【《基于单片机的智能门禁系统的设计》9100字】

基于单片机的智能门禁系统的设计目录TOC\o"1-3"\h\u279451.绪论 2318811.1课题研究背景及意义 264981.2智能门禁系统研究现状 3235801.3本文主要研究内容 565402.智能门禁系统的总体设计 571852.1设计目标 5166352.2门禁系统控制总体结构图 6302113.智能门禁系统硬件设计 6122963.1系统硬件设计方案 6269613.2STC89C52单片机介绍 6285053.3指纹识别模块 7204223.4射频识别模块 8323563.5系统按键模块 9195903.6报警电路 10141083.7液晶显示电路 1139913.8AT24C02和单片机的连接电路 11143074.智能门禁系统软件设计 12313524.1主程序模块设计 12200264.2射频模块程序设计 13221794.3指纹模块程序设计 13286154.4按键模块程序设计 1553615.系统调试及结果 15319065.1系统的硬件实现 1513285.2功能模块的调试 1674446.总结与展望 1912147参考文献 19摘要：智能门禁系统在社区生活及智能家居系统中可以设置不同的权限范围对不同人员的出入进行甄别，进而可以保障相应的环境安全。根据智能门锁的特点，本文提出了一种基于51单片机的智能门禁系统设计方案。该设计方案由硬件软件两方面相配合使门禁系统可以完成方案设计内容，来提高系统的安全性和便捷性。经过测试证明：该设计满足设计要求，具有实用价值，可通过密码验证开锁、IC卡刷卡开锁和指纹识别开锁，LCD显示屏进行人机信息交互，和蜂鸣器报警。适用场景广泛，可以进行有效的智能门禁控制，从而避免各种单一门禁系统造成的安全隐患。关键词：门禁系统；环境安全；51单片机；识别技术1.绪论1.1课题研究背景及意义现在社会科学技术飞速发展，安全、快捷、可靠的门禁识别技术受到社会大众的高度关注。目前，很多门禁系统都广泛涉及到了智能识别技术，这说明智能识别技术的发展是可观的，社会对智能门禁系统的要求也越来越高。单一认证方式的传统锁门禁系统安全性能偏低，无法很好的满足用户多元化的需求，不适于高保密性和安全性的场合[1]。传统门禁系统采用的识别方式种类不是太多样化，比较单一例如：密码按键、RFID、指纹、人脸[2]。各种方式都有自己的优点，但同时也都存在一些缺点，或多或少都在影响着系统整体的安全性和稳定性。另外，当单一的门禁系统发生故障时（如指纹破损、密码忘记、射频卡丢失等）会导致门禁系统无法正常工作，因此，设计更加可靠安全的门禁系统势在必行。现在我们常见的主要智能门锁识别技术有很多，但是大众对不同智能识别技术产品的接受程度存在不同。智能识别技术是现如今比较安全稳定方便且较为实用的一种技术，指纹识别技术又是智能识别技术中的一种，他是通过指纹识别技术来进行身份认证的，因为它是以手指代替钥匙，携带没有烦恼，操作非常方便，同时又避免了钥匙易丢失或易伪造的缺点。现如今，射频技术也在智能门禁系统中被广泛应用[3]。与指纹识别技术相比较射频识别技术更加安全可靠，与此同时两种技术的成本也大致相同。RFID门禁系统采用电子标签取代了传统的的机械门锁，从此不用再经过繁杂的过程开门[4]。和传统接触式钥匙开门不同的是，射频识别技术使用的是非接触IC卡，不仅避免了传统机械锁安全性差、易复制的缺点，还节省了开门时间。多重识别技术相结合的门禁系统应运而生。传统普通的门禁系统只需要一种认证方式，但由于操作简单、成本很低，使用范围很广。相比之下，多种方式识别的门禁系统更具有可靠性，而且难以复制集多种识别技术于一体，是未来智能门禁系统的发展方向[5]，但同时也具有成本较高的劣势。