樓層單元門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目 錄1 總體要求11.1 門禁系統(tǒng)的分類11.2 本課程設(shè)計(jì)的意義21.3 本課程設(shè)計(jì)主要應(yīng)用的場所32 本課程設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)32.1 基于單片機(jī)的單元門禁系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖和基本工作原理32.2 各模塊的功能42.3 小結(jié)43 硬件電路的設(shè)計(jì)43.1 門禁系統(tǒng)的硬件電路原理53.2 各分電路設(shè)計(jì)53.2.1 供電電源電路設(shè)計(jì)和鋰電池充電電路設(shè)計(jì)53.2.2 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)73.2.3 門號選擇電路的設(shè)計(jì)73.2.4 矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)83.2.5 LED顯示電路的設(shè)計(jì)93.2.6 斷電保護(hù)電路93.2.7 通話電路的設(shè)計(jì)103.3 小結(jié)114 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)124.1編程語言及開發(fā)工具124.2 軟件系統(tǒng)的流程結(jié)構(gòu)124.3 斷電密碼儲存子程序124.4 密碼輸入及其判斷子程序134.5 門號輸入及其判斷子程序144.6 小結(jié)15參 考 文 獻(xiàn)16附 錄 17 1.總體要求：題目主要研究內(nèi)容及預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)：設(shè)計(jì)一套簡易的門禁系統(tǒng)的電路圖。撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告，總體框圖及總體工作原理說明，各部分電路圖及工作原理和元件及參數(shù)選擇說明，總體程序流程圖。題目所涉及的知識面：模擬電路技術(shù)，數(shù)字電路技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)，射頻技術(shù)。相關(guān)知識鏈接：1.1 門禁系統(tǒng)的分類隨著科技的發(fā)展電子類的科技的更新日新月異，門控系統(tǒng)的應(yīng)用已不局限在單一的出入口控制。它不僅可以應(yīng)用于智能大廈或智能小區(qū)的門禁系統(tǒng)，還可以應(yīng)用在遠(yuǎn)程控制、停車場控制、電梯控制、交通管理或與其他系統(tǒng)聯(lián)動控制等多種控制場合。所以經(jīng)過多年的發(fā)展，門禁系統(tǒng)發(fā)展很快。門禁系統(tǒng)可分為三類： （1）密碼門禁系統(tǒng)電子密碼鎖是一種通過密碼輸入來控制電路或是芯片工作，從而控制機(jī)械開關(guān)的閉合，完成開鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。它的種類很多，有簡易的電路產(chǎn)品，也有基于芯片的性價(jià)比較高的產(chǎn)品。現(xiàn)在應(yīng)用較廣的電子密碼鎖是以芯片為核心，通過編程來實(shí)現(xiàn)的。其性能和安全性已大大超過了機(jī)械鎖。（2）刷卡門禁系統(tǒng)顧名思義此系統(tǒng)需要刷卡,通過刷入射頻卡，對射頻卡的辨別來實(shí)現(xiàn)開門和關(guān)門任務(wù)的功能，目前市面上的卡有很多種類：條碼、磁卡、接觸式IC卡，非接觸式IC卡等，條碼和磁卡，在超市和銀行方面應(yīng)用的比較多，接觸式IC卡，以前在公共電話中用的比較多，但接觸式IC卡，芯片外露易壞、易折，而非接觸式IC卡既射頻卡，它把芯片和線圈封裝卡片內(nèi)，不容易損壞、不怕惡劣的環(huán)境，現(xiàn)在社會上很流行，可靠性也高。（3）生物識別門禁系統(tǒng)采用生物識別技術(shù)的門禁系統(tǒng)在安防行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)越來越多,包括銀行、監(jiān)獄、部隊(duì)等單位已經(jīng)采用生物識別的門禁系統(tǒng)來加強(qiáng)其管理的安全性和使用的方便性。