基于51单片机的智能门铃设计正式版.docx

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基于51单片机的智能门铃设计正式版

本科毕业设计（论文）

（2012届）

论文题目基于51单片机的智能门铃设计

（英文）TheDesignofSmartdoorbellbasedon51single-chip

所在学院电子信息学院

专业班级电气工程与其自动化

学生学号

指导教师职称

完成日期2012年月日

基于51单片机的智能门铃设计

2012年4月

摘要

随着科技的发展，智能门铃在生活中会越来越多，智能门铃替代门铃的主要方式有智能识别与无线通信功能。

无线门铃的英文名称是wirelessdoorphone或wirelessdoorbell，又称无线遥控门铃或遥控门铃。

无线门铃是利用民用无线技术（Zigbee、WIFI、蓝牙、2.4G等）开发出来的一类门铃。

一般的无线门铃有效传输距离约40米。

近年来采用2.4G频率无线传输视频或语音信号，传输距离在无障碍环境下传输距离可达400米。

无线门铃不需要布线，安装简单灵活，但是传输距离受传输距离和现场环境影响较大。

有线门铃正好与之相反。

本课题采用传统的电路设计方法，为设计智能门铃系统，首先从单片机外围电路、红外热释传感器电路、LED数码管电路、RS485通信接口电路以与电源供电电路对系统的硬件进行了设计；然后从主程序结构，显示程序与串行通信程序等方面介绍了智能门铃的软件设计；最后总结设计的经验与教训，进一步认识设计的不足方面。

关键词：

单片机；A/D转换；LED数码管；智能门铃

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,intelligentdoorbellinlife,moreandmoreintelligentidentificationandwirelesscommunicationcapabilities,themainwayofthesmartthedoorbellalternativedoorbell.TheEnglishnameofthewirelessdoorbellofwirelessdoorphone,orofwirelessaffordancesarealsoknownasawirelessremotecontroldoorbell,ortheremotecontroldoorbell.Thewirelessdoorbellistheuseofcivilianwirelesstechnology（Zigbee,WIFI,Bluetooth,2.4G,etc.）developedadoorbell.Thewirelessdoorbelleffectivetransmissiondistanceofabout40m.Inrecentyears,usingthe2.4Gfrequencywirelesstransmissionofvideoorvoicesignals,thetransmissiondistancetransmissiondistanceupto400metersinabarrier-freeenvironment.Wirelessdoorbelldoesnotrequirewiring,installationissimpleandflexible,butthetransmissiondistancebythetransmissiondistanceandon-siteenvironmentalimpact.Wireddoorbelljusttheopposite.

Thistopicusingthetraditionalcircuitdesignmethodforthedesignofintelligentdoorbellsystem,thefirstsingle-chipperipheralcircuits,infraredpyroelectricsensorcircuit,LEDdigitalcontrolcircuit,RS485communicationinterfacecircuitandpowersupplycircuit,thehardwareofthesystem,thedesign;fromthemainstructure,proceduresandserialcommunicationprogramintroducesthesoftwaredesignofintelligentdoorbell;sumupexperiencesandlessonsofthedesign,andabetterunderstandingofthedeficienciesinthedesign.

KeyWords:

MCU；A/Dconversionchip；LED；Intelligentdoorbell

1引言

1.1本课题的研究意义与背景

随着电子技术、微电子技术的飞速发展，微型计算机发展很快，单片机技术成为自动控制技术的核心之一。

单片机作为计算机的一个独特的分支，它是在一块芯片上集成了多种功能部件所构成的一台完整的、具有一定功能的单片微型计算机。

它打破了典型微型计算机按逻辑功能划分芯片结构的传统概念，以其体积小，功能强，性能价格比高等优点广泛应用于诸多领域，如工业控制系统、智能化仪表、数据采集系统等，单片机技术的开发和应用水平已逐渐成为一个国家工业发展水平的标志之一。