当前的门禁识别技术整体还处在一个发展的状态中，在近些年的发展进步中，指纹等智能识别的方式渐渐的成为市场的主流，因此，当下智能门禁系统的研究设计是具有研究意义和现实价值的。1.2智能门禁系统研究现状门禁系统在现代社会和自动识别技术的不断进步中得到了快速的发展，目前已经受到许多的企业的关注，并投入了很多的人力物力用于门禁系统的研发和生产。门禁系统的知名品牌包括霍尼韦尔（Honeywell）、HIDGlobal、西门子、博世安防、DDS、中控智慧、同方瑞安等[6]。国内门禁系统是上世纪八九十年代从国外引进我国的，现已成为安防行业的一个重要分支，并且得到了稳定的发展，于此同时传统的门禁系统也已无法很好的满足当今用户的需求。随着国内门禁科技的发展,门锁技术已经渐渐成熟，现在国内的技术方向主要还是向着密码按键和IC卡方向发展，发展方向不全面，存在一定的技术短板缺点。为了弥补这个技术短板，国内部分公司开始仿造国外较完整全面的门禁门锁公司产品。常见仿造手段多为购买国外先进零件，然后自己仿造加工生产，成功避免了生产不出先进零件的技术难题。但同时又产生了另外一个问题，就是因为先进零件需从国外购买，造成国内仿造门锁价格偏高，普通人群接受不了。国外门禁系统环境相比国内要好得多，90年代西方国家为主正值信息技术和微电子技术高速发展的时候，在技术上为智能门禁技术的提高提供了必要的支持。到现在国外门禁系统相关技术已经比较完善，有很多门禁系统方向的知名厂家，这些厂家都拥有完整的技术与产业链。国外的门禁系统已经发展的相对完善，可以进行生活社会应用，且和国内门禁系统相比具有更高安全性和技术先进性的优点。门禁系统广泛应用于生活的各个领域，目前，市场上的门禁产品主要有以下几类：指纹识别：开锁时，需要人体手指指纹才能开锁，手指指纹是开锁关键，和按键密码相比较而言，指纹识别不易破解，不易丢失，更没有易忘记的缺点。指纹作为密码开锁，安全等级高，取样方便，是现在公认的具有高性价比的门禁系统[7]。但其也有缺陷，例如当遇紧急情况且指纹破损时，便无法开门，此时开锁的便捷性便得不到保证。密码识别：使用者根据预先设置好的密码进行开锁来实现进入。该类型，操作简单使用方便，适用于使用者数量基数较大的使用场景例如快递站的快递柜取件码等，但是同时该识别类型存在固定数字按键易破坏，安全等级低，密码易泄露的缺点。射频识别：射频技术和传统钥匙开锁不同的是使用了非接触式的方法，使用非接触IC卡采用电子标签代替传统钥匙开锁，不仅避免了传统机械锁安全性差，易复制易伪造的缺点，还节省了开门时间，从此开门不会再有繁杂的和开门过程。该识别技术应用场景广泛，操作方便快捷，常用在小区大门门禁、写字楼电梯使用、宾馆客房门禁等[8]。根据不同情况场合需要不同的门禁系统，所以门禁系统的技术也在持续发展和进步。目前，生物识别技术和手机移动技术的出现同时促进了门禁行业的快速发展。与此同时，4G/5G通信技术的迅猛发展使得门禁系统的网络结构更加多样化，门禁系统的使用范围也而变得更加宽广了[9]。它不会只限于独立的运作模式，将来会有多组合的系统出现[10]。例如将RFID技术与指纹识别技术、密码识别技术相结合，建立一套智能门禁系统，既能充分利用这些识别技术的优点，又能提高系统的安全性和稳定性。1.3本文主要研究内容本文首先将通过对门禁系统相关文献的阅读和研究，来确定设计的主要目标。借鉴国内外先进技术，把控设计要点，在硬件器件电路上进行创新，在软件系统上进行革新，使整个系统安全可靠、功能齐全。其次先来确定智能门禁系统整体方案，分析智能门禁系统的相关技术和器件需求。再叙述系统的硬件电路设计开发，包括各个硬件模块的设计选择。