基于单片机的门禁系统的设计与实现

刘运清

江苏省常州建设高等职业技术学校，江苏 常州 213016

近年来随着3C（computer，control，communication）技术的发展，门禁系统已经从银行、监狱、政府职能机关等重要场所走入普通的智能小区，其应用日趋广泛。随着门禁系统所应用的技术从单一走向系统、全面，多重守护、多重技术也成为门禁系统的趋势。多重技术主要趋向于卡、密码、指纹以及生物特征等的多重组合。对于一般的公寓楼小区，门禁系统可以设置得相对于简单、经济一些。本文提供一种以单片机AT89C52为核心，配以刷卡模块（CY125K)、液晶显示模块（LCD1602)、键盘模块、通信模块（MAX232)以及电源模块的非接触式IC卡门禁系统，可以实现小区门禁系统的要求，且经济安全。

1.小区类门禁系统的结构

小区类门禁系统由室外机、用户室内机以及门禁系统三大部分组成。访客可以输入门牌号呼叫用户，小区业主可以通过刷卡、输入密码或者录入指纹进入房间。室外机上配备高清摄像头、刷卡装置、指纹输入装置。业主通过室内机可以清楚看到单元门外的情况，而单片机门禁系统除了响应各种开门方式外，还会保存一定时期内的开门记录。小区门禁系统结构如图1所示。

本结构示意图仅显示了一个室内机和一个室外机的情况，实际室外机和室内机的数量可根据系统需要来配置。

图1 小区类门禁系统结构示意图

图2 门禁系统硬件结构图

2.硬件设计

2.1 门禁系统结构

小区类门禁系统的硬件系统结构如图2所示。

2.1.1 卡读写模块

在本系统中，主要是房主通过刷非接触式IC卡，打开门锁。在门禁系统中记录了卡的相关信息，因此只有符合要求的卡才会识别，而其他卡就不能识别读取。

2.1.2 时钟电路

在本系统中，设置了时间权限，即用户需在指定时间内才可以进行刷卡。

2.1.3 存储模块

准确记录开门数据，避免在断电情况下数据丢失。

2.1.4 通讯模块

通讯模块用于连接刷卡模块与单片机。

2.1.5 键盘显示模块

本系统采用4*4键盘，可供业主输入密码直接开锁；也可供访客输入门牌号，向业主发出开门申请；如果发生紧急情况，管理员也可以输入超级密码直接开启门禁系统。

2.1.6 电源模块

此模块相当于应急电源，在外电路停电时给门禁系统供电，按标准配备。

2.1.7 门锁控制电路

门锁控制电路电控锁的主要作用是开门，在本系统中，可以通过以下四种方式打开：（1）用户通过刷卡，当识别为正确时，便会开门；（2）当用户没带卡时，可以通过键盘输入，当密码正确时，便能开门；（3）当访客到访时，按通话键与屋主通话，识别身份后，房主按开锁键，门便会被打开；（4）当用户通过指纹识别装置，验证成功，便能开门。

2.1.8 视频显示控制模块

访客与室内住户进行视频通话，待室内住户确认开锁，访客方可进入单元门。

2.1.9 指纹识别

用来比对用户的指纹，在比对前用户需将指纹录入系统。

2.2 微处理器设计

微处理器的主芯片选用ATMEL公司的AT89C52。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)。功能强大，适合于许多较为复杂控制应用场合。

图3 单片机电路设计图

如图3所示，单片机的9、18、19、31管脚连接时钟电路和复位电路，外加电源电路，共同组成单片机最小系统。复位电路是在单片机上电的时候，硬件给其一个复位信号，此信号根据不同的单片机有高电平有效和低电平有效之区别。复位监测电路是在单片机运行过程中，监测系统电压，对系统进行保护的电路，触发单片机复位。

2.3 卡读写模块设计

本系统所选用的CY125K是杭州灿宇科技有限公司出品的射频模块。他是整个刷卡模块的核心模块，当卡片靠近天线时，会通过天线将信息传送到该芯片中，此时该芯片将会判断该卡片是否有效，并将有效信息传送到微处理器中，最后微处理器确定是否开门。

而刷卡的卡片则存储了用户的信息，它包含两个部分，射频接口电路和数字电路部分。数字电路部分包含ATR请求模块、AntiCollision防重叠模块、选择模块和认证模块。电路模块如图4所示。

图4 卡读写模块电路图

2.4 通信模块的电路设计

本系统采用RS232通信协议，如图5所示。由于电脑串口RS232电平是-10v到+10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平是0 到+5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。使用MAX232芯片实现将TTL电平转换为RS-232电平的功能。从而用于远程传输数据。

