具有内阻低的优点，因此电流损耗比一般电晶体少。

3.3.5手机模块电路设计

3.4单片机控制电路

3.4.1AT89S52简介

AT89S52是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程也可用传统方法进行编程及通8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S52单片机壳提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

a.主要性能参数：

与MCS-51产品指令系统完全兼容；

8K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器；

1000次擦鞋周期；

4.0-5.5V的电压工作范围；

全静态工作模式：

0Hz-33MHz；

三级程序加密锁；

128*8字节内部RAM；

32个可编程I/O口线（P0、P1、P2、P3）；

2个16位定时/计数器，可通过编程实现4种工作方式；

1个具有6个中断源、4个优先级的中断潜嵌套结构；

全双工UART通道；

低功耗空闲和掉电模式；

中断可从空闲模式唤醒系统；

看门狗（WDT）及双数据指针；

掉电标识和快速编程特性；

灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）。

b.各引脚功能：

Vcc：

接+5V电压。

Vss：

接地。

XTAL1：

接外部晶振的一个引脚，在单片机的内部，它是一个反相放大器的输入端，此反相放大器构成了片内振荡器。

XTAL2：

接外部晶体的另一个引脚，在单片机的内部，它是反相放大器的输出端，输入到内部时钟发生器。

当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号。

I/O：

P0、P1、P2、P3，共32根

P0口，8位、漏极开路的双向I/O口；

P1口，8位、准双向I/O口，内部含有上拉电阻；

P2口，8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路；

P3口，8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。

控制线：

共4根

RST：

复位输入信号，高电平有效。

在振荡器工作时，在RST上作用两个周期以上的高电平，便可复位器件。

当AT89S52内部看门狗定时器溢出时，该引脚将输出98个振荡周期的高电平。

EA/\Vpp：

片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。

当EA/接地时，CPU只执行片外存储器中的程序；当EA/接Vcc时，CPU首先执行片内程序存储器中的程序（0000H~0FFFH），然后自动转向执行片外程序存储器中的程序（1000H~FFFFH）。

如果程序锁定位LB1被编程（P），那么EA/值将在复位时由片内锁存。

在与Flash并行编程/校验期间，该引脚施加12V的编程电压Vpp。

ALE\PROG/：

地址锁存允许信号输出。

在CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器时，ALE提供一个地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外锁存器中。

在与Flash并行编程/校验期间，该引脚也是编程负脉冲的输入端。

在正常操作状态下，该引脚端口输出恒定频率的脉冲。

其频率为晶振频率的1/6，可用作外部定时或其他触发信号。

如果需要，可通过SFR的第0位置禁止ALE操作，但ALE的禁止位不影响对外部存储器的访问。

PSEN/：

片外程序存储器选通信号，低电平有效。

当AT89S52执行来自外部程序存储器的指令代码时，PSEN/每个机器周期两次有效。

在访问外部数据存储器时，PSEN/无效。

3.4.2时钟电路与复位电路

AT89S52时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式。

（如图2-4所示）AT89C52中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器