基于单片机的智能门禁系统设计.docx
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基于单片机的智能门禁系统设计
xx大学
本科生毕业设计说明书
题目:
基于单片机的智能门禁系统设计
学生姓名:
xx
学号:
xx
专业:
测控技术与仪器
班级:
xx班
指导教师:
xx
基于单片机的智能门禁系统设计
摘要
随着人们生活水平的不断提升,科学技术的迅猛发展,因科技发展而越来越智能、高效的生活方式逐步进入普通人身边。
人们对于居住环境的安全性要求也越来越高,具有安全、智能、高效、便捷的门禁系统越来越深入人心。
之所以把安全放到首位,是因为“安全无小事”并且我们的社会中还存在许多不安全的因素困扰着人们,只有加与防范并树立安全意识才能让我们远离危险。
基于此智能门禁系统开始逐渐进入人们的视野,它成为了提升安全性的防卫系统,同样给人们的生活提供了极大地便利。
本设计旨在解决人们居住环境的安全问题,同时以人们的生活更加智能化为出发点,提出一种基于指纹识别和射频识别的智能门禁系统设计方案,该智能门禁系统所涉及的硬件部分主要包括:
单片机、指纹识别模块、WIFI模块、MFRC522模块、电磁锁、显示模块、时钟模块等;软件部分包括:
上位机监控界面和手机APP两大部分。
该智能门禁系统采用指纹识别、射频识别与电子密码对身份多重验证,利用无线通信技术连接到手机终端,实现对门禁系统的实时管理,对来往人员的出入时间进行上传及统计,还包括人机交互,时间显示等功能,保障了住户的安全,同时也提高了家庭的智能化管理水平。
关键词:
智能门禁系统;指纹识别;射频识别;电子密码
DesignofintelligententranceguardsystembasedonMCU
Abstract
Withthesocialandpeople'slivingconditionscontinuetoimprove,thelevelofscienceandtechnologyaredevelopingrapidly,thedevelopmentofscienceandtechnologymoreandmoreconvenientandefficientlifegraduallyintothesideofordinarypeople.Peopleforthesafetyrequirementsofthelivingenvironmentmoreandmoreisalsohigh,withsecurity,intelligence,highefficiency,convenientaccesscontrolsystemmoreandmorepopularreason.Thesafetyinthefirstplace,becausesafetyisnosmallmatterandinoursocietytherearestillmanyunsafefactorsplaguedthepeople,onlywithsecurityawarenessandpreventioncanwegetawayfromdanger.
Thisdesignaimstosolvethesecurityproblemsofpeople'slivingenvironment,atthesametimeinthelifeofpeoplemoreintelligentasastartingpoint,putforwardadesignschemeofintelligentaccesscontrolsystembasedonradiofrequencyidentificationandfingerprintrecognition,hardwareoftheintelligentaccesscontrolsystemwhichmainlyconsistsofasinglechipmachine,fingerprintidentificationmodule,WIFImodule,MFRC522theelectromagneticlockmodule,displaymodule,audiomodule,clockmodule,etc.;thesoftwarepartincludes:
monitoringinterfaceofcomputerandmobilephoneAPPtwoparts.
Theintelligentaccesscontrolsystemusingfingerprintidentification,identityverificationofmultipleRFIDandelectronicpassword,usingwirelesscommunicationtechnologytoconnecttothemobilephoneterminal,toachievereal-timemanagementofaccesscontrolsystem,andtheaccesstimetouploadandstatistics,includinghuman-computerinteraction,timedisplayandotherfunctions.