图5 通信模块的电路设计图

图6 时钟模块电路图

2.5 时钟模块的硬件电路设计

DS1302包括时钟/日历寄存器和31字节（8位）的数据暂存寄存器，数据通信仅通过一条串行输入输出口。实时时钟/日历提供包括秒、分、时、日期、月份和年份信息。闰年可自行调整，可选择12小时制和24小时制，可以设置AM、PM。 只通过三根线进行数据的控制和传递WP，SCL，SDA，通过备用电源可以让芯片在小于1MW的功率下运作。

2.6 LCD1602显示电路的设计

如图7所示， LCD的加入是配合键盘输入，使输入可视化。键盘输入的数字先传递给单片机，此时单片机不做任何判断，直接显示到键盘，同时将输入记录到储存器。如图4.0，本设计使用的是LCD1602。对应单片机的P00～P07是与液晶显示模块LCD1602的DB0-DB7相连。

图7 显示模块电路设计

2.7 键盘模块电路的设计

本系统的键盘有两个功能：屋主未携带ID卡时使用键盘输入密码进入，访客通过输入门牌号，并且触发振铃按钮。因此本系统键盘按钮如表3.1所示，“A”和“B”分别是上文所说的屋主密码输入和访客门牌号输入两种模式。见表1所示。

表1 本系统键盘按钮

很明显此时系统需要16个按键。因此选择4*4矩阵键盘。在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口就可以构成4*4=16个按键，如本系统是使用单片机P2口与键盘相连，比直接将单片机端口线用于16个按键的键盘少了一半。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些。当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低。这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。本系统键盘的右端经过一个或门连接到单片机的INT0，INT1两个中断口。其中中断口INT0是用来选择“A”，“B”两种工作工作模式。选择工作模式之后，每按一个键就触发INT1一次。如图8所示。

图8 键盘模块电路设计

3 门禁系统的软件设计

3.1 门禁系统工作流程

系统的主要工作过程为：本小区居民使用已经认证的IC卡刷卡进入，若小区居民忘记携带IC卡可以使用每户唯一的密码进入。某户居民有访客时，首先按下该居民的门牌号，如果存在，则接通室内的语音“电话”，小区居民接听后可以选择室内的开门键或者拒绝开门。开门记录将保存在专门的储存器中，留作以后使用。

3.2 键盘开门程序

3.3 LCD1602显示模块程序

显示程序的工作流程为：开始→查“忙”→延时→清屏→写入字符串→返回。程序编写略。

3.4 卡读写程序

在卡读写模块读取到有卡刷过时进入判断卡号是否有效，然后读数据，再判断卡号是否有效，如果有效则置卡号有效于标志位中，开门，并将卡号显示到LCD中。

（1)从读卡器交换数据区读出有用的卡片数据；

（2)判断卡片上存储的卡号是否与读卡器上存储的卡号相等；

（3)若是判断卡号是否有效，调用增删卡片或判断卡号，结果保存至卡号有效性标志中；

（4)若否，置非法卡标志；（5)返回。

3.5 通讯程序

微处理器平时独立工作，并不频繁的与PC机进行数据交换，只是在PC机发送请求通信信号后，微处理器按照PC机的命令传送数据或接收数据。在本门禁系统中，微处理器和PC机的通信采用主从式通信协议，PC机为主机，微处理器为从机。PC机完成的串行通信的功能很多，包括接收单片机发送的卡片资料，卡片资料包括刷卡的卡号，此卡刷卡的时间等。

时钟程序和指纹开锁的程序都比较简单，本文不详细介绍。

4 总结

本系统加入了指纹识别开锁模块设计，实现了屋主通过指纹来控制门锁的开启，解决了键盘输入密码的繁琐，但是也存在着不足。由于现有的指纹模块需要比对很多参数特征，比对速度慢，不利于人来往较多的场所。指纹随季节和干湿度不同而不同，因为现在技术有限，所以还需要改进，让指纹模块比对速度更快，存储更大，可以根据环境改变识别灵敏度。如果住户手指出现裂痕时，指纹识别也不能识别出来，就会造成住户不能入内，未来指纹装置中应该加入指纹重组识别，即使用户的手指有破损也可以通过系统比对，将指纹恢复出来。

这次设计中虽然对键盘输入密码进行了设计，如用户在输入两次密码错误时，键盘将会被锁住，室外机报警，再按键盘操作也无济于事，但是这种方式比较单一，为了更加安全、人性化在以后的设计中用户在输入三次错误密码时，键盘锁定，室外机中的摄像头可拍下入侵者头像，并发送到保安主机处以便于日后查证。同时在室外机中配备SIM卡通讯装置，发送短信到用户处，用户接收短信并查看情况，从而实现联动控制。

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