【《基于STC89C52主控芯片的智能门禁系统设计》7600字】

基于STC89C52主控芯片的智能门禁系统设计摘要随着生物科学技术的快速发展，智能门禁出现在人们的生活中，其大大提高了门禁的安全性与便捷性。智能门禁的核心技术为生物识别，如指纹、面容、声音等。设计就是以指纹识别为主体的智能门禁系统，系统主要包括STC89C52单片机、指纹识别模块、显示模块、数据存储模块、矩阵键盘模块，并兼有身份修改和报警功能，其主要功能是通过指纹识别模块来采集应用指纹达到指纹解锁的目的，通过矩阵键盘达到密码解锁的目的，通过蜂鸣器达到报警目的，通过AT24C02达到存储更多指纹的目的，通过LCD12864显示模块让人更好的进行身份修改。该系统录入身份信息方便，识别快捷，没有钥匙的存在减少了出行的负担，报警系统也很好的保障了居家安全，具有很大的实用意义。关键词：智能门禁系统；STC89C52；指纹密码；目录绪论 11.系统设计方案分析 21.1主控芯片的选择 21.2指纹识别模块的选择 31.3显示器件的选择 31.4数据存储芯片的选择 41.5按键输入器件的选择 42.系统硬件电路设计 52.1单片机最小系统 52.2LCD12864液晶显示电路 62.3AS608指纹识别模块 72.4存储电路 92.5矩阵键盘 92.6蜂鸣器电路 102.7继电器电路 113.系统软件设计 133.1主函数的设计 123.1.1按键检测与处理 133.1.2显示管理界面与注册指纹操作 193.1.3删除指纹 193.1.4修改密码 203.1.5执行解锁操作 213.1.6采集指纹 223.2系统测试 24结论 25参考文献 26附录一：PCB图27附录二：系统原理图28附录三：实物图29附录四：源代码30基于单片机的智能门禁系统设计绪论门禁自古有之，并且一直在人类社会中发挥着巨大的作用。门禁系统在古代就是简单的门锁，在现代则是涉及各种技术如电子、机械、光学等对出入通道进行管制的系统。从最开始的没有锁，紧接着木制门锁，铁制门锁，再到各种机械锁，可无论这些锁结构多么合理，人们总能有各种办法将其打开，安全性一直得不到有效的保障；前人的工作，不是缺少能工巧匠或是各种更加稀缺的材料，而是缺少相应的技术理论作为支撑，一成不变显示出的是时代的局限性。直到近现代电子密码锁、磁卡锁的出现，人们才终于摆脱传统的锁与钥匙这对千百年来的经典搭档，安全性与便捷性取得了极大的突破。但随着电子锁在生活中开始慢慢普及，它们的缺点开始显现，密码锁的密码很容易被别人获取，磁卡锁容易磨损丢失，随着这些弊端被展现出来，人们开始渴求一种更安全、便捷的门禁的出现。随着生物科学的不断进步，门禁系统获得了飞跃式的发展，一种满足人们要求的门禁出现了，包括基于指纹识别，面容识别、声音识别的门禁系统等，它们的各种性能又有了长足的进步。本设计的目的是用指纹识别为主体，来设计出一款性能上佳、实用价值很高的门禁系统。基本思路为以单片机为控制核心，包括按键输入模块、指纹识别模块、存储模块、显示模块等，其中兼顾报警功能与身份修改功能。经论证后确定了设计的大概方向，对于一些问题也能够有所预见，因为要用到身份修改功能，所以显示模块所用到的器件必须要能够显示中文，实用价值很高就必须要考虑到各器件的价格等，还有一些问题则需在设计中慢慢解决，如如何规划按键输入模块中各按键的功能，指纹识别模块是如何进行采集指纹工作的，还有如何利用好单片机对各模块的控制等。1.系统设计方案分析这一章主要介绍了系统的系统框图，并兼顾各部分硬件的挑选。门禁系统是以指纹密码锁为主体，兼有显示模块、按键输入模块、存储模块等为组成部分，具有两种解锁方式，报警功能和身份修改功能的一种系统设计。具体的系统方案如图1.1所示。图1.1系统方案框图1.1主控芯片的选择方案一：使用STC89C52单片机作为控制芯片。STC89C52单片机不仅有着系统软件开发简单、可以同时进行大量网络程序编程和文件下载的强大优势，而且其使用成本也不高，所以受众很广。方案二：使用MSP430单片机作为控制芯片，它的运算速度快，处理能力强，功耗较低，但是开发难度大，价格相对昂贵，对于门禁系统来说性价比较不高。