Keywords:
intelligentaccesscontrolsystem;fingerprintidentification;radiofrequencyidentification;electronicpassword
第一章绪论
1.1课题研究背景
传统门禁系统结构简单、功能单一、安全性低,己不能满足人们对安全舒适生活的追求。
所以具有个性化、人性化、智能化、安全方便的智能门禁系统应运而生。
它是在电子技术、机械技术、计算机技术、通信技术、生物技术等诸多前沿技术的基础上开发而来的[1-3]。
因此本文设想一种基于指纹识别、射频识别和电子密码锁有机结合的智能门禁系统,对身份多重验证,进而由指纹解锁、IC卡解锁代替钥匙解锁,再利用无线通信技术连接手机终端,实现对门禁系统的管理。
1.2智能门禁系统简介
门禁控制系统(AccessControlSystem)又称为出入管理控制系统,其主要功能是管理门的开闭、保证有权限人员的自由出入、限制没有权限人员的进入,使整个门禁管理效率更加的高效。
同时可对出入人员信息、出入时间等进行统计与存储等[4-6。
智能门禁系统是现代化安防系统,它是人们工作居住环境的安全保障,同时也在一些公司的考勤管理等方面起着十分重大的作用。
它是传统门锁适应社会发展需求演变而来的。
传统门锁是单纯的机械锁,无论其设计与使用材质多么完美,总会有不法分子利用千方百计的手段把它打开。
还有传统门锁在人流量较大通道管理很麻烦,效率比较低。
为了解决上述中传统门锁的这些种种问题,就出现了智能门禁系统。
现在市场上比较常见的门禁系统主要分为三类:
电子密码门禁系统、IC卡门禁系统和生物识别门禁系统等。
智能门禁系统过近几年迅速发展,现在已经逐渐应用于各行各业的管理控制系统中。
不单单是控制简单的门,还有许多公司的考勤、智能停车场、安防报警系统、大型公共场合(如地铁站)等应用场合都需要智能门禁系统,除此之外,智能门禁系统还可以与其他系统联动[2]。
1.2.1智能门禁系统的发展历程
因为科学技术的飞速进步,电子芯片的发展越来越集成化、智能化,基于此智能门禁系统也得以迅速发展。
此外随着新兴的生物识别技术的发展,智能门禁系统的功能也逐渐趋于完美,操作也越来越便捷[3]。
下面对智能门禁系统的发展历程做个简单介绍。
第一代门禁是通过单一的键盘输入密码进行解锁的,其缺点是必须牢记密码否则会因忘记密码而被拒之门外。
如图1.1:
图1.1密码门禁系统
第二代门禁系统是通过接触卡片刷卡进行解锁的,简称接触卡式门禁系统,卡片大致分为磁码卡和铁码卡两种。
(1)磁码卡卡片的优点是:
信息方便改写,应用方便。
缺点是:
容易消磁,且容易被磨损;
(2)铁码卡卡片优点是具有良好的防磁,防水性能,相对于磁码卡是安全性有很大的提升[19]。
虽然这种系统安全性能得到了提升,但是不小心将卡片消磁或损坏,门禁系统也将无法打开。
如图1.2所示:
图1.2接触卡式门禁系统
第三代门禁系统是利用非接触式IC进行解锁,简称为非接触式IC卡门禁,整个卡片内部含有一个感应线圈整个线圈由塑料物质包裹进行保护,其工作原理是利用IC卡的感应线圈在读卡器上产生的特殊振荡频率,当IC卡进入读卡器感应范围内则产生共振,读卡器将接收到共振信号并将其转换成卡片信息,送到单片机进行判断、处理[19]。
如图1.3所示:
如图1.3非接触式IC卡门禁
第四代门禁主要以生物识别系统为主,它包括指纹识别系统,掌纹识别系统,视网膜辨识系统和人脸识别系统等[4]。
如图1.4所示:
图1.4生物辨识系统
1.2.2智能门禁系统国内外研究现状
在科技发展的过程中,自动识别技术得到快速发展,智能门禁系统作为副产品也很快占有一席之地。
在市场需求的巨大刺激上,许多国内外公司都倾入大量人力物力。
我国在此方面的起步比较晚,科技水平落后欧美发达国家很多。
从控制手段来看,目前国内智能门禁系统主要有电子密码式门禁系统、射频(RFID)卡门禁系统、指纹识别门禁系统等,其中以射频感应(RFID)卡门禁系统应有最广泛。
国内生产的射频感应(RFID)卡门禁系统和指纹识别门禁系统与国外同类产品相比价格低大约10%-50%,但产品稳定性和安全性相较国外品牌差一点[7]。
目前,国内的控制还是比较单一的,满足一些基本需求尚可,但对一些高要求场所或是家庭,还是存在很大的空缺[15]。
随着我国科技发展,这种发展前景不可估计。
国外的技术相对比较成熟,在此方面开始逐渐形成垄断现象。
