【《基于单片机的多功能门禁锁系统设计》9600字（论文）】

基于单片机的多功能门禁锁系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u171421诸论 271801.1研究背景 2241061.2研究意义 3208971.3本设计要实现的目标 392082硬件方案的选择 3225702.1系统总体方案设计 3260162.2各个硬件模块选择 4317602.2.1主控芯片的选择 414062.2.2指纹模块的选择 5100882.2.3显示器件的选择 5229712.2.4数据存储芯片的选择 5170222.2.5人机交互输入器件的选择 6289773系统硬件电路设计 6126933.1STC89C52单片机系统设计 6134713.1.1STC89C52的概述 686603.1.2STC89C52单片机的最小系统 7282663.2LCD12864液晶显示电路设计 898513.2.1LCD12864的概述 8218843.2.2LCD12864的工作原理 9288793.3AS608指纹识别模块设计 11235523.3.1AS608的概述 11993.3.2AS608指令介绍 12186943.4射频识别的设计 13221823.5AT24C02的介绍 1372623.5.1AT24C02的概述 13204443.5.2AT24C02的引脚说明 13302453.5.3AT24C02的工作原理 1453583.6矩阵键盘的设计 15183923.7报警电路的设计 16298813.8继电器驱动电路设计 167494系统软件部分设计 17104274.1软件开发环境 17228474.2系统重要函数 17267134.2.1主函数的设计 1714884.2.2AS608指纹搜索子函数的设计 1918014.2.3匹配IC卡程序设计 1922264.2.4LCD12864显示函数的设计 20320434.2.5AT24C02读/写函数的设计 21222904.2.6矩阵键盘检测函数的设计 23308105系统调试与分析 25186165.1系统仿真调试 25141925.2Keil软件调试 2757585.3焊接调试 27224325.4报警模块调试 2865405.5继电器模块测试 2890275.6实物整体调试 2814680结论 30诸论研究背景二十世纪八十年代以后，ASIC技术的出现，使得锁的尺寸逐渐缩小，可靠性也得到了很大的提高，同样得到了公司的大量使用。但是这种电子锁需要电源来给它提供能量，使用存在一定的限制，所以在那时很难推广它。这个设计是非常不错的，然而使用存在限制的问题一直都没有得到明显的解决，直到现在，人们还在努力研究电子锁的特性。当今社会的西方国家，它们的防盗技术比较成熟，可以通过更加安全的方式管理门禁。而我国电子密码锁整体水平还比较落后，防盗设备价格还比较昂贵，我国自己研究的电子锁，整体市场结构还未成熟，实际应用范畴比较狭隘。然而这些年大量国外的领先技术被引进我国，国内电子锁的发展前途指日可待，国内的专家都希望通过自己的努力，使电子锁的技术，得到更大水平的提升，更大程度的保护人民的财产安全。研究意义在日常生活和经营中，人们无时无刻都要对其财产进行管理，不仅仅是财产，还有很多其他的隐私都需要自己来妥善保管，保护好自己的信息安全以及隐私安全是自己的职权。人们对锁的深层结构及其机理进行了研究，有很多方法和工具可以打开锁而不需要钥匙，商店里面卖的锁具，根本不能起到防盗的作用，有时两根电线或几把简单的工具就可以打开这些锁，所以为了保护个人的信息安全和财务安全，我们必须要开发和升级现有的防盗系统，让入侵者无从下手。于是一种新型的电子密码锁应运而生，电子密码锁运用电子电路控制机械部分，使两者紧密结合，从而避免了因为机械部分被破坏而导致开锁功能失常的问题，而且密码输入错误时还有报警声，大大增加了电子密码锁的防盗功能。