根据上述的描述，考虑到设计的实际需求，采用STC89C52单片机作为主控芯片。1.2指纹识别模块的选择 方案一：使用AS608指纹识别模块，其内部含有高速DSP处理能够实现对指纹的采集与识别，单片机与该模块之间采用常见的串口通讯协议，这样使得设计变得简单。通过串口能够控制指纹的采集，识别，删除，添加等操作。因为其操作简单，价格实惠，所以反馈一直很好。方案二：使用ATK-301电容式指纹识别模块，其具有功耗低、识别速度更快、耐静电等级高等特点，但价格较为昂贵，受众人群较少。通过比较，考虑到设计成本，最后选择AS608作为设计的指纹识别模块。1.3显示器件的选择方案一：使用LED数码管进行显示。它有两种显示方式，其中静态式编程简单，但占用I/O口多，给设计增添了繁复性，相较于前者，动态显示效果与之相仿，且能够节省I/O口，功耗更低。不过LED数码管在显示内容较多时具有一定的局限性，会导致焊接难度增大，功耗也会随之增大。方案二：使用LCD1602进行显示。它是字符型液晶显示模块，其优点是显示一些简单的图案比较方便，控制也很简单，成本较低。缺点是对于字体大小的显示有一定限制，且不能显示图形、曲线、汉字。方案三：使用LCD12864液晶显示屏显示。12864主要优点是它的功耗小、体积小,重量轻等；缺点是LCD12864液晶显示器的信息量大,程序和控制器的工作电路都较为复杂，成本较高。综合上面的描述，因为本次设计中需要显示的内容较大，且要显示中文，所以采用LCD12864来对其进行了显示。1.4数据存储芯片的选择方案一：使用STC89C52芯片自身具有的存储功能。方案二：购买一个专门的存储芯片，如AT24C02，它的优点在于功耗较小，有一个专门的写保护功能。因为在使用STC89C52芯片的存储功能时，必须先要进行擦除整个扇区之后才能进行写入，这样在实际使用时会比较麻烦，所以在这里我们来采用AT24C02存储芯片。1.5按键输入器件的选择方案一：采用独立的按键作为输入器件，一个按键就是对应着一个功能并占用一个IO口，这样所引起的结果就是有多少个按键单片机就需要检查多少次，而且当按键的数目比较大时候就会有导致单片机IO口被严重地占用，从而造成别的元器件不能够做到同步连接，按键的反应速度也会被降低。其优点是可以直接读取，比较适合按键较少的情况下使用。方案二：采用矩阵键盘作为输入装置。其主要优点就是占用IO口的资源相对较少，缺点就是必须通过扫描来检测按键的情况,程序复杂,所以占用的时间相对较多。在实际操作过程中，使用独立的按键作为输入装置时，IO口被占用过多，按键的反应速度也达不到要求，所以采用矩阵键盘。通过上面的比较与选择，门禁系统设计的所有硬件都被选择出来。分别是STC89C52为主控芯片；AS608作为指纹识别模块；AT24C02作为数据存储芯片；LCD12864作为液晶显示；矩阵键盘作为输入设备；另还加入了身份修改和报警功能。2.系统硬件电路设计2.1单片机最小系统STC89C52作为使用最为广泛的单片机之一，具有8K字节系统可编程Flash存储器，且功耗低，性能高；STC公司通过对它传统内核的改进，使其拥有了较高的性价比以及良好的使用反馈。单片机，电源、晶振、复位电路一起搭建了单片机最小系统。这里的供电采用USB电源线连接手机充电器插头即可。在设计中因为单片机与AS608指纹识别模块直接相连，所以采用串口通信；这时选用11.0592MHz的晶振的数据误差较小；当采用石英晶振时，电容在20~40pf之间都可，这里采用的是30pf。图2.1晶振电路然后是复位电路，包括上电自动复位和开关复位。如图2.2所示，当复位按键没被按下，此时电路实现上电复位；当芯片正常工作，可以按下按键使RST管脚出现高电平进而达到手动复位的效果。图2.2复位电路最后由各部分组成的最小系统电路图如图2.3所示。图2.3STC89C52单片机最小系统电路图2.2LCD12864液晶显示电路带中文字库的12864是一种点阵图形液晶显示模块，显示分辨率是128×64，可以很好的完成显示汉字与图形的任务。LCD12864有20个引脚，其中4号是指令/数据选择信号；5号为读写选择信号；6号为使能信号。

