【基于单片机的智能门禁系统控制系统设计11000字（论文）】

绪论1.1课题研究的背景智能门禁系统我们也可称之为出入口控制系统。众所周知，在科技迅猛发达的今天，密码锁系统在我们的认知中已经发展成为一套极具现代化和功能化的管理系统。之前的那种单纯的钥匙和锁的管理已经不再是出入口及通道的主要途径，智能门禁现在能够帮助内部进行更有序化的管理。它能够时刻记录人员的出入时间、出入情况等，限制人员的出入范围，也可以很好的拒绝非法人物进入。同时，它也可以有效的预防了财产受到非法侵犯。密码锁管理系统已经成为了安全防范系统中很重要的部分，它在当今社会发展的很迅速，已经广泛的应用在了办公室，宾馆，智能大厦，智能小区等各种大门、通道、房间的管理。当今社会的房地产发展如火如荼，小区密码锁系统成为小区住宅楼不可缺少的配套设施，它很好的保护了住户的人身安全和财产安全。1.2发展概况随着我们高科技迅猛发展，人们的社会生活已经慢慢的融入很多智能化管理，如今智能化大厦一座座拔地而起，为了适应信息时代的需要,我们使用的建筑和环境,必须满足当前或者是未来发展的需求,从而成为经济发展和社会文化的基地。非接触感应卡式出入管理控制系统又称密码锁系统，它具有对门户实时监控、出入控制、保安防盗自动报警等很多种便捷有效的功能。这类系统主要就是方便员工出入，外来人员杜绝随意进出，这样既方便内部对员工的管理，又增强了内部保安,从而为我们提供经济效益高效的工作环境。它在功能上实现了通讯自动化(CA)、办公自动化(OA)和管理自动化(BA),综合布线系统是基础,计算机网络是桥梁,全面实现对办公自动化系统、通讯系统的综合管理。密码锁系统系统作为一项先进的高科技技术防范和管理手段，在一些经济发达的国家和地区已经广泛应用于科研、办公公寓、工业、博物馆、酒店、商场、医疗监护、银行、监狱等，特别是由于系统本身具有隐蔽性，及时性等特点，在许多领域的应用越来越广泛密码锁系统的技术不断向前发展,用户需求也在发生变化,因此密码锁系统的设计与实施应考虑到将来可扩展的实际需要,亦即:可灵活增减或更新各个子系统,满足不同时期的需要,保持长时间领先地位,成为智能建筑的典范。系统设计时,对需要实现的功能进行了合理配置,并且这种配置是可以改变的,设置甚至在工程完成后,这种配置的改变也是可能的和方便的.系统软件根据开发商符合不同历史时期市场的需求进行相应的升级和完善,并免费为相应的应用客户进行免费的软件升级.同时，可以扩展为考勤系统、会议签到系统、巡逻管理系统，就餐管理系统等一卡通工程。1.3设备的关键技术本次设计的核心中枢控制系统是单片机，单片机是整个设计最重要的部分，所有的功能实现都是通过单片机的内部资源和外设资源以及单片机的IO引脚来实现。那么什么是单片机呢？简要的介绍一下单片机的系统，单片机如下图1.1所示。图1.1单片机可以清楚地观察到单片机就是一个引出多个金属引脚的黑色芯片，在其内部排列着数以万计的硅晶体，这些硅晶体管的有序排列实现各种与非门的逻辑控制，我们把各个不同的逻辑控制叫做芯片的外设，通过陶瓷或者工程塑料将这些硅晶体管封装起来[4]，同时将各个外设资源的功能引脚保留在封装之外，这就是看到的白色引脚，即单片机的管脚。引脚分为普通的IO引脚和外设的功能引脚，对于单片机本身来说，我们通过编程控制的就是单片机的引脚功能。有些特殊的引脚[5]，在单片机的内部有固定的设置空间，通过编程按照单片机的规则进行设置，最终实现其所拥有的功能。对于普通的IO管脚，系统进行输入与输出控制，结合外围的器件实现各种不同的功能要求[6]。