为了顺应科学技术的发展以及满足人们对智能生活的需求,当前许多国外主流的门禁系统都开始将门禁系统和TCP/IP网络连接起来。
由于拥有多年的经验和技术上的优势,国外的门禁系统设计出的产品在系统的稳定性和安全性等方面比国内的门禁系统更具有优势。
但是国外门禁系统价格昂贵,就射频感应(RFID)卡门禁系统控制器的价格从4000到3万不等,包括读卡器、门锁、控制器、软件在内的一套系统报价基本都在万元左右,操作也比较复杂[15]。
1.3智能门禁系统研究意义及目的
随着科学技术的飞速发展,人们正享受科技带来的极大便利,但同时有很多的不法分子运用高科技手段进行诈骗、盗窃危害着人们,所以人们企盼居所和工作环境安全性能够更好。
而传统门锁己经不能满足人们的需求,为了使人们的安全性得到充分的保障并从根本上改变传统门禁落后的局面,智能门禁系统应运而生。
智能门禁系统将运用IC卡、生物识别等控制电磁锁的开关,控制器通过无线网与上位机进行通信,实现远程实时监控。
目前已经有很多居民小区、企业单位等部门用智能门禁系统作为安防系统或人事考勤,并且智能门禁系统已经取得了很好的经济效益并将未来一直保持着良好的市场价值。
本文将分别从硬件设计和软件编程两大部分对智能门禁系统进行分析与设计,智能门禁系统作为保障居民人身和财产安全的重要屏障,其研究结果具有实际意义。
第二章课题内容及实施方案
2.1主要研究内容
本课题的主要研究内容为以单片机为主控芯片的独立单元智能门禁系统设计,采用STC15系列的单片机作为主控芯片,将门禁系统设计成密码开门和IC卡开门、指纹识别开门三种形式。
该门禁系统还具有时钟显示、密码设置、IC卡管理、指纹采集与管理等功能。
密码输入正确或者密码输入错误时蜂鸣器均会发出相应的提示声音。
主要分成以下几个部分分别进行设计:
2.1.1身份识别
利用指纹识别技术对用户进行识别,因为指纹的特征是每个人均独一无二的身体特征,其复杂程度足以提供鉴别每一个人,况且指纹识别技术现在也发展成一项比较成熟的生物识别技术,价格低廉同时安全性能也比较高,深受人们的喜爱。
其工作原理就是将现场实时采集到的指纹与之前已经录入到系统的指纹进行比然后来确定身份,最终得出是否有权限进入。
2.1.2IC卡识别
采用IC卡,用户的卡系统可自动识别打开电子锁,其他人的无效卡将无法打开门锁并且系统会进行相关提示,如果多次恶意开门系统将会报警并向主人发送消息。
2.1.3显示功能
当用户没有开门时,显示屏会显示实时的时间、日期,同时也具有人机交互功能,当有指纹录入时会与之前录入的指纹进行匹配,若匹配成功则显示屏上会显示用户信息,当指纹录入三次无效时会发出警告并且报警。
此外如果用户刷卡开门识别成功也会显示用户信息,当进行远程控制时也会进行提示。
丰富的提示信息使整个设计更加人性化。
2.1.4按键密码功能
该设计除了指纹识别和IC卡用来作为该智能门禁的入口,还加上了密码,采用4*4的矩阵键盘作为输入,用户只要有这三种解锁方式的任何一种正确解锁就能进入本设计还设定了四次输入密码错误后锁定系统、报警、以及通知主人。
所以该系统的安全性得到了很大提高,当进入到管理员模式时,可以通过矩阵键盘来修改解锁密码、管理指纹和管理IC卡。
2.1.5WIFI通讯功能
该设计对外通讯用的设备是WIFI模块,该模块由无线路由器与手机或者电脑连接,数据通过无线网络设备转化成无线信号进行传输,可以实现远程控制把人员的进出信息传给用户的手机,在手机APP客户端实时显示门禁系统的运行情况,还有可以远程控制家门的锁开启和关闭,以方便高效的管理系统。
整个数据传输过程中都采用了网络加密算法,保证数据传输的安全有效性。
2.2研究方案及硬件选型
本次设计的智能门禁系统结构示意图如图2.1所示,基于WiFi技术将门禁控制器与手机连接,可及时将人员的进出信息传送至手机端。
这样就可以对门禁系统进行实时控制等。
整个门禁系统能够完成密码开门、IC卡开门、指纹识别开门等多种功能,有效防止非法人员侵入,提升了门禁系统的安全性。
图2.1系统总体结构
主控芯片就像人的大脑一样是整个门禁系统的控制核心,想要设计出稳定、经济、高效的门禁系统,选择合适的主控芯片是非常重要的。
首先我们要考虑芯片本身的性能和价格,所选芯片要便于控制、并具有良好的稳定性、高效的处理速度、合理的价格。