值得注意的是，如在应用中仅用串口通讯模式，可将PSB接固定低电平。图2.4展示的就是LCD12864与单片机的连接图，其中引脚3端为液晶对比度调节端，连接一个10KΩ电位器来调节液晶对比度。图2.4LCD12864与单片机连接图2.3AS608指纹识别模块AS608指纹识别设备采用光学指纹传感器，能够很好的胜任指纹采集、识别、匹配等工作。采集到的指纹直接存储到传感器内部存储区中，AS608传感器最大可以存储120枚指纹，每个指纹模板占用512字节。AS608指纹传感器采用串口的方式与单片机进行数据传输，所以只需要将指纹模块接入到单片机串口引脚上，通过串口就可以进行控制指纹传感器了。由于指纹传感器的工作电压是3.3V，而单片机系统电源电压是5V，所以在在实际使用中电源引脚上加入D4和D5两个二极管进行降压到3.3V左右给指纹传感器供电，利用了每个二极管大概降压0.7到1V左右的原理，电路图如下2.5图所示，实物图如下图2.6所示。图2.5AS608电路图图2.6AS608实物图其中2号3号分别为串行数据的输出与输入，TTL逻辑电平；5号为感应信号输出端，；6号为触摸感应电源输入端；7号、8号为USB电源端的正负端。其中TTL逻辑电平指+5V等价于逻辑“1”，0V等价为逻辑“0”。AS608有八个引脚，但在设计中只用到四个引脚，其可采用串口通讯或者USB通讯，前者编程简单，应用较广，但兼容性较差，后者编程较难，不过兼容性好；在这里，对兼容性没有太高的要求，所以采用串口通讯。AS608与单片机连接电路图如图2.7所示。其中TX、RX直接接在单片机的P3.0与P3.1引脚。图2.7AS608与单片机连接图2.4存储电路设计中使用的存储芯片AT24C02是一个2K位串行CMOSEEPROM，内部含有256个8位字节。AT24C02芯片如图2.8所示。图2.8AT24C02芯片实物图AT24C02的其中1、2、3号引脚为器件地址选择；5号是串行数据、地址；6号是串行时钟；7号为写保护。在设计中只需一个AT24C02芯片，所以直接将A0、A1、A2三个引脚都连接到GND，而WP写保护引脚通用接到GND上，这样更加方便读/写操作。如图2.9所示。图2.9AT24C02电路图2.5矩阵键盘矩阵键盘作为设计的按键输入设置，一方面减少单片机的I/O口占用，另一方面也很好的承担起按键在设计中所需要发挥的作用。图2.10为矩阵键盘电路图。图2.10矩阵键盘电路本次设计中矩阵键盘对应的功能如下表表2-1矩阵键盘对应功能表123进入管理456选择上一项789选择下一项退格0确定返回2.6蜂鸣器电路蜂鸣器选用5V电磁式有源蜂鸣器；蜂鸣器的工作电流较大，只用单片机I/O输出的电流无法让其正常工作，所以需要利用三极管开关电路来进行驱动。设计使用的是一个PNP型的S8550三极管。其基极串联一个1K的电阻连接到单片机的I/O，当I/O口输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器鸣叫；当I/O口输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止鸣叫。蜂鸣器及其驱动电路如图2.11所示。蜂鸣器在设计中起到的是报警功能，当正常解锁即输入密码或者指纹识别时错误，蜂鸣器就会报警三次。图2.11蜂鸣器电路2.7继电器电路继电器（relay）是一种电控制器件，这里与电磁锁相连，控制电磁锁的开闭。当单片机控制继电器时，IO口输出电流不足以使继电器吸合，无法直接驱动，所以需要一个电流放大电路。驱动电路如图2.12所示。图2.12继电器驱动电路这里采用S8550三极管进行放大。单片机IO口输出高电平时，三极管截止，继电器断开；当片机IO口输出低电平时，三极管导通，继电器吸合。在硬件电路设计好之后，就可以开始对硬件电路进行测试，主要是避免一些漏焊、缺焊，或是一些有方向的器件方向错误的情况发生，最终在测试过程中有着几处焊接错误，改正之后，再次测试，结果达到要求。系统软件设计3.1主函数的设计程序开始，首先进行的是对单片机和一些器件初始化，包括LCD12864显示模块初始化，串口初始化，定时器初始化，读取存储在AT24C02的密码，最后再显示初始界面，其中初始界面包括“编号、状态”。