然后就是系统软件设计、和软件的处理过程。最终通过门禁系统应用测试，含电路调试、识别开锁测试、器件功能测试、系统报警提醒测试等，完成本文所设计的具有一定功能实用价值的智能门禁系统。2.智能门禁系统的总体设计2.1设计目标该智能门禁系统的主要设计目标是：（1）设计一种在居民生活区内可使用、安全系数高、稳定性强、使用便捷适用性强的门禁控制系统。（2）智能识别前端完成后，门禁系统控制器可驱动动作单元来完成开锁和闭锁的功能。（3）使用者可以修改按键密码，可以进行IC卡的管理，如授权IC卡开门权限或者删除IC卡开门权限，可以进行有效指纹录入和管理。（4）当门禁系统验证失败时有亮灯提示或警报。2.2门禁系统控制总体结构图键盘输入电路键盘输入电路射频识别电路指纹识别电路51单片机LCD1602显示电路外部储存电路蜂鸣器报警电路图1系统总体结构图基于传统的门禁系统，本文提出了一个简化日常生活（如不用携带传统门锁钥匙，减少开锁时间）的新门禁控制系统设计方案，由三条识别模块电路以及控制单元和三条反应模块电路构成,系统总体结构图见图1，各个模块是独立的，但又有联系。该系统可以利用认得电子身份（密码，IC卡或生物电子信号如指纹等），来识别注册用户或者入侵用户从而起到加强居住环境安全的作用。3.智能门禁系统硬件设计3.1系统硬件设计方案为使门禁系统的安全性、便捷性和可发展性得到提升的目的，将会对该系统进行有目标的设计。该智能门禁系统的硬件电路主要由指纹识别模块、射频模块、存储芯片模块，数字按键模块，液晶显示模块、门控装置模块、主控制模块构成。本系统将会以STC89C52作为主控芯片，因单片机具有很多I/O端口，可利单片机丰富的端口将各个模块的外围电路联系到一起，构成一个完整的系统电路。工作流程是：通过对用户的手指接触到指纹识别模块的信息采集器上或者用户输入密码、用IC卡进行识别信息且把采集到的信息反馈给主控制模块；主控制模块对信息进行分析与判断，把相应的信息命令发送给外接的LCD1602液晶模块和门控装置模块进行处理。根据系统所需器件的工作原理以及系统的总体结构设计出该系统的工作原理图，系统工作原理图见附录Ⅰ。3.2STC89C52单片机介绍本次设计的主控CPU芯片为STC89C52，该芯片是STC公司最具有代表性的芯片之一。它有易操作，轻便小巧，相比下运行速度较快且采购成本比较低的优点[11]。该芯片的工作电压范围在3.3V到5V之间，若电路较大用3.3V的供电电压时可能出现不稳定状态，常用5V供电保持系统的稳定性，此外，具有专门的复位电路引脚，配合外围的电容与按键能在必要的情况下复位，不必重新开机启动。由此芯片组成最小工作电路需要晶振电路、复位电路及供电电源[12]。图3为单片机系统的最小系统图。图3单片机系统最小系统图3.3指纹识别模块指纹识别门禁系统的工作流程是先进行信息验证，需要将使用者的指纹先采集到系统里面，然后把收集到的指纹图像进行检测处理，最后判断指纹和已注册过的指纹是否为同一个，进而决定门的开闭状态。本模块所采用的指纹传感器AS608其优点是其它光学指纹采集器所无法比拟的，其体积小，功耗低，并且价钱便宜。所以现在大多数指纹采集系统都用此设备，其也就成为指纹识别市场的主流[13]。指纹识别模块的芯片主要是DSP芯片和CMOS芯片，当对指纹照相，会产生一些指纹特征。然后再照一次，连着两次就可以合成指纹的一个模板。具体的工作过程是：对指纹进行扫描，然后生成一个指纹特征，再进行模板的合成，建立一个指纹信息库，指纹录入成功[14]。指纹模板就是通过照一次相来实现，通过CMOS芯片对指纹信息进行采集，而后对信息生产0和1的两种记录模式，存储进到FLASH存储芯片里面。