基于IAP15F2K61S2的门禁控制系统的设计与实现

张开宇 高国伟，2

1. 北京信息科技大学 传感器北京市重点实验室，北京 100101；2. 北京信息科技大学 现代测控技术教育部重点实验室 北京100101

一、引言

随着单片机系统的完善和价格的降低，人们开始从传统的锁具转向电子门禁锁具。传统锁具需要随身携带钥匙，十分不便，且当钥匙丢失时传统锁具也就丧失了锁具的功能，不仅给自己带来不便，同时留下了安全隐患。电子门禁在这方面拥有无可比拟的优势，指纹开锁、密码开锁使得人们不需要随身携带笨重的钥匙且安全度大大提高[1]。

目前，多数电子门禁系统使用的是STM32。STM32的门禁系统成本高昂，不利于民间普及。基于上述原因，基于IAP15F2K61S2设计了一种人数适当、操作简单、成本低廉且安全性高的实验室或者家用的门禁控制系统，由显示模块显示信息，通过外部按键来输入密码，还可以通过IC卡来进行开锁，从而来控制进出的人员，使房屋的安全系数增加。测试结果表明，所设计系统具有可行性。

二、系统的总体设计

系统框图如图1所示。本系统主要采用了按键模块、IC卡识别模块（MFRC522门禁卡）、12864液晶显示模块、报警模块、AT24C02储存模块、15F2K61S2单片机模块组成硬件电路，通过Keil uVision4来编写相关的控制程序，实现对房屋门锁的控制，并实现报警的功能[2]。

门禁控制系统安装在门口位置，充当门锁的作用[3]。首先由单片机读取AT24C02储存的密码、指纹信息、IC卡信息，然后通过单片机检测到的按键输入密码、指纹信息或者IC卡信息，再和AT24C02中存储的密码、指纹信息、IC卡信息进行比对，如果正确就打开门锁。当密码连续输入三次错误后，蜂鸣器就会响起达到报警效果[4]。

三、硬件设计

图2所示为系统硬件电路图。硬件设计分为七大模块，其中主要模块有单片机控制模块、储存模块、按键输入模块、IC卡识别模块、显示模块、蜂鸣器报警模块以及稳压器模块[5]。

1、单片机最小系统

单片机最小系统主要由单片机电路、复位电路和晶振电路三部分构成。

核心的单片机电路选用了宏晶公司具有较高性价比的单片机IAP15F2K61S2，这款芯片共3通道捕获/比较单元（CCP/PWM/PCA）也可以用来实现3个定时器或者3个中断。共有6个定时器，2个16位可重装载定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1，并且实现时钟输出，两个独立的串口/双工口，分时切换可当4个串口使用。3路PWM/PCA，8路高速10位A/D转换，可对外来的数字信号进行处理，显示并可以产生报警信号。

复位电路由按键KEY1、电解电容C4和电阻R6组成。其可以满足手动复位和上电自动复位。系统在上电时，按键两端会产生电压差进行手动复位，就是非自动的手动按键复位。系统上电后，检测到电压由低到高后，在这期间单片机通过R6和R5与接地形成一条通路，把高电平拉成低电平，使得单片机经历从高电位到低电位的过程，从而实现了单片机自动进行复位，即上电复位。

晶振电路由晶振Y1和电容C3和C5组成，本次设计用11.0592MHz晶振和47pF的电容组成，其中电容是帮助晶振起振，使数字控制器上电以后可以正常工作。

2、存储模块

存储模块使用的是AT24C02，AT24C02内部含有256个8位字节，其有一个8字节的页写缓冲器。并且AT24C02通过I2C总线接口进行操作，有一个专门的写保护。工作温度为，100万次的擦写周期，完全满足设计需求。AT24C02芯片引脚5、6、7和单片机的P3.5、P3.4、P3.3相连，实现通信。

3、键盘输入模块

键盘模块采用4×4的矩阵键盘与单片机的P0口相连。4×4矩阵键盘具有10个数字键和6个功能键。本质上来讲是一种信号采集装置，是将采集到的按键信号转换为单片机可以理解的数字信号[6]。

本次测试环境为人工输入，通过测试4×4键盘可任意满足正常的数字输入和功能键的需求。其准确性和灵敏性以及错误率均可达到要求。

4、显示模块

显示模块采用液晶12864模块，其分辨率达到128×64，完全满足日常使用，引脚4、5、6分别连接单片机 P2.5、P2.6、P2.7。引脚 7～14，16～18没有用到则不连接。

5、稳压模块

稳压器模块采用了LM1117，其压差为1.2V，线性调整率为0.2%（Max），负载调整率为0.4%（Max），使用温度在。其输出的电流可到达800mA，符合使用条件。