同时因为电子密码锁不需要携带钥匙，弥补了钥匙极易丢失和伪造的缺陷，方便了锁具的使用。本设计要实现的目标本设计采用STC89C52作为主控芯片，结合内部电路生成代码，生成代码后，还会通过系统的预测来对用户的信息进行解读。本设计有密码，指纹，刷卡三种解锁方案，操作者必须输入密码才能进入管理员系统，添加删除指纹射频卡，或者更改密码。如果密码、IC卡、指纹任意一个连续错误满三次，都会触发系统锁死60秒，在这期间，键盘失效。输入错误的指纹和卡片时，系统也会报警，当开锁停留时间超过12秒后，门锁会自动控制关闭。2硬件方案的选择2.1系统总体方案设计通过比较和筛选，已经选出了最适合的器件方案。我们选择了STC89C52芯片作为这次系统设计的主芯片，然后选择LCD12864显示器来对整个系统的实现进行显示，把显示出来的信息进行记录，同时提示进行指纹识别和刷卡解锁。如果遇到无法添加和删除管理密码中的指纹，这时候就需要向ATPC26申请保存的内部密码[2]。本设计的系统总体方案如图2.1所示。图2.1系统总体方案图2.2各个硬件模块选择2.2.1主控芯片的选择方案一：采用STC89C52单片机作为主控芯片。STC89C52是宏晶科技公司生产的一款低功耗、高性能八位CMOS微处理器，片内具有8K在线编程Flash存储器。该单片机具有很多传统的51单片机不具备的功能，例如该芯片还有4K的EEPROM存储，在需要使用到掉电存储数据的时候就可以直接使用单片机内部的存储，不再需要在外接存储芯片进行存储，STC89C52单片机具有的开发简单、可在线编程下载、成本低等优点［1］。方案二： 可以选择PIZ16F87A智能芯片。PIZ16F87AMCU来自美国的公司，它也属于一种现阶段开发功能齐全的智能芯片，功能很强大，而且有各种各样的样本，可以被操作于各种各样的系统，也可以反复擦写程序。但是它大部分时间是用来分析过滤数据，并且开发成本高，开发难度也相对较大综合分析，不仅仅要选择好适当的芯片，还需要对选择后的芯片，进行经济性的预算处理，一旦超过了经济预算，就不得不做出更换主芯片的决定。所以选择STC89C52作为本次设计的主控芯片。2.2.2指纹模块的选择AS6008指纹识别系统采用了包含高级DSP处理模块，可以对采集到的指纹进行识别和采集，此外还可以准确的识别用户的个人信息，通过单片机与模块之间采用的串口连接协议，使其运行过程非常简单。2.2.3显示器件的选择方案一：使用LED动态扫描显示。LED数码管的价格适中，对于显示数字或者简单的字母会比较合适。但是采用动态扫描法与单片机连接时占用CPU的I/O口较多，并且由于单片机的IO口输出电流不够，所以需要一个驱动电路，通过驱动电路放大电流后控制数码管，除此之外，当数码管显示的内容多了，会对电路的焊接增大难度，容易焊接错误。方案二：使用LCD16-02液晶显示器，其显示功能强大，可以同时显示出16*2即32个字符，可包括数字、字母、符号、或者自定义字符。这种显示器能够清楚地将实验数据呈现在工作人员的眼中，运行一种内在的LCD16-02功能来使它并行传输，或大规模数据传输，能够简单地控制这些数据，并且还能将这些数据进行保存。但是显示的字体有大小限制，不能显示图形，不能显示曲线。方案三：采用LCD12864液晶显示屏。其结构非常简单并可以使用构建中文和我们进行交流，这个模块具有灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，并且它具有显示模具编辑器，通过这种模具编辑器可以查看到内部隐藏的信息，还有其内部的执行代码。它还具有显示图形，低电压和低能量的特点。通过以上的比较，由于本设计需要大屏幕的显示，故选择LCD12864。2.2.4数据存储芯片的选择方案一：使用单片机内部的EEPROM芯片，这个芯片的功能比较完善，而且芯片还可以处理很多其它各方面的信息，STC89C52的EEPROM芯片是通过读写内部闪光的ISP/IAP信息技术来实现的。