此外还需要考虑与系统中其他硬件设备的连接通信问题,因为本设计中所选用的指纹模块和WiFi模块均采用串口通信,所以选择以STC15F2K60S2为主控芯片,其内核为增强型8051,CPU处理速度是普通51芯片速度的7倍以上,而且具有2KB的SRAM,能够运行较为庞大的程序,两个独立的串口正好满足系统的要求,除此之外STC15F2K60S2芯片还增加了许多其他功能,比如PWM、ADC、SPI等。
本设计的输入模块有指纹模块、红外热释模块、读写卡模块和矩阵键盘模块、独立按键等,输出模块有LCD12864液晶显示屏,蜂鸣器和LED灯,通过显示屏我们可以看到输出的信息,如实时的时间、星期等,还可以显示指纹信息、IC卡信息等。
2.3智能门禁系统的特点
(1)红外感应门前廊灯
设计利用光敏传感器和人体红外热释传感器构成的自动节能门前廊灯,探测距离为7米之内。
当走廊光线较暗时,人体红外热释模块检测到有人时前廊灯会自动亮并延时一段时间,为夜间归来的人提供人性化的服务。
(2)射频识别(RFID)电子门锁
采用射频识别IC卡,使用之前必须让系统对IC卡进行过初始化,完成初始化的IC卡系统会自动识别并打开电子锁。
(3)非法入侵报警
当红外传感器探测到门外有人停留超过两分钟或者系统受到非法解锁是时,显示屏提示来人立即离开否则报警,并同时向主人发送非法入侵的消息。
第三章智能门禁系统的硬件电路设计
3.1智能门禁系统整体硬件结构
硬件电路设计主要包括CPU、指纹识别模块、Wi-Fi模块、电磁锁、读卡器模块、时钟模块、矩阵键盘、LCD12864显示模块、光敏传感器、人体红外热释传感器、继电器、报警器和指示灯等模块的设计。
STC15F2K60S2作为系统的主控芯片,控制整个系统。
指纹识别模块通过单片机的串口0和单片机进行通信,用来完成指纹的采集、存储、删除等功能。
Wi-Fi模块能通过串口1和单片机通信连接手机终端,向单片机发送控制命令,单片机接收到控制命令后可以控制门的开启和关闭。
当指纹匹配失败达到3次或者密码输入错误达到3次的的时候,无线报警模块通过串口1接收单片机发送的AT指令给家庭主人进行报警。
其系统硬件总体框图如图3.1所示。
下面分别介绍STC15F2K60S2芯片和其他功能模块。
图3.1系统硬件总体设计方案
3.2智能门禁系统硬件选型及介绍
3.2.1主控芯片的选型及介绍
主控芯片对于一个系统来讲就好比人的大脑一样负责协调、控制、处理各种信息,它是整个门禁系统的核心。
想要设计出稳定、经济、高效的门禁系统,选择合适的主控芯片是非常重要的。
所以根据设计要求综合考虑本设计采用STC15F2K60S2为主控芯片。
下面介绍STC15系列芯片的特点及功能:
1.2K字节的SRAM数据存储器,是的芯片能够处理一些庞大的程序。
2.不需要外部晶振和外部复位
3.一个时钟等于8051的十二个时钟周期,运算速度最快可达8051的12倍。
4.工作温度范围为-40℃—+85℃,具有宽温工作特性。
5.宽电压设计:
STC12C5A60S2系列工作电压:
5.5V-3.3V。
6.芯片拥有低功耗设计:
芯片有三种工作模式,分别为低速模式、空闲模式和掉电模式。
7.有两个串口,两个完全独立的异步串行通信端口极大地增强了该单片机的通信能力。
8.片内大容量的EEPROM擦写次数可以高达10万次以上。
9.超强抗干扰:
①超强抗干扰②同时宽电压的设计也让整个芯片不怕电源抖动。
如下图3.2所示STC15F2K60S2芯片该采用其DIP-40的封装。
图3.2STC15F2K60S2引脚图
3.2.2光敏传感器和人体红外热释传感器
因为整个系统要设计自动节能门前廊灯,整个节能门前廊灯工作原理大致是:
白天光线较好的时候无论是否有人灯都不会亮,晚上或者光线暗到一定程度检测到有人灯才会延时亮一段时间。
所以为了满足系统要求我们利用光敏传感器检测光线强弱和利用红外传感器检测是否有人。
如图3.3所示为光敏电阻原理图。
图3.3光敏电阻原理图
1.光敏传感器
(1)光敏传感器特点:
1、检测灵敏度可调(可由上图中蓝色数字电位器调节)
2、工作电压:
3.3V-5V。
3、有两种输出形式:
模拟量电压1-5V输出和数字量输出(0和1)。
4、比较器采用LM393芯片,工作稳定
(2)引线接口说明(4线制)
1、VCC:
外接3.3V-5V
2、GND:
外接GND
3、DO:
板数字量输出接口(0和1)
4、AO:
小板模拟量输出接口
(3)使用说明
1.光敏电阻模块检测到不同的光照强度的时候会输出不同的电平,当在光照强度达不到设定阈值时,模块的数字量输出口输出高电平
(1),当外界环境光照强度超过设定阈值时,模块的数字量输出输出低电平(0);