智能门铃区别于普通门铃，在于它的智能化，相比其他门铃，增加了人员识别，密码解锁，无线等功能。

无线门铃的英文名称是wirelessdoorphone或wirelessdoorbell，又称无线遥控门铃或遥控门铃。

无线门铃是利用民用无线技术（Zigbee、WIFI、蓝牙、2.4G等）开发出来的一类门铃。

一般的无线门铃有效传输距离约40米。

近年来采用2.4G频率无线传输视频或语音信号，传输距离在无障碍环境下传输距离可达400米。

无线门铃不需要布线，安装简单灵活，但是传输距离受传输距离和现场环境影响较大。

有线门铃正好与之相反。

1.2智能门铃的设计要求

可靠性：

系统应保证长期安全的运动。

系统中的硬软件与信息资源应满足可靠性设计要求。

安全性：

系统应具有必要的安全保护和措施。

抗干扰性：

系统应具有较强的抗干扰性，对各类用户的误操作应有提示或自动消除能力。

适应性：

系统应对不断发展和完善的统计核算方法、调查方法和指标体系具有广泛的适应性。

可扩充性：

系统中的硬软件应具有扩充升级的余地，不可因硬软件扩充、升级或改型而使原有系统失去作用。

实用性：

注重采用成熟而实用的技术，使系统建设的投入产出比最高能产生良好的社会效益和经济效益。

先进性：

在实用的前提下，应尽可能跟踪国外最先进的计算机硬软件技术、信息技术与网络通信技术，使系统具有较高的性能指标。

易操作性：

贯彻面向最终用户原则，使用户操作简单直观，易于掌握。

1.3研究的主要容

本课题旨在设计一个智能门铃系统，具有人员识别功能，按键解锁等功能，还可以进行无线信号传输，实现智能无线门铃系统设计。

实现功能如下：

能够根据门铃前是否有人，来决定门铃想闹时间，当人走开始，门铃自动停止响闹；能够通过按键进行人机交换信息；能够通过天线进行远程响闹等。

论文的主要安排如下：

第一章，介绍课题研究背景，门铃设计准侧等，最后总结了研究容。

第二章，系统总体设计，以与各部分选型设计。

第三章，系统具体硬件设计，包括单片机外围电路设计，显示电路设计，红外采集电路设计等等。

第四章，系统软件设计，系统总体流程图设计，采集软件设计，按键扫描与LED数码管显示等。

第五章，系统调试。

第六章，总结。

2智能门铃的设计方案

2.1系统的方案分析

图2.1智能门铃的结构框图

如图2.1所示，本系统包含AT89C51单片机与其控制电路，红外数据采集模块（红外热释与ADC0809），显示电路，以与远程数据传输模块，与门铃。

单片机与其控制电路：

主要实现各部分电路控制，以与数据核心处理。

远程数据传输模块：

主要实现门铃信号进行远程数据传输。

LCD电路：

主要提供信息提示等。

门铃：

实现通报功能。

2.2单片机的选型

在本设计中单片机是系统的控制核心，因此，单片机的选择，对于所设计系统的实现以与功能的扩展有着很大的影响。

单片机种类很多，在众多51系列单片机中，较为常用的是ATMEL公司的AT89C51单片机。

AT89C51片4KROM是Flash工艺的，使用专用的编程器自己就可以随时对单片机进行电擦除和改写，片有128字节的RAM。

AT89C51已满足本次设计的要求，同时我们对于这个单片机芯片也较为熟悉，因此，在本次设计中选用了ATMEL公司的AT89C51单片机。

2.3热释红外

本文采用RE2000B构成热释红外传感器，热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。

在每个探测器装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。

由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头的场效应管放大后向外输出。

为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10——20米围人的行动。

2.4显示方案

（1）七段LED数码显示

在单片机系统中，发光二极管（LED）常常作为重要的显示手段。

LED显示器部由7段发光二极管组成，因此亦称之为七段LED显示器，由于主要用于显示各种数字符号，故又称之为LED数码管。

每个显示器还有一个圆点型发光二极管，用于显示小数点。

但其显示并不是很直观，同时编程相对复杂，可显示字符比较少。

（2）液晶显示模块芯片

LCD为英文LiquidCrystalDisplay的缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。