它最大的优点是可直接用电信号擦除，也可以用电信号写入。但是必须要擦除扇区才可以使用，而且价格昂贵。方案二：考虑到经济不支持的情况下会更换AT24C02芯片。尽管这款芯片的功能不比EEPROM芯片多，也不如EEPROM芯片使用过程中更加稳定，但是这一款芯片不仅可以高效快速的处理数据，还可以提高计算机的运行速度。并且该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的读写保护功能。因为EEPROM芯片内部结构复杂，需要经过擦除处理后才能运行，这很麻烦，而且价格昂贵。于是综合考虑我们选择用了AT24C02存储芯片。2.2.5人机交互输入器件的选择方案一：独立按键功能用于输入设备，也可以用于管理层面上的措施。每个键都有独立的功能，每个键都占据I/O端口，并且都具有一定的运行能力。因此不管有多少键，MCU每次都要多进行几次检测，直到发现最终的结果数据。当所需的数据数量足够庞大，就会占用MCU大多数的I/O口。这会导致别的器件都没办法连接，并且按键的反应速度也会降低。方案二：使用矩阵键盘，这类键盘的好处是按键较多，能够实现多种普通键盘实现不了的功能，将矩阵键盘的数据线连接到系统的主计算机上，使信息处理过程能够快速安全的完成，不仅仅是处理信息的速度变快，而且计算机对内存的清理也有了一定速度的提升。基于以上的记述，我们综合考虑分析之后决定使用矩阵键盘作为整个工作过程中的键盘设施。系统硬件电路设计3.1STC89C52单片机系统设计3.1.1STC89C52的概述TC89C52RC芯片处理器是由宏晶技术开发的高速、低功率、超反干扰微控制器的新一代芯片。将此芯片运用到计算机数据库中，命令代码完全与以往的8051微控制器兼容，该芯片的主要特征如下[3]。工作电压5.5V-5.0V（5V单芯片微计算机）/3.8V-2.0V（3V单芯片微计算机）工作频率范围：工作频率在20-50MHz之间。芯片与计算机连接之后还会带EEPROM功能和监视功能。能进行普通的运算，运算的速度相当于16位计时器/计数器。也就是说，计时器的运转速度较快。一个外部中断、下降中断或低电平触发电路，这样的电路会导致整个系统发生瘫痪，引起瘫痪的其他因素还有外部连接的中断。STC89C52RC芯片还具有动作模式，这个芯片还能够及时对来自UART端口的数据进行处理。3.1.2STC89C52单片机的最小系统单片机最小系统中的管理系统是运行一切功能的关键，运行这个系统的目的就是使单片机以最少的内存空间来完成计算机工作。其次，介绍了51中最小芯片系统所需的器件及其功能，这些芯片都有其各自的功能；首先，电源对电子产品的要求是必不可少的，电子产品的额定电压应该在电源的合适电压范围内，在使用合适的电压给系统进行供电后，系统的内部结构会运行的更加稳定，使得系统能够在合适频率的电流的流通下完成相应的工作，这是提高工作效率的关键。因此，电源电路设计是很关键的设计，它决定了整个系统能否正常工作。晶体振荡器在微芯片系统中被称为晶振，其作用也非常重要[4]。该晶振不仅会被运用到多个方面中，也对系统的运行及改造也有一定的帮助，晶振有着很高的效果，如果要使它的效果更高，晶体的开发项目就会要被做的越来越大，系统的速度会更快，有些晶体还可以在一定的频率范围内通过压力进行调节，它被称为电磁大气（VC），是一种能将能量和能量转换成磁共振强度的晶体，并且能为一些工程提供精确的频率和稳定的频率［5］。图3.1晶振电路SCM芯片具有设定和处理数据的功能，使用这款芯片不仅能够让电路在一定时间内变为稳定的状态，也能让电路快速达到所需要的电压值。MCU将寄存器和存储设备加载到制造商的数据库中，来完成对大数据的采集和利用。MCU复位电路的原理是当复位电平大于两个机器循环时，复位有效；否则，则判定为复位失效。而且，只有能量集中才能勉强实现这个结果，一般设定10kΩ的电阻和10μF的电容器。