单片机的封装形式各不相同，上图1.1中都是封装好的单片机，还有其他不同形式的封装没有展示，他们的生产厂家各不相同，封装形式也不相同，主要分为两个形式，一种是贴片形式，一种是DIP直插的形式，贴片形式又分为外因引脚和内置引脚[7]，一般应用于产品小型化，这种封装的优势就是体积小[8]。直插式封装优点就是可以随意插拔[9]，更换非常方便，这两种的单片机只使用上功能基本一致，主要根据应用场合进行选取，单片机也在不断地发展，封装的形式也不近相同。单片机的IO引脚控制是系统实现的关[12]，掌握单片机的开发手册，了解单片机的寄存器，知道如何配置寄存器[13]，掌握IO引脚的使用，懂得如何进行数据采集，信号的输入与输出就是掌握了一半的系统关键技术，也为本次的课题设计打下了坚实的基础[14]。1.4本章小结本章主要介绍了本次设计的研究背景与意义，并且介绍了相关的发展状况，最后介绍了单片机的主要技术需要掌握关键技术才能完成整个系统的功能设计。

2系统的整体方案设计2.1系统设计总体思路本次设计的整体内容主要包括硬件电路的整体设计，软件程序的编写与最后的整体测试工作。设备硬件设计思路：首先完成系统整体功能的确定，思考整体需要实现的功能，通过选择相应的硬件是否可以实现整体目标。研究并确认整体的电路原理，完成电路图软件的安装并且通过设计软件完成电路图整体原理的绘制。按照设备的功能完成元器件的购买，按照原理图焊接出整个硬件设备。以上部分是完成硬件设备的关键步骤。软件总体设计思路：设备的硬件完成之后需要软件的协助才可以完成整个系统的设计，软件的设计是按照设备需要的模块功能进行编写的。从局部出发，最后进行整体的整合与调试。设备的每一个模块视为一个子程序模块，通过主函数进行整体的协调调用，当写完一个模块的功能函数可以进行分布调试，达到预期效果方可进行最后的整合。最后完成设备软件的整体目标功能。设备的测试：测试部分详细分为设备的硬件测试，设备的软件部分测试。硬件测试主要是测试系统电压，接口等电路是否与原理有出入，设备的硬件工作电压与状态是否正常。通过硬件与软件的结合来测试软件执行的相应的功能是否是目标功能。设备的测试是一个复杂的过程，需要反复多方位的进行测试才可以将设备的缺陷找到，并且加以修改，最后完成整个成型的设备。2.2设备总体框图设备主要是依靠单片机进行整体的协调与运算，单片机负责传感器的信息数据采集，控制输出，数据运算等功能，通过外围辅助电路、传感器等设备进行整体功能的实现。设备的整体框图如下图2.1所示：本设计采用STC89C52作为主控芯片，。若正确则开门，对密码锁系统起着重要的作用EEPROM采用AT24C04芯片，掉电后可以存储密码，从而保证了系统的安全性。人机交互通道部分采用了4×4矩阵键盘输入以及LCD1602标准字符型液晶显示。针对于用按键输入密码，根据密码的正确与否来进行相应的操作，管理员可以自行设定和修改密码，防止密码被盗，输入密码错误次数超过3次则报；输出系统部分包括驱动开锁电路和报警电路；其中，在本系统设计中，驱动开锁电路用发光二极管表示，而报警电路则使用蜂鸣器图2.1设备的整体框图2.3主要器件的选择2.3.1控制器的选择控制器的选择1:PIC单片机是美国的一家公司生产的单片机，从低端到高端的单片机具有非常多的选择型号，包含了常规的8位单片机、16位单片机以及性能更高的32位单片机。PIC单片机的主要应用场合是在工控设备应用中，工业应用中对单片机的性能也是有要求的，温度范围比较宽泛，可以适应高低温多场合的应用。由于工业现场的干扰因素不确定，要求单片机的抗干扰要非常的稳定，所以也导致了PIC的成本相对较高。PIC单片机的编写环境需要采用专用的软件配套，包括整套的烧写程序，很少的支持串口烧写的方式。