该模块会在识别模式时先进行预判，后通过CMOS芯片对指纹信息进行二次采集，通过采集的指纹信息和存储芯片的信息的比较，核对有没有，这样单片机就可以识别和记录我们每个人的指纹信息。指纹模块电路图见图4。图4指纹模块电路图3.4射频识别模块考虑到手指指纹会因指纹磨损、手指脏或干而无法准确识别或难以登记，本设计还采用了RFIDRC522模块控制门禁开关。该模块采用感应式技术是为了防止卡片和读卡器因接触摩擦而磨损[15]。射频模块在生活中会被经常用到，比如在校园一卡通、小区门禁系统、城市公交系统等，当有IC卡被读卡器读取信息的时候，它将磁信号转换成电信号再对IC卡进行解码并将信息传送到51单片机进行处理，该智能门锁系统中射频模块接口电路图如图5所示：图5射频模块接口电路图3.5系统按键模块这个矩阵按键是为了进行密码输入以及设置，按键的一端连接到Vcc=5V；另一端直接与单片机的I/O口相连接，这种设计对电路、程序和端口资源I/O的数量进行了精简与优化，键盘的输入方法采用矩阵扫描法，可以减少端口的使用，同时降低电路的连接复杂程度，适用于本文的系统设计。按键开关见图6，按下按键时相应的I/O口处于低电平，51单片机检测为低电平时它可以确定按下哪个键。为保证系统性能要求，按键设计如下：1、“0~9”数字键：用于密码输入和解锁密码重置。2、“进入管理”键：进行系统管理，可以对指纹录入、删除、进行修改密码，注册IC卡和删除IC卡。3、“确定”键：在进行密码输入和修改密码的时候，按下进行确定的按键。4、“退格”键：在输入密码的时候，如果输错了可以退格，进行重新输入。5、“删除”键：对注册过的IC卡进行删除。6、“注册”键：对IC卡进行注册。7、“切换下一页”键：对现有IC卡进行切换。图6按键模块电路图3.6报警电路蜂鸣器的电流不能够瞬间改变，所以需要三极管来驱动管帮助实现续流。蜂鸣器主要分为两种，分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种。他们的优缺点各不相同，可根据不同情况选择[16]。蜂鸣器驱动的三极管是采用PNP型，而不能选用NPN型。当一个单片机上电时，全部IO口均可能会出现一个较短时间的高电平。如果一个蜂鸣器的驱动三极管是NPN型,即使在应用程序中IO口被缩小或者拉低,蜂鸣器也可能会鸣响,为了减少这种情况,蜂鸣器的驱动三极管应该是PNP型。蜂鸣器的驱动三极管采用PNP型,我们便可以通过它来控制蜂鸣器的工作。单片机的IO口为低电平，以确认产品的正常使用。作为一种限值报警器件，它能直接用声音刺激我们的听觉，使我们能直接注意到超过极限值的情况，引起我们的注意，我们经常在各种设备设计中使用蜂鸣器，它具有很高的性价比。该系统通过蜂鸣器实现了对指纹识别成功或失败、射频识别成功或失败时候的信息提示[17]，电路图设计如图7所示。图7蜂鸣器电路图3.7液晶显示电路显示器是显示电路的关键，通过显示器可以进行人机交互，能够进行一个简单易懂的操作信息显示。传统的数码管显示器已经不能适用于本次设计，为了达到降低功耗和减少I/O端口的使用，本次设计选择使用LCD1062液晶显示器。该显示器还具备有低电压优点，LCD1062显示器可以显示32类字符，和其他同类型的显示器件相比较，该模块的硬件电路构成和显示程序设置都要更加方便快捷，价格也不高。显示电路如图8所示：图8LCD12864液晶模块显示电路图3.8AT24C02和单片机的连接电路由于STC89C52单片机内部没有集成I2C总线，因此系统需要用到一个外部储存芯片来进行单片机模拟I2C通信。AT24C02是电子设计中经常用到的一个储存芯片，它的储存速度快，价钱也便宜，适合很多系统设计对于数据储存的选择。