复位电路被分成两个部分［6］：（1）上电复位：将一个电容和电阻先串连在一起，然后再把他们放在地线和电源之间，然而把RST接到电阻和电容之间，打开电源，根据电容的充放电，完成RST高低电平的切换，并且控制电路中电流的大小，从而完成自动复位。（2）人工复位：当按下复位键后，RST直接和VCC接通了，中间避开了电容，使RST变为高电平，此时的电容是放电状态，若此时松开按键，电源和电容直接相连，电容充电，这时的RST为低电平，完成了复位操作。图3.2复位电路图3.3STC89C52单片机最小系统3.2LCD12864液晶显示电路设计3.2.1LCD12864的概述中文字库的12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点，由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。LCD12864原理图如图3.4所示。图3.4LCD12864原理图3.2.2LCD12864的工作原理一、LCD12864功能应用LCD12864显示器可以显示中文，英文，字符等重要数据信息，LCD显示器应该是目前使用率最高的液晶显示器，整个显示器的分辨率为4K，能够清晰的显示出工作过程，并且能够准确的分析出整个过程中电压以及电流的变化。图3.5LCD12864读操作时序图3.6LCD12864写操作时序二、LCD12864主要技术参数［7］。（1）工作电压：3.3V-5.5V，模块最佳电压为5V。（2）可以在显示界面显示数字、字母和中文汉字。（3）在与外部单片机相连时，用并行通信。（4）显示内容：128列×64行。（5）显示颜色：黄绿/蓝屏/灰屏。（6）LCD类型：STN。（7）与MCU接口：8位或4位并行/3位串行。（8）配置LED背光。（9）多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。三、LCD12864液晶显示的电路用法分析图3.6LCD12864电路连接图图3.7LCD12864电路连接图这个模块能够处理显示出来的用户信息，然后对这些信息进行收集处理，最终以汉字，字符和数字的形式显示出来，而LCD12864满足系统要求的显示功能。LCD12864引脚拥有8个接口，并且8个接口的类型都不相同，内部不仅有USB接口，也有type-c接口等。无论如何，第16和第17空针；其写入命令可以控制液晶显示器的模式和工作状态，然后写入数据以使液晶显示器可以显示所需的界面［8］。3.3AS608指纹识别模块设计3.3.1AS608的概述指纹识别感应器是目前比较先进的信息收集器，用户录入自己的指纹后，可以长期以此指纹进行解锁。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这个系统了。并且指纹传感器的工作环境与电路运行的环境有着相似的地方，在指纹传感器的旁边引脚上加入D4和D5两个二极管，进行降压到3.3V左右，就可以给指纹传感器供电，这利用了每个二极管大概压降0.7到1V左右的压降的原理，原理图如图3.8所示。 图3.8单片机与AS608连接电路图3.9指纹传感器模块实物图3.3.2AS608指令介绍AS608指纹识别模块是一个独立的系统，它本身不用连接其他的外部设备。主机（Host）内部有着独立的整合包，内部的整合包所编辑的代码还可以与一些指令进行结合，与这些指令进行结合后，我们事先准备好的数据包就能发挥好作用了，使用这些数据包将所有的指纹信息进行存储，再将存储后的结果保存在大数据库中［9］。指纹命令包类型如图3.10所示图3.10指纹指令分类3.4射频识别的设计一、什么是射频识别RFID系统是一个自动识别系统，由RFID标记、阅读器和计算机网络组成。阅读设备释放大量的能量在一个区域，光线聚集在一个点上之后，射频设备再进行反转，就能达到预期的效果，从而使得数据被存储进了计算机中。