控制器的选择2：STM32单片机是意法半导体生产的一种处理器，采用ARM内核进行设计。STM32的开发资源相对较多，网上也有许多的参考资料可以进行开发设计参考。STM32单片机的应用场合主要是消费类别的场合，处理速度相对也是较快。ARM内核的开发相对于基础的51系列的内核来说还是复杂一些。但是单片机的资源与处理速度是优于51内核的单片机系统的。控制器的选择3：STC系列的单片机是国产的一种单片机，STC单片机的开发资料是非常多的，非常的适合做相对简单的设备控制系统，单片机的调试只要使用USB转TTL模块就可以进行调试，下载程序。STC单片机可以兼容AT系列的单片机，并且在原来的基础上加以升级改进，将单片机的处理速度，开发方式都加以改进更加的方便开发人员使用。也是单片机中性价比比较高的一种单片机系列。本次设计采用STC单片机进行设备的开发，通过对单片机编程使用单片机的外围的IO管脚，实现系统的整体功能，完成整个设备的开发。2.3.2显示电路的选择2.3.3按键的选择2.4本章小结3系统硬件电路设计3.1单片机最小系统单片机要正常进行工作是需要一些外围的辅助器件来组成的，行成一个单片机最小系统。首先需要掌握单片机各个引脚的功能，STC89C52单片机一共具有40个引脚。每一个引脚都有其功能与定义。单片机的第一个引脚到单片机的第8个引脚是单片机的P1接口，实现通用的输入输出功能，第1引脚到第8引脚分别对应单片机的P1.0引脚到单片机的P1.7引脚。单片机的第9引脚定义为RST引脚，其功能是实现单片机的复位功能。单片机的第10引脚是复用引脚包含了两个功能，其一是通用的IO管脚，是P3口的P3.0引脚，其二功能是UART引脚，也就是串口的数据读取引脚。单片机的第11引脚也是具有两个功能，其一是P3接口的通用IO管脚P3.1，其二是单片机的UART接口的TXD接口，也就是串口的数据输出引脚，同时可以通过串口实现程序的下载。单片机的第12引脚也是复用引脚，比较常用大的是外部中断INT0的输入引脚，同时也是单片机通用IO管脚P3.2。单片机的第13个引脚是中断INT1的输入引脚，可以实现中断检测。同时也是通用的IO引脚功能，可以进行复用。单片机的14到17引脚通常当做单片机的通用IO管脚来使用。第18、19引脚是单片机的外部晶振输入引脚，第20引脚是单片机的电源地。第21到28引脚是单片机P2口，分别对应单片机P2.0到P2.7引脚。第32到39引脚是单片机的P0接口，对应单片机引脚是P0.0到P0.7,第40引脚是单片机的电源引脚，负责单片机的电源供给。单片机的引脚如下3.1电路所示。图3.1STC89S52电路图单片机想要正常工作需要给单片机进行供电，也就是在VCC与GND之间加入适合单片机的工作电压，通常STC89C52单片机的电压范围是在3.6到5.5伏特之间。单片机的P0接口一般会接入一个10K的上拉电阻的组排，这个主要是单片机的灌电流比较小，加强P0口的带载能力。单片机的晶振电路是接在XTAL1与XTAL2之间，晶振的大小范围也是可以根据系统要求来调节，范围在4M晶振到22.1184M晶振之间，本次选择是11.0592M的晶振，大小可以保证系统稳定的工作，同时在使用UART接口时候可以得到准确的通讯波特率。单片机实现晶振电源的供给之后就可以正常的执行设备系统的各个功能，通过单片机知识进行程序的编写控制实现单片机的各个功能，可以实现对IO管脚的操作实现外围器件的数据采集或者是输出控制。通过编写单片机的内部程序配置寄存器实现单片机的各个模块的应用。