2.光敏电阻模块的数字量输出口可以与单片机I/O口直接相连,可以直接通过判断单片机I/O口输入电平高低,来确定光照强度的变化;
2.人体红外热释传感器
红外热释电模块是一种以恒温动物散射的红外线作为输入然后输出电信号的传感器。
1960年热释电效应探测红外辐射的应用开始逐渐出现在人们的生活中。
除了应用在自动开关、防盗报警系统中外,现在也开始大量的应用在智能家居的设计等方面。
如:
家里无人时的空调机、饮水机将会自动停机等一系列的人性化设计。
其功能特点如下:
(1)全自动感应:
人进入感应范围则输出高电平,人离开感应范围则自动延时关闭高电平,输出低电平[32]。
(2)温度补偿:
在高温环境中模块感应距离会受到一定的影响稍微变短,这时候可通过温度补偿进行弥补。
(3)两种触发方式:
(可通过跳线选择不同的触发方式)
A:
不可重复触发方式:
即人进入感应距离范围内模块输出高电平,延时一段输出将自动从高电平变成低电平[32];然后再继续进行检测如此循环。
B:
可重复触发方式:
如果有人在其感应范围内活动,其输出将一直保持高电平不变,直到人离开感应范围后模块的输出才会延时从1变为0。
(4)具有感应封锁时间(模块默认封锁时间为2.5S,可通过电位器进行调节):
感应模块在每一次感应周期后(输出从1变为0),模块都设置了一个封锁时间段,在这个时间段内传感器将不检测任何信号。
(5)传感器工作电压范围宽:
工作电压为4.5V-20V[32]。
人体红外感应模块主要应用与安防产品、人体感应玩具和人体感应灯具等方面它能自动快速开启各类灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、装置,是一种高技术产品。
3.2.3矩阵键盘和独立按键模块
为了满足本设计的密码输入和一些功能键输入的需求,且达到节约I/O口资源的目的,所以采用矩阵键盘作为密码输入和一些功能键的输入。
该矩阵键盘的检测方式是行反转法,首先单片机的引脚默认是输出高电平,然后将四个行线置为低电平,然后检测四个列线的状态。
如果检测到有一列的电平为低,则表示有键被按下,若检测到所有列线均为高电平,则键盘中无键按下。
然后将四个列线置为低电平,然后检测四个行线的状态。
如果检测到有一行的电平为低,则表示键盘中有键被按下,若所有检测到行线均为高电平,则键盘中无键按下[33]。
通过计算I/O口输入值便可得出键值。
这就是该系统矩阵键盘的检测方式。
同时该设计矩阵键盘0到9数字按键为密码输入键软件部分判断方式采用循环扫描,其他按键为一些功能键,其判断方式类似独立按键的编程方式。
在该系统内部还采用了两个独立按键,用来添加用户指纹、删除指纹和初始化IC卡和注销IC卡,进一步保证整个系统的安全性能。
该系统矩阵键盘的硬件原理图如图3.4所示,独立按键如图3.5所示。
图3.4矩阵键盘模块原理图
图3.5独立按键模块原理图
3.2.4读卡器模块
射频识别卡技术是随着科技进步发展起来的一项新技术,它巧妙地将射频识别技术和IC卡技术结合在一起,是电子技术领域的一大突破。
由于其操作简单、耐用性强,而且可以进行多卡操作,所以从一产生就深受人们喜爱。
根据系统设计的需求,所以本设计选用MFRC522非接触式读写芯片。
下面对MFRC522模块功能及使用方法做一简单介绍。
1.RC522芯片简介
MFRC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度的读写卡芯片,是NXP推出的一款低工作电压(3.3V)、低成本、高集成体积小的非接触式读写卡芯片,是智能门禁系统研发的较好选择[35]。
它内部的发送器部分不需要增加任何有源电路就能够直接驱动操作天线;接收部分有一个稳定高效的调制和解调电路,用于解调发送过来的调制信号,处理数据帧和进行错误检测(包括奇偶校验或者CRC校验)[35]。
通过SPI接口就可以通过简单的几根杜邦线直接与CPU主板相连接通信,可以保证模块安全稳定的工作、读卡距离相对也比较远,这给读写器/终端的设计提供了巨大的灵活性[35]。
如图3.6为MFRC522功能框图,图3.7为MFRC522硬件原理图。
图3.6MFRC522功能框图
图3.7MFRC522硬件原理图
2.MFRC522特性
(1)无线传送数据和能量,不需要外接任何有源电路电池。
(2)工作距离最高
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