生物識別系統(tǒng)按照識別對象來分主要有：1.指紋：是目前較成熟和適合于大規(guī)模應(yīng)用的生物識別特征。2.掌形：技術(shù)和產(chǎn)品也比較成熟，但是由于其體積大和價(jià)格較貴，限制了應(yīng)用。3.虹膜：是目前誤識率最低的產(chǎn)品之一，可以達(dá)到百萬分之一的精度，但是由于其使用的不方便和價(jià)格昂貴及體積較大受到較多的使用限制。4.面相：由于其使用的方便性，這也是一種可以大規(guī)模推廣應(yīng)用的生物特征，但是由于目前的誤識率比較高和受到周圍環(huán)境的影響（如燈光、氣候等）,導(dǎo)致 1.2 本課程設(shè)計(jì)的意義門控（門禁）系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的門鎖基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，傳統(tǒng)的門鎖是一種單純的機(jī)械裝置，雖然經(jīng)過不斷地改進(jìn)，安全性有所提高，但是無論如何總能通過某種非正常的手段把它打開，其安全性較差。對于使用者來說，一把鎖配一把鑰匙，多把就需要多把鑰匙，使用起來不方便。在出入較多的通道（辦公室，酒店客房等），鑰匙的管理也相當(dāng)麻煩，遇到鑰匙丟失或人員更換都要把鑰匙一起更換。 為了解決這些問題，出現(xiàn)了電子密碼鎖，這種鎖的出現(xiàn)從一定程度上提高了人們對出入口通道的管理效率，使通道管理進(jìn)入了電子時(shí)代。綜合市場上的樓宇對講系統(tǒng)和電子密碼鎖，我設(shè)計(jì)出了集合兩種功能并且自帶防盜報(bào)警的多功能門控系統(tǒng)。1.3 本課程設(shè)計(jì)主要應(yīng)用的場所由于此設(shè)計(jì)綜合了基本的門禁系統(tǒng)和樓宇對講系統(tǒng)的功能，因此其主要的應(yīng)用場所為小區(qū)綜合樓，集體居住宿舍，寫字樓等的安全程度要求不是很高的場所。2 本課程設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)門控電路的硬件部分主要由主要供電電源電路、備用電源電路、單片機(jī)外圍電路、鍵盤電路、LED顯示電路、報(bào)警電路、通話電路等電路模塊組成。分為三塊電路設(shè)計(jì)，一塊電路實(shí)現(xiàn)電源電路，第二塊電路是與單片機(jī)直接控制相關(guān)的電路，第三塊是對講電路，采用這種設(shè)計(jì)是根據(jù)各個(gè)電路模塊之間的距離和功能來劃分的，說明起來也更加合理。2.1 基于單片機(jī)的單元門禁系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖和基本工作原理智能控制器由主要供電充電鋰電池電路、蜂鳴報(bào)警電路、單片機(jī)及其外圍電路、（鍵盤電路、 LED顯示電路）通話門鈴電路的等電路模塊組成。主框圖如圖2.1 所示。通話電路鍵盤矩陣4*4AT89C52單片機(jī)LED顯示供電充電鋰電池電路錯(cuò)誤報(bào)警電路單片機(jī)開鎖電路AT24C02開鎖密碼存儲密碼門禁系統(tǒng)PAS5001-N如上圖所表示，電源由主要供電充電鋰電池電路和變壓電路組成，主要供電電路是由市電通過變壓濾波整流穩(wěn)壓后直接向各部分電路供12V和5V電壓。當(dāng)斷電時(shí)有鋰電池供電。51單片機(jī)是整個(gè)電路的核心部分，其中單片機(jī)IO口的輸入有 4x4矩陣鍵盤、AT24C02 E2ROM的儲存器等，輸出LED顯示、報(bào)警電路、門鈴?fù)ㄔ掚娐?.2 各模塊的功能變壓電路：將市電壓濾波整流穩(wěn)壓后對鋰電池充電。充電鋰電池電路：在斷電的情況下能夠繼續(xù)想門控系統(tǒng)供電。4x4矩陣鍵盤：實(shí)現(xiàn)住戶輸入密碼開門，訪客輸入門號進(jìn)行通話。AT24C02 E2ROM：實(shí)現(xiàn)對用戶密碼的儲存。LED顯示：顯示相關(guān)的信息。報(bào)警電路：當(dāng)用戶密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)報(bào)警提示。通話電路：訪客通過輸入門號，對住戶進(jìn)行通話。