通过各个模块之间额相互配合最后可以完成整个系统的功能目标。3.2显示电路设计液晶显示首先说一下液晶的物理组成，液晶的本身材质是一种在固态与业态之间的一种物质。液晶的这种特殊性，非常的适合在显示屏幕当中应用，可以通过电流来控制实现界面画面的显示功能。液晶的显示模块主要包括了两个重要的组成，其一是背光显示，可以清晰的观察，其二是液晶屏幕，组成各种图形界面。液晶的构造决定了液晶屏幕的一些优点，具有背光灯设备显示清晰明了，液晶较小，其驱动消耗的功耗也是相对较小，使用时候清理也是比较方便，方便日后保养清洁。液晶的使用范围正常情况下是在0摄氏度到55摄氏度之间使用。LCD1602显示是比较常用的显示器件，一共可以显示两行的信息，每一行中可以显示的字符数量是16个，LCD1602的液晶显示屏幕如下面的3.2所示，有背光的屏幕需要安装LED背光，所以厚度相对来说比较厚。本次设计的设备选择具有背光的LCD1602来显示数据，好处是可以清晰的观察系统的数据信息。图3.21602LCD尺寸图LCD1602的引脚功能说明如下表1.1。表1.1液晶显示引脚说明LCD1602的电路原理图如图3.3所示图3.3LCD602液晶电路图如上图电路图所示，LCD1602的管脚与单片机之间的连接采用网络的标号形式连接，PR1是一个10K的可调电阻，通过调节可调电阻实现LCD1602的对比度调节。LCD1602的D7到D0引脚是数据的并行数据接口，本次设计与单片机的P0口进行连接。背光灯直接接入5V与GND之间，实现上电屏幕的背光屏幕常亮。LCD1602的E引脚连接单片机的P2.5引脚，R/W引脚连接单片机的P2.6引脚，RS连接单片机的P2.7引脚。3.3按键控制模块按键电路一般是负责参数的设置和功能的控制，无论何种的应用方式，其本质是一样的，不同的只是程序的处理方式，按键接入一般的情况是独立式接入，独立式接入就是按键的一端连接地，另一端连接单片机的引脚，单片机的引脚上电都是高电平，当按键按下之后，引脚的电平被拉低，单片机采集引脚的电平变化判断外部的按键按下了，这样就处理按键的程序。还有一种接入的方式是键盘式接入，就是按键的两端都接入单片机的引脚，这样接入的好处是可以节省单片机的资源，当多个按键时，通过两端不同的电平可以实现多按键功能，比如矩阵按键就是利用8个引脚可以完成16个按键的功能，如果使用独立按键就需要16个引脚，这样可以节省单片机的引脚数量。本次设计按键较多采用4*4矩阵键盘。按键电路的硬件电路如下图3.4所示。图3.4按键控制电路3.4报警模块设计采用蜂鸣器作为报警提示，本次设计采用有源蜂鸣器，有源蜂鸣器与无源蜂鸣器的区别在于有源蜂鸣器中有内部的震荡源，当蜂鸣器通电之后就发发出连续的鸣叫声音。采用一个三极管9012作为开光进行控制蜂鸣器是否发出声音，同时9012起到电流放大的作用，使蜂鸣器能正常的工作。电路图如图3.6所示。图3.5报警电路3.5继电器模块继电器是一种电控制器件，它由两个量，输入量（控制量）和输出量（被控制量），它可实现这两个量之间的互动。继电器具有一个公共端，与常开触点和常闭触点之间相互的配合，可以实现系统的控制输出。采用4148二极管作为反向保护，防止继电器击穿，当输入低电平时候，三极管导通，继电器两端会接通电源，继电器会动作，当三极管接收到高电平时候，三极管截止，继电器两端电压会断开，这个时候继电器断开外部回路。三极管起到一个开关的作用，而继电器起到外部控制作用，将主控电路与外部控制电路进行隔离开，保护主电路不受损坏，电路图如如3.4所示。3.4继电器控制电路

