基于单片机的门禁系统的设计.docx

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基于单片机的门禁系统的设计

基于单片机门禁系统的设计

学号：

B11040926

姓名：

宁志杰

日期：

2014.12.31

基于单片机的门禁系统的设计

摘要

门禁系统采用89C52单片机作为控制核心，外围加蜂鸣器控制电路、开门指示灯电路、电控锁控制电路以及LCD液晶显示电路等。

门禁系统主要由CPU、工作指示电路、振荡电路、蜂鸣器电路、门控锁电路、矩阵键盘、读卡模块、显示模块等组成。

该门禁系统采用射频卡完成刷卡进门，按刷卡出门等功能。

其工作原理为：

当刷卡时，蜂鸣器响一下，如卡权限获得允许，显示模块显示卡号，同时继电器动作将门锁打开，指示灯点亮，延时一段时间后继电器再次动作将门锁锁闭，指示灯熄灭。

当按下出门按钮时，继电器动作将门锁打开，指示灯点亮，延时一段时间后继电器再次动作将门锁锁闭，指示灯熄灭。

当输入初始密码时，若输入正确，继电器动作将门锁打开，指示灯点亮，延时一段时间后继电器再次动作将门锁锁闭。

此外，程序中还增加了射频卡权限判断的功能，当遇到合法卡时显示卡号，门锁打开，延时10s自动关闭，当遇到非法卡时不显示卡号门锁不开。

本系统设计简单、性能优良，具有一定的实用性。

关键词：

门禁，射频卡，电控锁，液晶显示，单片机控制

AccessControlSystemDesign

ABSTRACT

Entranceguardsystemuses89C52singlechipmicrocomputerascontrolcoreandperipheryaddabuzzercontrolcircuit,openthedoorindicatorlightcircuit,controlcircuitandcontrollockLCDdisplaycircuit,etc.EntranceguardsystemmainlybytheCPUandresetcircuit,thepowerindicativecircuit,workinstructionscircuit,oscillatingcircuit,abuzzercircuit,doorcontrolcircuit,gooutandlockbuttonreadingcardmodule,displaymodule.Theentranceguardsystemusesrfcardcompletechargetakethedoor,accordingtocredittogoout,andotherfunctions.Itsworkingprincipleis:

whencredit,abuzzerrang,suchascardtobeallowedtoaccess,displaymoduledisplaycardnumber,andatthesametimerelayactionwillopenthedoorlock,indicatorlight,delayafterperiodoftimerelayactionwillagainonlydoorlock,lightsgoout.Whenthepressoutbutton,therelayactionwillopenthedoorlock,indicatorlight,delayafterperiodoftimerelayactionwillagainonlydoorlock,lightsgoout.Whentheinputpassword,ifyouinputthecorrect,relayactionwillopenthedoorlock,indicatorlight,delayafterperiodoftimerelayactionwilllockdoorlockagain.Inaddition,theprogramwillalsoincreasetherfcardauthorityjudgmentfunction,whenfacinglegalcardshowedthecardnumber,dooropen,delay10sautomaticallyshutoff,whenmeetingtheillegalCARDSdon'tshowthecardnumberlocksdon'topen.Thesystemissimpleindesign,goodperformance,andhaspracticalvalue!

KEYWORDS:

AccessControl, RadioFrequency Card,ElectronicallyControlledLock, LCD,MCU

目　录

前言

随着科学技术的发展和企业管理模式的日趋成熟，高度科学化的企业管理已成为企业生存的有力保障。

出入口门禁安全管理系统是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。

它是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施。

适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间,智能化小区，工厂等。

在数字技术网络技术飞速发展的今天，门禁技术得到了迅猛的发展。

门禁系统早已超越了单纯的门道及钥匙管理，它已经逐渐发展成为一套完整的出入管理系统。

它在工作环境安全、人事考勤管理等行政管理工作中发挥着巨大的作用。

因此，将实现门禁考勤管理系统，充分的体现其优点，对人员进出、授权、查询、统计和防盗报警保安等多种功能，避免了早退，迟到，矿工等现象，使公司规律有序的进行，对考勤管理起到很大作用，减少了很大的麻烦。

也正是由于门禁系统实用性强，市场需求大，应用广泛，我们便选此作为研究设计的课题。

第1章概述

1.1系统方案的比较

1.1.1选题论证

在现今社会，随着人们对门禁系统各方面要求的不断提高，门禁系统的应用范围越来越广泛，因此门禁系统的研发已成为现代科技领域的一个热门课题。

目前，门禁系统已成为安全防范系统中极其重要的一部分，在一些发达国家，门禁系统正以远远高于其它类安防产品的进度迅猛发展；门禁系统之所以能在众多安防产品中脱颖而出，根本原因是因为其改变了以往安防产品，如：