它和单片机的通信只需简单的连接即可完成和单片机的信息交互，简单方便，存储数据高[18]，如图9所示，是它和单片机引脚的连接。图9AT24C02与单片机端口的连接图4.智能门禁系统软件设计4.1主程序模块设计各个模块的初始化会在系统启动之后进行，紧接着进入按键密码、IC卡、指纹识别等待模式。指纹识别通过预先存储的指纹特征，当开门者用手指接触指纹识别器时，STC89C52单片机发出指纹与指纹识别模块比较的命令当指纹特征符合时单片机就发送确认指令分别给液晶显示模块和门控装置模块处理操作。如果指纹特征不符合，则不进行任何处理；按键识别，用户需要输入密码来进行安全认证，当用户输入的密码和正确密码一样，门锁就会自动打开，密码输入不正确，屏幕上就会进行提醒，用户最初的初始化密码设置为000000；IC卡识别，管理员对用户的IC卡进行注册，然后用户可以直接用IC卡进行刷卡进入，屏幕上会出现卡号，门锁就会开启，并且蜂鸣器和LED灯会进行提示。流程图见图10。系统初始化系统初始化刷卡/指纹/密码识别校检完成？控制门禁开关YY键盘扫描信息查询/系统设置NY开始查询数据信息？NYY图10主程序流程图4.2射频模块程序设计射频识别开门程序流程图见图11。系统启动后，首先初始化MFRC522端口，初始化工作完成后，当系统检测到射频卡时，有一个防冲突程序就开始运行了，选一张IC卡进入认证程序,若认证成功，则执行开门程序，否则将对IC卡进行二次搜寻；若接连三次都不能成功认证，系统就会进入自锁的状态，系统紧接着掉电。YYYSTC89C52STC89C52初始化MFRC522初始化寻卡YY防冲撞NY系统启动选中卡片验证卡号i++,i<3系统锁定10分钟开门/声音提醒YY图11射频模块流程图4.3指纹模块程序设计在指纹系统功能中，当系统运行之后，可选择增加或者删除指纹。在系统识别模式时会有识别查验，当查验到有指纹信息，就会开始进行信息采集，通过采集获取信息之后就会和数据库中的指纹信息进行比对。如果指纹信息一样就会控制门锁开门，指纹的录入/删除流程图如图12所示。（1）指纹录入:当进行指纹信息录入时，小LED灯会亮说明录入成功了。如果不成功显示屏会显示录入失败。（2）指纹识别:当检测到有指纹信息时，就会将指纹信息与系统数据库内的指纹信息进行比较，比较结果相同的时候就开锁，比较结果不一样时蜂鸣器警报开锁失败。（3）删除指纹时需要选择被删除的指纹信息，在单片机的控制下可以通过按键将系统内存储的指纹信息进行删除。初始化选择要删除的指纹初始化选择要删除的指纹是否删除指纹发送命令清除指纹存储YY清楚指纹存储缓存结束NY开始初始化开始指纹录入是否采集到指纹存储指纹特征信息YY清楚指纹存储缓存结束NY开始图12指纹录入/删除流程图4.4按键模块程序设计按键电路的工作原理:按下时是低电平，不按的时候为高电平。通过检测电平的高低来实现控制。键盘扫描程序流程图如下图13所示。NN初始化键盘按键扫描按键按下获取键值并保存YY松手防抖检测结束图13按键模板流程图5.系统调试及结果5.1系统的硬件实现智能门禁系统实物标注如图14所示。硬件设计时因为涉及到元器件的焊接，特别是单片机的多引脚，引脚之间间距很小，焊接时一定要细心认真，焊接完后要对照着电路图再进行核对，防止焊错造成短路现象。图14实物标注图1、LCD12864接口2、STC89C52单片机3、晶振4、AT24C02储存芯片5、射频模块接口6、蜂鸣器7、AS608指纹模块接口8、电源9、复位按键10、按键模块11、LED灯12、继电器5.2功能模块的调试系统调试主要会对主控制模块、门控装置模块、指纹识别模块、液晶显示模块、报警装置模块、射频装置模块、按键模块、电源电路等重要模块进行调试以保证器件正常使用及模块作用正常发挥，同时根据整体情况也要对整体运行情况调试以达到系统设备的预期设计目标。