基于單片機的門禁系統的設計與實現

劉運清

江蘇省常州建設高等職業技術學校，江蘇 常州 213016

近年來隨著3C（computer，control，communication）技術的發展，門禁系統已經從銀行、監獄、政府職能機關等重要場所走入普通的智能小區，其應用日趨廣泛。隨著門禁系統所應用的技術從單一走向系統、全面，多重守護、多重技術也成為門禁系統的趨勢。多重技術主要趨向于卡、密碼、指紋以及生物特征等的多重組合。對于一般的公寓樓小區，門禁系統可以設置得相對于簡單、經濟一些。本文提供一種以單片機AT89C52為核心，配以刷卡模塊（CY125K)、液晶顯示模塊（LCD1602)、鍵盤模塊、通信模塊（MAX232)以及電源模塊的非接觸式IC卡門禁系統，可以實現小區門禁系統的要求，且經濟安全。

1.小區類門禁系統的結構

小區類門禁系統由室外機、用戶室內機以及門禁系統三大部分組成。訪客可以輸入門牌號呼叫用戶，小區業主可以通過刷卡、輸入密碼或者錄入指紋進入房間。室外機上配備高清攝像頭、刷卡裝置、指紋輸入裝置。業主通過室內機可以清楚看到單元門外的情況，而單片機門禁系統除了響應各種開門方式外，還會保存一定時期內的開門記錄。小區門禁系統結構如圖1所示。

本結構示意圖僅顯示了一個室內機和一個室外機的情況，實際室外機和室內機的數量可根據系統需要來配置。

圖1 小區類門禁系統結構示意圖

圖2 門禁系統硬件結構圖

2.硬件設計

2.1 門禁系統結構

小區類門禁系統的硬件系統結構如圖2所示。

2.1.1 卡讀寫模塊

在本系統中，主要是房主通過刷非接觸式IC卡，打開門鎖。在門禁系統中記錄了卡的相關信息，因此只有符合要求的卡才會識別，而其他卡就不能識別讀取。

2.1.2 時鐘電路

在本系統中，設置了時間權限，即用戶需在指定時間內才可以進行刷卡。

2.1.3 存儲模塊

準確記錄開門數據，避免在斷電情況下數據丟失。

2.1.4 通訊模塊

通訊模塊用于連接刷卡模塊與單片機。

2.1.5 鍵盤顯示模塊

本系統采用4*4鍵盤，可供業主輸入密碼直接開鎖；也可供訪客輸入門牌號，向業主發出開門申請；如果發生緊急情況，管理員也可以輸入超級密碼直接開啟門禁系統。

2.1.6 電源模塊

此模塊相當于應急電源，在外電路停電時給門禁系統供電，按標準配備。

2.1.7 門鎖控制電路

門鎖控制電路電控鎖的主要作用是開門，在本系統中，可以通過以下四種方式打開：（1）用戶通過刷卡，當識別為正確時，便會開門；（2）當用戶沒帶卡時，可以通過鍵盤輸入，當密碼正確時，便能開門；（3）當訪客到訪時，按通話鍵與屋主通話，識別身份后，房主按開鎖鍵，門便會被打開；（4）當用戶通過指紋識別裝置，驗證成功，便能開門。

2.1.8 視頻顯示控制模塊

訪客與室內住戶進行視頻通話，待室內住戶確認開鎖，訪客方可進入單元門。

2.1.9 指紋識別

用來比對用戶的指紋，在比對前用戶需將指紋錄入系統。

2.2 微處理器設計

微處理器的主芯片選用ATMEL公司的AT89C52。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256 bytes的隨機存取數據存儲器(RAM)。功能強大，適合于許多較為復雜控制應用場合。

圖3 單片機電路設計圖

如圖3所示，單片機的9、18、19、31管腳連接時鐘電路和復位電路，外加電源電路，共同組成單片機最小系統。復位電路是在單片機上電的時候，硬件給其一個復位信號，此信號根據不同的單片機有高電平有效和低電平有效之區別。復位監測電路是在單片機運行過程中，監測系統電壓，對系統進行保護的電路，觸發單片機復位。

2.3 卡讀寫模塊設計

本系統所選用的CY125K是杭州燦宇科技有限公司出品的射頻模塊。他是整個刷卡模塊的核心模塊，當卡片靠近天線時，會通過天線將信息傳送到該芯片中，此時該芯片將會判斷該卡片是否有效，并將有效信息傳送到微處理器中，最后微處理器確定是否開門。

而刷卡的卡片則存儲了用戶的信息，它包含兩個部分，射頻接口電路和數字電路部分。數字電路部分包含ATR請求模塊、AntiCollision防重疊模塊、選擇模塊和認證模塊。電路模塊如圖4所示。

圖4 卡讀寫模塊電路圖

2.4 通信模塊的電路設計

本系統采用RS232通信協議，如圖5所示。由于電腦串口RS232電平是-10v到+10v，而一般的單片機應用系統的信號電壓是TTL電平是0 到+5v,max232就是用來進行電平轉換的,該器件包含2驅動器、2接收器和一個電壓發生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。使用MAX232芯片實現將TTL電平轉換為RS-232電平的功能。從而用于遠程傳輸數據。