闭路监控，防盗报警等被动的安防方式，以主动的控制替代了被动监视的方式，通过对主要通道的控制，大大的防止了罪犯从正常通道的侵入，并且可以在罪案发生时通过对通道门的控制限制罪犯的活动范围，制止犯罪或减少损失。

此外，人们对门禁系统的应用已不局限在单一的出入口控制，而且还要求它不仅可应用于智能大厦或智能社区的门禁控制、考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇自控等，还可与其它系统联动控制等多种控制功能。

安装有门禁系统的建筑具有以下优点:

（1）具有对门户出入控制，保安防盗，报警等多种功能。

（2）方便内部员工或住户出入，同时杜绝外来人员随意进出，既方便了内部管理，又增强了内部的保安。

（3）门禁管理系统作为智能建筑中不可缺少的安保自动化的一部分，为用户提供一个高效的工作环境，从而提高管理的层次。

也正是由于门禁系统实用性强，市场需求大，应用广泛，我们便选此作为研究设计的课题。

1.1.2方案选择

门禁系统有许多种方案：

主要有联网和不联网型。

联网型：

结构图如图1-1示:

图1-1联网型结构图

联网型门禁系统的优点：

（1）实时联网；

（2）刷卡后立即把数据传输到主机上；

（3）便于查询并能生成报表；

缺点：

（1）计算机要求24小时开机；

（2）计算机或管理机万一有故障系统瘫痪；

（3）有问题影响面大。

不联网型门禁系统的优点：

（1）单台刷卡机就能工作；

（2）不用布线；

（3）操作简单方便。

缺点：

不便于查询。

根据以上分析，我们的课题选择了不联网型。

因为此设计简单，提交作品方便，易操作。

1.1.3CPU的选择

我们在这个课题的设计上采用了51单片机系统，之所以采用单片机系统是由于成本较低，功能完全可以满足，发展也比较成熟且完善。

而DSP、ARM系统虽然科技含量高于51单片机系统，但是其价格昂贵并且发展尚未成熟。

因此，根据我们学的知识和市面上的应用，经过比较我们选择了技术成熟、价格便宜、设计简单、使用方便的单片机平台。

1.1.4射频卡的选择

目前市面上的卡有很多种类：

条码、磁卡、接触式IC卡，非接触式IC卡等，条码和磁卡，在超市和银行方面应用的比较多，接触式IC卡，以前在公共电话中用的比较多，但接触式IC卡，芯片外露易坏、易折，而非接触式IC卡既射频卡，它把芯片和线圈封装卡片内，不容易损坏、不怕恶劣的环境，现在社会上很流行，可靠性也高。

根据卡的分析，我们选择目前流行最广，可靠性高，成本低的只读卡，即采用EM4000型的ID卡。

1.1.5液晶显示的选择

1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能显示图形。

目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。

因此，选择LCD1602能够满足门禁系统设计的需要。

第2章硬件电路的设计

2.1电路原理

2.1.1门禁系统主要组成

由单片机、电源指示、工作指示、振荡电路、蜂鸣器电路、门控锁电路、4×4矩阵键盘、读卡模块、显示模块组成。

如图2-1示：

图2-1电路原理图

2.1.2门禁系统工作原理

1、当刷卡时，蜂鸣器响一下，如卡权限获得允许，显示模块显示卡号，同时继电器动作将门锁打开指示灯点亮，延时一段时间后继电器再次动作将门锁锁闭指示灯熄灭；当非法卡刷卡时，没有任何动作。

2、当按下出门按钮时，继电器动作将门锁打开指示灯点亮，延时一段时间后继电器再次动作将门锁锁闭指示灯熄灭。

3、当进门输入密码时，密码正确则继电器动作将门锁打开指示灯点亮，延时一段时间后继电器再次动作将门锁锁闭指示灯熄灭；密码错误则蜂鸣器报警，延时一段时间后蜂鸣器停止报警。

