基于單片機的宿舍門閂系統改造

摘" 要：鑒于學校宿舍門是用門閂上鎖，學生出入行走不便，為此設計一款以89C52單片機為控制器、RFID-RC522為門禁感應裝置、舵機為執行機構的宿舍門禁系統。通過構建系統設計方案、選擇硬件模塊，對各模塊進行相應的程序設計，完成門閂系統的改造。設計的系統可實現錄卡、消卡、陌生卡報警功能。不但可以使用校園卡，還可將卡片信息通過NFC寫入手機，實現手機開門。經過測試驗證，該裝置實現內外簡便電動開門，極大地方便學生出入。

關鍵詞：單片機;舵機;宿舍;門閂;系統改造

中圖分類號：TP23" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0127-04

Abstract： In view of the fact that the door of the school dormitory is bolted， it is inconvenient for students to get in and out. For this reason， a dormitory access control system is designed with 89C52 Micro-controller Unit （MCU） as the controller， RFID-RC522 as the access control device and steering gear as the actuator. Through the construction of the system design scheme， the selection of hardware modules， and the corresponding program design of each module， the transformation of the latch system is completed. The designed system can realize the alarm functions of recording card， eliminating card and stranger card. Not only the campus card can be used， but also the card information can be written into the mobile phone through NFC to open the door of the mobile phone. After testing and verification， a simple internal and external electric door opening device is realized， which greatly facilitates the entry and exit of students.

Keywords： Micro-controller Unit （MCU）; steering gear; dormitory; door latch; system transformation

學校學生的宿舍門是老式的門閂結構，無法實現里鎖外開，這就常常導致一個人出去了，門內鎖了，如要進去，需要里面的同學拉動門閂進行開門，日常出入很不方便。鑒于此，學生利用所學專業知識，對宿舍門閂系統進行改進設計。

1" 設計方案

門禁系統中執行機構選用舵機，控制單元選用89C52單片機，采用紅外傳感器，感應門的開合狀態。89C52控制單元在接收到信號處理后，輸出PWM脈沖信號，舵機根據脈沖信號的脈寬實現角度的變化，轉動一定的角度，帶動傳動機構，使驅動門閂處于開啟或閉合狀態。

此種設計簡單，對傳統門的改造程度小，加入一個剛性傳動桿即可實現門閂與舵機的聯結?？刂品绞胶唵危瑑H需要輸出一定的脈寬信號，即可實現電動機的轉動，成本小，易于實現。圖1為簡易門閂系統控制框圖。

2" 控制系統模型及模塊的選用

控制系統實物模型設計如圖2所示。

系統設計中，電源模塊選用2節18650鋰電池，采用線性穩壓器，輸入+7.2 V直流電壓，經過DC-DC穩壓器輸出+5、+3.3 V電壓。DC-DC電路結構圖如圖3所示。DC-DC穩壓器采用AMS117-3.3 V、AMS117-5 V芯片，電壓經過調整可以輸出3.3 V穩定電壓，供給RFID-RC522射頻模塊;5 V穩定電壓供給52單片機、紅外感應模塊、按鍵聲光報警模塊和舵機。

射頻模塊采用RC-522。RC522利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。模塊引出了8個管腳供用戶使用。將RFID-RC522模塊與52單片機最小系統板接口相連。表1為接口分配。

紅外感應模塊選用TCRT5000紅外傳感器，采用74HC14芯片。74HC14是一款高速CMOS器件，實現6路施密特觸發反相器，可將緩慢變化的輸入信號轉換成清晰、無抖動的輸出信號。當TCRT5000紅外信號得到反射的時候，信號輸出為1，LED燈亮;當紅外信號沒有受到阻擋反射的時候，電位信號輸出為0，LED燈滅。紅外感應模塊輸出接入單片機P2.6接口。

聲光報警、按鍵模塊中，為了能夠人為控制系統，改變其控制單元執行的程序及辨別控制器的狀態，需要外加蜂鳴器、LED燈對系統狀態進行提示，外加4個按鍵對系統進行控制。為了簡化系統，將聲光報警模塊和按鍵模塊集成在一個萬用板當中，聲光報警模塊選用5 V有源蜂鳴器，使用9012三極管，控制三極管基極，當控制信號為0時，三極管導通，蜂鳴器響，LED燈亮;當控制信號為1時，三極管關斷，蜂鳴器不響，LED燈滅。4個按鍵一端接地，當按鍵按下的時候，拉低單片機對應引腳的信號，使其變為0。4個按鍵對應的功能分別為：按鍵一（控制刪除卡片信息）、按鍵二（啟用刷卡功能）、按鍵三（讀入卡片信息）、按鍵四（跳過射頻模塊直接啟動舵機）。焊接后的實物圖如圖4所示。在焊接的時候，為防止蜂鳴器短接，并且為了方便焊接，特此，將5 V接口焊在蜂鳴器附近，使控制信號與地之間空一位，防止焊接手藝不精導致短接。