初始化结束之后开始进行循环，首先获取矩阵键盘并按键处理，随后判断是否显示管理界面，是，则显示，否，则判断是否注册指纹，是，则执行注册指纹操作，否，则判断是否删除指纹，是，则执行删除指纹操作，否，则判断是否修改密码，是，则执行修改密码操作，否，则判断是否正常解锁，是，则执行解锁检测操作，否，则检测自动关闭锁，随后返回，接着获取矩阵键盘并按键处理。主函数流程图如下所示。图3.1主函数流程图3.1.1按键检测与处理按键检测分为两步，首先判断是否有按键按下，随后确定是哪个按键。开始，需要将所有行线置低，然后观察列线有无低电平的现象，哪一列有，则该列有按键按下，如果都没有，则没有按键按下；确定有按键按下后，再逐次将行线置低，当某条行线置低时上一步所得出的列也为低，则行列相交的那个按键被按下。按键处理是门禁系统重要的功能之一，在这里，有按键按下之后，有以下几种情况发生：如果按下的是数字键且在输入ID状态且，则判断输入未满最大整位数，是才可以继续输入，紧接着判断是否为编号第一位，显示出输入的数字，然后开始编号计算，编号输入位加1；

（2）如果按下的是数字键且在输入密码状态且在修改密码且在显示输入新密码，则显示正在输入的数字，如果不是在输入新密码，则显示*，输入数字后，读入密码，密码输入位数加1；

（3）如果按下的是进入管理界面，则需输入密码，显示屏上显示“请输入管理密码”；

（4）如果按下的是返回上一级菜单：在录入指纹等三项操作中，清除显示，回到管理选择界面，在非管理界面，如在输入密码阶段，则清除显示，显示主界面，清除密码输入完成的标志；

