论文总字数：18640字

摘 要

随着交通的越来越方便，住户进出往来频繁，不止居住区，还有学校，工作单位，这样对于安保人员工作愈发沉重。那么现阶段随着科技的发展，开始解放了人，利用单片机、无线电遥控、人体红外模块、步进电机等一些机械电子手段，实现了门禁系统功能

此次利用的是51单片机控制，利用RF315（组件）无线电发射和接收模块和人体红外模块实现数据的采集功能，然后将数据传输给51单片机实现中央处理，最后控制步进电机的正传和反转实现门的开与关这个系统功能。有了这一项技术，可以实现不用身体接触也可以开门关门。这一项技术的发展，可以使得出行更加方便。无线电门禁系统综合了计算机技术，电子技术，传感技术等一些现代科技技术，是许多现代科技的技术的一项综合利用，比如智能家居。这让我们的生活充斥着色彩，也使得社会科技发展。

关键词：无线电控制；门禁系统；人体红外；步进电机

The wireless switch control system

ABSTRACT

As the traffic more convenient, resident in and out of the frequent exchanges, more than residential area, and the school, work units, so for security personnel work more and more heavy. So at this stage with the development of science and technology, began to liberation, microcontroller, wireless remote control, human body infrared module, stepper motors and other mechanical electronic means, to realize the function of entrance guard system

Is the use of 51 single-chip microcomputer control, the use of RF315 (components) radio transmitting and receiving module and function of the human body infrared module to realize the collection of data, and the data transmission to 51 single chip microcomputer to realize central processing, finally control stepping motor of being wild and reverse the door open and close the system function. With this technique, can achieve without physical contact can also open the door closed. The development of a technology, make travel more convenient. Radio access system combines computer technology, electronic technology, sensor technology and some other technology, modern science and technology is one of many of the modern science and technology technology comprehensive utilization, such as smart home. It makes our life full of color, also makes the development of social science and technology.

Keywords: Radio control；The entrance guard system; Human body infrared; Stepper motor

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内、外发展历史和发展前景 1

1.2.1国内、外发展历史 1

1.2.2门禁系统的发展前景 2

1.3本课题的研究内容 3

第二章 总体设计 4

2.1设计思路 4

2.2系统实现的功能和总体结构设计 4

2.2.1系统实现的功能 4

2.2.2系统结构总体设计 5

2.3元器件选型 6

2.3.1单片机的选择 6

2.3.2无线电发射器和接收器 8

2.3.3人体红外模块 9

2.3.4步进电机 9

2.4其他元器件 10

2.5小结 11

第三章 硬件设计 12

3.1无线电接收和发送模块 12

3.1.1发射模块的结构 12

3.1.2发射模块的组成和功能 12

3.1.3接收模块的结构 13

3.1.4接收模块的组成和功能 14

3.1.5系统原理图 14

3.2人体红外感应模块 15

3.2.1人体红外模块的结构和工作原理 15

3.2.2器件功能 15

3.3负载模块 16

3.3.1负载模块组成和作用 16

3.3.2负载模块原理图 17

3.4其他模块 17

3.5小结 18

第四章 程序设计 19

4.1工具软件的介绍 19

4.1.1 Altium Designer 19

4.1.2 Keil uVision 20

4.2程序的框架和程序编码 20

4.2.1程序的框架 20

4.2.2程序系统流程图 21

4.3小结 23

第五章 程序的调试和仿真 24

5.1程序的调试 24

5.2仿真及结果 25

第六章 总结 28

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

门禁系统，我们最早需要他实现的功能是选择性进出，和对强制进入进行报警和记录。门禁系统伴随着人类文明的整个发展史。从最早最早的原始文明时期，其实门禁系统已经存在了。当时人类生产文明发展到有一定的富余，这样有些食物财物的存放出现了困扰，这时候人类想出了用封闭空间的方法或者是门锁的方式进行财务的存储^[1]。门禁也就随之产生了。发展至今，我们的门禁系统越来越高端，越来越方便。

随着社会的日益发展，科技进步越来越快，人口流动越来越大范围越来越广，这样使得我们每一个人的人身和财产安全面临着越来越大的挑战^[2]。这时候门禁系统的优秀性就体现出来了。这时候我们对于门禁的要求就越来越高。

智能门禁系统出现了，这时候对于门禁系统功能就不止步于开关门^[3]。这时候我们需要用一些手段，但是一些传统的机械门锁对于现阶段防盗似乎有一点开始不足。而且用人员看管也不怎么现实。这时候智能化门禁系统就起到了举足轻重的作用。