具体包括以下调试内容。（主要测量仪器:万用表1个）表1系统调试内容步骤调试内容预期结论1电源电路输出电压为5V电源电压2主控制模块启动平稳系统运行情况良好3指纹识别模块可以正常识别指纹信息，并存储信息数据4液晶显示模块实现功能可以正常的显示5门控装置模块电机运行正常，门可以自动开关6射频模块IC卡能正常识别，防止频率干扰7按键模块按键功能可以实现，正常输入密码8报警模块能够正常报警（1）电源电路是每个系统的关键，是非常重要的，为了能顺利的进行调试，首先要进行方法的选择，测试的方法是用万用表在电源的正负引脚处进行测量，看是否有5V压输出。然后对主控芯片进行测试，通过对处理器电源引脚的测量看是否在正常的工作电压之内。图15-1输入电压测试图图15-2控制模块电压测试图这两个模块测试结果如图15-1、15-2所示，测试电压误差在5%，系统供电正常，控制模块运行良好。（2）对指纹模块进行调试时，需要给系统和模块上电，让主控模块和指纹模块都工作。再用手指触摸指纹模块，测试指纹模块对手指是否有反应。在有反应的情况下，检测指纹存储芯片是否能正常存储信息。图16-1指纹模块实物图图16-2指纹模块测试图指纹模块实物如图16-1所示，测试结果如图16-2所示，指纹模块运行正常，功能可以实现要求。（3）LCD1602的两组电源分别是用来屏幕显示和背光显示的，当使用的时候就把这两个一起使用。它的一个引脚可以通过调整电压用来进行对比度的调节。所以当出现无法正常显示的时候，有可能的一个原因就是对比度太高或者太低。也可以直接观察LCD1602的显示情况，判断一下是不是他的质量问题。图17-1液晶显示模块实物图图17-2液晶显示模块测试图液晶显示模块实物图如图17-1所示，观察无损坏问题，通电如图17-2所示显示正常。（4）拿张已经注册过的IC卡放在射频模块上，看液晶是否显示对应的卡号，并且门锁能够正常启动；来检测门控装置是否能够正常运行和IC卡能否正常识别，通过这两点来说明射频模块是正常工作的。图18-1已注册IC卡识别开锁图图18-2未注册IC卡开锁图拿张已注册的IC卡进行刷卡识别，可以检测出卡号，并且门锁开锁成功，LED亮灯提醒，如图18-1所示。用未注册的卡来证明系统是否正常工作，如图18-2所示，射频模块可以检测出未注册卡，且门控装置未开锁，同时蜂鸣器报警，说明门控装置模块工作正常，射频模块工作正常。（5）在矩阵键盘中输入门禁密码，并且按确定键结束，查看液晶是否显示对应的密码位数，并且门锁能够正常启动，若门锁能正常打开，且蜂鸣器可以响音提示LED亮灯提醒，说明该系统报警模块功能能正常使用。按键通过“进入管理”按键，可以进行指纹添加删除管理、IC卡注册删除管理以及密码的修改管理。图19-1按键输入正确图图19-2按键“进入管理”图如图19-1所示，当密码输入正确时，门锁开门，报警器响，LED亮灯提醒。说明报警模块工作正常，可以通过亮灯和声音进行提醒。按键按“进入管理”键后如图19-2所示，可以进行相应操作，功能正常，按键模块可以实现预设功能。6.总结与展望本文基于51单片机，采用指纹识别技术和RFID射频技术等成功的设计了一款安全性高、稳定性强、和使用方便的智能门禁系统，该门禁系统使用生物指纹或IC卡作为智能门锁的钥匙，并保留键盘，通过键盘能输入密码开门。该智能门锁已通过实物操作验证，调试运行情况良好，已达到设计条件，满足设计要求。实践操作成功，说明该设计是可行的，有效的。智能门锁是随着社会不断进步的，在使用的方便性、安全性等方面是传统机械锁比不了的。在同类产品中具有体积小、成本低、稳定性好和低功耗等特点，功能成本小、信