2.3 小結(jié)本系統(tǒng)主要由主要供電電源電路、備用電源電路、單片機(jī)外圍電路、鍵盤電路、LED顯示電路、報(bào)警電路、通話電路等電路模塊組成。理論上能初步實(shí)現(xiàn)小區(qū)單元門禁系統(tǒng)的功能。3 硬件電路的設(shè)計(jì)3.1 門禁系統(tǒng)的硬件電路原理硬件總體電路原理圖如下所示，其中包括LED顯示模塊，蜂鳴器報(bào)警模塊，鍵盤模塊和存儲模塊等，包括晶振電路復(fù)位電路、電源電路和鋰電池充電電路。圖3.1 電路原理圖 3.2 各分電路設(shè)計(jì)3.2.1 供電電源電路設(shè)計(jì)和鋰電池充電電路設(shè)計(jì) 如圖3.2.1.1所示電路為輸出電壓+5V、輸出電流1.5A的穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器B，橋式整流電路D1D4，濾波電容C1、C3，防止自激電容C2、C3和一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805)極為簡捷方便地搭成的。圖3.2.1.1Proteus仿真：仿真圖220V交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路D1D4和濾波電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因?yàn)槭须婋妷旱牟▌踊蜇?fù)載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為TTL電路或單片機(jī)電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件鋰電池充電電路設(shè)計(jì)：如圖3.2.1.2采用恒定電壓給電池充電，確保不會過充。輸入直流電壓高于所充電池電壓3伏即可。R1、Q1、W1、TL431組成精密可調(diào)穩(wěn)壓電路，Q2、W2、R2構(gòu)成可調(diào)恒流電路，Q3、R3、R4、R5、LED為充電指示電路。隨著被充電池電壓的上升，充電電流將逐漸減小，待電池充滿后R4上的壓降將降低，從而使Q3截止，LED將熄滅，為保證電池能夠充足，請?jiān)谥甘緹粝绾罄^續(xù)充12小時(shí)。使用時(shí)請給Q2、Q3裝上合適的散熱器。本電路的優(yōu)點(diǎn)是：制作簡單，元器件易購，充電安全，顯示直觀，并且不會損壞電池通過改變W1可以對多節(jié)串聯(lián)鋰電池充電，改變W可以對充電電流進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)。圖3.2.1.23.2.2 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)此電路設(shè)計(jì)相當(dāng)簡單可以實(shí)現(xiàn)簡單的提示及報(bào)警功能，由單片機(jī)輸出一開關(guān)信號使報(bào)警燈和蜂鳴器工作。如下圖2.2.2所示。開鎖電路設(shè)計(jì) 當(dāng)正確開啟門禁時(shí)，開鎖電路工作：引腳24變?yōu)榈碗娖剑琎2導(dǎo)通，Q3導(dǎo)通，此時(shí)繼電器線圈導(dǎo)通，繼電器工作，開關(guān)被拉下，實(shí)現(xiàn)開鎖功能，而D5是用來保護(hù)電路的。 3.2.3 門號選擇電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)假想了本單元有7層樓，每層樓有一位住戶，從下到上依次是101、201、301、401、501、601、701。在設(shè)計(jì)門號選擇電路時(shí)考慮到了使用3線8線譯碼器。當(dāng)呼叫的為101用戶時(shí)單片機(jī)輸出三位編碼提供給譯碼器譯碼，在通過譯碼器呼叫該用戶。3線8線譯碼器工作原理： 引腳圖 真值表如當(dāng)呼叫101住戶時(shí)，單片機(jī)端口輸001，而譯碼器輸出端輸出10111111，從而控制101用戶進(jìn)行通話功能。仿真圖如下圖3.2.3.1圖3.2.3.13.2.4 矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是用AT89S52的并行口P1接44矩陣鍵盤，如圖2.2.4a所示，矩陣鍵盤的每個(gè)按鍵有它的行值和列值 ，行值和列值的組合就是識別這個(gè)按鍵的編碼。矩陣的行線和列線分別通過兩并行接口和CPU通信。