（5）如果按下的是复位按键，电磁锁打开，按下该按键，手动关门，关闭继电器，清除计时，关闭定时器；

（6）如果按下的是选择上一项，在管理界面，则选择上一项管理，非管理界面，无效；

（7）如果按下的是选择下一项，在管理界面，则选择下一项管理，非管理界面，无效；

（8）如果按下的是退格，在输入密码阶段且当时已经有输入了，则输入密码个数减1；在ID编号输入状态且当时已经有输入了，编号位数减1；其余情况无效；

（9）如果按下的是确定键：a.确定管理界面选项，判断是否为录入指纹，是，则显示“录入指纹，编号”，否，则判断是否为删除指纹，是则显示“删除指纹，编号”否，则判断是否为修改密码，是则显示“请输入旧密码”否，则返回；b.密码输入完成时的确定，如果在修改密码且在再次输入新密码且两次输入的密码一致时（确定），则显示“密码修改成功”“请妥善保管好”，如果两次输入的密码不一致，则显示“密码修改失败”，如果在修改密码且在输入新密码，则显示“请再次输入新密码”如果在修改密码且在输入旧密码且旧密码正确则显示“请输入新密码”旧密码错误则显示“密码错误”，如果在进入管理界面输入密码时，密码正确则标记进入管理界面，错误则显示“密码错误”，如果在密码解锁时，密码正确，则显示“解锁成功”，继电器吸合，电磁锁打开，错误则显示“密码错误”；d.在注册或删除指纹时编号输入完成时确定，则标记进入指纹采集。按键处理流程图如图3.2、3.3、3.4所示。图3.2按键处理流程图1图3.3按键处理流程图2图3.4按键处理流程图33.1.2显示管理界面与注册指纹操作想要显示管理界面，首先在初始界面按下进入管理界面按键，随后开始显示输入密码，密码正确则进入管理界面，错误则显示“密码错误”。显示管理界面之后，可以看到管理系统界面下面有着录入指纹、删除指纹、修改密码三项操作。流程图如图3.5所示。执行注册指纹操作首先判断输入的ID是否正确，其中ID正确是指输入的ID要在存储指纹限度之内，即001到020之间，如005则正确，021则错误；ID错误则显示编号错误，ID正确则接着判断采集指纹是否成功，其中采集指纹过程会在下文详细描述，采集指纹失败则显示采集失败，成功则显示录入成功，最后返回；流程图如图3.6所示。图3.5显示管理界面流程图图3.6注册指纹流程图3.1.3删除指纹删除指纹首先判断输入的ID是否正确，这里的ID正确包括两种，一种在001到020之间，一种则是编号999，其代表清空指纹库，ID错误则显示“编号错误”，ID正确则判断删除指纹是否成功，成功则显示删除成功，否则显示清空指纹。流程图如图3.7所示。图3.7删除指纹流程图3.1.4修改密码执行修改密码操作，首先需要输入旧密码，旧密码正确则可输入新密码，旧密码错误会显示“密码错误”，输入新密码确定后，会要求再次输入新密码，与上一次一致则显示“密码修改成功”，不一致则显示“密码修改失败”，最后返回。流程图如图3.8所示。图3.8修改密码流程图3.1.5执行解锁操作执行解锁有两种方式，其一是指纹解锁，其二是密码解锁；指纹解锁首先判断指纹识别是否成功，成功则显示指纹编号，指纹解锁，接着打开电磁锁，开始重新计时，延时后自动清除显示内容，最后返回，失败则显示“不正确的指纹”，随后报警三次，最后清除显示内容，返回，指纹解锁流程图如图3.9所示。密码解锁首先判断密码是否正确，正确则解锁成功，打开电磁锁，延时后自动清除内容，最后返回，否则显示“密码错误”，报警三次，延时后清除内容，返回，流程图如图3.10所示。图3.9指纹解锁流程图图3.10密码解锁流程图3.1.6采集指纹采集指纹首先要生成特征1，接着判断特征文件是否生成成功，失败则继续采集，如果达到40次还没有成功，则直接退出，成功则继续采集下一个特征2，再判断特征文件2有没有生成成功，失败则继续采集，超过25次直接返回，成功则合并两个特征文件并判断指纹模板是否生成成功，成功则将结果存于缓冲区，失败则直接返回，流程图如图3.11所示。图3.11采集指纹流程图3.2系统软件测试本设计采用KeilμVision4进行编程实现。测试必要的工具:KEIL软件。系统的驱动软件安装方面主要是通过软件KEIL中的软件程序进行应用程序自动编写，将自己已经手动编写好的软件程序直接自动生成.hex的文件下载安装到单片卡主机中。通过观察整个调试系统正常正在运行的调试状态，然后对调试程序系统进行反复性的修改和重新调试，最终可以获得一个更加完善的调试系统。结论本文首先介绍了课题的研究背景及意义，接着分别对系统的硬件部分和软件部分进行设计和分析。然后将两者相结合，搭建出完整的智能门禁系统实物，最后对系统进行测试并记录测试结果。

经过测试可以发现，该系统可以通过指纹与密码两种方式进行解锁，而在输入解锁信息错误时，报警系统会给出警告；在解锁之后，电磁锁打开，几秒之后自