智能门禁系统，在国外广泛的应用在科技、医疗等地方。使得我们更加安全便捷，无线电门禁系统是门禁系统之中比较具有代表性的，无线电门禁是利用无线电模块，无线电发射和接收模块组成。利用单片机对其进行控制，实现系统功能^[4]。

1.2国内、外发展历史和发展前景

1.2.1国内、外发展历史

1994年我国开始引进RFID射频卡^[5]。RFID经历了一些进化，有接触型和非接触型。这些ID、IC卡现阶段也冲实在我们的生活中，比如说大家熟悉的公交卡，只需要大家轻轻的触碰在上面，就会实现扣款付费的功能。当然用于我们门禁系统中，就需要将卡接触或者不接触，实现门禁系统的功能^[6]。

随着国家经济的快速发展，出现了一些依靠密码的门禁系统。当用户在准备入内的时候，将自己设置的密码输入进系统中，进行身份识别，这样就可以解决有些时候门禁卡的丢失和损毁造成的不便，只需要记住几个数字，就可以安全便捷的出入。

在工作地方门禁IC 卡都已经不只是进出入的凭证，而是拥有考勤身份识别的一些作用了^[7]。

有一些地方对于门禁系统安全性要求比较高，这时候就出现了指纹扫描和虹膜扫描的门禁系统^[8]，这里的门禁系统使得我们安全系数大大增加，只有特定的指纹和虹膜才能识别，因为指纹和虹膜都是每个人独特的，所以除了设置者本人之外没有其他人能够进入。

1.2.2门禁系统的发展前景

门禁系统已经发展了将近20年，早已经不是当年的用钥匙的时代，门禁系统一直都在追赶着科技的脚步，已经形成了一个完整的系统体系。利用计算机，对人们的进出进行控制管理，发展至今，只需要一个手机，就能满足门禁控制的要求。当然未来的发展前景也是十分的可观。

未来的发展趋势大概有：

1. 一卡通，只需要一张卡，可以满足开楼门、连接网络、远程访问网络、考勤等一系列操作。类比一下，以后我们一些证书什么的我们都不需要了，直接一张身份证，又是护照又是驾驶证，生活变得十分的简单，只需要我们强化身份验证系统^[9]，这样我们就可以极大解决一些安全问题。降低很大一部分的运行和成本费用。
2. 利用虚拟卡和实际卡结合的方式，现阶段很多商家都采用了会员制度^[10]。而且利用一些软件进行扣费，很多商家也采用了虚拟卡消费，虚拟卡的应用是因为网络已经充实在生活的方方面面，我们只需要利用互联网，实现身份验证^[11]。然后进行交易，在我们的门禁系统中，只需要我们拥有一个手机，或者一些其他设备，在网络上进行身份核实，这样我的门就会自动的打开。
3. 门禁系统还可以实现人工智能化，在一些美国电影里，主人公进入房门只需要扫描，然后可以进行交流^[12]。人工智能可以解决很多问题，比如开关门，监控温湿度，进行调节。

1.3本课题的研究内容

本课题的名字叫作无线电控制门禁系统，我们要研究的问题是如何利用无线电来控制门禁达到门禁系统功能的要求^[13]。首先要利用无线电发射器和无线电接收器进行遥控，这个课题里面我们额外加入了人体红外模块，同样可以实现我们对于这些的远程操作，同时，利用单片机进行中央控制，利用程序编码，对于一些特定的操作实现动作，我们首先需要熟悉和了解无线电发射模块和接收模块的工作方式，还有类型的选择。其次要对人体红外模块进行系统化深入研究^[14]。紧接着，我们还得了解继电器和蜂鸣器的驱动和连接方法。最后还得了解单片机的使用方法和程序的编写。还有程序的调试和硬件设施的连接。

第二章 总体设计

2.1设计思路

对于我们将要其实现的功能，需要对环节进行一个总体的设计思路。首先我们的目的是使得门开关是由我们的遥控器控制和人体红外模块控制，对于一个标准系统我们需要开关、电源、继电器、蜂鸣器LED灯等一些基础设备^[15]。这里就涉及到继电器的驱动和蜂鸣器的驱动方式。对于继电器采用的是反相器和整流二极管进行驱动。蜂鸣器采用的是三极管驱动。这里开始考虑如何对无线电控制模块的设计，无线电模块中包含着发射器和接收器，接收器的D0~D3引脚需要连接到单片机上。还有的是人体红外该模块。人体红外模块有一个OUT引脚，我们也需要连接到单片机的引脚上。还有接地和接电源的线路的设计^[16]。