對鍵盤的處理程序功能：確定有無鍵按下，判斷哪一個(gè)鍵按下，鍵的功能是什么；還要消除按鍵在閉合或斷開時(shí)的抖動。兩個(gè)并行口中，一個(gè)輸出掃描碼，使按鍵逐行動態(tài)接地，另一個(gè)并行口輸入按鍵狀態(tài)，由行掃描值和回饋信號共同形成鍵編碼而識別按鍵，通過軟件查表，查出該鍵的功能及其鍵值。設(shè)計(jì)中方案中的鍵值及其功能如圖中下標(biāo)所示，其中鍵值15為訪客、鍵值16為住戶，鍵值11為確認(rèn)，鍵值12為取消，鍵值14為呼叫，0-9為相應(yīng)數(shù)字。矩陣鍵盤Proteus仿真圖3.2.5 LED顯示電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用了共陰極的LED數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)顯示，此LED數(shù)碼管是有一個(gè)共陰極端，然后有a,b,c,d,e,f,g,DP為控制數(shù)碼管的顯示，顯示原理如下表：數(shù)碼管編碼顯示數(shù)碼管編碼顯示數(shù)碼管編碼顯示0x3fO0x73P0x79E0x37N0x40-0x76H0x3f00x0610x5B20x4F30x6640x6D50x7D60x0770x7F80x679仿真圖：3.2.6 斷電保護(hù)電路 本電路主要是對用戶密碼的一種儲存防止斷電后密碼丟失的作用，采用了AT24C02芯片。該芯片是美國Atmel公司的低功耗CMOS型E2PROM，內(nèi)含256x8位儲存空間，具有工作電壓寬（2.5-5.5V）、擦寫次數(shù)多（大于10000次）、寫入速度快、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)不易丟失、體積小等特點(diǎn)。該芯片采用I2C總線式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫的串行器件，占用很少的資源和I/O線，并且支持在線編程，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的存取十分方便。AT24C02中帶有的片內(nèi)地址寄存器。每寫入或者讀出一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動加1，以實(shí)現(xiàn)對下一個(gè)存儲單元的讀寫。所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。通過SDA及SCL兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識別每個(gè)器件。而因?yàn)橛昧薎2C規(guī)程，使用主從機(jī)雙向通信，主機(jī)和從機(jī)均可工作于接收器和發(fā)送器狀態(tài)。主機(jī)產(chǎn)生串行時(shí)鐘信號并發(fā)出控制字，控制總線的傳送方向，并產(chǎn)生開始和停止的條件。其電路圖如下圖3.2.6.1圖3.2.6.1圖中AT24C02的1、2、3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址。在AT89C52試驗(yàn)開發(fā)板上它們都接地，第8腳和第4腳分別為正負(fù)電源。第5腳SDA為串行數(shù)據(jù)輸入和輸出，數(shù)據(jù)通過這條雙向I2C總線串行傳送，在AT89C52實(shí)驗(yàn)開發(fā)板上和單片機(jī)的P2.6連接。第6腳SCL為串行時(shí)鐘輸入線，在AT89C52實(shí)驗(yàn)開發(fā)板上和單片機(jī)的P2.7連接。SDA和SCL都需要和正電源間各接一個(gè)5.1K的上拉電阻。第7引腳需要接地。3.2.7 通話電路的設(shè)計(jì)通話電路模塊主要功能是方便訪客進(jìn)行訪問。由單片機(jī)進(jìn)行信號的輸出，模擬電路進(jìn)行通話。原理圖如圖3.2.7.1所示，在這個(gè)門禁通話電路圖中，圖中有兩個(gè)“SPEAKER”一個(gè)是揚(yáng)聲器，一個(gè)是麥克風(fēng)。BC109C的共基極放大模型，提供了良好的電壓增益，同時(shí)提供一個(gè)低阻抗輸入與揚(yáng)聲器相匹配。自身的直流偏置用于允許晶體管內(nèi)部的電流增益變化 。LM386作為一種音頻集成功放芯片用來驅(qū)動揚(yáng)聲器。