4软件设计及实现本次程序设计主要采用C语音进行程序的编写。首先需要设计子函数，包括各个设备模块的驱动程序，读取数据程序。最后完成主程序main的设计。根据系统的功能去依次完成系统的各个功能模块的使用，组合成整体的系统功能。通过keil编程软件完成程序的设计，最后编译成功之后输出可执行文件HEX文件，然后通过软件下载到单片机设备中进行整体的测试。4.1设计的软件环境在程序设计的时候，必须使用单片机的开发软件进行程序代码的编写与编译，单片机只识别编译后的机器码，我们在程序编写时是通过开发工具完成的，这里使用的就是KEIL软件，我们在编程的时候使用的C语言，这是比较高级语言之一，越高级的语言人们理解性就越方便，但是高级语言单片机并不识别，它只认识极其语言，这就需要把高级语言转换为机器语言，而这个转换的过程就需要使用专用的软件把高级语言翻译成单片机识别的机器语言，同时还会检测编写代码是否错误，语法是否错误。KEil的开发环境给人的感觉特别方便，干净整洁的开发环境是KEIL优点之一。因此，程序员使用KEIL来开发一个非常普遍的。许多零件制造商根据实际的KEIL使芯片基本上支持开发。在这里你可以说是最受欢迎的工具之一在编写程序时候需要进行工程文件的重新建立，然后对程序进行C语言代码的编写。工程文件建立如下图4.1所示。图4.1新建工程界面完成文件的建立之后需要对程序进行编写，具体的编写如下图4.2所示。图4.2程序设计界面在写程序的时候，先设计main函数，如果需要调用一些其他功能，去编写相应子函数的程序，然后main函数进行程序的调用，在完成一个模块时候对相应的模块在主函数中进行测试，观察是否符合预期目标，编译程序的界面如下图4.3所示，本次程序没有错误输出也没用警告输出，可以正常的进行测试。图4.3keil的编译界面程序编译成功之后，程序会自动生成一个可执行的HEX文件，采用STC下载程序的软件如下图4.4所示，可以将keil软件编译好的可执行文件下载到单片机中。图4.4HEX文件下载界面当程序下载成功之后，单片机系统会进行重新启动，执行主函数的动作，实现目标的预期功能。4.2主程序流程图设计Main函数是系统的主程序，程序都是从main开头每一条的程序依次执行下去的，通过执行每一条程序的动作实现系统的预期目标，这里的程序编写需要就有逻辑性，知道系统的具体执行流程，按照流程来逐渐的去实现每一个小的目标功能，具体的主程序流程如图4.4所示，主要进行初始化函数，最后在主循环中反复执行程序。图4.4主程序软件流程图4.3显示程序设计LCD作为人机交互界面主要进行设备的参数录入与数据显示LCD显示流程图如图4.5所示上电之后LCD显示程序会进行初始化设置，主要包括了引脚与数据寄存器的设计，然后根据写入命令函数与写入数据函数进行整体的参数与数据显示。图4.5LCD显示流程图4.4按键程序设计按键流程图如图4.6所示，按键是通过按键按下与平时电平的反向特性来进行IO口的电平翻转变化，单片机识别到这个信号会对信号进行判断，根据按键返回数值去执行相应的动作，主要包括按键的实时检测，按键的动作数值返回与处理。图4.6按键流程图4.5执行程序设计系统输出程序如下图4.7所示，通过判断系统的数据数值进行相应的动作执行，实现系统的控制功能。图4.7动作执行流程图