设备运行之后由RFID标记发送的信号，为了实现身份查验的目的，对数据进行解密和核查。二射频识别系统当电子标签进入天线的磁场，如果你从读出装置获得特殊的射频数据信息，以及光线感应到一些其他的数据库中，可以从中得到很多的标签信息以及类别处理信息，这些信息使得射频系统具有一定频率的信号，发送到中央信息系统处理数据。3.5AT24C02的介绍3.5.1AT24C02的概述AT芯片作为主芯片，可以通过与其他的设备连接，设备连接之后通过电压的允许，可以多次重复写入，具有读写效率高，不被外界干扰，体积小等优点。并且它是采用了串行操作的读写方法，利用的串口也很少，还有一个独有的读写保护功能。图3.11AT24C02芯片实物图3.5.2AT24C02的引脚说明AT24C02时钟芯片引脚功能描述见表3.1。表3.1AT24C02时钟芯片引脚功能表3.5.3AT24C02的工作原理当AT芯片进行工作的过程中，AT芯片可以与计算机完成链接，与计算机完成链接之后，计算机可以通过这类芯片进行高速运算，这时候计算机会把AT芯片中计算出来的数据储存在数据库中，用来完成以后的运算处理。读取最后一个操作地址加上上一个位置的数据，这时这个数据将会在这个芯片中呈现，最后再将它存储进大数据库中。在读取足够的数据后，如果发送无响应信号，那么就会发送停止信号。图3.12AT24C02读/写时序图图3.13AT24C02电路图3.6矩阵键盘的设计由于这个设计有很多键，为了系统能够更加方便的运行起来，还需要对矩阵键盘的键盘布局进行相应的设置。在使用按键的过程中，如果矩阵键盘的布局没有处理好，就不能进行接下来的操作，相反，当处理好按键之后，当按下此按钮之后，如果交叉线和线已连接，相应的行或线的水平已经改变。有很多方法来检查矩阵的键盘，如点扫描，顺序扫描，全球扫描等等［10］。（1）判断键盘上的按键数量。MCU会将信号传达到所有线路，在矩阵键盘上按下开始的启动键，启动键按过之后，键盘就会与电路进行连接，链接后的电路会被键盘给控制，则连接到该线路的输出端口将获得非全1信号。（2）确定按键位置。确保你按下一个键，当你按下它时，它会出现一些反应，如果反应的效果不是很明显，这时采用方法：设置线作为输出端口，连接下一个输出端口，然后检查列的状态。如果列位于低水平，然后将按下键切换到低输出线和线之间。（3）键码计算。设计系统的过程中，通常使用计算方法或查找表方法，来给编程软件的代码进行相应的更改，这使它的功能发生一定的转变。

矩阵键盘的电路图如图3.14所示。图3.14矩阵键盘电路图4*4矩阵键盘的16个按键对应的功能表如3.2所示。表3.2矩阵键盘对应功能表3.7报警电路的设计蜂鸣器在工作过程中会使用很大的电流，因此应该避免将其与其他的设备进行串联，防止出现断路的情况，要想放大蜂鸣器实现需要的电流，这个时候就需要采用三极管来实现。图3.15蜂鸣器电路3.8继电器驱动电路设计继电器是受电控制的组件。一般情况下，它被用于进行自动管理和控制电流接通。总之，在使用继电器时，也要考虑好继电器所能供给电路的电压，如果继电器供给的电流量过大，将会导致电路出现烧毁的风险，如果电流量过小，则不能够支持电路的运行，将这两个程序兼并的方法，这个时候就需要增加电流放大器，来让电流的流量增大。图3.16继电器驱动电路4系统软件部分设计4.1软件开发环境可以选择Keiluvision5作为源代码的开发工具，它是一个强大的开发系统，具有独特的结构和功能优势，它拥有独特的机器语言优势，可以提高程序运行效率，对开发软件会带来很大的优势。4.2系统重要函数4.2.1主函数的设计主要功能是一个程序的输入函数，如果定义了一个完整的程序，那么这个函数就需要与一些需要初始化的外围设备和MCU进行连接；如果没有无限循环的数据，就证明程序没有问题，再这样重复下去，连续循环实现实时检测的目标。在设计主要程序时，我们必须注意到，在主函数中不能跳过多个代码。具体代码通常是通过在软件包中使用特定的编码来命名的，然后根据核心功能而定。如图4.1所示。