在实际应用中，用户很少直接设计LCD显示器驱动接口，一般是直接使用专用的LCD显示驱动器和LCD显示模块。

其中，LCD显示模块LCM（LiquidCrystalDisplayModule）是把LCD显示器、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构成一个整体，作为一个独立的部件使用，具有功能较强、易于控制、接口简单等优点，在单片机系统中应用较多。

而本次选择的12864液晶，具有成本低廉、易于控制、接口简单等优点，已经成为单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。

2.5A/D转换方案

A/D转换采用ADC0809。

ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

3硬件设计

3.1硬件设计

根据上述的芯片资料和方案的对照考虑，确定基于51单片机的智能门铃设计，如图3-1所示。

图3-1智能门铃电路图

在设计中，用了两个主要元件：

控制芯片AT89C51单片机和模拟数字转换器ADC0809。

其中控制芯片AT89C51单片机的控制功能能满足电路功能实现的要求，它主要实现两个功能：

1.通过P3.0、P3.3对ADC0809的引脚START和EOC的控制来实现模拟数字转换器ADC0809的转换开始和结束，并通过P3.2对输出允许信号OE的控制实现控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据；最后在模拟数字转换结束后通过P1口从ADC0809的数据输出线D7-D0把数据采集进来。

2.通过P0口把采集进来的LCD12864显示，并通过P2进行控制LCD进行动态显示。

另外模拟数字转换器ADC0809实现的功能就是完成对采集进来的模拟信号的数字转换。

电路中，利用ADC0809的IN0口将模拟数据采集进来。

ALE地址锁存允许信号和START转换启动信号分别与单片机的P3.3与P3.0连接，以实现对它的控制；进行A/D转换时，采用查询EOC的标志信号来检测A/D转换是否完毕，若完毕则把数据通过P1端口读入，经过数据处理之后在LCD上显示。

3.2AT89C51单片机

89C51系列单片机最早是由Intel公司开发和生产的，Intel公司在1980年推出MCS-51单片机，也称89C51单片机。

AT89C51单片机是ATMEL公司1989年生产的产品，ATMEL率先把89C51核与Flash技术相结合，推出轰动业界的AT89系列单片机。

本设计采用ATMEL生产的MCS-51系列的AT89C51单片机芯片作为主芯片。

MCS-51单片机所占的市场分额很大，在单片机领域影响力很大，几十年居于单片机领域领头羊地位，其产品大量作为单片机教材例使用。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该单片机片含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.2.1AT89C51的引脚

图3-2为AT89C51的引脚图。

图3-2AT89C51芯片引脚

40只引脚按照其功能来分，可分为3类：

（1）电源与时钟引脚：

Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。

（2）控制引脚：

PSEN、ALE、EA、RESET。

（3）I/O口引脚：

P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。

3.2.2AT89C51的时钟电路

在AT89C51芯片部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。

在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间的时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。

时钟电路如图3-3所示。

a）内部时钟b）外部时钟

图3-3AT89C51时钟电路

3.2.3AT89C51的复位电路

复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。

RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续时间24个振荡脉冲周期以上[6-7]。

复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。

复位电路如图3-4所示。

图3-4AT89C51复位电路

3.3ADC0809电路

3.3.1A/D转换器芯片ADC0809简介

ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

ADC0809的引脚图如图3-5所示。

图3-5ADC0809引脚图

1、ADC0809的部结构

ADC0809的部逻辑结构图如图3-6所示。

图3-6ADC0809部逻辑结构

图3-6中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。

地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表3-1为通道选择表。

表3-1通道选择表

2、信号引脚

ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图3-5。

对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：

IN7～IN0——模拟量输入通道

ALE——地址锁存允许信号。

对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

START——转换启动信号。

START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。

本信号有时简写为ST.