2.2系统实现的功能和总体结构设计

2.2.1系统实现的功能

我们使用89C51单片机进行核心控制，利用RF315无线电发射和接收模块和人体红外模块实现数据的采集。然后使得单片机进行中央控制，然后输出作用到步进电机，这样就使得对门开关的一个遥控。首先，发射器里面有一个DIP开关，可以有256组信号密码设置，遥控器上面有ABCD四个按键，按下一个按键之后LED亮起来，这时候需要编码芯片进行转换，转换成为不同的数字信号，再有高频载波发射^[17]。天线接收到无线电载波之后，送去IC进行译码，将其再转变成为数字信号，这样的数字信号在继续到单片机中，单片机进行处理分析，然后对负载进行控制，这样实现了步进电机的转动，之后可以使得门的开与关得到实现^[18]。系统控制需要手动和自动，自动的我们就用人体红外模块，当有人需要进入。此时我们就需要用人体红外模块来感应。红外模块传递信号给单片机，单片机进行处理，然后传递给负载^[19]。

2.2.2系统结构总体设计

首先接通电源我们需要看到的是LED亮起来，继电器和蜂鸣器也需要开始工作，这个时候所有模块都需要处于初始化状态，这个时候我们按下遥控器ABCD四个键之中我们预先设计好的按键代表开门的按键^[20]，比如是A按键，我们只需要按下A，遥控器中就会产生高频载波，这个高频载波如何生成我们将在下一节具体介绍，这里的高频载波将会被接收器接收到，然后经过转化传递给单片机进行处理。单片机处理完之后，传递出开门的信号，给负载，我们这里使用的是步进电机。步进电机接收到单片机传递的信号之后实现正转的操作。这样我们的门禁系统开门这一个操作得到了实现。

有开门这一操作不能实现门禁系统完整性，我们还需要的是关门这一个操作。同样，我们用B代表关的指令。按下B遥控器产生相应的高频载波信号^[21]。接收器接收到高频载波信号，然后经过转换，将转换好的数字信号传递给单片机，单片机经过一系列操作处理，将关闭信号传递给步进电机，步进电机就会进行反转，这样就实现了关门这一个操作。这样一个基本的操作流程就简单的完成了。

图2-1硬件框架图

CPU连接着四个负载如图2-1，人体红外模块、步进电机、继电器和无线电接收模块。CPU收到无线电接收器传来的数字信号，经过处理，传递给继电器和步进电机，这是手动模式的工作顺序。自动模式工作是由红外模块，人体红外模块接收到人体辐射，产生信号，传递给CPU，CPU经过处理，传递作用给步进电机和继电器^[22]。步进电机可以正转和反转，这样子就可以控制门的开关了。

2.3元器件选型

2.3.1单片机的选择

1.单片机的结构介绍

（1）运算器

运算部件又称作算术逻辑单元，英文简称ALU^[23]。算术逻辑单元的作用是将数据进行算数或者是逻辑的运算。给予算术逻辑单元数据的是什么呢？是累加器和寄存器分别给予的两个八位数据。算出来的结果，将赋予累加器。形象的举个例子，比如说我这里有两个数字A和B，此时我们想要将A和B相加，那么在加之前我们需要将A放入累加器中，B 呢放在寄存器里面。实行指令时候，算术逻辑单元将两个数字A B=C将C放入累加器之中，从而取缔了原累加器中的A。

我们简单的汇总了一下运算器的功能：

• 执行用户输入的各种算术运算；
• 执行用户输入的各种逻辑运算，并进行测试。

（2）控制器

顾名思义，控制器就是起到控制作用的一个模块，所有命令都是由其发出，控制器包含程序计数器、指令寄存器、时序发生器、操作控制器和指令译码器等。控制器还起到指挥整个微机系统的作用^[24]。

（3）主要寄存器

主要寄存器有：累加器A、数据寄存器DR、指令寄存器IR、指令译码器ID、程序计数器PC、地址寄存器AR。下面我们分别阐述一下其特点与功能。

• 累加器A

累加器拥有双重功能，而且在微处理器中，累加器A的使用是最为频繁的。在使用之前它可以起到保存操作数的作用，在运算之后，可以用于保存所得之和、逻辑运算结果和差。

• 数据寄存器DR

利用数据总线向输入输出设备接受或发送数据的暂时存储的单元我们叫他是数据寄存器。数据寄存器的作用在于不仅可以保存一条正在译码的指令，还可以保存正在发送往存储器的存储字节。就好似一个行车记录仪。