圖5 通信模塊的電路設計圖

圖6 時鐘模塊電路圖

2.5 時鐘模塊的硬件電路設計

DS1302包括時鐘/日歷寄存器和31字節（8位）的數據暫存寄存器，數據通信僅通過一條串行輸入輸出口。實時時鐘/日歷提供包括秒、分、時、日期、月份和年份信息。閏年可自行調整，可選擇12小時制和24小時制，可以設置AM、PM。 只通過三根線進行數據的控制和傳遞WP，SCL，SDA，通過備用電源可以讓芯片在小于1MW的功率下運作。

2.6 LCD1602顯示電路的設計

如圖7所示， LCD的加入是配合鍵盤輸入，使輸入可視化。鍵盤輸入的數字先傳遞給單片機，此時單片機不做任何判斷，直接顯示到鍵盤，同時將輸入記錄到儲存器。如圖4.0，本設計使用的是LCD1602。對應單片機的P00～P07是與液晶顯示模塊LCD1602的DB0-DB7相連。

圖7 顯示模塊電路設計

2.7 鍵盤模塊電路的設計

本系統的鍵盤有兩個功能：屋主未攜帶ID卡時使用鍵盤輸入密碼進入，訪客通過輸入門牌號，并且觸發振鈴按鈕。因此本系統鍵盤按鈕如表3.1所示，“A”和“B”分別是上文所說的屋主密碼輸入和訪客門牌號輸入兩種模式。見表1所示。

表1 本系統鍵盤按鈕

很明顯此時系統需要16個按鍵。因此選擇4*4矩陣鍵盤。在鍵盤中按鍵數量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口就可以構成4*4=16個按鍵，如本系統是使用單片機P2口與鍵盤相連，比直接將單片機端口線用于16個按鍵的鍵盤少了一半。由此可見，在需要的鍵數比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。矩陣式結構的鍵盤顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些。當按鍵沒有按下時，所有的輸入端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低。這樣，通過讀入輸入線的狀態就可得知是否有鍵按下了。本系統鍵盤的右端經過一個或門連接到單片機的INT0，INT1兩個中斷口。其中中斷口INT0是用來選擇“A”，“B”兩種工作工作模式。選擇工作模式之后，每按一個鍵就觸發INT1一次。如圖8所示。

圖8 鍵盤模塊電路設計

3 門禁系統的軟件設計

3.1 門禁系統工作流程

系統的主要工作過程為：本小區居民使用已經認證的IC卡刷卡進入，若小區居民忘記攜帶IC卡可以使用每戶唯一的密碼進入。某戶居民有訪客時，首先按下該居民的門牌號，如果存在，則接通室內的語音“電話”，小區居民接聽后可以選擇室內的開門鍵或者拒絕開門。開門記錄將保存在專門的儲存器中，留作以后使用。

3.2 鍵盤開門程序

3.3 LCD1602顯示模塊程序

顯示程序的工作流程為：開始→查“忙”→延時→清屏→寫入字符串→返回。程序編寫略。

3.4 卡讀寫程序

在卡讀寫模塊讀取到有卡刷過時進入判斷卡號是否有效，然后讀數據，再判斷卡號是否有效，如果有效則置卡號有效于標志位中，開門，并將卡號顯示到LCD中。

（1)從讀卡器交換數據區讀出有用的卡片數據；

（2)判斷卡片上存儲的卡號是否與讀卡器上存儲的卡號相等；

（3)若是判斷卡號是否有效，調用增刪卡片或判斷卡號，結果保存至卡號有效性標志中；

（4)若否，置非法卡標志；（5)返回。

3.5 通訊程序

微處理器平時獨立工作，并不頻繁的與PC機進行數據交換，只是在PC機發送請求通信信號后，微處理器按照PC機的命令傳送數據或接收數據。在本門禁系統中，微處理器和PC機的通信采用主從式通信協議，PC機為主機，微處理器為從機。PC機完成的串行通信的功能很多，包括接收單片機發送的卡片資料，卡片資料包括刷卡的卡號，此卡刷卡的時間等。

時鐘程序和指紋開鎖的程序都比較簡單，本文不詳細介紹。

4 總結

本系統加入了指紋識別開鎖模塊設計，實現了屋主通過指紋來控制門鎖的開啟，解決了鍵盤輸入密碼的繁瑣，但是也存在著不足。由于現有的指紋模塊需要比對很多參數特征，比對速度慢，不利于人來往較多的場所。指紋隨季節和干濕度不同而不同，因為現在技術有限，所以還需要改進，讓指紋模塊比對速度更快，存儲更大，可以根據環境改變識別靈敏度。如果住戶手指出現裂痕時，指紋識別也不能識別出來，就會造成住戶不能入內，未來指紋裝置中應該加入指紋重組識別，即使用戶的手指有破損也可以通過系統比對，將指紋恢復出來。

這次設計中雖然對鍵盤輸入密碼進行了設計，如用戶在輸入兩次密碼錯誤時，鍵盤將會被鎖住，室外機報警，再按鍵盤操作也無濟于事，但是這種方式比較單一，為了更加安全、人性化在以后的設計中用戶在輸入三次錯誤密碼時，鍵盤鎖定，室外機中的攝像頭可拍下入侵者頭像，并發送到保安主機處以便于日后查證。同時在室外機中配備SIM卡通訊裝置，發送短信到用戶處，用戶接收短信并查看情況，從而實現聯動控制。

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