2.2资源分配

软、硬件设计是设计中不可缺少的，为了满足功能和指标的要求，资源分配如下：

1．晶振采用11.0592MHZ；

2．单片机资源分配如表2-1、2-1示：

表2-1单片机资源分配表

（1）

P0.0-P0.7

P1.0-P1.7

P2.0

P2.1

P2.2

LCD显示

矩阵键盘

RS

RW

E

表2-2单片机资源分配表

（2）

P2.3

P2.4

P2.5

P3.0

P3.2

锁

蜂鸣器

LED

读卡

按键中断

0开

0响

0亮

1不开

1不响

1不亮

3、计算：

因为射频卡的读卡头选用EM4000型，读卡频率是11.0592MHZ，所以最小系统晶振，必须用11.0592MHZ才能读卡。

（1）定时控制字确定：

选用定时器T1，方式2，所以TMOD是20H。

（2）计算初值

X=256-（foxc*（SMOD+1））/384*波特率

=256-（11.0592*106*（0+1））/384*9600=253

TH1=0FDHTL1=0FDH

2.3最小系统设计

2.3.189C52的简述

1.89C52的简介

89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。

89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

89C52有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。

89C52引脚图如图2-2示：

图2-289C52的引脚图

89C52单片机外部有32个端口可供用户使用，其功能如表2-3示：

表2-389C52外部端口功能表

端口

引脚位置

第一功能区

第二功能区

符号

功能

符号

功能

P0

39~32

P0.0~P0.7

通用I/O口

AD0AD7

地址/数据总线（低位）

P1

1~8

P1.0P1.7

通用I/O口

P2

21~28

P2.0P2.7

通用I/O口

A8A15

地址总线（高位）

P3

10

P3.0

通用I/O口

RXD

串行通信发送口

11

P3.1

TX0

串行通信接收口

12

P3.2

INT0

外部中断0

13

P3.3

INT1

外部中断1

14

P3.4

T0

计数器0输入端口

15

P3.5

T1

计数器1输入端口

16

P3.6

WR

外部储存器写使能

17

P3.7

RD

外部储存器读使能

门禁系统数控部分采用89C52单片机作为控制核心，其内部组成包括：

一个8位的微处理器CPU及片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接；片内数据存储器8KBRAM低128字节，存放读/写数据；高128字节被特殊功能寄存器占用；片内程序存储器ROM；四个8位并行I/O（输入/输出）接口P3-P0，每个口可以用作输入，也可以用作输出；两个定时/计数器，每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口。

在89C52单片机的基础上，外围增加蜂鸣器控制电路、开门指示灯电路、电控锁控制电路以及1602显示电路等，构成了门禁系统的控制电路。

2.4最小系统的设计

门禁系统数控部分采用89C52单片机作为控制核心，其内部组成包括：

一个8位的微处理器CPU及片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接；片内数据存储器8KBRAM低128字节，存放读/写数据；高128字节被特殊功能寄存器占用；片内程序存储器ROM；四个8位并行I/O（输入/输出）接口P3—P0，每个口可以用作输入，也可以用作输出；两个定时/计数器，每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口。

在89C52单片机的基础上，外围增加蜂鸣器控制电路、开门指示灯电路、电控锁控制电路以及1602显示电路等，构成了门禁系统的控制电路。

其原理图如图2-3示：

图2-3门禁系统控制原理图

第3章硬件电路原理

3.1门控锁电路

工作原理：

当P2.3口输出高电平时Q2导通，Q3截止，此时继电器的控制线圈为开路，继电器不动作。

门锁接于继电器常闭端，门锁闭合，门处于锁死状态。

当P2.3口输出低电平时Q2截止，Q3导通，此时继电器的控制线圈闭合，继电器动作。

继电器常闭端断开，门锁打开，门处于打开状态。

门控锁电路如图3-1示：

图3-1控制锁电路图

3.2蜂鸣器电路

工作原理：

当P2.4输出高电平时，Q4导通，Q5截止，蜂鸣器回路开路，蜂鸣器不响。

当P2.4输出高电平时，Q4截止，Q5导通，蜂鸣器回路闭合，蜂鸣器发出响声。

电路组成如图3-2示：

图3-2蜂鸣器电路图

3.3控制指示灯

工作原理：

当P2.5口输出高电平时，Q1截止，发光二极管熄灭。

当P2.5口输出低电平时，Q1导通，发光二极管点亮。

电路组成如图3-3示：

图3-3工作指示灯电路图

3.44×4矩阵键盘

工作原理：

P1口高四位为低电平，低四位为高电平。

当有键按下时，P1.0-P1.3给P3.2口输入低电平，触发INT0中断，程序作出相应处理，如3-4示：

图3-44×4矩阵键盘电路图

3.5读卡模块

设计上我们采用ID射频卡读卡器。

EM9913BF125KHz感应式读卡模组是针对125KHz非接触式RFID晶片而设计的读卡模组，它能针对目前市面上125KHz非接触式RFID晶片如凌航科技GK4001晶片或其它规格现相近产品进行资料读取与资料判断，使用者可以一次开发感应式读卡及相关应用系统，该模块主要范围为互动式玩具、门禁管制系统、人员考勤管理、动物或物品辨识及产品管理，此读卡模组主要优缺点叙述如下：