6、报警电路设计

此次系统采用5V有源蜂鸣器模块，电路中采用三极管Q2来驱动，可以通过控制单片机的P3.2引脚方波的输出形式控制蜂鸣器的报警方式。电路简单，工作可靠，不用额外的单片机I/O口。

7、IC卡模块

IC卡识别模块采用了MFRC522门禁卡模块，如图3所示。采用Philips MFRC522原装芯片设计读卡电路，使用方便，成本低廉。其应用于13.56MHz的非接触式通信中的读写卡芯片。采用了调制和解调的概念，使其可以完成13.56MHz下的所有类型的被动式非接触式通信方式和协议[7]。

8、供电电路

本次采用的是DC直流插座供电，可外接220V交流电，方便简单，开关位按键开关。

9、系统特点

本次设计的门禁控制系统具有以下特点：

（1）数据的采集接收是以单片机为控制核心的，LCD显示以及按键、IC卡、指纹识别控制电路记录信息，不需要电脑连接，用户即可与门禁系统进行交互，完成数据录入、采集、储存、计算、分析、开锁、关锁等动作；

（2）系统功耗低只需要5V电压即可带动，体积小，避开了当前的STM32芯片，使用IAP15F2K61S2有效地降低了成本，使其具有极高的性价比；

（3）从安装的角度出发，系统高度集成，安装方便，无需电脑连接即可工作，有单片机和外围模块实现人机交互，LCD12864显示；

（4）软件编写采用keil，包括了C语言编译器、宏编译、连接器等，兼顾了实用性和数据处理的方便性。

四、系统软件设计

门禁系统的软件部分采用C语言编写。按系统的功能分为若干子模块，然后进行编写，系统中采用查询方式编写[8]。主程序主要功能为对外部输入的信息分析和处理进而判断执行哪部分子程序，或者激活蜂鸣报警模块。软件程序流程图如图4所示。

给系统接上电源以后，主控芯片对系统进行初始化，4×4键盘和IC卡模块进入工作状态，然后读取储存芯片AT24C02中保存的数据，包括密码、指纹信息和IC卡信息，按键时由单片机进行按键扫描。该系统中有10个数字键，2个特殊符号键，4个功能键。特殊符号键为#、*。功能键分别为开门、删除、返回首页、门铃。其中需要输入管理员密码才可改密。当有按键按下时，单片机首先判断用户输入的是功能键、数字键还是特殊键。如果为数字键，门禁系统则记录输入的数字并储存，直到用户按下功能键来执行相应的功能。按下确定键时，单片机开始将用户输入的数字和储存器里储存的密码进行比对，判断是否正确。连续输入错误三次及三次以上时，蜂鸣器开始连续响起5s，报警程序启动。按下删除键时，清空输入的密码。按下门铃键时，则蜂鸣器响起，提供门铃功能，松开则不响。录入指纹时，单片机判断指纹信息与存储的信息是否相符，相符则执行开门程序，不符时则蜂鸣器响1s提示错误。当感应到IC卡时，单片机读取信息与储存器内的信息进行比对，相同时开门，否则蜂鸣器响1s提示错误。门内设置有开门键，按下则可打开门锁。

五、仿真结果

通过模拟输入正确密码和错误密码来测试门禁是否可以正常运行，密码、IC卡和指纹均可打开门禁。其他功能如修改密码、增加IC卡用户以及删除IC卡用户。通过图5看出门禁系统正常工作且管理员程序可以正常工作，以及IC卡的增加和删除用户正常工作。

上述仿真结果是在实验室进行的模拟门禁，人工按键和刷卡来测试系统能否正常工作和系统的稳定性。由图5看出系统可以正常运行并实现所有设计的功能。在重复按键50次和重复刷卡50次的实验中，系统没有出现错误，可以判定系统稳定性达到了要求。在实验中输入正确的密码可以开锁，输入错误的密码会有密码错误的提示，且连续输入密码错误3次会触发蜂鸣器报警，测试成功。

当然系统还可以继续升级，可以和电脑相连实现云服务等。本系统的控制环节仅仅为简单的家用系统，企业等多人数的管理明显不符合系统的应用场景[9]。应引入云端处理，使得单片机系统和计算机以及互联网相连接达到更加方便强大的功能。

六、结束语

设计的门禁系统功能齐全，可以满足人们日常需要，同时其稳定性和安全性也满足要求。整个门禁控制系统电路简单，安全性高，安装简单，性价比高。随着时代的发展，单片机的成本逐渐下降，电子门禁系统将会越来越普及[9]。许多家庭和实验室已经开始安装门禁系统，所以门禁系统的前景十分美好。该系统设计采用较为廉价的单片机以及存储单元，综合成本低廉，操作简单可靠，在市场上将会有较强的竞争力，具有远大的前景。