基于51单片机的城市书房智能门控系统
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摘 要：随着现代社会的发展，人们的精神境界不断提高，本文立足于城市书房，设计了基于51单片机的智能门控系统。通过超声波测距模块控制门的开合，DS1302时钟芯片显示时间，方便市民进出与作息调整。同时，设立了工作人员管理模式，将矩阵键盘与EEPROM存储模块相结合，以输密码的形式控制超声波模块的打开与关闭，方便工作人员管理。
关键词：单片机;智能门控;超声波测距;城市书房
一、绪论
随着社会经济的不断发展，对于大部分人而言，不再过分担心温饱问题，对物质生活的追求也逐渐被对精神世界的追求取代。在这样的大背景下，作为城市文明象征的图书馆也在适应着人们心理上的变化，许多地区的图书馆都开始设立24小时开放的城市书房，以满足市民们对精神文明的追求。
基于这种现状，如何有效地解决市民进出与工作人员管理成为了新的问题。本文通过对门控系统进行设计加以解决。
二、设计概述
项目自动门控制分为两个部分：市民自由进出状态，工作人员管理状态。
设定的环境为：超声波测距模块安装在大门合适高度处，主控芯片STC89C52与DS1302时钟芯片，4*4矩阵键盘等为一个整体安装在书房内合适位置处。
（一）市民自由进出状态
在此状态下，书屋内通过STC89C52驱动DS1302芯片在数码管上显示当前时间，超声波测距模块正常工作，当检测到有人通过且距离小于30cm门自动打开，5s后门自动关闭。
（二）工作人员管理状态
自动门检测到有人经过，门打开。工作人员进入后，按下书屋内矩阵键盘的密码输入按钮，显示页面停止显示时间并进入等待密码输入界面，密码输入完成后按下确认键，超声波测距功能关闭，此时如有人想要进入门并不打开。
工作人员完成工作后，再次输入密码，超声波测距功能打开，进入自由进出状态。
在输密码过程中如输入的密码与存储不一致在EEPROM特定地址内的密码，超声波测距功能并不关闭。
此外，在矩阵键盘上有一个设置键是用于修改密码的，当按下此键后就进入等待输入旧密码显示界面，旧密码输入完成后按下确认键，进入新密码输入状态。新密码输入完成后按下确认键完成新密码设置。再修改密码完成之前按下退出键回到时钟显示状态。
三、硬件模块设计与分析
利用单片机驱动DS1302实时时钟在数码管上显示当前时间。E2PROM模块用于存储密码，MAX7219控制驱动数码管，继电器模块的指示灯亮灭表示门的开合状态，超声波模块用来检测是否有人想要进入，4*4矩阵键盘进行密码输入与更换等。
（一）DS1302时钟芯片
DS1302在数据传送时需要进行初始化，即将复位引脚设为高电平，并且在移位寄存器中装入8位地址和命令信息。数据通过时钟引脚的上升沿时进行串行输入，指定的访问地址为前8位，当移位寄存器中载入命令字后，之后的时钟周期里，想要输出数据就进行读操作，想要输入数据就进行写操作。
进行时间显示时DS1302芯片的引脚需要与数码管相连，其中，时钟显示页面为第一、二位数码管显示小时，第三、六位数码管显示横杆，第四、五位数码管显示分钟，第七、八位数码管显示分钟。
（二）E2PROM芯片
EEPROM为电可擦除可编程只读程序存储器，其特点是内存小，只能存储简单数据，掉电非易失。EEPROM按总线形式可以分为IIC、SPI、Microwire三种，项目中使用的是IIC总线形式。
在具体应用时能够确保密码的存储。在项目具体设计时，需要使用六位密码，但EEPROM的一个单元并不能存储六位数据，因此分要多个单元分开存储。值得注意的是，有的单片机并不支持往EEPROM里连续写入数据，这时，需要在两个写入程序之间执行delay延时操作，保证数据正常写入。
（三）超声波模块
项目采用的超声波模块型号为HC-SR04+，其中非接触式距离感测功能的应用范围为2cm-400cm，能够达到的测量精度为3mm，可以保证检测结果的准确性。且其相对于传统的HHC-SR04模块具有更宽的工作电压，在同样的测距下具有更小的工作电流。
项目中，考虑实际生活需求，测距模块检测到与人的距离小于30cm时，门自动打开，停留5s后自动关闭。
四、总结
结合当前社会发展趋势，本文设计了基于51单片机的城市书房智能门控系统。能够切实解决人们的生活需要。在硬件方面，项目利用片上现有的数码管、继电器LED灯、矩阵按键、独立按键等资源可以实现输入显示等基本功能。采用DS1302、超声波、E2PROM等外设能够实现显示时间、感应市民到来、存储密码等功能。这些外设在市面上都较为普遍，且性价比较高，保证了此设計的可实施性。
参考文献：
[1]王俊峰，孟令启.现代传感器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2]王东，王海洋.基于单片机的自动门控制系统设计[J].黑龙江科技信息，2011，10（32）：73.
[3]叶帆.公共图书馆打造“城市书房”案例研究[D].合肥：安徽大学，2018.
基金：南京工程学院本科生科技创新训练项目（TB201906067）
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