執行機構采用舵機（MG996R）。舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器， 在航天、航海、工業機器人等方面廣泛應用，其主要是由外殼、電路板、驅動馬達、減速器與位置檢測元件構成，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統。將舵機與常見的球頭、拉桿等與門閂組成聯動結構，圖5為門閂傳動結構實物圖。

3" 系統軟件設計

控制系統軟件設計中包括了RFID-RC522射頻卡的通信程序設計、舵機控制程序設計、紅外感應程序設計、按鍵程序及聲光報警程序等。

射頻卡的通信，是應對復位應答、防沖突機制、卡片選擇等方面進行代碼編程。其通信流程及代碼可由相應型號官方手冊查到。

舵機控制程序設計：啟用單片機的定時器產生脈沖，通過改變脈沖信號的數值改變脈寬，用單片機內部的定時器產生舵機啟動所需要的脈沖信號。

舵機程序如圖6所示。

紅外感應程序設計：紅外感應模塊對單片機控制系統輸出信號0或1，當探測到紅外信號被反射回來（即門被關閉），則紅外模塊輸出為1;當無法探測到返回的紅外信號（即門被打開），則紅外模塊輸出為0。由此判斷紅外感應裝置的信號即可。

按鍵程序：為了消除抖動，在按鍵程序中加入延時，在按鍵按下的時候等待20 ms再判斷一次是否按下，這樣能有效地防止按鍵抖動或者是靜電導致的按鍵誤動作。

程序如圖7所示。

聲光報警程序：由于聲光報警模塊集合為一個模塊，在驅動蜂鳴器的同時也可以驅動LED燈，因此僅需一個程序即可實現聲光雙控。

刪除存儲信息功能程序：設置按鍵一，刪除全部數據。程序如圖8所示。

讀寫卡功能程序如圖9所示。

初始化程序如圖10所示。

除上述程序外，還需設計RFID運行程序、主程序等。主程序是通過掃描紅外感應裝置和按鍵的狀態，識別外部信號的輸入，通過if語句，對紅外感應裝置和按鍵狀態進行判斷，當系統識別到任一條件吻合時，即實現該項功能，主程序流程框圖如圖11所示。

4" 實物模型調試

接通電源，指示燈亮起，程序開始運行，按下刷卡按鈕，程序進入錄入信息功能，將通行卡錄入進去后，首先蜂鳴器會響1聲，等待1 s后連響2聲，拿開卡片，響1聲信號亮1下，完成卡片信息寫入，表示通行卡錄入成功，接著按下讀卡鍵進入讀卡程序。

將錄入的通行卡放到感應器上，芯片收到通行卡的信號后，信號燈亮起，蜂鳴器響1聲，然后舵機動作，完成開門操作。此外，除了用通行卡開門，還可以通過長按開門鍵來完成開門操作。等待2 s后，信號燈亮起，蜂鳴器響1聲，然后舵機動作，完成開門操作。

當紅外感應器感應到門處于合上的狀態時，芯片收到紅外感應器的信號，信號燈亮起，舵機動作，完成關門操作。按下刪除鍵，所有信息清除，回歸初始化。

系統實現的功能：①正常刷卡使用功能;②刪除卡片信息功能，即卡片靠近控制器，按下刪除按鈕，蜂鳴器響1聲，Led燈閃亮1次，刪除存儲的卡片信息;③陌生卡報警功能，即刷卡后，如控制器無卡片信息，LED燈閃亮3次，蜂鳴器響3次，提醒用戶該卡為未錄入信息卡;④錄卡功能，即按下按鍵三，LED燈閃亮1次，蜂鳴器響1聲，可錄入卡片信息，放上卡片，檢測到有卡，蜂鳴器響1聲，LED燈閃亮1次，等待1 s，隨后蜂鳴器響2聲，LED燈閃亮2次，錄入卡片信息，拿開卡片，蜂鳴器響1聲，LED燈閃亮1次，即完成信息錄入，按下按鍵二，退出錄卡模式，進入正常運行模式，刷卡即可開門;⑤按下按鍵四，門內用戶可以直接開門，當門打開時，紅外感應門開啟，舵機不動作，當門閉合時，紅外感應器檢測到門關閉，舵機動作上鎖。

5" 結束語

經過測試，系統能夠正常運轉，實現預期目標，可以很方便實現內鎖外開。還可將卡片信息通過NFC寫入手機，實現手機開門，出行人員只需要帶一部手機即可完成開門，解決了出行人員容易忘記帶鑰匙的問題。而且也可以通過寫入的功能，將校園卡信息寫入，使其成為開門的鑰匙。經過改造的門閂系統，極大地方便了宿舍人員的出入。

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