• 指令寄存器IR和指令译码器ID

指令寄存器是为了将正在执行的指令进行保存处理，当正在执行一条指令的同时，先将它从内存中取出来，然后赋予数据寄存器中，最后将他传送到指令寄存器之中。在系统执行一项指令的时候，先要将操作码进行译码，然后确定所要求的指令的操作，这些功能就是指令译码器负责的^[25]。

• 程序计数器PC

为了程序可以连续不间断的执行，这里我们需要程序计数器告诉我们下一条指令的地址在哪里^[26]。在程序开始之前，先要将第一条指令的内存单元地址放在程序计数器之中，而且要让他始终指向下一条的指令的地址。这样就可以满足我们不间断的执行指令。

• 地址寄存器AR

为了保存目前CPU要访问的I/O设备地址和内存单元。由于内存和CPU有着速度上的差异，因此地址存储器就可以先把地址信息存储下来，等待内存读写完成，然后再继续执行指令。

2.单片机的类型

1. ATMEL单片机

AT89、AT90这两款是ATMEL公司开发的两款8位单片机。AT89与8051单片机相互兼容。拥有标准型、高（低）档型三种静态时钟模式。AT90就是全静态工作方式，增强了RISC结构，内部还载有在线可编程的FLASH，这是一款性能比较优秀的单片机。

1. MCS—51单片机

由INTEL公司开发的8位单片机，有一个著名的单片机，就是8051。8051拥有高性能的CPU、128KB的RAM和4KB的ROM、5个中断源、32根I/O线、两个16位的定时器。MCS单片机是目前应用最多的单片机机种，它用于很广泛的领域^[27]。

1. PIC单片机

体积小、功耗低、抗干扰性能好、可靠性好、模拟接口较强代码保密性较好、有大部分兼容FLASH程序存储器的芯片。

3.单片机选择

这里我们就使用AT89C51，这款单片机比较常见，使用也很简单，挑选他，我们考虑到以下几个方面，兼容、性能、便捷度。

首先我们知道89C51单片机和MCS1系列是兼容的，存储数据可以保存10年，静态工作，RAM是128*8位，全双工串行通道，有可编程的I/O线32条，16位的计数器有两个，在单片机空闲的时候，单片机保持低功耗和掉电状态。

AT89C51单片机拥有很好的稳态逻辑，拥有两种掉电模式。保存RAM，静止其他芯片功能，冻结振荡器的使用。

如图2-2：

图2-2 AT89C51的引脚排列

2.3.2无线电发射器和接收器

1．发射器的要求

发射器有红外遥控和超声遥控以及无线电遥控对于我们所需要的控制来说，只是离地面大概2米左右。对于遥控器的输出功率，我们只要保证输出的功率稍微大于一点实际的输出功率。发射模块我最终选择的是HT12D接收模块。

2．接收器的要求

选择性要好，首先空间之中有很多种类的遥控信号，我们需要从中删选出来， 这个就需要我们接收器发挥作用了，我们需要有选择的删选出我们所需要的遥控信号。

灵敏度高，有些时候我们因为遥控距离比较远，需要我们对接收器的灵敏度要求比较高，如果噪声比较大的话，我们的接收器就不能继续工作了。这里还需要一定的信噪比。

稳定性要好。在这个大环境之下，有很多环境因素的干扰，这里我们需要稳定性比较好，降低我们湿度温度对工作的影响。接收器我们使用的是RF315无线电接收模块

2.3.3人体红外模块

1.人体红外模块的选取

这里我选取的是HC-SR501人体红外传感器。

2. 技术参数： 

• 工作电压:DC5V-20V
• 静态功耗:lt;50微安
• 电平输出:高3.3V;低0V
• 延时时间:可制作范围零点几秒到十几分钟
• 封锁时间:可制作范围零点几秒到几十秒 
• 感应范围:7m以内
• 工作温度:-15- 70度

2.3.4步进电机

单片机使用的是5V电源，步进电机我们就选择通用直流电机，它利用电路将直流电转化成为分时、多相位时序控制电流。这种类型的电流才能供给步进电机，使得步进电机可以正常持续工作。