A、B、C——地址线。

通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。

其地址状态与通道对应关系见表9-1。

CLK——时钟信号。

ADC0809的部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。

通常使用频率为500KHz的时钟信号

EOC——转换结束信号。

EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。

使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

D7～D0——数据输出线。

为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。

D0为最低位，D7为最高

OE——输出允许信号。

用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

Vcc——+5V电源。

Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。

其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）.。

3.3.2MCS-51单片机与ADC0809的接口

ADC0809与MCS-51单片机的连接如图3-7所示。

图3-7ADC0809与MCS-51单片机的连接电路

电路连接主要涉与两个问题。

一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。

模拟通道选择信号A、B、C分别接P2.0、P2.1、P2.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.3控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H～0FEFFH。

START信号接由P2.4控制。

因为ADC0809可直接在2MHZ的时钟频率下工作，所以利用单片机的30脚ALE的输出2MHZ作为CLOCK信号。

（单片机的晶振接12MHZ）

另外参考电压直接利用本系统的Vcc，因此要求Vcc为标准的5V电压。

3.4热释红外电路

红外线是一种光线，是太线中众多不可见光线中的一种，具有普通光的性质，可以以光速直线传播。

红外线由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射（Infraredradiation）。

红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm之间。

随着科学技术的发展，红外线越来越广泛的应用于通讯、军事、航天、医疗、考古、天文、探测等科学领域，即使在日常生活和农业生产中也广泛应用到红外技术。

如红外线取暖器、红外自动干手器、红外线报警器、远红外粮食烘干等。

热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。

它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。

将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。

本文以热释电红外线传感器RE200B为例，介绍它在报警电路中的应用。

3.4.1热释红外线传感器RE200B

RE200B采用TO-5封装形式如图3-8所示，正常工作直流电压3-10V；信号输出电压最小值2.5V，典型值4V；噪声输出电压最大250mV,典型值90mV，频率响应0.3Hz—3Hz，增益±10Bb。

该传感器探测围平视角138度，仰视角125度。

如图5所示。

在传感器前安装菲涅尔透镜可以增大探测围，增强传感器工作的稳定性。

此传感器工作在7—14um的红外光谱之间。

正常工作周围环境温度围-300--700,储存温度-400—800。

为了防止传感器工作失灵,防止传感器丢失其物理特性,切勿将传感器置于以下情况或环境中:

1、在温度快速变化的环境中。

2、在强烈震动的环境中。

3、在浓雾环境或者干扰传感器接收红外线的环境中。

4、在有流动的腐蚀性气体或海风的环境中。

5、暴露在直射的环境中。

6、暴露在热风或有热源的环境中。

图3-8TO-8封装图

3.4.2菲涅尔透镜

菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。

当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。

3.4.3电路组成框图

该报警器主要由红外传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路，如下图所示：

图3-9红外热释传感器电路

3.4.4电路结构组成与原理分析

热释红外线传感器RE200B是接收人体发出红外线的核心元件，是整个电路的信号接收部分。

该传感器放在不同的防区域，一旦有人闯入防区域，传感器输出感应到的信号，送入下一级电路。

如图3-9所示。

第一级主要由元件VT1、R2和R3组成单管共射放大电路。

由RE200B输出的信号由电容C1耦合送到VT1的基极。

第二级主要由元件IC2A、R4、R7、R8、C2、C3和C4组成高增益、低噪声的同相比例运算放大电路，该电路具有共模输入电压高、输入电阻高、输出电阻低的特点。

电压比较电路主要由元件IC2B、R10、R11、R12、C5和VD1组成。

图3-10红外热释传感器电路具体组成

3.5显示电路

目前，液晶显示模块与单片机的连接一共有四种方法：

8位并行、4位并行、3位串行和2位串行。

其中用得比较广泛的是8位和3位串行，下面就分别介绍一下这两种方法。

8位并行法首先使用AT89S52单片机的8个I/O口（如P1.0-P1.7）分别与MS12864RLCM的8位数据口（DB0-DB7）相连，构成数据数据传输通道。

另外单片机还需3个I/O口分别与LCM的读/写选择口（R/W）、数据/命令选择口（D/I）、使能信号输入口（E）连接。

这种接法的优点是编程简单，易于单片机控制，缺点是单片机需要太多的I/O口与LCM连接，不适合在I/O口使用紧的情况。

3位串行法只需用单片机的3个I/O口分别与LCM的片选输入口（CS）、串行数据口（