优点：

（1）独立性高，

（2）二次开发容易，安装简单资料读取稳定性高

（3）统安全性高，RFID资料不重复且难以复制

（4）可选择数据输出格式

缺点：

电脑必须24小时开机，便于数据传送。

硬件/软件功能：

125KHz感应式读卡机系统如图3-5示：

图3-5读卡器示意图

读卡器引脚连接图如3-6示:

图3-6读卡器引脚连接示意图

使用EM9913BF模块，在5-15cm距离内读取GK4001的时间不超过70ms。

感应式读卡系统电源DC5V，感应线圈（Antenna）为系统必需，感应线圈可以与系统分开放置，亦可设计与系统中，为防止感应电磁场干扰，请勿将金属板置于感应线圈前后。

每个卡片内部有一个小芯片和感应线圈，价格低廉，国内最普及的EMID卡，大多为瑞士nEM或台湾GK公司的4100、4102系列芯片+线圈+卡基封装而成。

每张卡有且只有一个唯一的，不可更改和复制的ID内码（64位2进制机密的永不重复的卡号），因其安全可靠，价格低廉而大量应用于身份识别、产品防伪等领域。

读卡器卡号输出格式的说明：

由于历史的原因，或者不同领域习惯的原因，最常见到的有五种读卡方式，我们采用的读卡格式为：

将10位十六进制的ASCⅡ字符串，即10Hex格式的倒数第5、第6位，转换为3位十进制卡号，在将后4位，转换为5位十进制卡号，中间用“，”分开，即“2H+4H”，即将2H“6F”转换为“111”，4H“6c3a”转换为“27706”，最终将2段连在一起输出为“111，27706”。

3.6显示模块

LCD1602是指显示的内容为16×2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块。

它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。

3.6.1LCD1602主要技术参数

显示容量:

16×2个字符

芯片工作电压:

4.5—5.5V

工作电流:

2.0mA（5.0V）

模块最佳工作电压:

5.0V

字符尺寸:

2.95×4.35（W×H）mm

3.6.2引脚功能说明

1602引脚如图3-8示：

图3-71602引脚示意图

1602引脚功能如表3-2示：

表3-21602引脚功能表

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

9

D2

数据

2

VDD

电源正极

10

D3

数据

3

VL

液晶显示偏压

11

D4

数据

4

RS

数据/命令选择

12

D5

数据

5

R/M

读/写选择

13

D6

数据

6

E

使能信号

14

D9

数据

7

D0

数据

15

BLA

背光源正极

8

D1

数据

16

BLK

背光源负极

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地

第2脚：

VDD接5V电源正极

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极

3.6.31602指令集

1602液晶模块的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的（说明1为高电平，0为低电平）。

如表3-3示：

表3-31602指令集

指令1：

清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。

指令2：

光标复位，光标返回到地址00H。

指令3：

光3标和显示位置设置I/D，光标移动方向，高电平右移，低电平左移，S：

屏幕上所有文字是否左移或右移，高电平表示有效，低电平表示无效。

指令4：

显示开关控制。

D：

控制整体的显示开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。

C:

控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：

控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。

指令5：

光标或显示移位S/C：

高电平时显示移动的文字，低电平时移动光标。

指令6：

功能设置命令DL：

高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：

低电平时为单行显示，高电平时为双行显示，F：

低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5X10的显示字符。

指令7：

字符发生器RAM地址设置。

指令8：

DDRAM地址设置。

指令9：

读忙信号和光标地址BF：

忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或数据，如果为低电平表示不忙。

3.6.4与HD44780相兼容的芯片时序表

基本操作时序表如表3-5示：

表3-5基本操作时序表

读状态

输入

RS=L,R/W=H,E=H

输出

D0-D7=状态字

写指令

输入

RS=L,R/W=H,D0-D7=指令码，E=高脉冲

输出

无

读数据

输入

RS=H,R/W=H,E=H

输出

D0-D7=数据

写数据

输入

RS=H,R/W=L,D0-D7=数据，E=高脉冲

输出

无

读操作时序如图3-8示：

图3-8读操作时序图

写操作时序如图3-9示：

图3-9写操作时序图

第4章软件设计

4.1Ke