5系统的调试与分析在设计完成硬件的原理设计之后进行硬件设备的焊接，根据原理图进行单片机与应用设备的引脚进行连接，完成整体的设备硬件。完成程序的编写，各个模块的子程序设计，最后根据目标实现的功能完成主函数的编写，就可以进行设备的整体调试。5.1系统测试步骤系统实物的制作需要准备电洛铁、焊锡、电路板元器件等工具。在实物系统的完成过程之中主要包括了以下的几个步骤。1.在焊接时需要根据设计的电路图进行焊接，电路图中的器件引脚的分布在原理图中是不能具体表现得，所以在焊接具体的器件时需要器件的数据手册来确定器件引脚的连接方式，这一步非常关键，往往有时候因为焊接错误而烧毁器件，每一个器件都需要确定无误后才能进行焊接，同时在焊接的时候要格外注意不能长时间的焊接，有些器件在高温状态下很容易损坏。2.在实物焊接完成后，首先就要观察所有的元器件焊接是否正确，是否有元器件位置焊接错误，确定元器件没有问题后，开始逐一排查各个元器件的引脚，是否有连焊或者漏焊的存在，如果存在用电洛铁重新焊接，完成器件的焊接工作，在这个过程中一定要耐心，要一点一点的对照电路原理图排查，保证焊接的正确性，否则后期在程序调试的时候无法分辨是硬件错误还是程序错误。3.使用万用表进行电路测试，第一步要测试电源和地之间是否存在短路的现象，将万用表调节到通断测试档位，将表笔分别放在电源端子和地端子上进行测试，如果万用表鸣响，说明电源短路，必须要将这一故障排除，如果没有鸣响，那就说明电路的电源部分没有问题，接下来对照电路图按照每条电器线测量，直到全部测试完毕，排除短路和漏焊的现象存在。4.实物检查完毕后，开始进行上电测试，观察系统的电源是否正确，通过万用表测量供电电压是否符合本次系统的设计，电源没有问题后观察各个元器件模块是否有异常，通过万用表测试每个元器件的电压，确保所有的元器件模块都正常工作。5.完成程序的编写，程序在编写的时候采用模块化分步进行，对设计电路板上的元器件模块功能逐一调试，保证每个功能都能调试成功。之后就进行统一的调用，完成系统的设计。6.对系统进行测试，测试工作是整个设计的关键环节，他的功能和逻辑都是在测试中进行完善，边测试边修改程序，知道功能全部实现设计要求5.2设备软件测试设备在编写程序的后运行出错，主要出错在了显示程序的调试，由于对显示硬件掌握不是特别熟悉，在调试程序的时候，将驱动程序的RS与RW引脚与设备硬件定义反向，这样在上电测试时候发现显示不出内容，显示错误的程序图片如图5.6所示；在查找问题，将显示的定义RS与RW进行交换之后系统的显示正常，正常显示程序如图5.1所示；图5.7显示正确程序图采用显示作为输出口，然后进行整体的程序的调试，最后完成了系统的整体目标，实现了设备的整体功能，系统整体测试如下图5.2所示；图5.2系统软件正常工作

6结论本次设计的设备系统，完成了目标的设计功能，通过本次设计对设备的制作，调试有了一定的体验，梳理了主要的流程步骤。1.在设备设计初始阶段，要对原理图的设计做到准确无误，对每一个硬件模块都要去深入了解其参数，包括电压，驱动方式，输出的结果。这些资料最有效的方法是直接问导师，进行系统的设计，其次可以去网上与图书馆进行查找，这样的资料不一定全部正确需要自己去验证。2.在软件设计阶段遇到了显示输出错误的情况，这样会导致系统无法正确的完成，通过查找程序改正了错误，实现正常的运转。在编写程序时候一定要分模块化的进行编写，这样非常有利于查找错误的程序。将程序模块化进行设计后，可以对每一个模块分步进行调试测试，方便观察输出结果，更加有利于整体系统的完成。3.在系统完成之出，系统会有很多不足之处，这个时候只能进行设备的反复调试，在整体的程序中舔砖加瓦进行整体的完善，对逻辑的重新编写，对逻辑的限制执行，通过这种手段最后完成一个比较满意的设备。本次设计完成了目标的功能，由于自身知识量的原因，可能对设备并不一定能做到很好的基础延伸，这个在完成基础功能上进行扩展，需要相应的深度。本次设计做到了解决问题的能力，可以独立完成目标的任务，实现了整体的目标功能，也