10K的電位器作為音量控制，總增益可以與預(yù)設(shè)的5K想適應(yīng)。雙刀雙擲開關(guān)，控制的通話與被通話的方式以便于相互通話。手動操作開關(guān)（室內(nèi)安裝）允許雙向溝通。單片機(jī)P1.1口作為信號輸出口控制三極管是電路導(dǎo)通達(dá)到通話的目的。圖3.2.7.13.3 小結(jié)本章節(jié)對門控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，并對各個(gè)分電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中采用了51系列單片機(jī)中的AT89C52單片機(jī)，它功能完善，價(jià)格低廉，可靠性高、有良好的通用性。還采用了LED數(shù)碼管顯示模塊，可以實(shí)現(xiàn)建立了良好的人機(jī)交互界面的要求，操作起來將更加方便。設(shè)計(jì)中采用了4X4矩陣鍵盤，可以有針對性的讓訪客輸入門號進(jìn)行通話，讓住戶輸入密碼開門。設(shè)計(jì)中采用了8路模擬開關(guān)74ls138譯碼器用于對7個(gè)門號進(jìn)行通斷。在供電充電電路中，可以自動投入備用電源，其中采用了鋰電池充電電路。可以保護(hù)蓄電池，使其壽命更久4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1編程語言及開發(fā)工具本系統(tǒng)的處理器是兼容8051指令集的高速單片機(jī)P89LPC932A1。為此，首選Keil Vision 作為其開發(fā)工具。Keil Vision 是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。其功能強(qiáng)大，生成的代碼緊湊，是目前世界上使用最廣泛的51系列兼容單片機(jī)開發(fā)工具。4.2 軟件系統(tǒng)的流程結(jié)構(gòu)下圖圖為主程序流程圖，程序基本上是通過對鍵值的掃描，當(dāng)輸入對應(yīng)的鍵時(shí)，運(yùn)行相應(yīng)的子程序。從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的軟件功能。開始讀取密碼 成功鍵盤掃描報(bào)警住戶訪客取消取消門號輸入記起判斷密碼輸入記起判斷 N N Y Y開門呼叫4.3 斷電密碼儲存子程序 對于AT24C02 E2PROM 芯片該芯片采用I2C總線式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫的串行器件，占用很少的資源和I/O線，并且支持在線編程，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的存取十分方便。AT24C02中帶有的片內(nèi)地址寄存器。每寫入或者讀出一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動加1，以實(shí)現(xiàn)對下一個(gè)存儲單元的讀寫。所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。通過SDA及SCL兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識別每個(gè)器件。而因?yàn)橛昧薎2C規(guī)程，使用主從機(jī)雙向通信，主機(jī)和從機(jī)均可工作于接收器和發(fā)送器狀態(tài)。主機(jī)產(chǎn)生串行時(shí)鐘信號并發(fā)出控制字，控制總線的傳送方向，并產(chǎn)生開始和停止的條件。時(shí)序圖如下：程序流程圖如下：4.4 密碼輸入及其判斷子程序此子程序段是由主程序連續(xù)下來的，由于紙張?zhí)。瑹o在一個(gè)主程序流程圖中無法將所有子程序流程圖設(shè)計(jì)出來，故在此小節(jié)說明。在密碼子程序中，以數(shù)組查表的方式將輸入的密碼和初始的密碼進(jìn)行比較，判斷對誤，并顯示。設(shè)置的4位密碼為*在每輸入一位密碼時(shí)，屏幕將顯示輸入的密碼位數(shù)，在此流程圖中未將這些程序段一一寫出，當(dāng)密碼輸入錯(cuò)誤的時(shí)候?qū)@示“ERROR”同時(shí)輸出報(bào)警信號。當(dāng)密碼輸入正確時(shí)，屏幕將顯示“OPEN”。流程圖如下圖4.4.1顯示：空白 按下住戶按鍵顯示：-密