图4.1主函数流程图4.2.2AS608指纹搜索子函数的设计指纹搜索功能可以允许用户扫描自己的指纹，然后就可以与计算机进行通信，从而将自己的指纹信息储存在计算机中，管理员发送适当的指纹管理软件包，并且把软件包储存在计算机中，用户在完成自己的指纹认证之后，就可以使用相应的功能，这也就是指纹传感器的主要功能。搜索指纹子函数流程图如图4.2所示。图4.2搜索指纹子函数流程图4.2.3匹配IC卡程序设计在这个设计中，统一IC是特别重要的，如果不能合理地完成这一步骤，就无法达到所希望的效果，不适当的运作可能对系统的安全构成严重威胁。具体的程序如图4.3所示。图4.3匹配IC卡流程图4.2.4LCD12864显示函数的设计为了能够更好的发现实验运行过程中的错误，以及对实验结果进行分析，就需要有先进行规划的操作，这是一个主要的程序功能，LCD1602液晶模具有识别文字的功能，这可以通过命令程序来实现屏幕和光标的移动来完成。用户在进行相应的实验时，可以观察LCD屏幕的数值来对实验过程中出现的问题进行分析，如果没有出现错误，用户就会把实验结果给记录下来。如果不是，它将会执行［11］。显示器函数流程图如4.4所示。图4.4显示子函数流程图4.2.5AT24C02读/写函数的设计我们不仅仅要使用AT芯片，还要运用相关的专业知识使得AT与互联网联系起来，使二者能够共同的为系统服务。由于51单片机没有IEC接口，所以AT24C02芯片的数据读出/记录需要严格的协议要求。图4.5AT24C02写数据流程图图4.6AT24C02读数据流程图4.2.6矩阵键盘检测函数的设计具体的矩阵键盘在程序上的检测方法如下（流程图中Key代表P1口）。

(1)先将键盘中的全部行线P1.0~P1.3置低，然后通过检测列线P1.4~P1.7中是否有出现低电平的现象，如果有一列出现低电平，那么就证明那一列中的四个按键中有一个是被按下的。若没有列线中都没有出现低电平的现象，则没有按键按下。(2)在确定有按键被按下的时候，将进一步的确定具体为哪一个按键按下。方法是：依次将四个行线P1.0~P1.3置低电平，即在某一根行线为低电平时，其它行线仍然保持高电平状态，然后通过确认在某一根行线为低电平的时候如果在第一步中得出的列为低电平就能够判断该行线与第一步得出的列线相交的按键就是所按下的那个按键［12］。矩阵键盘检测函数流程图如4.7所示。 图4.7矩阵键盘检测函数流程图5系统调试与分析5.1系统仿真调试用Proteus软件，根据原理图画出系统的仿真图，然后用Keil软件，编写程序源代码，下载到单片机中，这样就可以仿真了。由于指纹模块和射频刷卡模块没有对应的元器件，所以在这里就不进行仿真了，只进行密码输入、继电器吸合状态、蜂鸣器报警、以及进入管理员模式进行增加删除指纹卡片的仿真。通过下面的仿真调试，初步完成了本设计的目标。如图5.1所示。（1）打开运行仿真图，界面初始化图图5.1显示初始化仿真图（2）当输入密码的时候，界面会显示输入的密码用*代替显示。图5.2输入密码仿真图（3）密码输入完成后，按‘确定’键，当密码正确时继电器吸合锁打开（蓝色指示灯模拟）。图5.3继电器仿真图（4）当输入的密码错误时，红色LED灯亮，蜂鸣器报警提示。图5.4蜂鸣器仿真图（5）进入管理界面后，可以进行修改密码，注册/删除指纹。图5.5管理界面仿真图5.2Keil软件调试用Keil软件调试程序，把编写好的代码写入Keil,经过调试，完成了程序软件的编译，调试结果成功，具体情况如图5.6所示。图5.6Keil软件调试图5.3焊接调试根据原理图，将各个部分焊接在一起。焊接过程要小心注意，电阻、电容、芯片要先焊接，其次再焊接显示屏和主控单片，注意焊接次序，有条不紊的进行，三极管要注意基集、发射集的位置关系，以免出错。指纹识别模块、射频刷卡模块和LCD12864显示器模块，这三个模块是独立存在的，只需要插入相应的凹槽就可以了。另外继电器模块，需要12V-1A电源设备，