2.4其他元器件

完成无线电门禁系统，我们不光需要上面那些模块，我们还需要一些小器件并、串联成一个个线路。我们对于继电器的驱动就需要两个整流二极管两个10k电阻两个1k电阻。模拟路径尽头开关也需要两个1k的电阻。驱动蜂鸣器需要一个330欧的电阻、一个发光二极管、两个三极管、一个1k电阻。图2-3为实物展示。

图2-3 实物展示

表2-1元器件明细表

2.5小结

首先我们对系统进行一个总体设计，规划了一个设计思路，在这里我们使用了RF315无线电接收模块和HT12D无线电发射模块，进行发送和接受无线电载波，由单片机进行处理传出数字信号，作用于负载，实现功能。

第三章 硬件设计

3.1无线电接收和发送模块

3.1.1发射模块的结构

如图3-1遥控器中包含着：按键、HT12E编码器、DIP开关密码设置、高频载波控制电路。

图3-1遥控器原理图

编码芯片我们用的是HT12E，经过编码芯片转换，成为数字信号。

3.1.2发射模块的组成和功能

无线电遥控器的发射电路一般包含主振电路、放大电路、编码与调制电路、射频的输出等电路的组成。

1. 主振电路

主振电路生成载波信号，需要采用正弦波振荡器。使用石英晶体来稳定频率，会使得更加稳定，因此要使用晶体振荡器。

1. 中间放大环节

对载波进行放大，推动高频功率放大器来进行工作。

1. 功放输出环节

功放输出说简单一些就是对载波信号进行放大，而且利用LC过滤除掉谐波。这里如果是用的是红外遥控器的话，那么他将会使用的是脉冲红外载波，这样比较适合他获取比较大的发射功率。

1. 高频功率放大环节

主振级输出的载波不能满足遥控的要求，那么需要我们使用的是高频功率放大器来进行放大，这样就可以实现发射距离的要求。

编码

为了使得信息传递拥有保密性和准确性，这样我们需要编码器帮助我们，编码器有二、五、八、十六、二十一进制来进行编码。二进制比较常用，这样编码器既可以实现多通道。又可以实现高可信度和抗干扰性^[28]。

1. 调制环节

将编码信号进行调制，调制成为高频载波信号。这样有利于传输遥控命令信号。

3.1.3接收模块的结构

如图3-2接收器中包含着：高频接收电路、解码器HT12D、DIP开关密码设置、单片机89C51控制。

图3-2接收器的原理图

3.1.4接收模块的组成和功能

遥控接受总共就有：接收天线、放大环节、解码电路、驱动、负载。

1. 接受天线

将感应载波信号，然后进行选择，选出我们最需要的无线电载波信号。

1. 放大环节

接收到的无线电载波信号比较微弱，那么就需呀我们利用放大环节进行多级放大和功率的放大功能，来满足我们需要执行电路的要求。

1. 解码电路

发射器中有编码器编码载波信号，那么接收器中也需要配套的解码器，这样就可以准确的将已经放大了的载波信号转换成遥控命令信号。

1. 驱动执行

执行遥控命令。对负载和其他设备进行操作。

1. 负载

负载就是我们的实行方，比如说遥控门中的步进电机，比如说，家用电器中的各种电机。

3.1.5系统原理图

这个包含着我们无线电发射器，和无线电接收器，如图3-3，为了更加方便，我们必要要有一些条件，数字编码和译码必须要相同相通，还有一点就是发射端和接收段的高频载波频率需要一样。我们使用的高频工作频率大概固定为315MHz。

图3-3无线电模块电路

3.2人体红外感应模块

3.2.1人体红外模块的结构和工作原理

人体红外感应模块内含：感应IC芯片、菲聂耳透镜、热释电元件。人体一般有恒定的37度左右的体温，然后会发出10um左右的红外线。这个10um的红外线经过菲尼尔滤光片，菲尼尔滤光片将其增强然后聚焦到热释电元件上面，这个热释电元件就会因为接收红外辐射，而导致温度变化，温度变化就导致了电荷的不平衡，然后向外释放电荷，产生后续信号。

3.2.2器件功能

1. 菲涅尔透镜

菲涅尔透镜的功能：一是汇聚光线，将信号汇聚到热释电源上，第二个作用是将探测区域内分区，将其分成光暗区和光明区，使被检测的对象可以形成有序的电波。

1. 热释电元

两个热释电元进行串联或者并联，只要可以让两个电极方向相反，这样互相抵消，在相同的环境下就不会有信号的输出。但是一旦有检测对象出现，两个热释电元就会产生不一样的电流，这样子就可以起到监控作用。

3.系统原理图

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